（车辆工程专业论文）光伏发电m算法及控制器研究.pdf

t h er e s e a r c ho nm p p t a l g o r i t h m sa n dc o n t r o l l e ro fp h o t o v o l t a i c p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m l i a n gc h u a n g l i n b e ( h u n a nu n i v e r s t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e 1 n a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o r 朊ng u i l i n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 储签名凛名、1 日期：加年砂月日 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囡。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：少f f 年嘞乡 e 1 日期：纱i1 年0 6 月工弓日 光伏发电控制器研究 摘要 随着经济发展，有限的煤、石油、天然气等化石能源已经无法满足人类的发 展需要，为了避免能源危机出现，必须大力开发可再生的新能源。太阳能是可再 生新能源之一，干净绿色，取之不尽，因此光伏发电也成为科学研究的热点。 光伏电池的最大输出功率会随外部环境如光照度、温度变化而变化，而在每 一种环境条件下都有唯一最大功率输出点。为了充分利用电池的发电潜能，提高 利用率，减少材料、空间等资源浪费，必须在光伏发电系统中加入控制器，对输 出进行最大功率点跟踪，使得光伏电池始终处在最大功率输出的状态，无论环境 发生怎样的变化。 本文将对光伏发电控制器的软件和硬件进行设计，并重点对最大功率跟踪算 法进行研究。首先分析光伏发电的基本原理，用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立光伏电 池仿真模型，绘出电池的输出特性曲线并进行分析。然后对最大功率跟踪常用算 法的原理及其优点、缺点进行分析，常用算法包括固定电压法、扰动观测法、增 量电导法等。选用固定电压启动结合增量电导法的算法方案，提出跟踪步长与p u 曲线斜率成指数变化关系的步长优化方案，以及跟踪周期与跟踪步长成反比关系 的变周期优化方案。为了使算法更适应快速变化的环境，提出三点跟踪优化方案。 三点跟踪可以判断环境是否在变化，并在环境变化时避免误判，减少输出波动。 为了检验算法的有效性，用m a t l a b 语言结合仿真模型进行编程，对算法进行 仿真分析。在仿真时，对新算法和传统算法、优化前后的算法进行比较。仿真结 果表明算法有效可行。 分析常用的太阳能控制器的电路原理，设计制作硬件电路，搭建1 5 0 w 的光伏 发电硬件系统。对提出的新算法进行实验分析，结果表明新算法不但提高了系统 最大功率跟踪的速度，也提高了系统的输出稳定性，在环境快速变化时反应灵敏 且输出波动小。仿真和实验证明了算法的可行性和实用性，对以后光伏发电控制 技术的研究具有参考意义。 关键词：太阳能；光伏发电；最大功率点跟踪；控制器；b u c k 电路 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h el i m i t e df o s s i lf u e l ss u c ha sc o a l ，o i l ，n a t u r a l g a sw i l ln o tb ea b l et om e e tt h en e e d so fh u m a nd e v e l o p m e n t i no r d e rt o a v o i dt h e e n e r g yc r i s i s ，w em u s td e v e l o pr e n e w a b l ee n e r g y s o l a re n e r g yi sc l e a n ，i n e x h a u s t i b l e p h o t o v o l t a i ep o w e rg e n e r a t i o nh a sb e c o m eo n eo fr e s e a r c hf o c a s e s t h