独立光伏发电系统及其MPPT的研究
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光伏阵列输出特性是光伏发电系统研究中的最基本问题。本文在光伏阵列输出特性方 程的基础上，运用 Matlab/Simulink 建立基于 M 函数的光伏阵列仿真模型，克服了单纯用 Simulink 元件库建立光伏阵列模型过程复杂的缺点，为实现系统仿真、指导理论研究和系 统设计提供了基础保证。
最大功率点跟踪(MPPT)方法是光伏发电系统中提高系统效率的重要手段。本文在介绍 光伏阵列输出特性及其仿真模型的基础上提出了最大功率点 跟踪的方法和原理并介绍常 见 MPPT 方法。建立了以 Boost 电路为核心实现独立光伏发电系统 MPPT 的仿真模型，利 用该模型不需要精确的内部电路特性和相关参数，就可以实时模拟光伏阵列及其 MPPT 的 实现。在此基础上，针对固定步长干扰观察法存在的问题，提出了一种改进的自适应变步 长干扰观察 MPPT 方法。并对此算法运用 Matlab/Simulink 进行仿真。仿真结果表明：这种 改进的变步长干扰观察 MPPT 方法能够稳定、高效地跟踪光伏阵列最大功率点；同时，在 日照强度、环境温度等系统参数扰动的情况下，能快速寻找新的工作点，保持系统稳定， 表现出很好的动态特性。在光伏发电系统的设计中，具有重要的理论意义和实用价值。
南京航空航天大学 硕士学位论文
独立光伏发电系统及其MPPT的研究 姓名：王厦楠
申请学位级别：硕士 专业：交通信息工程及控制
指导教师：周洁敏 20080201
南京航空航天大学硕士学位论文
Baidu Nhomakorabea摘 要
光伏发电技术和产业不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主要能源来源 的潜力。本论文以太阳能发电系统为研究对象，以最大限度利用太阳能为主要目标，开展 了太阳能独立光伏发电系统最大功率点跟踪控制的理论和仿真研究。
KEY WORDS：Solar Energy, Photovoltaic Cell, MPPT, Matlab Simulation, Boost
ii
南京航空航天大学硕士学位论文
图表清单
图 1.1 一次能源的探明剩余储量比较................................................................................ 1 图 1.2 光伏阵列.................................................................................................................... 5 图 1.3 独立光伏发电系统的结构........................................................................................ 6 图 2.1 光生伏打效应简图.................................................................................................... 8 图 2.2 光伏电池等效电路图................................................................................................ 9 图 2.3 光伏电池等效简化电路.......................................................................................... 10 图 2.4 I ph 子模块 ................................................................................................................ 13
The modeling of PV arrays is the base of research on PV systems. This thesis presents simulation model of PV arrays based on the output characteristics formulas. It can be directly applied in circuit simulation and system analysis.
图 2.5 Uoc 子模块................................................................................................................ 14
图 2.6 Vt 子模块.................................................................................................................. 14
图 2.7 I0 子模块.................................................................................................................. 15
图 2.8 光伏阵列 Simulink 模型 ......................................................................................... 16 图 2.9 基于 Simulink 的光伏阵列仿真模型 P −V 曲线 ................................................... 17 图 2.10 光伏阵列仿真模型函数流程图............................................................................ 19 图 2.11 基于 M 函数的光伏阵列仿真模型 ....................................................................... 20 图 2.12 不同日照不同温度情况下，光伏阵列的输出特性曲线。................................ 22 图 3.1 典型的独立光伏系统结构图.................................................................................. 25 图 3.2 带有 MPPT 功能的光伏发电系统结构图 .............................................................. 25 图 4.1 MPPT 方法示意图 ................................................................................................... 28 图 4.2 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线...................................... 29 图 4.3 P&O 法示意图.......................................................................................................... 30 图 4.4 P&O 法流程图.......................................................................................................... 31 图 4.5 电导增量法控制流程图.......................................................................................... 33 图 4.6 模糊逻辑控制流程图............................................................................................... 35 图 4.7 基本的 BOOST 变换电路....................................................................................... 37 图 4.8 功率开关管 Q 导通时等效电路............................................................................. 37 图 4.9 功率开关管 Q 截止时等效电路............................................................................. 38 图 4.10 Boost 电路阻抗变换............................................................................................... 39 图 4.11 光伏阵列 MPPT 原理仿真模型............................................................................ 40 图 4.12 光伏阵列仿真波形（ RL = 100Ω ）....................................................................... 41
关键词：太阳能，光伏阵列，ＭＰＰＴ，ＭＡＴＬＡＢ 仿真，Ｂｏｏｓｔ
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独立光伏发电系统及其 ＭＰＰＴ 的研究
Abstract
With the development of photovoltaic (PV) technologies, applications of photovoltaic have grown rapidly, indicating that the photovoltaic are attractive to produce environmentally benign electricity for diversified purposes. In order to maximize the use of solar energy, this thesis focuses on the PV power generation systems, which includes modeling of PV systems, maximum power point tracking (MPPT) methods for PV arrays.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) method is an important means to improve the system efficiency of PV power generation system. MPPT theory and various MPPT algorithms are introduced in the literature. Furthermore, this article analyzes the principle of boost circuit and impedance transformation characteristic in stand-alone PV system with MPPT technology applications. The simulation study of boost circuit applied in the MPPT is completed based on Simulink simulation model. Based on those researches, this thesis proposes a novel implementation of an adaptive duty cycle P&O algorithm that can reduce the main drawbacks commonly related to the traditional P&O method, at the same time, the simulation results verify that the novel MPPT algorithm can track PV array‘s MPP efficient, even under the circumstance of isolation level, ambient temperature changing rapidly.
