基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT研究

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT研究
論文題目：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT研究
專 業(yè)：電氣工程及其自動化

摘 要：
隨著現(xiàn)代科技的進步和世界經(jīng)濟的發(fā)展，人們對能源的需求量越來越大，而隨著化石能源的枯竭，全球能源危機日益嚴重，因此清潔的可再生能源便成為了各國近年來研究的重點。太陽能是重要的可再生能源之一，太陽能具有普遍、清潔、巨大、容易獲取等優(yōu)點，光伏發(fā)電是人類對太陽能最有效的利用方式。光伏發(fā)電的研究對于緩解全球能源危機具有重要意義。
本文研究的重點是對光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤。通過對光伏發(fā)電的最大功率點跟蹤，能夠最大程度地提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。本文對光伏發(fā)電的原理和光伏電池的輸出功率特性進行了分析，在MATLAB中構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對最大功率點進行預(yù)測，然后用PID控制法改變系統(tǒng)占空比實現(xiàn)MPPT跟蹤，從而提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電轉(zhuǎn)換率。
通過對幾種常見最大功率跟蹤方法進行了研究和仿真，把傳統(tǒng)的MPPT控制法和智能MPPT控制法進行對比分析，并把BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為本文研究的主要內(nèi)容，在MATLAB中對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行有監(jiān)督的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，創(chuàng)建了有效的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后把它運用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。
本文詳細介紹了對基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)的MATLAB模型仿真過程，對實驗結(jié)果進行了系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最大功率點跟蹤，光伏發(fā)電，MATLAB仿真

Subject: Research on Photovoltaic Power Generation System MPPT Based on Neural Network Model
Specialty: Electrical Engineering and Automation
Abstract

With the advancement of modern science and technology and the development of the world economy, people’s demand for energy is increasing. With the depletion of fossil fuels and the growing global energy crisis, clean and renewable energy sources have become the research of countries in recent years. th
……（新文秘網(wǎng)http://120pk.cn省略1725字，正式會員可完整閱讀）……　
lyzes the e*perimental results.

Key Words:neural network, ma*imum power point tracking,photovoltaic power generation, MATLAB simulation

目錄
第一章 緒 論 1
1.1課題的的背景和研究意義 1
1.1.1課題背景 1
1.1.2研究意義 2
1.2光伏發(fā)電的最大功率跟蹤研究現(xiàn)狀 2
1.2.1最大功率點跟蹤 2
1.2.2我國MPPT研究及發(fā)展情況 3
1.3本文主要內(nèi)容 3
第二章 太陽能光伏發(fā)電概述及其特性 5
2.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理 5
2.2太陽能光伏系統(tǒng)的基本組成 5
2.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分類 6
2.3.1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 6
2.3.2獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 6
2.3.3復(fù)合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 7
2.4光伏電池結(jié)構(gòu)及其特性 8
2.4.1光伏電池結(jié)構(gòu) 8
2.4.2光伏電池伏安特性 8
2.4.3光伏電池伏安特性曲線 9
2.5提高太陽能光伏發(fā)電效率的方法 10
2.5.1不同太陽能電池效率比較 11
2.5.2提高發(fā)電效率的方法 11
2.6 本章小結(jié) 11
第三章 光伏發(fā)電最大功率跟蹤技術(shù)概述 13
3.1最大功率跟蹤原理 13
3.2最大功率點跟蹤的方法概述 14
3.2.1擾動觀擦法（Perturb&Observea-P&O） 14
3.2.2增量電導(dǎo)法（Incremental Condutance） 16
3.2.3恒定電壓法(CVT) 17
3.2.4粒子群控制法（PSO） 18
3.2.5模糊控制法 20
3.3 本章小結(jié) 21
第四章 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電MPPT跟蹤 22
4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概論 22
4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型 23
4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點 23
4.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 23
4.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點 25
4.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練 25
4.4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概述 25
4.4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程 25
4.4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練步驟 26
4.5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層、輸出層和隱含層的神經(jīng)元個數(shù)的確定 29
4.6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差檢驗 30
4.7 本章小結(jié) 30
第五章 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及仿真 31
5.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 31
5.2太陽能光伏電池組件的建模 32
5.3 DC/DC變換器的建模 34
5.4光伏發(fā)電系統(tǒng)整體模型 35
5.5最大功率點跟蹤仿真 36
5.5.1擾動觀察算法的仿真 36
5.5.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點仿真 37
5.6 本章小結(jié) 39
第六章 總結(jié)和展望 40
6.1論文總結(jié) 40
6.2光伏發(fā)電展望 41
參考文獻 42
致 謝 44

