毕业设计论文-基于matlab光伏电池最大功率点跟踪算法的研究

毕业设计论文-基于matlab光伏电池最大功率点跟踪算法的研究内容摘要：

光伏电池。 ⑤ 叠层光伏电池。 指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。 ⑥ 湿式光伏电池。 指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的光伏电池。 按电池材料分类 ① 硅形光伏电池。 包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。 其中：单 晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光伏转换效率最高，可达 20%左右，但成本比较昂贵；多晶硅材料晶体方向无规律。 由于在这种材料中的正、负电荷有一部分会因为晶体晶界连接的不规则性而损失，所以不能全部被 PN结电场所分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低，但多晶硅光伏电池成本较低；非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式，其造价廉价，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表，计算器等的电池。 ② 非硅半导体光伏电池。 主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池，硫化镉分单晶或多 晶两种，它常与其他半导体材料合成使用。 ③ 有机光伏电池。 主要由一些有机的光电高分子材料构成的光伏电池。 2． 2 光伏电池的工作原理 光伏发电应用首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，它是一种能将太阳能辐射能直接转换成电能的转换器件。 由若干个这种器件封装成光伏电池组件，再根据需要将若将若干个组件合成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制等装置相配套，即构成光伏发电系统。 PN结简介 当导电类型不同的 P型半导体和 N型半导体紧密接触在一起，在交界面上就会出现电 子和空穴的浓度差， N区电子浓度高， P区空穴浓度高，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。 扩散流的强弱正比于电子和空穴的浓度差。 在扩散作用下， N区的一部分电子进入 P区， P区得一部分空穴进入 N区，结果在交界面附近， P区一边因失去了带正电的空穴和接受了带负电的电子，呈现负电性； N区一边因失去带负电的电子和接受了带正电 5 的空穴，而呈现正极性。 由于正负电荷的相互吸引，在 P区和 N区的交界面附近形成一个空间电荷区，并产生一个称为势垒电场的内建电场，其方向从带正电荷的 N区指向带负电荷的P区，这就是通常所说的半导体 PN结。 势垒电场的建立反过来又对上述多数载流子（ N区的电子和 P区的空穴）的扩散运动起阻碍作用。 进入 P区的电子和进入 N区的空穴在内建电场的作用下，带负电的电子受到被拉回 N区的力作用，带正电的空穴则受到被拉回到 P区的力作用。 这种载流子在势垒电场作用下的运动成为漂移运动。 漂移流正好和上述交界面的扩散流方向相反。 扩散运动和漂移运动共存，在一定的温度和光照下，这两种作用相互矛盾又相互联系的统一在一个整体内，最后达到平衡，这就是 PN结的形成过程。 光伏电池正是利用了光激发少数载流子通过 PN结而发电的。 光伏电池的工作原理 光伏电池是不加偏置的 PN结器件，如图 ，当入射光子能量 hv≥ E时，半导体中原子就因吸收光子能量而产生电子 —— 空穴对。 在势垒区内建电场作用下， P区光生电子进入 N区，在 N区边界积累； N区光生空穴进入 P区，在 P区边界积累。 于是在 P区和 N区间建立光生电动势，它的方向与内建电场相反。 光生载流子的运动，由于中和掉部分空间电荷，使 PN结势垒减低，引起正向注入。 当光生电流，：和正向电流 JF大小相等时，对应一定的势垒高度 (％一 y)。 这个电压 V，相当于 P区相对 N区有一个电压，它就是光生电压。 接通外 电路，只要保持光照，就会有电流不断地流过负载 R，这个效应就是光伏效应，是光伏电池的基本原理。 