摘 要

近年来，风能和太阳能已成为大多数国家关注和研究的最有希望和理想的清洁能源。这两种清洁能源具有可再生，无污染，分布广的优点，但同时它们的能量密度较弱，随机性较强。特别是对于小容量发电系统，两者都很难独立作为一个稳定和持续的电力供应来源。同时，人们发现这两者具有良好的互补性。如果两者配合合理的容量配置并安装适当的电池组用于能量存储和负载平衡，则可以平衡和比较两者的弱点。稳定的功率输出。这种类型的发电系统被称为风能太阳能混合动力发电系统。随着燃料成本的不断提高以及对港口环境日益严格的考察，航运业更加关注清洁能源的使用。本文主要任务如下：

首先，本文介绍了论文的相关研究背景、选题意义、以及论文的主要工作。

其次，通过分析船舶应用风光互补系统的优势与该系统并入船舶电网可能出现的问题,分析船舶应用风光互补发电系统的架构。从海洋环境条件、突加大功率负载时的电网稳定性、环保性等方面对风光互补发电应用于船舶的可行性做简单分析,从而确立研究对象，为实例分析做基础。

然后,分析了光伏电池与风力发电机的工作原理，构建了光伏电池与风力机的数学模型。然后利用Simulink对光伏电池输出特性进行了介绍并分仿真与建模。分别列举了光伏电池与风力机的几种常用的最大功率点跟踪方法。

最后，通过对几种常用的MPPT控制方法进行数学分析，提出一种适用于船舶的风光互补系统MPPT优化方案。

关键词： 太阳能；风能；风光互补发电；最大功率跟踪； Simulink仿真

Abstract

In recent years, wind power and solar energy have received the attention and research of most countries as the most promising and ideal clean energy. The two types of clean energy have the advantages of being renewable, non-polluting, and widely distributed, but at the same time they also have weak energy density and strong randomness. Especially for small-capacity power generation systems, it is difficult for both to act independently as a stable and continuous power supply source. At the same time, people have found that the two have good complementarity. If the two are complemented by a reasonable capacity configuration and install appropriate battery packs for energy storage and load balancing, the weak points of the two can be balanced and we can get relatively stable power output. This type of power generation system is called a wind-solar hybrid power generation system. With the continuous increase in the cost of fuel and the increasingly strict inspection of the port environment, the shipping industry is paying more and more attention to the use of clean energy. The main work of this paper is as follows:

First, introduces the background, significance, work.

Secondly, by analyzing the advantages of the wind-solar hybrid system applied by the ship and the problems that may arise when the system is incorporated into the ship's power grid, the architecture of the ship-wind hybrid power generation system is analyzed. The feasibility of applying wind-solar hybrid power generation to ships is analyzed from the perspective of marine environmental conditions, stability of power grids when power loads are increased, and environmental protection, so as to establish research objects and provide a basis for case analysis.

Then, the working principle of photovoltaic cell and wind turbine was analyzed, and the mathematical model of photovoltaic cell and wind turbine was constructed. Then, using Simulink, the photovoltaic cell output characteristics were introduced and divided into simulation and modeling. Several commonly used maximum power point tracking methods for photovoltaic cells and wind turbines are listed.

Finally, through mathematical analysis of several commonly used MPPT control methods, an MPPT optimization scheme for wind-solar hybrid systems for ships is proposed.

