第3章太陽能電池模型及最大功率跟蹤算法在前文對太陽能電池組、逆變器進行選型后，本章通過仿真平臺對太陽能電池進行仿真實驗，對電路、脈寬調制器以及控制器進行模塊搭建，對參數設置進行詳細的說明。3.1太陽能電池模型3.1.1太陽能電池的基本原理硅材料是太陽能電池的主要成分。由于硅儲量很大，它可以通過無塵來加工制造結晶硅。目前太陽能電池大部分使用單晶硅和多晶硅作為材料，目前以單晶硅太陽能電池為例介紹[10][11]。圖3-l中所示的單晶硅太陽電池形狀：圖3-1太陽能電池結構這是一種N/P型太陽能電池，它將微量的三價元素混合到0.04mm以下，是一種n/p型單晶硅，它混合了重量的五價元素。矩陣和運動類型在運動類型面上形成P-N運動類型。上表面添加了柵格陰極，提高了轉換效率，下表面有金屬陽極。另外，如果太陽能電池向光照射，添加了一層可以減少太陽光反射的物質，非常薄的天藍色硅膜，使太陽能電池在一定面積內接收更多的陽光，可以在一定程度上增加太陽能電池的輸出[12]。3.1.2太陽能電池的數學模型把太陽能電池電路模擬等效為下所示，詳細組成部分參照下圖。它是由硅片本身的特定屬性引起；串聯電阻表示為，它主要由PN結擴散層橫向電阻、電極與硅表面接觸電阻、太陽能電池的體電阻、電極導體電阻引起[13]。圖3-2太陽能電池的等效電路原理模型光生電流的計算式：(3-1)式中：標準條件下所測量的太陽能電池的短路電流值；：日照強度(W/m2)；：太陽能電池短路電流溫度系數；：太陽能電池所處環境下的熱力學溫度(K)；：標準條件下的熱力學溫度(K)，環境溫度與太陽能電池的溫度之間的關系：(3-2)式中：太陽能電池的溫度(K)；：環境的溫度(K)；：系數。將二極管PN結特性方程表示如下：(3-3)(3-4)式中：只與環境溫度和太陽能電池材料自身性能有關；：電子電荷，；：PN結理想因子，衡量與理想PN結半導體之間差異的系數；：玻爾茲曼常數，；：太陽能電池在溫度1'r時的反向飽和電流；：半導體材料跨越能帶間隙時需要的能量。參照模型，列出太陽能電池的數學模型如下：(3-5)在理想情況下，忽略串聯電阻和旁路電阻的影響，得到：(3-6)現實中，許多太陽能電池通常被制成串并聯的太陽能組件。在不考慮串聯電阻和旁路電阻影響的情況下，得到串并聯太陽能組件的數學模型如下：(3-7)式中：：串聯電池的數量；：并聯電池的串的數量。式(2-5)~(2-7)中有許多不知道的參數，這樣計算中不太容易。一般情況下測得的幾個參數有：最大功率、最大功率點電流、最大功率點電壓、，短路電流、開路電壓，短路電流溫度系數、開路電壓溫度系數。短路電流是指負載短路時輸出端流過的電流，與、光照強度、太陽能電池面積、環境溫度相關；開路電壓是指負載開路時輸出端的電壓值。由這些數據參數可以得到太陽能電池工程上應用的數學摸型：將式(4-6)表示成如下形式：(3-8)式(2-8)中，和是兩個待確定的系數。在短路條件下，，；在開路條件下，，。分別代入式(4-8)中，得到：(3-9)(3-10)考慮溫度和光強的存在的變化，得到：(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)式中：短路電流溫度系數；：開路電壓溫度系數；：光輻射強度系數(一般取0.5)；：自然底數(e=2.71828)。評價其性能還有兩個重要參數，依次是轉換效率和填充因子，其中轉換效率定義為：(3-15)式中：太陽光照射在太陽能組件上的功率；：太陽能組件的最大輸出功率；填充因子定義為：(3-16)填充系數值越大，太陽零部件的輸出電壓-電流特性曲線越接近矩形，太陽轉換效率越高，因此填充系數反映了太陽電池的轉換效率[14][15]。