基于simulink的PV光伏发电MPPT仿真

Posted 2022-12-21 fpga和matlab

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于simulink的PV光伏发电MPPT仿真相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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一、理论基础

由于人口增加、城市化和工业化，能源需求与日俱增，可再生能源是我们传统能源的替代品，因为传统能源是有限的，而且会过期。太阳能、风能和水能等清洁能源变得越来越受欢迎，主要是因为它们不产生任何排放，而且取之不尽用之不竭。光伏（PV）能源效应可以被认为是一种重要的可持续资源，因为太阳能辐射能量丰富，而且具有可持续性，因此电网连接的光伏系统被广泛使用，尽管太阳能可以免费获得，但光伏电池的成本非常高。因此，对太阳能的初始投资将是非常高的。光伏系统的基本元素是太阳能电池，它将太阳光照度转换为直流电。光伏系统的电网连接需要一个有效的转换器，将低直流电压转换为交流电。

需要满足公用电网和光伏系统两方面的技术要求，以确保光伏安装者的安全和公用电网的可靠性，从而有效利用所产生的电力。必须开发一个接口系统来实现光伏系统和电网之间的互联。为了确保该系统能如愿以偿地工作，并研究其在不同条件下的影响；必须对该系统进行建模和模拟。本文是这一领域的一个小贡献，但进一步说，研究人员和项目必须实施并网光伏系统和智能电网而做。因此，主要目标是为三相光伏并网开发一个电力电子接口，能够在所有日照水平下从光伏阵列中提取最大功率，并实施逆变器，将直流输出电压转换为与公用电网和家用电器兼容的电压。

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属原子内部的库仑力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，电流便从P型一边流向N型一边，形成电流。光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波（该频率称为极限频率threshold frequency）照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。

光伏电源的等效电路如下所示：

那么很显然就有：

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，但不涉及机械部件。

所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

在太阳能光伏发电系统中，光伏电池组件是最基本的构成部分。若要提高整个光伏系统的效率，必须要有提高光伏电池的转换效率，因此希望光伏电池工作在最大功率点上，最大限度地将光能转化为电能。为了充分地运用太阳能，通过一定的控制方法实现太阳电池组件的最大功率输出，称为最大功率点跟踪控制（英文简称：MPPT，英文全称：Maximmum Power Point Tracking）.光伏电池最大功率点跟踪控制，实际上是通过光伏电池的输出端口电压的控制来实现最大功率的输出。 MPPT控制实质上是一个自动寻优的过程，通过在光伏电池和负载之间加入阻抗变换器，控制光伏电池端电压，使变换后的工作点正好和光伏电池的最大功率点重合。

光伏发电系统中，光伏电池的输出功率有多种因素决定，若太阳光照强度、环境温度。在不同的环境中，光伏电池的输出曲线不同，相应的最大功率点也不同。日照越强，光伏电池能够输出的功率越大；光伏电池本身温度越高，光伏电池输出功率越小。在特定日照强度和温度条件下，光伏电池具有唯一的最大输出功率点，而光伏电池只有工作在最大功率点才能使其输出的有功功率最大。

MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出对蓄电池充电。应用于太阳能光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统的大脑。

最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，不产生环境污染。

闭环MPPT方法则通过对光伏电池输出电压和电流值的实时测量与闭环控制来实现MPPT，使用最广泛的自寻优类算法即属于这一类。典型的自寻优MPPT算法有扰动观察法（Perturbation and Observation Method，P&O）和电导增量法（Incremental Conductance，INC）两种。

MPPT的基本原理如下：

其基本流程为，对输入的信号计算功率差和电压差。