em a x i m u mp o w e ro u t p u to fp h o t o v o l t a i cc e l l si sa f f e c t e db yt h ee x t e r n a l e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s ，s u c ha sl i g h ta n dt e m p e r a t u r e b u tau n i q u em a x i m u mp o w e r p o i n te x i s t s t om a k ef u l lu s eo f t h eb a t t e r y ，m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gm u s tb e u s e di nt h ep h o t o v o l t a i es y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e r , a n d d i s c u s s e st h ea l g o r i t h m so fm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gs e r i o u s l y t h et h e o r yo f p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n i sf i r s tb e a n a l y z e d ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo f p h o t o v o l t a i cc e l l si se s t a b l i s h e du s i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e a n dc h a r a c t e r i s t i c c u r v eo fb a t t e r yo u t p u ti sd r a w na n da n a l y z e d a l g o r i t h m so fm a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n gw h i c ha r ei nc o m m o n u s e sw i l lb ea n a l y z e d ，c o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s t h e nan e wm e t h o di sp r o p o s e d v a r i a b l et r a c k i n gs t e p s i z ea n d v a r i a b l ec y c l eh a v ear e l a t i o n s h i pw i t ht h es l o p e so fp - uc u r v e ，t h es t e ps i z ea n d s l o p eo fp uc u r v eh a v ee x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p ，a n dt r a c k i n gc y c l e i si n v e r s e l y p r o p o r t i o n a lt os t e pc h a n g e s t om a k et h ea l g o r i t h mm o r er e s p o n s i v et ot h er a p i d l y c h a n g i n ge n v i r o n m e n t ，t h r e et r a c k i n gp o i n t sm e t h o di sp u tf o r w a r d e d ，w h i c h c a n d e t e r m i n ew h e t h e rt h ee n v i r o n m e n ti sc h a n g i n g ，a v o i df a l s ej u s t i c e ，a n dr e d u c et h e o s c i l l a t i o no