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各专业毕业论文范文尽在道客巴巴下载本科毕业设计（论文）太阳能发电单相逆变器并网技术研究2012年6月本科毕业设计（论文）太阳能发电单相逆变器并网技术研究 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期：2012年6月 毕业设计(论文)任务书 系级教学单位： 电气工程系 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1、 学习掌握逆变器工作原理2、 设计太阳能发电单相逆变器并网系统3、 认真进行仿真实验工作4、 研究撰写毕业论文，绘制相关工程图纸基本要求1、 每周定期汇报工作进展2、 定期进行学术探讨和交流3、 认真查阅资料和参考书籍4、 按照毕业论文规范认真撰写毕业论文参考资料ieee期刊、中文学术期刊电力电子技术太阳能发电逆变器并网周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅资料了解行情针对设计确定方案分析原理明确特征仿真试验系统总结形成论文准备答辩各专业毕业论文范文尽在道客巴巴下载摘要 摘要随着全球能源危机和环境污染的日益严重，太阳能作为当前最理想的绿色能源之一越来越受到各国的重视。光伏并网发电代表太阳能利用的发展趋势，正成为太阳能利用最主要的途径。本文针对单相光伏发电并网系统采用了适合其特点的主电路拓扑结构，电路中光伏阵列通过升压电路dc-dc再经逆变电路dc-ac直接并网。该电路结构没有用工频或高频变压器，具有体积小，成本低，控制方案易实现的优点。研究了常用的几种光伏电池最大功率点跟踪方法，比较了他们的优缺点。本文采用了效果较好的扰动观察法实现了对输出最大功率的跟踪控制。从理论上证明了光伏电池阵列的前级dcdc升压电路中，可以通过占空比的调节，改变光伏阵列输出功率，从而跟踪光伏电池最大输出功率。对单相光伏发电逆变输出级建立控制模型，采用电流反馈型并网控制方案。，并用matlab进行了仿真，仿真结果验证了该方案的可行性及有效性。论文中对主电路主要期间的选型给出了理论计算的结果。关键词：光伏并网；最大功率跟踪；boost变换器；单相逆变器；i 燕山大学本科生毕业设计（论文）abstractwith the growing global energy crisis and environmental pollution, solar energy, as one of the best green energy, is paid more attention by many countries all over the world. as the development trend of solar energy utilization, pv grid-connected is becoming the most important ways of solar energy utilization.for the single-phase pv grid-connected system, the paper expatiated a suitable topological construction, which doesnt use the industrial frequency transformer or high-frequency transformer with features which the small size, low cost and easy control strategy.the author analyzed several methods of mppt of grid-connected system. perturbation and observation has been given to the mppt of pv system. in this thesis it is demonstrated theoretically that the maximum power-output can be matched by adjusting the duty ratio of the dc-dc circuit. the manipulative model of single-phase pv grid-connected systems inverted output is upbuilt and a kind of pv grid-connected feedback circuit control strategy is adopted, which is emulated. the resultants of the using matlab proved the feasibility