电气工程及其自动化专业论文 基于MATLAB的光伏发电研究及其仿真

x大学

毕业论文基于MATLAB的光伏发电研究及其仿真

院部机械与电子工程学院

专业班级电气工程及其自动化5班

届次 2015届

学生姓名 xxxx

学号 xxxx

指导教师 xxxx 副教授

二〇一五年六月六日

目录

摘要 (Ⅰ)

1课题背景 (1)

1.1能源与环境危机 (1)

1.1.1能源 (1)

1.1.2环境 (1)

1.2太阳能光伏发电技术发展简介 (1)

1.3太阳能光伏发电利用的优势 (2)

1.4光伏发电系统的分类级组成 (3)

1.5国内外研究产业现状及规划 (5)

2光伏发电系统 (7)

2.1光伏发电系统介绍 (7)

2.2 太阳能光伏发电系统的应用 (7)

2.2.1屋顶光伏发电系统 (7)

2.2.2户用光伏发电系统、小型光伏电站 (8)

2.2.3大型并网光伏发电系统 (8)

2.3带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成 (9)

3光伏阵列特性及其仿真模型的研究 (10)

3.1太阳能电池的等效电路分析 (10)

3.2电池板matlab仿真 (12)

3.3 蓄电池充电方法 (12)

4新型变步长MPPT控制方法研究 (15)

4.1 MPPT 原理研究 (15)

4.1.1MPPT (15)

4.1.2基于Boost拓扑的MPPT原理 (16)

4.2常见的两种MPPT控制技术 (18)

4.2.1扰动观察法 (19)

4.2.2电导增量法 (21)

5光伏充、放电控制器的硬、软件设计 (25)

5.1控制器的整体设计及预期技术指标 (25)

5.2 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型 (26)

5.3软件设计 (26)

参考文献 (34)

致谢 (35)

Contents

Abstract (Ⅱ)

1 backgrond (1)

1.1 Energy and environmental crisis (1)

1.1.1 energy (1)

1.1.2 environment (1)

1.2 the introduction of Solar photovoltaic (1)

1.3 The advantages of solar energy photovoltaic (2)

1.4 Classification and composition of photovoltaic system (3)

1.5 present situation and planning at Domestic and abroad (3)

2 Photovoltaic power generation systems (5)

2.1 introduction (5)

2.2 The application of solar photovoltaic system (5)

2.2.1 Photovoltaic roof system (5)

2.2.2 Household photovoltaic and small pv power station (6)

2.2.3 Large grid photovoltaic power generation systems (6)

2.3 The most power tracing pv systems (6)

3 Research of photovoltaic array and its simulation model (7)

3.1 Solar battery equivalent circuit analysis (7)

3.2 Panels of matlab (10)

3.3 Battery charging method (12)

4 A new variable MPPT control method research (16)

4.1 rinciple of MPPT research (16)

4.1.1 MPPT (16)

4.1.2 Based on the principle of MPPT of the Boost topology (14)

4.2 Two common MPPT control technology (18)

4.2.1 Disturbance observation (18)

4.2.2 Incremental conductance method (21)

5 the charge and discharge controller hardware, sofftware design (25)

5.1 The integral design of the controller and the expected (25)

5.2 Boost circuit and MPPT photovoltaic array (26)

5.3 sofftware design (26)

references (34)

acknowledge (35)

基于MATLAB的光伏发电研究及其仿真

xxxx

（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）

摘要：近些年来，随着社会生产的发展,对新能源光伏产业的要求越来越大。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率,利用MATLAB建模仿真部分对最大功率点跟踪（MPPT）的控制器进行了研究。论文分析了常用的蓄电池充电控制方法、光伏电池的特性及其最大功率点跟踪的原理和方法。通过MATLAB软件对不同环境下的光伏电池输出特性进行了建模、仿真。分析了最大功率点跟踪的工作原理,介绍了常用的最大功率点跟踪方法,并在此基础上提出了一种新的扰动观察法。最后,通过比较三种常用的DC/DC变换器的工作原理,提出利用BOOST型DC-DC变换器实现转换,对参数进行分析后建立了BOOST型DC/DC变换器的仿真模型。

