光伏列阵最大功率点跟踪算法研究
一、选题简介、意义
诺贝尔奖获得者美国Rice University的Smalley教授曾经指出，在未来的50年里，人类面临着随之而来的10大问题中，能源问题排在首位。随着现代工业文明的发展，不可再生资源的消耗逐年增加，环境破坏进一步加剧，全球的化石能源也开始走向枯竭，随着可持续发展理念的竖立，各国正积极主动发展可再生绿色新能源，太阳能因为拥有能量高，廉价无污染、可再生等特点而备受青睐。光伏发电是利用太阳能的主要形式。虽然光伏发电与常规发电相比有技术条件的限制，如投资资本高、系统运行的随机性等，但由于它利用的是可再生的太阳能，而且作为清洁能源无大气和放射性污染，因此其具有良好的发展前景[1] [2]。根据欧洲JRC的预测，到21世纪末，在能源结构中可再生能源将占到80%以上，太阳能光伏发电将占到60%以上[3]，显示出重要的战略地位。因此为了解决光伏发电系统效率低、成本高等问题，对光伏陈列最大功率点的跟踪算法研究具有非常重要的意义。
二、课题综述
1、研究内容及拟解决的关键问题：
本次毕业设计通过中国知网内的文献获得有关光伏陈列跟踪算法研究的资料，对现有的理论成果进行研究分析，了解MPPT算法原理及其发展历程，建立光伏发电系统MPPT 电路结构图，以传统寻优算法中的扰动观察法、电导增量法为例，制作扰动观察法，电导增量法流程图，用Matlab/Simulink软件进行仿真实验，通过实验结果，分析MPPT算法的优缺点，了解现有的MPPT算法。根据这些算法优缺点尝试提出一种新的方法予以改进。
解决问题的关键是如何用Matlab/Simulink软件进行仿真实验，并通过实验结果系统的各个分析算法优缺点，并针对性的给予优化，然后验证所改善控制算法的正确性。
2、国内外研究现状：
1839 年，法国的Edmond Becquerel发现了“光伏效应”即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。自从上个世纪90年代，太阳能光伏发电迅速发展，并先在德国和日本得到应用和发展。从2006年到2012年增装机量规模翻了30倍，到2012年时，全球累计装机容量中，欧洲占了7成，德国一国便占了31%，意大利是欧洲第二大市场。近十年来,世界光伏产业以40%以上的年复合增长率高速发展[4]。中国的光伏产业发展较晚，但新世纪以来取得了长足的进步，我国光伏产业经历了爆发式增长，已基本形成了涵盖多晶硅材料、铸锭、拉单晶、电池片、封装、平衡部件、系统集成、光伏应用产品和专用设备制造的较完整产业链。产业链各个环节的专用设备和专用材料的国产化加快，许多设备完全实现了国产化并有部分出口。截止到2007年底，全国太阳能电池和组件的生产能力分别达到2.9GWp和3.8GWp，当年产量分别比2006年增长148％和138％，达到1.1GWp和1.7GWp，均占世界总产量的27％以上，使我国成为全球第一大太阳能电池和组件生产国。2007年我国光伏产业的销售收入也增加到1000亿元，从业人员达到8万人以上。根据中国国家能源局公布的数据，截止到2010年火力发电在总装机量中任然占主导地位。13年国家发改委又出台了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》，但光伏发电仍处于较低水平[5]。当今，世界各国普遍重视和发展太阳电池，光伏发电作为太阳能利用的主要形式之一,在应对全球气候变化、能源转型方面都发挥着重要作用[6]。随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新概念的太阳能电池已经显现。目前，高效率、长寿命、低成本成为太阳能电池发展的总趋势[7]。基于上述太阳能电池的发展背景和现状分析，目前太阳能电池发展的新概念和新方向可以归纳为薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及纳米晶电池。 目前，在太阳能电池中，晶体硅太阳电池占据了90%的世界太阳能光伏市场，而且在未来5到10年内仍将主导太阳能光伏市场。要想推动了世界光伏产业的快速发展，提高太阳能电池的光电转换效率是降低太阳电池组件成本是主要方法，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池成本最高的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要，这也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。世界各国科技人员积极研究高效率硅电池、多带隙电池、聚光电池和薄膜电池，为进一步降低成本而努力。目前，高效率、长寿命、低成本成为太阳能电池发展的总趋势。此外，多晶硅薄膜电池在将来可能更具吸引力，目前商业化电池效率已经达到17-18%。在薄膜电池的研究中，研究的重点是简化生产技术，改善材料的化学性质，以及改进电池设计。薄膜电池已采用多结制备技术以提高效率，United Solar System公司已经发展了三结非晶硅电池，效率达到12%，这种电池与一种柔性衬底结合，显著降低了制造费用。
