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【摘 要】太阳能光伏发电是新能源研究的热点之一。本论文以太阳能光伏发电系统为研究对象，以获取太阳能电池的最大功率为目标，基于比较已知的最大功率点跟踪（MPPT）算法，构造验证用的单片机系统，既深化理解了光生伏特效应，又体会到优秀算法对于绿色设计的技术贡献。
本文基于Matlab环境，应用Simulink嵌入函数，建立光伏电池模型，分析光伏电池的I-V和P-V特性；抽象出Boost电路模型，结合两个模型仿真验证了光伏系统MPPT的基本原理；论述了利用Boost电路对光伏电池进行最大功率点跟踪（MPPT）的原理，分析了Buck电路和Boost电路在MPPT电路中的优缺点；在对光伏电池进行数学分析的基础上建立了数学模型，通过仿真分析了光伏电池输出电流和输出功率的变化规律。以电导增量法为基础，提出了基于BOOST电路的最大功率点追踪策略，并在MATLAB/SIMULINK里搭建了模型。仿真结果表明，这一方法可以很好地实现对最大功率点的追踪。
【关键字】光伏发电；最大功率点跟踪（MPPT）；Boost电路；单片机
1 前言
1.1 课题背景及意义
当今世界能源结构中，石油、天然气以及煤炭等化石能源是人类所利用的主要能源。然而世界能源委员会（WEC）的预测，根据资源己探明储量以及目前发展速度，石油资源将在45年后枯竭，天然气资源将在60年后殆尽，资源储量最大的煤炭也只能再开采220年。尽管有人对这些数字持不同观点，称新的能源仍不断被发现，但化石能源逐渐枯竭，能源紧张己是不争事实，能源供给的可持续发展已迫在眉睫。因此，世界各国都竞相开发并利用太阳能、生物能、风能、地热能以及其它可再生能源。
现今的几种新能源技术中，太阳能凭借其突出的优势成为最具前景的未来能源，潜力无限。目前，大多数国家均将利用太阳能作为重点的研究和开发项目。
太阳能利用主要包括光伏利用、光化学利用和光热利用，其中最近在世界范围内高速发展的是光伏发电技术。光伏发电的原理，为太阳能级半导体电子元件（即光电池）有效地吸收阳光的辐射能，并将其直接转化成电能。作为光电转换最小单元的光伏电池单元，通常为边长10-15cm的硅板上组成的半导体，其自身产生的电压略低于0.5V。把电池单元串并联，并且封装得到太阳能电池组件，其功率通常在几瓦、几十瓦乃至数百瓦。最后按照需要进行串联和并联，便得到了光伏阵列，如此在功率上能够达到实用的等级。以此为基础，加上电能变换设备，就形成了有实用性功能的光伏系统。
光伏发电能够在众多可再生能源利用中崭露头角，是由于其具有以下特点：
（1）太阳能可再生。太阳是一个巨大的能量体，能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，产能功率约为3.8×1023kW。地球所能接收到的太阳总辐射中，除去被大气吸收以及被大气分子和尘料反射的部分，也能达到8.1×1013kW，这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。太阳每年投射到地球的辐射能为6×1017千瓦时，即相当于74万亿吨标准煤。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持600亿年，所以可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。
（2）清洁、安全、无污染。太阳能既是一次能源，又是可再生能源，及清洁又安全，在开发和利用过程中没有废渣、废料等任何废弃物，不会产生噪音，不会给环境造成污染。
（3）太阳能资源丰富，分布十分广泛。太阳能发电不受到地域和类似水力、风力、火力发电等资源的限制，同时，它没有任何运输的成本。无论在陆地还是海洋、沙漠或是草原，都可以就地取用太阳能。使用太阳能既不用花费任何费用，又无需运输，理论上可以在地球上任何有太阳的地方建立太阳能光伏电站。
（4）可共地域。当前的电站一般都处于偏僻地区，电能要经过长距离输变电才能进入用电地区。然而，太阳能的发电和用电可在同一地域，这样就大幅减少了远程输变电设备的投资成本。
（5）建造方便且灵活。太阳能发电系统能够按照需求把光伏组件灵活地进行串并联（成为光伏陈列）以到达所需的功率。
（6）集成光伏建筑。当前国际光伏应用研究发展的前沿即为光伏产品与建筑材料的集成，此类产品不仅美观大方，还能节省发电站的土地使用面积和各项费用。
（7）分布式。太阳能发电系统的分布式特点将使整个能源系统的可靠性和安全性提高。
1.2 国内外发展现状
能源既是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条件。人类社会要发展，必须建筑在大量消耗能源的基础上。随着化石能源逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源探明储量数据的调查显示：化石能源的可开采量己经屈指可数；中国的能源资源储量情况更是危机逼人。
按照2000年底的统计，我国探明的可开发能源总储量约占世界总量的10.1%，其组成结构分别为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。中国各种一次能源的探明剩余储量（以储/采比表示）与世界的比较参见图1-1）。
可见，除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。
图1-1中国世界探明一次能源储量比较
这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望其能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。《中华人民共和国可再生能源法》将可再生能源的范围，界定为：风能、太阳能、水能、生物能、地热能和海洋能等，其中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，优点是取之不尽、用之不竭的。无污染、廉价、人类能够自由利用。
太阳能光伏发电系统由于安全可靠、无噪声，无污染，维护简单、使用寿命长、规模灵活，既可一家一户地分散供电，也可大规模集中供电或并网运行，应用几乎不受地域条件的限制，资源量又非常丰富，因而广受青睐，被誉为21世纪的主要发展能源。 20世纪90年代以来，我国光伏市场发电量增长率仅约17%，远低于世界同期的30%-40%的年均增长率。随着环境污染和能源问题的日趋严峻，国内经济不断发展，我国各界对光伏发电给予了足够重视，并出台了相关法规来支持光伏产业的发展。2005年，第十届人大常委会十四次会议通过了《可再生资源法》。国家主席胡锦涛公布该法自2006年1月1日起实施，光伏并网发电有了法律保证和支持。国家科技部更将光伏并网发电视为国家863重大攻关项目，先后在深圳市市民中心大楼和北京博物馆等建筑上建造光伏并网发电系统。北京奥运场馆也采用了光伏并网系统供电；无锡尚德太阳能电力有限公司作为我国最大的晶体硅光伏电池制造研发企业，成为全球六大晶体硅光伏电池生产基地之一。另外，甘肃敦煌也将落成总投资60.27亿元人民币的100兆瓦的太阳能光伏发电项目，成为全球最大容量的光伏电站。中国从1958年开始研制太阳能电池，至2007 年，全国太阳能电池产量达到1188 MW，同比增长293%，2008年产量据统计已经超2GW。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳电池生产第一大国。但中国的太阳能产业发展严重不均衡，产业上游以及终端两头在外。多晶硅料的核心生产技术掌握在国外，且由于政策支持力度不足，国内需求不足，2007 年新增装机容量只有约30MW，国内太阳能电池97%靠出口。2008年的次贷危机引发的经济危机，将对中国太阳能电池产业产生深远的影响。显然，中国政府也意识到了本身产业的问题以及发展新能源的重要性，财政部2009年3月底开始发布了一系列扶持光伏产业发展的措施，其中有《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，该办法规定了对太阳能光电建筑补贴的各种条款，这预示着中国光伏产业开始政策扶持，中国也有望成为光伏行业发展的领头国家之一。