关键词:太阳能光伏发电MATLAB仿真最大功率点跟踪Boost型DC-DC变换器

Simulation Research of Photovoltaic Power Generation

System Based on Matlab

Yawei Gai

(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural Un iversity, Tai’an,

Shandong 271018)

Abstract：In recent years, with the development of social production, to the requirements of new energy pv industry bigger and bigger.In this paper how to improve the conversion efficiency of solar photovoltaic power generation system, using MATLAB simulation modeling part of maximum power point tracking (MPPT) controller is studied.This paper analyses the common battery charging control methods, the characteristics of photovoltaic cells and the principle and method of maximum power point tracking.Through the MATLAB software for photovoltaic cells output characteristics under different environment modeling and simulation.Analyzed the working principle of the maximum power point tracking maximum power point tracking methods are introduced, and based on this, advances a new disturbance observation.Finally, by comparing three kinds of commonly used the working principle of the DC/DC converter is proposed using the BOOST DC - DC converter to realize the transformation, analysis of parameters was established after the BOOST type simulation model of DC/DC converter.

Keywords: Photovoltaic Energy, MATLAB Simulation ,MPPT , Boost DC-DC Converter

1 课题背景

1.1能源与环境危机

1.1.1 能源

能源成为了新世纪发展的主要动力，他在经济发展中扮演着很重要的角色，能源的多少关系着一个国家的经济安全和国家安全。在上一个世纪中，煤、石油、天然气等成为最为普遍的传统能源，而在当时，人类还对能源影响环境之类问题的严重性没有给予足够的重视，由此导致了温室气体的急剧增加，气候异常，环境污染增多等，严重影响了人类的生存环境和日常生活质量。根据统计，我国在能源蕴藏量上位居世界前列，但同时也是目前世界第二大能源生产国和消费国。中国在能源开发利用方面呈现出一些主要特点：

（1）煤炭成为主要能源之一，他的可再性还有开发利用程度比较低。目前世界主要以煤炭还有石油为主要能源物质，并且正在由煤炭为主向汽油为主的的结构快速变化。然而，中国依然还是世界上即为少数几个国家依然以煤炭资源为主。

（2）我国的每年能源消耗总量处于递增状态，但是能源利用效率较低。伴随着中国经济规模的不断扩大，中国在能源消费跟开发方面呈持续上升趋势。

（3）我国的能源开发利用多数是以内供为主，由于设备科技质量跟不上世界发达国家的标准导致优质量的能源供应不足，再加上浪费严重导致环境污染变本加厉。随着社会发展，能源消费不断提高，石油、煤炭的废弃物给大气造成很大的污染，过度开发能源导致生态破坏，环境问题日益严重。

这几个环境问题是我国能源开发引起的主要问题，要实现中国的可持续发展就要提高能源的利用率，并加快步伐开发新的环保能源。

1.1.2环境

进入21世纪，世界经济突飞猛进，各国对能源的需求也日益增多，由于对煤炭石油等不可再生能源的过度开发利用，生态坏境日益严重。伴随着石油、煤炭等不可再生能源的濒危缺乏警告，新能源开发问题已经成为国际社会的共同话题，为了走能源的可持续发展道路并保护生态环境，很多新的环保能源相继开发，比如潮汐能、风能、沼气能还有太阳能，越来越多的国家开始开发新的环保能源并且实施“阳光计划”。由于太阳能作为可再生能源取之不尽用之不竭，而且对环境无污染等多种优势，各国正在加大力度开发太阳能资源，研发新的科技来开发太阳能资源，因此开发和利用太阳能对于减缓环境污染和替代不可再生能源有着重要意义。

