（电路与系统专业论文）光伏电池mppt系统中动态自适应负载电流最大化技术的研究与设计.pdf

摘要 太阳能作为一种安全无污染的可再生能源，它的开发利用具有重要意义， 也使得光电转换( 即光伏发电) 逐渐成为近些年来最具活力的研究热点之一 而最大功率点跟踪技术被用在变化的外界环境条件下保证光伏电池实现最大功 率输出，提高光伏发电系统的能量利用率。 论文以光伏电池充电器为主要研究内容，其充电对象为应用最普遍的铅酸 蓄电池针对小功率系统对转换效率要求高、期望成本低的特点，采用全模拟 电路搭建控制电路，以提高芯片面积利用率。为了达到结构简单且跟踪精度高 的目标，提出了一种改进型的负载电流最大化跟踪技术，它结合了扰动观察法 和普通负载电流最大化法的优点。系统从交换器的输出端采样负载电流，然后 动态地调整参考电流值i 耐以逐渐逼近最大功率点电流，既保持了传感器数量少 的优势，又能灵活地实现动态自适应过程，无需事先针对不同的光伏电池和负 载进行检测和参数匹配的操作，具有低成本、低功耗、高效率、高稳定性的特 点，十分适合在小功率光伏发电系统中推广应用。 论文中的电路采用v i so 5 岫5 v 混合信号2 p 3 m 工艺实现，在s y n o p s y s h s p i c e 仿真环境中进行验证仿真结果表明：在该控制器的调制下，光伏发 电系统能够实时跟踪光伏电池的最大功率点，在静态条件下有良好的跟踪精度， 在动态条件下具有快速的响应速度，保证了系统在多变的自然环境中的杰出性 能。系统整体平均追踪精度为9 5 ，最高追踪精度能够达到9 8 。 关键词：光伏电池，最大功率点跟踪，直流直流变换器，负载电流最大化 a b s t r a c t a sas a f ea n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yr e n e w a b l ee n e r g y , t h ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h u s ，t h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n ( n a m e l yp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n ) h a sg r a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h em o s t v i g o r o u sh o tt o p i c si nr e c e n ty e a r s t h em 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 ) t e c h n i q u ei su s e dt oe n s u r et h a tt h ep vc e l l sa c h i e v em a x i m u mp o w e ro u t p u ti n c h a n g i n ge x t e r n a le n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ss o 嬲t or a i s et h ee n e r g yu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yo f t h ep v p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h et h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fp vb a t t e r yc h a r g e r , t h el o a do fw h i c hi sa c o m m o nl e da c i db a t t e r y f o rl o w - p o w e rs y s t e m st h a tr e q u i r eh i g hc o n v e r s i o n e f f i c i e n c ya n dl o we x p e c t e dc o s t ，af u l l ya n a l o gc i r c u i td e s i g nh a sb e e na d o p t e dt o b u i l dt h ec o n t r o lu n i ti no r d e rt op r o m o t et h ec h i pu t i l i z a t i o nl e v e l i no r d e rt o s i m p l i f yt h ec i r c u i