图 光伏电池的工作原理 P 电 场 N+ V h v 2． 3 光伏电池的电气特性 2． 3． 1 光伏电池输出特性方程 光伏电池相当于具有与受光面平行的极薄 PN截面的大面积的等效二极管，其等效电路如图。 6 图 由图 21中电流的流向可得光伏电池的输出特性方程： { e x p [ / ( ) ] 1 } ( ) /L G d s hL G s s s hI I I I RI I o s q A K T V I R V I R R     （ 21） 3[ / ] e xp[ / ( 1 / 1 / ) ]GOI os I or T Tr qE B K Tr T （ 22） [ 1 ( 2 9 8 ) ] / 1 0 0 0L G S C RI I K T    （ 23） 上述三个公式的参数解析详见表。 一般讨论实际等效电路时，可忽略 Rs或 Rsh对光伏电池等效电路进行分析可以发现：串联电阻 Rs越大，则短路电流会越小，但不会对开路电压造成大影响；并联电阻 Rsh越大，则开路电压会变小，但不会影响到短路电流。 在发电效率上，似乎输出电流对输出功率的影响程度会较大，加上影响开路电压的因素除了 Rsh外还包括二极 管的电流值，因此 R。 对光伏电池的发电效率的影响较为明显。 因此，在下面的讨论中将忽略 Rsh，并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式 24。 { e xp [ / ( ) ] 1 }L G OS q AK T V IRsI I I  （ 24） 表 2． 1光伏电池等效模型参数解析 符号 描述 单位 数值 I 光伏电池输出电流 A V 光伏电池输出电压 V IOS 光伏电池暗饱和电 流 A T 光伏电池表面温度 176。 K 7 K 波尔兹曼常数 J/176。 K 10175。 23 q 单位电荷 C 10175。 19 K1 短路电流的温度系 数 A/176。 K λ 日照强调 W/m178。 ISC 标况下光伏电池短 路电流 A ILG 光电流 A EGO 半导体材料的禁带 宽度 J 理想因子，一般介于 1和 2之间 Tr 参考温度 176。 K Ior Tr下的暗饱和电流 A Rsh 光伏电池的并联等 效电阻 Ω Rs 光伏电池的串联等 效电阻 Ω 2． 3． 2 光伏电池模组与阵列 光伏电池模组 (Module)是由许多小单位的光伏电池经由并联或串联组合所组成的。 光伏电池串联组合可以提高太阳能发电系统 的最高输出直流电压；光伏电池并联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电流。 因此，通过对光伏电池串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。 据此可以得到光伏电池模组的输出特性方程： { e xp[ / ( ) ] 1 }L G O S SI npI npI q nsASK V I R    （ 25） 其中 ,np、 ns分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。 同样，光伏电池阵列 (Array)是由许多小单位的模组经由并联或串联组合所组成的。 表 2． 2 Siemens SP75在标准测试条件下的参数 电气特性 规格 额定输出最大功率 Pmax 75（ W） 额定电流 Im 17（ A） 8 额定电压 Vm （ V) 短路电流 Isc (A) 开路电压 Voc (A) 短路电流温度系数 (mA/176。 C） 开路电压温度系数 （ V/176。 C) NOCT(NOrmal OPerating Cell TemPerature) 45177。 2(176。 C） 表 Siemens公司生产的 SP75型号的光伏电池模组的各项参数。 它由 36个单结晶矽光伏电池串联而成，根据公式（ 25），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，则当光伏电池阵列电压为 V，得到该光伏电池模组的输出特性方程： 1 ( 2 )1[1 ( 1) ]C V ocVSCI I C e   （ 26） 考虑温度和太阳辐射影响时： 2( ) /( )1[1 ( 1 )OCV D V C VscI I C e D I    （ 27） 其中： r e f r e f S CR/ R D T +( R/ R ) IDI     （ 27） SDV DT R DI    （ 27） refDT T T （ 210） 下面将运用 SIMULINK对该光伏电池模组进行仿真，并对仿真结果进行分析。 