摘 要

目前世界正面临着大气和水体污染不断加重的环境问题，同时也伴随着化石能源日益枯竭的能源危机问题。为此，大力发展可再生能源是必然的选择。光伏发电技术作为人类利用太阳能资源的主要方式，是当今可再生能源研究的热点课题。针对严重依赖化石燃料的传统航运业，若能实现光伏发电技术在船舶平台上的广泛应用，不仅能够降低船舶对化石燃料的依赖，同时也能够有效减少船舶的温室气体排放。

由于船舶运行环境特殊，多变的天气和温度等自然因素对船用光伏发电系统的工作状态（输出功率）将产生较大影响。尤其是光照强度的变化会使船舶光伏系统的输出功率发生明显波动，这不但给光伏系统的稳定运行带来了挑战，也增大了实际用电难度。本文围绕船舶应用背景下的小型光伏系统展开研究，在分析了太阳能船舶的研究背景以及国内外研究现状的基础上，通过广泛查阅国内外相关文献资料，详细阐述了光伏发电系统的主要构成、工作原理以及最大功率点跟踪等相关技术。此外，将扰动观察法（Pamp;O）与模型预测控制（MPC）等技术应用于船舶光伏系统的最大功率点跟踪控制。

本文以MATLAB/Simulink为仿真平台，建立了光伏电池工作特性仿真模型，通过仿真实验得出光伏电池在不同光照强度与环境温度下的工作特性曲线。此外，建立小型船用光伏系统仿真模型，并采用Pamp;O-MPC方法进行其在光照条件变化下的最大功率点跟踪控制。本设计旨在加深对光伏发电系统组成与工作原理、光伏系统最大功率点跟踪控制及相关算法等知识的理解与学习。

关键词：绿色船舶；船舶光伏系统；模型预测控制；最大功率点跟踪。

Abstract

Today，the world is facing the atmosphere, water pollution and fossil energy depletion crisis, vigorously develop green energy is an inevitable choice, the photovoltaic power generation technology is the focus of today's green energy research. The aim of using photovoltaic power generation technology to the ship platform, is not only to make further improve the ship's energy efficiency, reduce dependence on traditional energy, but can also to protect the environment.

Due to the special operating environment on the ship, considering several natural factors such as weather and temperature would bring great influence to the working state (output power) of the marine photovoltaic power generation system. Especially the instability of light intensity, will make the PV system output power fluctuate significantly, it will not only weaken the working stability of the load, but also increased the difficulty of the actual use of the electricity.

Being limited to the present technical level and the fact that the actual output power in the photovoltaic cell output power is influenced by the load state, light intensity and temperature and other factors, the present photovoltaic power generation process is still facing many difficulties, such as low conversion efficiency, the actual output power (working state) instability and the production cost is too high, etc. These problems greatly restrict the practical application of the marine photovoltaic systems and the use of electricity, which can bring many restrictions to the development of photovoltaic power generation technology.

The main goal of this graduation design is to simulate the working process of the photovoltaic cell by using the model predictive control theory(MPC) and the disturbance observation method(Pamp;O) under the MATLAB/Simulink platform to realize the simulate track (MPC-MPPT) of the real-time maximum power point. Implement these methods into practice and be familiar with these technologies, deepen the understanding of photovoltaic power generation principle, learn the essence of power generation output power tracking control method and control algorithm design knowledge. Through my own understanding of the technology and continuous learning, I will do my best to improve the study of the algorithms, try to improve the implementation program.

Keywords: green ship; marine photovoltaic system; model predictive control; maximum power point tracking.

目 录

中文摘要 Ⅰ

英文摘要 Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 太阳能船舶国内外研究现状 1

1.3 本文研究目标与内容 3

第2章 光伏发电技术理论研究 4

2.1 光伏发电技术原理 4

2.2 光伏发电系统的结构与组成 4

2.3 太阳能光伏电池数学模型 5

2.3.1 光伏电池等效电路 5

2.3.2 工程应用下的光伏电池数值模形 5

2.4 光伏电池工作特性分析 6

2.5 最大功率点跟踪技术(MPPT) 8

2.5.1 最大功率点跟踪的目的 8

2.5.2 最大功率点跟踪算法和原理 8

第3章 基于MPC的船用光伏系统MPPT方法研究 12

3.1 模型预测控制技术（MPC） 12

3.1.1 模型预测控制思想 12

3.1.2 基于模型预测控制的DC/DC电路控制 13

3.2 基于Pamp;O-MPC的船舶光伏系统MPPT控制 15

第4章 船舶光伏系统仿真试验 16

4.1 MATLAB/SIMULINK仿真平台 16

4.2 光伏电池工作特性仿真研究 16

4.3 船用光伏系统仿真模型搭建 18

4.4 基于Pamp;O-MPC的船舶光伏系统MPPT控制仿真研究 20

第5章 总结与展望 23

5.1 总结 23

5.2 展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

目前世界正面临着大气和水体环境污染不断加重以及化石能源枯竭的危机，大力发展绿色能源是必然的选择，其中光伏发电技术是当今新能源研究的热点。通过光伏发电技术，人们可以将太阳提供的巨大能量进行更充分的利用，从而缓解化石能源枯竭带来的危机^[1]。将光伏发电技术运用到船舶平台上，不仅能够进一步降低船舶的燃油消耗，降低其对传统能源的依赖，同时也对于环境保护具有重要意义。由于船舶运行环境特殊，必须考虑到天气和温度等自然因素对船用光伏发电系统的工作状态（输出功率）产生的较大影响。不同于位置固定的陆地光伏系统，船用光伏系统在随船运动时的工作环境与陆地相比有较大差别。且对于如远洋船舶，其航线可能跨越不同气候带，使得船舶光伏系统在相对较短的时间内可能工作于光照、温度等环境条件区别较大的情况之下，这将会导致船用光伏系统的工况波动较大，不利于电能的生产和使用。最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）能够使光伏系统在光照变化下对实时输出功率进行调节，使光伏系统的工作点能及时随外界条件的变化而改变，这样能够使输出的电能维持在实时能够达到的最大功率点附近，进而提升对太阳能资源的利用率。由此可见，船舶光伏系统的MPPT是非常有必要的^[2]。

由于船舶运行环境特殊，天气和温度等自然因素对船用光伏发电系统的工作状态（输出功率）将产生较大影响。尤其是光照强度的不稳定性，会使船舶光伏系统的输出功率发生明显波动，不但给负载的稳定带来了挑战，也增大了实际用电的难度。为此，目前光伏发电在实际应用时依然存在着转换效率较低、实际输出功率（工作状态）不稳定和生产电能成本较高等不足之处。这些问题大大制约了光伏发电技术的广泛应用。