fo u t p u tv o l t a g ei nc h a n g i n ge n v i r o n m e n t t ot e s tt h ea l g o r i t h m s ，a n a l y s i si sm a d eu s i n gm a t l a bp r o g r a m m i n gl a n g u a g e w i t hs i m u l a t i o nm o d e l s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn e wm e t h o di se f f e c t i v e a f t e r a n a l y z i n gt h ec i r c u i to fs o l a rc o n t r o l l e ra n dh a r d w a r ed e s i g n ，p h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mo f15 0 w i sb u i l d r e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tn e wm e t h o dn o t o n l yi m p r o v e st h es p e e do fm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gs y s t e m ，b u ta l s oi m p r o v e s t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mo u t p u t r e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o w t h a tn e w m e t h o di sp o s s i b l ea n dp r a c t i c a l k e y w o r d ：s o l a re n e r g y ；p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n ；m p p t ；c o n t r o l l e r ；b u c k c i r c u i t i i i 光伏发电控制器研究 目录 学位论文原创性声明_ i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 1 1 能源危机迫在眉睫1 1 1 2 能源危机的解决之道2 1 2 光伏发电技术在国内外发展状况- 3 1 2 1 光伏发电的种类。3 1 2 2 光伏发电的发展状况3 1 3 光伏发电系统的基本组成及分类“5 1 3 1 光伏发电系统的基本组成5 1 3 2 光伏发电系统的分类5 1 4 本文主要研究内容7 1 5 本章小结7 第2 章光伏电池的模型和特性曲线8 2 1 光伏电池的工作原理一8 2 2 光伏电池的数学模型一8 2 3 光伏电池的仿真模型1 0 2 4 光伏电池的仿真特性曲线1 1 2 4 1 仿真参数的设置1 1 2 4 2 光伏电池的仿真特性曲线1 1 2 5 本章小结15 第3 章光伏发电最大功率跟踪算法1 6 3 1 固定电压法和固定电流法1 6 3 1 1 固定电压法1 6 3 1 1 固定电流法18 3 2 扰动观测法18 3 3 增量电导法l9 3 4m p p t 算法设计2 1 3 4 1 固定电压启动以及第一个点的测量2 3 3 4 2 第二、第三点的测量，d p d u 导数值的计算2 3 i v 硕士学位论文 3 4 3 使用判别阀值2 4 3 4 4 外部环境稳定时的跟踪算法2 4 3 4 5 外部环境剧烈变化时的三点跟踪算法”2 5 3 4 6 跟踪步长和周期及其优化“2 6 3 5m p p t 控制方法发展方向2 8 3 6 本章小结2 8 第4 章最大功率跟踪算法的仿真分析2 9 4 1 传真参数设置2 9 4 2 仿真结果分析2 9 4 2 1 固定电压法仿真结果2 9 4 2 2 增量电导法仿真结果3 0 4 2 3 固定电压启动结合增量电导法仿真结果3 1 4 2 4 指数变步长，连续变周期优化算法仿真结果3 1 4 2 5 三点法优化算法在干扰环境中的优点3 3 4 3 本章小结3 6 第5 章光伏发电控制器硬件电路设计3 7 5 1 光伏电池3 8 5 2 