1.3 光伏发电系统的结构及需要解决的问题
光伏发电概念：太阳光辐射能经过太阳能电池转换为电能，再经过能量存储和能量变换控制等环节，向负载提供合适的直流或交流电能，其典型结构如图1-2所示。
a.直流系统
b.交流系统
图1-2光伏发电系统的组成
光伏发电技术简史：太阳能光伏发电技术的开发，始于20世纪50年代。太阳能光伏发电产业自20世纪80年代以来持续高速发展，每年以30%-40%的速度递增。
21世纪，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标灯等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。
中国于1958年开始研究光伏电池，1971年首次成功地将其应用于中国发射的东方红二号卫星上。
2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平与国际先进水平仍有一定的差距。
2 光伏系统仿真模型
本章介绍光伏发电系统的组成与分类，分析了光伏电池特性，建立Matlab模型，为后续工作打下基础。讨论了主要DC-DC变换电路，并进行仿真分析。
2.1光伏发电系统组成与分类
2.1.1太阳能光伏发电系统组成
典型的光伏发电系统，主要是由光伏阵列、电力电子变换器，储能装置、负载等组成。
光伏电池单体是用于光电转换的最小单元，将光伏电池单体进行串、并联封装后，就成为光伏电池组件。
电力电子变换器是光伏发电系统的关键部件，变换器分直流变换器和交流变换器两种。
在独立运行的光伏发电系统中，储能装置是必不可少的，既可作为太阳能不足时候的补充，又可作为多余太阳能的存储。
2.1.2太阳能光伏发电系统分类
按照是否与电网连接，太阳能光伏发电系统可分为独立光伏发电系统（Stand-alone PV System） 和并网光伏发电系统（Grid-connected PV System）。
2.2光伏电池特性
2.2.1光伏电池的基本原理
太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。
光伏电池工作原理如图2-1所示，图中显示了一个外接负载电阻的PN结电路，即使没有外加电压，图中PN结空间电荷区依然存在一个内建电场，入射光子进入空间电荷区时，会产生电子空穴对，这些光生电子（空穴）会在内建电场的作用下进入到N型（P型）区，形成光生电流 ，该电流与PN结反向偏置电流方向一致。所以光伏电池工作时实质上即为“反向偏置PN结”。
光生电流会流过负载电阻，从而产生一个电压降，而该电压降反过来会令PN结正向偏置，导致一个正向电流 如图2-1所示，PN结的反向总电流为 — ，方向和负载流过电流方向一致，这样就将太阳能转换为电能了。
2.2.2光伏电池数学模型
根据光伏电池的工作原理，以及影响光伏电池工作效能的因素，可得出光伏电池的等效电路。光伏电池的等效电路模型之一，如图2-2所示。
其中，电流源 表示光伏电池经由光照射后所产生的电流，二极管D表示一个P-N结的二极管， 和 则分别表示材料内部等效的并联及串联电阻。I与V则表示光伏电池输出电流及电压。
由等效电路图2-2，并依照半导体P-N结的特性，我们可以用式（2-1）所示的数学方程来表示光伏电池的输出电流与输出电压的关系：
（2-1）
式中，I：光伏电池板的输出电流（A） ；V：光伏电池板的输出电压（V）；q：一个电子所含的电荷量（1.6x C）；K：波尔兹曼常数（1.38X J/K）；T：光伏电池板表面温度（K）；n：光伏电池板的理想因数（n=1-5 ）。 表示光伏电池板的逆向饱和电流，可表示如式（2-2）：
（2-2） 式中， ：光伏电池板的参考温度； ：光伏电池在温度界（OK）时的逆向饱和电流； ：半导体材料跨越能带间隙时所需能量。
当光照较强时，光电流远远大于 故式（2-1）可以简化为：
（2-3）
式（2-1）、（ 2-2）为物理原理的最基本解析表达式，但由于式中参数 、 、n、 、 不仅与太阳能辐射强度和电池温度有关，而且确定这些参数也十分困难，实际使用时可以建立既实用又较为精确的工程用实用数学模型。
2.2.3光伏电池的输出特性
光伏电池是一种复杂的非线性直流电源，它的输出特性受光照强度、温度、
湿度、压强、风速等多方面因素影响，其中光强和温度的影响最大。图 4-1 和图4-2 分别是光伏电池在不同日照和温度下的伏安特性曲线和伏瓦特性曲线。由以下的两图可以看到，在常温下，随着日照强度的增加，太阳能电池的短路电流有一定的增加，其开路电压保持基本不变，输出的最大功率增加；在相同日照的条件下，随着温度的升高，太阳能电池的短路电流略微增加，开路电压下降，输出的最大功率减小。从图 4-2 可知，光伏电池的每条 P-V 曲线都有一个最大功率点，相对应最大功率点的有一个输出电压，当温度或者日照强度改变的时候，最大功率点的位置也不同。可以通过调节太阳能电池的输出电压来实现最大功率点的跟踪。
（a）常温不同日照下
（b）相同日照不同温度下
图4-1 太阳能电池阵列的V-I特性
（a）常温不同日照情况下
（b）相同日照不同温度下
图4-2 太阳能电池阵列的P-V特性
通过分析太阳能电池的输出特性，可已得到以下结果：
（1）太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；
（2）开路电压近似与温度成反比，短路电流近似与日照强度成正比；
（3）最大功率点电压约为开路电压的80%；
（4）输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池的最大功率点（MPP，Maximum Power Point），并随着外界环境的变化而变化。
2.3 DC-DC变换电路
DC-DC变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压。
按照变换功能，DC/DC变换器可分为两种；一种是电压一电压变换器，即变换器的输入和输出均可视为电压源二另一种是电流一电流变换器，即变换器的输入和输出均可视为电流源。基本的电压一电压变换器有三种结构：降压式（Buck）、升压式（Boost）、升降压式（Buck Boost）。本论文主要介绍两种就常用的变换器：降压式变换器（Buck Converter）、升压式变换器（Boost Converter），并分析DC-DC转换电路的工作原理。
2.3.1典型DC-DC变换电路
1.降压式变换器（Buck Converter）
图2-5所示为降压式变换电路，其输出电压平均值 总是小于输入电压 。
这种变换器适合用于太阳能光伏阵列输出端电压高而蓄电池电压低的情况，当电路工作于稳态时，输出电压平均值用式（2-4）表示，其中D为占空比。
Buck变换器是PWM型变换器中最简单，也是最基本的一种。优点是电路简单，动态性能好。其缺点是：①输入电流的脉动会引起对输入电源的电磁干扰，所以工程中常在电源和变换器之间加入一个输入滤波电容，如图2-5中的C1；②稳态电压比永远小于1，只能降压；③开关晶体管发射极不接地，使得其驱动电路很复杂。
2.升压式变换器（Boost Converter）
图2-6所示为升压式变换电路：它由开关S、二极管D、储能电感L和滤波电容C组成。当开关S导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C向负载供电，此时 。当开关S截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，此时 ，所以输出电压大于输入电压。这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。
Boost变换器的优点：①输入电流连续，对电源的电磁干扰相对较小；②开关晶体管发射极接地，驱动电路简单。其缺点为：①输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。②电压比永远大于1，只能升压。
3.升压变换器工作原理
