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江苏大学 硕士学位论文 太阳能最大功率点跟踪控制系统的研究与实现 姓名：时剑 申请学位级别：硕士 专业：工程热物理 指导教师：单春贤 20090605 江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重，清洁的可再生的太 阳能越来越受到人们的重视，同时太阳能的光电转换技术也不断发展达到大规模应 用的水平。在未来，太阳能光伏电池的应用有着良好的发展前景。目前，光伏系统 所面临的主要问题之一是转换效率低。国内外许多文献针对此问题提出实现太阳能 最大功率点跟踪的方法，通过在太阳能光伏电池和负载问加入最大功率点跟踪控制 器可解决这一问题，达到充分利用太阳能的目的。 本文从分析现有的几种太阳能最大功率点跟踪控制( m p p t ) 算法出发，对这些 算法的原理和特点分别进行分析，进而提出一种改进爬山法，该算法不仅控制思路 简单，容易实现而且能够有效的避免传统爬山法因在最大功率点附近振荡运行造成 的功率损失和出现跟踪方向误判的两种情形，实现又快又好的跟踪。在这个基础上， 研究并自行设计了一个高可靠性和高集成度的自动控制系统。该系统以b u c k 型降压 电路为主电路，采用单片机进行控制，实现对太阳能电压、电流的数据采集和处理， 计算出最大功率点并进行功率点大小的比较，最终完成对功率开关管的精确控制。 文中对太阳能光伏电池最大功率点跟踪控制系统的软、硬件设计过程进行详细阐述， 最后对系统进行实验测试，实验结果表明，太阳能光伏电池的输出功率提高了8 左右，该系统达到了预期的目的和性能要求，具有可行性和实际利用价值。 关键词：m p p t ；改进爬山法；单片机；b u c k 型电路；自动控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eg l o b a le n e r g yi sb e c o m i n gl e s sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i ss e r i o u si n c r e a s i n g l y ，s ot h ec l e a na n dr e n e w a b l es o l a re n e r g yi sr e c e i v i n ga t t e n t i o n m o r ea n dm o r e a tt h es a m et i m e ，w i t ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fs o l a re n e r g y p h o t o e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，i th a sw i d eu s e di na p p l i c a t i o n i nt h ef u t u r e ，t h ea p p l i c a t i o n o fs o l a rc e l l sh a sg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，a tp r e s e n to n eo ft h em a j o r p r o b l e m st h a tt h ep h o t o v o l t a i cs y s t e mf a c e di st h el o wt r a n s f e re f f i c i e n c y t h ed o m e s t i c a n df o r e i g nm a n yl i t e r a t u r ei nv i e wo ft h i sq u e s t i o np r o p o s e dr e a l i z i n gt h es o l a rc e l l m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gm e t h o d s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，a d d i n gt h e m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) c o n t r o l l e rb e t w e e nt h es o l a rc e l la n dl o a dw a s w i d e l ya d o p t e d ，w h i c hl e dt or e c e i v i n gt h ep u r p o s e so fm a k i n gf u l lu s eo fs o l a re n e r g y f i r s t ，t h ep a p e ra r t i c l ea n a l y z e st h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe x i s t i n g a l g o r i t h mu s e di nm p p tc o n t r o lr e s p e c t i v e l y , a n dt h e np r o p o s e dt h ei m p r o v e dm e t h o do f c l i m b i n g t h i si m p r o v e da l g o r i t h mi sn o to n l ys i m p l ea n de a s yt oi m p l e m e n t ，a l s oc a n e f f e c t i v e l ya v o i dt w os i t u a t i o n so ft h et r a d i t i o n a lm o u n t a i nc l i m b i n gl a wv i b r a t i n gt h e p o w e r l o s sw h i c hn e a r b yt h em a x i m u m p o w e rp o i n tt h em o v e m e n tc r e a t e sa