摘 要

人类文明的发展是建立在对能源的大量消耗上的，社会进步所带来的化石能源快速枯竭和环境污染问题愈演愈烈，已经成为了阻碍社会进步的关键问题。 为了打破这个发展的瓶颈，人类已经开始探索能够代替化石能源的更为清洁的新型能源产品。其中，太阳能以其储量无穷，使用安全，清洁高效的诸多优点，逐渐受到人们的广泛关注，针对太阳能资源利用的研究也从未停止，其中最为普及的使用方式就是太阳能发电技术。

太阳能发电技术目前已经投入实用，但是依然处于发展的初期，还存在许多缺陷， 包括系统成本造价高，光伏阵列使用寿命短，缺乏长效的保护措施，但是最为主要的问题仍然是能量转化效率太低， 输出功率不稳定，容易受到天气变化的干扰。本文为了对不同条件下的光伏阵列的输出功率最大值进行跟踪，获得最大可能输出，同时增强输出稳定性，改善系统输出功率低的问题，在前人的研究基础上对控制策略深入分析，得到了最大功率跟踪技术（MPPT）。

本文对MPPT技术的经典控制算法，包括定电压跟踪法、定步长扰动观测法、导纳增量法做了控制思想分析，综合各种方法的优缺点提出了一种改进的控制算法——自适应扰动观测法，并对定步长扰动观测法和自适应扰动观测法进行了建模仿真比较， 最终验证改进算法的优越性。

关键词：光伏阵列、MPPT、自适应扰动观测法、建模、仿真

Abstract

The development of human civilization is based on the massive consumption of energy. The rapid depletion of fossil energy and environmental pollution caused by social progress have become more and more serious and have become a key issue that hinders social progress. To break the bottleneck of this development, mankind has begun to explore cleaner new energy products that can replace fossil energy. Among them, solar energy, with its infinite reserves, safe use, and many advantages of clean and efficient, has gradually attracted people's attention. The research on the use of solar energy resources has never stopped. One of the most popular ways of using solar energy is solar energy.

Solar power generation technology has been put into practical use at present, but it is still in the early stage of development. There are still many defects, including high system cost, short service life of photovoltaic arrays, and lack of long-term protection measures. However, the most important issue is still too much energy conversion efficiency. Low, unstable output power, easily subject to weather changes. In this paper, a new control strategy, the Maximum Power Tracking Technology (MPPT), is proposed to address the problem of low output power of the system. It aims to track the maximum output power of the PV array under different conditions to obtain the maximum possible output while enhancing Output stability.

This paper analyzes the advantages and disadvantages of classic MPPT control algorithms, including constant voltage tracking method, fixed step perturbation observation method, admittance increment method, and presents an improved control algorithm—adaptive perturbation for existing problems. The observation method, modeling and simulation of fixed-step perturbation observation method and adaptive perturbation observation method were compared, and the superiority of the improved algorithm was finally verified.

Keywords: Photovoltaic array, MPPT, adaptive disturbance observation, modeling, simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1项目研究背景与意义 1

1.2光伏发电系统研究现状 3

1.2.1国外研究状况 4

1.2.2国内研究状况 5

1.3本文的研究内容 5

第二章 单级式并网光伏发电系统 6

2.1 单级式并网发电系统的构成 6

2.2光伏阵列 6

2.2.1太阳能电池的结构和工作原理 6

2.2.2太阳能电池的模型 7

2.2.3 光伏阵列模型 8

2.2.4 光伏阵列的输出特性曲线 9

2.3 逆变控制环节 11

2.3.1系统的控制原理 11

2.3.2双环控制原理分析 12

2.3.3锁相环PLL 15

2.4滤波环节 16

第三章 光伏发电系统最大功率跟踪方法研究 18

3.1最大功率跟踪技术 18

3.2常用的经典最大功率跟踪算法 19

3.2.1 定点压跟踪法 19

3.2.2 定步长扰动观测法 20

3.2.3 导纳增量法 22

3.3改进的最大功率跟踪算法 23

第四章 光伏发电系统最大功率跟踪建模与仿真 25

4.1系统建模 25

4.1.1光伏阵列仿真模型 25

4.1.2逆变器控制电路仿真模型 25

4.1.3 逆变器和逆变滤波电路仿真模型 26

4.1.4光伏发电系统并网仿真模型 26

4.2仿真比较 27

4.2.1跟踪速度的比较 27

4.2.2振荡程度的比较 29

4.2.3最大功率点电压跟踪特性 30

第五章 总结与展望 32

5.1总结 32

5.2展望 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1项目研究背景与意义

能源是人类社会发展的动力和源泉，人类文明和社会的不断发展和进步，又推动着能源的不断开发和应用。从远古时代的钻木取火，到化石能源的开发利用，再到今天的核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的开发，都体现着人类对能源利用的不断成熟。但是，伴随着人类社会发展的速度不断加快，人们对化石能源的消耗速度也日益加快，而由于传统化石能源的形成过程缓慢，条件严苛，所以传统的化石能源为不可再生资源，正面临着日益枯竭的严峻局面，能源危机已成为阻碍人类文明发展的重要障碍。