1.2太阳能光伏发电技术发展简介

太阳能的开发和利用一共有四种主要的形式：光伏的利用、光热的利用、光化学的利用和光生物的利用。在应用领域里最重要的是以光伏电池技术为主要核

心的太阳能的光伏利用、直流-交流逆变器(DC/AC逆变器)和太阳能光伏

(DC/DC变换器)等。太阳能控制器是用来为蓄电池提供最佳充电电压和电流，然而其最主要的作用就便是最大功率跟踪(MPPT)的控制。MPPT通过控制调节负载的功率，从而改变光伏电池的输出电流和输出电压，光伏电池始终在受外界环境影响的最大功率点附近工作，从而实现输出功率的最大化。当直流输电的升降压变换器在光伏发电系统向配电房输送直流电时，我们需要使用的是升压变换器；当蓄电池或者太阳能电池往高压电的用电器输送电时，由于升压输出，所以也要选择升压变换器；控制光伏阵列的工作点、对蓄电池充电以及负载调节等，通常选用降压变压器。DC-AC逆变器分为无源式和有源式逆变器两类。在光伏发电系统中，逆变器就是将太阳能光伏阵列和蓄电池提供低压直流电。当逆变器向交流负载提供电能时，用光伏阵列把直流电转化为交流电来实现。在独立光伏发电系统中，通常把无源式逆变器为交流负载来供电。对于并网光伏发电系统，通常用有源式逆变器，通过开关电路，以PWM方式产生调制的正弦波交流电力。蓄能是光伏发电系统的重要组成部分，所以我们使用的蓄电池，便是独立光伏发电系统中必不可少的一部分。把光伏阵列发出多余的直流电储存起来，供负载使用。

1.3 太阳能光伏发电利用的优势

如今世界范围的能源危机和环境污染迫使我们去寻找新的可再生能源既能替代又能无污染。太阳能作为一种新能源，与煤炭、石油、天然气、核能等常规能源相比有如下优点：

(l)资源丰富。

太阳能是用之不竭，取之不尽的可再生能源，可供地球利用量巨大。根据统计，每年辐射到地球表面的能力大约相当于130万亿标保准煤炭。据估计，在之前漫长的11亿年中，太阳仅消耗了它本身能量的2%，相比较传统的化石能源相比，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。因此开发和利用太阳能是我们下一步开发研究的主要课题，也是人类解决能源污染与能源缺乏的重要途径。

(2)分布广泛。

虽然世界各地的太阳对地面辐射量存在着差异，每年地表辐射的太阳能力不等，这通常是由于地理位置还有时节的影响。但是与其他能源相比，太阳能可以被世界各地的人利用，分布极为广泛，对于某些交通不发达的地区更具有利用价值，而且没必要为能源运输问题考虑节省了很多花费。对于一些缺乏石油煤炭的国家来说，太阳能可以给他们解决能源问题。

(3)环保无污染。

太阳能的开发利用是对太阳辐射到地球表面的能力加以转换，变成电能储存起来，在这个转变过程中几乎不会产生任何污染，而且吸收太阳能的设备也很简洁不会影响环境的美观，对于日益加重的环境污染的今天来说，显得非常可贵。

(4)经济性。

在之前由于科技落后，太阳能设备昂贵，很多人宁可使用廉价的煤炭石油能源，然而随着世界对环境保护的意识还有科技的进步，太阳能技术得到进一步发展，太阳能利用的成本持续降低。很多研究表明，开发太阳能来代替石油、煤炭等不可再生能源具有一定的经济性，开发太阳能既可以减少能源的消费又可以节省改善被污染环境的费用，从长期的可持续发展道路来看，开发利用太阳能非常经济实惠。

1.4光伏发电系统的分类及组成

太阳能光伏发电系统按大类可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两类。其中，独立光伏发电系统也可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交、直混合光伏发电系统，而直流光伏发电系统又可分为有蓄电池的系统和无蓄电池的系统。并网光伏发电系统可以分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统，并根据用途可分为有蓄电池系统和无蓄电池系统等[8]。

（1）独立型光伏发电系统

独立型光伏发电系统是光伏发电的最基本的发电形式，主要用于远离市区的海上灯塔、山顶的无线继电台等一些偏远无电地区，整个独立供电系统由太阳能电池板、控制器、蓄电池、逆变器等组成，太阳能电池板作为核心部分，作用是由将太阳能光伏阵列转换的直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量，根据负载要求，系统一般选铅酸蓄电池作为储能环节，供给直流负载，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电，当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电，控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率跟踪控制组成的，另外可以将直流电逆变为交流电供给交流负载使用，由于光伏发电受天气等多种因素的影响，供电不稳定，所以需要另加蓄电池和充放电控制器环节，作用是能量在夜间和阴雨天气供给负载[21]。

（2）并网光伏发电系统

并网光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能，目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节，带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调式并网发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可

调式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池产生的直流电能转换为和电网同相、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电，当有光照时，太阳能发电系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载的能量过多超过太阳能发电系统产生的交流电能时，电网主动向负载补充电能。