3.2光伏電池最大功率跟蹤（MPPT）概念和基本原理最大輸出點跟蹤控制技術是推進和應用太陽能電池的重要技術。目前，太陽能電池的轉換效率非常低，通常在35%以下，成本非常高。輸出功率主要受亮度和電池溫度的影響。因此，為了提高太陽電池系統的轉換效率，通常需要將太陽電池的輸出功率保持為最大值。由于太陽能電池的輸出功率受外部環境的影響，為了增加太陽能電池的輸出功率，在太陽能電池系統中廣泛使用mppt控制法。假設太陽能電池的表面溫度沒有變化，圖3-3中示出了太陽能電池的輸出電壓安培特性曲線。圖3-3MPPT工作原理圖圖3-3中的曲線1和2分別對應于不同照明條件下太陽電池的I-V特性曲線。A、B是在照明條件不一樣的情況下，太陽電池的最大輸出功率點。負載曲線為負載1和負載2。太陽能電池在點A工作時，光的強度忽然增加，負載不變，太陽電池工作點發生變化的點A。如圖3-1所示，為了制作太陽電池輸出特性曲線的最大功率1，太陽電池工作特性曲線必須位于1的點B處。也就是說，可以控制太陽電池的外部電路，將負載曲線1更改為負載曲線2，以與太陽電池的功率相匹配。3.3擾動觀察法基本原理如圖3-2所示，在測量電壓和電流輸出，獲得當前功率后，測量下一個電壓和電流，分別降低下一個功率和電壓。，，當和時。如果電源是左側的最大電源點，則電壓繼續上升，這可能是右側的相應電源點，并與以前的時間進行比較。此時，輸出電壓減去增量，然后到達該點，減去該點的電壓和該點的功率，再減去功率，然后與下一個采樣點進行比較，使功率再次接近最大功率點。如果循環持續，實際采樣點將繼續在理論的最大功率點附近盤旋。設定步驟越小，波動幅度越小。也就是說，越接近理論的最大功率點，調整時間就越長，從而影響系統的實時性。當然，如果步長太大，波動自然會增大，錯誤也會增大，系統無法正常運行。因此，必須選擇適當的步驟。擾動觀測方法的流程圖見圖3-4。圖3-4擾動觀察法原理圖3.4本章小結在這一章中，我們主要介紹了太陽能電池的模型，包括太陽能電池的基本論理和數學模型。因此，我們介紹了太陽能電池的最大功率跟蹤算法。詳細描述了外部干擾觀察方法。這提供了算法模擬的初步算法。第4章系統仿真模型設計本章著重介紹6MW屋頂太陽能發電系統的總體設計。對光伏方陣的設計思路進行說明；并對不同的運行方式進行分析與選擇，最后通過Simulink仿真平臺對系統進行仿真實驗，并對實驗結果進行分析，從而驗證系統的合理性與正確性。4.1基于Simulink的整體仿真模型主要有太陽電池PV模塊、電路模塊、控制器模塊和脈寬調制PWM模塊這四個模塊。圖4-1總體仿真模型此模型的負載為r30歐姆，此模型使用兩個開關和計時器CLOCK控制參數太陽電池T和日光強度S的變化。4.2仿真過程及模塊搭建4.2.1電路設計通過電感和電容的能量存儲性能和控制開關，電路起到了使直流電壓功率增加幾倍的作用。電路工作原理：如果電路的電感l和電容器C2想當大。在IGBT處于傳導狀態時，太陽電池PV向電感充電，充電電流基本保持不變，而且，電容C2也向負載R供電。因C2值相當大，基本保持輸出電壓為。設IGBT導通時間為，此階段電感L上積蓄的能量為。如果IGBT斷開時間為，則這時間斷電感L釋放的能量為。在電路穩定時，一個周期T中電感L的能量與放出的能量相等如=（4-1）化簡為：（4-2）占空比：（4-3）由（4-2）和（4-3）聯立可得（4-4）圖4-2電路圖4.2.2參數設置GTR和GTO具有電導調制效果，即由于基本波長調制效果而具有較大的電流傳輸能力，但是不到高速開關的動作的開關速度較慢。