and validity.according the theory, thesis gives the result of the parts of the main topology.key word: photovoltaic grid-connected; maximum power point tracing; boost convertor; dc-ac convertor;iii 目 录摘要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 选题的依据和目的11.1.1 国内外发展现状及趋势11.2 我国太阳能发电的优势和难点21.3太阳能光伏发电系统的分类31.3.1独立光伏发电系统41.3.2并网光伏发电系统41.3.3混合光伏发电系统5第2章 单相光伏并网发电系统结构与工作原理72.1 单相光伏并网发电系统基本原理72.2光伏发电系统逆变器的拓扑结构82.2.1单级式光伏并网逆变器82.2.2两级式光伏并网逆变器92.3光伏并网系统总体设计102.4 本章小结10第3章 光伏阵列基本原理及工作特性113.1 光伏电池的工作原理113.2光伏电池等效电路123.3基于simulink的光伏阵列仿真163.4 本章小结18第4章 boost变换器实现光伏阵列最大功率跟踪194.1最大功率点跟踪技术194.2 几种常用mppt算法分析与比较224.2.1 恒定电压控制法224.2.2 电导增量法234.2.3 扰动观察法234.3运用扰动观察法进行仿真研究254.4 dc-dc变换器实现mppt274.4.1 boost变换器实现mppt阻抗匹配问题274.4.2 boost变换器工作原理294.4.3 boost变换器器件选择304.4.4 仿真实现324.5本章小结33第5章 单相并网逆变器345.1光伏并网逆变器拓扑结构345.1.1推挽式逆变电路345.1.2半桥式逆变电路345.1.3全桥式逆变电路355.2光伏并网逆变器的控制365.2.1正弦波脉宽调制技术365.2.2逆变器控制方案375.3逆变器主要参数设计405.3.1滤波电感的选择405.3.2 开关管的选择415.4仿真研究425.5本章小结43结论44参考文献45致谢47附录1 开题报告48附录2 文献综述51附录3 中期报告54附录四56附录五63iii第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 选题的依据和目的常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正逐步消耗，能源危机成为世界各国共同而临的课题与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为制约社会经济发展其至威胁人类生存的严重障碍。新能源应用正成为全球的热点。太阳能资源是最丰富的可再生能源之一，它分布广泛，可再生，不污染环境，是国际上公认的理想替代能源。在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天，从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源，受到了一致的青睐。在太阳能的各种应用中，光伏应用备受关注。随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。1.1.1 国内外发展现状及趋势20世纪，太阳能利用技术获得了迅猛的发展，太阳能热水器的普及应用以及太阳能电池的成功开发，为21世纪大规模利用太阳能奠定了坚实的物质基础。目前太阳能光伏发电的应用领域遍及我们生活的各个方面，如交通、通讯、公共设施(如照明)、家庭生活用电等，尤其是在边远地区，太刚能光伏发电更加显示它的优势。（1）国际光伏发电发展现状及趋势在21世纪的头十年里，国际市场上光伏发电产业发展很快。在中国光伏产业的发展与挑战的报告中指出：“2007年全世界太阳能发电装机容量达2826mwp，而到了2008年，这一数字增加到了5.5gw，目前全球太阳能安装总量已累计达15gw。目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15% ，到2100年将约占64%。（2）国内光伏发电发展现状及趋势20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计装机容量达35mw，约占世界份额的3%。10多年来，我国光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。