t r ys t r u c t u r ea n di m p r o v et h et r a c k i n ga c c u r a c y , a ni m p r o v e dl o a d c u r r e n tm a x i m i z a t i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e db yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fb o t ht h e p e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o da n dt h eo r d i n a r yl o a dc u r r e n tm a x i m i z a t i o n m e t h o d t h es y s t e ms e n s e st h el o a dc u r r e n tf r o mt h eo u t p u tt e r m i n a lo ft h ec o n v e r t e r , a n dt h e nd y n a m i c a l l ya d j u s t st h ec u r r e n tr e f e r e n c ei r e ft og r a d u a l l ya p p r o a c ht h e m p pc u r r e n t a sar e s u l t , t h e s y s t e m i s c a p a b l eo fr e a l i z i n gt h ed y n a m i c a l l y s e l f - a d a p t i v ep r o c e s sf l e x i b l yw h i l em a i n t a i n i n gt h ea d v a n t a g e so fl e s sn u m b e ro f s e n s o r s s i n c ei to b v i a t e st h en e e dt od e t e c ta n dm a t c ht h ed i f f e r e n tp h o t o v o l t a i c c e l l sa n dl o a d si na d v a n c e ，t h es y s t e mh a sa d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , h i g he f f i c i e n c ya n dh i 曲s t a b i l i t y , s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o rs m a l lp o w e r p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e ma p p l i c a t i o n t h ec i r c u i ti nt h i st h e s i si si m p l e m e n t e d 、斩也v i so 5 1 a m5 vm i x e d - s i g m l2 p 3 m p r o c e s sa n dv e r i f i e di ns y n o p s y s 四h s p i c es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mh a sag o o dt r a c k i n g e f f i c i e n c yi nt h es t a t i cc o n d i t i o na n daf a s tr e s p o n s ei nd y n a m i cc o n d i t i o n s 、析mt h e r e g u l a t i o no ft h ep r o p o s e dc o n t r o l l e r , e n s u r i n go u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c eu n d e r c h a n g e f u l l yn a t u r a le n v i r o n m e n t t h eo v e r a l la v e r a g et r a c k i n ga c c u r a c yi s9 5 ，a n d t h eh i g h e s tt r a c k i n ga c c u r a c yc a nr e a c h9 