第一篇：带有 MPPT 功能的光伏阵列 Matlab 通用仿真模型概要
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系 统 仿 真 学 报 Vol.17 No.5 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION May 2005 带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型 茆美琴，余世杰，苏建徽
（合肥工业大学能源研究所，合肥 230009；2教育部光伏系统工程研究中心，合肥 230009）
摘 要：基于光伏模块直流物理模型，在matlab仿真环境下，开发了光伏阵列通用仿真模型。利用该模型，可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并联方式组合下的光伏阵列I-V特性。此外，该模型还融合了光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）功能，可以用于光伏发电系统和风光复合发电系统的动态仿真。
关键词：光伏阵列特性；光伏并网系统；MPPT；Matlab仿真
文章编号：1004-731X(2005)05-1248-04 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A Versatile Matlab Simulation Model for Photovoltaic Array with MPPT Function MAO Mei-qin, YU Shi-jie, SU Jian-hui 2(Institute of Energy Research, HeFei University of Technology, Hefei 230009, China;Research Center for Photovoltaic System Engineering, Ministry of Education, Hefei 230009, China)Abstract: A Versatile simulation model for photovoltaic array is developed based on the DC physical model of photovoltaic module under Matlab environment.By the model，the I-V characteristics of photovoltaic array with different combinations can be simulated at any corresponding insolation level, ambient temperature and parameters of the photovoltaic module.In addition to that, the model includes the function of Maximum Power Point Tracking(MPPT).It can be used in the dynamic simulation of photovoltaic systems and wind-solar hybrid systems.Keywords：characteristic of photovoltaic array;photovoltaic grid connected system;MPPT;Matlab simulation 引 言
太阳能是当今发展速度居第二位的能源。太阳能光伏发电过去15年平均年增长为15%,到二十世纪90年代末期以来，更是以30%以上的速度增长。目前，太阳能光伏发电的发展趋势是由小型独立户用系统向大型并网系统发展。由于太阳能的波动性和随机性，光伏电站输出的电能波动很大。随着这种分布式光伏并网电
站的容量越来越大，其输出功率的波动对电网的影响不容忽视。研究分布式光伏并网发电系统与电网系统的相互作用，已成为国际上大规模光伏并网电站应用领域的研究热点，而计算机仿真技术则是研究这一内容的有效的技术手段。
过去，光伏发电系统的仿真，大多是按照准稳态理论来对系统各部件建模[1~2]，对系统功率流进行计算，从而对系统的长期稳态性能进行评价。但在光伏并网发电系统动态性能的研究中，上述模型不能反映当太阳能辐射强度、环境温度变化时，光伏电站运行状态的瞬态变化以及这种变化对电网的影响。这就需要建立光伏电站的动态仿真模型。
光伏阵列是分布式光伏并网电站系统的关键部件，其I-V特性是太阳辐射强度、环境温度和光伏模块参数的非线
性函数。要实现光伏发电系统的动态仿真，首先一步是解决如何对光伏阵列I-V特性进行仿真模拟。该模型一旦建立，可用于模拟所研究系统的输入电源。简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源。但该模型不能实时跟踪太阳辐射强度、环境温度变化和光伏阵列参数的变化，因而这样的系统仿真不能反映上述参数变化对整个系统性能的影响。目前，有关这方面的工作，国内还未见公开发表的文献。国外虽有涉及这方面的公开文献，但所建模型主要针对特定的光伏模块[3~4]，因而缺乏通用性。
Matlab/simulink 仿真工具可用于复杂系统（连续的、或离散的或混合型的）的仿真，由于其强大的功能和方便、快捷的模块化建模环境，而日益受到人们的重视。本文针对Matlab仿真环境，基于光伏模块直流物理模型，开发了光伏阵列通用仿真模型。该模型考虑了环境温度、太阳辐射强度、光伏阵列串并连数、光伏模块参数（如标准条件下太阳电池的短路电流、开路电压、最大功率点电压、最大功率点电流、电压温度系数、电流温度系数等）对I-V特性的影响，并考虑了系统是否带有最大功率跟踪（MPPT）功能。本文给出了该模型在单相光伏并网系统仿真中的具体应用实例。结果表明，由于通用性强，该模型还可以方便地推广应用于其它光伏系统(如，光伏水泵系统)或风光复合发电系统的动态仿真。收稿日期：2004-04-25 修回日期：2005-01-25 基金项目: 国家十五攻关课题（(2001BA403B0501)作者简介：茆美琴(1961-), 女, 安徽芜湖人, 副研究员, 博士生, 研究方向为太阳能及风能发电系统CAD;余世杰(1934-), 男, 江苏常熟人, 教授, 博导, 研究方向为光伏技术理论;苏建徽(1964-), 男, 安徽合肥人, 教授,研究方向为电力电子与电力传动在新能源发电系统中的应用。1 光伏电池特性
典型的光伏电池（电流I－电压V）、（功率
P－电压V）
Vol.17 No.5 May 2005 茆美琴, 等：带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型 特性如图1，图2所示。图1表示I – V、P – V随太阳辐射
变化而变化的规律。图
2则表示P-
V随环境温度变化的规律。• 1249 •
由图可以看出太阳电池I-V、P-V特性，与太阳辐射强度、环境温度之间是高度非线性的。
图1 典型光伏电池I-V, P-V特性随太阳辐射强度变化曲线 图2 典型光伏电池P-V特性随温度变化曲线 2 光伏阵列通用仿真模型
在实际应用中，光伏模块通常通过串并联的方式，组合成M×N光伏阵列（其中M、N分别为光伏模块串、并联数）。因此，光伏阵列的I-V特性，就是实际需要的特性。
其中：ε:材料带能, ε=1.12eV(硅);Ιm,ref, Vm,ref: 参考条件下，光伏阵列最大功率点电压和电流;Isc,ref, Voc,ref: 参考条件下，光伏阵列短路电流和开路电压;μV,oc, μI,sc: 参考条件下，光伏阵列开路电压和短路电流温度系数;Ns: 光伏阵列各模块的单元串联数;N: 光伏阵列模块的串联数； Np: 光伏阵列模块的并联数；
Tc,ref： 参考条件下,光伏电池温度，一般设定为25˚C。2.1 光伏阵列数学模型
本文用于Matlab建模的光伏阵列数学模型如下[5]： 任意太阳辐射强度R（w·m-2）和环境温度Ta（ºC）条件下，太阳电池温度Tc（ºC）为：
Tc=Ta+tc⋅R(1)其中，R为光伏阵列倾斜面上的总太阳辐射；m2）tc（degw--1·为太阳电池模块的温度系数。
设在参考条件下，Isc为短路电流，Voc 为开路电压, Im , Vm为最大功率点电流和电压,则当光伏阵列电压为V,其对应点电流为I: I=Isc(1−C1(e V C2Voc 2.2 光伏阵列最大功率跟踪数学模型
光伏阵列在任意太阳辐射强度、及环境温度下的功率为 P=IV=(Isc(1−C1(e
V−DVC2Voc −1))+DI)V V−DVC2Voc(11)由极值条件，dP/dV=0 得： Isc(1−C1(e V−DVC2Voc
−1))(2)−VmC2Voc −1))+DI−VIscC1e /(C2Voc)=0(12)其中,(3)C2=(Vm/Voc−1)/ln(1−Im/Isc)(4)C1=(1−Im/Isc)e
上式是个超越方程，可由牛顿法进行迭代解出对应最大功率点的电压Vmax： Vk+1=Vk−P'(Vk)/P''(Vk)1 I+V(−IscC1e C2Voc k Vk−DIC2Voc)(13))考虑太阳辐射变化和温度影响时, I=Isc(1−C1(e V−DVC2Voc =Vk−
−1))+DI(5)C1Vk(2+)(−Isce C2VocC2Voc V−DI C2Voc 其中, DI=α⋅R/Rref⋅DT+(R/Rref−1)⋅Isc(6)当|Vk+1－Vk|<ε1时，Vmax＝Vk+1 上式中，Vk+1和Vk分别为V的第k＋1次和第k次迭代值。ε1为迭代精度。Pˊ(Vk)和P″(Vk)分别是第k次迭代下P对V的一阶和二阶导数。将所得的Vmax代入(2)式，得Imax,，从而最大功率Pmax可由下式求得： Pmax=Vmax⋅Imax（14）
DV=−β⋅DT−Rs⋅DI(7)DT=Tc−Tref
