基于粒子群算法的光伏离网系统的最大功率点跟踪研究
基于粒子群算法的光伏离网系统的最大功率点跟踪研究[20191215165853]
摘 要
光伏阵列的最大功率点跟踪控制是光伏离网系统研究工作中的一项关键技术。由于受外界光照强度和温度的影响，光伏阵列在局部遮阴情况下进行功率输出时会出现多峰现象，因此，传统的最大功率点跟踪算法将会失效。基于此问题的提出，研究在光照强度和温度变化情况下的光伏阵列的最大功率点跟踪控制算法，将对工程应用具有重大意义。
本文首先分析了光伏电池的等效电路和数学模型，由此得到了光伏阵列的输出特性，从而在MATLAB/Simulink中建立了光伏电池的基于外特性的模型和基于物理特性的模型。通过分析两类模型的优缺点，决定采用基于物理特性的模型作为光伏系统中的光伏电池模型。除此之外，又分析了热斑效应的产生机理和解决办法，从而使光伏电池模型更加完备。
其次，研究了功率电压多峰曲线的产生原理与数学模型。通过比较现有的多峰最大功率点跟踪方法，发现了这些方法的缺陷和不足。另外，又介绍了光伏阵列的多峰模型，为实现最大功率点跟踪控制奠定了基础。
然后，深入研究了粒子群优化算法（PSO）的原理、基本特性、设计流程等，并对该算法进行了基准函数测试，得出了该算法在寻优精度和收敛速度均符合工程需要的结论。
最后，基于粒子群算法在多峰函数全局寻优方面的良好性能，在MATLAB/Simulink中建立了基于粒子群算法的光伏离网最大功率点跟踪控制系统的仿真模型，经过仿真发现，该算法能够精确并且快速地跟踪到光伏阵列的最大功率点，从而提高了光伏阵列的输出效率。
在本文结尾处，又对建立的光伏离网最大功率点跟踪控制系统提出了改进方案。经过进一步的完善，所建立的新系统更加接近于实际的工程需要。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:光伏离网系统；粒子群算法；最大功率点跟踪；局部遮阴ABSTRACT
Key words: Photovoltaic Off-grid System; Particle Swarm Optimization; Maximum Power Point Tracking; Partial Shade目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.1.1 问题提出 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 国内外光伏产业研究现状 3
1.2.1 光伏产业的概况 3
1.2.2 光伏发电系统拓扑结构的研究现状 4
1.3 最大功率点跟踪控制的相关研究 5
1.3.1 最大功率点跟踪控制技术 5
1.3.2 最大功率点跟踪控制技术的发展 5
1.4 光伏发电系统概述 6
1.4.1 光伏发电系统的组成 6
1.4.2 光伏发电系统的的分类 6
1.5 本文研究内容 8
第2章 光伏电池概述 10
2.1 光伏电池 10
2.1.1 光伏电池的分类 10
2.1.2 光伏电池的工作原理 11
2.1.3 光伏电池的等效电路 12
2.1.4 光伏电池的串并联 14
2.1.5 光伏电池片、光伏组件和光伏阵列之间的关系 17
2.1.6 光伏电池的输出特性 18
2.2 多峰现象 22
2.2.1 多峰现象的产生机理 22
2.2.2 多峰现象下光伏电池的输出特性 22
2.2.3 多峰现象的影响 23
2.3 热斑效应 23
2.3.1 热斑效应的产生机理 23
2.3.2 热斑效应的解决方法 24
2.4 基于MATLAB/Simulink平台光伏电池模型的仿真 25
2.4.1 基于外特性的模型 26
2.4.2 如何利用基于外特性的模型测试光伏电池的输出特性？ 27