所需驅動功率大，電路復雜。功率MOSFET是單級電壓驅動器。那是非常高速的交換速度，低輸入導納和對溫度不敏感。需要小型的驅動力和簡單的電路。但是，igbt兼備gtr和mosfet的特性。IGBT的特性和參數特性如下概括。IGBT開關高速且低耗電。2.igbt的通電壓下降低于功率mosfet，這是導致igbt的低功耗的原因之一。3.IGBT的輸入尋址較低，輸入特性與功率MOSFET相同。4.與功率MOSFET和gtr相比，在保持較高開關頻率的同時，igbt可以提供更好的耐電壓和開關功能。即，以1kHz的開關頻率選擇IGBT作為升壓電路的開關齒輪。升壓電路的直流電感具有設計指數，表明波紋電流不超過所需值。其中，電感的20%被用作紋波電流的上限值，電感的設計是紋波電流不超過該上限。在IGBT的控制下，使升壓電路能夠以連續流模式動作的式如下(4-5)由（4-3）和（4-4）可得：(4-6)(4-6)式對D求導可以計算出，當占空比D=0.5時紋波電流最大，得到電感量公式（4-7）。（4-7）（4-8）根據上述，可知在電感L相當大的時候，電感最大，紋波電流就非常小。參照標準，選擇電流為15A的電感，當D為[0，0，9]時，則取極限值1000V。所以：（4-9）根據留有一定冗余量L設為。此外，為了減少由電感器產生的波紋電流對太陽能電池進行反向充電，電池的正常運行受到影響。如圖3.3所示，需要在升壓電路的輸入端增加一個電容C1。設計指標是輸入電壓，電容器的紋波電壓不超過1%。當電感的紋波電流最大時，電感和電容之間能量交換的最大峰值和峰值以無損方式穩定運行，計算公式(4-10)。（4-10）所以：（4-11）式中：：通過電感L的額定電流；：通過電感L的紋波電流；：通過電感L最大紋波電流；：太陽能電池輸入電壓；：電路輸出電壓。根據（4-11）來進行計算，把輸入電壓值設為80V，則(4-12)最終取為電容值的設定受到兩個指標的限制，假設輸出電壓的交流分量（即紋波）全部通過電容C2，則可以計算出，有：（4-13）式中：：電容C2紋波電壓；：電容C2紋波電流。由太陽能電池參數=100V可以選擇耐壓為120V電容，紋波電壓設為太陽能電池最大功率點電壓=78V的3%而紋波電流為太陽能電池最大功率點電流=7.2A的5%。因此：(4-14)根據留有一定的冗余量和工程實際電容F(4-15)4.2.3脈寬調制器設計使用脈沖寬度調制器向igbt提供驅動脈沖。脈沖寬度發生變化時，可以控制IGBT的開啟時間。模塊和太陽能電池的負載電阻r等同于可變電阻。通過改變脈沖，可以改變等效電阻以匹配太陽電池的內部電阻（即，太陽電池的內部電阻等于等效電阻），從而實現最大輸出目的。工作周期被用作輸入信號，并且三角波產生器被用作載波，以使用比較器的和和和邏輯在對應的工作周期中獲得連續脈沖信號。模型如圖4-3所示。圖4-3脈寬調制器模型三角波發生器模塊參數設置如圖：圖4-4三角波發生器模塊參數4.2.4控制器模型搭建通過3.3小節所介紹擾動觀算法進行設置。該模型設計了改變太陽電池輸出電壓的同級電阻，即增加或減少太陽電池負載，實際上是電壓增加動態變化的占空比固定階段。通過通過電壓的增減，實現輸出功率的變化，轉換為工作周期增減，控制輸出功率變化。圖4-5控制器模型該模型采樣時間設置為0.01s，2模塊初始值設為0.5，該值為初始化的占空比，其他Mermory初始化為0。4.2.5太陽能電池仿真模型在標準狀態下，245Wp的太陽能組件的峰值電壓、峰值電流、峰值功率、開路電壓與短路電流依次為31.35V，7.82A，245W，37.78V，8.34A，開路電壓溫度系數與短路電流溫度系數依次是-0.33%/℃和0.035%/℃。按照上數學表達式，可以在MATLAB/SIMULINK中創建仿真模型如圖4-6，仿真模型標準參數、、、。圖4-6太陽能電池仿真模型4.3本章小結本章主要對系統的仿真模型進行設計。首先介紹了基于Simulink仿真平臺的模型，并對仿真過程中的參數設置，以及模型搭建進行了詳細的設計與說明。著重介紹了對太陽能電池仿真模型。