升压式变换器电路如图2-6所示，假设升压变换器电路中电感L值很大，电容C值很大，电流连续。 表示输入电压， 表示输出电压， 为流过电感的电流。设Boost电路开关周期为T，占空比为D，（0-DT）时间内开关S开通时，其等效电路如图2-7（a）所示，输入电压 向电感L充电，同时电容C上的电压向负载供电。（DT-T）时间内开关S关断时，其等效电路如图2-7 （b）所示，输入电压和电感L一起向电容C充电，并向负载提供能量。
（a）开通状态
（b）关断状态
图2-7升压变换器工作过程等效图
在（0到DT）时间内：开关管导通，电感中的电流按照直线规律上升：
（2-5）
在（DT到T）时间内：开关管关断，电感中的电流线性下降：
（2-6）
联立式（2-5）与式（2-6）可得：
（2-7）
2.3.2 Buck电路与Boost电路的分析比较
前述分析可知，储能电容对于利用Buck电路实现MPPT功能必不可少。然而在大功率情况下，储能电容始终处于大电流充放电状态，对其可靠工作不利，同时由于储能电容通常为电解电容，使Buck电路无法工作在更高的频率下，增大了MPPT装置的体积，使整个系统变得笨重。 相比之下，Boost电路可始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入电感足够大，则电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流，因此只需加入容量较小的无感电容甚至不加电容，从而避免了加电容带来的种种弊端。同时，Boost电路非常简单，由于功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便。一般，一个小型的太阳能光伏发电系统的输出电压不超过50V，而铅酸蓄电池以及电机的电压在100V之上。因此，为了满足人们需要，需要在太阳能电池板与负载之间加入升压变换器（Boost Converter）。
本管理管理系统设计时选择Boost电路作为系统DC-DC变换电路。
2.3.3 Boost电路Matlab仿真分析
1.仿真电路
对Boost电路仿真仍采用Matlab simulink，因为便于与后续仿真工作有机结合。
simulink提供了电力系统仿真工具箱（simpower system toolbox）。使用户就像使用其它电路仿真软件一样，直接添加电气元器件即可，同时它还提供用户编程接口，控制方式更为灵活。
应用 simulink搭接Boost电路仿真模型如图2-8所示。
2.仿真波形
当仿真参数设置如下时：输入电压10V、开关频率100kHz、占空比为50%，负载电阻R为100 、储能电感L= 2e-4H，滤波电容C=2e-5F，所得仿真波形如图2-9所示。仿真显示式（2-7）对输出电压的计算是完全正确的。
图2-9 Boost电路输出电压波形图
2.4本章小结
本章主要讨论；部分内容：第一部分是光伏系统基本概念，包括光伏系统的分类组成，介绍各主要功能部件的原理、功能和结构。第二部分论文分析光伏电池的特性，说明光伏系统确实存在单峰值最大功率点，为后续工作打下了基础。第三部分论文着重讨论了光伏系统最大功率点跟踪的执行部件DC-DC变换器，分析了两种常见DC-DC变换电路降压（Buck）变换电路和升压（Boost）变换电路，分别讨论了它们的工作原理、电压变换关系和优缺点等相关内容。基于Boost的优越性能，本设计最终选择Boost电路作为系统的DC-DC变换电路。为了检验理论分析的正确性，还在Matlab中建立仿真模型，对Boost电路进行仿真，成功验证了理论分析结论。
第三章MPPT经典控制算法及仿真分析
本章讨论了基于Boost电路实现光伏系统最大功率点跟踪原理，介绍常用光伏系统MPPT算法：分析其优缺点与应用场合。针对扰动观察法和电导增量法进行了仿真分析。
3.1光伏阵列MPPT原理
3.1.1 MPPT原理分析
光伏组件的输出存在着最大功率点，在特定的温度和光照条件下，组件能否工作在最大功率点取决于组件所带的负载大小。
图3-1是图解法得出光伏组件工作点的示意图。其。图是光伏组件的等效电路图，图b中曲线为太阳能光伏组件输出的电流电压（I-V）曲线，直线表示负载电阻的I-V特性，二者的交点即为光伏组件的工作点。如果两条线的交点不在最大功率点，此时负载和光伏组件就处于失配状态，光伏组件所产生的电能就没有被充分利用。 光伏阵列 DC/DC电路
b.光伏组件输出工一曲线
3-1光伏阵列等效电路及I-V曲线
外界的环境因素，通常是无法人为改变的，温度和光照在一天中是变化的，光伏阵列的输出特性也随之变化，要使阵列始终能够输出最大功率，必须适变接入负载。通常的光伏最大功率跟踪器是一个DC-DC变换器，因此可以把光伏阵列等效看成直流电源，DC-DC变换电路看成外部负载。光伏阵列所接的等效负载是DC-DC变换器的占空比。和其所带负载的函数，调节变换器的占空比就可以达到改变光伏阵列等效负载的目的，使之在不同的外部环境下，始终跟随光伏阵列的内阻变化，两者动态负载匹配时，就可获得光伏阵列组件的最大输出功率，从而实现最大功率跟踪。
3.1.2 Boost变换器实现MPPT
1.Boost电路等效电阻
当光伏阵列采用Boost电路作为DC-DC变换电路时，如图3-2所示，考虑Boost电路输出负载为纯电阻的情况，且变换器的效率为100%，则可以对Boost电路阻抗的进行简单地变换。
由第二章推导公式（2-7）可知Boost电路输入电压和输出电压关系 ，又由于变换前后功率相等，所以 ，由此可以求出等效电阻为：
（3-1）
其中， ：BOOST电路等效输人阻抗，D：开关占空比， ：负载阻抗。式中不考虑BOOST电路电感的自身电阻。
由式（3-1）可知，开关占空比越大，Boost电路输入阻抗就越小。当改变Boost电路开关占空比，使得其等效输入阻抗与光伏输出阻抗抗相匹配，则光伏电池将输出最大功率，这也是利用BOOST电路实现最大功率跟踪的理论依据。
2.MPPT装置的设计
-
系统通过MPPT控制器寻找出光伏电池最大功率点，给出控制信号，通过PWM驱动电路调节Boost变换器的D，改变Boost变换器的 ，使其与光伏电池组最大功率点所对应的电压相匹配，从而使光伏电池组始终输出最大功率，充分利用太阳能。
3.基于Boost电路的光伏系统仿真
本论文选用函数法计算最大功率点，具体如下：
sys=x（3）； % 输出占空比值
基于Boost电路的仿真模块如下图3-4所示：
其仿真结果如下图3-5、3-6所示：
3.2光伏系统MPPT常用控制算法
最大功率点跟踪（MPPT）是光伏发电系统必需具有的功能之一，目前已有多种MPPT控制算法，主要包括恒定电压控制法、基于数据库MPPT控制法、扰动观察法和电导增量法，按原理上划分前两种算法属于非自寻优算法，后两种属于自寻优算法。目前随着控制技术的发展，还新增了部分基于智能处理算法，主要有模糊控制法、神经网络法。下面将分别讨论各种算法的基本原理、优缺点以及适用场合。 3.2.1恒定电压跟踪法
仔细观察图3-6的P-V关系曲线图（图中圆圈表示最大功率点），发现在一定的温度下，当日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压，这就大大简化了MPPT的控制设计：即人们仅需从生产厂商处获得数据 ，并使阵列的输出电压钳位于 、值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT（Constant Voltage Tracking）式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接祸合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。
基于恒定电压法的跟踪器，制造比较简单，控制比较简单，初期投入也比较少。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，以常规的单晶硅光伏电池为例，当环境温度每升高1℃时，其开路电压卞降约为0.35%-0.45%，具体较准确的值由实验测得，也可按照光伏电池的数字模型计算得到。图3-7是相同日照条件下，温度分别为-30℃、0℃ ，+30 ℃（实际温度范围可能没有这么大）的最大功率曲线。可以看出温度对最大功率点电压 的影响不容忽视。
