基于粒子群算法光伏系统MPPT仿真研究
基于粒子群算法光伏系统MPPT仿真研究[20200408102007]
摘 要
随着能源的日益短缺，太阳能将成为未来重要的能源之一，其中最重要的当属光伏发电，光伏发电技术中转换效率是光伏发电系统最核心的研究热点之一，其中最大功率点跟踪技术是能使光伏发电系统光电转换效率得到明显提高的重要技术，也是当前全球研究的主要热点之一。
本文对最大功率点跟踪技术展开研究，对光伏发电时多峰的情况，通过引入智能算法-粒子群优化算法，和目前普遍的传统算法相结合，对原有的粒子群算法进行改进，来实现光伏系统的最大功率点跟踪，并对其做了相关的算法设计和性能仿真实验，从而在环境条件发生变化的情况下，验证了算法的优越性能。
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关键字:光伏发电技术最大功率点跟踪粒子群算法
目 录
1绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 太阳能光伏发电的发展现状 2
1.3 最大功率点跟踪（MPPT）技术的研究现状与发展趋势 3
1.4 本文主要工作和内容安排 5
2光伏发电最大功率点跟踪技术概述 6
2.1 最大功率点跟踪原理 6
2.2 最大功率点数学模型 8
2.3 多峰最大功率点研究 8
3基于粒子群算法的最大功率点跟踪 10
3.1 粒子群算法概述 10
3.2 设计流程 10
3.3 MPPT控制系统的建模仿真 12
3.3.1 粒子群MPPT方法 12
3.3.2 BOOST主电路建模 14
3.3.3 光伏模块 15
3.3.4脉宽调制信号模块 16
3.3.5主系统建模 16
3.4 仿真结果及分析 17
结语 23
参考文献 25
致谢 27
1绪论
1.1 研究背景及意义
能源是人类活动的基础。远至原始社会，人类在自然界便开始寻求生存发展所需的能源，能源的日渐利用推动了人类文明和促进了社会的发展。随着现代社会的不断发展，能源越来越大的影响着人们的生产生活，但地球化石能源却日益减少，个别能源濒临枯竭。化石能源的大量使用也对人类生存环境造成了严重破坏。为了实现可持续发展的目标，人们需要不断开发各种新能源、绿色能源、可再生能源来维持和能源的可持续的发展[1]。
近年来，随着我国经济迅猛发展，对于能源的需求也不断提高，而能源却面临着供需供给不足的矛盾。即使将化石燃料、核能和水能全算的情况下，到2020年依然难以满足我国的电能需求，从而亟需替代能源弥补缺口。具有关报告显示，按照当前需求发展速度，我国的石油可用20年，煤炭资源只可以用80年，天然气只可用不超过30年[2]。
太阳能发电是绿色环保的能源方式之一，其具备发电原理先进，发电形式简单；太阳能总量巨大，可以说是取之不尽用之不竭，且绿色清洁，适应可持续发展的大形势；太阳能电池原料储量巨大，获取简单；发电性能稳定，使用寿命长；一次安装，几乎无需维护等[3]。
我国是光照资源丰富的地区，绝大部分地区年平均的太阳辐射量超过4KW·h/(m2·d)。2006年我国开始颁布"可再生能源法”。2009年提出"新能源产业振兴规划征求意见稿”，计划在2020年前建成30吉瓦特的光伏发电厂[4]，7月，我国开始启动"金太阳”示范工程。国家政策的导向下，社会各界普遍认可光伏发电产业在未来必将迅猛发展。
但是，现有光伏发电系统也存在着一些问题。第一，光电转换的核心组件-光伏组件依然价格偏高。制造成本高企的情况下，只有通过增加光伏组件的使用寿命来提高光伏组件的性价比[5]。目前，在目前的光伏发电中，转换效率依然是最重要的影响因素，目前的光伏电池的光电转换效率普遍不高。单个光伏电池的输出特性是非线性的，而今解决方法大多采用最大功率点跟踪（MPPT技术）。单峰跟踪算法是目前研究的最常用的算法，但是光伏组件在部分被遮挡的情况下，其输出的P-U曲线则显示的特性是会出现多个峰值点。
基于我国丰富的太阳能资源和未来越来越紧张的能源供给压力，太阳能光伏发电系统的研究显得越来越重要，本文将从光伏发电系统切入，针对光伏最大功率点跟踪技术展开初步研究，为光伏发电系统实现更高的太阳能转化效率提供指导意见。