第5章仿真結果分析前文已經對系統設計及其仿真模型進行了設計，在前文的基礎上，本章主要對系統仿真的結果進行分析，對不同參數條件下的模型仿真結果進行對比和說明。。5.1系統仿真結果分析5.1.1溫度及日照強度不變的仿真結果當T=25℃，日照強度S=1000W/m2的仿真結果圖5-1T=25℃S=1000W/m2時的仿真輸出功率分析：如圖5-1所示，如果占空比階段DD從大值更改為小值，太陽電池輸出波動幅度將減小，但是對于DD=0.001，調整時間比0.8s(誤差帶5%以內)長。太陽電池標準參數=8A、=7.2A、=78V、=100V，可也就是說，太陽電池期望值為561.6瓦，在上圖中，DD=0.01。實際正常狀態輸出功率為549.6W，DD=0.0055時實際正常狀態輸出功率為558.5，DD=0.001時實際正常狀態輸出功率為560.3W。5.1.2日照強度升高的仿真結果當T=25°c，強度S=[1000800600]，DD=0.001的模擬結果見下圖5-2太陽能電池輸出電流圖5-2中的前4s的照明強度是1000W/m2，輸出電流大約7.2A，可以見到波動。圖5-3太陽能電池輸出電壓上圖的前4s的照明強度是1000W/m2，輸出電壓大約78V。能夠看到電壓和電流在正常變化。圖5-3太陽能電池輸出功率在圖5-3中，如果照明強度從4S急劇變化到800W/m2，那么輸出功率從560W下降到305W，從8s變化到300W/m2，所以輸出功率就變為270W，說明輸出功率有一些波動。如果負載循環增量為0.001，則默認情況下，太陽電池輸出達到穩定的時間約為0.8s，跟蹤時間更長。圖5-4太陽能電池輸出電壓的增量如圖5-4所示，當照明強度為4s和8s突變時，太陽電池輸出增量顯示為峰值。圖5-5太陽能電池輸出功率增量如圖5-5所示，當照明強度為4s和8s突變時，輸出功率也發生了響應的跳變。圖5-6IGBT開關控制占空比如圖5-6所示，IGBT占比在[0.40.5]之間變化。所以正確的占空比就這之間，計算出在S=1000W/m2時占空比D為0.44，S=800W/m2時占空比D=0.47，S=400W/m2時占空比D=0.45。5.1.3溫度升高的仿真結果當T=[102540]，S=1000W/m2，占空比步長DD=0.001時的仿真結果如下：圖5-7太陽能電池輸出電流如圖5-7所示，在S=1000W/m2，溫度如果上升，太陽能電池的輸出電流就會上升。圖5-8太陽能電池輸出電壓如圖5-8所示，在S=1000W/m2，溫度如果上升，輸出電壓就會下降，符合太陽電池的特性。圖5-9太陽能電池輸出電壓增量見上圖，在S=1000W/m2，如果溫度上升，輸出電壓增量的負向值就會增大，即增量變小。綜上所述可以得出結論：電池溫度升高，電流上升，電壓降低，符合太陽電池特性。圖5-10太陽能電池輸出功率圖5-10保持照明強度不變，電池溫度在10度到40度之間，太陽電池輸出功率幾乎不變，實際上傾向于略微下降。圖5-11太陽能電池輸出功率增量如圖5-11所示，如果溫度在4s和8s處急劇變化，則輸出功率增加時都有大峰值。