(8)Rref、Tref：太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取为 1kW/m2，25°C;α：在参考日照下，电流变化温度系数（Amps/°C）； β：在参考日照下，电压变化温度系数（V/°C）；
Rs：光伏模块的串联电阻（Ohms），由下式决定[4] Rs= Im,refNN Rs,ref=(Arefln(1−−Vm,ref+Voc,ref)/Im,ref(9)NpNpIsc,ref Aref= T cref 3 光伏阵列Matlab通用仿真模型
基于上述数学模型，本文在Matlab环境下，利用simulink工具, 并结合编写S函数，建立了光伏阵列的通用仿真模块。图3为光伏阵列Matlab仿真模块内部结构，其中，sfunpv为S函数，用来实时求解对应任意太阳辐射、环境温度下太阳电池的最大功率电电压Vmp和电流Imp。图4所示为该模 µVoc−Vocref+εN IscTcref ILref −3 s(10)• 1250 •
Vol.17 No.5 系 统 仿 真 学 报 May 2005 块外观，其中T，R，Vpv分别为实时环境温度、太阳辐射强度和光伏阵列的工作电压，Iout为光伏阵列输出电流，根据系统是否带有MPPT输出电流可以是Imp 图4 光伏阵列Matlab
仿真模型封装
或对应Vpv的实际阵列电流Iout;Vmp为光伏阵列最大功率点的电压;d为接地点。
在光伏阵列matlab仿真模型内部封装了参数tc、Tref、Rref、a、b、Isc、Voc、Im、Vm、MPPT等参数。用户可通过点击图4所示的图标，得图5所示用户交互界面，方便地设置上述参数，从而构成不同I-V特性的光伏阵列。当用户通过图5选中最大功率跟
图3 太阳 阵列
踪时,Iout输出的就是最大功率点的电流
.图5 光伏阵列Matlab仿真模型用户设置参数界面 图6 单相光伏并网Matlab仿真模型
输入端的电压随太阳辐射强度的变化情况。由于采取的控制策略为固定调制比方式，因此，逆变器输入端的电压有所下降。图9为逆变器并网电压、电流随太阳辐射变化而变化的情况。从图中可以看出，当太阳辐射强度变化时，并网电压基0波幅值不变，而并网电流随着太阳辐射强度的减小而减小。光伏阵列Matlab通用仿真模型在光伏并 网系统中的应用
把上述光伏阵列Matlab通用仿真模型，用于单相光伏并网系统的动态仿真。该系统的Matlab模型如图6所示。其中，系统输入电源为本文所建立的光伏阵列模块。DC－AC逆变模块为Matlab自带的通用逆变桥。
当光伏阵列的参数设置如图5所示时得到系统仿真结果如图7至图9所示。其中，图7为光伏阵列输出电流随太阳辐射强度的变化情况。在t=1s，t=2s时，太阳辐射强度分别从1000W/m2降至800W/m2和600W/m2，光伏阵列输出电流也从10.65A分别降至8.45A和6.25A。图8为逆变器
图8
逆变器输入端的电压随太阳辐射强度的变化 图7 光伏阵列输出电流随太阳辐射强度的变化 图9 逆变器并网电压、电流随太阳辐射强度的变化
Vol.17 No.5 May 2005 茆美琴, 等：带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型 • 1251 • 5 结论
光伏阵列的I—V特性除了与光伏电池模块参数及模块串并联方式有关以外，还与环境温度，太阳辐射强度有关。因而光伏阵列实际上是一个与多个参量高度非线性相关的电源。实时模拟其I－V特性是研究光伏并网发电系统动态性能的关键。本文根据光伏电池的物理数学模型，并结合编写S函数，开发了光伏阵列的Matlab通用仿真模型。实例计算表明，利用上述模型可以动态跟踪环境温度、太阳辐射强度等参数的变化，对任意组合的光伏阵列的I—V特性进行模拟。除了适用于太阳能并网系统以外，该模型还可以方便地推广应用于其它光伏系统(如，光伏水泵系统)或风光复合发电系统的动态仿真。本文中，有关最大功率点的跟踪（MPPT），采用了实时优化迭代算法，因而仿真时间花费较（上接第1202页）融合后系统状态不确定性的基本概率赋值下降到0.0006，比融合前大大降低。此时，整个系统运行的态势评估结果：系统故障（系统处于故障状态的程度0.8834）。系统给出4种故障的原因、处理措施及步骤。对于一般情况，如果某个子系统正常，则不参加融合。长。这一点还需进一步改进。参考文献: [1] J.G.McGowan and J.F.Manwell.Hybrid Wind/PV/Diesel Power Systems Modeling and South American Applications[C].WREC 1996.[2] [3]
茆美琴，余世杰，苏建徽.风/光复合发电系统变结构仿真建模研究[J].系统仿真学报，2003, 15(3): 361-364.A.ZAHEDI.Development of An Electrical Model For A PV/Battery System for Performance Prediction[J].Renewable Energy, 1998, 15(1): 531-534.[4] Viorel Badescu.Dynamic model of a Complex System Including PV Cells, Electric Battery, Electrical Motor and Water Pump[J].Energy,2003,28(12):1165-1181.[5] Platon Baltas,etc.The Arizona University Photovoltaic Designer Program(ASUPVD)[Z].Department of Electrical and Computer Engineering,Arizona State University, 1996.(2)本体论设计及实现方法，较好地实现了复杂系统的模型共享及模型重用，为现场各类态势评估、信息融合系统的工程化提供了重要的提示。参考文献：
4.3 评估结果的评价
[1] Miao, A.X, Zacharias, G.L.A computational situation assessment model for nuclear power plant operations[J].IEEE transactions on systems, man, and cybernetics.Part A, 1997，27(6):728-742.[2] Waltz E, Llinas J.Multisensor data fusion.[M].Boston: Artech House,1990.18-97.[3] Leem C S.An automated fault diagnosis for manufacturing process monitoring and control [J].International Journal of Modeling and Simulation, 1996, 16(4): 200-208.[4] Shafer G.A mathematical theory of evidence[M].Princeton University Press, Princeton, New Jersey,1976: 1-32.[5] 王道平, 张义忠.故障智能诊断系统的理论与方法[M].北京: 冶金工业出版社, 2001.125-167.每种方法测试200个相同的样本，对比如表3所示。由于模糊综合评判方法的隶属度为领域专家主观确定，单一神经网络方法的综合评估能力有限，为此，容易造成故障漏诊和错诊，本文方法的基本概率分配函数值为神经网络与领域专家共同确定，与两者相比，提高了评估的准确率。
表3 测试结果与传统评估方法对照表 评估统计 本文 模糊综合神经网络
分 类 方法 评 判 方 法 正确评估 195 178 183 漏 诊 2 10 8 错 诊 3 12 9 正确率(%)97.5 89 91.5 [6] Gallant S I.Neural network learning and expert systems.[M].Cambridge, MA : MIT Press, 1993:125-172.[7] Zbigniew W.Ras, Agnieszka Dardzinska.Ontology-based
distributed autonomous knowledge systems[J].Information Systems, 2004.1 Vol.29(1): 47-58 [8] 陆汝钤，金芝，陈刚.面向本体的需求分析[J].软件学报, 2000, 5 结论
(1)多传感器故障信源的合理配置为态势评估提供了必须的故障特征信息。经过神经网络、专家系统规则推理及D-S证据推理的有机融合，使态势评估系统能够较好地模拟人类专家的逻辑思维和形象思维能力，并能随着故障特征的变化自动进行调整，避免或减少了漏诊及错诊。与传统评估方法相比，提高了评估的准确率和解释能力。
11(8): 1009-1017 [9] Wei Shou-zhi, Wang-Gang, Zhao Hai.Power tansformer on-line detection and fault diagnosis system based on neural network and embedded Internet[A].Proceedings of the 6th International Conference on Information Fusion [C].Melbourne, Australia : International Society of Information Fusion, 2003.372-378.[10] 张德干，赵海.基于信息融合思想的通用水电仿真系统[J].系统仿 真学报, 2002, 12(10): 1344-1347.