Keywords： Solar Energy ; Wind Energy ; Wind and solar power generation ; MPPT ; Simulink Simulation

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 意义及背景 1

1.1.1清洁能源概述与发展现状 1

1.1.2 太阳能发展现状及趋势 2

1.1.3 风能发展现状及趋势 2

1.2 风光互补发电MPPT技术 3

1.2.1 风光互补发电的优势及应用 3

1.2.2 风光互补MPPT技术研究现状 4

1.3 本文主要内容 4

第2章 船舶应用风光互补系统情况分析 4

2.1 船舶应用风光互补系统的优势 4

2.2 船舶应用风光互补系统架构 5

2.3 风光互补系统并入船舶电网需要解决的问题 5

2.3.1 复杂的港口与海洋环境 5

2.3.2 大功率负载或突加负载对电网稳定性的影响 6

2.4 研究对象的确立 6

2.5 本章小结 6

第3章 光伏电池的MPPT算法 7

3.1 光伏电池的工作原理 7

3.2 光伏电池的等效电路 8

3.3 工程用光伏电池的数学模型 9

3.4 光伏电池的Simulink模型 10

3.5 光伏电池MPPT工作原理 12

3.6光伏发电系统的常用MPPT控制方法 13

3.6.1 恒定电压法 14

3.6.2 扰动观察法 14

3.6.3 电导增量法 15

3.6.4 模糊逻辑法 16

第4章 风力发电机的MPPT算法 16

4.1 风力发电机的组成及工作原理 16

4.2 风力机的功率 17

4.3 最大功率输出原理 18

4.4 风力发电机的常用MPPT控制方法 19

4.4.1 测风速法 19

4.4.2 测转速法 19

4.4.3 扰动观察法（爬山法） 20

4.4.4 模糊逻辑法 20

第5章 变步长扰动MPPT控制方法 21

结语 21

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪 论

1.1 意义及背景

能源，是人类赖以生存的根本，其中化石能源作为目前全球最主要消耗的能源，不仅日益枯竭，而且对地球环境带来了极大的破坏。许多学者研究表明：目前地球上剩余的化石能源，最多只可供人类使用300年。这是一个无法回避的残酷现实，同时对我们而言也是一个值得敲响的警钟。有限的传统能源无法支撑人类长期的经济发展。因此，为人类寻找合适的新能源是人类长期发展的必要条件。

1.1.1清洁能源概述与发展现状

清洁能源是不排放污染物的能源。可再生能源就是清洁能源的一种，指原材料可以再生的能源，如水力发电、风力发电、太阳能等。因为可再生能源源源不断、永不枯竭。因此日益受到世界各国的重视，尤其是一些能源严重短缺的国家，如日本等。同时，清洁能源技术也指为了控制温室气体排放而开发的新技术。

能源是发展经济和满足人民生活需求的重要物质基础。在上个世纪的能源结构中，人们主要使用石油，天然气，煤炭等化石燃料，近两个世纪以来，以化石燃料为基础的能源体系为人类社会的发展造成了巨大地影响。但是人类在使用化石燃料的同时，也不可避免的污染了自然环境，破坏了自然界平衡的生态系统。这个问题在发展中国家尤其严重。作为一个主要的发展中国家，中国的能源使用问题包括能源结构不合理，能源技术和设备水平低，管理水平相对较低等，严重地导致单位国内生产总值能源消费量远高于世界主要耗能国家。随着能源供需矛盾进一步加剧，我们意识到，单靠依靠增加能源供应，已难以满足世界日益增长的消耗需求。更严重的问题是我国的能源消耗主要是煤炭，这更加剧了中国大气污染的程度，催生在许多城市多发的雾霾现象。以煤为主的能源结构在未来相当长时期内难以改变，这种状况持续下去，将给生态环境带来更大的压力。

在未来的几十年中，随着人类活动的增加与技术的进步。能源的消耗量将进一步增长，知道化石能源全部耗光。面对日益严重的能源枯竭和环保压力，我们必须加大投入清洁能源的开发和利用。

风能和太阳能是目前众多可再生新能源中，应用潜力最大、最具开发价值的两种。近年来风力发电和太阳能发电技术发展很快，其独立应用技术已经成熟。它们能源污染小、可持续利用,虽然现在与常规能源相比成本还是过高,但随着研究深入和商业化的推广,风能与太阳能已经显示出较强的竞争力。开展太阳能与风能发电系统的研究，对于缓解能源和环境问题而言具有重大的理论和现实意义。