（3）混合型光伏发电系统

区别于以上两个系统之处是增加了一台备用的发电机组，当太阳能光伏阵列发电不足或者蓄电池储存的能量不足时，可以启用备用的发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。

通过太阳能电池将太阳辐射的太阳能转换为电能发电系统称为太阳能光伏发电系统，也可以叫太阳能发电系统，主要由太阳能电池组件、蓄电池组、光伏控制器、逆变器以及一些监控、测试保护等附属设备如下;

（1）太阳能光伏阵列

太阳能电池是太阳能发电系统的最小单位，单独一个太阳能电池输出的额定电压很小约为0.4V左右，不能满足实际的电压和电流的要求，也不便于安装，所以将若干的太阳能电池串并联，排列成光伏阵列满足要求。

（2）蓄电池特性

太阳能电池的性质决定光伏发电系统在阳光下才能正常发电，蓄电池的主要作用是当日照量减少或夜间不发电时补充负荷要求的功率。一般系统当太阳能发电功率急剧下降时，蓄电池起缓冲作用，保证电压的稳定。

（3）DC/DC变换器

作用是将太阳能阵列输出的电压变成满足要求的电压等级，升压变压器将太阳能阵列电压经过升压输出供高电压直流负载供电；降压用于光伏阵列最大功率控制和蓄电池的充放电控制。

（4）DC/AC装置

逆变器是太阳能发电的核心部分，主要是电力电子开关组成的，可以把直流电逆变成正弦交流电，大部分交流设备可以使用，通过调节pwm占空比来控制输出的电压，供负载使用。

（5）充放电控制器

放电控制器的作用主要开控制太阳能光伏阵列的最大功率输出，提高输出效率，同时控制蓄电池的充放电，检测直流、交流电压等信号，控制pwm占空比，实现器件的导通关断。

1.5国内外研究产业现状及规划

太阳能是一种新型新能源，符合我国可持续发展的可再生能源，作为一种清洁能源，其人类赖以生存地球的生态环境的保护具有重大意义；我们用新能源来代替化石燃料是保护生态环境以及经济社会可持续发展的最有效措施。光伏发电产业的发展已经在全球普遍使用。发达国家尤其重视新能源的开发和利用，因此，太阳能被发达国家列为长期能源规划并迅速发展。目前，多国实行与颁布了多项刺激光伏发电的更深层次研究与发展政策。十五顶计划，由政府支持大力投资，同时又被电力公司所承认，从而更深层次的扩展为2000屋顶计划。1999年德国正式实施“十万光伏屋顶计划”，2000年所有太阳能的发电系统容量已经超过40MW。德国在04年光伏系统安装总量首次超过日本，名列世界前茅。从06年至今德国市场的光伏总装机容量始终稳居全球首位。2011年，美国为了鼓励光伏产业的发展，免除了绿色能源行业的项目税收，而且政府还加大了在新能源开发的投资力度。

据有关资料计算可知，屋顶光伏投资将会使收益大大提升至15%以上。与此同时极大刺激了投资者的投资力度。西班牙也制定了十年可再生能源计划草案。日本是一个能源极度缺乏的国家，大部分燃料依赖国外进口，因此日本很重视光伏发电产业的发展。同样印度及澳大利亚等某些欧洲国家都制定了光伏产业的计划，投入巨资让光伏发电产业壮大，加速光伏产业化的进程。

目前光伏发电已经结束了初级开发及示范阶段，制订了更大批量的生产和更大规模的应用发展，从起初的小功率电源的发展到目前的公共电力的并网发电，光伏发电系统的应用范围已经普遍在各个用电领域中使用。我国光伏产业是从二十世纪七十年代才开始起步，经过十几年的努力与进步,我国光伏发电技术得到了很大的改善,2000年在政府的投资支持下。国家逐步推出各种光伏发电计划，比如“金太阳工程”和“太阳能屋顶计划”等。是光伏产业得到了迅速的发展与进步，如今我国已经形成了完善的原材料到整套光伏系统发展较为完整的生产线。我国的光伏电池在全世界产品的比重越来越壮大，在全球排名第三。光伏电池技术的不断进步,缩小了我国与发达国家的差距。虽然在不断发展与进步，但由于我国光伏材料的纯度不够，所以大部分的材料需要靠国外进口，所以我国的光伏产业仍然面对着巨大的挑战。到目前为止我国的光伏发电系统大部分为独立的系统，来解决一些用电难的贫困山区用电。然而我国的光伏发电的研究还仍处在示范阶段，发电量小，而且参与不了对电网的输送和分配。但对电网的正常运行影响几率较小。而对直接并网的大型和超大型的光伏发电站更是处于真空的状态。目前我国的光伏发电市场仍以向供电难的无电地区供电为主,有一定的市场潜力,但同时也会有一定的局限性。直接并网接入到高压输电网的大型和超大型