第二篇：基于MATLAB SIMULINK 光伏电池最大功率点跟踪算概要
本 科 毕 业 设 计（论文）题目 基于 MATLAB/SIMULINK 光伏电池 最大功率点跟踪算法的研究 最大功率点 学 院 年 级 班 级 电气与自动化工程学院 4 年级 YZ04112 专 业 学 号 邱 孙亚新 杰 中级 自动化 YZ0411209 学生姓名 指导教师 职 称 2013-05-20 论文提交日期
常熟理工学院本科毕业设计(论文诚信承诺书 本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。学号： 本人签名： 日期： 常熟理工学院本科毕业设计(论文使用授权说明 本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文的规 定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文工作的知识产权单位属常熟理 工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文在解密后遵守此规定。本人签名： 导师签名： 日期： 日期：
基于 MATLAB/SIMULINK 光伏电池最大功率点跟踪算法的研究 摘要 太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，正在发展成 为世界能源组成中的重要部分。太阳能电池作为太阳能光伏系统的重要组成部分，它的光 电转换效率直接影响着整个系统的成本与性能。而光伏电池的输出特性受光照强度和环境 温度的影响呈现出非线性，为了使光伏电池工作在最大功率点，进而更有效地利用太阳能，对光伏电池的最大功率点进行跟踪就显得尤为重要。本文基于光伏电池的数学模型公式，在 MATLAB 的 SIMULINK 仿真平台下建立光伏电池模型，并基于 BOOST 电路建立光伏电池最 大功率点跟踪控制仿真模型。本文重点对常见的三种最大功率点跟踪（MPPT）控制（扰动 观察法，电导增量法，改进的电导增量法）进行了理论分析并进行仿真研究，仿真结果证 明了这三
种最大功率点跟踪算法的可行性，通过对三种 MPPT 算法的仿真比较得出各自的 优缺点。关键字： 关键字：光伏电池 最大功率点 SIMULINK BOOST I Research of Photovoltaic Cells Maximum Power Point Tracking Algorithm Based on MATLAB/SIMULINK Abstract Solar photovoltaic power generation is becoming an important part of the word energy due to its renewable，clean and inexhaustible．The solar cell is an important part of the solar photovoltaic(PV system，whose photoelectric conversion efficiency directly affects the cost and performance of the whole system．And the output characteristics of photovoltaic cells are affected by sunlight intensity and environment showing nonlinear behaviors ． To make photovoltaic system working in the maximum power point of PV cell，and make better use of solar system，is particularly important to track the maximum power point of PV． this paper，it In photovoltaic cell model is established in MATLAB/SIMULINK platform based on the mathematical formula of photovoltaic cells.And based on the BOOST circuit，a photovoltaic maximum power point tracking control model is designed．This paper focuses on three popular maximum power point tracking(MPPT control schemes(perturbation and observation method，incremental conductance method，the improved incremental conductance method，the theoretical analysis and simulation research are presented，correspondingly．The simulation results prove the feasibility of the three maximum power point tracking algorithm，comparing By the simulation results of three MPPT schemes，the advantage and disadvantage of each are demonstrated． Keywords：photovoltaic； maximum power point； SIMULINK；BOOST ： II 目 录 1.绪论....................................................................................................................1 1.1 当今世界能源问题...............................................................................................................1 1.2 研究最大功率点跟踪的意义...............................................................................................2 1.3 本文主要研究内
容...............................................................................................................2 1.4 本文概述...............................................................................................................................3 2.带最大功率点跟踪控制的光伏电池系统..........................................................4 2.1 光伏发电系统.......................................................................................................................4 2.2 太阳能电池...........................................................................................................................4 2.3 升压斩波（BOOST）电路...................................................................................................5 2.3.1 升压斩波电路原理........................................................................................................5 2.3.2 升压斩波电路仿真........................................................................................................6 2.4 PWM 信号发生器.................................................................................................................8 2.5 最大功率点跟踪...................................................................................................................9 2.6 本章小结...............................................................................................................................9 3.