到2020年前，我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，光伏市场会发生巨大的变化：2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.2/(kwh)；2010-2020年，光伏发电将会由独立系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kwh)。根据国家可再生能源中长期发展规划到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8gw（百万千瓦），到2050年将达到600gw（百万千瓦）。预计到2050年，中国光伏发电装机将占到5%。未来十几年我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。到2020年我国光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。1.2 我国太阳能发电的优势和难点发展太阳能发电的需求主要来自满足农村和边远地区的生产与生活用电和21世纪中持续发展我国电力事业两个方面。在太阳能发电上我国具有得天独厚的有利条件：（1）丰富的太阳能资源。我国总面积2/3以上的地区年平均日照时数在2000h以上，年平均日辐射量在4000mj/m2以上，要优于欧洲和日本，与美国相近。如此丰富的太阳能资源可以节省太阳能电池的用量，有利于太阳能发电在较低成本下加以推广。（2）我国太阳能电池的生产能力超过日本、美国和欧洲，居世界第一位，2007年我国太阳能电池的产量约为1180兆瓦。2007年在全球太阳能生产企业16强中，我国占据了6席。（3）逆变技术是太阳能发电的关键技术之一，由于在大功率开关器件开发和逆变技术的应用等方面，我国已取得长足进步，生产出适用于光伏并网、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆变器成为可能。但为了太阳能发电产业的快速发展，必须解决以下几个问题：（1）我国生产太阳能电池的原材料主要依靠进口，而绝大多数太阳能电池和切片用于出口，这种不利于产业发展的加工业局面必须尽快扭转。（2）太阳能发电的成本在每千瓦小时3元以上，远远高于目前居民电网用店家的每千瓦小时0.5元。这也是发展太阳能发电的不利一面。（3）目前，太阳能电池的光电转换效率比较低，比如小尺寸（1cm2）多晶硅太阳能电池的光电转换效率为19.8%，而大尺寸（1000cm2）多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%，为了降低太阳能发电的成本必须提高太阳能电池的光电转换效率。（4）我国的太阳能发电产业起步于独立型太阳能发电设备（10kw以下），主要用于解决太阳能资源丰富而又无电的边远地区的居民用电。而更大容量（mw级）的并网型太阳能发电设备的投产是降低成本的途径之一。（5）截止到2005年，我国的风力发电总装机容量为1500mw左右，是太阳能发电总装机容量的20倍，到2020年规划总装机容量为30000mw，也是规划太阳能发电总装机容量的15倍。但两者特点各异。夏季日照足风速低，冬季日照弱风速强；同样白天日照强时风小，夜晚无光照时风大。太阳能发电与风力发电并网是提高电能质量和降低成本的另一途径。1.3太阳能光伏发电系统的分类根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。1.3.1独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。独立供电的光伏发电系统主要用于电网覆盖不到的边远山区或者是太阳光照不足，不能满足与电网互通需要的地区，主要用于满足单个用户的一天工作，生活用电，必须带有储能环节，满足黑夜或者光照不足的阴雨天的用电需要，这种供电方式设备复杂，蓄电池受环境和使用方法的影响，寿命一般不长，而且当有多余的电能或者是电能不足的情况下就会产生浪费或者影响工作和生活。独立运行光伏发电系统组成与负载有关，直流负载和交流负载都包含光伏阵列、蓄电池组、控制电路。独立光伏系统的负载如果是直流负载不含逆变回路，可直接与蓄电池相连，对蓄电池的输出电压进行升（降）压后提供给负载。这类系统结构简单，成本低廉。由于负载直流电压的不同，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是生活用电，负载主要为交流，而且直流系统也很难实现并网运行。因此，交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源。交流光伏逆变电源系统与直流光伏电源系统的主要差别是在负载和蓄电池之间加入了逆变器，逆变器承担了将直流电压转化为交流电压的功能。图（1.1）为典型的独立光伏系统的结构图。光伏阵列安装在户外接受太阳能，通过充电控制器给蓄电池充电，逆变电路将直流电转化为负载所需要的三相或单相交流电。