摘 要

18世纪人类开始了轰轰烈烈的第一次工业革命，它成为了人类大肆开发使用化石能源的开始。人类在不到300年的时间从一切靠人力的时代飞速的发展到了现如今这个自动化的时代。但作为对应的是，我们也将不可再生的化石能源消耗的几乎一干二净。为了实现可持续发展，人们把目光投向了大自然中一直存在的、可再生的新能源上，其中太阳能的表现尤为突出，在发电领域光伏发电隐隐有着超越传统火力发电的趋势。

自光伏发电系统引起国内外学者重视以来，最大功率点跟踪控制便作为提升光伏发电系统发电效率的重要手段进入大众视野。所以本文把研究对象定位光伏发电系统，为了实现更加快速有效地跟踪到最大功率点对其进行一系列仿真实验。

本文第一步在光伏系统的基础上引进了太阳能电池的工作原理，通过对其的分析研究，在其上建立其数学模型。然后进行系列实验，分析光伏电池的重要特性之一的输出特性曲线，根据曲线来介绍最大功率点的概念，在概念的基础上阐述最大功率点跟踪的工作原理，在此基础上分析常用的MPPT方法（恒定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法等）。

差分进化（DE）算法作为一种相对年轻的全局优化算法，最早由斯托恩和普莱斯于1997年提出，并用于求解多维空间之中的整体最优解。具有结构简单、便于理解，收敛快速的特点，因此被应用到许多领域。本文将差分进化算法引入光伏系统MPPT，然后对基于差分进化算法的光伏发电系统最大功率点跟踪控制进行仿真验证，并通过与逐点比较法来进行数据比对和误差分析。仿真实验结果显示，将差分进化算法应用于最大功率点跟踪控制技术之后，能在保证精度的情况下显著提升跟踪效率。

关键词：太阳能；光伏系统；最大功率点跟踪；差分进化算法

Abstract

In the 18th century, mankind began the vigorous first industrial revolution, which became the beginning of mankind's extensive development and use of fossil energy. In less than 300 years, human beings have developed rapidly from the era of relying on manpower to the current era of automation. However, as a counterpart, we have almost completely consumed non-renewable fossil energy. In order to achieve sustainable development, people have turned their attention to the new renewable energy that has always existed in nature. Among them, the performance of solar energy is particularly prominent. In the field of power generation, photovoltaic power generation has a tendency to surpass traditional thermal power generation.

Since the photovoltaic power generation system has attracted the attention of scholars at home and abroad, the maximum power point tracking control has entered the public's field of vision as an important means to improve the power generation efficiency of the photovoltaic power generation system. Therefore, in this paper, the research object is located in the photovoltaic power generation system, and a series of simulation experiments are carried out to track the maximum power point more quickly and effectively.

The first step of this paper is to introduce the working principle of solar cells on the basis of photovoltaic system. Through analysis and research on it, a mathematical model is established on it. Then conduct a series of experiments, analyze the output characteristic curve of one of the important characteristics of photovoltaic cells, introduce the concept of maximum power point according to the curve, and explain the working principle of maximum power point tracking on the basis of the concept .On this basis, the commonly used MPPT methods (constant voltage method, disturbance observation method, conductance increment method, fuzzy control method, etc.) are analyzed.

The differential evolution (DE) algorithm, as a relatively young global optimization algorithm, was first proposed by Rainer Storn and Kenneth Price in 1997 and used to solve the overall optimal solution in multidimensional space. It has the characteristics of simple structure and fast convergence, so it is applied to many fields. In this paper, the differential evolution algorithm is introduced into the MPPT of the photovoltaic system, and then the maximum power point tracking control of the photovoltaic power generation system based on the differential evolution algorithm is simulated and verified, and the data comparison and error analysis are performed through the point-by-point comparison method. Simulation experiment results show that, after applying the differential evolution algorithm to the maximum power point tracking control technology, the tracking efficiency can be significantly improved while ensuring accuracy

Keywords: solar energy; photovoltaic system; maximum power point tracking; differential evolution algorithm

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

随着人类生活水平的蒸蒸日上、科技社会的日新月异，在我们几百年来不停歇地开采化石能源的同时，以化石能源为基础的能源结构的弊端也不断暴露出来，在高污染和资源逐渐匮乏的两座大山面前，人们慢慢将目光转向新能源的开发上，越来越多的研究学者将研究精力放在了太阳能、潮汐能和风能等大自然所恩赐的资源上。人类在诞生的时候就意识到了太阳所带来的光和热。随着21世纪的到来，太阳能早已不再是一个生僻的词汇，人们把太阳能所蕴含的热量转换成电能，早些年的时候人们发明了太阳能热水器；随着智能手机的普及人类又将太阳能发电做成电池应用到手机充电中，走进千家万户；在应用到汽车行业之后更是大放异彩，前景广阔。太阳能凭借其绿色，易取得，无穷无尽的特性被应用到广泛的领域，迈进21世纪的20年来，利用太阳能的光伏发电技术也随着科学技术水涨船高，成为了人类利用太阳能首要途径，光伏发电技术也逐渐应用到更多的领域，走进千家万户，成为我们生活中的日用品。