单片机控制电路3 8 5 2 1 电源电路设计3 9 5 2 2a v rm e g a l 6 微处理”3 9 5 2 3 ，d 转换电源滤波电路设计4 0 5 2 4 复位电路，按键、指示灯及l c d 显示器电路设计4 0 5 2 5 串口通信电路设计”4 l 5 2 6 信号采集滤波电路及限压保护电路设计4 1 5 3 控制器d c d c 变换电路介绍和设计4 2 5 3 1 常用电子元件介绍“4 2 5 3 2d c d c 变换器常用电路分析4 3 5 3 3 控制器变换电路的选用和参数设计4 6 5 4 控制器d c d c 变换电路图设计4 7 5 4 1b u c k 电路图一4 9 5 4 2 电源驱动电路4 9 5 5 本章小结5 l 第6 章m p p t 算法的实验结果分析5 2 6 1 实验参数设置5 2 6 2 实验结果分析5 3 v 光伏发电控制器研究 6 2 1 光伏电池的实验特性曲线“5 3 6 2 2 固定电压启动法实验结果5 5 6 2 3 增量电导法实验结果5 5 6 2 4 固定电压启动结合增量电导法实验结果”5 6 6 2 5 指数变步长，连续变周期优化算法实验结果5 7 6 2 6 三点跟踪优化后的实验结果5 8 6 2 7 存在环境干扰时的实验结果5 9 6 2 8 光伏电池输出电压的示波器曲线6 0 6 3 本章小结”6 2 结论6 3 1 工作总结6 3 2 创新点6 4 3 展望6 4 参考文献6 5 致谢6 8 附录a ( 攻读学位期间发表的论文) 6 9 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会的发展，人类对能源的需求量不断增加。目前人们使用最普遍的能 源是不可再生资源，如煤，石油，天然气等。这些不可再生资源储量有限，随着 使用量的增长和时间的推移，将被用尽而带来能源危机，引发关于能源争夺的战 争。当今，工业不断扩张和汽车的大量使用导致石油价格节节攀升，居高不下。 面对当前的能源问题，人们纷纷把目光投向绿色可再生能源，如风能，地热能， 海洋能，太阳能等。作为可再生的新能源应同时具备两个特点：( 1 ) 蕴藏量丰富， 用之不尽，取之不竭。( 2 ) 安全，清洁，并且开发和使用的过程对人类的生存不 造成威胁，同时对环境也不造成破坏，不影响后一代的可持续发展。太阳能、风 能、燃料电池都符合这两个特点。其中，太阳能相对于其它类型的能源有着非常 显著的优势，受到人们广泛重视，成为了最理想的新能源【l 】。 1 1 研究背景和意义 1 1 1 能源危机迫在眉睫 飞速发展的经济，需消耗大量的煤、石油、天然气之类的化石能源，很多地 区为提高经济发展速度而不惜大量耗用储量有限的资源。然而，根据权威机构的 预测拉j ，化石能源将在2 1 世纪上半页迅速接近枯竭。这将意味着新能源必须在二 十年后得到广泛应用，否则，经济将会停止发展。按1 9 9 5 年世界石油开采量约3 3 亿吨计算，现有的可开采石油储量大约将在2 0 5 0 年枯竭。天然气储量约为1 4 0 0 0 0 兆立方米，以2 3 0 0 兆立方米为年开采量，将在6 0 年后枯竭。煤资源的总存储量在 5 6 0 0 吨左右，按3 3 亿吨的开采量算也将在3 0 年后用尽。现在已经到了2 0 11 年，按 此计算，石油、天然气、煤分别可以持续3 9 年，4 5 年，1 5 年。核能也是不可再生 能源，在资源储量方面也不乐观，世界能源委员会在1 9 9 3 年估计，按年使用量6 万吨算，铀只可以维持n 2 1 世纪3 0 年代中期。而核聚变技术还不够成熟，估计到 2 1 世纪中期仍然没有希望实现投入使用。核能的使用不但核能源有限，同时还存 在很大的核辐射风险和核费料污染的问题。现代化发展将由于能源中断而在世界 范围内出现经济危机，剧烈的矛盾将也应运而生，现代经济可能也随之土崩瓦解。 由于能源紧缺问题而引发的战争，在上世纪里常有爆发，比如，在中东有着世界 上最大的石油产区，因石油危机常引发几次惨烈的战争。这些由于危机而引发的 战争，如果新能源不能广泛投入应用，在将来还会出现，甚至因为危机的深化而 更加剧烈。面对现在的能源形势，只有加紧开发新能源，才能根本解决能源紧缺 光伏发电控制器研究 的破坏与人类持续发展的矛盾【3 1 。 1 1 2 能源危机的解决之道 要解决能源危机，保证可持续发展，必须使用可再生能源。在将来，可再生 能源将必须全面取代传统化石能源，一场新能源革命即将诞生。风能，水能，海 洋能，地热能等等，各种形式的绿色能源在总能源中占的比例将会逐渐上升。