光伏电站直接可以参与电力输送和分配，因此它将是世界各国未来的可再生能源发电的发展重要方向。

2 光伏发电系统

2.1 光伏发电系统介绍

光伏发电系统是利用太阳辐射能的光生伏特效应，把太阳的辐射能量变换成电能，然后为负载直接提供电能，而且把电能储存的一种新型发电系统。光伏发电系统可分为独立运行系统与并网运行系统两类。独立运行光伏发电系统由太阳能电池板、逆变器、太阳能控制器以及蓄电池组组成的不与电网相连的光伏发电系统，也可成为“可调度式光伏发电系统”。如果没有蓄电池模块，将光伏电池输出的电能经由DC -DC 转换器和逆变系统连如电网中，即不可调度式系统。本设计对独立光伏发电系统为对象进行研究与介绍。

独立光伏发电系统结构框图如图所示，主要由太阳能控制器、太阳能电池，蓄电池组和逆变器模块构成。太阳能电池板是光伏发电系统的核心，把太阳能直接转换为电能，供负载使用电能或者在蓄电池组中储能以作为备用。在有光照的白天蓄电池组将会发挥它的作用来把多余的电能通过充电控制来储存，而当负载需要的电能多时，太阳能电池与蓄电池组一起为负载提供电能。当是交流负载时，通常需要通过逆变器将直流转为交流电。

图2-1 光伏发电系统结构图

当逆变器省去时独立光伏发电系统就会变成一个直流系统，或者利用开关控制逆变模块成为交直流缓和系统。其已经在工业及通信工程等领域应用，特别是应用在岛屿以及草原地区。独立光伏发电系统也提供了较好的用电量，也是可以解决工业及居民的用电需求的良好方案

2.2 太阳能光伏发电系统的应用

2.2.1 屋顶光伏发电系统

光伏技术的应用及发展,使许多国家大力实行屋顶光伏系统计划。我国也逐渐开始将屋顶光伏发电系统列入了国家科技攻关计划。使建筑物跟光伏发电系统相结合。目前屋顶太阳能光伏发电系统备受重视与关注。其优点如下：

太阳能电池板

MPPT 控制 蓄电池

直流负载

充放电控

制器 DC/AC 交流负载

（1）可以满足就地发电，减少占地面积以及电力输送时的线损；

（2）充分利用空间面积，对于大城市里尤为实用；;

（3）减少了用电高峰的用电需求，当与蓄电池配用后，还可以达到不断电的需求，满足设施的安全用电；

（4）节省成本，比如玻璃幕墙，代替了外观装饰材料，使建筑物美观实用和统一，美化环境;

（5）减少了夏日夏季屋顶的温度以及温升,从而降低了空调的用电量及能量损耗。

目前许多城市利用太阳能光伏发电系统在各个领域中开始逐渐应用，，部分家庭也开始逐渐接触此系统并应用，比如光伏庭院灯等。现在我们所接触的交通红绿灯就是利用了光伏发电系统，美观大方，形象美观新颖。不占空间，节能高效等优点集于一体，为现代化城市建设增添了色彩。

