引入二阶微分的局部阴影下光伏阵列MPPT算法研究

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湖北工业大学硕士学位论文

摘要

可再生能源是现在各国研究的重点，其中太阳能是其中的一种。各国都在发

展太阳能发电技术，我国也在大力发展相关的项目。本文主要研究遮荫条件下，

对于多峰情况的最大输出功率跟踪问题，对以下几点做出了具体研究。

（1）通过光伏电池数学模型，在 Matlab/Simulink 环境中搭建光伏电池模块。

分析单峰情况下的输出特性曲线，研究多峰情况下的数学模型。仿真得到多峰的

P-U 和多膝的 I-U 特性曲线。针对不同串联和并联结构的遮挡情况分析，在不同遮

挡情况下，得到 P-U 和 I-U 曲线的变化规律，并给出光伏阵列应对阴影条件下的

优化设计提出方案。

（2）对局部阴影条件下多峰 MPPT 算法进行研究，通过对光伏电池的输出电

流电压关系式推导出 d

P/dU

公式，分析 d

P/dU

随输出电压 U 变化关系。然后在

Matlab/Simulink 环境中搭建模型仿真得到单峰情况下 d

P/dU

-U 输出特性曲线。分

析曲线的特性可以将二阶微分 d

P/dU

取一个阀值将单峰的 P-U 曲线分为 3 个区

域，即远离波峰的左边和在波峰值附近以及波峰的右边三个区域。在对多峰情况

下 d

P/dU

-U 输出特性曲线分析后思考一种复合型 MPPT 算法，结合全局电压扫描

法和 P&O 算法，算法一开始给定输出电压为 0，然后给定一个增加的步长往波峰

的右边扫描，通过计算 d

P/dU

变量的值判断工作在功率-电压(P-U)多峰曲线中的

位置，该变量的值大于阀值时可以判断工作在在远离波峰的左边此时采用大步长。

当判断出接近波峰时则采用小步长的 P&O 算法寻找到第一个波峰位置，记录相应

数据，然后继续往右边扫描，直到扫描完成，然后将扫描中全局最大功率点位置

直接输出。最后通过仿真对比验证复合 MPPT 算法的优缺点，发现复合型 MPPT

算法能够找到全局最大功率点，精度很高且速度更快，在光照突变情况下也能重

新找到新的最大功率。

关键词：局部阴影，复合型 MPPT 算法，Matlab，二阶微分

湖北工业大学硕士学位论文

Abstract

Renewable energy is now the focus of research in various countries, and solar

energy is one of them. All countries are developing solar power technology, and my

country is also vigorously developing related projects. This article mainly studies the

problem of maximum output power tracking in multi-peak conditions under shading

conditions, and makes specific research on the following points.

(1) Through the mathematical model of photovoltaic cells, build photovoltaic cell

modules in the Matlab/Simulink environment. Analyze the output characteristic curve

under the single-peak condition, and study the mathematical model under the

multi-peak condition. The P-U with multiple peaks and I-U with multiple knees are

obtained by simulation. According to the analysis of the shielding situation of different

series and parallel structures, under different shielding situations, the change law of P-U

and I-U curves is obtained, and the optimal design of photovoltaic arrays under shadow

conditions is proposed.

(2) Research the multi-peak MPPT algorithm under partial shadow conditions,

derive the d

P/dU

formula through the output current-voltage relationship of the

photovoltaic cell, and analyze the relationship between d

P/dU

and the output voltage

U. Then build a model simulation in the Matlab/Simulink environment to get the output

characteristic curve of d

P/dU

-U under the single peak condition. Analyzing the

characteristics of the curve, the second-order differential d

P/dU

can be divided into

three areas by taking a threshold value for the single-peak P-U curve, namely, the left

side away from the peak and the three areas near the peak and the right side of the peak.

After analyzing the output characteristic curve of d

P/dU

-U under the multi-peak

condition, consider a composite MPPT algorithm, which combines the global voltage

sweep method and the P&O algorithm. At the beginning of the algorithm, the output

voltage is set to 0, and then an increase step is given. Sweep to the right of the peak, and

judge the position of the work in the power-voltage (PU) multi-peak curve by

calculating the value of the d

P/dU

variable. When the value of this variable is greater

than the threshold, it can be judged that the work is on the left far away from the peak.

Use large steps. When it is judged that it is close to the peak, the small-step P&O

algorithm is used to find the first peak position, record the corresponding data, and then

continue to scan to the right until the scan is completed, and then directly output the

position of the global maximum power point in the scan. Finally, the advantages and

disadvantages of the composite MPPT algorithm are verified through simulation and

comparison, and it is found that the composite MPPT algorithm can find the global

maximum power point, with high accuracy and faster speed, and can find a new

maximum power again in the case of sudden light changes.

湖北工业大学硕士学位论文

摘要 ......................................................... I

Abstract ........................................................ II

目录 ........................................................ IV

第 1 章绪论 ...................................................... 1

1.1 课题研究背景及意义 ......................................... 1

1.1.1 课题来源和研究背景 ................................... 1

1.1.2 光伏发电的研究意义和实践价值 ......................... 1

1.2 国内外 MPPT 研究现状 ........................................ 2

1.3 本文研究的主要内容及章节安排 ............................... 5

第 2 章局部阴影条件下光伏阵列输出特性 ............................ 6

2.1 光伏电池输出特性 ........................................... 6

2.1.1 光伏电池的工作原理 ................................... 6

2.1.2 光伏电池的数学模型 ................................... 7

2.1.3 光伏电池的输出特性曲线 ............................... 9

2.2 热斑效应及解决办法 ........................................ 12

2.3 局部阴影下光伏阵列数学模型 ................................ 14

2.4 局部阴影下光伏阵列输出特性 ................................ 16

2.5 光伏阵列的设计优化方案 .................................... 16

2.6 本章小结 .................................................. 21

第 3 章局部阴影下 MPPT 算法研究 .................................. 22

3.1 光伏阵列的 d

P/dU

-U 输出特性曲线 ........................... 22

3.1.1 光伏电池的 d

P/dU

公式 ................................ 22

3.1.2 单峰情况下 d

P/dU

-U 输出特性曲线 ...................... 23

3.1.3 多峰情况下 d

P/dU

-U 输出特性曲线 ...................... 24

3.2 引入二阶微分的一种复合 MPPT 算法研究 ....................... 25

3.2.1P&O 算法和全局电压扫描法 .............................. 25

3.2.2 新型复合 MPPT 算法思路 ............................... 27

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