其 中，太阳能是2 1 世纪最有潜力的可再生能源之一【4 1 ，根据天文学家和物理学家的 计算，太阳的寿命还有4 5 亿年。 太阳能资源在我国非常丰富，全年辐射总量在9 1 7 - 2 3 3 3 k w h m 2 之间，按国 土面积计算，理论总量达1 4 7 1 0 1 8 g w h 年。荒漠约有1 0 8 万平方公里，如果面 积的1 10 用于发电，按效率7 0 w m 2 算，每年可以发电1 0 3x1 0 1 3 k w h ，约等于我 国在2 0 2 0 年用电总量的两倍。如果在我国1 1 0 的建筑顶部装上光伏发电装置，每 年所产生的电量会非常可观。作为绿色新能源，太阳能有以下几个优势： ( 1 ) 太阳的储量非常大，取之不尽，用之不竭。根据科学家计算，4 0 分钟 内辐射到地面上的能量足可以供给人类使用一年。太阳能每年辐射到地球的能量 大约为全球人类年用电量的1 5 万倍。 ( 2 ) 分布广泛。在地球上人类居住的地方都有充足的阳光。在边远地区太 阳能显得特别重要，人烟稀少的地方，电网遍布不到，或者没有燃气燃油供应时， 太阳能可以发挥重大作用。在边远地方建立小型光伏发电站并不麻烦，现在市场 上已经有小型的野外光伏发电新产品供应，这些新产品将有极强的生命力。另外， 因分布广泛，太阳能特别适用于“分布式发电 ，在用户终端直接发电使用，便 于小型化，模块化。现场供电减少输电损失，以最少资金和资源环境代价，换取 高投资收益、高能源转换率和使用率。 ( 3 ) 绿色，可再生。太阳能的使用无污染，不会对环境造成破坏。且从光 能直接转化为电能，没有中间的机械传动环节，无噪音，无废弃物，不会带来任 何环境的污染。不像火力发电那样不但要消耗大量的煤资源，而且向大气排放大 量有害气体。由于无污染，可以不必像火力发电和核发电那样，发电站要安装在 远离居民的地方，再用高压线路输送到居民区。 ( 4 ) 建设简单，周期短，成本低。光伏发电不像火力发电站、核发电站那 样，需修建大型而复杂的建筑，还需配备大量的机械设备，同时还需要大量的人 工操作。水电站也同样有很大的局限性，涉及面积大，每个国家的水资源有限并 且还受到季节的影响。光伏发电系统的建立相当简易行，而且在很短的时间内可 以建成，几乎有阳光的地方都可以进行建设，可谓非常灵活。在路灯的灯管上可 以安装，在房间的窗帘上也可以，在背包上，衣服上，公交车站台上等等都可以 安装光伏发电装置。既能发电又能降低温度，颜色形状各异的电池板还可以作为 2 硕士学位论文 一种精美的装饰品，起到美化环境的作用。 当然，太阳能也存在不足之处【5 墙】：( 1 ) 太阳能在地面分布密度小，发电设 备要占用大量面积。( 2 ) 一年四季，白天昼夜，发电量不均匀。( 3 ) 效率低成 本高，虽然理论和技术都很成熟，但是光伏电池的原料成本和加工成本都非常高， 而且发电装置的光电转换率还比较高低。但是与传统能源对比，总的来说瑕不掩 瑜，作为一种具有绝对优势的新能源已经受到世界各国的极大重视。 ：可见，研究光伏发电技术有着非常重大的意义。 1 2 光伏发电技术在国内外发展状况 1 2 1 光伏发电的种类 光伏发电主要分为太阳能热发电和光发电两种【9 1 。热发电将吸收太阳辐射的 热能转换为电能；光发电则直接将光能转换为电能，没有经过热过程。光发电包 括多个种类，如光伏发电，光生物发电，光化学发电，光感应发电等。其中，光 伏发电应用最为广泛，是当今太阳能光发电的主流方法。 图1 1 美国加州南部的太阳能热电厂图1 - 2 沃尔沃推出太阳能概念车 1 2 2 光伏发电的发展状况 1 2 2 1 国外光伏发电的发展状况 1 才移萨 2 0 0 02 0 1 02 0 2 02 0 3 0 时间年 图1 3 世界光伏市场发展及增长预测 喊 加 。 加 “ 9 光伏发电控制器研究 各国对光伏发电的研究，尤其在石油战争之后。太阳能从而在 世界范围内受到各国政府的重视【l0 1 。在全球范围内，光伏电池市场正在高速增长。 根据权威机构s c h o t ts o l a rg m b h 公司的数据，如图1 3 所示【l ，过去1 0 年市场 增长率达到3 0 ，在今后到2 0 3 0 年内还可能以2 5 的速度继续猛增。到2 0 3 0 年， 达3 0 0 兆瓦年。以下为美、德、日的发展情况【1 2 1 3 , 1 4 ，1 5 1 。 在美国，加利福尼亚州电力部在光伏发电方面制订了一个长远发展计划，在 2 0 0 7 年到2 0 1 6 年内投资大约3 0 亿美元，以激励居民使用太阳能干净能源，对购 买光伏发电设施的居民用户给予补贴，把太阳的使用推到一个全新高度。