摘 要

光伏发电自步入正轨以来发展迅速，在世界不可再生能源不断枯竭的情况下为世界未来的发展提供了新的可行性的道路。可再生能源不断发展，太阳能以其独特的特点成为全世界热衷研究的对象，太阳能发电每年增速都十分巨大，在不远的将来甚至有取代一部分传统能源的可能。

我国太阳能光伏发电起步较晚，但发展迅速，在最近几年光伏发电系统新增装机容量和累计装机容量一直保持在世界第一，可见中国光伏发电发展的速度和水平。十二五期间，中国制定了十二五可再生能源发展规划，在相关政策的扶持下使得光伏产业在十二五期间迅猛发展。我国光伏产业一片向好，国家继续推行十三五规划，为2020年达到可再生能源占一次能源消费的15%的目标而努力发展。

本文借助MATLAB软件中的simulink仿真功能首先对光伏电池进行了仿真研究，随后对光伏发电系统进行了分块研究，对系统MPPT控制进行了仿真分析，另外研究了光伏发电系统的整体模型，对各模块进行了仿真结果分析，并着重研究了系统控制器的工作情形。所得结果对于刚接触光伏发电的人具有一定的的指导意义。

基于光伏光伏发电的研究背景和意义，以及在文中建立的仿真研究结果表明：光伏发电系统在做好控制器和储能装置的设置的情况下，能够满足并网运行的基本要求，能为用电负荷提供良好的电力来源，具有良好的发展前景。

关键词：光伏发电系统；光伏电池；MPPT；控制器

Abstract

Photovoltaic power generation has developed rapidly since it was put on the right track, which provides a new feasible road for the future development of the world when the world's non-renewable energy sources are continuously exhausted.With the continuous development of renewable energy, solar energy has become a hot research topic all over the world with its unique characteristics. The annual growth rate of solar power generation is very huge, and it may even replace part of traditional energy in the near future.

China's solar photovoltaic power generation started relatively late, but developed rapidly. In recent years, the newly added installed capacity and the accumulated installed capacity of photovoltaic power generation system have maintained the first place in the world, which shows the speed and level of China's photovoltaic power generation development.During the 12th five-year plan period, China formulated the 12th five-year renewable energy development plan, and the photovoltaic industry developed rapidly under the support of relevant policies.China's photovoltaic industry is on the uptrend. The country continues to implement the 13th five-year plan and strive to achieve the goal of 15% renewable energy in primary energy consumption by 2020.

The simulink simulation functions with the help of MATLAB software in this paper first has carried on the simulation research to photovoltaic cells, then the block was studied for the photovoltaic power generation systems, the MPPT control system for the simulation analysis, the whole model of photovoltaic power generation system is studied, and the other of each module are analyzed in the simulation results, and emphatically studied the system controller work situation.The results are of guiding significance for those who are new to photovoltaic power generation.

Based on the research background and significance of photovoltaic power generation, as well as the simulation results established in this paper, it is shown that the photovoltaic power generation system can meet the basic requirements of grid-connected operation,provide a good source of power for the power load and have a good development prospect when the controller and energy storage device are well set.

Key Words：photovoltaic power generation system；photovoltaic cells；MPPT

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 光伏发电的发展 2

1.2.1 国外发展现状 2

1.2.2 国内发展现状 2

1.3 课题主要内容 3

第二章 基于simulink的光伏电池仿真 4

2.1 光伏发电系统 4

2.2 光伏电池等效 5

2.2.1 光伏电池电路模型 5

2.2.2 光伏电池相关计算 6

2.2.3 工程用光伏电池等效 6

2.3 光伏电池simulink仿真模型 8

2.3.1光伏电池输出特性的研究 10

2.3.2温度对光伏电池输出的影响 12

2.3.3光照强度对光伏电池输出的影响 13

2.4 本章小结 15

第三章 光伏并网发电逆变器控制研究 16

3.1 前言 16

3.2 逆变器 16

3.2.1 逆变器原理 16

3.2.2 逆变器的simulink仿真 17

3.3 MPPT控制 18

3.3.1 MPPT 介绍 18

3.3.2 常用MPPT方法比较 19

3.3.3 扰动观察法研究MPPT 19

3.4 本章小结 21

第四章 基于simulink光伏并网发电系统仿真分析 22

4.1 前言 22

4.2 硬件分析 22

4.2.1 输入设置与光伏电池输出 22

4.2.2 逆变器作用与滤波 23

4.2.3 用电分析 25

4.3 软件分析 26

4.3.1 MPPT控制 26

4.3.2 PLL锁相环控制 27

4.3.3 PWM控制 31

4.4本章小结 32

第五章 结论 33

参考文献 34

致 谢 36

绪论

研究背景及意义

继两次工业革命以来，煤炭、石油、天然气等化石能源登上历史舞台，而随着工业的发展以及人类文明的不断进步，能源问题慢慢成为关系全人类共同命运的事情^[1]。有限的化石能源，加上不断恶化的自然环境^[2]，人与自然的冲突不断加剧。