光伏电池的工作原理.......................................................................................11 3.1 半导体的物理基础.............................................................................................................11 3.2 光伏电池的基本工作原理.................................................................................................12 3.3 光伏电池的等效电路.........................................................................................................12 3.4 光伏电池模型仿真与分析.................................................................................................14 3.5 本章小结.............................................................................................................................18 4.最大功率点跟踪...............................................................................................19 4.1 扰动观察法 MPPT 控制.....................................................................................................19 4.1.1 定步长占空比扰动观察法 MPPT 控制原理..............................................................19 4.1.2 定步长占空比扰动观察法仿真与结果分析..............................................................21 4.2 电导增量法（导纳法）MPPT 控制..................................................................................23 4.2.1 定步长电导增量法（导
纳法）MPPT 控制原理.......................................................23 4.2.2 定步长电导增量法（导纳法）仿真结果与分析......................................................25 III 4.3变步长电导增量法MPPT 控制.........................................................................................27 4.3.1变步长电导增量法MPPT 控制基本原理..................................................................27 4.3.2变步长电导增量法MPPT 控制仿真结果与分析......................................................29 4.4本章小结.............................................................................................................................31总结.....................................................................................................................32参考文献..............................................................................................................33致谢.....................................................................................................................34 1.绪论 1.1当今世界 当今世界能源问题 能源问题
进入20世纪，世界的能源结构主要由一次能源构成，其重要组成部分为石油、煤、天然气等化石能源。这些化石能源在本质上是远古时候的古生物或者动物中存储的太阳能辐射能，经过数万年或者更久的时间逐渐演变为今天共我们使用的能源矿藏。在古人类活动的几千年中，已经开始消耗这些化石能源矿藏，而在近代，经过几次工业革命之后，这些化石能源的消耗更是极具的增长，随着世界经济的快速发展，世界人口的极速增长以及社会生活水平的提高，人们对能源的需求与消耗也在不断增长，那么这些宝贵的一次性化石能源总有一天会消耗殆尽。下图是根据2000年世界一次能源的探明存储量的柱形图[3]。
图1-1 一次能源的探明剩余储量比较
根据图1-1我们通过2000年时候的视角来看，世界石油的储量按照当时的发展状况与开采速度仅仅能够开采45年，而中国只能开采15年；世界天然气可开采年限为61年，而中国只有30年；世界煤储量还可开采230年，而中国可开采81年；作为核能源的铀储量，世界可开采71年，中国仅可开采50年。然而世界经济的发展速度日新月异，现在已经过去13年，也就是说中国的石油还可开采2年，天然气还可开采17年，即使煤储量较大也只可开采68年，世界能源危机早已迫在眉睫，只是我们一直没有真正的重视起来。在一次化石能源的可开采量日趋耗尽的时候，我们发现作为可再生能源的太阳能资源
具有无穷大的可利用年限，只要太阳存在一天，我们就可以利用太阳能能源一天。经过研
究和实践表明，太阳能具有能量丰富，分布广泛，可再生，无污染，无噪声等优点，是世界公认的理想的替代能源。在日趋枯竭的能源危机和日渐破坏的环境形
势之下，可再生无污染的太阳能等新能源终将代替传统的化石能源，给人类带来新的“篇章”。
1.2研究最大功率点跟踪的意义
太阳能电池是太阳能光伏发电的能量转换器，太阳能电池发电原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照射在太阳能电池表面时，电池吸收光能，产生不平衡的电子-空穴对。
不平衡的电子-空穴对在电池的内建电场下，电子和空穴被分离在电池两端，那么电池两端就出现异性电荷的积累，产生光生电压，如果在电池两端接上负载，负载上就会流过光生电流，进而获得功率输出。太阳能电池直接把光能转换成电能[2]。
太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，逐渐发展成为世界能源结构的重要组成部分。人们通过研究，发明创造了把太阳能直接转换为电能的太阳能电池，在社会各行各业中得到广泛的使用。无疑的太阳能给迫在眉睫的能源危机带来了一线生机，但是看似完美无缺的太阳能光伏发电也存在着其自生的一些缺点。
太阳能电池工作在不同的光照强度和环境温度下，其端电压会发生变化，导致其输出功率不稳定，产生很大的变化，所以太阳能是一种极不稳定的能源。为了使太阳能电池在不同的光照强度和环境温度下输出尽可能多的电能，提高太阳能电池的工作效率就显得尤为重要，这就在太阳能电池研究的理论和实践中提出了太阳能电池最大功率点跟踪的问题。
本文就是对如何提高太阳能电池工作效率做研究。就太阳能电池最大功率点跟踪问题查阅了相关资料，总结前人的研究成果，对太阳能电池最大功率点跟踪控制进行仿真设计研究。
1.3本文主要研究内容
由于太阳能电池的输出特性受光照、温度、负载等状态的影响，使得不同工作条件下太阳能电池最大功率点的位置也不同，为了更好的利用太阳能电池，使其在各种条件下都能发出最大的功率，人们根据其受外界环境温度和光照强度对太阳能电池输出特性的影响研究出了太阳能电池最大功率跟踪算法，通过对太阳能电池最大功率点跟踪控制，实现太阳能电池在各种环境下最大功率的输出，从而提高太阳能电池的工作效率。
本文利用MATLAB/SIMULINK仿真平台建立太阳能电池仿真模型，通过对太阳能电池进
行建模仿真，研究太阳能电池受不同光照强度和环境温度的影响，为了使太阳能电池工作在最大功率点，本文在详细分析太阳能电池最大功率点跟踪技术的理论基础上，针对当今社会运用比较广泛的扰动观察法最大功率点跟踪控制算法、电导增量法最大功率点跟踪控制算法和改进的电导增量法最大功率点跟踪控制算法进行建模仿真。
通过运用SIMULINK 将整个带有最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统建立仿真模型，本文根据仿真分析了太阳能电池在外界光照强度、温度发生突变时的最大功率点跟踪情况，并根据仿真得出的太阳能电池输出功率波形分析三种太阳能电池最大功率点跟踪算法的优缺点。
1.4本文概述
本文共包括五个章节，具体安排如下：
第一章为本文绪论，讲述当今世界能源问题，在日益匮乏的传统能源形势下，发展可再生的清洁无污染的太阳能是非常必要的。并对本文研究意义研究内容作解要介绍。本文第二章对带最大功率点跟踪控制的太阳能电池发电系统作整体分析介绍。本章给出了太阳能电池发电系统结构框图，并对系统里的各个控制模块的基本的原理进行分析，进而阐述其在整个系统中的作用。
第三章对太阳能电池的工作原理进行详细的分析，建立太阳能电池等效电路图，得出太阳能电池的数学模型公式。根据模型公式在MATLAB/SIMULINK仿真平台建立太阳能电池的仿真模型。通过仿真，观察在不同光照强度和环境温度对太阳能电池输出特性的影响，总结太阳能电池的工作特性。