基于負載周期階段為0.01時，輸出功率的正常狀態值為549.6W是。如果負載周期階段為0.0055，則輸出功率的正常狀態值為558.5W是。如果負載周期階段為0.001，則輸出功率的正常狀態值為560.3W。最大跟蹤穩態誤差比太陽電池標準估計功率561.6約為2.14%，使用擾動觀測結果表明，最大功率點跟蹤效果更好。綜上所述，該系統比其他階段的t=25°c，S=1000°w/m2，調整時間0.8s，穩態誤差最小。5.1.4最大功率跟蹤的仿真結果使用Matlab軟件構建上述太陽電池模塊的仿真分析，得到伏安特性曲線，如圖5-12。太陽能電池也被叫做非線性直流電源。照明與溫度沒有變化時，在低于峰值電壓的范圍內，它可以作為一定電流的來源。電壓增加時，最初電流基本保持恒定，電力基本線性增加，電壓達到一定值時電流迅速減少，輸出功率達到最大值，電流持續下降。a)電流-電壓特性曲線b)功率-電壓特性曲線圖5-12太陽能電池特性曲線根據仿真結果可知，短路電流，開放電路電壓，最大功率點電流，最大功率點電壓，最大功率值分別為8.34a，37.38v，7.701a，31.56v，245.2w。其中，通過模擬得到的短路電流和開放電路電壓基本上與部件的原始參數一致，但最大功率點電壓、最大功率點電流、最大功率值存在誤差。最大功率錯誤是截斷錯誤。在模擬模型中，最大功率點電壓值和最大功率點電流值的積設為最大功率245.157W，確保小數點以下的1位小數點以下的位置。與理論值相比，最大功率點處的電壓和電流的誤差率分別為0.67%和0.63。仿真結果表明，模型在標準條件下是合理的。5.2本章小結本章在第四章的基礎上，對系統仿真的結果進行分析與說明。根據不同的前置條件，對不同溫度以及日照強度參數模型條件下的模型進行了仿真實驗結果分析。得到了合理的實驗結論。最后，對最大功率跟蹤算法進行了仿真結果分析。對太陽能電池的特性曲線進行了分析。第6章結論近年來，我國的煤炭生產在世界上是排名第一的。但是我國的煤炭消費也確實全球第一的，而且，消耗的能量的大約2/3是不可再生的能量。這個能源結構很大程度上依賴于化石燃料。而且，它對環境、經濟和社會有著重要的負面影響。中國的環境逐漸受到損害，一些地區由于許多不可再生資源的利用、運輸與消費，一年到頭受到足氣的影響。為了有效推進太陽能開發，風能、海洋能源等技術是確保中國能源供應安全可持續發展的必然趨勢。本文的主要內容和結論如下：（1）背景理論學習：闡述了太陽發展的國內外技術現狀。（2）擾動觀察法的學習：本文使用變換器跟蹤的最大功率點電壓的擾動值，然后通過觀察光電池模塊輸出電壓的變化來判斷光電池模塊的功率輸出情況，進一步調整下一個擾動增加方向，利用擾動觀測來尋找光電池模塊的最大功率輸出點。該控制方法的主要優點是簡單、易于實現，在實際應用中，由于擾動步長大小選擇，跟蹤速度和精度相互矛盾，在最大功率點附近前后波動，電力輸出效率降低。（3）系統的總體設計及仿真：模擬了6MW系統連上的屋頂光發電系統，并使用了MATLAB模擬電路。通過模擬，對電池系統的最大功率點進行更深和全面的分析。對太陽能網格連接逆變器的研究，建立了太陽能網格連接發電裝置的系統模型，并使用了太陽能發電用MATLAB。實驗結果表明，隨著電池溫度的增加，電流增加，電壓減小，并遵循太陽能電池的性質。跟太陽能電池標準期望功率561.6相比，最大的跟蹤穩態誤差大約為2.14%，表明利用擾動觀察法能較好的實現了最大功率點的跟蹤。參考文獻[1]谷欣龍.光伏發電與并網技術分析[J].科技資訊,2019,17(24):31+33.[2]趙寧睿,陳瑞龍.“倉頂陽光工程”項目應用