此外，模拟真实光伏阵列行为的太阳模拟器已经被开发出来[8]。因此，为了收集最大可用功率，工作点需要使用MPPT算法不断跟踪[9] -[11]。要想在光伏产业中获得长足进步对于MPPT算法的深入研究不可或缺。现今研究的MPPT算法一般有恒定电压跟踪法，干扰观察法，电导增量法，间歇性扫描跟踪法等。中外学者们对其研究没有停止脚步，又发展了MPPT算法。例如03年斯梅德利等人提出了一种基于单周控制的光伏阵列最大功率点跟踪控制的方法[12]。06年张超等人在中国电机工程学报[13]上提出了短路电流比例系数法和扰动观察法相结合的方式。H. Patel 等人在印第安纳州的公司的基础上开发了一种单相系统的MPPT算法[14]。浙江大学博士张超提出了非对称模糊最大功率点跟踪控制和双模式最大功率点跟踪控制两种新的最大功率点跟踪控制方法、周期性扰动正反馈有源频率漂移孤岛检测方法[15]。2009年胡静,张建成提出了一种基于数值方法的光伏发电系统MPPT控制算法[16]。吴大中等人提出变步长扰动观察法这种对于传统MPPT算法的改进方法[17]。天津大学马昊提出差分进化算法[18]。郑必伟等针对对传统一阶式MPPT控制算法在单级式光伏并网逆变系统应用中的不足之处,将模糊PID控制引入到单级式并网发电系统的MPPT控制当中[19]。刘建军,王东在MPPT扰动观察法中的非对称模糊算法[20]。
3、研究计划或撰写方案:
1)20 1)第一阶段，查阅相关资料，了解课题国内外现状及发展
2)第二阶段，系统得介绍太阳能电池的发电原理和电池等值电路，MPPT的基本原理。
3)第三阶段，以传统寻优算法中的扰动观察法、电导增量法为例，构建数学模型，并使用Matlab/Simulink软件进行仿真实验，通过实验结果验证其算法的可行性。
4)第四阶段，分析扰动观察法、电导增量法优点和它的局限性。并根据仿真实验提出改进方法，在学有余力时验证其可行性。
5)第五阶段，总结本毕设研究结果，分析以后研究方向。
4、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析： 5.1 研究方法
1.文献阅读法：阅读相关文献，对文献的知识进行学习，通过中国知网内的文献获得有关光伏陈列跟踪算法研究的资料，对现有的理论成果进行研究分析，学习常用的MPPT算法知识。
2.特性分析法：根据本次研究的光伏陈列跟踪算法所需要达到的效果进行特性分析，根据所控制量的不同，对不同的算法功能实现做出选择，得到最符合使用的算法。
3.仿真优化法：再完成MPPT算法的理论研究基础上，使用Matlab/Simulink仿真软件，通过仿真的结果确定算法的优劣性。
5.2 技术路线
建立光伏电池等效电路，进行数学建模，建立Matlab仿真模型，对常用的MPPT方法建模仿真，分析扰动观察法、电导增量法等常用MPPT算法优缺点。
5.3 可行性分析
本文在深入了解光伏电池工作原理的基础上研究光伏电池等效电路，建立数学模型和Matlab仿真模型，通过实验数据与理论分析相比较予以验证并改进算法。分析了光伏电池输出特性，为光伏发电系统仿真研究打下了基础。综上所述，方案可行。
5.4实验方案
扰动观察法流程图 电导增量法流程
根据上面的扰动观察法和电导增量法流程图，使用Matlab软件建立基于Buck电路的MPPT仿真模型，进行软件仿真。根据流程图进行软件实验验证，再根据仿真结果对两种方法优劣进行比较分析。针对各个方法不足之处对扰动步长的设定和跟踪过程误判问题干扰，对其做出优化。
5、特色或创新点：
1.依1.据光伏电池实体建立光伏电池等效电路。
2.建立光伏电池的工程数学及Matlab仿真模型，对光伏电池输出特性进行分析。
3.使用Matlab的Simulink工具对算法进行仿真。
4.针对扰动观察法和电导增量法特点，对不足之处予以改进。
7、参考文献:
[1] 梁有伟, 胡志坚, 陈允平. 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]. 电网技术, 2003, 27(12): 71-75.