第四章对本文研究的三种最大功率点跟踪算法（扰动观察法、电导增量法、改进的电导增量法）做原理分析，建立算法流程图，并根据原理和流程图建立算法的仿真模型。最后建立带最大功率点跟踪控制的太阳能电池发电系统整体模型，并对三种最大功率点跟踪算法实现仿真。通过仿真，观察太阳能电池输出波形，总结三种最大功率点跟踪算法的优缺点。
2.带最大功率点跟踪控制的光伏电池系统
为了在限定的条件下有效利用光伏电池，使它发出更多的电量，输出最大功率，常常要在光伏发电系统中施加一个最大功率跟踪（MPPT）控制策略或算法，来实现负载与光伏电池间达到最佳匹配，本章将介绍带最大功率点跟踪控制的太阳能光伏发电系统，并针对整个系统的框架图下图给出每一个模块的相关介绍。
2.1光伏发电系统
下图所示为带有最大功率点跟踪（MPPT）功能的光伏发电系统结构图。图2-1 太阳能电池系统结构图
如图2-1所示的太阳能电池系统结构图，它包括太阳能电池模块、最大功率点跟踪（MPPT）模块、脉宽调制（PWM）信号发生器模块、升压斩波（BOOST）电路模块和负载模块。在整个系统中，太阳能电池模块的输出为太阳能电池光生电流，光生电流连接到BOOST 电路，作为BOOST 电路的恒流源电源，为整个系统提供能量。MPPT模块以太阳能电池输出的光生电流和光生电压（BOOST电路的输入端电压）为输入，提供MPPT 模块输入信号，输入信号经过MPPT 模块获得一个仿真步长，此仿真步长作为PWM 模块的输入，连接PWM 模块。PWM 信号发生器把输入信号与固定频率的三角波进行比较，输出以MPPT 模块中获得的步长为脉宽的脉宽调制信号，此脉冲信号连接BOOST 电路中的全控器件的门极，控制全控器件的导通和关断，实现对太阳能电池最大功率点跟踪控制。在BOOST 电路的输出端接入一定阻值的电阻作为系统的负载模块。下面分别对各个模块做详细的功能介绍。
2.2太阳能电池
在带有最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统中，太阳能电池模块是至关重要的一部
分。目前太阳能电池可分为硅太阳能电池和化合物太阳能电池，而硅太阳能电池中又可分为晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。尽管太阳能电池的种类繁多，但是其工作原理与工作特性是一样的。太阳能电池能够利用光电效应把光能转变成电能，该模块输出的光生电流，为升压斩波电路提供能量，替代升压斩波电路中的电源，进而为整个系统提供能量。关于太阳能电池的原理和外界环境对太阳能电池输出特性的影响，本文将在第三章中做详细的介绍。
2.3升压斩波升压斩波（（BOOST）电路
在太阳能发电系统中，由于其发出的直流电能是不稳定的，因此直流变换电路在光伏发电系统中是不可或缺的。在本文中太阳能电池系统的直流-直流（DC-DC）变换器选用开关电源中的升压斩波（BOOST）电路以电感电流源方式向负载放电，实现负载电压升高的目的。直流变换电路由实现直流变换的主电路和实现直
流变换的控制电路两部分组成。该模块的功能是将太阳能电池模块输出的直流不可控电流转变为可控的直流输出，并且作为整个光伏发电系统的主电路，联接各个太阳能发电系统模块。
2.3.1升压斩波电路原理
直流斩波电路实际是采用脉宽调制（PWM）技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，通过改变脉冲的占空比可以获得所需的输出电压。
升压斩波（BOOST）电路原理图如下所示：
出电压 为恒定值，记为。设可控器件V 处于通态的时间为T ୭୬,那么在这个阶段电感L 上存储能量为EI ଵt ୭୬。当可控器件Mosfet 处于断态时电源E 和电感L 共同向电容C 充电并为负载R 提供能量。设可控器件Mosfet 处于断态的时间为t ୭，那么在此阶段电感L 释放的能量为（U EሻIଵt ୭。在电路工作处于稳态时，一个工作周期T 中电感L 存储的能量与
释放的能量相等[11]，即 EI ଵt ሺU EሻIଵt ୭
（2-1）化简得 U
E（2-2）式中，T t 1⁄，因为电路的输出电压高于电源电压，所以称该电路为升压斩波电路。
T t ୭ ⁄表示升压比，调节升压比大小，就可以改变输出电压U ୭的大小，用β表示升压比，即β，而占空比表示α，则β与α的关系如下所示 11 α β 1（2-3）因此 U E（2-4）
由公式（2-4）可以看出升压斩波（BOOST）电路的输出电压要高于电源电压，其两个关键原因是电感L 储能后使电压泵升和电容C 将输出电压保持住了[11]。
2.3.2升压斩波电路仿真
根据升压斩波电路原理图，在MATLAB/SIMULINK仿真平台下选择SimPowerSystems 模块库，将模块库中的绝缘栅双极性晶体管模块Mosfet、二极管模块DI、直流电压源VDC、串联RLC、并联RLC、脉冲发生器模块Pulse、电压表模块、电流表模块、示波器模块和信号终结器模块拖到SIMULINK 的仿真平台上，按照BOOST 原理图连接各个模块，完成的BOOST 电路的仿真模型如下图所示[9]：
图2-3 升压斩波电路仿真模型
通过双击模块设置模块参数和仿真参数，在仿真模型中设置升压电路直流电源电压为43V（在本文第三章中采用的150W 太阳能电池板开路电压为43V），电感值为22e-4H,电容值为300e-4F,负载电阻设置为8Ω，设置脉冲发生器频率为1000Hz，占空比为0.5，指定模型算法为变步长连续算法ode23tb，仿真时间为2秒。升压后得到的电压波形如下图所示：
图2-4 升压斩波电路升压后波形
如图2-4的升压斩波电路输出电压波形，我们观察到输出电压值大约在86V 左右，符
合升压斩波电路原理，证明了此模型的可行性。2.4 PWM信号发生器
PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。
在2.3.2的升压斩波（BOOST）电路仿真模型中控制全控器件Mosfet 通断的是脉冲发生器模块Pulse,其输出占空比为0.5的脉冲信号，输出电压为直流电源的2倍。在光伏发电系统中为了实现对太阳能电池输出电流的跟踪控制，需要建立一个PWM 信号发生器，建立的PWM 信号发生器替代BOOST 电路中的脉冲发生器
模块(pulse,太阳能电池的输出电流经过最大功率点跟踪算法获得一个步长信号，作为PWM 信号发生器的输入，PWM信号发生器的输出为获得的步长宽度的脉冲信号，脉冲信号控制BOOST 电路中全控器件Mosfet 的通断，从而跟踪控制整个太阳能系统输出电压。
用鼠标将simulink 模块库中的实现零阶保持器模块（Zero-Order-Hold）、输入端口模块（In1）、输出端口（Out1）、三角波发生器模块（Repeating Sequence）、限制信号范围模块（Saturation）、常数模块（Constant）、指令切换输入信号模块（Switch）和加法运算模块（Add）拖到仿真平台中，连接各个模块建立如下图所示的PWM 信号发生器。
图2-5 PWM信号发生器
如图2-5所示，PWM信号发生器的结构非常简单，PWM信号可以由一个最大值为
1、最小值为0的固定采样周期T 的三角波发生器与输入信号进行比较获得。假定输入信号为D（0～1之间），三角波的周期为T，则在一个周期内，输入信号大于三角波输出的时间为D/T，此时输出的PWM 信号为高电平；输入信号小于三角波输出的时间为（1-D）/T，此时输出的PWM 信号为低电平。此外为了以后整体系统的建立，便于整个太阳能电池系统模型的建立，本文通过simulink 子系统封装功能对PWM 信号发生器进行了封装[14]。
2.5最大功率点跟踪
在光伏发电系统中，为了提高整个系统的工作效率，需要使太阳能电池始终工作在最大功率点附近，最有效的方法就是实时的跟踪太阳能电池最大功率点。最大
功率点跟踪控制技术是光伏发电系统中的关键技术，其实现对太阳能电池工作点的跟踪控制，是光伏发电系统中不可或缺的部分。
在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（Maximum Power Point,MPP）。因此不断地根据外界不同光照强度、环境温度等特性调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点处，叫做最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）技术[4]。最早出现的光伏功率输出控制方法是恒电压（CVT）控制。但由于环境温度的变化，CVT 控制会使光伏电池偏离最大功率输出点，产生较大的功率损失。为了克服CVT 方法功率损失较大的缺点，出现了改进型CVT 算法，如手动调解参考电压法、根据温度查表调节法、参考电流法等等。通过对CVT 算法的改进，出现了具有MPPT 雏形的控制方法。其中比较经典的有干扰观察法、电导增量法、模糊逻辑控制、神经元网络控制法、最优梯度法等，以及在这些算法上进行各种改进的控制算法。目前，对MPPT 技术的评估尚无统一的标准，各种控制方法都有各自的优缺点[1]。本文在第四章中将对太阳能电池的三种最大功率点跟踪算法（扰动观察法、电导增量法和变步长电导增量法）做详细的介绍和研究，对其进行仿真分析。
2.6本章小结
本章给出了带最大功率点跟踪控制的光伏发电系统结构原理图，并就光伏发电系统中的各个模块分别作了简要分析。
（1）太阳能电池模块实现太阳辐射能转换成光能，为整个系统提供能量输出，是光伏发电系统中不可或缺的部分。其工作原理将在后面的章节中做详细分析。
（2）升压斩波（BOOST）电路将太阳能电池模块输出的直流不可控电流转变为可控的直流输出，并且作为整个光伏发电系统的主电路，联接各个太阳能发电系
统模块。本章中建立了升压斩波电路的仿真模型，验证了升压斩波电路的原理，实现升压功能。
（3）在带最大功率点跟踪控制的太阳能电池系统中，为了实现对太阳能电池输出电
