【优秀毕业论文】基于Matlab的光伏电池建模及MPPT方法研究

全球化石能源资源虽然储量大，但随着工业革命以来数百年的大规模开发利用，正面临资源枯竭污染排放严重等现实问题，截至年，全球煤炭石油天然气剩余探明可采储量分别为亿吨亿吨和万亿米，折合标准煤共计万亿吨，其组成结构为煤炭占石油占天然气占按照目前世界平均开采强度，全球煤炭石油和天然气分别可以开采年年和年。

这些化石能源在全球分布很不均衡，中国化石能源资源以煤炭为主，石油天然气等资源相对缺乏，化石能源探明可采储量总计约为亿吨标准煤，其组成结构为煤炭占石油占天然气占，采储比分别为年年年。

由此可见，中国的化石能源资源均低于世界平均水平，我国的能源需求面临着更加严峻的挑战。

图次能源的探明剩余储量比较全球水能风能太阳能等清洁能源不仅总量非常丰富，而且低碳环保可以再生，未来开发潜力巨大。

根据世界能源理事会，估算，全球清洁能源资源每年理论可开发量超过万亿千瓦•时，按照发电煤耗克标准煤千瓦•时计算，约合万亿吨标准煤，相当于全球化石能源剩余探明储量的倍。

其中太阳能来自太阳辐射，是世界上资源量最大分布最广泛的清洁能源。

太阳能发电是太阳能开发利用的最主要的方式。

它具有可再生干净无污染无资源短缺分布式发电和不受地域限制等优点，世纪以来，全球太阳能发电呈现快速发展势头，超过风电成为增长速度最快的清洁能源发电品种。

我国太阳能资源的分布我国幅员辽阔，具有着非常丰富的太阳能资源。

从图中我们可以看出，我国全年三分之二以上的地区太阳能资源情况较好，年日照大于小时，年均辐射量约为•。

在我国开展大规模太阳能光伏发电具有着得天独厚的条件，我国极具太阳能市场潜力。

图中国陆地太阳能资源分布图太阳能发电发展概况太阳能发电主要包括两种方式太阳能光发电和太阳能热发电。

光发电是种能够将太阳能直接转变成电能的发电方式。

热发电则是先将太阳能转化为热能，再将热能最终转化成电能。

其中太阳能光发电包括光伏发电光感应发电光生物发电和光化学发电四种形式。

现代物理学研究认为，太阳光是由不同频率的光子组成，光子是光线中携带能量的粒子。

太阳能光伏发电就是利用光子激发半导体物质中的电子从而产生光生伏特效应，种将太阳能直接转换为电能的发电方式。

光伏发电的历史年法国科学家贝克勒耳发现了光生伏特效应年英国科学家威廉・史密斯发现了对光敏感的硒材料，并进行了大胆的推断，在光的照射下光通量与硒的导电能力成正比，随着光通量的增加硒的导电能力随之增加年，美国科学家查尔斯•弗里茨开发出第块以硒材料为基础的光伏电池，诞生了将太阳光能转换成电能的实用光伏发电技术年美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，获得了光电转换效率的成果，它与我们今天所熟知的硅太阳能电池基本接近年至年期间，硅光伏电池的重点侧重于降低电池的重量及开发成本提高其抗辐射能力上，其技术上没有取得重大改善与进步年至年期间，空间用单晶硅光伏电池被成功研制并得到了初步的应用。

从世纪年代中后期开始，光伏技术逐渐得到发展完设当前的工作点为点，依据系统判定的扰动方向将工作点扰动至点，再向相反的方向扰动两个步长至点，三点的功率测量值分别为和。

与扰动观察法相似的是，滞环比较法也是两两分别进行比较，即比较相邻两点之间的功率大小，即将与与分别进行比较，每小组单独比较会出现大于小于和等于三种可能性，且两组的比较结果相互，因此比较结果共有种情况。

定义以及时为，反之为，可以得到图所示的种关系示意图。

图扰动观察法两两比较可能出现的关系示意图在上图所示的情形中，如果两次扰动的功率比较均为正，则电压值保持原方向扰动如果两次扰动的功率比较均为负，则电压值反方向扰动如果两次扰动的功率比较有正有负，可能已经达到最大功率点或者外部光照强度变化很快，电压值不变。

从图中我们可以看出，滞环比较法实际上是通过自当前工作点处进行双向扰动的方法来确保扰扰动动作的可靠性，避免误判的发生，同时还能较好地抑制在最大功率点附近的振荡现象。

然而，同样地，滞环比较法的扰动步长的大小也决定了跟踪的精度和速度，二者不能兼顾，若扰动步长选择过大时，电压可能在离最大功率点比较远的区域保持稳定，造成能量的损失若扰动步长选择过小时，电压从当前工作点到达最大功率点处所需要的的时间又过长。

最优梯度法原理梯度法是种应用广泛且具有重要意义的求取函数的极值的方法。

是沿递度下降的方向求解极小值也可以沿递度上升方向求解极大值。

它的迭代公式可以写成式中，是非负常数，和分别是本次采样周期与下次采样周期的初始时刻直流侧电压值。

由此可知，基于最优梯度法的实际上是根据光伏电池的曲线的斜率而自动改变当前运行电压下扰动步长的大小。

当当前的工作点在最大功率点两侧距离最大功率点较远，即位于斜率的绝对值较大的区域时，电压以较大的扰动步长增加或减小，并随着工作点向最大功率点逐渐逼近的过程中，斜率的绝对值也随之减小，电压的扰动步长会自动变小。

由分析可知，最优梯度法能够比较快速的实现，同时几乎能够在最大功率点处稳定，但是它不能像滞环比较法样通过双向扰动避免误判发生，因此文献提出了基于最优梯度的滞环比较法实现，即将最优梯度与滞环比较两种方法相结合，互相弥补缺点，取长补短。