2.4.3 基于物理特性的模型 27
2.4.4 如何利用基于物理特性的模型测试光伏电池的输出特性？ 30
2.5 本章小结 30
第3章 光伏发电系统最大功率点跟踪 32
3.1 最大功率点跟踪原理 32
3.2 最大功率点数学模型 34
3.3 多峰最大功率点的研究 35
3.3.1 多峰最大功率点方法的研究 36
3.3.2 光伏阵列多峰模型 40
3.4 本章小结 42
第4章 粒子群算法 43
4.1 粒子群算法的基本原理 43
4.2 粒子群算法的设计流程 44
4.3 粒子群算法的参数分析 46
4.4 粒子群算法的函数测试 47
4.5 粒子群算法的优缺点 49
4.5.1 粒子群算法的优点： 49
4.5.2 粒子群算法的缺点 49
4.6 本章小结 50
第5章 基于粒子群算法的最大功率点跟踪 51
5.1 粒子群算法 51
5.1.1 算法描述及设计流程 51
5.1.2 寻优结果及分析 53
5.2 PWM脉冲触发信号模块 54
5.3 Boost电路 55
5.4 基于MATLAB/Simulink平台光伏控制系统仿真 55
5.5 仿真结果与分析 56
5.6 本章小结 57
第6章 光伏系统模型改进方案 59
6.1 光伏电池模型改进 59
6.1.1 雪崩击穿效应 59
6.1.2 考虑雪崩击穿效应的光伏电池模型 59
6.2 基于MATLAB/Simulink平台光伏控制系统仿真模型改进 60
6.2.1 对PSO-MTTP控制器的改进 60
6.2.2 对蓄电池的改进 60
6.3 本章小结 62
第7章 总结和展望 63
7.1 总结 63
7.2 展望 63
致谢 65
参考文献 66
附录 71
一、英文原文： 71
二、英文翻译： 76
三、源程序： 80
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题提出
随着我国经济的快速发展，我国对能源的需求不仅在数量并且在形式上都存在严峻的缺口。有研究表明，即使在煤炭、核能和水能的利用率达100%的条件下，到2020年我国的电能供求差距仍将不会低于10%，这个供需缺口需要利用新能源进行填补。另外，专家预计，我国的煤炭储量可供使用80年，石油可供使用20年，天然气可供使用30年[1]。在我国，传统工业能耗较高，并且对能源的开发以及使用相对不完善，单位GDP能源消耗量比世界平均水平落后很多。目前我国又处在经济增长高峰期，基于这些问题的困扰，开发新能源已是迫在眉睫。
我国大部分区域一年平均的太阳辐射量大于4 ，全年辐射总量可达917~23334 ，所以我国有很充足的太阳能资源可以利用。这样丰富的太阳能资源与同纬度的其他国家相比具有明显的优良条件。与此同时，我国还为支持光伏发电产业的发展颁布了一系列激励政策。2005年2月，《可再生能源法》在人大常委会上被批准通过并在2006 年1月开始实施；《电网企业全额收购可再生能源电量监管办法》[2] 于2007年被颁布；同年8月，《节能发电调度办法（试行）》被颁布。2009年6月，《新能源产业振兴规划征求意见稿》被颁布，并提出了2020年将建成30 的太阳能发电厂[3]的宏伟目标；同年7月，金太阳示范工程在我国正式启动。政府对于光伏产业的大力支持，使得更多的社会人士投身于光伏产业生产和研究中。