流的跟踪控制，需要建立一个PWM 信号发生器，建立的PWM 信号发生器替代BOOST 电路中的脉冲发生器模块(pulse，太阳能电池的电流输出作为最大功率点跟踪（MPPT）模块的输入，经过MPPT 后获得步长信号作为PWM 信号发生器的输入，最终获得脉冲信号控制BOOST 电路中全控器件IGBT 的通断，实现太阳能电池的最大功率点跟踪控制。
（4）最大功率点跟踪（MPPT）模块的功能是实现太阳能电池最大功率点跟踪，使太阳能电池工作点始终处于最大功率点处，也就是说，如果没有MPPT 模块，太阳能电池将不能实现最大功率的输出，其工作原理将在第四章中做详细的介绍。
3.光伏电池的工作原理
光伏发电系统首先要解决的是怎样将太阳能转换为电能。光伏电池就是利用半导体光伏效应制成的一种将太阳辐射能直接转换为电能的转换器。本章重点讨论太阳能电池的工作原理，根据太阳能电池原理在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立太阳能电池仿真模型，并对太阳能电池在不同光照强度和环境温度下工作时的输出特性进行分析。
3.1半导体的物理基础
在自然界中，物体根据导电性能和电阻率的大小分为三类，电阻率在10-6～10-3Ω·cm 左右的称为导体，如金、银、铜等；电阻率在10-3～108Ω·cm左右的称为半导体；电阻率在108～1020Ω·cm左右的称为绝缘体，如塑料、木头等。大部分半导体的特点在于导电能力和电阻率对掺入微量杂质的种类和浓度十分敏感，具有对温度和光照等外部条件变化的热敏和光敏等特性[3]。
众所周知，各种元素的原子结构都由带正电的原子核和带负电绕核转动的电子组成。其中最外层的电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。锗、硅等多数半导体都是4价元素，每个原子各有4个最外层电子，通常称其为4个价电子。在常温下本证半导体中只有为数极少的电子-空穴对参与导电，部分自由电子遇到空穴会迅速恢复合成为共价键电子结构，所以从外特性来看它们是不导电的。为了增加半导体的导电能力，一般都在4价的本征半导体材料中掺入一定浓度的硼、镓、铝等3价元素或磷、砷、锑等5价元素，这些杂质元素与周围的4价元素组成共价键后，即会出现多余的电子或空穴。掺入5价元素的半导体称为N 型半导体，在共价键之外会产生多余的电子；而掺入3价的半导体称为P 型
半导体，在共价键之外产生多余的空穴[3]。利用这些特性，人们制成了多种多样的半导体材料。半导体材料具有很强的光伏效应。光伏效应是指物体吸收光能后，其半导体材料内部能传导电流的载流子的分布浓度和状态发生变化，产生出电流和电动势的效应。当太阳光（或其他光能）照射到半导体的P-N 结上时，就会产生光生电压，如果把P-N 结短路，就会产生光生电流。光伏电池就是利用了半导体材料的这些特性，把光能直接转化成电能。在这个过程中，光伏电池本身不发生任何化学反应，也没有机械磨耗；在使用过程中，没有噪音，无气无味，对环境无污染[3]。
3.2光伏光伏电池的电池的电池的基本基本基本工作原理工作原理
由于太阳能只是一种辐射能，所以它必须借助于某些能量转换器才可以实现电能的转化。我们把这个实现光能转化成电能的转换器叫做太阳能电池。
太阳能电池工作原理，是以半导体P-N 结的光伏效应为基础。光伏效应是指是当物体受到光照的时候，物体内部的电荷分布状态会发生变化，从而产生电流和电动势的一种效应。虽然在固体、液体和气体中都可产生光伏效应，但是在固体尤其是半导体中，光能转换成电能的转换效率特别高，所以半导体的光电效应引起了
人们更多的注意，对其研究也最多，然后发明制造出了半导体光伏电池。太阳能电池光伏原理如下图所示[2] ：
图3-1 光伏效应原理图
我们可将太阳能电池的发电过程概括成下面4点：①首先太阳能电池表面收集太阳光或者其他光能。②由于太阳能电池吸收了具有一定能量的光子，半导体材料内部会激发出非平衡状态电子-空穴对。这些被激发的电子-空穴对具有足够的寿命，在他们被分离前是不会自动复合或消失。③这些电性相反的电子和空穴在太阳能电池P-N 结的内建电场作用下被分离，空穴集中在了一边，电子集中在了另一边，在半导体P-N 结两边积累了不同电性的电荷，进而产生了光生电动势，即光生电压。④如果在太阳能电池的P-N 两端引出电极，接上负载，那么负载上就会有光生电流，进而得到输出功率。太阳能电池就是这样把光能直接转化成为电能的[2]。
3.3光伏光伏电池的电池的电池的等效电路等效电路
太阳能电池的基本特性可以用其电流和电压的关系曲线来表征，电流、电压之间的关
系自然又是通过其他一系列参变量来表征，特别是和投射于太阳能电池表面的日照强度有关，当然也和太阳能电池的温度及光谱特性等有关。
为了搞清楚光伏电池工作的过程，以及影响光伏电池转换效率的因素，就必须通过建立光伏电池等效电路进行分析。太阳能电池利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能。当一定强度的太阳光照射到半导体材料的P-N 结上时，光能被半导体吸收，P-N结中产生不平衡的电子-空穴对。由于P-N 结势垒区有较强的内建静电场，因而可以在光照下形成短路电流I ୱୡ、开路电压U ୭ୡ。如果在P-N 结的内建电场两侧引出电极并接上负载，则负载中就会有光生电流I ୮୦流过，从而获得太阳能电池输出功率P，当光照强度恒定时，由于光生电流I ୮୦不随光伏电池的工作状态变化而变化，因此在太阳能电池的等效电路中可以看作是一个恒流源。负载端的电压U L 反作用于太阳能电池板表面的电极材料本身所带有 的电阻，当太阳能电池的工作电流流过电池板时，就会引起电池板的内部损耗，因此引入串联电阻R ୱ。一般小于1欧姆。R ୱ୦为旁路电阻，一般为几千欧姆。它主要是由电池表面的污垢和半导体材料自身的缺陷所引起的漏电流所对应的P-N 结漏泄电阻和太阳能电池边缘的漏电阻等组成的[1]。太阳能光伏电池的等效电路如下图所示：
太阳能电池等值电路基本方程式：
U U I（3-2）式中，U 为PN 结结合部端电压；U 为负载R 两端电压；I 为负荷电流。其中
I I A 1 ౩
（3-3）式中，A为与PN 结材料特性有关的系数；B为与PN 结材料特性有关的系数；K为波兹曼常数；T 为绝对温度；R ୱ୦为考虑PN 结缺陷的分路电阻；q 为电荷电量，1 02 10 C。I ౩
（3-4）A ቈe൬
（3-5）
3.4光伏电池模型仿真与分析
本文主要应用MATLAB/SIMULINK软件进行模拟仿真，而硅太阳能电池的理论数学模型显然不能满足本文的需要，所以本文选择光伏电池的工程用数学模型，在该模型中只需要获得太阳能电池板生产厂家提供的的硅太阳能电池的四个基本参数，即短路电流Isc、开路电压Voc、峰值电流Im 和峰值电压Vm 就可以得到太阳能电池的伏安特性和功率特性[20]。太阳能电池数学模型公式：
I ୱୡ 1 C ଵ 1 e ቀ D（3-6）其中 C ቀ1 ౩ౙ
ቁe ቁ（3-7）C ቀ 1ቁln ቀ1 ౩ౙ（3-8）I ୱୡS aT ଵሺ1 S ଵሻ（3-9）S 1（3-10）T T
（3-11）d bT DR ୱ（3-12）式中短路电流I ୱୡ，开路电压V ୭ୡ，峰值电流I ୫，峰值电压V ୫为太阳能电池板生产厂家提供的4个标准参数值；S 为太阳光强参考值为1000W/mଶ；T 为电池参考温度为25℃；S 和T 为任意时刻太阳光强度和电池温度；S ଵ，T ଵ，C ଵ，C ଶ，D均为中间变量；补偿系
0 0012，补偿系数 0.005V ୭ୡ
[20]。根据太阳能电池的数学模型公式在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立的仿真模型如下
图所示：
图3-3 光伏电池模型
如图3-3所示为根据太阳能电池的四个基本参数（短路电流I ୱୡ，开路电压V ୭ୡ，峰值电流I ୫，峰值电压V ୫）建立的太阳能电池模型。模型中含有三个变量输入模块分别为太阳能电池工作的光照强度变量S、温度变量T 和太阳能电池光生电压U，一个变量输出模块为太阳能电池光生电流I，模型中S 为太阳光强参考值为1000W/mଶ；T 为电池参考温度为25℃。假设太阳能电池自身所带电阻为，阻值为0 05Ω，在MATLAB/SIMULINK的模块库中将上图中的各个仿真模块用鼠标拖到仿真模型窗口中，根据太阳能电池的数学模型公式将各个模块进行连接，就可以完成太阳能电池模型的建立
为了方便整个太阳能电池模型的可读性，通过MATLAB/SIMULINK提供的子系统封装功能对太阳能电池模型进行封装，从而方便以后最大功率跟踪整体模型的建立。太阳能电池
模型封装模型如下图所示：
图3-4 光伏电池封装模型
封装后的太阳能电池模型看不到模块内部的内容，只有三个变量输入口S、T和U，一个变量输出口I，模型变得简单明了，当然可以通过双击模块察看到封装模块内部如图3-3所示的光伏电池模型。
在本文中选用长沙光合太阳能有限公司的GHM-150太阳能电池板为研究对象，此太阳能电池板最大功率为150W，大峰值电压V 35V ,大峰值电流I 4.29A ,开路电压V 43V，短路电流I 4.84A ,同时我们可以计算出补偿系数 0.005808，0.215。封装后的太阳能电池模型参数设置如下图所示：
图3-5 太阳能电池模型参数设置
设置太阳能电池工作环境温度为25℃，光照强度为1000W/mଶ，进行仿真，得到太阳
能电池伏安特性曲线和功率-电压特性曲线如下图所示：
（a）伏安特性曲线（b）功率-电压特性曲线
图3-6 环境温度25℃，光照强度1000W/mଶ时太阳能电池伏安特性与功率-电压特性曲线 从图3-6（a）所示的太阳能电池伏安特性曲线可以看到，光伏电池的短路电流 即为伏安特性曲线与输出电流轴的交点；开路电压 即为伏安特性曲线与输出电压轴的交点。图3-6（b）所示的是太阳能电池功率-电压特性曲线，特性曲线的峰值处就是太阳能电池的最大功率点，在最大功率点的两侧，光伏电池的功率输出会急剧下降至零值。
根据光伏电池的原理，我们知道太阳能电池受光照强度和环境温度的影响很大，分别设置太阳能电池受到的环境温度为25℃、光照强度为1000W/mଶ，环境温度为50℃、光照强度为1000W/mଶ和环境温度50℃、光照强度800W/mଶ进行仿真，观察仿真结果，得到的太阳能电池伏安特性曲线和功率-电压特性曲线如下图所示：