1.1.2 太阳能发展现状及趋势

太阳能一般指太阳光的辐射能量。其具有清洁环保、可再生等特点。光伏发电无污染、无噪声、安装灵活且占用土地资源少。在目前世界能源危机频发及提倡环境保护的倡议背景之下，太阳能光伏发电系统由于其显著的优点而在世界范围内得到了飞速的发展^[1]。

在能源危机和全球气候变暖的压力下，可再生能源越来越受到德、美、日等国政府的关注，并相继推出了 “光伏屋顶”、“新阳光”等计划，在相关政府政策和法规的推动下，全球光伏产业呈现高速增长态势。在过去的15年中，全球光伏产业的年均增长率达到了25％。自2003年以来，欧洲光伏市场的迅猛发展导致市场在2004年和2015年呈现供不应求的状况。2006年全年，新增光伏系统容量达1870.4兆瓦，比2005年增长35％^[2]。多年来，德国一直拥有全球最大的光伏市场。受德国光伏屋顶工程示范影响，西班牙，意大利等临近国家纷纷取经而使得本国的光伏市场迅速蓬勃发展起来，其中西班牙的增长率甚至超过了200％;在亚洲，日本和韩国的装机容量最高;在美国，2006年加利福尼亚的“一百万太阳能屋顶工程”使世界光伏市场出现了又一轮繁荣景象。

中国的光伏产业在建国后很长时间内发展迟缓，在近40以来，在得到主要发展。但随着我国经济发展，党和政府开始越来越重视太阳能光伏发电的开发。2013年中国就出台了支持光伏产业发展的相关政策，掀起光伏产业发展的热潮。习近平同志在赴西宁考察时也明确指出发展光伏发电产业，要做好规划和布局，并加强政策支持和引导。日本在2013年也推出了史无前例的光伏补贴政策，全球光伏市场增长迅速，光伏产业依靠欧洲市场走向全球化。但自2013年以来，中国，日本和美国接过了欧洲的接力棒，并成为全球光伏电站的主要增长区，其市场份额继续上升。

表1.1 2016年全球光伏新增装机容量（略）

可以由表1.1看出欧洲、日本等传统市场的份额逐步向中国、印度等新兴市场转移。光伏发电产业在极大的向全球化迈进。

1.1.3 风能发展现状及趋势

风能是通过风车等装置把其传递给发电机以产生电力的一种可再生能源。具体方法是空气带动扇叶，扇叶通过传动轴，将动力传送至发电机，从而进行切割磁感线运动发电。世界上第一台风力发电机于1891年在丹麦制成,但直到近三十年来,风力发电才开始作为一种稳定的电能供应应用到人们的生活中。目前风力发电的开发主要在欧洲、美国等发达国家。

表1.2 2001~2016年风能产业年复合增长率（略）

我国的风力发展后来居上，目前已经成为全球风力最活跃、增长最迅猛的市场。如表1.2所示，中国的风能产业年复合增长率早已远超全球，并且位居全球第一。根据《风电发展“十三五”规划》，到 2020 年底，风电累计并网装机容量要确保达到2.1亿千瓦以上，其中海上风电并网装机容量要确保达到 500万千瓦以上。足见党和国家政府对于风能发展的殷切期望与重视^[3]。

1.2 风光互补发电MPPT技术

1.2.1 风光互补发电的优势及应用

风力发电与太阳光伏发电有着功率密度低、易间断、不稳定，随机性强并且发电量随季节变化较大等相同的缺点。若两者单独供电则很难实现稳定连续的电能供应负载。风能与太阳能存在天然的互补性，两者能在对方无电能输出的时候互相给予补充，从而减少蓄能部件的容量配置，同时降低了供电的不稳定性。从而我们想到，如果对气候条件进行合理的分析，合理规划风力机与光伏阵列的容量配置，则风光发电系统能够取得较好的经济性与稳定性。