在当前的情况下，以石油为主的化石能源依旧是我们日常生活的首要选择，但化学能源不可再生和生成条件苛刻两个问题像大山一样压在人类社会的肩头。消耗能源才能发展社会，反过来随着社会的发展人口暴增又加速能源的消耗形成恶性循环。据英国石油曾发布过的一篇报告显示，如果不开发新能源，21世纪中期煤炭将会是世界唯一化石能源。并且伴随着化石能源的使用，一系列的对环境造成严重影响的问题也接踵而至，空气污染、全球变暖很早之前就成为世界重点关注的问题，地球环境首当其冲，受到因化石能源被大量使用所排放的二氧化碳等温室气体造成的“温室效应”损害。我国是世界第一人口国家，因此上述问题尤为严重，火力发电占到了能源消耗的68%，一跃成为世界第二大的二氧化碳排放国家。所以，新能源的寻找与开发变得迫在眉睫。

风能潮汐能地热能等新能源因其地理位置原因不能大范围的应用推广，从而太阳能便成为新能源的宠儿，凭借着无穷无尽的资源量和随处可见的特点，在各国的能源结构中逐渐占据了越来越大的比例。我国地域辽阔，因此就我国国情来说，发展太阳能占据着天时地利人和。我国大部分国土处与温带地区，自然光照量十分的丰富；尤其是中西部地区，拉萨一年甚至有超过34%的时间都处在日照下，凭此荣获“日光城”的美誉，因此发展太阳能势必在行。

作为利用太阳能最有效的方式，光伏发电及其相与之有关的技术日渐成为各国研究重点。但凭借着现在的技术手段，“热斑效应”是一个绕不过去的问题^[1]。所谓“热斑效应”就是因不可抗力造成的局部阴影遮蔽，太阳能电池局部电流和局部电压增大，导致局部温升称之为“热斑效应”，它会烧毁电池板导致寿命下降甚至报废。如果想规避“热斑效应”则需要加入旁路二极管，但又会使光伏电池的输出特性曲线出现多峰现象从而大幅降低输出转换率^[2]。因此研究光伏系统的最大功率点的跟踪控制（MPPT）的方式就成为了重点中的重点，这个技术可以直接提高光伏系统的发电效率^[3]。

1.2国内外研究现状

在意识到能源问题的严重性和太阳能广阔的前景之后，各国学者纷纷建立起有关项目，各国政府也大力扶持新能源技术产业。太阳能光伏技术在早期便是以政府相关部门在政策方面和资金方面给予了大量的资源；随着研究的不断深入，光伏技术也被应用到了各种方面上，发展也由最初的政府扶持走向逐步走向了商业化。对应的，世界各国的光伏发电量也逐渐代替了传统的火力发电，在总发电量中占据的高比例。如图1.2则是世界各国光伏发电的总量占据总发电量的百分比。由图不难看出，每年的光伏发电比在显著增高，因此可以大胆预测21世纪末太阳能光伏发电技术将会成为世界主要能源供应^[4]。

图1.2 世界各国光伏发电的总量

虽然在光伏发电技术方面以美日德意等国为首的发达国家暂时处于领先地位，并且由于起步晚和技术难关等原因，中国一直到近年来才开始发展，但是中国光伏制造业在技术研发和市场机制的支撑下稳定形成规模，2001年第一条太阳能电池生产线成立，2007年中国便一跃成为世界上生产太阳能电池最多的国家。受国内光伏并网价格调整所带来的预安装效果、分布式市场加速扩张等多种因素的驱动，中国光伏产业突飞猛进，通过几年的大规模拓展产业规模，在世界光伏领域已经站稳了脚跟。在四年前光伏发电装机176.1GW，为十年前的80倍。并且截至去年末，我国光伏发电总的装机容量达到史无前例的204.3GW，连续5年荣登冠军，仅去年全年便新增光伏发电装机30.1GW，连续7年全球领先。随着光伏产业的飞速发展，如何在技术手段的基础上更快更好地提高光伏发电效率的同时减小光伏发电的成本就成为了光伏发电技术创新的关键点，最大跟踪点跟踪（MPPT）便成了首要任务。

1.3本文主要内容和工作安排

在光伏发电装机呈指数增长的情况下，为了针对如何提高光伏发电效率的问题，本文将在光伏系统发电的核心问题入手，从最大功率点跟踪开始研究。本文对光伏电池进行建模，然后在通过MATLAB仿真平台来构建相关模型。总结出光伏特性曲线来找出最大功率点(MPP)，然后通过查阅文献和查找有关资料了解当前热门最大功率点跟踪方法，通过对其原理进行分析，了解优缺点并相互对比。随后引进本文所用的差分进化算法（DE），在MATLAB平台上编写程序，通过差分进化算法程序来对所建立的模型进行验证，看是否可以找出光伏电池在不同条件下的最大功率点并对其进行跟踪控制，通过多次实验减小误差，与通过逐点比较法所得结果进行比对来验证差分进化算法的正确性和速度，进而证明基于差分进化算法的最大功率点跟踪控制可以有效的提高光伏发电效率。

本文在第一章节对光伏发电系统背景和研究意义进行阐述；第二章节对光伏发电系统进行概述；第三章节介绍光伏发电系统最大功率点跟踪控制技术并对比；第四章节介绍差分进化算法并将其应用；第五章节进行相关对照实验，将实验数据与原结果进行比对；第六章节进行全文总结和前景展望，进一步的讨论了今后的研究方向。

第二章 光伏发电系统概述

2.1光伏发电系统基本结构

我们通常所说的太阳能电池一般是将光电效应应用在半导体材料上，在前者的作用下把抽象的光能转换成切实可用的电能的装置，并且太阳能电池在光伏系统之中仅仅是一个基本单元。简单的光伏发电系统通常还包括一组或几组光伏电池阵列，MPPT控制器，DC / DC转换电路和蓄电池组。简单结构如图2.1所示。