但是，在应用实施方面，光伏发电系统仍存在一些问题。第一个问题是价格问题，光伏电池的价格仍然较高。依据现在的科技水平，想要实现利用降低光伏组件成本来解决实际问题还是极其困难的，因而要想解决光伏组件价格高带来的负面问题只能通过延长组件使用寿命的办法来得以实现。这就要涉及到毁坏光伏组件的一个主要因素，即热斑效应[4]。热斑效应会对光伏组件造成致命性的损坏。第二个问题是转换效率问题，就目前而言，光伏组件的光电转换是比较低的。另外，光伏电池输出特性的非线性特征使得最佳匹配问题成了一大难题。在工程应用中，最大功率点跟踪，即MPPT技术被用来解决此类问题。现在社会上普遍使用针对P-U曲线出现单个峰值点情况提出的单峰跟踪算法，但在局部遮阴情况下，光伏组件的P-U曲线将会出现多个峰值点，此时单峰跟踪算法将失效。
基于以上问题的提出，本课题主要的研究目的是通过分析在局部遮阴情况下的光伏电池的输出特性，应用粒子群算法对具有多峰值特征的功率曲线进行最大功率点跟踪，从而保证光伏电池的输出功率更大限度地作用在最大功率点处，这对于太阳能发电的应用与实施都有极大的现实意义。
1.1.2 研究意义
当今社会，能源是关系国家经济发展和社会文明进步的物质基础。随着工业化和城市化的快速发展，传统能源产生的各种环境问题接踵而至。这一切都将推动清洁能源与可再生能源被开发利用。在这些所谓的清洁能源和可再生能源中，太阳能是最丰富、储量最大、最易获得的能源之一。有研究表明，地面每秒钟接收到的太阳能高达800000 ，假设有0.1%的太阳能转变为电能，转变率为5%，那么每年发电量可达 ，目前世界上能耗仅为其1/40。因此，研究光伏发电有利于解决能源危机隐患 [5][6][7]。
随着世界能源结构的不断调整，可再生能源将占据越来越大的市场份额，而作为可再生能源代表的太阳能光伏发电将会凸显的越来越重要。欧洲联合研究中心（JRC）预测，至2030年可再生能源占总能耗的30%以上，其中太阳能光伏发电在占总电力供应的10%以上；至2040年可再生能源占总能耗50%以上，其中太阳能光伏发电占总电力供应的20%以上；到21世纪末，可再生能源占总能耗的80％以上，太阳能光伏发电占总电力供应的60%以上，到那时太阳能光伏发电真正成为世界能源的主体[7]。我国太阳能资源丰富，应用前景广阔，全国太阳能理论储量达每年17000亿吨标准煤。光伏发电系统不仅可以被推广到西部地区、一些海岛等边远、空旷地区集中大面积使用，而且能够被在人口集中的东部城市利用开发[6]。另外，从长远来看，光伏发电不仅环保，而且具有可再生性。
近些年来，世界各国都在加大对太阳能光伏发电的投资和开发力度。许多国家制定了光伏屋顶计划，使世界太阳能光伏发电产量迅速飙升。据不完全统计，截止到2008年全球光伏发电产量高达5.5 ，全球太阳能安装总量累计已达15 。在我国，到2010年光伏发电系统装机容量也已达13.6 [7]。随着太阳能光伏发电受重视程度越来越高，太阳能光伏发电迎来了发展的“青春期”。但是，利用太阳能光伏发电需要消耗很高的成本，这也是制约太阳能光伏发电未来发展的重要因素之一。光伏发电系统的核心元件是光伏电池，其制作成本极高，大约占到整个光伏发电系统成本的70%[8]。若是想降低太阳能光伏发电成本，一个重要途径就是提高光电转换效率。光伏电池光电转换效率每提高一个百分点，则整个生产成本就会下降六个百分点。现如今，一般的光伏电池的光电转换效率只有15%，因此，提高光伏电池的光电转换效率将是光伏发电系统研究中的最重要方向之一。
随着越来越多的太阳能光伏发电设备安装到人口密集地区，设备出现局部遮阴情况在所难免。局部遮阴不仅会使光伏发电系统的输出功率大大降低，造成大量的能量损耗，而且很有可能引发热斑效应，从而损坏光伏电池板。解决这些问题的传统方法是给光伏电池并联一个旁路二极管，这将能有效的避免热斑效应的产生。但是在局部遮阴情况下时，光伏阵列的P-U曲线会出现多峰值，为了使光伏发电系统的输出功率尽可能最大，一般采用最大功率点跟踪技术来实现。但是，传统的最大功率点跟踪方法都是针对单峰现象而创生出来的，因此，研究新型的适合多峰现象的光伏发电系统最大功率点跟踪方法显得尤其重要。