1.2 太阳能光伏发电的发展现状
受困于能源危机和人类生态环境的恶化，全球都增加了太阳能光伏发电的科研投入以大力支持光伏发电产业。20世纪90年代后半期开始，全球的太阳能光伏市场开始步入迅猛发展的道路，光伏发电相关产业持续10年以30%~60%以上的速度保持高速增长，时世界上发展速度最快的产业之一。光伏电池及组件的相关产业增长迅猛，在过去的10年里的年平均增长率超过 38%，增长速度很快[6]。同时，光伏产业的新技术不断涌现，电池效率不断提高，生产规模也在不断扩大，光伏电池及组件的成本也稳步降低。图1.1和图1.2是太阳能电池产量的逐年图和太阳能组件价格变化图。
图1.1太阳能电池产量逐年图
图1.2太阳能组件价格变化图
从长远来看，全球的化石能源在不断被消耗，日益减少，而科学技术在不断地进步，在未来，太阳能势必会成为人类社会中最重要替代能源之一。据有关机构分析，到2020年前后，全球光伏发电的总量对全球能源的供应将会占据全球总能源供应的5%，到2030年，能够接近十分之一，2040年达到五分之一[7]。2001年，据我国光伏产业方面相关统计，实际的光伏电池年销售总量为4.5MWp，累计使用光伏组件总量超过20MWp。2002 年我国光伏组件的生产量持续增长，接近6MW，并推出了“西部省区无电乡通电计划”[8]，受益于政策的推动和导向，光伏发电系统的安装量在短时间内迅速的增长，其价格在极端的时间里也大大的降低，推动了我国光伏发电产业的不断发展，我国光伏企业在这迅猛的增长中受益，不断壮大和发展，大量利用外资。从当今来看，光伏发电将会是未来世界能源和电力的重要来源之一，不断研究和发展光伏发电是必须的，也是符合实际的。
1.3 最大功率点跟踪（MPPT）技术的研究现状与发展趋势
随着光伏技术的迅猛发展，出现了越来越多的光伏电池，其价格也不断下调。但是，光伏电池作为太阳能转换为电能的关键零部件，其特性是不稳定的。在不同的光照和温度下，光伏电池的输出功率电压也会发生改变，尤其是安装在建筑物上的光伏电池，很容易上厚道周边其他建筑物的荫蔽，或者安装角度和太阳光直射角度有偏差，使得光伏阵列在输出特性上呈现了多峰值的特点。因此，为了使任何时候的光伏阵列都能够工作在最大功率点，最大限度的发挥光伏电池的效用，于是就采用了最大功率点跟踪技术，即MPPT (Maximum Power Point Tracking)。系统中的最大功率点跟踪是解决工作效率与实时性的关键。由于外界环境是一直处于不断变化中的，于是就根据外界环境不断调整光伏系统的工作点电压，使光伏系统一直保持在最大功率点附近高效工作，这个技术就被称为最大功率点跟踪(MPPT)控制技术。
在最大功率点跟踪技术上，目前学者主要有以下方法：光伏阵列组合法、实际测量法以及恒定电压跟踪法[9]。后来经过长时间的研究与发展，学者们已经提出了许多基于自寻优的MPPT控制方法。这些自寻优的控制方法在如今是研究最广最深入，也是在现实应用中，应用的较为多的控制方法，这些相关的方法并不是直接通过传感器感应外界环境因素，而是根据直接检测到的光伏电池的输出电压和电流等信息进行汇总与计算，最终实现最大功率点跟踪[10]。最近几年，国内外对光伏发电系统较常用的几种的MPPT控制算法进行了广泛的研究，提出了多种MPPT控制算法，而电导增量法、恒定电压法、扰动观测法是目前比较主流的几种方法。
恒定电压法是一种精度不高，在较为早期使用的MPPT控制方法。在光伏电池温度一定时，在其输出特性曲线上可以看出，它的最大功率点的电压基本为一个固定的电压值。杨贵恒，强生泽等提出应该根据实际系统设定一个始终保持不变的的运行电压，让系统一直在在某一个预先设置电压下尽可能地输出其所能输出的最大功率[11]。余世杰，何慧若指出，恒定电压法虽然具备控制简单，可靠性高，系统稳定的优点，但是忽略了温度和光照强度的影响，所以不能完全的跟踪光伏阵列最大功率点[12]。葛丽芳，吴晓波等针对上述问题提出了改进，认为光伏电池的开路电压和最大功率点电压之间存在近似线性关系，所以可以利用这一点得到其最大功率点电压[13]。