CVT控制的优点；控制简单，易实现，可靠胜高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性。缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。采用CVT实现MPPT控制，虽然具有良好的可靠性和稳定性，但随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法正逐渐被新方法所替代。
CVT算法的改进：从光伏阵列的输出特性可以看出，当光伏阵列的开路电压 在不同光照和温度下发生改变时，光伏阵列的最大功率点电压也近似地随之成比例变化，可以测出光伏阵列的 和 之间存在着近似的线性关系，即 ，式中 为比例常数且小于1，文献给出的数值为0.71。CVT改进算法思路是测定开路电压 动态确定 ，而 可以通过将光伏阵列和负载断开来测定。
3.2.2基于数据库的MPPT算法
从光伏电池的P-V曲线可以看到，功率P是电压V的单值函数P=f（V），即每一个光伏电池的电压都对应着一个功率点P。对于系统而言，只要改变光伏电池电压就能改变其输出功率，因此对于任意一条功率曲线，其最大功率点所对应的电压值只有一个。根据这一特点，可以给光伏电池在各种状态下的最大功率点对应的电压 设定一个数据库，数据库包括阵列光照强度，阵列温度以及与之相对应的最大功率点电压。系统周期性地检测光伏阵列的状态辘度，光照强度等参数），再到数据库中读取在此状态下的电压值，将此电压值作为目标给定，即可控制系统快速跟踪到最大功率点。其控制原理框图如图3-8，它可以实现对不同温度不同光照下的最大功率点跟踪。
这种控制算法思路简单，控制也较简单，无需多步逼近最大功率点，而是单步跟踪，所以控制速度较快，可以实现真正的最大功率点跟踪。基于经验数据的MPPT算法本身也存在一些缺陷：例如数据量大，一致性要求高，存储困难等。
3.2.3扰动观察法
扰动观察法（Perturbation and Observation）是目前经常被采用的MPPT方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，这一过程称为“干扰”，并观测之后其输出功率变化方向，若△P>0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰”；若△P<0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。
当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，如图3-9中的A过程，贝J工作点由左侧向最大功率点 靠近，需继续增大参考电压；若输出功率减小，如图3-9中的B过程，则工作点从右侧远离最大功率点 需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，如图3-9中的C过程，则工作点从左侧远离 ，需增大参考电压，若输出功率增大，如图3-9中的。过程，则工作点位由右侧向 靠近，需继续减小参考电压。把上述跟踪过程转换为流程图形式如图3-10所示。
这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。如果采用较大的步长进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度相对较差，较小的步长则正好相反。较好的折衷方案是控制器能够根据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当已经跟踪到最大功率点附近时采用小步长四。
当光照或者温度突然变化时，采用扰动观察法可能会产生误判现象，影响了最大功率跟踪效果。如图3-11所示，系统正在温度为25 ℃和辐射强度为600 下寻优，电压扰动的方向为减小，即图中A点向B点扰动，此时辐射强度突然发生变化变为1000 ，而温度没有变化，系统工作于图中C点，电压扰动后，计算的功率比前一次大，根据扰动观察法，下一步电压的变化的方向还为减少，系统将工作于。点，而此时实际的最大功率点的电压应该是增加的，发生了误判断，好在系统在新的状态下能够继续正确的寻优。
扰动观测法的优点为：（1）模块化控制回路；（2）跟踪方法简单，实现容易；（3）对传感器精度要求不高。
其缺点：（1）在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失；（2）跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度；（3）在特定情况下会出现误判现象。
3.2.4电导增量法
电导增量法（Incremental Conductance Algorithm）则是根据光伏阵列P-V曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对P =UI求全导数可得
dP =IdU +UdI （3-2）
两边同时除以dU，可得
dP/dU =I+UdI /dU （3-3）
令d P/d U=0，可得 dI/dU=-I/U （3-4）
式（3-4）即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件。这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向。根据工作点与最大功率点的位置关系，具体分析如下；
（1）假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有dP /dU>0即d I/d U >-I/U，说明参考电压应向着增大的方向变化。
（2）同理，假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有dP/dU<0， dI/dU<-I/U，说明参考电压应向着减小的方向变化。
（3）假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处（附近），此时将有dP/dU=0，此时参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。
电导增量法流程图如图3-12所示， 、 为本次采样值， 、 为上一次采样值，dU=0， dI=0条件在实际使用中经常用一个小的闺值来代替为0的条件。
电导增量法的优点：在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。电导增量法的缺点是：太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点，如同扰动观察法一样，电导增量法的变化步长也是固定的，步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度。在实际的光伏发电系统中，电导增量法的实现对硬件的要求相对较高，其要求传感器的精度比较高、系统各个部分响应速度比较快。而且由于电导增量法算法较为复杂，且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换，为实现实时跟踪控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。因此：电导增量法适合用于光强变化快速和缓慢的各种场合，但是它对于控制器硬件要求相对较高，从而导致控制器的成本增加，因而并不适用小功率的光伏发电场合。
电导增量法改进：由光伏电池的P-V特性曲线图可见，在整个电压范围内功率曲线为一单峰函数。在最大功率点 处dP/dU=0，在 两端dP/dU均不为零。若令Step=A*abs（dP/dU）作为电导增量法中的步长数据。在离 较远时。系统跟踪的步长较大；当离 较近时，系统跟踪的步长较小。通过设置合适的A，同时结合电导增量法跟踪精度高的优点，可以在MPPT过程中实现变步长跟踪。
基于梯度变步长的电导增量法的优点是控制效果好，且控制稳定度高，但其