最新发表的《世界能源统计年鉴》显示：2017年，全球探明石油储1.697万亿桶；天然气探明储量为193.5万亿立方米；煤炭储量目前能够满足134年的全球产量^[3]。似乎世界能源问题并不十分严重，然而地球能源储备注定有限，传统的一次能源都是不可再生的资源，如果不采取积极的应对措施，最终这些能源势必会因为过度使用而渐渐衰竭^[4]。目前石油和煤炭依旧是能源消费的最主要力量，但无疑，可再生能源必定成为未来能源消费增长的主流。

报告也显示可再生能源逐渐登上历史舞台。可再生能源发电量较2016年增长了17%，略高于十年平均增速，是有记录以来最大增量。可再生能源增量的一半来源于风电，太阳能虽然在可再生能源中占比仅21%，却贡献了三分之一的增量^[3]。在未来，随着化石能源的减少以及人们对于环保和人类未来的考虑，可再生能源会占比愈发重要，报告也证明了未来可再生能源的发展前景，尤其是增长迅速的风能和太阳能。

我国能源构成中，煤炭处于主体性地位，石油消费量高但生产量低，清洁能源消费比重持续上升，发展潜力大^[4]。由此，虽然中国的能源应用格局与世界有较大差异，但不可否认的是，可再生能源依旧是我国发展的目标。而我国也为此制定了一系列的国家政策鼓励可再生能源的发展。

与其他清洁能源相比，太阳能具有其得天独厚的发展条件。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，所以光伏发电的储量丰富、燃料免费^[5]。近几年太阳能光伏发电产业增长迅速，有很大的发展前景。提高光电转换率一直是行业发展的主要目标。

目前光伏发电向着分布式以及微电网并网运行的方向发展，且越来越多的应用到各种小型用电领域。除了我们熟知的太阳能热水器，太阳能汽车以及太阳能建筑，交通、通讯领域也蓬勃发展起来^[6]。加上国家政策的扶持，未来必定会出现着太阳能发电的热潮。

光伏产业的发展是解决世界能源危机的重要途径，充分发挥太阳能的优势对全人类来说都有极其重要的意义，因此，光伏发电系统的配置、提高光电转换效率是具有现实意义的研究内容。

光伏发电的发展

国外发展现状

1839年，法国科学家贝克雷尔发现了“光生伏特效应”，打开了研究光电转换的大门；1954年，美国贝尔实验室制成了第一块单晶硅太阳电池，打开了光伏发电的大门。自此之后，光伏发电开始在历史上留下笔墨。

世界各国对光伏产业的发展都有不同力度的支持和鼓励。

德国：鼓励自发自用。德国作为最先规定光伏发电上网电价的国家，其光伏行业起步早且发展迅速。分布式发电在08-10年出现爆发式增长，2013年又制定了“自发自用，余电上网”的政策^[7]。但随后，欧洲各国的上网电价补贴下调较为严重，市场慢慢开始缩水，主导地位开始丧失。

日本：日本光伏发电的上网电价补贴高在很长一段时间内使得光伏发电得到快速发展。到2016 年末，日本已经超越德国成为仅次于中国大陆的全球第二大太阳能市场。但由于光伏标杆上网电价的下降和光伏并网的制约，考虑日本人口与土地紧张的问题，在没有政策的支持下，可以预期日本光伏市场将进入萎靡调整期^[8]。

美国：美国是最早制定光伏发电发展规划的国家。美国作为世界目前最发达的国家之一，美国政府主要还是在投资坏境方面给予优惠政策^[9]。美国于1997年制定“百万屋顶计划”以来光伏产业一直较为平稳地发展。尽管业界普遍认为美国的光伏产业将会经历一个短时的供需低迷期，但是根据测算，美国市场仍有较大的潜在发展空间。

综上分析可见，全球光伏市场正在去中心化，老牌光伏市场力不从心，越来越多的新兴市场开始投资光伏，行业也开始逐渐摆脱补贴才能生存的状况，逐渐依靠市场驱动力实现自我增长。预计太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，将成为世界能源供应的主体。

国内发展现状

根据《中美气候变化联合声明》，2030年左右，中国计划二氧化碳排放达到最大值，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右。国家对于未来中长期的能源规划非常清晰。

我国是全球光伏发电安装量增长最快的国家，仅2011年，光伏发电安装量就比上年增长了近5倍，电池产量更是占了全球电池产量的65%左右。13年，我国发布了光伏发电的相关政策，明确规定了0.42元每度的光伏发电度电补贴，并划定了三类光伏发电资源区的卖电价格。在国家政策的扶持下，中国光伏行业发展迅速。2013年至2016年，我国连续四年光伏发电新增装机容量世界排名第一^[10]；截至2017年底，中国光伏发电累计装机达到了130.25GW，已经提前并超额完成了“十三五”规划105GW的目标。