[2] 严陆光, 倪受元, 李安定. 太阳能与风力发电的现状与展望[J]. 电网技术1995, 19(5): 1-9.
[3]中国及海外太阳能光伏产业发展报告[R]. 2011, 2(18).
[4] 郑战军. 我国光伏产业现状与发展对策研究[D].西南交通大学,2012.
[5] 邓洲． 国内光伏应用市场存在的问题、 障碍和发展前景[D]．中国能源,2013,35(1)：12—16．
[6] 尚超, 马长莲, 孙维拓, 徐凡, 乔晓军, 郭文忠. 我国光伏设施园艺发展现状及趋势[J]. 农业工程, 2017, 7(06): 52-56.
[7]沈文忠. 面向下一代光伏产业的硅太阳电池研究新进展[J]. 自然杂志, 2010, 32(3): 34—142.
[8] R. A. Mastromauro, M. Liserre, T. Kerekes, and A. Dell’Aquila, A single-phase voltage-controlled grid-connected photovoltaic system with power quality conditioner functionality[J], IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(11): 4436-4444.
[9] T. Esram and P. L. Chapman, Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques[J], IEEE Transaction on Energy Conversion, 2007, 22(2): 439-449.
[10] J. Park, J. Ahn, B. Cho, G. Yu, Dual-module-based maximum power point tracking control of photovoltaic systems[J], IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(4): 1036-1047.
[11] T. L. Nguyen , K.-S. Low, A global maximum power point tracking scheme employing DIRECT search algorithm for photo-voltaic systems[J], IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 10(1): 10-57.
[12] Y. Chen, K. Smedley, A cost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking [J] IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(5): 1289-1294.
[13] 张超, 何湘宁, 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用[J].中国电机工程学报, 2006, 26(20): 98—102.
[14] H. Patel , V. Agarwal, Maximum power point tracking scheme for PV systems operating under partially shaded conditions[J], IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(4): 1689-1698.
[15] 张超. 光伏并网发电系统MPPT及孤岛检测新技术的研究[D]. 浙江大学, 2006.
[16] 胡静, 张建成. 基于数值方法的光伏发电系统MPPT控制算法研究[J]. 电力科学与工程, 2009, 25(07): 1-6.
[17] 吴大中, 王晓伟. 一种光伏MPPT模糊控制算法研究[J].太阳能学报, 2011, 32(06): 808-813.
[18] 马昊. 基于改进差分进化算法的局部遮挡情况下光伏发电MPPT控制[D]. 天津大学, 2016.
[19] 郑必伟, 蔡逢煌, 王武.一种单级光伏并网系统MPPT算法的分析[J]. 电工技术学报, 2011, 26(07): 90-96.
[20] 刘建军, 王东. 非对称模糊算法在MPPT扰动观察法中的研究[J]. 电源技术, 2011, 35(05): 551-552.
三、设计（论文）体系、结构（大纲）
1.1 本课题的背景和意义
1.2 国内外的发展概况
1.2.1国外光伏发电现状
1.2.2我国光伏发电现状
1.2.3光伏陈列最大功率跟踪算法研究现状
1.3 本课题主要研究内容
第2章 光伏发电系统概述和光伏电池特性
2.1 光伏发电系统概述
2.1.1光伏发电系统组成
2.1.2光伏发电系统的分类
2.2 光伏电池特性6
2.2.1光伏电池的等效电路及重要参数分析
2.3 本章小结
第3章 光伏MPPT原理和控制方法设计
3.1 MPPT原理
3.2 常见的MPPT算法分析
3.2.1固定电压法设计
3.2.2扰动观察法设计
3.2.3电导增量法设计
3.3 本章小结
第4章 MPPT算法仿真及优缺点分析
4.1 固定电压法仿真分析
4.2 扰动观察法仿真分析
4.3 电导增量法仿真分析
4.4 本章小结
第5章 结论与展望
5.1 结论
5.2 不足之处及未来
第6章 致 谢
第7章 参考文献