不久前， 德州仪器公司研制了新型太阳电池，单元为小于l 毫米直径的小珠，整齐密布于 柔软的铝箔上。在6 0 平方厘米左右的面积上安装将近2 0 0 0 个小单元。虽然光电 变换效率只有9 左右，但价格非常便宜。而且电池整体上能做得非常柔软而结 实，可以像柔韧的丝布，挂在墙上，贴在衣服上，或作为城市装饰品，应用广泛 并且非常方便。 德国在这方面也在2 0 0 4 就出台了新政策，凡购买太阳能电力设施的居民，都 可以获得3 的贴息贷款。同时制定电价分摊法：居民安装光伏发电设备后，电 能可以供给电网，政府以o 5 5 元的价格收购，居民使用国家提供的电力时只需交 付0 2 1 欧元的价格。 日本为了减少二氧化碳的排放量，以达成京都协议的要求，也提出了优惠政 策，居民如果安装太阳发电设备，其中的费用政府将承担5 0 的补贴，同时每个 居民将是一个独立的发电模块，同时也并入电网，政府高价收购居民剩余的电力， 而居民使用国家电力的价格比收购价低。在这样的政策下，全日本几乎安装了太 阳能。另外，日本还提出了一个激动人心的计划，利用沙漠和海洋面积来进行光 伏发电，用超导体电线将各处的电站联接成网络，把电输向全球各国。按预算在 2 1 0 0 年的用电量全通过太阳能供给，需要发电面积8 3 0 万平方公里左右，占海洋 面积不到3 ，或者只是沙漠面积的一半，即大约撒哈拉沙漠的十分之九而已。 1 2 2 2 国内光伏发电的发展状况 我国在光伏发电方面起步比较晚，但每年均3 0 左右的速度在增长。0 7 年我国 就有l o 家企业在海外上市，总市值近2 0 亿美元。这说明我国的光电产业也正在蓬 勃发展。然而我国过去在单晶硅，多晶硅材料加工方面投入经费少，使得这方面 落后于美、德、日等先进国家。另外，相对发达国家而言，在政策方面也跟不上。 这就形成了我国光伏产业中一个突出的问题：原料依赖进串口，而市场又在海外， 9 5 的原料依靠进口，并且9 5 市场却又在国外，只是耗费人力物力资源赚取微 薄利润。我国居民并未真正享受到光伏技术给生活带来的便利【l 引。 在光伏发电系统方面，已有大量人员在进行研究，比如在并网逆变，最大功 4 硕士学位论文 率追踪，独立系统的电源管理等等方面，取得了很多理论上的成就，并逐渐应用 于实际。但技术不够成熟，必须做深入研究。 1 3 光伏发电系统的基本组成及分类 1 3 1 光伏发电系统的基本组成 x 如图1 4 所示，光伏发电系统主要由光伏电池陈列、控制器、储能电池、直 流负载、逆变器、交流负载组成【1 7 】。各个模块的作用为： 图1 4 太阳能光伏发电系统组成图 ( 1 ) 光伏电池陈列。主要作用是把光能转换成电能，实现光电转换输出电流， 是整个系统的核心模块。电池一般是模块化的组合，根据功率和应用场景不一样， 往往大小、形状不同。 ( 2 ) d c d c 控制器。光伏电池的功率输出会随着环境变化而变化，当温度或 光照度变化时，电池输出最大功率时对应的电流和电压会随之变化【1 8 】，为了充分 发挥光伏电池的发电潜力，必须用控制器通过控制算法来调节系统的工作点，进 行最大功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g 简称m p p t ) 。使其不管外界 环境怎样变化，始终自动跟踪在对应的最大输出点处。 ( 3 ) 储能电池【l9 1 。因为光伏电池的功率输出不稳定，受阴晴昼夜影响，有些 负载如路灯，常在晚上工作，所以，在光伏电池和负载之间需加上储能缓冲装置， 即储能电池。铅酸电池最为常用，另外还有锂电池，超级电容等等。 ( 4 ) d c a c 逆变器。常用电器为交流负载，而光伏电池输出直流电压，一般 是1 2 v d c 、2 4 v d c 、4 8 v a c ，所以需要逆变器将直流转换成交流1 1 0 v a c 或2 2 0 v a c ， 然后才能使用交流负载。若要将电能输入电网，需要特殊的并网逆变器。 ( 5 ) 直流负载和交流负载。 1 3 2 光伏发电系统的分类 光伏发电系统分为以下两种： ( 1 ) 独立光伏发电系统 2 0 , 2 1 】。独立光伏发电系统是指，发电系统不与公共 光伏发电控制器研究 电网联接。常用于电网覆盖范围之外的偏远地方，或野外作业。使用情况不同也 有多种形式，最常见的类型如图1 5 ( a ) 所示，由光伏陈列、控制器，蓄电池、 逆变器、交流负载组成。由于常用电器多数是交流负载，故这种形式最多见。如 建筑顶部安装的家用光伏发电系统就是这种形式。 