尽管近年来，为实现光伏发电平价上网，对光伏企业采取了一系列措施逐步下调上网电价。但在“领跑者”计划和光伏扶贫项目等相关政策的推动下，中国光伏的发展空间仍然很大。

课题主要内容

本文拟在基于MATLAB虚拟仿真软件的基础上，研究光伏发电的能源管理控制系统。建立一个合格高效的整体的光伏发电系统并研究其能源管理控制。建立光伏电池模型和最大功率点跟踪模型，并在 Simulink仿真平台进行仿真建模，通过仿真得到了波形验证了所采用的控制方法的正确性。并建立完整的光伏发电系统，模拟输入观察输出，进行仿真研究。

研究的基本内容包括：

1. 查阅诸多文献了解当今世界能源问题以及国内外光伏发电的现状，着重关注中国光伏产业的发展情况，并熟悉MATLAB虚拟仿真软件和simulink 仿真建立，阅读相关书籍以及文献了解光伏发电系统的基本结构；
2. 研究光伏电池的输出特性,利用MATLAB（simulink）虚拟仿真软件建立单个太阳能光伏电池模型；研究光伏电池阵列的MPPT管理技术，利用MATLAB（simulink）虚拟仿真软件建立MPPT数学模型；
3. 研究分析光伏发电系统各部分在参与光伏发电中所起到的作用并通过数据变现出来，在simulink中参考实例建立综合发电、存储和使用的光伏发电系统的仿真模型，并迸行仿真研究

基于simulink的光伏电池仿真

2.1 光伏发电系统

光伏发电系统是在光伏电池的基础上加上其他辅助设备所构成的将太阳能转化成电能的应用系统，一般包括了独立系统、并网系统以及混合（分布式）系统。

光伏发电系统一般包括光伏阵列、储能装置、逆变器以及控制器和用电负载五个部分组成：

图2.1光伏发电系统组成

按照一定的方式将光伏电池等光伏组件组装而成的阵列称为光伏阵列，亦可称为光伏方阵，其利用光伏电池经光生伏特效应直接将太阳能转换成电能实现能量转换。蓄电池组，顾名思义，储能模块，储存光伏电池组转换的电能，作为化学能储存起来，随时供负载使用，一方面可以在转换能量过剩的情况下将多余的部分储存起来以供能量不足时使用，另一方面也可以为后续能量转换提供一个中转站。太阳能电池阵列和蓄电池组构成了光伏发电系统的电源系统。

逆变器的作用是将直流电转换成交流电，由于光伏电池和蓄电池组都是直流电源，而我们日常所用一般都是交流电，所以为了满足交流负载使用的要求，逆变器是必不可少的。完成逆变后经滤波器将得到的交流电作进一步处理。由于四季阴晴以及日出日落的关系，光照强度时刻都在变换，需要控制器调节。

控制器包括充电控制和放电控制两部分，充电控制用以最大功率点追踪即保证整个发电系统能一直处于光电转换的电能的最大功率点附近，另外也需要控制蓄电池防止过充电和过放电，电路故障时可以切断开关的放电控制。负载自不必说，作为人们直接使用电能的各种形式而存在。但值得注意的是五个部分都伴随着各自产生的负载，这部分负载作为系统能量消耗而存在，这就意味着模拟光伏发电系统仿真时需要将这部分负载计算在内。

本文主要研究光伏并网发电系统。一般来说，完整的光伏发电系统五个部分一个都可缺少。各部分共同作用方能保证系统的正常运行。但光伏并网发电系统一般认为主要由光伏阵列、逆变器（带控制）以及用电负载（并入电网）三个部分组成。部分光伏并网发电系统也配备蓄电池储能。光伏并网发电系统具体的工作原理为：白天有太阳光的状态下，光伏阵列将接收的太阳辐射所带的能量转换成直流电电能，传输到并网逆变器，经过并网逆变器变成同幅方波或PWM波的交流电，再经过滤波和工频变压器升压后变成与电网电压同频、同相的正弦交流电，再输送到交流电网上或供给交流负载使用。

无论是独立光伏发电系统还是并网光伏发电系统，光伏电池都是整个光伏发电系统的基础，也是整个系统最核心的部分。了解光伏电池的基本情况，研究光伏电池的输出特性，是完成系统能量管理以及逆变器控制的理论依据。本章主要对光伏电池进行仿真建模，为后文的内容做铺垫。

2.2 光伏电池等效

光伏电池作为光伏发电系统的基础模块，也是整个系统最重要的结构部分。其基本原理是P-N节的光生伏打效应。光伏电池运用光电效应将太阳能直接转化为“光生电压”即产生电势差，加上负载就有“光生电流”，从而获得功率。至此太阳能转化为电能而存在。

2.2.1 光伏电池电路模型

太阳能电池的基本特性可以通过输出电压和电流的关系曲线来表示，而输出特性又由一系列的基本变量和参数来决定。我们需要通过建立光伏电池模型来进一步研究光伏电池参数变化对输出带来的影响。理想的光伏电池模型如图2.2所示：

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