（a）伏安特性曲线（b）功率-电压特性曲线
图3-7 不同环境下太阳能电池伏安特性与功率特性曲线
通过对图3-7（a）的太阳能光伏电池伏安特性比较，我们可以看出，随着光照强度的增加，伏安特性曲线近似整体向上平移，这说明短路电流I SC 随光照强度的升高明显增大，而开路电压U OC 将随光照的升高略有增大。而在同一光照强度下随着温度的升高，光伏电池
开路电压U OC 向左偏移。这说明温度对开路电压有明显影响，而特性曲线在恒流源线性区受
温度影响变化不大，随温度升高短路电流I SC 只是略有增加[1]。
通过对图3-7（b）的太阳能电池功率-电压特性的比较，我们可以看出，在同一光照强度时，太阳能电池功率-电压特性曲线存在一个最大功率输出点，在该点的左边区域，输出功率随着输出端电压的升高而升高，在该点的右边输出功率随电压的升高而降低。在不同光照下，随着光照强度增加，输出功率-电压特性曲线近似整体向上平移。在同一光照强度下，随着温度的升高，系统开路电压U OC 向左平移，说明温度对太阳能电池功率-电
压特性曲线有明显影响，但特性曲线最大功率点左边的线性区受温度影响变化不大[1]。
输出功率除了受光照强度和温度影响之外，光伏电池的开路电压U OC、短路电流I SC 也
会受到光照强度和温度变化的影响。其中，开路电压U OC 随温度升高而明显降低，短路电流
I SC 随光照强度的增加而明显增加[1]。3.5本章小结
本章重点研究和讨论了太阳能电池的工作原理与输出特性。因为太阳能电池的工作原理是基于半导体的光电效应，所以在3.1节主要对半导体物理基础做了简单的介绍，由于半导体可分为P 型半导体和N 型半导体，当两种半导体紧密的贴合在一起受一定光照强度照射时，在P-N 结两侧接出电极，接入负载，在负载上就会有光生电流通过。
通过对光伏电池等效电路的分析，可以获得太阳能电池的数学模型公式，但是为了在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立太阳能电池的仿真模型，引入了太阳能电池的工程用数学模型公式，只需要获得太阳能电池板生产厂家提供的四个太阳能电池基本参数就可以轻松的创建太阳能电池模型。
本章通过仿真，获得了太阳能电池的伏安特性曲线和功率-电压特性曲线，并且针对不同的工作环境分析了其输出特性。仿真结果说明太阳能电池功率输出受光照强度和环境温度影响很大，而太阳能电池只有在某一特定电压下才能达到功率输出的最大值，那么要使太阳能电池工作在功率输出最大值处，就必须引入太阳能电池的最大功率点跟踪控制技术，下一章将重点讨论太阳能电池最大功率点跟踪控制技术。
4.最大功率点跟踪
最大功率电跟踪（MPPT）技术是光伏发电系统中的关键技术之一。从前面我们已经知道，光伏电池输出特性具有非线性特征，它的输出特性受光照强度、环境温度等情况影响很大。但在任意光照强度和环境温度下，单体光伏电池都存在一个特定的最大功率输出点。
最早出现的光伏功率输出控制方法是恒电压（CVT）控制。但由于环境温度的变化，CVT 控制会使光伏电池偏离最大功率输出点，产生较大的功率损失。为了克服CVT 方法的缺点，出现了各种新型的MPPT 算法。目前，对MPPT 技术的评
估尚无统一的标准，各种控制方法都有各自的优缺点。在本文主要针对扰动观察法、电导增量法和变步长电导增量法作研究。
4.1扰动观察法MPPT 控制
4.1.1定步长占空比扰动观察法MPPT 控制原理
扰动观察法(Perturbation and Observation，简称P&O 也称为爬山法(Hill Climbing 简称HC。其工作原理是在光伏电池工作的某一参考电压下检测出其输出功率，然后在该电压基础上每隔一段时间加一个正向电压扰动量，并检测光伏电池的输出功率的变化方向。若所检测出的输出功率增加，则说明太阳能电池的最大功率点在当前工作点的右边。继续每隔一段时间增加正向扰动电压，然后再进行功率检测，如此反复进行直到太阳能电池工作在最大功率点处；若所测的太阳能电池输出功率降低，则说明太阳能电池的最大功率点在当前工作点左边，此时应该反向增加扰动电压，使得太阳能电池的工作点朝左移动，然后再进行太阳能电池的功率输出检测。反复进行扰动，直到太阳能电池工作在最大功率点处。扰动观察法算法原理如下图所示：
图4-1 扰动观察法算法原理图
如图4-1所示，假设太阳能电池工作在U ଵ处，那么太阳能电池的输出功率为P ଵ，假使使太阳能电池工作在 U U ∆U 处，对应的太阳能电池的输出功率为P ଶ。通过比较现在输出功率P ଶ与前一工作点的输出功率P ଵ得到P ଶ P ଵ，说明电压增量∆U使太阳能电池的输出功率变大。当太阳能电池的工作点位于其最大功率点P ୫的左边时，继续加入电压增量Δ，会使太阳能电池的工作点继续向右边即最大功率点P ୫的方向移动。如果太阳能电池的工作点已经越过最大功率点P ୫到达U ସ,此时的输出功率为P 4，,这时如果再增加电压增量∆U，则太阳能电池的工作点就到达U ହ，比较结果可以得到P ହ P ସ，说明太阳能电池的工作点在
P ୫右边，这时需要改变电压增量的变化方向，即输入信号每次减去∆U，再比较现在输出功率与前一输出功率，就这样周而复始地进行扰动，直到寻找到最大功率点P ୫。扰动观察法 的控制流程图如下图所示：
步长占空比扰动观察法的仿真模型如下图所示：
图
4-3 占空比扰动观察法仿真模型
如图4-3所示，模型中具有两个变量输入模块U 和I，它们分别连接太阳能电池模块的光生电压和光生电流。一个变量输出模块连接脉宽调制（PWM）信号发生器的输入，而PWM 信号发生器的输出连接升压斩波电路的全控器件Mosfet。对定步长占空比扰动观察法仿真模型进行子封装，根据图3-1太阳能系统结构图建立整个太阳能最大功率点跟踪算法的整体仿真模型如下图所示：
图4-4 定步长占空比扰动观察法MPPT 控制太阳能电池系统模型
在整体模型中，通过添加一个Step 模块模拟光照强度的突变情况，设置初始光照强度为800W/mଶ，两秒后光照强度突变为1000W/mଶ，设置仿真算法为obe23tb，仿真时间
为4秒，爬山法封装模块和PWM 信号发生器模块内的零阶保持器采样周期为0.005，三角波的采样周期为0.008，电容 1 300 F,电容 2 300 F，参数设置后进行仿真，后得到太阳能电池输出功率波形，如下图所示。
图4-5 定步长占空比干扰观察法输出功率波形
观察图4-5的定步长占空比干扰观察法输出功率波形，可以发现定步长占空比干扰观察法实现了光伏电池最大功率点跟踪控制，太阳能电池工作在其最大功率点附近，但是在最大功率点处出现了“扰动”现象，造成能量损耗，并且在光照强度突变的时候程序在运行中出现“误判”现象，也会有较大的功率损失。
4.2电导增量法电导增量法（（导纳法导纳法））MPPT 控制 4.2.1定步长电导增量法（导纳法）MPPT 控制原理
电导增量法也是MPPT 方法中较为常用的一种方法。电导增量法是通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变系统的控制信号，其控制思想与干扰观察法类似，通过不断比较光伏电池工作时的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。由光伏电池工作特性曲线可知，最大功率点处的光伏电池输出功率P 与输出电压U 满足条件
U 由此可得
（4-2）
式中，G为输出特性曲线的电导； 为电导G 的增量。由于增量d 和 可以分别用Δ 和Δ 来近似代替，可得
d ᇞU ሺt ଶ U ሺt ଶ U ሺt ଵሻ（4-3）ᇞI ሺt ଶ I ሺt ଶ I ሺt ଵሻ（4-4）由上述公式推导，可得系统运行点与最大功率点的判据如下：
（1）మభ 0，则U U ୫，需要适当增大参考电压来达到最大功率点。（2）మభ 0，则U U ୫，需要适当减小参考电压来达到最大功率点。（3）0，则 U ୫，此时系统正工作在最大功率点处。下图为典型的光伏系统功率-电压曲线，在曲线中，通过判断 d ⁄的符号，即可得知当前系统工作点位置。
图4-6 电导增量法算法原理图
由上分析可知，类似于传统的扰动观察法，建立的定步长电导增量法的控制流程如下
图所示：
图4-7 定步长电导增量法MPPT 控制流程图
图4-7分别计算电压增量和电流增量Δ、Δ。当Δ =0时判断Δ 是否等于
零，当Δ =0时，太阳能电池工作在最大功率点处，当Δ >0时需增加Δ，反之减小Δ，直到太阳能电池工作在最大功率点处；当Δ 不等于零时，∆ ∆-I/U时太阳能电池工作在最大功率点处。当∆ ∆-I/U时需增加电压增量Δ，当∆ ∆-I/U时需减小电压增量Δ，直到太阳能电池工作在最大功率点处。
4.2.2定步长电导增量法（导纳法）仿真结果与分析
通过图4-7的定步长电导增量法最大功率点跟踪控制流程图，在MATLAB/SIMULINK平台上建立电导增量法MPPT 控制的仿真模型如下图所示：
图4-8 定步长电导增量法MPPT 控制仿真模型
模型中具有两个变量输入模块U 和I，它们分别连接太阳能电池模块的光生电压和光生电流，一个变量输出模块连接脉宽调制（PWM）信号发生器的输入，而PWM 信号发生器的输出连接升压斩波电路的全控器件Mosfet。将电导增量法MPPT 控制仿真模型进行封装，建立如图3-1所示的整体太阳能系统结构模型，将整体系统中的定步长占空比扰动观察法MPPT 控制模块换成定步长电导增量法MPPT 控制模块，整体太阳能电池模型如下图所示：
图4-9 定步长电导增量法MPPT 控制太阳能电池系统模型 在整体模型中，通过添加一个Step 模块模拟光照强度的突变情况，设置初始光照强
度为800W/mଶ，两秒后光照强度突变为1000W/mଶ，设置仿真算法为obe23tb，仿真时间为4秒，爬山法封装模块和PWM 信号发生器模块内的零阶保持器采样周期为0.005，三角波的采样周期为0.008，电容 1 300 F,电容 2 300 F，进行仿真后得到如下图所示的太阳能电池输出功率波形。
图4-10 定步长电导增量法MPPT 控制功率输出波形