摘 要
光伏阵列的最大功率点跟踪控制是光伏离网系统研究工作中的一项关键技术。由于受外界光照强度和温度的影响，光伏阵列在局部遮阴情况下进行功率输出时会出现多峰现象，因此，传统的最大功率点跟踪算法将会失效。基于此问题的提出，研究在光照强度和温度变化情况下的光伏阵列的最大功率点跟踪控制算法，将对工程应用具有重大意义。
本文首先分析了光伏电池的等效电路和数学模型，由此得到了光伏阵列的输出特性，从而在MATLAB/Simulink中建立了光伏电池的基于外特性的模型和基于物理特性的模型。通过分析两类模型的优缺点，决定采用基于物理特性的模型作为光伏系统中的光伏电池模型。除此之外，又分析了热斑效应的产生机理和解决办法，从而使光伏电池模型更加完备。
其次，研究了功率电压多峰曲线的产生原理与数学模型。通过比较现有的多峰最大功率点跟踪方法，发现了这些方法的缺陷和不足。另外，又介绍了光伏阵列的多峰模型，为实现最大功率点跟踪控制奠定了基础。
然后，深入研究了粒子群优化算法（PSO）的原理、基本特性、设计流程等，并对该算法进行了基准函数测试，得出了该算法在寻优精度和收敛速度均符合工程需要的结论。
最后，基于粒子群算法在多峰函数全局寻优方面的良好性能，在MATLAB/Simulink中建立了基于粒子群算法的光伏离网最大功率点跟踪控制系统的仿真模型，经过仿真发现，该算法能够精确并且快速地跟踪到光伏阵列的最大功率点，从而提高了光伏阵列的输出效率。
在本文结尾处，又对建立的光伏离网最大功率点跟踪控制系统提出了改进方案。经过进一步的完善，所建立的新系统更加接近于实际的工程需要。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:光伏离网系统；粒子群算法；最大功率点跟踪；局部遮阴ABSTRACT
Key words: Photovoltaic Off-grid System; Particle Swarm Optimization; Maximum Power Point Tracking; Partial Shade目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.1.1 问题提出 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 国内外光伏产业研究现状 3
1.2.1 光伏产业的概况 3
1.2.2 光伏发电系统拓扑结构的研究现状 4
1.3 最大功率点跟踪控制的相关研究 5
1.3.1 最大功率点跟踪控制技术 5
1.3.2 最大功率点跟踪控制技术的发展 5
1.4 光伏发电系统概述 6
1.4.1 光伏发电系统的组成 6
1.4.2 光伏发电系统的的分类 6
1.5 本文研究内容 8
第2章 光伏电池概述 10
2.1 光伏电池 10
2.1.1 光伏电池的分类 10
2.1.2 光伏电池的工作原理 11
2.1.3 光伏电池的等效电路 12
2.1.4 光伏电池的串并联 14
2.1.5 光伏电池片、光伏组件和光伏阵列之间的关系 17
2.1.6 光伏电池的输出特性 18
2.2 多峰现象 22
2.2.1 多峰现象的产生机理 22
2.2.2 多峰现象下光伏电池的输出特性 22
2.2.3 多峰现象的影响 23
2.3 热斑效应 23
2.3.1 热斑效应的产生机理 23
2.3.2 热斑效应的解决方法 24
2.4 基于MATLAB/Simulink平台光伏电池模型的仿真 25
2.4.1 基于外特性的模型 26
2.4.2 如何利用基于外特性的模型测试光伏电池的输出特性？ 27
2.4.3 基于物理特性的模型 27
2.4.4 如何利用基于物理特性的模型测试光伏电池的输出特性？ 30