n dp r e s e n t i n g t h et r a c k i n gd i r e c t i o nm i s c a r r i a g eo fj u s t i c et or e a l i z e sr a p i da n dh e a l t h yt r a c k i n g o nt h i s b a s i s ，i tr e s e a r c ha n dd e s i g nah i g h - r e l i a b i l i t ya n dh i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o na u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m t h i ss y s t e mm a k e st h eb u c kv o l t a g ed r o p p i n ge l e c t r i cc i r c u i ta st h em a i n e l e c t r i cc i r c u i t ，a n du s e sm c ut oc o n t r 0 1 i tc a nf i r s ta c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gt h es o l a r e n e r g yv o l t a g ea n dt h ee l e c t r i cc u r r e n td a t a ，t h e nc a r r i e so nt h em u l t i p l yo p e r a t i o n ，a n d c a l c u l a t ea n dc o m p a r et h em a x i m u mp o w e rp o i n t ，a tl a s tc o n t r o lt h e p o w e rs w i t c h a c c u r a t e l y i nt h ep a p e r , i ti n t r o d u c e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g np r o c e s so ft h e s o l a rc e l lm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) c o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l ，a n di nt h e f i n a li tm a k e se x p e r i m e n tt ot h es y s t e m ，o u t p u tp o w e ro fs o l a rc e l li n c r e a s e db y8 t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i ss y s t e mh a sa c h i e v et h ea n t i c i p a t e dg o a l sa n dt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ，s oi ti sf e a s i b l ea n dh a sh i g hv a l u ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m p p t ；i m p r o v e dm e t h o do fc l i m b i n g ；m c u ；b u c kc i r c u i t ；a u t o m a t i cc o n t r o l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：对创 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密囤。 学位论文作者签名：j 氧寸剑 年月日 指导教师签名： 年月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 太阳能的光伏利用日益被人们重视，世界各国都投入大量的人力、物力、财力 争相发展。在光伏控制技术上，由于c v t ( 恒定电压跟踪器) 的制造相对简单，许 多产品仍然采用这种跟踪方式以代替相对复杂一些的m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g 最大功率点跟踪) ，但这种方式所带来的功率损失随着近代微电子技术的迅 速发展及微电子器件的价格大幅度降低，已经显得很不经济。因此具有太阳能m p p t 功能的控制器是光伏利用技术上的提高，采用高性能价格比的单片机以及相关的外 围器件来实现m p p t 的控制将会比c v t 控制带来更大的效益【1 1 。 1 2 国内外太阳能光伏发电状况 1 2 1 国外光伏发展状况 国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电占有非常重要的地位。 这是因为光伏发电有无可比拟的优点【2 】【3 】：安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可 得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以 无人职守，建站周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物 。相结合等。因此，世界各国都非常重视发展光伏发电，美、日、德国家【卅在发展光 伏发电发面提出和实施了一系列的计划和措旋，如美国提出“百万太阳能屋顶计划， 同本实施了“新阳光计划“ ，德国实施了“十万太阳能屋顶计划”等，在过去的1 0 年中，世界光伏发电的市场增长迅速，连续8 年年发货量的增长超过3 0 。 1 2 2 我国光伏发展状况 我国的太阳能光伏发电川【8 1 系统起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池 技术是从6 0 年代发展空间用太阳能光伏电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是 从2 0 世纪7 0 年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在8 0 年代中期建立起 来。