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(dòng)化

摘 要：
隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，而隨著化石能源的枯竭，全球能源危機(jī)日益嚴(yán)重，因此清潔的可再生能源便成為了各國(guó)近年來(lái)研究的重點(diǎn)。太陽(yáng)能是重要的可再生能源之一，太陽(yáng)能具有普遍、清潔、巨大、容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電是人類對(duì)太陽(yáng)能最有效的利用方式。光伏發(fā)電的研究對(duì)于緩解全球能源危機(jī)具有重要意義。
本文研究的重點(diǎn)是對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤。通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)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(duì)光伏發(fā)電的原理和光伏電池的輸出功率特性進(jìn)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(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后用PID控制法改變系統(tǒng)占空比實(shí)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(guò)對(duì)幾種常見最大功率跟蹤方法進(jìn)行了研究和仿真，把傳統(tǒng)的MPPT控制法和智能MPPT控制法進(jìn)行對(duì)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(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)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(yùn)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。
本文詳細(xì)介紹了對(duì)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(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最大功率點(diǎn)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://m.jey722.cn省略1725字，正式會(huì)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(diǎn)跟蹤 2
1.2.2我國(guó)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(yáng)能光伏發(fā)電概述及其特性 5
2.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理 5
2.2太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的基本組成 5
2.3太陽(yáng)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(dú)立太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電效率的方法 10
2.5.1不同太陽(yáng)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(diǎn)跟蹤的方法概述 14
3.2.1擾動(dòng)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(diǎn) 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(diǎn) 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(guò)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(gè)數(shù)的確定 29
4.6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差檢驗(yàn) 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(jì)及仿真 31
5.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
5.2太陽(yáng)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(diǎn)跟蹤仿真 36
5.5.1擾動(dòng)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(diǎn)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(xiàn) 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(dāng)今社會(huì)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(jì)的發(fā)展、人口的迅速增加、科技的日新月異，能源問(wèn)題越來(lái)越受到我國(guó)以及世界各國(guó)的關(guān)注。在過(guò)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�(yán)重的環(huán)境污染，酸雨、土地塌陷、水質(zhì)污染、溫室效應(yīng)等問(wèn)題時(shí)時(shí)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(jī)帶來(lái)的壓力越來(lái)越大，世界各國(guó)都在尋求新的能源來(lái)滿足高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的巨大的能源需求。
中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，我國(guó)對(duì)能源的需求量和消耗量越來(lái)越大。在已探明的各種能源中，我國(guó)的煤炭資源較豐富，但是石油和天然氣都很少，無(wú)法滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，每年都需要大量的進(jìn)口，就拿我們最自豪的煤炭資源來(lái)說(shuō)，也僅僅夠中國(guó)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(guó)能源問(wèn)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(guó)與世界能源結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1-1所示。

圖1.1 2017年中國(guó)和世界能源結(jié)構(gòu)對(duì)比圖
從上圖我們可以看到中國(guó)和世界之間還存在著巨大的差距，要想實(shí)現(xiàn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，能源是必須解決的一個(gè)問(wèn)題。2009年，在哥本哈根大會(huì)上中國(guó)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(dá)15%以上，把實(shí)現(xiàn)降低能耗、降低環(huán)境污染作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo)[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(guó)正處在一個(gè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的階段，我們對(duì)化石能源的需求還很高。隨著我國(guó)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(guó)對(duì)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(shí)代的要求，其中太陽(yáng)能具有普遍廉價(jià)、隨處可見、總量巨大等優(yōu)點(diǎn)，因此太陽(yáng)能具有很高的發(fā)展?jié)摿�，根�?jù)世界能源組織預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將成為我國(guó)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(huì)進(jìn)一步增大；到21世紀(jì)50年代，光伏發(fā)電量會(huì)占到世界總能源的20%，總之太陽(yáng)能發(fā)電的總量會(huì)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(wèn)題需要解決，主要集中在以下幾個(gè)方面:
（1）太陽(yáng)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(yáng)能大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)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(guó)科學(xué)家研究的熱門問(wèn)題。
（2）發(fā)電效率不穩(wěn)定問(wèn)題，由于受光強(qiáng)、溫度及陰影遮擋等的影響，光伏電池的輸出功率波動(dòng)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(dòng)會(huì)降低發(fā)電的效率，并引起電力系統(tǒng)在并網(wǎng)過(guò)程中的潮流分布。所以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大功率跟蹤是各國(guó)研究的重點(diǎn)之一。
（3）搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)占據(jù)很大的空間，由于太陽(yáng)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(dāng)今光伏發(fā)電的一個(gè)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(shí)能耗較大，大大提高了成本，因此光伏電池發(fā)出的電能價(jià)格比火力發(fā)電較高。
綜上分析，實(shí)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(diǎn)跟蹤
太陽(yáng)能電池組件的瞬時(shí)輸出功率由于受外部電路的影響在U-I曲線上下移動(dòng)，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(diǎn)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(diǎn)，造成光伏發(fā)電效率下降，甚至損壞太陽(yáng)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(dòng)觀測(cè)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(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)和引申，可以解決傳統(tǒng)控制法無(wú)法解決的問(wèn)題，比如最發(fā)功率曲線出現(xiàn)多峰時(shí)造成跟蹤困難的問(wèn)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(duì)非線性曲線的預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的MPPT模型，對(duì)復(fù)雜光照條件下的光伏電池的輸出特性曲線進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和跟蹤，具有準(zhǔn)確性高、速度快、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)理想的控制效果。
1.2.2我國(guó)MPPT研究及發(fā)展情況
我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)期起步比較晚，在上世紀(jì)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(chǎng)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(guó)的光伏市場(chǎng)迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步擴(kuò)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(guó)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(guó)，尤其在我國(guó)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(chǎng)[5]。
我國(guó)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(lái)隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，我國(guó)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(shí)踐的研究成果�？偟膩�(lái)說(shuō)，光伏發(fā)電的MPPT研究仍是今后光伏發(fā)電的研究重點(diǎn)和熱門話題。
1.3本文主要內(nèi)容
本課題研究對(duì)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(diǎn)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的選擇和對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)算法（如擾動(dòng)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(diǎn)；在MATLAB仿真軟件上建模，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)PID控制法改變占空比，實(shí)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(shì)，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(gè)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(dāng)前僅顯示4845字，請(qǐng)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》）