最大功率点跟踪(MPPT)方法是光伏发电系统中提高系统效率的重要手段。本文在介绍 光伏阵列输出特性及其仿真模型的基础上提出了最大功率点 跟踪的方法和原理并介绍常 见 MPPT 方法。建立了以 Boost 电路为核心实现独立光伏发电系统 MPPT 的仿真模型，利 用该模型不需要精确的内部电路特性和相关参数，就可以实时模拟光伏阵列及其 MPPT 的 实现。在此基础上，针对固定步长干扰观察法存在的问题，提出了一种改进的自适应变步 长干扰观察 MPPT 方法。并对此算法运用 Matlab/Simulink 进行仿真。仿真结果表明：这种 改进的变步长干扰观察 MPPT 方法能够稳定、高效地跟踪光伏阵列最大功率点；同时，在 日照强度、环境温度等系统参数扰动的情况下，能快速寻找新的工作点，保持系统稳定， 表现出很好的动态特性。在光伏发电系统的设计中，具有重要的理论意义和实用价值。
南京航空航天大学 硕士学位论文
独立光伏发电系统及其MPPT的研究 姓名：王厦楠
申请学位级别：硕士 专业：交通信息工程及控制
指导教师：周洁敏 20080201
南京航空航天大学硕士学位论文
Baidu Nhomakorabea摘 要
光伏发电技术和产业不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主要能源来源 的潜力。本论文以太阳能发电系统为研究对象，以最大限度利用太阳能为主要目标，开展 了太阳能独立光伏发电系统最大功率点跟踪控制的理论和仿真研究。
KEY WORDS：Solar Energy, Photovoltaic Cell, MPPT, Matlab Simulation, Boost
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南京航空航天大学硕士学位论文
图表清单
图 1.1 一次能源的探明剩余储量比较................................................................................ 1 图 1.2 光伏阵列.................................................................................................................... 5 图 1.3 独立光伏发电系统的结构........................................................................................ 6 图 2.1 光生伏打效应简图.................................................................................................... 8 图 2.2 光伏电池等效电路图................................................................................................ 9 图 2.3 光伏电池等效简化电路.......................................................................................... 10 图 2.4 I ph 子模块 ................................................................................................................ 13
The modeling of PV arrays is the base of research on PV systems. This thesis presents simulation model of PV arrays based on the output characteristics formulas. It can be directly applied in circuit simulation and system analysis.
图 2.5 Uoc 子模块................................................................................................................ 14
图 2.6 Vt 子模块.................................................................................................................. 14
图 2.7 I0 子模块.................................................................................................................. 15
图 2.8 光伏阵列 Simulink 模型 ......................................................................................... 16 图 2.9 基于 Simulink 的光伏阵列仿真模型 P −V 曲线 ................................................... 17 图 2.10 光伏阵列仿真模型函数流程图............................................................................ 19 图 2.11 基于 M 函数的光伏阵列仿真模型 ....................................................................... 20 图 2.12 不同日照不同温度情况下，光伏阵列的输出特性曲线。................................ 22 图 3.1 典型的独立光伏系统结构图.................................................................................. 25 图 3.2 带有 MPPT 功能的光伏发电系统结构图 .............................................................. 25 图 4.1 MPPT 方法示意图 ................................................................................................... 28 图 4.2 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线...................................... 29 图 4.3 P&O 法示意图.......................................................................................................... 30 图 4.4 P&O 法流程图.......................................................................................................... 31 图 4.5 电导增量法控制流程图.......................................................................................... 33 图 4.6 模糊逻辑控制流程图............................................................................................... 35 图 4.7 基本的 BOOST 变换电路....................................................................................... 37 图 4.8 功率开关管 Q 导通时等效电路............................................................................. 37 图 4.9 功率开关管 Q 截止时等效电路............................................................................. 38 图 4.10 Boost 电路阻抗变换............................................................................................... 39 图 4.11 光伏阵列 MPPT 原理仿真模型............................................................................ 40 图 4.12 光伏阵列仿真波形（ RL = 100Ω ）....................................................................... 41
关键词：太阳能，光伏阵列，ＭＰＰＴ，ＭＡＴＬＡＢ 仿真，Ｂｏｏｓｔ
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独立光伏发电系统及其 ＭＰＰＴ 的研究
Abstract
With the development of photovoltaic (PV) technologies, applications of photovoltaic have grown rapidly, indicating that the photovoltaic are attractive to produce environmentally benign electricity for diversified purposes. In order to maximize the use of solar energy, this thesis focuses on the PV power generation systems, which includes modeling of PV systems, maximum power point tracking (MPPT) methods for PV arrays.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) method is an important means to improve the system efficiency of PV power generation system. MPPT theory and various MPPT algorithms are introduced in the literature. Furthermore, this article analyzes the principle of boost circuit and impedance transformation characteristic in stand-alone PV system with MPPT technology applications. The simulation study of boost circuit applied in the MPPT is completed based on Simulink simulation model. Based on those researches, this thesis proposes a novel implementation of an adaptive duty cycle P&O algorithm that can reduce the main drawbacks commonly related to the traditional P&O method, at the same time, the simulation results verify that the novel MPPT algorithm can track PV array‘s MPP efficient, even under the circumstance of isolation level, ambient temperature changing rapidly.