摘 要

自二十一世纪初以来，人类对于能源的需求日益增多，但是地球上目前可供给人类的能源却十分有限，因此开发新的能源已经是势在必行的事情。太阳能由于其清洁、环保、近于无限大等特性被越来越广泛的采用，其中最主要的利用形式是光伏发电。因而建立实时有效的光伏组件故障检测系统从而提高利用太阳能的稳定性与安全性是一个实在必行的选择。现如今比较常规的光伏系统故障诊断方法，往往存在着诊断速度慢、诊断不明确、使用成本高、无法在线检测等各种缺点，因此本文重点研究了一种结合MPPT算法、成本又比较低廉同时又可以进行在线检测的故障诊断系统，对于光伏组件的故障诊断具有十分重要的现实意义。

在故障检测实现方面，本文首先是选取了电气测量法这一常规方法与MPPT控制进行结合，然后再基于串并联结构搭建出光伏阵列，同时探究辨析度与传感器数量的关系，选取合适的辨析度与传感器数量。在提出具体方法的基础上，本文使用MATLAB/SIMULINK对于结合MPPT算法的光伏阵列故障检测系统的诊断效果进行了仿真模拟，结果表明该方法对于降低故障检测成本和在线高效确定故障类型和故障位置十分具有研究意义。

关键词：MPPT；光伏阵列；故障检测；SP结构

Abstract

Since the beginning of the twenty-first Century, the demand for energy is increasing, but the energy available to mankind on earth is very limited, so it is imperative to develop new energy. Solar energy is widely used because of its cleanliness, environmental protection and infinity. The most important form of photovoltaic power generation is photovoltaic power generation. Therefore, it is a real choice to establish a real-time and effective fault detection system for PV modules so as to improve the stability and safety of solar energy. Nowadays, the conventional fault diagnosis method of photovoltaic system is often characterized by slow diagnosis speed, unclear diagnosis, high cost, and unable to detect online. Therefore, this paper focuses on a fault diagnosis system which combines the MPPT algorithm, the cost is low and can be detected on line at the same time. Fault diagnosis of PV modules is of great practical significance.

In the aspect of fault detection, this paper first selects the conventional method of electrical measurement to combine with MPPT control, and then builds a photovoltaic array based on serial and parallel structures. At the same time, it explores the relationship between the degree of discrimination and the number of sensors, and selects the appropriate degree of discrimination and the number of sensors. On the basis of specific methods, this paper uses MATLAB/SIMULINK to simulate the diagnosis effect of a photovoltaic array fault detection system combined with MPPT algorithm. The results show that the method is of great significance to reduce the cost of fault detection and to determine the type of fault and the position of the fault position efficiently.