8 k e yw o r d s ：p vc e l l s ，m p p t , d c d cc o n v e r t e r , l o a dc u r r e n tm a x i m i z a t i o n 图目录 图1 1国内外能源的探明储量比较示意图1 图1 2我国太阳能资源分布图2 图1 3光伏发电系统的基本架构4 图1 41 2 v 蓄电池典型电流电压特性示意图7 图1 5 光伏电池m p p t 系统结构图1 0 图2 1 环境温度不变，输出特性曲线随光照强度的变化1 2 图2 2 光照强度不变，输出特性曲线随环境温度的变化1 2 图2 3 光伏电池等效模型1 4 图2 4m p p t 方法分类示意图l5 图2 5 爬坡法扰动观察法示意图1 7 图2 6 纹波关系控制法的原理1 8 图2 7 纹波关系控制法的实现电路结构1 9 图2 8 纹波关系控制法的控制流程图1 9 图2 9 输出电流正反馈方法的控制流程图2 0 图2 1 0 正反馈负载电流最大化法失效示意图2 0 图3 1扰动观察法控制思想示意图2 3 图3 2负载电流最大化法控制思想示意图2 3 图3 3动态自适应负载电流最大化系统示意图2 4 图3 4 动态自适应负载电流最大化控制思想示意图2 4 图3 5动态自适应负载电流最大化控制思想流程图2 5 图3 6直流直流变换器的变压器模型2 6 图3 7 动态参考值i f 生成模块结构及原理图2 7 图3 8i r e f 生成模块状态切换图2 8 图3 9动态参考值i 他f 生成模块完整结构图2 8 图3 1 0d c m 条件下峰值电流模式b o o s t 变换器波形图2 9 图3 1 1峰值电流模式在d c m 条件下的平均开关模型。3 0 图3 1 2d c m 条件下峰值电流模式b o o s t 变换器小信号模型3 1 图4 1带隙基准电路结构3 3 图4 2带隙基准电压的温度特性3 4 图4 3带隙基准电压随电源电压的变化3 4 图4 4带隙基准电压的线性调整率：3 5 图4 5带隙基准电压的p s r 3 5 图4 6时钟信号发生器的电路结构3 6 图4 76 5 k h z 时钟信号仿真图3 6 图4 8 折叠式共源共栅运算放大器的电路结构图3 7 图4 9 折叠式共源共栅放大器波特图3 7 图4 1 0 折叠式共源共栅放大器失调电压仿真图3 8 图4 1 1共模抑制比c m r r 仿真电路3 8 图4 1 2 共模抑制比c m r r 仿真结果3 9 图4 1 3电源抑制比p s r r 仿真电路。3 9 图4 1 4电源抑制比p s r r 仿真结果4 0 图4 1 5典型的两级开环比较器结构图4 0 图4 1 6比较器输入失调电压仿真结果4 l 图4 1 7比较器上升延时仿真结果4 1 图4 1 8比较器下降延时仿真结果4 2 图4 1 9系统三个控制环路示意图4 3 图4 2 0改进型峰值电流模式b o o s td c m 闭环示意图4 3 图4 2 1补偿前控制闭环波特图。4 4 图4 2 2补偿网络电路结构图4 5 图4 2 3补偿网络的频率特性4 7 图4 2 4 补偿后系统环路传递函数的频率特性4 8 图5 1m p p t 系统电路结构图4 9 图5 2 光伏电池板及铅酸蓄电池5 0 图5 3当温度不变光照强度逐渐增强时，光伏电池模型输出波形图5 1 图5 4当光照强度不变温度逐渐升高时，光伏电池模型输出波形图5 1 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l m p p t 系统启动过程示意图5 2 固定v i f e f 的闭环控制启动响应过程5 3 固定v i r c f 的闭环控制静态响应精度5 4 加入v i r c f 生成环后的闭环控制启动响应过程5 4 加入v 附生成环后的闭环控制瞬态响应5 5 v i r e f 动态自适应调整过程5 5 系统的动态响应5 7 表目录 表1 1常见光伏电池成本效率比较6 表2 1 光伏电池的主要参数1 4 表2 2 各种m p p t 技术优缺点比较2 1 表3 1i r e f 生成模块操作原理2 7 表3 2d c m 条件下峰值电流模式b o o s t 变换器模型参数3 1 表5 1 光伏电池m p p t 系统参数5 0 表5 2 系统追踪精度的统计数据5 8 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 在未来数十年内，传统能源的短缺将会成为制约人类社会生存和发展的一 个关键问题，诸如石油、煤、天然气等化石能源即将消耗殆尽。在2 1 世纪初进 行的关于世界能源储量调查的数据表明：石油的可开采年限为4 0 年，天然气 的可开采年限为6 1 年，煤炭的可开采年限为2 2 7 年，其中中国的能源储量状况 更是不容乐观，见图1 1 。