通过观察图4-10的定步长电导增量法MPPT 控制功率输出波形，我们可以发现，定步长电导增量法MPPT 控制实现了光伏电池的最大功率点跟踪，太阳能电池工作在最大功率点处。在光照强度突然变化的时刻，此算法避免了占空比扰动观察法的“误判”现象，但是由于此算法也是定步长MPPT 控制，所以同定步长的占空比扰动观察法MPPT 控制一样出现了太阳能电池工作在最大功率点附近，也就是功率扰动现象，为了解决太阳能电池在最大功率点附近的扰动现象，提出了变步长电导增量法MPPT 控制。
4.3变步长变步长电导增量电导增量电导增量法法MPPT 控制 4.3.1变步长电导增量法MPPT 控制基本原理
变步长电导增量法是在定步长电导增量法的基础上进行改进的一种MPPT 控制算法。根据太阳能电池电压-功率特性曲线，我们发现在最大功率点两侧斜率存
在着差异，本文利用其斜率的绝对值的差异来改变电导增量算法步长的大小，在太阳能电池最大功率点P m 的左侧步长取Smax,在太阳能电池最大功率点P ୫的右侧取步长为Smin，通过改变步长来实
现最大功率点的快速跟踪。同时为了控制太阳能电池在最大功率点附近的振荡范围，设置
了一个阀值A，当太阳能电池工作在阀值A 内时就选取更小的步长以免在最大功率点左侧时由于步长过大而使太阳能电池工作点直接跳到最大功率点的右侧，从而有效地缩小了太阳能电池在最大功率点附近的振荡，减小扰动。变步长电导增量法MPPT 控制流程图如下图所示：
图4-11 变步长导纳法MPPT 控制流程图
变步长电导增量法MPPT 控制算法在一开始设置了两个常数步长Smax 和Smin，在流程图中可以看出其对电压和电流进行采样，通过比较得出电压增量Δ
和电流增量Δ 并计算出功率增量Δ =Δ Δ，然后判断Δ 是否等于零。如果Δ =0，那么此时太阳能电池工作在最大功率点处；如果Δ 不等于零，则判断|∆ ∆ |的值是否小于系统设置的阀值A，若|∆ ∆ |的值小于A，则说明，太阳能电池工作在太阳能电池最大功率点附近，MPPT控制算法采用较小额步长S ୫୧୬,以此步长为占空比D 对系统进行扰动，直到太阳能电池工作在最大功率点处；若|∆ ∆ |不在阀值A 内，那么说明太阳能电池工作在距离太阳能电池最大功率点较远的位置，此时算法自动选择较大的步长S ୫ୟ。如果在较大步长下太阳能电池工作点跳到了最大功率点右侧，那么算法将改变步长为S ୫୧୬，以算法步长为占空比D 对系统进行扰动，直到太阳能电池工作在最大功率点处。在流程中，根据Δ Δ 的值来确定下一次的调整步长，可以看出Δ Δ 实质上就是太阳能电池功率-电压特性曲线各采样点的斜率，那么通过公式U ሺ 1 U ሺK Dሺ∆ ∆ ⁄ሻ就可以自动改变扰动方向。
4.3.2变步长电导增量法MPPT 控制仿真结果与分析 根据图4-11的变步长电导增量法MPPT 控制流程图，在MATLAB/SIMULINK平台上建立如下图所示的变步长电导增量法MPPT 控制仿真模型。
图4-12变步长电导增量法仿真模型
如图4-12所示，模型中具有两个变量输入模块U 和I，它们分别连接太阳能电池模块的光生电压和光生电流，一个变量输出模块连接脉宽调制（PWM）信号发生器的输入，而PWM 信号发生器的输出连接升压斩波电路的全控器件Mosfet。模型中零阶保持器的采样周期设置为0.005，两个常数步长Smax 和Smin 分别设置为0.5和0.001。将模型进行封装以后加入到太阳能系统中，得到如下图所示的变步长电导增量法MPPT 控制太阳能系统模型。
图4-13 变步长电导增量法MPPT 控制太阳能电池系统仿真模型
在整体模型中，通过添加一个Step 模块模拟光照强度的突变情况，设置初始光照强度为800W/mଶ，两秒后光照强度突变为1000W/mଶ，设置仿真算法为obe23tb，仿真时间为4秒，PWM 信号发生器模块内的零阶保持器采样周期为0.005，三角波的采样周期为0.008，电容 1 300 F,电容 2 300 F，进行仿真后得到如下图所示的太阳能电池输出功率波形。
图4-14 变步长电导增量法MPPT 控制功率输出波形
通过图4-14所示的变步长电导增量法MPPT 控制功率输出波形，发现变步长电导增量法实现了光伏电池最大功率点跟踪，太阳能电池的工作在太阳能电池最大功率点处，并且
太阳能电池最大功率点附近的扰动现象减小了，不仅如此电导增量法也提高了太阳能电池 的工作精度，同样也消除了定步长占空比扰动观察法MPPT 控制中的“误判”现象。
4.4本章小结
本章是本文研究的重点内容，对目前市场运用得比较广泛太阳能电池的扰动观察法最大功率点跟踪控制算法、电导增量法最大功率点跟踪控制算法和变步长电导
增量法最大功率电跟踪算法进行详细的分析讨论，并建立了三种算法的仿真模型，最终建立了整个光伏发电系统整体模型。通过观察仿真得到的太阳能电池功率输出曲线，本文分析了三种最大功率点跟踪算法的优缺点。
定步长占空比扰动观察法MPPT 控制算法是目前最为常用、也是研究最多的一种MPPT 方法，它的被测参数少，控制系统简单，控制算法较易实现，对传感器精度要求不高；它的缺点是目标比较盲目，由于不断的进行扰动，光伏电池的工作点总是在最大功率点附近不断变化，不能稳定工作在最大功率点上，从而导致一定功率损失。而且扰动跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾，扰动步长越大，速度越快，但精度越差；相反，扰动步长越小，精度越高，速度越慢。此外，此算法在外界光照强度发生突变的时候，由于跟踪步长对跟踪精度和算法的响应速度无法兼顾，会出现“误判”现象，造成大量的能量损失。
定步长电导增量法MPPT 控制算法是通过比较太阳能电池的瞬时电导和电导的变化量来实现最大功率跟踪的一种控制算法。它能够快速地使系统工作在最大功率点，并且当外界光照等条件剧烈变化时电导增量法也能快速进行跟踪，运行效果较好；此控制算法适用于大气条件变化较快的场合，避免了扰动观察法的盲目调整的优点。它的缺点是：由于此控制算法是定步长的，步长大小的选择也非常重要，太阳能电池工作在最大功率点处也不可避免地会出现“扰动”现象，而且此算法对控制系统的硬件要求较高，特别是对传感器的精度和系统各部分响应速度要求较高，所以造价也相对的较高。
变步长电导增量法是基于定步长电导增量法的基础上的改进算法，因此，变步长电导增量法具有了定步长电导增量法的优点，但它消除了太阳能电池在最大功率点处的扰动现象，减少了太阳能电池的能量损耗，进而提高了太阳能电池的工作效率，并且变步长的电导增量法可以在动态响应和稳态精度上实现较好的折中，而步长的变化规则，无疑是实现跟踪算法的关键。
总结
随着当今世界正迅速地从工业化社会向低碳化社会转化，发展绿色能源成为重大课题。太阳能光伏发电由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，正在发展成为全世界绿色能源组成中的重要部分。高效应用太阳能是人们一直追求的目标，最大功率点跟踪（MPPT）技术是高效光伏发电系统的关键技术之一。研究和应用最大功率点跟踪技术具有重要理论意义和实际应用价值。
（1）本文基于MATLAB/SIMULINK平台，通过太阳能光伏电池的工程用数学模型公式建立仿真模型，通过设置环境光照强度和环境温度进行仿真，得到的太阳能电池模型伏安特性和功率-电压特性完全符合太阳能电池的理论特性。
（2）本文中的太阳能系统中选用了升压斩波（BOOST）电路为主电路。BOOST 电路中，电感储能使电压泵升，电容可将输出电压保持住，BOOST电路可以始终工作在电流连续的工作状态下，但要保证电容值较大。此外BOOST 电路结构也非常简单。
（3）本文主要对当今社会中运用比较广泛的定步长扰动观察法MPPT 控制、定步长电导增量法MPPT 控制和变步长电导增量法MPPT 控制进行仿真和研究，在定步长占空比扰动观察法中，通过观察仿真波形，我们发现太阳能电池工作在最大功率点附近，并且有扰动现象。在外界光照强度突变的时候出现了“误判”现象，有比较大的能量损失。针对这些缺陷本文研究了定步长的电导增量法MPPT 控制。在仿真波形中，环境的光照强度突变时没有出现算法的误判，该算法减少能量损失。但是定步长的电导增量法MPPT 控制还是存在最大功率扰动现象，为了进一步解决太阳能电池系统的功率扰动，本文进一步分析了变步长电导增量法MPPT 控制算法。通过仿真观察功率输出波形，可以发现太阳能电池工作在最大功率点处没有扰动，没有“误判”现象。
在本次毕业设计中，除了运用MATLAB/SIMULINK仿真平台还运用了微软公司Visio 绘图软件。这是一款比较全面的绘图软件，可以绘制流程图、电路图等各种工程用途，而且使用方法简单易学。在本次毕业设计中，本人充分利用了学校图书馆的资源，学习了SIMULINK 和太阳能光伏系统，通过网络资源了解了当下社
会运用比较广泛的几种太阳能电池最大功率点跟踪算法，并从各种资料中学习整理，在理解透彻后创建了自己所需要的各个仿真模块，最终完成了本次毕业设计的任务。
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在设计过程中，我的指导老师孙老师对我进行了悉心指导和热心帮助，同时通过自己的认真学习和刻苦钻研，论文才得以顺利完成，在此对孙老师表示感谢！通过这次设计，我对大学期间所学过的相关专业知识有了一个全新的认识，加深和巩固了基础，为以后的工作奠定了良好的基础。由于设计内容繁多，设计过程中也遇到了许多以前不曾遇到的问题和知识，使我不得不花费大量的时间查阅相关资料，学习新的知识，在这个过程中，我学会如何逐步地找出问题，解决问题，使自己的能力得到了提高。在设计思想当中，有借鉴前人经验，也有自己独立思考获得的一些想法，设计不仅严谨，也有创新的成分在里边。这对于我个人的思维能力、创造能力的发展都有很大的帮助。
在整个毕业设计期间，孙亚新老师一直十分热心地对我的设计进行指导，孙老师严谨的治学态度，渊博的知识，求实的工作作风都使我受益匪浅，让我长了不少见识，在论文完成之际特向孙老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！
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