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基于Simulink的光伏电池组件建模和MPPT仿真研究
摘要：
本文建立了一个基于Simulink的光伏电池组件模型，并使用该模型研究了功率跟踪最大功率点跟踪（MPPT）算法。首先，我们从光伏电池的工作原理和特性方面进行介绍，并详细说明了模型的构建方法。接着，我们展示了模型的仿真结果以及最大功率点跟踪算法的效果图，并使用MATLAB的TestCase功能进行模型的验证。最后，我们探讨了未来在该领域中模型和算法的研究方向。
关键词：光伏电池，Simulink，MPPT，仿真，建模
引言：
近年来，随着人们对环保节能的重视程度不断的提高，太阳能等可再生能源得到了广泛的应用。光伏电池是太阳能电池组的核心组件，其主要功能是将太阳能转换为电能。在光伏电池组运行过程中，通常会出现许多状态变化和环境噪声，如光照强度变化，温度变化等。因此，如何能够提高光伏电池系统的效率，成为了一个研究热点。功率跟踪最大功率点跟踪（MPPT）算法就是解决这个问题的一种方法。
在本文中，我们将建立一个基于Simulink的光伏电池组件模型，并利用该模型研究功率跟踪MPPT算法的效果。首先，我们将从光伏电池的工作原理方面进行讲述，并详细说明模型构建的相关步骤。接着，我们将演示模型的仿真结果，并分析MPPT算法的效果，并用TestCase功能进行了模型的验证。最后，我们将探讨未来在该领域的模型和算法研究方向。
光伏电池的工作原理
光伏电池是一种将光直接转换为电能的装置。其工作原理可以简单地理解为：当光照射到光伏电池的半导体材料上时，将会产生电子和空穴。在N-P结的结区域附近则会形成电子和空穴的浓度差，从而产生电势差。进而再利用导线将电子流动的方向控制在特定的路线上，形成电流。如图1所示：
图1：光伏电池的工作原理
光伏电池系统通常分为两个部分，即光伏电池和电源跟踪器（MPPT）。在安装过程中，电池必须与电源跟踪器正确对接，这样才能将电池产生的电能储存在电池中，以后再利用。
光伏电池组件模型的构建
在Simulink中，我们使用block来代替光伏电池及其配件组成的电路。我们将光伏电池组件模型分成以下几个部分，分别为：
1.光伏电池电路;
2.充电电路;
3.负载电路。
光伏电池电路的建立：
光伏电池电路是用来模拟光伏电池组件的装置。由于光伏电池本身并不提供电流、电压、功率等相关参数输出，所以在建立电路时，我们一般需要选取一些典型的光伏电池，其特性曲线如下图所示：
图2：典型光伏电池的特性曲线
其中，当光照强度为1000W/m2，温度为25℃时，典型光伏电池的P-V特性曲线如图3所示：
图3：典型光伏电池的P-V特性曲线图
根据上述特性曲线，我们可由电路中的各元器件组装光伏电池组件模型。模型的原理图如图4所示：
图4：光伏电池模型
其中，Voc、Isc均为开路电压和短路电流。在构建完光伏电池电路后，我们将其连接到电源跟踪器（MPPT）中。
充电电路的建立：
在光伏电池组件模型中，充电电路将会帮助我们将充电器与光伏电池正确连接，从而帮助光伏电池充电。充电电路包括了以下几个主要的元器件，分别是二极管、电容器、放大器及比较器等。我们的目的是从光伏电池中获取到最大功率点的电压和电流，将其传递到充电器中进行充电。
负载电路的建立：
负载电路是用来建立一个典型的负载电路，从而帮助我们检验光伏电池组件模型的运行情况。负载电路是由负载电阻、接地电阻及其他相关元器件组成的，如图5所示。
图5：典型的负载电路
MPPT算法的实现
在光伏电池组件模型的建立中，很多情况下需要使用到MPPT算法来帮助我们跟踪输出功率最大的点。常见的MPPT算法有以下几种：
1.PerturbationandObservation算法;
2.IncrementalConductance算法;
3.FixedVoltage高压限功率点算法。
在本文中，我们主要采用比例积分控制算法（PI）进行光伏电池组件模型的建立。
比例积分控制算法（PI）是一种较为常见且易于实现的算法，它能够很好的跟踪输出功率最大点。该算法的实现步骤如下：
1.测量当前光伏电池组件的电流和电压;
2.通过运算得到当前光伏电池组件的工作点信息，并实现电池充电；
3.在完成充电后，通过控制反馈回路，调整充电器的输出电压，使其保持在最大功率点处。
光伏电池组件模型的仿真结果
采用Simulink中的光伏电池模型对光伏电池进行了仿真，如图6所示：
图6：光伏电池组件模型的仿真结果
可以看出，在正常工作状态下，光伏电池输出功率较为稳定并且较高。
MPPT算法的验证
根据上述模型和算法，在Simulink中使用MPPT算法进行光伏电池组件的功率跟踪，并验证该算法的效果。如图7所示：
图7：基于Simulink的光伏电池功率跟踪结果
可以看出，通过调节充电