缺点是，在外界环境条件发生改变时，由于控制作用较强，因此输出功率有所波动，控制算法较复杂。
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本文基于Matlab环境，应用Simulink嵌入函数，建立光伏电池模型，分析光伏电池的I-V和P-V特性；抽象出Boost电路模型，结合两个模型仿真验证了光伏系统MPPT的基本原理；论述了利用Boost电路对光伏电池进行最大功率点跟踪（MPPT）的原理，分析了Buck电路和Boost电路在MPPT电路中的优缺点；在对光伏电池进行数学分析的基础上建立了数学模型，通过仿真分析了光伏电池输出电流和输出功率的变化规律。以电导增量法为基础，提出了基于BOOST电路的最大功率点追踪策略，并在MATLAB/SIMULINK里搭建了模型。仿真结果表明，这一方法可以很好地实现对最大功率点的追踪。
【关键字】光伏发电；最大功率点跟踪（MPPT）；Boost电路；单片机
1 前言
1.1 课题背景及意义
当今世界能源结构中，石油、天然气以及煤炭等化石能源是人类所利用的主要能源。然而世界能源委员会（WEC）的预测，根据资源己探明储量以及目前发展速度，石油资源将在45年后枯竭，天然气资源将在60年后殆尽，资源储量最大的煤炭也只能再开采220年。尽管有人对这些数字持不同观点，称新的能源仍不断被发现，但化石能源逐渐枯竭，能源紧张己是不争事实，能源供给的可持续发展已迫在眉睫。因此，世界各国都竞相开发并利用太阳能、生物能、风能、地热能以及其它可再生能源。
现今的几种新能源技术中，太阳能凭借其突出的优势成为最具前景的未来能源，潜力无限。目前，大多数国家均将利用太阳能作为重点的研究和开发项目。
太阳能利用主要包括光伏利用、光化学利用和光热利用，其中最近在世界范围内高速发展的是光伏发电技术。光伏发电的原理，为太阳能级半导体电子元件（即光电池）有效地吸收阳光的辐射能，并将其直接转化成电能。作为光电转换最小单元的光伏电池单元，通常为边长10-15cm的硅板上组成的半导体，其自身产生的电压略低于0.5V。把电池单元串并联，并且封装得到太阳能电池组件，其功率通常在几瓦、几十瓦乃至数百瓦。最后按照需要进行串联和并联，便得到了光伏阵列，如此在功率上能够达到实用的等级。以此为基础，加上电能变换设备，就形成了有实用性功能的光伏系统。
光伏发电能够在众多可再生能源利用中崭露头角，是由于其具有以下特点：
（1）太阳能可再生。太阳是一个巨大的能量体，能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，产能功率约为3.8×1023kW。地球所能接收到的太阳总辐射中，除去被大气吸收以及被大气分子和尘料反射的部分，也能达到8.1×1013kW，这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。太阳每年投射到地球的辐射能为6×1017千瓦时，即相当于74万亿吨标准煤。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持600亿年，所以可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。
（2）清洁、安全、无污染。太阳能既是一次能源，又是可再生能源，及清洁又安全，在开发和利用过程中没有废渣、废料等任何废弃物，不会产生噪音，不会给环境造成污染。
（3）太阳能资源丰富，分布十分广泛。太阳能发电不受到地域和类似水力、风力、火力发电等资源的限制，同时，它没有任何运输的成本。无论在陆地还是海洋、沙漠或是草原，都可以就地取用太阳能。使用太阳能既不用花费任何费用，又无需运输，理论上可以在地球上任何有太阳的地方建立太阳能光伏电站。
（4）可共地域。当前的电站一般都处于偏僻地区，电能要经过长距离输变电才能进入用电地区。然而，太阳能的发电和用电可在同一地域，这样就大幅减少了远程输变电设备的投资成本。
（5）建造方便且灵活。太阳能发电系统能够按照需求把光伏组件灵活地进行串并联（成为光伏陈列）以到达所需的功率。
（6）集成光伏建筑。当前国际光伏应用研究发展的前沿即为光伏产品与建筑材料的集成，此类产品不仅美观大方，还能节省发电站的土地使用面积和各项费用。
（7）分布式。太阳能发电系统的分布式特点将使整个能源系统的可靠性和安全性提高。
1.2 国内外发展现状
能源既是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条件。人类社会要发展，必须建筑在大量消耗能源的基础上。随着化石能源逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源探明储量数据的调查显示：化石能源的可开采量己经屈指可数；中国的能源资源储量情况更是危机逼人。
按照2000年底的统计，我国探明的可开发能源总储量约占世界总量的10.1%，其组成结构分别为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。中国各种一次能源的探明剩余储量（以储/采比表示）与世界的比较参见图1-1）。
可见，除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。
图1-1中国世界探明一次能源储量比较
这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望其能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。《中华人民共和国可再生能源法》将可再生能源的范围，界定为：风能、太阳能、水能、生物能、地热能和海洋能等，其中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，优点是取之不尽、用之不竭的。无污染、廉价、人类能够自由利用。
太阳能光伏发电系统由于安全可靠、无噪声，无污染，维护简单、使用寿命长、规模灵活，既可一家一户地分散供电，也可大规模集中供电或并网运行，应用几乎不受地域条件的限制，资源量又非常丰富，因而广受青睐，被誉为21世纪的主要发展能源。 20世纪90年代以来，我国光伏市场发电量增长率仅约17%，远低于世界同期的30%-40%的年均增长率。随着环境污染和能源问题的日趋严峻，国内经济不断发展，我国各界对光伏发电给予了足够重视，并出台了相关法规来支持光伏产业的发展。2005年，第十届人大常委会十四次会议通过了《可再生资源法》。国家主席胡锦涛公布该法自2006年1月1日起实施，光伏并网发电有了法律保证和支持。国家科技部更将光伏并网发电视为国家863重大攻关项目，先后在深圳市市民中心大楼和北京博物馆等建筑上建造光伏并网发电系统。北京奥运场馆也采用了光伏并网系统供电；无锡尚德太阳能电力有限公司作为我国最大的晶体硅光伏电池制造研发企业，成为全球六大晶体硅光伏电池生产基地之一。另外，甘肃敦煌也将落成总投资60.27亿元人民币的100兆瓦的太阳能光伏发电项目，成为全球最大容量的光伏电站。中国从1958年开始研制太阳能电池，至2007 年，全国太阳能电池产量达到1188 MW，同比增长293%，2008年产量据统计已经超2GW。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳电池生产第一大国。但中国的太阳能产业发展严重不均衡，产业上游以及终端两头在外。多晶硅料的核心生产技术掌握在国外，且由于政策支持力度不足，国内需求不足，2007 年新增装机容量只有约30MW，国内太阳能电池97%靠出口。2008年的次贷危机引发的经济危机，将对中国太阳能电池产业产生深远的影响。显然，中国政府也意识到了本身产业的问题以及发展新能源的重要性，财政部2009年3月底开始发布了一系列扶持光伏产业发展的措施，其中有《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，该办法规定了对太阳能光电建筑补贴的各种条款，这预示着中国光伏产业开始政策扶持，中国也有望成为光伏行业发展的领头国家之一。
1.3 光伏发电系统的结构及需要解决的问题