摘 要
随着能源的日益短缺，太阳能将成为未来重要的能源之一，其中最重要的当属光伏发电，光伏发电技术中转换效率是光伏发电系统最核心的研究热点之一，其中最大功率点跟踪技术是能使光伏发电系统光电转换效率得到明显提高的重要技术，也是当前全球研究的主要热点之一。
本文对最大功率点跟踪技术展开研究，对光伏发电时多峰的情况，通过引入智能算法-粒子群优化算法，和目前普遍的传统算法相结合，对原有的粒子群算法进行改进，来实现光伏系统的最大功率点跟踪，并对其做了相关的算法设计和性能仿真实验，从而在环境条件发生变化的情况下，验证了算法的优越性能。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:光伏发电技术最大功率点跟踪粒子群算法
目 录
1绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 太阳能光伏发电的发展现状 2
1.3 最大功率点跟踪（MPPT）技术的研究现状与发展趋势 3
1.4 本文主要工作和内容安排 5
2光伏发电最大功率点跟踪技术概述 6
2.1 最大功率点跟踪原理 6
2.2 最大功率点数学模型 8
2.3 多峰最大功率点研究 8
3基于粒子群算法的最大功率点跟踪 10
3.1 粒子群算法概述 10
3.2 设计流程 10
3.3 MPPT控制系统的建模仿真 12
3.3.1 粒子群MPPT方法 12
3.3.2 BOOST主电路建模 14
3.3.3 光伏模块 15
3.3.4脉宽调制信号模块 16
3.3.5主系统建模 16
3.4 仿真结果及分析 17
结语 23
参考文献 25
致谢 27
1绪论
1.1 研究背景及意义
能源是人类活动的基础。远至原始社会，人类在自然界便开始寻求生存发展所需的能源，能源的日渐利用推动了人类文明和促进了社会的发展。随着现代社会的不断发展，能源越来越大的影响着人们的生产生活，但地球化石能源却日益减少，个别能源濒临枯竭。化石能源的大量使用也对人类生存环境造成了严重破坏。为了实现可持续发展的目标，人们需要不断开发各种新能源、绿色能源、可再生能源来维持和能源的可持续的发展[1]。
近年来，随着我国经济迅猛发展，对于能源的需求也不断提高，而能源却面临着供需供给不足的矛盾。即使将化石燃料、核能和水能全算的情况下，到2020年依然难以满足我国的电能需求，从而亟需替代能源弥补缺口。具有关报告显示，按照当前需求发展速度，我国的石油可用20年，煤炭资源只可以用80年，天然气只可用不超过30年[2]。
太阳能发电是绿色环保的能源方式之一，其具备发电原理先进，发电形式简单；太阳能总量巨大，可以说是取之不尽用之不竭，且绿色清洁，适应可持续发展的大形势；太阳能电池原料储量巨大，获取简单；发电性能稳定，使用寿命长；一次安装，几乎无需维护等[3]。
我国是光照资源丰富的地区，绝大部分地区年平均的太阳辐射量超过4KW·h/(m2·d)。2006年我国开始颁布"可再生能源法”。2009年提出"新能源产业振兴规划征求意见稿”，计划在2020年前建成30吉瓦特的光伏发电厂[4]，7月，我国开始启动"金太阳”示范工程。国家政策的导向下，社会各界普遍认可光伏发电产业在未来必将迅猛发展。
但是，现有光伏发电系统也存在着一些问题。第一，光电转换的核心组件-光伏组件依然价格偏高。制造成本高企的情况下，只有通过增加光伏组件的使用寿命来提高光伏组件的性价比[5]。目前，在目前的光伏发电中，转换效率依然是最重要的影响因素，目前的光伏电池的光电转换效率普遍不高。单个光伏电池的输出特性是非线性的，而今解决方法大多采用最大功率点跟踪（MPPT技术）。单峰跟踪算法是目前研究的最常用的算法，但是光伏组件在部分被遮挡的情况下，其输出的P-U曲线则显示的特性是会出现多个峰值点。
基于我国丰富的太阳能资源和未来越来越紧张的能源供给压力，太阳能光伏发电系统的研究显得越来越重要，本文将从光伏发电系统切入，针对光伏最大功率点跟踪技术展开初步研究，为光伏发电系统实现更高的太阳能转化效率提供指导意见。
1.2 太阳能光伏发电的发展现状