图1-1 独立光伏发电系统结构图1.3.2并网光伏发电系统光伏并网发电是太阳能发电的发展方向，把太阳能发电系统与电网联系起来，这样当电能多余的时候，可以把多余的电能输送到电网，当电能不足时可以从电网获得电能补偿，满足工作和生活的需要，另外，并网发电系统不需要储能环节，这就大大节省了设备成本和维修率。并网光伏发电系统如图所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统其有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。图1-2 并网光伏发电系统结构图1.3.3混合光伏发电系统图1.3为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。图1-3 混合型光伏发电系统 18 第2章 单相光伏并网发电系统结构与工作原理 第2章 单相光伏并网发电系统结构与工作原理2.1 单相光伏并网发电系统基本原理图2-1 典型光伏发电系统框图单相光伏并网发电系统由四部分组成，即太阳能电池方阵、蓄电池组、逆变器和控制器，其典型的系统框图如图2-1所示。并网光伏发电系统的主要特点是，与公用电网发生紧密的电联系。光伏发电系统多余的电力向电网供电，不足的电力由电网补。其工作的基本原理是，太阳能电池方阵受到太阳辐照，通过太阳能电池的光生伏打效应，将太阳光能直接转换为直流电能，太阳能电池方阵的输出端经防反充二极管接至控制器。控制器的一对输出端接至蓄电池组，对其进行充、放电保护控制；控制器的另一对输出端通过开关接至逆变器，将直流电逆变为交流电，可以向交流负载供电，也可以通过锁相环节向电网输出与电网电压同频、同相的交流电。这样就构成了一个完整的发电、输电和供电系统。对于光伏并网系统而言，将太阳能经光伏电池阵列转化成电能馈送给交流电网，其间能量的传递与转换可以有很多种方式，并网逆变器的结构也因而有所不同，可以是直接从太阳能电池到电网的单级dc- ac变换结构，也可以是 dc- dc和dc- ac的两级变换结构。对于小功率光伏并网发电系统，由于光伏电池阵列的输出电压比较低，因而更多的采用了先通过一级dc- dc变换器升压，然后再通过一级dc- ac逆变器的两级变换并网结构。 太阳能并网逆变器的控制目标是控制并网逆变器的输出电流为稳定的高质量的正弦波电流，同时还要求并网逆变器输出的电流与电网电压同频、同相，因此需要采用合适的控制策略以达到上述的控制目标。2.2光伏发电系统逆变器的拓扑结构由于太阳能电池，燃料电池每个单元的输出电压较低，所以在串联数量很少的情况下，并网逆变器的输入电压较低，这样并网逆变器就需要具有直流电压的提升和逆变的功能。通常并网逆变器依照级数可以划分为单级式逆变器和多级式逆变器。单级指直流电压的提升和产生正弦波的输出电流或者输出电压在同一级电路中完成。多级即指在前一级或者前几级电路中实现了电压的升降或者隔离，在后级的电路中实现了dc/ac的变换，常见的是两级逆变器。还有一些逆变器可以认为是两级也可以认为是一些复杂的单级变换器。2.2.1单级式光伏并网逆变器单级式逆变器结构简单，成本较低，但是单级式非隔离型升压的程度有限，靠电感的储能实现，所以仅适用于较小功率场合，不适合于并网运行。单级式结构的逆变器所有的控制都在逆变环节中实现，即最大功率点的跟踪控制和逆变并网控制。单级式结构逆变器所并电网为低电压电网，可以直接接入电网供电；如果单级式结构逆变器所并电网为高电压电网，并且光伏阵列输入电压较低，则逆变器输出需升压变压器后接入电网，该变压器不仅具有升压作用，还具备滤波和隔离作用。单相单级式逆变器的结构如图1.8所示。单级式逆变器系统由光伏阵列、稳压滤波电容、单相全桥逆变电路、并网滤波电感和市电电网组成。单级式逆变器系统只有一个逆变环节，因此该系统的结构比较简单，相应的效率比较高，但是所有的控制算法都在在该环节中实现，导致整个的控制系统比较复杂。另外，由于光伏阵列的输出直接输入逆变器中，导致光伏阵列的电压输出有两倍工频的纹波电压，因此需要在光伏阵列的输出侧加入大功率的滤波电容，来抑制电压纹波，如果滤波电容的选取较大，将会降低光伏系统的mppt的响应速度。图2-2 单相单级式隔离型逆变器的拓扑结构图2.2.2两级式光伏并网逆变器 针对以上对单级式光伏并网逆变器缺点，采用了两级式逆变器的拓扑结构。两级式逆变器最大的特点是光伏阵列的mppt控制与逆变并网控制分开实现，因此控制的复杂程度相应的降低。两级式逆变器系统的拓扑结构主要包括光伏阵列、boost电路、三相桥式逆变器、滤波器和市电电网构成，如图1.9所示。前级的boost电路主要实现升压作用和mppt控制，升压作用保证后级直流母线达到实现并网的电压的幅值要求，mppt的控制保证光伏阵列的最大功率的输出；后级三相桥式逆变电路主要实现直流母线的稳压和并网电流的控制，保证并网电流与市电电网电压的同频同相，保证功率因数为1。图2-3 单相两级式非隔离型逆变器的拓扑结构图两级式逆变器拓扑结构包含的电路都是比较简单和技术比较成熟的电路，但是如果工程要求实现电气隔离，就必须在后级并网输出电压处加变压器，这样就增加了光伏系统成本，光伏并网逆变器体积和重量也相应的增加。