摘 要

太阳能电池(光伏电池)具有清洁和节能的特征，如何高效利用光伏电池产生的能量是人们一直想要解决的一个问题。因此，对于太阳能电池的工作特性的研究已成为一热门话题。由于这一过程实际操作复杂且困难，故多采用建立计算机模型的方法实现这一目标。本文利用Matlab软件中的Simulink模块建立了光伏电池的仿真模型，并建立相关模型对光伏电池的最大功率点进行了追踪分析(MPPT)。观察仿真结果最终发现外界条件，如光照和温度，对于光伏电池工作特性会产生显著影响：温度会影响光伏电池的开路电压值，光照强度则会影响光伏电池的输出功率大小。并利用干扰观察法和电导增量法两种方案建立了能够准确完成最大功率追踪的MPPT模型。对比发现两种方案各有优劣：干扰观察法响应快，结构简单；电导增量法能够更加稳定的实现最大功率追踪。

关键词：光伏电池；Matlab/Simulink；仿真建模；最大功率点追踪(MPPT)；干扰观察法；电导增量法

Abstract

Solar cells (photovoltaic cells) have features of clean and energy-saving. How to achieve an efficient use of photovoltaic cells is a problem that people have been trying to solve. Therefore, the study of the working characteristics of solar cells has become a hot topic. Because of the complexity and difficulty of the process, establishing a computer model is a common way to achieve this goal. In this paper, the simulation model of photovoltaic cell is established by using Simulink module in Matlab software, and the correlation model is established to achieve the Maximum Power Point Tracking (MPPT) of photovoltaic cells. After observing the simulation results, we find that the external conditions, such as light and temperature, will have a significant effect on the operating characteristics of the PV cell： the temperature will affect the open-circuit voltage of the photovoltaic cell, and the light intensity will affect the output power of the photovoltaic cell. And the MPPT model which can accurately perform the maximum power tracking is established by using the interference observation method and the conductivity increment method. It is found that the two schemes have different advantages and disadvantages： the disturbance observation method is quick and the structure is simple； the conductance increment method can achieve the maximum power tracking more stable.

Keywords： Photovoltaic cells；Matlab/Simulink；Simulation(modeling)；Maximum Power Point Tracking(MPPT)；Perturbation and observation method；Conductance increment method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题的背景和意义 1

1.2 光伏电池模型建立及其MPPT控制 2

1.3 本文的研究内容 3

第2章 基于光伏电池工作原理的建模及特性研究 4

2.1 光伏电池的工作原理 4

2.2 光伏电池的特性 5

2.2.1 光伏电池的等效电路 5

2.2.2 光伏电池的等效电路分析 5

2.3 光伏电池的建模 6

2.3.1 光伏电池的工程用数学模型 6

2.3.2 基于Simulink的光伏电池仿真模型 9

2.3.3 仿真结果及分析 10

2.4 本章小结 13

第3章 光伏电池最大功率点追踪(MPPT) 14

3.1 光伏电池最大功率追踪(MPPT)的概念及原理 14

3.2 DC/DC变换器 16

3.2.1 DC/DC变换器介绍及工作原理 16

3.2.2 降压式变换器(Buck)的工作原理 17

3.2.3 降压式变换器(Buck)基于Simulink的模型建立 20

3.3 恒定电压法 22

3.4 干扰观察法 22

3.4.1干扰观察法的原理 22

3.4.2干扰观察法的建模 23

3.4.3 干扰观察法仿真结果分析 25

3.5 电导增量法 27

3.5.1 电导增量法的原理 27

3.5.2 电导增量法的建模 28

3.5.3 电导增量法仿真结果分析 29

3.6本章小结 30

第4章 总结 32

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 本课题的背景和意义

自人类进入21世纪以来，传统能源储量短缺和自然环境被污染破坏的局面越来越严重。人们逐渐意识到，依赖传统的化石燃料不是一条长久之计，开始渐渐地改变能源开采利用的方式，着手开发利用可再生的能源，贯彻可持续发展的观念等等。太阳能作为所以能源的本原，它具有覆盖范围广、易采集利用、无污染无害、可再生可持续利用等优点。目前，实现太阳能的高效利用是科学界讨论正热的话题，也是世界各国共同努力实现的目标。太阳能的利用方式有光能转化为热能-又称为被动利用法和光能转化为电能转换两种，现今常用的利用方式是太阳能电池发电。尽管太阳能发电是一种近年来兴起的能源利用方式，但是数据表明太阳能电池已经在能源市场中占据了一大份额。国内外的光伏电池研究组织均已表态，预测称太阳能发电将在未来成为世界能源市场的重头，它不仅要取代部分传统的能源，甚至将负责为世界主要的能源供应。预测数据显示：未来20年内，可再生类能源消耗将至少占全球可用能源的30%，其中太阳能电池的发电量也将占世界总电力生产超出10%；至 21世纪末期，可再生类能源将在全球总能源中将占到80%以上，太阳能发电将占世界总电力生产超出60%^[1]。从以上预测中我们可以看出，未来光伏发电将在人类社会占举足轻重的地位，光伏发电必将成为一个持久不衰的话题。研究太阳能电池因此也成为21世纪科学研究的重要领域之一，太阳能电池是基于光生伏特原理工作的，如图1.1，故太阳能电池也叫做光伏电池。

光伏电池的工作状态在不同的外界条件，如光照强度和温度下是不断变化的。工程中，假如搭建真实的光伏电池组块展开相关研究，可以想象其成本之高，而且操作也将十分复杂。尤其是我们对一些功率较大，材质特殊的光伏电池进行研究时。因此为了解决以上提出的问题，缩短研究时间，降低研究成本，减轻操作难度，我们应当尝试采用更加便捷廉价的方法来仿真建造光伏电池模型，常用的方案是利用各种计算机软件来构建这一模型。光伏电池的仿真模型其方便之处在于可以随时改变外界环境相关参数，从而研究总结出在不同的光照强度和温度条件下的光伏电池的工作特性。