光伏发电概念：太阳光辐射能经过太阳能电池转换为电能，再经过能量存储和能量变换控制等环节，向负载提供合适的直流或交流电能，其典型结构如图1-2所示。
a.直流系统
b.交流系统
图1-2光伏发电系统的组成
光伏发电技术简史：太阳能光伏发电技术的开发，始于20世纪50年代。太阳能光伏发电产业自20世纪80年代以来持续高速发展，每年以30%-40%的速度递增。
21世纪，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标灯等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。
中国于1958年开始研究光伏电池，1971年首次成功地将其应用于中国发射的东方红二号卫星上。
2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平与国际先进水平仍有一定的差距。
2 光伏系统仿真模型
本章介绍光伏发电系统的组成与分类，分析了光伏电池特性，建立Matlab模型，为后续工作打下基础。讨论了主要DC-DC变换电路，并进行仿真分析。
2.1光伏发电系统组成与分类
2.1.1太阳能光伏发电系统组成
典型的光伏发电系统，主要是由光伏阵列、电力电子变换器，储能装置、负载等组成。
光伏电池单体是用于光电转换的最小单元，将光伏电池单体进行串、并联封装后，就成为光伏电池组件。
电力电子变换器是光伏发电系统的关键部件，变换器分直流变换器和交流变换器两种。
在独立运行的光伏发电系统中，储能装置是必不可少的，既可作为太阳能不足时候的补充，又可作为多余太阳能的存储。
2.1.2太阳能光伏发电系统分类
按照是否与电网连接，太阳能光伏发电系统可分为独立光伏发电系统（Stand-alone PV System） 和并网光伏发电系统（Grid-connected PV System）。
2.2光伏电池特性
2.2.1光伏电池的基本原理
太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。
光伏电池工作原理如图2-1所示，图中显示了一个外接负载电阻的PN结电路，即使没有外加电压，图中PN结空间电荷区依然存在一个内建电场，入射光子进入空间电荷区时，会产生电子空穴对，这些光生电子（空穴）会在内建电场的作用下进入到N型（P型）区，形成光生电流 ，该电流与PN结反向偏置电流方向一致。所以光伏电池工作时实质上即为“反向偏置PN结”。
光生电流会流过负载电阻，从而产生一个电压降，而该电压降反过来会令PN结正向偏置，导致一个正向电流 如图2-1所示，PN结的反向总电流为 — ，方向和负载流过电流方向一致，这样就将太阳能转换为电能了。
2.2.2光伏电池数学模型
根据光伏电池的工作原理，以及影响光伏电池工作效能的因素，可得出光伏电池的等效电路。光伏电池的等效电路模型之一，如图2-2所示。
其中，电流源 表示光伏电池经由光照射后所产生的电流，二极管D表示一个P-N结的二极管， 和 则分别表示材料内部等效的并联及串联电阻。I与V则表示光伏电池输出电流及电压。
由等效电路图2-2，并依照半导体P-N结的特性，我们可以用式（2-1）所示的数学方程来表示光伏电池的输出电流与输出电压的关系：
（2-1）
式中，I：光伏电池板的输出电流（A） ；V：光伏电池板的输出电压（V）；q：一个电子所含的电荷量（1.6x C）；K：波尔兹曼常数（1.38X J/K）；T：光伏电池板表面温度（K）；n：光伏电池板的理想因数（n=1-5 ）。 表示光伏电池板的逆向饱和电流，可表示如式（2-2）：
（2-2） 式中， ：光伏电池板的参考温度； ：光伏电池在温度界（OK）时的逆向饱和电流； ：半导体材料跨越能带间隙时所需能量。
当光照较强时，光电流远远大于 故式（2-1）可以简化为：
（2-3）
式（2-1）、（ 2-2）为物理原理的最基本解析表达式，但由于式中参数 、 、n、 、 不仅与太阳能辐射强度和电池温度有关，而且确定这些参数也十分困难，实际使用时可以建立既实用又较为精确的工程用实用数学模型。
2.2.3光伏电池的输出特性
光伏电池是一种复杂的非线性直流电源，它的输出特性受光照强度、温度、
湿度、压强、风速等多方面因素影响，其中光强和温度的影响最大。图 4-1 和图4-2 分别是光伏电池在不同日照和温度下的伏安特性曲线和伏瓦特性曲线。由以下的两图可以看到，在常温下，随着日照强度的增加，太阳能电池的短路电流有一定的增加，其开路电压保持基本不变，输出的最大功率增加；在相同日照的条件下，随着温度的升高，太阳能电池的短路电流略微增加，开路电压下降，输出的最大功率减小。从图 4-2 可知，光伏电池的每条 P-V 曲线都有一个最大功率点，相对应最大功率点的有一个输出电压，当温度或者日照强度改变的时候，最大功率点的位置也不同。可以通过调节太阳能电池的输出电压来实现最大功率点的跟踪。
（a）常温不同日照下
（b）相同日照不同温度下
图4-1 太阳能电池阵列的V-I特性
（a）常温不同日照情况下
（b）相同日照不同温度下
图4-2 太阳能电池阵列的P-V特性
通过分析太阳能电池的输出特性，可已得到以下结果：
（1）太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；
（2）开路电压近似与温度成反比，短路电流近似与日照强度成正比；
（3）最大功率点电压约为开路电压的80%；
（4）输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池的最大功率点（MPP，Maximum Power Point），并随着外界环境的变化而变化。
2.3 DC-DC变换电路
DC-DC变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压。
按照变换功能，DC/DC变换器可分为两种；一种是电压一电压变换器，即变换器的输入和输出均可视为电压源二另一种是电流一电流变换器，即变换器的输入和输出均可视为电流源。基本的电压一电压变换器有三种结构：降压式（Buck）、升压式（Boost）、升降压式（Buck Boost）。本论文主要介绍两种就常用的变换器：降压式变换器（Buck Converter）、升压式变换器（Boost Converter），并分析DC-DC转换电路的工作原理。
2.3.1典型DC-DC变换电路
1.降压式变换器（Buck Converter）
图2-5所示为降压式变换电路，其输出电压平均值 总是小于输入电压 。
这种变换器适合用于太阳能光伏阵列输出端电压高而蓄电池电压低的情况，当电路工作于稳态时，输出电压平均值用式（2-4）表示，其中D为占空比。
Buck变换器是PWM型变换器中最简单，也是最基本的一种。优点是电路简单，动态性能好。其缺点是：①输入电流的脉动会引起对输入电源的电磁干扰，所以工程中常在电源和变换器之间加入一个输入滤波电容，如图2-5中的C1；②稳态电压比永远小于1，只能降压；③开关晶体管发射极不接地，使得其驱动电路很复杂。
2.升压式变换器（Boost Converter）
图2-6所示为升压式变换电路：它由开关S、二极管D、储能电感L和滤波电容C组成。当开关S导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C向负载供电，此时 。当开关S截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，此时 ，所以输出电压大于输入电压。这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。
Boost变换器的优点：①输入电流连续，对电源的电磁干扰相对较小；②开关晶体管发射极接地，驱动电路简单。其缺点为：①输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。②电压比永远大于1，只能升压。
3.升压变换器工作原理
升压式变换器电路如图2-6所示，假设升压变换器电路中电感L值很大，电容C值很大，电流连续。 表示输入电压， 表示输出电压， 为流过电感的电流。设Boost电路开关周期为T，占空比为D，（0-DT）时间内开关S开通时，其等效电路如图2-7（a）所示，输入电压 向电感L充电，同时电容C上的电压向负载供电。（DT-T）时间内开关S关断时，其等效电路如图2-7 （b）所示，输入电压和电感L一起向电容C充电，并向负载提供能量。