2.5 本章小结 30
第3章 光伏发电系统最大功率点跟踪 32
3.1 最大功率点跟踪原理 32
3.2 最大功率点数学模型 34
3.3 多峰最大功率点的研究 35
3.3.1 多峰最大功率点方法的研究 36
3.3.2 光伏阵列多峰模型 40
3.4 本章小结 42
第4章 粒子群算法 43
4.1 粒子群算法的基本原理 43
4.2 粒子群算法的设计流程 44
4.3 粒子群算法的参数分析 46
4.4 粒子群算法的函数测试 47
4.5 粒子群算法的优缺点 49
4.5.1 粒子群算法的优点： 49
4.5.2 粒子群算法的缺点 49
4.6 本章小结 50
第5章 基于粒子群算法的最大功率点跟踪 51
5.1 粒子群算法 51
5.1.1 算法描述及设计流程 51
5.1.2 寻优结果及分析 53
5.2 PWM脉冲触发信号模块 54
5.3 Boost电路 55
5.4 基于MATLAB/Simulink平台光伏控制系统仿真 55
5.5 仿真结果与分析 56
5.6 本章小结 57
第6章 光伏系统模型改进方案 59
6.1 光伏电池模型改进 59
6.1.1 雪崩击穿效应 59
6.1.2 考虑雪崩击穿效应的光伏电池模型 59
6.2 基于MATLAB/Simulink平台光伏控制系统仿真模型改进 60
6.2.1 对PSO-MTTP控制器的改进 60
6.2.2 对蓄电池的改进 60
6.3 本章小结 62
第7章 总结和展望 63
7.1 总结 63
7.2 展望 63
致谢 65
参考文献 66
附录 71
一、英文原文： 71
二、英文翻译： 76
三、源程序： 80
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题提出
随着我国经济的快速发展，我国对能源的需求不仅在数量并且在形式上都存在严峻的缺口。有研究表明，即使在煤炭、核能和水能的利用率达100%的条件下，到2020年我国的电能供求差距仍将不会低于10%，这个供需缺口需要利用新能源进行填补。另外，专家预计，我国的煤炭储量可供使用80年，石油可供使用20年，天然气可供使用30年[1]。在我国，传统工业能耗较高，并且对能源的开发以及使用相对不完善，单位GDP能源消耗量比世界平均水平落后很多。目前我国又处在经济增长高峰期，基于这些问题的困扰，开发新能源已是迫在眉睫。
我国大部分区域一年平均的太阳辐射量大于4 ，全年辐射总量可达917~23334 ，所以我国有很充足的太阳能资源可以利用。这样丰富的太阳能资源与同纬度的其他国家相比具有明显的优良条件。与此同时，我国还为支持光伏发电产业的发展颁布了一系列激励政策。2005年2月，《可再生能源法》在人大常委会上被批准通过并在2006 年1月开始实施；《电网企业全额收购可再生能源电量监管办法》[2] 于2007年被颁布；同年8月，《节能发电调度办法（试行）》被颁布。2009年6月，《新能源产业振兴规划征求意见稿》被颁布，并提出了2020年将建成30 的太阳能发电厂[3]的宏伟目标；同年7月，金太阳示范工程在我国正式启动。政府对于光伏产业的大力支持，使得更多的社会人士投身于光伏产业生产和研究中。
但是，在应用实施方面，光伏发电系统仍存在一些问题。第一个问题是价格问题，光伏电池的价格仍然较高。依据现在的科技水平，想要实现利用降低光伏组件成本来解决实际问题还是极其困难的，因而要想解决光伏组件价格高带来的负面问题只能通过延长组件使用寿命的办法来得以实现。这就要涉及到毁坏光伏组件的一个主要因素，即热斑效应[4]。热斑效应会对光伏组件造成致命性的损坏。第二个问题是转换效率问题，就目前而言，光伏组件的光电转换是比较低的。另外，光伏电池输出特性的非线性特征使得最佳匹配问题成了一大难题。在工程应用中，最大功率点跟踪，即MPPT技术被用来解决此类问题。现在社会上普遍使用针对P-U曲线出现单个峰值点情况提出的单峰跟踪算法，但在局部遮阴情况下，光伏组件的P-U曲线将会出现多个峰值点，此时单峰跟踪算法将失效。