2． 4 光伏电池的仿真实现 2． 4． 1仿真原理与模型 在公式（ 26）中有 C C2,下面对这两个未知量进行讨论，分别建立模型。 1，求解未知量 C1 其中 2/( )m1 (1 I / ) m O CV C VscC I e  （ 211） 按公式（ 27）可以创建 C1的子模块 9 图 C1模型图 2，求解未知量 C2 其中 m2 ( / 1 ) /{ l n( 1 I / ) }m oc scC V V I   （ 212） 按公式（ 28）可以创建 C2的子模块 图 C2模型图 完成上述两个未知量的求解，根据公式（ 26）即可实现 Siemens SP75光伏电厂 模组的建模，如图。 采用 V、 T、λ作为输入， I、 P(输出功率 P=IV)作为输出。 输入变量 V在 0～30V之问，模拟温度 T=25℃、日照强度 A在 200～ 1250W／㎡，得到光伏电池模组的， IV、 PV关系如图 ；模拟温度 T在 20～ l00℃、日照强度λ =750W／㎡时，电池模组的 IV、 PV的关系如图。 10 2． 4． 2 光伏电池的特性分析 光伏电池利用太阳能发电，因此其输出电流、输出电压自然受到外界气候因素如温度、日照强度等的影响， 根据 simulink的仿真结果可对这一特性进行分析。 从图 以看出，当温度不变，日照强度变大，光伏电池模组的开路电压不变，短路电流增大，从而输出功率变大。 并且，从 P一 V曲线图可以看出，最大输出功率点 Pmax几乎落在同一根垂直线的两侧邻近处。 即当温度一定时，光伏电池输出电压保持恒定且为在某一日照强度下相应于最大功率点处的电压，则不管日照量如何变化，光伏电池可大致保持在该温度下的最大功率输出。 这正是恒电压跟踪方式 CVT的理论依据。 可见，日照强度的大小是影响光伏电池功率输出的重要因素。 从图 ，当日照强度一定时 ，温度增加，光伏电池开路电压有所下降，短路电流略有上升，因此输出功率减小。 并且，从 PV可以看出，对应于温度的变化， Pmax几乎成线性变化。 温度的上升，会造成光伏电池输出功率的减小，因此工作环境的温度将会直接影响到光伏电池的效率。 图 11 圈 (25℃ )，不同日照强度下，光伏模组对日照量变化的特性曲线图： (a)光伏模组的输出电流与输出电压的关系图； (b)光伏模组的输出功率与输出电压的关系图。 （ a） （ b） 12 图 (750W／㎡ )，不同大气温度下，光伏模组对温度变化的特性曲线图： (a)光伏模组的输出电流与输出电压的关系图； (b)光伏模组的输出功率与输出电压的关系图 （ a） （ b） 13 从上面的图形我们可以总结出，光伏电池的非线性表现的很明显，即： 光伏电池的输出电流和输出功率取决于电池的端电压、温度以及太阳照射强度。 比较它们的曲线变化我们可以观察到，随着太阳照射强度的增大，光伏组件的短路电流增加 ，同时最大输出功率也增加。 其原因是：开路电压与太阳能照射强度成对数上升而短路电流只与太阳能照射强度成正比。 另一方面，同时通过比较我们可以发现，随着工作温度的升高，光伏电池的短路电流增加而最大输出功率减小。 因为输出电流的增加远小于电压的下降，所以在高温下净功率有所减小。 2． 5 小结 太阳能作为绿色能源，取之不绝、用之不尽。 光伏电池利用太阳光发电，将太阳能转换为电能，输出功率。 光伏电池的输出受到电池表面温度、日照强度等外界环境因素的影响，且具有明显的非线性。 因此，当外界因素发生变化时，光伏电池很难保证最大功率 的输出，从而造成能源上的浪费。 光伏电池转换效率低成为光伏系统的一个主要问题。 因此，如何进一步提高光伏电池的转换效率，即如何跟踪光伏电池的最大功率点，一直是光伏系统研究的重要方向。 第三章 最大功率点跟踪算法的研究 光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，越来越来受到关注，在未来的供电系统中占有重要的地位。 在前一章中提到光伏发电存在的问题是光伏电池的输出特性受外界环境影响大，电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。 并且，光伏电池转换效率低、价格昂贵。 初期投入较大。 因此 ，充分利用光伏电池所产生的能。