Key words：MPPT; photovoltaic array; fault detection; SP structure

目录

第1章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3主要研究内容 2

第2章 光伏电池结构及MPPT算法研究 3

2.1 光伏电池的工作原理 3

2.2 光伏电池的电路等效模型 3

2.3 本章小结 4

第3章 MPPT算法原理与控制方法 5

3.1 MPPT算法控制的基本原理与优点 5

3.2 常用的对MPPT控制的方法 6

3.3 MPPT算法的选择 7

3.4本章小结 8

第4章 MPPT算法与光伏阵列故障映射关系研究 9

4.1 光伏阵列的故障类型 9

4.2光伏阵列故障检测方法研究 9

4.3 MPPT算法在故障检测方面的应用 10

4.4 本章小结 12

第5章 结合MPPT算法的故障诊断方法 13

5.1光伏阵列的串并联结构 13

5.2 辨识度与传感器数量的关系分析 16

5.3 MPPT算法组件的仿真模拟 18

5.4 光伏阵列故障诊断系统的仿真验证 19

5.5 本章小结 24

第6章 结论与展望 25

6.1 结论 25

6.2 展望 25

致谢 27

参考文献 28

第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

随着社会的不断进步与科技日新月异的发展，各个行业与日产生活中所需要消耗的能源也随之增多。在最近几年，传统的化石能源趋向于消耗殆尽，开采难度与数量上的问题也因此越来越严重，寻找新能源成为当前人类面临的迫切需求，对于新能源的开发和利用已经成为了当前人类所研究的主要课题之一。太阳能来自于太阳上每时每刻都在发生的的核聚变过程，该过程太阳已经进行了亿万年并且还会持续下去，因而太阳能几乎是用之不竭的能源。研究表明，地球每一分钟就会接受四万八千兆瓦来自太阳的能量，该能量相当于地球一年所消耗电能的八百倍，其庞大的获取量由此可见。因其具有资源充足、长寿，分布广泛、安全、清洁，技术可靠等优点，于是，太阳能发电在近些年来不断地高速发展，太阳能光伏发电作为太阳能发电的主要方式，在应用上已经得到了许多成效^[1，2]。

为光伏发电所建设的光伏电站多是由众多包含太阳能电池光伏组件组成的光伏阵列来进行发电。目前光伏组件的寿命大概为25年，但光伏阵列的能量传输受其连接结构和电池板性能的影响并且光伏组件生产过程中在热、电、外损伤和影响等各种因素的影响下，8~10年后会出现绝缘老化和材料劣化等缺陷，从而导致故障和事故的发生。如何优化和降低光伏电站的成本，已经影响到光伏发电的大规模应用。光伏电站主电路中一个小部件的失效往往影响到整个光伏电站的整体效率。此外，它还会降低光伏发电厂的运行寿命，甚至会造成更严重的事故等问题。为了提高光伏电站的运行寿命，避免各种事故，保证光伏发电系统安全稳定的运行，便于维护工作的进行，及时的对光伏系统的故障进行在线实时诊断势在必行，因此研究一种对于光伏发电系统进行可靠地故障排查的方法发现具有重大的意义^[9]。

1.2国内外研究现状

目前针对于MPPT算法控制，国内外的学者都进行了各种方面的研究。如在文献[11]中将模糊控制应用到了光伏阵列的最大点跟踪控制中，再将改进后的扰动观察法与之结合优化最大功率点处的稳态特性以加快系统的快速性的稳定性^[11]。在文献[12]中，对于在进行扰动观察法跟踪过程中因为快速扰动而造成的功率震荡和误判等问题提出了优化方案^[12]，在文献[13]中针对局部遮荫条件提出了一种基于粒子群优化算法的MPPT控制算法^[13]。在文献[14]中有人针对MPPT的动态性能和稳态性能的问题，提出了一种具有最优步长的最速下降MPPT算法^[14]。国外学者对于MPPT算法的研究也十分的深入，如在文献[15]中提出的采用智能控制方法寻找最大功率点，使用模糊逻辑控制器应用到DC-DC控制器来达到MPPT控制的效果^[15]。在文献[16]中提到了针对如何优化光伏阵列在部分遮挡下的多峰值MPPT控制，保证光伏系统的最大输出功率，从而提出了一种基于改进BA算法的最大功率点跟踪控制方法^[16]。集成了小生境技术的D拥挤策略，减少了相似个体的数量，增加了BA在迭代过程中的种群多样性，提高了BA在MPPT控制中的全局搜索能力，增强了最大功率跟踪的稳定性。在文献[17]中介绍粒子群优化算法（PSO）在光伏系统最大功率点跟踪（MPPT）控制中的应用，并对PSO进行改进，以适应光伏系统，在该文献的实验中表明，利用粒子群优化算法跟踪MPPT变得更容易、准确^[17]。