在特定的温度和光强下光伏电池会达到其最大输出功率，达到这一条件的工作点就叫做最大功率点（Maximum Power Point简称MPP）。为了使光伏电池总是工作在MPP，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking 简称MPPT)技术应运而生，其目的就是使系统总是以最大功率输出对蓄电池充电。

目前，光伏电池的常用MPPT控制方法主要有：恒定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑法等。

MPPT增强系统的稳定性，使发电系统的性能得到优化。可最大程度地利用风能和太阳能，使蓄电池快速合理充电并延长其寿命，对实现小型风光互补发电系统的智能化控制起着至关重要的作用。

1.2.2 风光互补MPPT技术研究现状

近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大以及经济性要求的不断提高，国外相继开发出一些模拟光伏发电、风力发电以及互补发电系统性能的大型工具软件包。如2005年，Rodolfo、Dufol等利用C 语言编写了一套关于光/风，光/柴油机等的互补发电优化系统^[4]。Nelson等人设计了一套能准确配置风光互补发电系统发电装置的单机数量与容量^[5] 等。以设计软件通过模拟不同系统配置的性能与成本从而得出最佳方案为主。

在国内，上海交通大学设计了一套系统，可评估风光互补系统的经济性能，并可以在进行分析计算后自动找出最优解，从而降低整个系统的成本；华南理工大学着重对分光互补系统的能量管理方面进行了研究，提出了一种新的能量管理控制系统；合肥工业大学能源研究所也对风光互补发电系统仿真建模进行了分析。太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统弥补了风能与光伏独立发电系统在资源上易间断，不平衡，不稳定的缺点。近些年来，我国在风光互补发电方面的研究已初见成效，我们应保持势头，继续努力，争取早日在技术上有更大的突破。

1.3 本文主要内容

本文系统主要以船用风光互补系统MPPT控制策略为主要的研究对象，分析光伏发电，风力发电与风光互补发电的理论内容，并利用Simulink建立光伏电池最大功率跟踪部分的仿真模型，通过对现有算法的分析提出了一种新的风光互补系统最大功率跟踪方案。

第2章 船舶应用风光互补系统情况分析

2.1 船舶应用风光互补系统的优势

作为国际贸易中最重要的运输工具，每年船舶的能源消耗量是非常大的。由于经济形势不乐观，燃油价格不稳定，同时国际海事组织逐步加大对船舶排放污染物的管控等原因。人们将目光逐步的投向清洁能源尤其是风能太阳能，探寻新能源应用于船舶，即风光储动力船舶可行性的研究。

当白天日照最强时,风速很小,傍晚或夜间几乎没有光照,但由于地表温差变大所以相比日间风速又明显增大，因此风光互补发电完美利用了两者之间良好的互补性。小型船舶如渔船、游艇等，一般采用最大功率600瓦的风力机和80瓦的光伏电池阵列组成的互补发电设备即可维持日常全船的供电,包括24小时的普通照明和船用通信设备的供电使用,不仅油耗减少^[6],而且排放物的减少也改善了周边的水域环境。随着技术的日渐发展,人们有信心将其应用范围向更大吨位的船舶慢慢扩大。

2.2 船舶应用风光互补系统架构

船舶风光互补系统由风力发电机、光伏电池板、控制系统、蓄电池和逆变电源组成。风力发电机、光伏电池板发电后送入配电柜中进行分配，在船舶有负载工作时，首先需要逆变器将互补系统发出的直流电变为三相交流电，而后进行控制输送至全船为照明、污水处理等各种设备提供电力。若富余，则存入蓄电池中以供恶劣气象条件无法正常启用设备发电时使用。

2.3 风光互补系统并入船舶电网需要解决的问题

2.3.1 复杂的港口与海洋环境

海洋与港口环境与陆地环境不同，存在很多不确定性与随机性。恶劣天气下短时超过8级的强风甚至能够导致发电系统用电设备的损毁，更严重的话还会导致船舶电网出现长时间的波动，十分危险。

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