2.2.2户用光伏发电系统、小型光伏电站

其属于独立系统，即非并网运行的光伏发电系统，多用于用电难的贫困山区，由于户用光伏发电系统的发电量正常，运行的可靠性以及优良的性能使其更加试用。家用光伏电源系统包括交流与直流系统。交流系统由控制器、太阳能电池组件、支架以及蓄电池组构成，直流比交流系统少一个逆变器。蓄电池是提供储存直流电能的装置。防反冲二极管是来防止蓄电池通过光伏电池组件放电。控制器是系统的控制装置，用来保护蓄电池充放电，把系统的输入输出功率进行调节跟分配。将蓄电池的直流转成交流电的便是逆变器的功能了。当太阳升起时，光伏电池组件便开始了接收太阳的光能来输出电能，再经过二极管对蓄电池组来充电。当太阳下山的时候，通过控制器，直流系统把蓄电池组输出的电来向直流负载提供使用。而交流系统通过逆变器把蓄电池组经由控制器里流出的直流电转换为交流，对交流负载提供使用。

2.2.3大型并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是一个进步的重要标志在光伏发电系统技术中，也预示着一种趋势：未来光伏发电的前景很好。如今大规模的发电系统已经逐渐应用了大型并网光伏发电系统，也体现了未来的能源结构将会发生着巨大的变化。也是标志了一场能源新开发新利用的历史新篇章。我国深圳国际园林花卉博览园IMWp 并网光伏电站是目前亚洲最大容量的一所并网光伏发电站。同样也是全球仅有的几个大型兆瓦级的光伏发电系统电站之一。也是我国在光伏发电的历史上的一个突破及里程碑。让我国开始了新型大型光伏发电的历史新篇章。

2.3 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成

太阳能电池是太阳能光伏发电系统中最基本的部分。提高整个系统的效率必须要提高电池的转换效率,让它的输出功率为最大功率。一共有两种方法，一种把太阳能电池组的阵列的光电转换效率提高，另一种就是尽可能的使太阳能电池组的输出量最大化。当把蓄电池与光伏阵列连接起来，由于光伏阵列的输出特性与外界环境（太阳光照的强度及温度因素）相关。由于蓄电池的内阻不会跟着光伏电池输出的最大功率点变化，所以光伏电池的输出是无法调节改变的，从而浪费资源。然后另一方面又因为蓄电池的充电电压随环境而变化。

图2-2 带有MPPT 功能的光伏发电系统结构图

光 伏 阵 列 DC/DC 变换 DC/AC 变换 直流负载 交流负载 最大功率

点跟

踪 充放电控制

蓄电池

逆变控制器

3 光伏阵列特性及其仿真模型的研究

3.1 太阳能电池的等效电路分析

研究光伏发电的首要解决问题就是怎样把太阳辐射能转变成可供人们使用的电能的问题。作为一种能量转换能量模块的光伏电池，因此是我们研究的首要问题也是最关键的环节，光伏电池一般是半导体材料制成，其工作原理是半导体PN 结的光电效应，当物体在阳光的照射下，利用光电材料受光照射后其内部电荷分布发生变化产生电流和电动势，这就是光电效应，进而实现能量转换。当并联或者串联许多这样的光伏电池便能产生更大的电动势和电流，从而更好的利用光能转换的电能。

电流源与一个二极管并联的等效电路。用串联的电阻 Rs 代表光伏电池的表面电阻、体电阻、接触电阻和电极道题电阻等；应为电池自身的问题，比如清洁或者表面缺陷的原因而存在的漏损电阻用一个并联电阻 Rsh 替代。

由于光伏电池的基本特性与工作原理、还有它的数学模型是我们需要研究的重点，由于太阳能电池输出特性是明显的非特性曲线，所以分析其特性后，建立光伏阵列模型的matlab 仿真，才能更好的使其匹配光伏控制系统，从而找到发电量最佳的方案，所以为光伏电池建立数学模型是必不可少的过程。通过模型与数学关系，找出光伏阵列的变化规律。太阳能电池的等效电路如图所示。

图3-1太阳能电池的等效电路图

在这种等效电路中，可知光伏电池的输出特性方程为：

L sh

D D ph L I R U I I I --= (3-1) =()??????-??? ?

?+10T k A R I U q exp I -I S L oc ph 其中

??

???????? ??=T -T k B E q exp T T I I r G r or 110 (3-2) ()[]

1000298G T K I I t SC ph -+= (3-3) 通常我们来研究等效电路的时候把S R 或sh R 给省略。分析光伏特性的等效电阻可得：S R 越大，短路电流越小，对开路电压不会造成很大的影响；sh R 越大，开路电压越小，但对短路电流不会影响太多。因为sh R 较大，通常为数千欧姆。所

以我们sh R 忽略掉，从而我们可以得到一个简化的光伏电池的等效电路图3-2：

图3-2简化的太阳能电池等效电路图

所以可以得出光伏电池的一个简化的输出特性方程如公式3-4。

()??????-??? ?