1.3主要研究内容

随着社会的不断进步与科技日新月异的发展，各个行业与日常生活中所需要消耗的能源也随之增多。在最近几年，传统的化石能源趋向于消耗殆尽，开采难度与数量上的问题也因此越来越严重，寻找新能源成为当前人类面临的迫切需求。太阳能这种新兴能源比较环保，储存量也十分巨大，因而最近光伏发电发展的十分迅速。为了达到整个太阳能光伏系统的安全、稳定运行，我们需要随时准确的判断光伏系统的故障。于此同时目前常用的故障诊断方法有着各种各样的缺点，要么存在需要获取大量信息来判断的缺点，要么存在需要高价设备来运行的缺点，要么就存在这无法实时在线检测的缺点。

本文主要研究光伏阵列的故障诊断问题，结合当前比较热门的MPPT控制算法提出了一种新型的基于串并联结构和MPPT算法的故障诊断系统。该系统是以电气测量法为基础，集合MPPT进行改进，通过检测MPP点来得到光伏阵列支路电流和各个光伏组件的电压。通过比较支路上的电流来确定故障支路和故障类型，然后通过对于各个组件电压的检测来确定故障发生的具体位置。随后搭建所提出的光伏阵列故障检测模型的MATLAB模型，进行短路、开路和遮蔽三种故障的仿真实验。

第2章 光伏电池原理及模型研究

2.1 光伏电池的工作原理

光伏电池主要利用PN结的光伏效应来作为主要的构成原理，进而转化不可直接利用的太阳能为我们可以直接通过电器来使用的电能。光生伏打效应指的是相应的吸光材料被太阳所照射时光照使其吸收光子产生电位差的现象^[4]。

电子由于光子的激发从价带状态变成了到导带状态。随后价带内出现了一个空穴（自由）从而产生了光生载流子，p型材料中的电子与n型材料中的空穴将在与少子寿命相当的时间内，以相对稳定的状态存在，直到复合。当载流子复合后，光生电子空穴对将消失，电流和功率都没有出现。光生电子-空穴对在耗尽层中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生空穴则被送进p区。光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。因此而产生的电势差我们称其为光生电压。当有外接电路时就会形成回路提供电能^[6,10]。

图2.1 光伏电池发电原理

2.2 光伏电池的电路等效模型

在研究太阳能电池和光伏组件文献的不同模型中，采用单二极管模型，如图2.2所示。根据模型，其中=nkT, Ipv为光产生电流，Io为反向饱和电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，A为二极管理想因子，q为电子电荷，v为光伏电池的输出电压，p为光伏电池输出功率，k为玻尔兹曼常数，T为模温(开尔文)。PV模块的电流(I)以及输出功率（p）表示如下^[5]:

图2.2 光伏电池模拟电路图

根据等效电路图能可以得出太阳能电池的输出电流和输出电压之间关系式：

（2.1）

光伏电池的伏安特性，根据外界环境光照、温度不同，光伏电池的I-V特性如图2.3所示。

图2.3 光伏电池的伏安特性

2.3 本章小结

本章主要分析了光伏电池的基本原理与结构，研究了光伏电池的电路等效模型，并根据等效电路得出了太阳能电池输出电压与输出电流之间的关系。

第3章 MPPT算法原理与控制方法

3.1 MPPT算法控制的基本原理与优点

为了在已有的太阳能电池转换效率的基础上提高太阳能发电效率，本文重点研究了一种最大功率点跟踪(MPPTT)方法。光伏阵列的输出功率输出受到光照强度、环境温度和负载这三方面的主要影响。在相同的环境温度里，接受同样的光照强度，光伏电池的输出电压不一定会相同，所输出的功率也随之不同，只有保证在某个输出电压下，输出功率才会处于MPP点，光伏电池的输出功率才能保证接近与最大值。太阳电池的输出特性会随着外界因素的变化而变化，而环境的变化则不能通过预测来控制，从而导致光伏电池输出功率的不断变化。这将导致太阳能转换效率下降。当外界环境处于某种状态时，光伏系统的电压和电流会不断地变化，而在变化过程中就会存在一个最大功率点，为了保证电池的转化效率我们要将光伏系统的功率稳定在最大功率点附近，图3-a为光伏阵列的输出特性曲线。MPPT技术就是一种通过记录系统自身实时的参数与存储的最大功率做比较，使其功率大致稳定在最大功率点附近从而提升发电效率的一种动态寻优的技术^[3]。