（a）开通状态
（b）关断状态
图2-7升压变换器工作过程等效图
在（0到DT）时间内：开关管导通，电感中的电流按照直线规律上升：
（2-5）
在（DT到T）时间内：开关管关断，电感中的电流线性下降：
（2-6）
联立式（2-5）与式（2-6）可得：
（2-7）
2.3.2 Buck电路与Boost电路的分析比较
前述分析可知，储能电容对于利用Buck电路实现MPPT功能必不可少。然而在大功率情况下，储能电容始终处于大电流充放电状态，对其可靠工作不利，同时由于储能电容通常为电解电容，使Buck电路无法工作在更高的频率下，增大了MPPT装置的体积，使整个系统变得笨重。 相比之下，Boost电路可始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入电感足够大，则电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流，因此只需加入容量较小的无感电容甚至不加电容，从而避免了加电容带来的种种弊端。同时，Boost电路非常简单，由于功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便。一般，一个小型的太阳能光伏发电系统的输出电压不超过50V，而铅酸蓄电池以及电机的电压在100V之上。因此，为了满足人们需要，需要在太阳能电池板与负载之间加入升压变换器（Boost Converter）。
本管理管理系统设计时选择Boost电路作为系统DC-DC变换电路。
2.3.3 Boost电路Matlab仿真分析
1.仿真电路
对Boost电路仿真仍采用Matlab simulink，因为便于与后续仿真工作有机结合。
simulink提供了电力系统仿真工具箱（simpower system toolbox）。使用户就像使用其它电路仿真软件一样，直接添加电气元器件即可，同时它还提供用户编程接口，控制方式更为灵活。
应用 simulink搭接Boost电路仿真模型如图2-8所示。
2.仿真波形
当仿真参数设置如下时：输入电压10V、开关频率100kHz、占空比为50%，负载电阻R为100 、储能电感L= 2e-4H，滤波电容C=2e-5F，所得仿真波形如图2-9所示。仿真显示式（2-7）对输出电压的计算是完全正确的。
图2-9 Boost电路输出电压波形图
2.4本章小结
本章主要讨论；部分内容：第一部分是光伏系统基本概念，包括光伏系统的分类组成，介绍各主要功能部件的原理、功能和结构。第二部分论文分析光伏电池的特性，说明光伏系统确实存在单峰值最大功率点，为后续工作打下了基础。第三部分论文着重讨论了光伏系统最大功率点跟踪的执行部件DC-DC变换器，分析了两种常见DC-DC变换电路降压（Buck）变换电路和升压（Boost）变换电路，分别讨论了它们的工作原理、电压变换关系和优缺点等相关内容。基于Boost的优越性能，本设计最终选择Boost电路作为系统的DC-DC变换电路。为了检验理论分析的正确性，还在Matlab中建立仿真模型，对Boost电路进行仿真，成功验证了理论分析结论。
第三章MPPT经典控制算法及仿真分析
本章讨论了基于Boost电路实现光伏系统最大功率点跟踪原理，介绍常用光伏系统MPPT算法：分析其优缺点与应用场合。针对扰动观察法和电导增量法进行了仿真分析。
3.1光伏阵列MPPT原理
3.1.1 MPPT原理分析
光伏组件的输出存在着最大功率点，在特定的温度和光照条件下，组件能否工作在最大功率点取决于组件所带的负载大小。
图3-1是图解法得出光伏组件工作点的示意图。其。图是光伏组件的等效电路图，图b中曲线为太阳能光伏组件输出的电流电压（I-V）曲线，直线表示负载电阻的I-V特性，二者的交点即为光伏组件的工作点。如果两条线的交点不在最大功率点，此时负载和光伏组件就处于失配状态，光伏组件所产生的电能就没有被充分利用。 光伏阵列 DC/DC电路
b.光伏组件输出工一曲线
3-1光伏阵列等效电路及I-V曲线
外界的环境因素，通常是无法人为改变的，温度和光照在一天中是变化的，光伏阵列的输出特性也随之变化，要使阵列始终能够输出最大功率，必须适变接入负载。通常的光伏最大功率跟踪器是一个DC-DC变换器，因此可以把光伏阵列等效看成直流电源，DC-DC变换电路看成外部负载。光伏阵列所接的等效负载是DC-DC变换器的占空比。和其所带负载的函数，调节变换器的占空比就可以达到改变光伏阵列等效负载的目的，使之在不同的外部环境下，始终跟随光伏阵列的内阻变化，两者动态负载匹配时，就可获得光伏阵列组件的最大输出功率，从而实现最大功率跟踪。
3.1.2 Boost变换器实现MPPT
1.Boost电路等效电阻
当光伏阵列采用Boost电路作为DC-DC变换电路时，如图3-2所示，考虑Boost电路输出负载为纯电阻的情况，且变换器的效率为100%，则可以对Boost电路阻抗的进行简单地变换。
由第二章推导公式（2-7）可知Boost电路输入电压和输出电压关系 ，又由于变换前后功率相等，所以 ，由此可以求出等效电阻为：
（3-1）
其中， ：BOOST电路等效输人阻抗，D：开关占空比， ：负载阻抗。式中不考虑BOOST电路电感的自身电阻。
由式（3-1）可知，开关占空比越大，Boost电路输入阻抗就越小。当改变Boost电路开关占空比，使得其等效输入阻抗与光伏输出阻抗抗相匹配，则光伏电池将输出最大功率，这也是利用BOOST电路实现最大功率跟踪的理论依据。
2.MPPT装置的设计
-
系统通过MPPT控制器寻找出光伏电池最大功率点，给出控制信号，通过PWM驱动电路调节Boost变换器的D，改变Boost变换器的 ，使其与光伏电池组最大功率点所对应的电压相匹配，从而使光伏电池组始终输出最大功率，充分利用太阳能。
3.基于Boost电路的光伏系统仿真
本论文选用函数法计算最大功率点，具体如下：
sys=x（3）； % 输出占空比值
基于Boost电路的仿真模块如下图3-4所示：
其仿真结果如下图3-5、3-6所示：
3.2光伏系统MPPT常用控制算法
最大功率点跟踪（MPPT）是光伏发电系统必需具有的功能之一，目前已有多种MPPT控制算法，主要包括恒定电压控制法、基于数据库MPPT控制法、扰动观察法和电导增量法，按原理上划分前两种算法属于非自寻优算法，后两种属于自寻优算法。目前随着控制技术的发展，还新增了部分基于智能处理算法，主要有模糊控制法、神经网络法。下面将分别讨论各种算法的基本原理、优缺点以及适用场合。 3.2.1恒定电压跟踪法
仔细观察图3-6的P-V关系曲线图（图中圆圈表示最大功率点），发现在一定的温度下，当日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压，这就大大简化了MPPT的控制设计：即人们仅需从生产厂商处获得数据 ，并使阵列的输出电压钳位于 、值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT（Constant Voltage Tracking）式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接祸合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。
基于恒定电压法的跟踪器，制造比较简单，控制比较简单，初期投入也比较少。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，以常规的单晶硅光伏电池为例，当环境温度每升高1℃时，其开路电压卞降约为0.35%-0.45%，具体较准确的值由实验测得，也可按照光伏电池的数字模型计算得到。图3-7是相同日照条件下，温度分别为-30℃、0℃ ，+30 ℃（实际温度范围可能没有这么大）的最大功率曲线。可以看出温度对最大功率点电压 的影响不容忽视。