?+=10T k A R I U q exp I -I I s L OC ph L (3-4) 当外部负载短路时，oc U =0，光伏电流ph I 都向外部的短路负载流入，短路电流sc I 大约与光伏电流相等，即sc I =ph I ；当开路时，I =0。所有的光伏电流流过二极管D ，这时的开路电压为：

???

? ??+=10I I ln q T k A U ph oc (3-5) 由公式3-3可得，外界因素（如温度、日照强度等）对光伏电池的输出电流和电压有很大的影响。当温度不同时、日照强度下会产生不同的短路电流sc I ,且与日照强度成正比，并与温度成线性关系。同时，开路电压也与二者有密切的关系：

()298-+=T K U U T ocs oc (3-6)

其中，

U为标准测试条件（光伏电池温度为25℃，日照强度为1000W/2m，称ocs

之为标准测试条件）下的开路电压，

K为开路电压的温度系数。

T

3.2电池板matlab仿真

根据上述光伏电池I-V特性数学关系式，在MATLAB/Simulink 中建立了光伏电池的通用仿真模型，如图3-4。通过改变输入量T和S就可以模拟不同电池温度和日照强度下的光伏电池输出I-V特性。而针对不同型号的光伏电池，只需在仿真模型中输入厂家提供的标准测试条件下的Im、Vm、Isc、V oc，就可以模拟其输出I-V特性。如图3-3，是在T=25.S=1000条件下，太阳能电池的仿真。

图3-3太阳能电池仿真图

图3-4太阳能电池在MATLAB/Simulink中的模型

太阳能伏安特性仿真结果如下：

图3-5 P U、U I仿真图

表3-1太阳能电池板的主要参数

型号（GHM-150）电池片数6*12

最大功率150（W）开路电压43（V）

最大功率点工作电流 4.28（A）短路电流 4.86（A）

最大功率点工作电压35（V）外形尺寸1580*808*35

3.3蓄电池充电方法

铅酸蓄电池有可重复利用、电压稳定、使用寿命长、适用范围广等特点。但是在使用正确的时候，将会使寿命降低，影响蓄电池的因素有很多，研究表明，

电池充电过程中对电池的影响很大，放电过程的影响较小，由此可知，采用正确的充电方法能够延长电池的使用寿命，蓄电池的充电方式有很多种，例如，恒流充电、恒压充电、二阶段、三阶段充电等。

（1）恒流充电

恒流充电是指在充电过程中以恒定的电流进行充电，适用于多个串联的蓄电池。缺点是开始充电电流较小，后期电流偏大，在充电过程中析出的气体也较多，充电时间较长，对极板有较大的冲击力，一般的免维护蓄电池不会使用该方法。

图3-6 恒流充电

（2）恒压充电

和恒流充电类似，恒压充电是以一定的电压不变进行充电，优点是充电的电流与电压成反比，会随着电压的升高而降低，充电时间短，能量损耗低，缺点是刚开始充电电流较大，后来充电电流又较小，不适合多个蓄电池进行充电，对低电压的电池不能完全充满。

图3-7恒压充电

（3）阶段充电

阶段充电是结合恒流充电和恒压充电的优点而设计的一种充电方式，分阶段充电时在刚开始时对蓄电池采用恒流方式充电，等蓄电池达到一定的容量后改用

恒压充电，避免了充电阶段出现的大电流，以及在充电后期出现高电压的现象。为了延长蓄电池的使用寿命采用最常用的三阶段充电法。

三阶段充电法的第一阶段：用大电流进行充电，大约充到总容量的55%左右；第二阶段：采用恒压充电，当充电电流达到一定程度时，再进入下一阶段；第三阶段：采用小电流充电，充到电池满为止。采用三阶段充电方法在充电初始阶段不会出现很大的充电电流，在后阶段也不会产生过高的电压，不会破坏蓄电池。

采用PWM控制方式：通过检测蓄电池的充电电流电压，利用PWM信号控制开关器件的通断。

图3-8阶段充电