么瓣一c 蠡一粤鹕i 叫 瀵劁琴j 0 储能电池圈 ( b ) ( c ) 图1 - 5 独立光伏发电系统配置图 另外用得较多的还有如图1 5 ( b ) 所示的独立系统，由光伏陈列、控制器， 蓄电池、直流负载组成。只使用直流负载可以省去逆变器，常见的应用是太阳能 路灯系统，太阳能指示灯系统，光伏电池输出电压为1 2 v d c 或2 4 v d c ，通过控制 器后给蓄电池充电或直接给1 2 v d c 或2 4 v d c 的l e d 路灯供电。 还有更加简单的独立系统，如图1 5 ( c ) 所示，只由光伏陈列和直流负载组 成。一般用于低功率的小型电器，或装饰品，可以大大降低成本，同时由于模块 数量小，可靠性大大提高，应用也很普遍。如计算器，电子手表等。 ( 2 ) 并网光伏发电系统 2 2 , 2 3 】。与公共电网并网联接时，发电系统称为并网 光伏发电系统。如图1 - 6 所示，系统由光伏陈列、逆变器、配电开关、交流电网、 交流负载组成。随着太阳能的普遍应用，这种系统有极强的生命力，正在不断发 展，最终将成为主流。光伏陈列产生直流电流，由并网逆变器转化为交流电流， 并与电网的电压同频率，同相位。在白天，光伏系统的发电量超过用户使用量时， 配电开关在给用户配送所需电量的同时，将多余的电量输进公共电网，实现太阳 能电力商品化的同时，充分提高了太阳能的利用率。在晚上，负载大于光伏系统 的发电量时，电网自动向本地负载供电。在国外，如美国，德国，日本，这种并 网光伏发电系统已经非常普遍。 6 硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 图1 - 6 并网光伏发电系统 本文的研究内容包括从以下几个方面： ( 1 ) 光伏电池模型和特性曲线分析。在前人研究基础上分析光伏电池的数学 模型，用数学软件m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真模型，并绘制光伏电池的仿真特性曲 线，分析功率输出特点，为后文算法分析、仿真和实验做基础准备。 ( 2 ) m p p t 算法分析和优化。分析常用的最大功率跟踪算法，包括固定电压 法，固定电流法，扰动观测法，增量电导法等。总结各种算法的优点和缺点，为 了扬长避短，对算法进行优化组合，采用固定电压启动结合增量电导算法，为提 高跟踪速度和稳定性，对跟踪步长和跟踪周期进行优化，提出步长变化与p u 曲 线斜率成指数关系变化，周期与步长成反比关系的优化方案。为避免在环境快速 变化时算法出现跟踪方向误判和减小输出波动，提出三点法跟踪优化。最终设计 出组合并优化后新算法的原理流程图。 ( 3 ) m p p t 算法的仿真结果分析。应用m a t l a b 语言结合光伏电池仿真模型 对新算法编写程序进行仿真，分析新算法的可行性。同时也将传统算法进行仿真 分析，并把两者仿真结果进行对比，说明新算法的优越性。 ( 4 ) 设计光伏发电控制器。首先分析光伏发电控制器常用的d c d c 转换电 路的电路原理，然后选用适合的转换电路并进行电路参数的设计，选定电路所需 的电子器件。用专业电路制作软件a l t i u md e s i g n e r 绘制电路原理图，p c b 电路制 板工程图。制作电路板，搭建功率为1 5 0 w 的光伏发电系统。 ( 5 ) m p p t 算法的实验结果分析。在已建立的1 5 0 w 的光伏发电硬件系统上， 对传统算法、新算法进行实验，对比分析实验结果，对算法进行验证，说明新算 法的有效性和实用意义。 1 5 本章小结 本章讲述光伏发电的研究背景和现实意义、光伏技术在国内外的应用情况、 发展情况、光伏发电系统的类型和基本组成，最后介绍本论文的主要研究内容。 、小i 1 7 发电控制器研究 第2 章光伏电池的模型和特性曲线 2 1 光伏电池的工作原理 光伏发电原理基于“光生电效应”或者“光伏效应【2 4 , 2 】 现象，光伏电池主 要由半导体硅制成，在光的照射下，半导体吸收光子激发自由电子和空穴( 即正 电荷) ，从而产生电流。如图2 1 f 2 6 1 ，光伏电池材料中，硅在掺入磷后含有多余 的电子，n n 型半导体；掺入硼后的硅含有多余正电荷，n p 型半异体，两者结合 在一起得至s j p n 结，形成光伏电池的一个基本结构。p 层与n 层之间结合处正负电 荷抵消，形成空间电荷区w 。或者说，n 区中的电子和p 区中的空穴( 两者称为流 子) 向对方区域扩散形成w 区，同时形成电场e ，如图2 1 ( a ) 所示。电场e 可以 阻碍两边的多数流子继续向对面扩散。