基于最优梯度的滞环比较法图为其基本流程框图。

由图可知，该方法需要首先检测当前的工作点电压与电流值，并将标识变量无任何实际意义进行初始化，首先通过最优梯度法确定电压扰动步长的大小，从而可以确定出当前工作点两侧所对应的电压与电流值，并计算出三点所对应的功率值。

每个周期开始时，我们令标识变量初值为。

从流程图中我们可以看出，若，则，令下个周期工作电压为，如果，则，则令下周期工作电压值为其他任何情况下下周期工作电压保持不变。

采用于最优梯度的滞环比较法可以使工作点几乎稳定在最大功率点处，并且其扰动纹波非常小，当光照强度发生突变时，由于滞环比较法的优越性，可以抑制误判的发生。

开始检测令，检测检测，计算结束图基于最优梯度的滞环比较法的控制流程图基于最优梯度的扰动观察法与扰动观察法的仿真比较建立基于最优梯度的扰动观察法仿真建模分析如图所示。

图基于最优梯度的扰动观察法的仿真模型其中设定当时说明此时的工作点离最大功率点较远，因此以个较大的整定步长扰动，当说明已接近最大功率点，因此以个较小的扰动步长扰动，零阶保持器的采样周期与前文扰动观察法致，同样为。

对上图中仿真模型进行封装，再把控制系统与变换电路光伏电池模块等进行连接，并设定光照强度和环境温度的变化时间与变化量与前文中扰动观察法完全致，最后由示波器输出光伏电池的输出功率如下图所示。

图基于最优梯度的扰动观察法的功率变化曲线与图扰动观察法的功率变化曲线对比可知，对于扰动观察法，外界环境条件发生突变以前，直流侧电容电压从初始时刻启动到最大功率点电压大约需要秒左右，而且出现严重的振荡现象。

振荡现象使直流侧电压不能准确地跟踪到最大功率点，同时还会增加功率损耗，对整个光伏系统产生不利影响。

而观察图可以发现，外界光照发生突变以前，直流侧电容电压从初始时刻启动到稳定大约只需要秒左右，且电压几乎稳定在最大功率点电压处，扰动纹波很小，从而验证了该改进算法的优越性。

结论与展望结论本文以光伏发电在世界范围内的快速发展和广泛应用为契机，幵展了对光伏发电系统的综述与分析研究。

具体的工作有光伏电池建模。

本文详细介绍了利用建立光伏阵列仿真模型的全过程，所建模型具有良好的通用性，较好地展示了在光照强度与环境温度下光伏阵列的输出特性。

对电导增量法，扰动观察法等几种传统的方法进行了介绍建模分析研究与比较，提出了其各自的优缺点，并详细介绍了种改进的方法基于最优梯度的滞环比较法。

其工作点几乎能够稳定在最大功率点处，并且扰动纹波常小，光照强度突变时，还可以抑制误判的发生。

对基于最优梯度的扰动观察法与传统的扰动观察法做了仿真对比，其改进算法的电压跟随速度快，扰动纹波小，验证了其优越性。

展望近年来光伏发电技术成为了全球研究的热点，在国内外已经得到了大规模的使用，但是现阶段的研究并不完善，有许多技术的难题还没有得到比较完善的解决，对于方法的研究还可以更好的改进和发展，本文所做的工作只是对光伏系统的部分模块进行了初步的探讨分析，且尚存在许多不足之处，存在部分后续的工作还需要进步的完善本文中所搭建的光伏电池模型是个简化的模型，在建模过程中，做了许多近似，为了更加准确的研究光伏发电系统特性，还需搭建更加精确的光伏电池模型。

对于本文中提到的基于最优梯度的滞环比较方法，由于本人学术水平有限以及时间的限制，只搭建出基于最优梯度的扰动观察法，未能搭建出完整的基于最优梯度的滞环比较法仿真模型以验证该方法的优越性，在接下来的学习中还应该继续研究，并改进方法，提出种更加精确高效的方法来实现最大功率点的跟踪控制。

对于光伏发电技术中的其他模块的应加以深入的研究。

参考文献董密太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究中南大学，孟强太阳能光伏发电技术现状及产业发展安徽科技，陈晓高户用光伏并网系统及其控制方法的研究青岛科技大学，刘琳光伏并网发电系统综合控制与分析华北电力大学，刘建涛，张建成，马杰，曹雷储能技术在光伏并网发电系统中的应用分析电网与清洁能源王飞，余世杰，苏建徽，沈玉梁太阳能光伏并网发电系统的研究电工技术学报林珊太阳能发电系统研究广东工业大学，徐文学光伏发电系统中的技术湖北工业大学，杨文杰光伏发电并网与微网运行控制仿真研究西南交通大学，刘健光伏发电系统最大功率跟踪的研究兰州理工大学，任海兵户用光伏并网系统的研究江苏大学，鲁正林，陈飞光伏发电系统最大功率跟踪的电路改进建筑电气李征光伏并网发电系统及其控制策略的研究天津大学，王富卿光伏并网发电系统最大功率追踪算法的稳定性研究电网与清洁能源致谢这段话，写给让我感谢的你们。

感谢四年前山东农业大学选择了我，也庆幸四年前我选择了农大。

转眼，随着毕业设计的完成大学四年也即将也即将画上圆满的句号。

明日隔山岳，世事两茫茫。

在即将分别之际，我要感谢这四年来给予我帮助帮助我成长的各位老师和同学。

这篇论文是在我的导师郗忠梅老师的指导和帮助下完成的，郗老师学识渊博，品德高尚，平易近人，对于我在论文仿真过程中遇到的问题及时解