2.3光伏并网系统总体设计本设计决定采用带变压器的两级结构，前级dc- dc变换器和后级dc- ac逆变器，两部分通过dc-link相连。 前级dc- dc 变换器，考虑到输入电压较低，而输出电压较大，因此这里采用结构简单，控制方便的 boost升压电路。前级boost高频升压电路负责完成太阳能电池阵列的最大功率跟踪控制(mppt)输出并把太阳能电池阵列的输出电压升高至某一数值，确保直流母线电压的稳定，从而使得后级逆变部分的输入电压稳定。后级全桥逆变电路负责将经boost升压后的直流电变为正弦交流电，输出与电网电压同频同相的交流电流。由于该电路中没有采用变压器，从而使得系统的体积和重量大大减轻，产生噪声小，成本也低，但是在某些特殊对电气隔离要求严格的场合不适宜使用。在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压通过dc- dc变换器将电能转换为dc-link的400v直流电。dc-link的作用除了连接dc- dc变换器和dc- ac逆变器，还实现了功率的传递。后级的 dc- ac逆变器，采用单相逆变全桥，采用spwm控制，作用是将dc-link直流电转换成220v/50hz 正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。2.4 本章小结本章首先介绍了光伏并网发电系统的基本原理，接着对光伏并网逆变器的拓扑结构进行了介绍和分类，在分析对比了隔离型单级拓扑结构、非隔离型两级拓扑结构的基础上，确定了本系统设计采用无变压器隔离的两级拓扑结构，前级是boost升压电路，后级是单相全桥逆变电路，两者通过直流母线dc-link相连。第3章 光伏阵列基本原理及工作特性 第3章 光伏阵列基本原理及工作特性3.1 光伏电池的工作原理 光伏发电首先要解决的问题是怎样将太阳能转换为电能。光伏电池就是利用半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳能辐射直接转换为电能的转换器件。由若干个这种器件封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其输出特性受外界环境影响较大。太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。图3-1 光生伏打效应当光照射在距光伏电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度 ，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子空穴对。那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一个空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区。同样，如果在结区附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区结区内产生的电子空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势。若果外电路与负载连接，处于通路状态，pn结产生的光生电动势就开始供电， 产生从p区流出，n区流入的电流，从而带动负载工作。3.2光伏电池等效电路图3-2光伏电池等效电路上图是光伏电池的等效电路模型图。它由理想电流源、并联二极管、并联电阻和串联电阻组成。光伏电池经由光照射后所产生的电流；材料内部等效并联电阻，旁路电阻； 材料内部等效串联电阻；光伏电池输出电流；光伏电池输出电压；暗电流，无光照情况时，有外电压作用下pn结内流过的单向电流；电流源大小受光伏电池所处的外部环境如光照强度、温度等的影响；并联电阻和串联电阻受材料本省影响，由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的，一般为几千欧；主要由电池的体电阻、表面电阻、电极电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成，一般小于，是考虑横向电流时的等效电阻；是由于pn结缺陷造成的漏电流。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流iph同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流id，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。