能源是人类社会存在和发展的基础，而传统能源已 经所剩无几，再加上世界人口数量的继续膨胀，能源消耗速度的速度也会逐渐 加快，在不久的将来能源危机将成为世界危机。 2 3 年 2 2 5 d 年 2 2 鼋： 2 l 筘率 2 l q ： 2 0 ，d 卸： 2 0 擎 _ = = 无穷大巴刁秘辫口巾溺 彩 茁f ： 豸 殇 约6 1 年 毳 - ”- - 1 ”约了l 每 戢f 4 豫：r 7 aip 习约5 ： 陇；：孵r吲 a 嘲琵钿蹦凡熬缀铺 图1 1国内外能源的探明储量比较示意图 另一方面，化石燃料的滥用，传统火力和核能发电作为主要电力来源，也 造成了日益严重的环境污染问题及核废料处理等安全问题。化石燃料在燃烧过 程中会产生大量的温室气体c 0 2 ，它是造成全球温室效应的主要原因之一温 室效应会带来一系列的不良连锁反应：全球气候变暖、极端气候频现、海平面 上升、淡水减少、土地荒漠化等严重的生态环境问题。按照目前温室气体的排 放增长量估计，全球平均气温每十年将升高0 2 c ，海平面每十年将升高2 e m 。 化石燃料的燃烧还会导致s 0 2 、n 0 2 等气体的过量排放，带来酸雨、光化学污 染等问题【l 】 上述问题的突显都敦促人类亟需尽快建立一套完整的低碳经济产业链，它 必须采用清洁的、对环境友好的可再生能源，例如太阳能、风能、潮汐能、生 物能等，因此世界各国都正在大力开展这些可再生及替代能源的应用研究，争 取突破关键技术的瓶颈。能源危机和环境污染问题已经直接威胁到了人类社会 1 浙江大学硕士学位论文 的根基，而利用可再生能源则是解决这些问题的治本之法。 1 1 太阳能的应用前景 在上述各种可再生能源中，太阳能具有安全无污染、取之不尽、用之不竭、 无需开采运输等优点，因此太阳能的开发和利用有着巨大的市场前景和应用前 景，它不仅能带来良好的社会效益和环境效益，而且还具有明显的经济效益。 太阳每时每刻都在向外围宇宙空间辐射能量，每秒钟到达地球表面的太阳 能量高达8 0 万千瓦，假如把地球表面0 1 的太阳能转为电能，转变效率为5 ， 则每年的发电量可达5 6 1 0 1 2 千瓦时，相当于目前世界上一年总能耗的4 0 倍。 依此计算，一年中地球所接受到的太阳能就相当于1 3 0 万亿吨标准煤燃烧所释 放出的能量。我国地域广阔，且大部分地区具有良好的日照条件，除了贵州高 原部分地区外，中国绝大部分地域均为高太阳能资源区域( 4 5 0 0 m j 年m 2 ) ， 如图1 2 所示，太阳能资源较好的地区占国土面积2 3 以上，主要集中在西部 地区，尤其是西北和青藏高原，年平均日照时间更是在2 2 0 0 小时以上，中国陆 地每年接收的太阳辐射量约合2 4 0 0 0 亿吨标准煤，可见太阳能资源是相当充足 的。【2 】 图1 2我国太阳能资源分布图 太阳能的利用有多种形式，大致来说可以分为光一热转换、光化学转换和 光电转换等三种方式【3 1 。 光热转换是利用光的热效应，将太阳辐射能转化为热能，它是太阳能利用 2 - 浙江大学硕士学位论文 的最基本方式当前最普遍的光一热转换利用形式就是太阳能热水器，此外还 有太阳能的热发电，如聚焦抛物面槽式、点聚焦中央接收式和点聚焦抛物面盘 式太阳能热发电技术等 光化学转换是利用光能分解化学物质产生化学能，目前尚处于实验研究阶 段，这种转换技术主要包括光伏电池电极化水制成氢、利用氢氧化钙和金属氢 化物热分解储能等。 光电转换的原理是基于光的伏特效应，它利用半导体材料将太阳辐射能直 接转换成电能使用和储存。 在这三种太阳能的利用方式中，太阳能的光电转换( 即光伏发电) 以其独 特的优势与便携性逐渐成为近些年发展最快、最具活力的研究领域，是当前及 未来太阳能利用最广泛和最理想的途径。 1 2 光伏发电系统的基本架构 太阳能光伏发电有独立系统和并网系统两种应用形式。独立系统不与电网 连接，通常配有蓄电池来储藏能量，常应用于如家庭、路灯、航标、岛屿及山 区无电地区等小规模用电场合，也可用于航空航天、微波中转站等特殊供电场 合。近些年来，太阳能应用在并网发电领域也取得了长足的进步，并网系统与 电网连接，作为电网的一个供给源，它具有安全无污染、组装灵活等优点，能 够重点缓解用电高峰期的用电紧张问题。 一个典型的光伏发电系统如图1 3 所示【4 】，直流供电系统由光伏电池阵列、 电能储存元件( 蓄电池) 、交换器及控制器等部分组成，交流供电系统还需要增 加逆变器单元太阳光辐射的能量经由光伏电池阵列直接转换为电能，光伏电 池所产生的电流是直流电，并且它本身并无蓄电能力，因为每个单元产生的电 流相当微弱，需要将发电单元并联串联，组成光伏阵列，才能产生有效的输出 但是这种直流电易随环境条件改变、稳定性差，一般不能直接被负载利用，需 要经由控制器调制的变换器，将能量储存在储能元件中，最后再提供给负载使 用。