图3.1 光伏电池的输出特性

图3-1(b)是光伏电池的输出特性与负载进行匹配的曲线，从图中我们可以发现在某个最大功率点时刻外界环境发生变化，如果负载不变，输出特性由A向后变化为B导致功率降低，而如果改变负载将使得输出特性变为B’就可以保证光伏系统在最大功率点之上运行。

目前，太阳能电池阵列的MPPT控制采用DC/DC转换电路实现。DC/DC电路主要的作用是对光伏电池的阵列和负载进行连接，同时改变PWM驱动信号来起到MPPT控制作用。MPPT装置首先要检测光伏阵列的电流和电压，随后将DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比改变，进而控制光伏阵列的功率点位置，将其稳定于最大功率点附近。MPPT的主要目的是通过适当的控制，在某种温度和光照的条件下，找到使得光伏电池输出最大功率的电压。并且当外在环境产生改变时，可以快速的稳定的跟踪最大功率点。从而达到使工作功率稳定在最大功率点附近的目的，尽可能的提升将太阳能转化为电能的效率。

3.2 常用的对MPPT控制的方法

3.2.1 扰动观察法

扰动观察法，又被称为爬山法，是目前广泛应用的一种MPPT方法，这种方法的控制思路为通过周期性的控制负载来改变电池的输出，然后通过改变前后输出曲线的变化来决定下一步的操作，假如MPP电路占空比升高会导致输出功率增加则继续增加占空比，直至光伏电池的输出功率开始下降，反之如果占空比升高导致输出功率减少则减少占空比直至光伏电池的输出功率开始下降。扰动步长△d是扰动观测方法中的一个固定值，占空比变化值称为扰动步长d。通过不断改变相同的步进尺寸，光伏电池的功率接近最大值。在选取观察法的步长时需要注意要同时权衡光伏发电系统的动态响应速度以及稳定状态下的控制精度两方面的要求。△d变大会使得光伏发电系统对于外界环境变化的动态响应速度会变快，但是同时会造成较大的功率震荡降低稳定状态下的控制精度，然而反之△d变小会使得震荡减小增加控制精度，但是会使得动态响应速度减慢，跟踪速度下降^[7]。其具体原理如图3.2：

图3.2 扰动观察法原理图

3.2.2 恒定电压控制法

恒定电压跟踪法的理论依据是在不同的光照条件下，光伏电池的p-u输出曲线（如图3.3）上最大功率点电压位置基本位于某个电压值附近，那么将光伏电池输出电压控制在这个值处，就可以使得光伏电池的实时功率处于近似于最大功率点的位置^[8]。

图3.3 扰动观察法原理图

3.2.3 增量电导法

增量电导法是目前MPPT广泛应用的一种方法，主要原理是由于光伏电池阵列的P -U曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线。因为一阶导数是存在极值的，所以我们可以利用其一阶求导来寻找到极值，根据极值来控制光伏阵列来达到MPP点。首先对于功率P=UI,进行两边同时求导，得到dP=IdU UdI。再将上式两边同时除以dU，我们就可以得到dp/du=i u*di/du.令dp/du=0则i/u=-*di/du。通过以上方法，我们就可以利用点到增量来使得光伏电池功率达到MPP点。如果电流光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的左侧，则dp/p/dugt;0，即di/dugt;-i/u，表明参考电压应沿增加方向变化。反之亦然。

3.2.4 模糊控制法

所谓的模糊控制方法是先对采集到的信息进行模糊化，再进行模糊决策，得到控制量的模糊集，最后去模糊化得到控制量，作用于被控对象，使被控过程达到预期的效果。因为光伏系统是一个非线性的难以用描述的数学模型，因此将模糊控制应用于光伏系统的MPPT控制十分合适。模糊控制阀原理如图3.4所示：

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