因此，根据图2.1的光伏电池等效电路模型图可以得出光伏电池的输出特性方程式：上式中：参考条件下短路电流，单位：a；二极管暗电流，单位：a；光伏电池反向饱和电流，单位：a；二极管反向饱和电流，单位：a；短路电流温度系数，单位：a/k，一般取值为2.610-3；光伏电池表而温度，单位:k,；参考温度，单位：k，一般取值为301.18；半导体材料禁带宽度，单位：ev，取值范围在1-3之间；光照强度，单位：w/m2；二极管品质因子,取值范围在1-2之间；玻尔兹曼常数,单位：j/k，一般取值为1.3810-23；电子电荷，单位：c，一般取值为1.610-19；当太阳电池的输出端短路时，u= 0（），此时光伏电流全部流向外部的短路负载，短路电流几乎等于光电流 即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。如果忽略太阳电池的串联电阻rs，即为太阳电池的端电压u，当太阳电池的输出端开路时，将式（2-3）带入式（2-7）整理可获得开路电压根据对上面的光伏电池等效电路分析，可以推出光伏电池的i-u输出特性方程为上文提到，由于是由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的，其大小为数千欧姆，因此，当光照较强时，光电流远远大于流经并联电阻的电流，所以我们将忽略，得到简化后的i-u输出特性方程为这里选择无锡尚德公司生产的stp0950s-36型号的光伏阵列，它由36个单晶硅光伏电池串联而成，其各项参数如表2.1所示。光伏电池所处外界环境温度为25，日照强度为1000w/m2称之为标准测试条件。当太阳电池接上负载r时，所得的负载伏安特性曲线如图3所示负载r可以从零到无穷大当负载使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率为表3-1 光伏阵列stp0950s-36在标准测试条件下的参数标准测试条件下最大功率（w）94峰值工作电压（v）21.7峰值工作电流（a）4.5开路电压（v）24.2短路电流（a）4.8开路电压温度系数（v/）-0.77短路电流温度系数（a/）2.0610-3 式中 和分别为最佳工作电流和最佳工作电压将与的乘积与最大功率之比定义为填充因子ff，则 ff为太阳电池的重要表征参数，ff愈大则输出的功率愈高ff取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等太阳电池的转换效率 h定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能之比，即 从式（2-8）可以看出，光伏电池的输出电流和电压受到外界因素，如温度、日照强度等的影响。在不同的温度、日照强度下有不同的短路电流，并且与日照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二者有密切的关系，如下:式中，标准测试条件下的开路电压，单位：v；开路电压的温度系数，单位：a/k；在最大功率点处所测得的电流和电压分别为、，有这里取理想因子，则在温度t=25下，则在标准测试条件下的串联等效电阻若得知在不同温度和光照强度下的最大功率点(、)，就可求得不同气候条件下的。但由于数据有限，并且值较小，可采用恒定的方法来近似模拟。3.3基于simulink的光伏阵列仿真完成对前面光生电流、反向饱和电流和串联等效电阻，根据上文对光伏电池的建模分析,我们运用matlab对光伏电池进行仿真,其仿真模块如图3.3所示： 图3-3 基于simulink的光伏阵列仿真模型图3.6是光伏电池在相同光照强度，不同温度下的i-u和p-u特性输出曲线，从曲线中可以看出，在固定的光照强度下，当温度上升时光伏电池的开路电压就会减小，但其短路电流的变化却很小，短路电流随着上升而略微图3-4 光伏阵列输出p-u特性曲线图图3-5 光伏阵列输出i-u特性曲线图增大，从总体上看，温度的上升会使光伏电池的输出功率减小。（a）p-u特性曲线（b）i-u特性曲线图3-6 光照强度不变时的特性曲线图3-7是光伏电池在相同的温度，不同光照强度下的i-u和p-u特性输出曲线，从曲线中可以看出，在固定的温度下，光照强度的增加，光伏电池的短路电流就会增加。但光伏电池的开路电压变化却并不十分的明显，光伏电池的开路电压随着太阳光照强度的增强而略微增大。从总体上看，光伏电池的输出电流值随着光照强度的增加有着较大的变化，而随着太阳光照强度的减弱，光伏电池的输出功率也将减小。（a）p-u特性曲线（b）i-u特性曲线图3-7 温度不变时的特性曲线3.4 本章小结在光伏发电系统的设计中，为了更好的分析光伏阵列的输出特性，更好的使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，本章在基于光伏电池工作原理的分析基础上，建立了光伏电池以及光伏阵列的数学模型。通过这些数学关系，来反映出光伏阵列各项参数的变化规律，并结合某光伏阵列生产厂家提供的光伏阵列相关参数，在matlab/simulink环境下建立了光伏阵列的simulink动态仿真模型。