光伏发电系统中，光伏电池阵列是最重要的组成部分，其成本和光电转换 效率是整个系统中的重要考虑 光伏发电系统在光照充足时，通过光伏效应将太阳光能转换为电能，给负 浙江大学硕士学位论文 载供电的同时将多余的能量传输给蓄电池组进行充电。在光照不足时，蓄电池 组单独为负载提供电能。针对光伏电池在不同日照强度和不同温度下输出能量 的变化以及负载的变化，功率变换控制器需要实时对光伏电池和蓄电池组进行 功率调节，提高光伏发电系统的能量利用率。 5 1 ( a ) 直流系统( b ) 交流系统 图1 3 光伏发电系统的基本架构 光伏发电系统中各部分的作用如下： 1 光伏电池：它是光伏发电系统中的核心部分，也是成本最昂贵的部分。 它的作用是将太阳辐射的能量直接转换成电能，为负载提供能量和将能量传至 蓄电池中储存 2 蓄电池：一般为铅酸蓄电池，其作用是在光照充足时将太阳能电池所提 供的电能储存起来，当阳光不足时再为负载释放能量。 3 控制器：它的作用是控制系统的工作状态，它具有最大功率点跟踪功能， 从而实现对太阳光能的最高效率利用。同时，它也可以集成对蓄电池过充电保 护与过放电保护的功能。控制器部分的电路结构设计是本论文中最主要的研究 内容。 4 逆变器：由于光伏电池的输出为直流电，在并网发电的应用环境中，为 了给交流电网或交流电负载提供电能，需要对其进行直流交流转换。 1 3 光伏电池的分类 法国科学家贝克雷尔于1 9 3 9 年发现“光电效应”，即阳光的照射会使得半 导体材料内部传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此可以产生电动 势和电流，使器件输出直流电能，从而实现光电转换。【6 】 光伏效应的原理是：当光照射到p n 结上时，产生电子一空穴对，在半导 - 4 浙江大学硕士学位论文 体内部p n 结附近生成的载流子未被复合而到达空间电荷区，因为受内建电场 的吸引，电子流入n 区，空穴流入p 区，结果使n 区储存了过剩的电子，p 区 储存了过剩的空穴，因此它们在p n 结附近形成了与势垒方向相反的光生电场。 光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，使得p 区带正电，n 区带负电，在 p 区和n 区的薄层之间就产生了电动势如果在外部进行短路连接，则外电路 中就会有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流；若将p n 结两端开路，则由于电子和空穴分别流入n 区和p 区，使n 区的费米能级比p 区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差v o c ，这个电压称作 开路电压 1 9 5 4 年在美国贝尔实验室，恰宾和皮尔松根据光电效应的原理首次研制出 了可以实际应用的单晶硅光伏电池，虽然其光电转换效率约为6 ，但从此标志 着人类开始进入了太阳能直接转换为电能进行利用的光伏发电时代【刀然而当 时的光伏电池由于成本高昂，且光电转换效率很低，并不具有大范围商用意义 光伏电池根据材料种类的不同，可以分为硅光伏电池、化合物半导体光伏 电池和纳米晶光伏电池等。目前常见的光伏电池基本为硅光伏电池，根据硅的 晶体结构又可以分为非晶硅、单晶硅和多晶硅三种，其中以单晶硅和多晶硅两 种最为常见。【8 ，9 1 在硅材料光伏电池中，单晶硅光伏电池的转换效率最高，制造技术也最为 成熟。单晶硅光伏电池转换效率的理论值约为2 4 2 6 ，实际产品的转换效率 为1 5 1 8 。在大规模应用和工业生产中，单晶硅光伏电池仍占据市场主导地 位但由于受到单晶硅材料价格及繁琐的电池生产工艺的限制，单晶硅光伏电 池成本价格一直居高不下，且大幅度降低其制造成本的可能性非常小。为了节 省高质量材料，寻找单晶硅光伏电池的合理替代品，目前薄膜太阳能电池是热 门的选择之一，其中典型代表有以高温、快速制造为发展方向的多晶硅薄膜光 伏电池和叠层非晶硅光伏电池。 多晶硅材料光伏电池由单晶硅颗粒聚集而成，其转换效率的理论值约为 2 0 ，实际产品的转换效率为1 2 1 4 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远比 单晶硅要少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价的衬底材料上制造，其成 本远低于单晶硅材料电池，而效率又高于非晶硅薄膜电池。因此，预计今后多 浙江大学硕士学位论文 晶硅薄膜电池将会在光伏电池市场上占据主导地位 非晶硅材料光伏电池的特点是材料中原子排列呈现无规则状态，转换效率 的理论值为1 8 ，实际产品的转换效率为9 左右。非晶硅太阳能电池由于具 有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等优点，有着极大的发展潜力。但同 时由于它的稳定性不高，直接制约了它的广泛应用。