第一章 緒 論
1.1課題的的背景和研究意義
1.1.1課題背景
當今社會已經(jīng)步入了現(xiàn)代化高速發(fā)展的道路，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展、人口的迅速增加、科技的日新月異，能源問題越來越受到我國以及世界各國的關(guān)注。在過去的20年之間，全球的能源消耗總量增加了40%左右�；茉吹南脑斐闪藝乐氐沫h(huán)境污染，酸雨、土地塌陷、水質(zhì)污染、溫室效應(yīng)等問題時時刻刻如懸在我們頭上的利劍[1]。而隨著化石能源的不斷消耗，能源危機帶來的壓力越來越大，世界各國都在尋求新的能源來滿足高速發(fā)展的經(jīng)濟帶來的巨大的能源需求。
中國是一個人口大國，我國對能源的需求量和消耗量越來越大。在已探明的各種能源中，我國的煤炭資源較豐富，但是石油和天然氣都很少，無法滿足我國經(jīng)濟發(fā)展的需求，每年都需要大量的進口，就拿我們最自豪的煤炭資源來說，也僅僅夠中國開采100年左右。因此，發(fā)展可再生能源，減少污染氣體的排放，改善環(huán)境是我國能源問題的出路，也是我們這一代人義不容辭的歷史使命。2017年中國與世界能源結(jié)構(gòu)對比如圖1-1所示。