8 0 年代中期，我国光伏电池组件总生产能力达到4 5 m w ，光伏产业初步形成。 经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。 1 江苏大学硕士学位论文 至9 0 年代初中期，我国光伏产业已处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。“九 五“ 期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在 深圳和北京分别建成了1 7 k w 和7 k w 的光伏发电屋顶系统。1 9 9 9 年，我国光伏电 池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室和中试产品， 但在2 0 0 0 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相 比，技术差距不断减小。为了推动光伏技术及其产业发展，2 0 0 3 年1 0 月，国家发 展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程“ 将筹资1 0 0 亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到2 0 0 5 年全国光伏发电系 统总装机容量达到3 0 0 m w 。至2 0 0 3 年底，我国光伏产业总的生产能力达到3 8 m w ， 太阳能光伏电池组件的实际生产量达到1 3 m w 。在市场方面，截至2 0 0 3 年底我国 光伏系统累计装机容量达到4 5 m w 。2 0 0 4 年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳 能光伏电站，电站总容量达1 兆瓦，年发电能力约为1 0 0 力千瓦时；2 0 0 8 年北京奥 运会，国家将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等 绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现；2 0 0 5 年2 月2 8 日 第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的中华人民共和国可再生 能源法自2 0 0 6 年1 月1 日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用。我国光伏产业 在满足国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了 重要作用。但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国 外比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。因此，我国 光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验。 总之，如能充分发展我国的光伏产业，对节约常规能源、减少环境污染，将具 有重大的经济意义和社会意义。 1 3 最大功率点跟踪控制的发展现状 目前国内外已有许多文献【9 】针对太阳能电池最大功率点跟踪的问题进行了讨 论，常见有四种方法：( 1 ) 恒定电压控制法c v t ( c o n s t a n t v o l t a g ec o n t r 0 1 ) ；( 2 ) 扰动 观测法p 最大功率点跟踪器具有高可靠性、高抗干扰性和高效性等优点,进一步解决了太阳能电动 车的能源问题,为太阳能电动车的广泛应用奠定了基础. 7.期刊论文 黄瑶.黄洪全.huang yao.huang hongquan 电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪控制 -现代电子 技术2008,31(22) 最大功率点跟踪控制是光伏并网发电系统中经常遇见的问题.介绍光伏并网系统的结构,通过对太阳能电池功率电压曲线的分析,结合光伏并网系统的 特性和太阳能电池的最大功率点的跟踪原理,提出一种采用电导增量法来实现光伏系统的最大功率点跟踪的方法.此方法控制精确、响应速度比较快,适用 于大气条件变化较快的场合. 8.学位论文 杜琳 基于输出参数的光伏系统最大功率点跟踪控制的研究与实现 2007 本文以太阳能发电系统为研究对象，以最大限度利用太阳能为主要目标，开展了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制的理论和试验研究。 首先分析了太阳能电池的模型及输出特性，针对光伏阵列提出了一种新的最大功率点跟踪法。取代传统的跟踪太阳能光伏阵列本身参数法，本文采 用跟踪光伏系统输出参数来实现最大功率跟踪技术。根据太阳能电池的特点，在对太阳能发电系统及其控制策略进行深入分析的基础上，设计了一套基 于dsp的系统控制方案。系统采用两级控制，实现了对太阳能电池最大功率点的追踪。同时对太阳能光伏系统及其控制方案进行了仿真。 针对上述分析与研究，对系统进行了设计。根据光伏系统的整体控制方案，给出了系统主电路结构及参数选择的设计思想。以motorola公司的数字 信号处理器芯片dsp56f803为主控单元设计了控制电路并给出了驱动电路、保护电路的设计。 研究表明：该系统很好的实现了本文提出的控制方案所应完成的各项功能。采用此种太阳能最大功率点跟踪技术能够快速、准确、高效地进行最大 功率点跟踪，抑制了太阳能电池板工作点偏移，减小了功率波动，最大限度的从太阳能电池板汲取能量，因只需检测光伏系统两个输出参数当中的任意 一个，简化了最大功率点跟踪器，且不必考虑控制算法及负载特性，具有较强的通用性。 9.学位论文 陈哲照 光伏发电控制技术仿真研究 2008 随着能源紧张和环境污染的加剧,世界各国都在积极寻找一种可持续发展且无污染的新能源。太阳能凭借其广泛无污染的独特优点,作为一种未来常 规能源的替代品,尤其受到人类的重视,光伏发电并网技术已成为太阳能光伏应用的主流。为此,本文对光伏发电并网系统进行了详细介绍