受困于能源危机和人类生态环境的恶化，全球都增加了太阳能光伏发电的科研投入以大力支持光伏发电产业。20世纪90年代后半期开始，全球的太阳能光伏市场开始步入迅猛发展的道路，光伏发电相关产业持续10年以30%~60%以上的速度保持高速增长，时世界上发展速度最快的产业之一。光伏电池及组件的相关产业增长迅猛，在过去的10年里的年平均增长率超过 38%，增长速度很快[6]。同时，光伏产业的新技术不断涌现，电池效率不断提高，生产规模也在不断扩大，光伏电池及组件的成本也稳步降低。图1.1和图1.2是太阳能电池产量的逐年图和太阳能组件价格变化图。
图1.1太阳能电池产量逐年图
图1.2太阳能组件价格变化图
从长远来看，全球的化石能源在不断被消耗，日益减少，而科学技术在不断地进步，在未来，太阳能势必会成为人类社会中最重要替代能源之一。据有关机构分析，到2020年前后，全球光伏发电的总量对全球能源的供应将会占据全球总能源供应的5%，到2030年，能够接近十分之一，2040年达到五分之一[7]。2001年，据我国光伏产业方面相关统计，实际的光伏电池年销售总量为4.5MWp，累计使用光伏组件总量超过20MWp。2002 年我国光伏组件的生产量持续增长，接近6MW，并推出了“西部省区无电乡通电计划”[8]，受益于政策的推动和导向，光伏发电系统的安装量在短时间内迅速的增长，其价格在极端的时间里也大大的降低，推动了我国光伏发电产业的不断发展，我国光伏企业在这迅猛的增长中受益，不断壮大和发展，大量利用外资。从当今来看，光伏发电将会是未来世界能源和电力的重要来源之一，不断研究和发展光伏发电是必须的，也是符合实际的。
1.3 最大功率点跟踪（MPPT）技术的研究现状与发展趋势
随着光伏技术的迅猛发展，出现了越来越多的光伏电池，其价格也不断下调。但是，光伏电池作为太阳能转换为电能的关键零部件，其特性是不稳定的。在不同的光照和温度下，光伏电池的输出功率电压也会发生改变，尤其是安装在建筑物上的光伏电池，很容易上厚道周边其他建筑物的荫蔽，或者安装角度和太阳光直射角度有偏差，使得光伏阵列在输出特性上呈现了多峰值的特点。因此，为了使任何时候的光伏阵列都能够工作在最大功率点，最大限度的发挥光伏电池的效用，于是就采用了最大功率点跟踪技术，即MPPT (Maximum Power Point Tracking)。系统中的最大功率点跟踪是解决工作效率与实时性的关键。由于外界环境是一直处于不断变化中的，于是就根据外界环境不断调整光伏系统的工作点电压，使光伏系统一直保持在最大功率点附近高效工作，这个技术就被称为最大功率点跟踪(MPPT)控制技术。
在最大功率点跟踪技术上，目前学者主要有以下方法：光伏阵列组合法、实际测量法以及恒定电压跟踪法[9]。后来经过长时间的研究与发展，学者们已经提出了许多基于自寻优的MPPT控制方法。这些自寻优的控制方法在如今是研究最广最深入，也是在现实应用中，应用的较为多的控制方法，这些相关的方法并不是直接通过传感器感应外界环境因素，而是根据直接检测到的光伏电池的输出电压和电流等信息进行汇总与计算，最终实现最大功率点跟踪[10]。最近几年，国内外对光伏发电系统较常用的几种的MPPT控制算法进行了广泛的研究，提出了多种MPPT控制算法，而电导增量法、恒定电压法、扰动观测法是目前比较主流的几种方法。
恒定电压法是一种精度不高，在较为早期使用的MPPT控制方法。在光伏电池温度一定时，在其输出特性曲线上可以看出，它的最大功率点的电压基本为一个固定的电压值。杨贵恒，强生泽等提出应该根据实际系统设定一个始终保持不变的的运行电压，让系统一直在在某一个预先设置电压下尽可能地输出其所能输出的最大功率[11]。余世杰，何慧若指出，恒定电压法虽然具备控制简单，可靠性高，系统稳定的优点，但是忽略了温度和光照强度的影响，所以不能完全的跟踪光伏阵列最大功率点[12]。葛丽芳，吴晓波等针对上述问题提出了改进，认为光伏电池的开路电压和最大功率点电压之间存在近似线性关系，所以可以利用这一点得到其最大功率点电压[13]。
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