圖1.1 2017年中國和世界能源結(jié)構(gòu)對比圖
從上圖我們可以看到中國和世界之間還存在著巨大的差距，要想實現(xiàn)中國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，能源是必須解決的一個問題。2009年，在哥本哈根大會上中國向世界做出了鄭重的承諾：到2020年，非化石能源占一次性消耗能源比重達15%以上，把實現(xiàn)降低能耗、降低環(huán)境污染作為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要指標[2]。所以，我們積極地開發(fā)可再生能源，具有非常重大的意義。
1.1.2研究意義
中國正處在一個能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的階段，我們對化石能源的需求還很高。隨著我國能源結(jié)構(gòu)的改革，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重不斷增大，
目前我國對化石能源的依賴較高，大力發(fā)展新型的清潔能源是現(xiàn)時代的要求，其中太陽能具有普遍廉價、隨處可見、總量巨大等優(yōu)點，因此太陽能具有很高的發(fā)展?jié)摿�，根�?jù)世界能源組織預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電將成為我國甚至全世界的重要能源之一。到2020年，光伏發(fā)電將得到極大的發(fā)展，在能源結(jié)構(gòu)中所占的比重會進一步增大；到21世紀50年代，光伏發(fā)電量會占到世界總能源的20%，總之太陽能發(fā)電的總量會持續(xù)上升，并逐漸在能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位[3]。
雖然光伏發(fā)電的前景很可觀，但是目前光伏發(fā)電仍有很多問題需要解決，主要集中在以下幾個方面:
（1）太陽能光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率不高，由于晶體半導(dǎo)體的制造工藝等原因，太陽能大規(guī)模生產(chǎn)時最高功率只有18%左右，因此提高光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率，是目前各國科學(xué)家研究的熱門問題。
（2）發(fā)電效率不穩(wěn)定問題，由于受光強、溫度及陰影遮擋等的影響，光伏電池的輸出功率波動很大，因此光伏發(fā)電是一種不穩(wěn)定能源。光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動會降低發(fā)電的效率，并引起電力系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中的潮流分布。所以實現(xiàn)光伏發(fā)電最大功率跟蹤是各國研究的重點之一。
（3）搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)會占據(jù)很大的空間，由于太陽能的能量分布密度系數(shù)較低，導(dǎo)致光伏發(fā)電站占據(jù)大量空間，成為了當今光伏發(fā)電的一個難題。
（4）發(fā)電成本高。由于制作工藝等原因?qū)е轮谱鞴夥姵貢r能耗較大，大大提高了成本，因此光伏電池發(fā)出的電能價格比火力發(fā)電較高。
綜上分析，實現(xiàn)光伏發(fā)電最大功率跟蹤，能夠極大地提高光伏電池的發(fā)電效率，降低成本。
1.2光伏發(fā)電的最大功率跟蹤研究現(xiàn)狀
1.2.1最大功率點跟蹤
太陽能電池組件的瞬時輸出功率由于受外部電路的影響在U-I曲線上下移動，最大功率跟蹤技術(shù)就是用電力電子器件和軟件，使系統(tǒng)的輸出電壓工作在最大功率點附近。如果沒有最大功率跟蹤技術(shù)，電池組件的輸出功率就有可能工作在任意功率點，造成光伏發(fā)電效率下降，甚至損壞太陽能電池板。
目前最大功率跟蹤技術(shù)采用的方法很多，控制方法分為傳統(tǒng)方法和智能控制法。常見的傳統(tǒng)方法有：電壓跟蹤法CTV、擾動觀測法P&O、短路電流比例法、電導(dǎo)增量法INC等；智能控制法是目前提出的最新的理論和科學(xué)技術(shù)，它是對傳統(tǒng)方法的改進和引申，可以解決傳統(tǒng)控制法無法解決的問題，比如最發(fā)功率曲線出現(xiàn)多峰時造成跟蹤困難的問題[4]�，F(xiàn)在較成熟的智能控制法有：粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊控制法等。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對非線性曲線的預(yù)測較準確，在太陽能光伏發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的MPPT模型，對復(fù)雜光照條件下的光伏電池的輸出特性曲線進行較準確的預(yù)測和跟蹤，具有準確性高、速度快、穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)理想的控制效果。
1.2.2我國MPPT研究及發(fā)展情況
我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)期起步比較晚，在上世紀80年代首次在地面上應(yīng)用光伏發(fā)電，但是由于成本較高、發(fā)電轉(zhuǎn)換率較低等原因，光伏市場發(fā)展較慢，只在一些衛(wèi)星電源和小功率設(shè)備上得到了應(yīng)用；1990年我國的光伏市場迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也進一步擴大，在石油、通信、交通、軍事、航空航天等領(lǐng)域得到了大力發(fā)展。到目前為止，我國正在建設(shè)及已投入生產(chǎn)的光伏發(fā)電站已遍布全中國，尤其在我國西北地區(qū)，如新疆、西藏、內(nèi)蒙古等地區(qū)建立了很多光伏發(fā)電場[5]。
我國的光伏發(fā)電開始研究的較晚，技術(shù)不夠成熟，但是近年來隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，我國很多學(xué)者和科學(xué)家都在致力于光伏發(fā)電的研究，并且取得了很多成熟的可以應(yīng)用于實踐的研究成果�？偟膩碚f，光伏發(fā)電的MPPT研究仍是今后光伏發(fā)電的研究重點和熱門話題。
1.3本文主要內(nèi)容
本課題研究對象是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT，研究的重點在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的選擇和對光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤。通過對傳統(tǒng)算法（如擾動法等）和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的比較，分析它們各自的優(yōu)缺點；在MATLAB仿真軟件上建模，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行預(yù)測，通過PID控制法改變占空比，實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率跟蹤。
具體工作有：
1查閱有關(guān)光伏發(fā)電的資料，了解光伏發(fā)電的歷史、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，分析光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)，根據(jù)光伏發(fā)電的原理及輸出曲線特性函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，在這個基礎(chǔ)上分析光伏電池的U-I曲線、輸出功率P-I曲線；
2 學(xué)習(xí)傳統(tǒng)光伏發(fā)電算法和人工 ……（未完，全文共26936字，當前僅顯示4845字，請閱讀下面提示信息。收藏《基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT研究》）