并得出了光伏组件在不同外部环境中的输出特性仿真结果，仿真结果表明该模型能模拟任意环境下光伏阵列的输出特性。第4章 boost变换器实现光伏阵列最大功率点跟踪 第4章 boost变换器实现光伏阵列最大功率跟踪光伏发电存在的问题是光伏阵列的输出特性受外界环境影响大，电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。并且，由于目前光伏阵列的成本高、转换效率低，价格昂贵，初期投入较大。并且其输出功率易受日照强度、环境温度等因素的影响，为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求，在现在的光伏发电系统中，通常要求光伏阵列的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪光伏阵列的最大功率点。本设计分析了几种常用最大功率点跟踪算法，最终采用扰动观察法控制boost电路实现光伏组件最大功率点跟踪，并对其进行了仿真验证。4.1最大功率点跟踪技术将太阳电池的电压u和电流i检测后相乘得到功率p，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比d，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。最大功率点跟踪控制(mppt)策略实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工作情况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使光伏电池的结温升高使阵列的输出功率减少，系统仍可以运行在当前工况下的最佳状态，下面具体说明它的工作原理。由于光伏电池具有非线性的输出特点，不易进行数学分析，所以先利用简单的线性电路来研究最最大功率跟踪的基本原理。简单的线性电路原理如图4-1所示。其负载上的功率为： (4-1)图4-1 简单的线性电路原理图将(4-1)式对求导，因为、都是常数，所以可得： (4-2)从式(4-2)可以看出，当ro=ri时，pro有最大值。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源内阻时，电源输出最大功率。虽然太阳电池是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。可见，在一定的温度和光照强度下，光伏阵列能否工作在最大功率点处取决于其所带的负载大小，如果负载电阻的大小和电池内阻一致，即可实现mppt。光伏电池的工作情况如图3-2所示。图4-2 光伏电池工作情况示意图其中曲线是不同光照强度下，电池的电流、电压(i-v)输出特性。假设，电池所带负载为电阻，直线为负载电阻的i-v特性。二者的交点即为光伏阵列的工作点，如点a、b、c。工作点的电压电流要同时符合光伏电池的i-v特性和负载自身的i-v特性。如果两条线的交点不在最大功率点处，此时负载和光伏阵列就处于失配的状态，光伏阵列转换的电能就没有被充分的利用。上图中，在某一时刻光伏发电系统工作于稳定状态下，负载特性线与光伏电池特性曲线交于点a，当光照强度发生变化，即光伏电池的输出特性由曲线1下降到曲线2。此时如果负载电阻保持不变，系统的工作点a将沿负载特性线向光伏电池新的特性曲线2处转移，最终运行在新的稳态点b。可是在电池新的输出特性曲线2上其最大功率点是c点，可见此时的负载和光伏阵列己处于失配的状态，系统工作点偏离了相应光照强度下的最大功率点。只有改变光伏电池所带负载的大小，让新的负载特性线与电池的输出特性曲线相交于点c，才能实现负载和电池的再次匹配，令系统工作在最大功率点处。因此，只要通过一定的控制策略让负载电阻始终等于太阳能电池的内阻，就可以实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的mppt。在光伏电池的输出端，通常接上一个dc/dc变换电路，作为最大功率跟踪控制器，如图4-3所示。图4-3 光伏最大功率跟踪器的基本原理图虽然太阳能电池和dc/dc变换电路均为强非线性特征，但在小的时间间隔里，两者均可以看为线性电路。因此，等效把太阳能电池看成直流电源，dc/dc变换电路看成外部阻性负载。这样，光伏方阵所接的等效负载就是dc/dc变换器占空比d和其所带负载的函数，调节变换器的占空比就可以达到改变光伏方阵负载的目的，从而实现最大功率跟踪。4.2 几种常用mppt算法分析与比较目前，太阳电池的最大功率点跟踪(mppt)控制技术已发展出各种控制方法，常用的有恒定电压控制法、扰动观察法、电导增量法等，下面将对这几种主要的mppt控制方法的特点加以分析。