基于以上问题的提出，本课题主要的研究目的是通过分析在局部遮阴情况下的光伏电池的输出特性，应用粒子群算法对具有多峰值特征的功率曲线进行最大功率点跟踪，从而保证光伏电池的输出功率更大限度地作用在最大功率点处，这对于太阳能发电的应用与实施都有极大的现实意义。
1.1.2 研究意义
当今社会，能源是关系国家经济发展和社会文明进步的物质基础。随着工业化和城市化的快速发展，传统能源产生的各种环境问题接踵而至。这一切都将推动清洁能源与可再生能源被开发利用。在这些所谓的清洁能源和可再生能源中，太阳能是最丰富、储量最大、最易获得的能源之一。有研究表明，地面每秒钟接收到的太阳能高达800000 ，假设有0.1%的太阳能转变为电能，转变率为5%，那么每年发电量可达 ，目前世界上能耗仅为其1/40。因此，研究光伏发电有利于解决能源危机隐患 [5][6][7]。
随着世界能源结构的不断调整，可再生能源将占据越来越大的市场份额，而作为可再生能源代表的太阳能光伏发电将会凸显的越来越重要。欧洲联合研究中心（JRC）预测，至2030年可再生能源占总能耗的30%以上，其中太阳能光伏发电在占总电力供应的10%以上；至2040年可再生能源占总能耗50%以上，其中太阳能光伏发电占总电力供应的20%以上；到21世纪末，可再生能源占总能耗的80％以上，太阳能光伏发电占总电力供应的60%以上，到那时太阳能光伏发电真正成为世界能源的主体[7]。我国太阳能资源丰富，应用前景广阔，全国太阳能理论储量达每年17000亿吨标准煤。光伏发电系统不仅可以被推广到西部地区、一些海岛等边远、空旷地区集中大面积使用，而且能够被在人口集中的东部城市利用开发[6]。另外，从长远来看，光伏发电不仅环保，而且具有可再生性。
近些年来，世界各国都在加大对太阳能光伏发电的投资和开发力度。许多国家制定了光伏屋顶计划，使世界太阳能光伏发电产量迅速飙升。据不完全统计，截止到2008年全球光伏发电产量高达5.5 ，全球太阳能安装总量累计已达15 。在我国，到2010年光伏发电系统装机容量也已达13.6 [7]。随着太阳能光伏发电受重视程度越来越高，太阳能光伏发电迎来了发展的“青春期”。但是，利用太阳能光伏发电需要消耗很高的成本，这也是制约太阳能光伏发电未来发展的重要因素之一。光伏发电系统的核心元件是光伏电池，其制作成本极高，大约占到整个光伏发电系统成本的70%[8]。若是想降低太阳能光伏发电成本，一个重要途径就是提高光电转换效率。光伏电池光电转换效率每提高一个百分点，则整个生产成本就会下降六个百分点。现如今，一般的光伏电池的光电转换效率只有15%，因此，提高光伏电池的光电转换效率将是光伏发电系统研究中的最重要方向之一。
随着越来越多的太阳能光伏发电设备安装到人口密集地区，设备出现局部遮阴情况在所难免。局部遮阴不仅会使光伏发电系统的输出功率大大降低，造成大量的能量损耗，而且很有可能引发热斑效应，从而损坏光伏电池板。解决这些问题的传统方法是给光伏电池并联一个旁路二极管，这将能有效的避免热斑效应的产生。但是在局部遮阴情况下时，光伏阵列的P-U曲线会出现多峰值，为了使光伏发电系统的输出功率尽可能最大，一般采用最大功率点跟踪技术来实现。但是，传统的最大功率点跟踪方法都是针对单峰现象而创生出来的，因此，研究新型的适合多峰现象的光伏发电系统最大功率点跟踪方法显得尤其重要。
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