CVT控制的优点；控制简单，易实现，可靠胜高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性。缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。采用CVT实现MPPT控制，虽然具有良好的可靠性和稳定性，但随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法正逐渐被新方法所替代。
CVT算法的改进：从光伏阵列的输出特性可以看出，当光伏阵列的开路电压 在不同光照和温度下发生改变时，光伏阵列的最大功率点电压也近似地随之成比例变化，可以测出光伏阵列的 和 之间存在着近似的线性关系，即 ，式中 为比例常数且小于1，文献给出的数值为0.71。CVT改进算法思路是测定开路电压 动态确定 ，而 可以通过将光伏阵列和负载断开来测定。
3.2.2基于数据库的MPPT算法
从光伏电池的P-V曲线可以看到，功率P是电压V的单值函数P=f（V），即每一个光伏电池的电压都对应着一个功率点P。对于系统而言，只要改变光伏电池电压就能改变其输出功率，因此对于任意一条功率曲线，其最大功率点所对应的电压值只有一个。根据这一特点，可以给光伏电池在各种状态下的最大功率点对应的电压 设定一个数据库，数据库包括阵列光照强度，阵列温度以及与之相对应的最大功率点电压。系统周期性地检测光伏阵列的状态辘度，光照强度等参数），再到数据库中读取在此状态下的电压值，将此电压值作为目标给定，即可控制系统快速跟踪到最大功率点。其控制原理框图如图3-8，它可以实现对不同温度不同光照下的最大功率点跟踪。
这种控制算法思路简单，控制也较简单，无需多步逼近最大功率点，而是单步跟踪，所以控制速度较快，可以实现真正的最大功率点跟踪。基于经验数据的MPPT算法本身也存在一些缺陷：例如数据量大，一致性要求高，存储困难等。
3.2.3扰动观察法
扰动观察法（Perturbation and Observation）是目前经常被采用的MPPT方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，这一过程称为“干扰”，并观测之后其输出功率变化方向，若△P>0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰”；若△P<0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。
当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，如图3-9中的A过程，贝J工作点由左侧向最大功率点 靠近，需继续增大参考电压；若输出功率减小，如图3-9中的B过程，则工作点从右侧远离最大功率点 需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，如图3-9中的C过程，则工作点从左侧远离 ，需增大参考电压，若输出功率增大，如图3-9中的。过程，则工作点位由右侧向 靠近，需继续减小参考电压。把上述跟踪过程转换为流程图形式如图3-10所示。
这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。如果采用较大的步长进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度相对较差，较小的步长则正好相反。较好的折衷方案是控制器能够根据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当已经跟踪到最大功率点附近时采用小步长四。
当光照或者温度突然变化时，采用扰动观察法可能会产生误判现象，影响了最大功率跟踪效果。如图3-11所示，系统正在温度为25 ℃和辐射强度为600 下寻优，电压扰动的方向为减小，即图中A点向B点扰动，此时辐射强度突然发生变化变为1000 ，而温度没有变化，系统工作于图中C点，电压扰动后，计算的功率比前一次大，根据扰动观察法，下一步电压的变化的方向还为减少，系统将工作于。点，而此时实际的最大功率点的电压应该是增加的，发生了误判断，好在系统在新的状态下能够继续正确的寻优。
扰动观测法的优点为：（1）模块化控制回路；（2）跟踪方法简单，实现容易；（3）对传感器精度要求不高。
其缺点：（1）在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失；（2）跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度；（3）在特定情况下会出现误判现象。
3.2.4电导增量法
电导增量法（Incremental Conductance Algorithm）则是根据光伏阵列P-V曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对P =UI求全导数可得
dP =IdU +UdI （3-2）
两边同时除以dU，可得
dP/dU =I+UdI /dU （3-3）
令d P/d U=0，可得 dI/dU=-I/U （3-4）
式（3-4）即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件。这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向。根据工作点与最大功率点的位置关系，具体分析如下；
（1）假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有dP /dU>0即d I/d U >-I/U，说明参考电压应向着增大的方向变化。
（2）同理，假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有dP/dU<0， dI/dU<-I/U，说明参考电压应向着减小的方向变化。
（3）假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处（附近），此时将有dP/dU=0，此时参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。
电导增量法流程图如图3-12所示， 、 为本次采样值， 、 为上一次采样值，dU=0， dI=0条件在实际使用中经常用一个小的闺值来代替为0的条件。
电导增量法的优点：在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。电导增量法的缺点是：太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点，如同扰动观察法一样，电导增量法的变化步长也是固定的，步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度。在实际的光伏发电系统中，电导增量法的实现对硬件的要求相对较高，其要求传感器的精度比较高、系统各个部分响应速度比较快。而且由于电导增量法算法较为复杂，且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换，为实现实时跟踪控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。因此：电导增量法适合用于光强变化快速和缓慢的各种场合，但是它对于控制器硬件要求相对较高，从而导致控制器的成本增加，因而并不适用小功率的光伏发电场合。
电导增量法改进：由光伏电池的P-V特性曲线图可见，在整个电压范围内功率曲线为一单峰函数。在最大功率点 处dP/dU=0，在 两端dP/dU均不为零。若令Step=A*abs（dP/dU）作为电导增量法中的步长数据。在离 较远时。系统跟踪的步长较大；当离 较近时，系统跟踪的步长较小。通过设置合适的A，同时结合电导增量法跟踪精度高的优点，可以在MPPT过程中实现变步长跟踪。
基于梯度变步长的电导增量法的优点是控制效果好，且控制稳定度高，但其
缺点是，在外界环境条件发生改变时，由于控制作用较强，因此输出功率有所波动，控制算法较复杂。
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