4.2.1 恒定电压控制法当温度一定时，不同光强下太阳电池最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧邻近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压为常数的一根垂直线，亦即只要保持太阳电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳电池输出最大功率，这就是cvt控制的理论依据。图4-4 恒定电压控制法cvt方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，但是恒定电压控制法的控制精度较差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区，一旦它的工作环境明显变化时，光伏电池的控制器就不能自动的跟踪到光伏电池的新的最大功率点，即没有自寻优的能力，造成了能量的极大损耗，必须人工干预才能良好运行。采用cvt来实现mppt控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用，但随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法正在逐步被新方法所替代4.2.2 电导增量法电导增量法是通过光伏阵列输出端的动态电导值与此时的静态电导的负数相比较，以判断调节光伏阵列输出电压方向的一种最大功率点跟踪方法。我们知道，由于太阳能电池p-v特性是一单峰值曲线，在最大功率点pmax处，有的关系。功率p可以由电压u与电流i表示，即。将等式的两端对u求导，求得:当时，上式中，为电池板增量过程中的电流前后的差值，为电池板增量过程中的电压前后的差值。式(4.4)即为到达太阳电池最大功率点所需满足的条件。当时，光伏电池板就没有工作在最大功率点，此时分两种情况:当时，u值比最大功率点电压偏小，应该增大扰动量；当时，u值比最大功率点电压偏大，应该减小扰动量。这种方法的根本思想就是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向。4.2.3 扰动观察法扰动观察法又称为爬山法，扰动观察法的实现简单，所需检测的参数少，是实现mppt的常用方法。该方法的基本思想是：测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量(或称之为扰动)，其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。如果功率增加就继续使用原扰动，若减小则改变原扰动方向。图4-5 扰动观察法示意图光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰”；然后，通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，若，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰”；若，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，则工作点位于图4-5中最大功率点左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，则工作点位于最大功率点右侧，需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于的左侧，需增大参考电压,若输出功率增大，则工作点位子的右侧，需继续减小参考电压。这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。图4-6 扰动观察法控制流程图4.3运用扰动观察法进行仿真研究本设计采用扰动观察法对光伏电池进行最大功率跟踪，运用matlab进行仿真，仿真建模如图4-7设置仿真时间为0.1s，光照为1000w/m2,温度为25，根据峰值工作电压、峰值工作电流和预计升压求的的占空比，可求的负载电阻为20.7。占空比扰动步长决定功率变化的步长，如果步长值较大，则系统响应快，但不准确；如果步长小，则系统反应慢，但相对精确。仿真图中取占空比扰动步长为0.0001可以取得较满意的效果。图4-7 扰动观察法仿真模型（a）计算值d (b)光伏组件输出电流i（c）光伏组件输出电压u （d）光伏组件输出功率p图4-8扰动观察法仿真结果4.4 dc-dc变换器实现mppt在光伏发电系统中，其功率的输出易受到外界环境的影响，通常在光伏阵列和负载之间接入dc/dc变换器。dc/dc变换电路实际就是光伏电池和负载的一种负载阻抗匹配器，其主要有两大作用：一是作为系统最大功率点跟踪控制器，通过调节光伏电池所接的等效输入阻抗，使光伏发电系统工作在光伏电池的最大功率点处；二是对光伏电池的输出电压进行控制。在光伏发电系统最大功率点跟踪控制器中使用的dc/dc变换电路主要有