独立光伏发电系统阵列模型和MPPT算法研究

随着能源需求的日益增长和不可再生能源的日益短缺，太阳能等新能源的开发利用显得尤为重要，光伏发电是有效开发利用太阳光能的最重要方式之一。近些年来，光伏发电产业发展迅速，同时，在发展过程中涌现出各种问题。 光伏发电系统普遍存在光电转换效率偏低的问题，并且光伏系统的输出特性跟光照强度、温度等环境因素相关。特别是在不均匀光照情况下，局部遮光使得系统的输出特性更加复杂，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)变得更加困难。所以需要建立一个精确的光伏阵列模型，分析和仿真各种因素对光伏阵列输出功率的影响，特别是不均匀光照的影响。同时，光伏系统在局部遮光情况下功率特性曲线出现多处峰值功率点，也需要新的跟踪算法根据环境条件的变化不断调整光伏系统的工作点以最大化系统的功率输出。 本文查阅了大量的国内外相关文献，分析了目前光伏发电系统的研究现状。进而详细分析了独立光伏发电系统组成以及各个组成部分的工作原理。在此基础上，分析了单个光伏电池的电路模型，引入Lambert W函数对光伏电池的I-V方程进行解耦，导出了光伏电池电流I关于电压V的显式表达式，并在此基础上建立了光伏电池、组件以及适用于任意不均匀光照和温度分布情况下光伏阵列的通用数学模型。分析并仿真了串并联光伏阵列在不均匀光照和温度情况下的输出特性曲线以及光伏阵列在任意光照强度和温度条件下的输出特性，并说明了光照强度分布情况对输出功率曲线峰值点的影响。在最大功率点跟踪方面，本文介绍和对比了各种MPPT跟踪算法。为了提高算法在天气条件剧烈变化情况下的响应速度和减少算法扰动带来的能量损失，本文提出了改进型的扰动观察(Perturbationand Observation，简称P&O)MPPT算法。针对局部遮光的影响，提出了一种简单、快速、易实现的光伏系统全局MPPT算法。 最后，根据所提出的光伏阵列模型和MPPT算法，在Matlab/Simulink中搭建了独立光伏发电系统的完整系统仿真模型。分别对光伏阵列、MPPT控制器、蓄电池组和带有交流负载的整个独立光伏发电系统进行了仿真分析，验证了模型和算法的正确性和有效性。