人类长久以来的能源开发模式如今已经难以为继：社会发展对煤、石油、天然气等化石能源的需求量越来越大，造成了传统能源的迅速枯竭；另一方面，以煤、石油、天然气等化石燃料为主的传统能源体系在人类强调走可持续发展道路的今天遇到了极大的限制^[1]。

21世纪初进行的世界能源储量勘探所得出的关于世界能源剩余储备量数据的调查报告表明：石油资源的剩余储量可开采年份为39.9年，天然气资源的剩余储量可开采年份为61年，煤炭资源剩余储量可开采年份为227年，由此可见，对你化石能源的开采利用已经进入倒计时了^[2]。各国能源专家均发声呼吁：我们不该把煤炭、石油等这些应该留给子孙后代的珍贵的化石资源，不计后果的在我们这代人手中仅仅把它们作为燃料而消耗殆尽^[3]。

表1.1 部分重要能源世界与中国储量剩余可开采年份比较

与世界能源储备情况相比，中国的能源储备更是让人心惊。中国能源剩余可开采总储量中58.8％是原煤，3.4％是原油，1.3％是天然气，水资源占36.5％^[4]。并且，作为世界人口最多国家的现实，更是使我国的人均能源占有量远低于世界人均拥有值^[5]。

无节制的大量开发利用化石能源给地球带来的污染更是让人触目惊心。我们应该把如何合理的开发利用化石能源，解决由此引发的多种生态环境问题作为全人类应该共同关注并亟待解决的重大社会问题。全世界瞩目的全球气候变暖问题关乎每个人的生活环境，而这与目前的化石燃料大量使用的情况是息息相关的，全世界每天产生二氧化碳等温室效应气体高达1 亿多吨，这被普遍认为是导致全球气候变暖，两极冰川融化的主要因素。已有数据报告显示，在过去的100年间，全球平均气温约上升了0.3～0.6℃，全球平均海平面高度也已经上升了10～25cm，如果情况继续蔓延而不采取控制措施，在化石能源快速耗尽的同时，人类还将面临着全球温度变化，生物多样性面临挑战，海平面甚至会上升几米，人类生存空间被极大压缩，生存面临巨大挑战。此外，有害气体的大量排放已经造成了大气严重污染，臭氧层破洞，雾霾天气多发，酸雨问题等都亟待解决，对人类而言，也会对身体健康造成无法估量的损害。

图1.1 主要国家燃烧燃料排放CO₂

摆在人类面前的能源危机现实和环境污染现状，迫使人类必须减少对化石能源的依赖，不断发展先进的科学技术手段，开发利用各种清洁高效而又无污染的可再生能源，例如太阳能，风能，水能，核能等取之不尽用之不竭的大自然的馈赠。因此火力发电已经不再满足人类社会发展的需要，势必被其他新型能源类型所代替；再者，水能和风能受到自然环境，地理位置和资源等的诸多限制，并且水资源的有限性和对生态调节的重要作用，限制了人类对水资源的开发利用力度；

核能的利用固然清洁高效，但核泄漏事故的巨大危害性为人类的核能开发敲响了警钟，并且即使科学技术的进步会降低核泄漏事故发生的可能性，核废料的处理技术仍是困扰着人类的世界性难题^[6]。从人类对能源需求的多种要求来看，太阳能是最有利于未来人类发展的理想能源。因而，太阳能必将成为新世纪最为重要的能源供应源已经成为全人类的能源专家的共识,直接利用光伏发电是对太阳能利用的最直接办法^[7-8]。

与其他新能源相比，太阳能分布广泛，可谓取之不尽用之不竭，其使用不会受到安全，环境和地理环境方面的影响，被科学家认定为是人类开发和利用新能源的首选资源。目前人类已经广泛使用的太阳能开发和利用的基本方式有两种：一是利光热直接转换，吸收太阳能并转化成热能，如广泛使用的太阳能热水器就是此种原理；二是光伏发电，也就是利用光伏阵列通过控制电路将太阳能有计划的转化为电能。到目前为止，人类在对太阳能的利用方式上，光伏发电由于其控制技术先进，对太阳能利用率高，且电能比热能更便于使用而越来越普及，逐渐成为利用太阳能的主要方式。近年来，由于各国都加大了对光伏发电研究的投入，并制定了一系列相关的扶持产业发展的政策，极大地推动了光伏产业的发展。近几年，世界太阳能电池组件的应用年增长率达到了33％，光伏产业已经成为了当今世界发展最为瞩目的高新技术产业之一^[9]。

即使光伏发电得到了国内外专家的广泛关注，并投入了大量的资源来发展，但目前应用的光伏发电技术仍然存在许多问题，主要问题有：

（1）目前投入使用的光伏发电系统对光能的利转化率很低。光伏发电系统的能量转化部件是光伏电池，但目前已有的光伏电池的转化效率都极低，即便是能量转化效率最高的单晶硅电池转化效率也只能达到20％左右，再加上光伏发电系统的控制方法不够合理，光伏电池板的安装及保养措施太简单，不能消除灰尘，污垢，鸟类粪便等自然因素对光伏阵列采光效果的影响，这都导致了光伏阵列的实际能量转化效率达不到20％。

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