当阳光照射到材料表面，电池材料吸收光 子，内部原子获得能量，电子发生跃迁，成为自由电子并流向n 层，而正电荷则 集中在p 层，在p n 材料两侧形成电势差，如图2 1 ( b ) 。如果外部接上负载电路 便可以产生电流，获得功率输出。整个过程实质上是光能转换成电能的过程。 ( a ) p n 结构模型( b ) 光生电场的形成 图2 1 光伏发电原理 2 2 光伏电池的数学模型 图2 - 2 光伏电池等效电路 光伏电池的等效电路2 7 】如图2 2 所示，电路中各参数满足以下方程： i = i p h i d 一( v + i xr s ) r s h ( 2 1 ) 硕士学位论文 其中，i 为输出电流( a ) ，i p h 为光伏电流( a ) ， 输出电压，r 。为中联电阻，r 。h 为并联电阻。 通过二极管的电流可以用下式表示： i d = i s a t e x p q ( v + i r s ) a k t 】一1 ) i d 为二极管电流( a ) ，v 为 其中i s a t 饱和电流，q 电子电荷( 1 6 1 0 - 1 9 c ) ，a 二极管品质因素， 曼常数( 1 3 8 1 0 2 3 l k ) ，t 绝对温度( t - i - 2 3 7 k ) 。 将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 1 ) 得到： ( 2 2 ) k 玻耳兹 l = l p h l s a t e x p q ( v + i r s ) a k t 】一1 ) 一( v + i r s ) r s h ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 是光伏电池等效电路的解释表达式，是光伏电池数学模型，广泛用 于理论分析。但数学模型的应用中，需要确定模型中的五个参数，即i p h ，i 。a t ，a ，r 。 和r 。h 。这些参数的确定往往比较困难，光伏电池厂家常提供的四个参数是短路 电流i 。，开路电压v o 。，最大工作电流i m ，最大工作电压v m 。为了方便工程计算， 文献【2 8 1 把模型简化成含有这四个未知参数的形式： i = i s c ( 1 一c 1 e x p v ( c 2 v o c ) 】一1 ) ) ( 2 4 ) c x = ( 1 一i m i s c ) e x p 一v m ( c 2 v 0 。) 】 ( 2 5 ) c 2 = ( 、，m v r o c 一1 ) 1 n ( 1 一i m i 。c ) 】一l ( 2 - 6 ) 式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 是在标准光照度和温度下的简化工程数学模型， 当温度和光照度处于非标准状态时，文献中提出用式( 2 7 ) 到( 2 1 2 ) 来计算对 应的四个参数，即短路电流，开路电压，最大工作电流，最大工作电压： a t = t a i r t r e f ( 2 - 7 ) a s = s s ，e f 一1 ( 2 8 ) i ：c = i s c ( s i s r 。f ) ( 1 + a 5 t ) ( 2 - 9 ) w c = v o 。( 1 一c a t ) ( 1 + b a s ) ( 2 1 0 ) l h , = i m ( s s r e f ) ( 1 + a a t ) ( 2 11 ) = v m ( 1 一c t ) ( 1 + b a s ) ( 2 1 2 ) 式中，t a i ，环境温度，k 光伏温度系数，典型值是0 3 0 c m 2 w ，a t 光伏电池 工作温度与标准温度的差值( k ) ，t r e f 标准温度( 常取2 5 。c ) ，s 实际光照度与 标准光照度的差值( w e 2 ) ，s r e f 标准光照度，a ，b ，c 是常数( 文献 2 8 】推荐值 a = 0 0 0 2 5 ，b = 0 s ，c = o 0 0 2 8 8 ) ，当温度为t 光照度为s 时，所以对应的短路电 流为i ：c ，开路电压为。，最大工作电流为1 0 ，最大工作电压为v 刍。 该简化数学模型误差在6 以下，但在输出特性中，近似恒压源部分失真比较 大，且光照越强失真也越大。文献2 9 1 认为影响误差的主要参数是b ，提出了优化 方案，b 的优化表达式： b = - 0 1 9 4 9 + 7 0 5 6 1 0 4 s ( 2 1 3 ) 对参数b 进行优化后，模型的精度有所提高。 9 光伏发电控制器研究 2 3 光伏电池的仿真模型 m a t l a b s i m