如果能进一步解决稳定性 问题和提高转换效率，非晶硅材料太阳能电池也将是未来光伏电池的主要发展 方向之一 表1 1 对三种不同晶体结构的光伏电池的成本和转换效率进行了比较。多 晶硅材料光伏电池是目前光伏发电系统采用最多的光伏电池器件，其次使用较 多的是单品硅材料光伏电池，两者总量占据了光伏电池市场份额的9 0 以上【1 0 1 。 表1 1常见光伏电池成本效率比较 种类光电转换效率描述 多晶硅光伏电池 1 2 1 4 成本较低 单晶硅光伏电池 1 6 2 0 成本较高，工艺复杂 非晶硅光伏电池 6 8 成本低，对原材料要求低 1 4 蓄电池的概述 蓄电池由许多电池单元组成，通常这些电池单元以串联的方式连接，并联 连接的形式比较少见，因此可以说电池单元就是蓄电池的细胞。单个电池单元 是一个小型的化学反应装置，由两个金属电极和导电通道组成，导电通道可以 是液体或者固体，这取决于所使用的化学物质的特性。电池单元的独特之处在 于它可以根据电流方向的不同，产生可逆的两种化学反应。当两个金属电极( 阴 极和阳极) 上外接电源进行充电时，产生的化学反应会使一些内部物质的化学 结构发生改变，此时蓄电池处于充电储能状态。当在外部电极上接上负载时， 就会发生逆向的化学反应，使这些物质又重新回到之前的状态，并向外释放出 电能蓄电池并不能完全等效于超大容量的电容，虽然电容也可以进行充电放 电等过程，实现能量的存储和释放，但蓄电池与电容有着很大的不同，因为如 果在蓄电池上施加一个正弦电压信号，所测得的充电电压和电流之问没有9 0 度 相位差，另外蓄电池在电路性能上也不能等同于滤波器。 6 - 浙江大学硕士学位论文 蓄电池的性能与工作频率有很大的关系。在变换器典型的开关频率范围内 ( 大概几十到几百千赫兹) ，蓄电池可以等效为开路结构，因为蓄电池的输出端、 电池内部以及电极上都存在等效电感，而且化学反应本身也需要一定的时间来 完成，所以对于高频信号它可以等同为开路。例如镍氢电池内部的等效电感约 为2 0 0 r t h ，5 个电池单元串联的等效电感就可达1 t t h ，如果工作频率为2 0 0 k h z ， 其阻抗可达l q 级别。蓄电池的充电电压会包含由功率变换器产生的同频率的 开关纹波，因此为了抵消高频电压的影响，需要在蓄电池两端并联外接电容 如果在1 k h z 或低至几赫兹的低频方式下工作，由于内部化学反应的变化， 蓄电池会表现出非线性的特性。当输出电流逐渐增大时，输出电压会逐渐下降 ( 其关系近似于反正弦函数) 图1 4 所示为1 2 v 镍氢电池的标称电流一电压曲 线【1 1 1 ，标称电压为1 2 v ，电流输出方向定义为负方向。当输出电流较小时，蓄 电池的电压下降特性类似于一个电阻，电流变化和电压变化近似成线性关系。 但是在输出电流较大时，电压下降的幅度变化并没有小电流工作时的变化明显。 在电压降至0 v 以前，蓄电池可以输出极大的电流( 图中未画出) ，在蓄电池正 常工作状态中是必须避免的这种情况发生的，这将会不可逆地损坏电池。 毫蠢( ) 誓咆泡壤 压 v ) 图1 41 2 v 蓄电池典型电流电压特性示意图 蓄电池的输出电流与输出端电压之间的关系还与温度、剩余电量等因素有 关。输出电流太大可能引起电池的损坏，任何电池在工作温度低于其额定温度 时都会出现故障甚至损坏当电池的工作频率继续降低，周期变为几分钟或几 小时的时，蓄电池的容量将以“安时”来衡量所充的电量( 电流时间_ 所充电 量) 蓄电池同时还存在着自放电现象，当一组充满电的蓄电池在不接任何外部 负载( 即完全空载) 的条件下，如果放置较长的时间，自身的能量也会逐渐丢 浙江大学硕士学位论文 失。储存能量丢失的速度和电池所采用的化学物质有关。电池的种类很多，铅 酸化学电池，镍铬电池、锂电池等，每种电池都有自己独有的特性。 通过上述分析可知蓄电池并不是理想的电压源，同样作为负载，蓄电池也 不是理想的负载。对蓄电池进行充电时，不能把一个电压源与蓄电池简单地连 接，否则会产生很大的充电电流烧坏元件，因此需要对充电电流的大小和充电 的过程进行控制。 在技术手册中，充电电流一般用专门术语“c ”表示( 与放电电流相同) 。1 c 表示用1 小时的时间把电池充电到额定容量所采用的电流大小，此处的“c ”表示 电流，以安为单位，所以电池的容量以a h 表示。 为了能够将蓄电池充满电，不能让电池完全放电至零，那样会损坏电池， 第一阶段充电( 初充) 需要用较大的充电电流进行，充电到额定容量的8 0 9 0 之后，需要逐渐减小充电电流。为了避免电池出现过热的情况，最后一个阶段 的充电电流不宜过大。持续的大电流充电还会导致难以辨识蓄电池的真实状态， 因为此时电池的端电压很大部分是由于其内部电阻在大电流作用下产生的。 充电的最后一个阶段称为浮充，浮充阶段控制量是电压，而不是电流。浮 充电流可以很小，对1 2 v 的密封铅酸电池来说，浮充电压一般为 1 3 6 v + 3 0 m v ( t - 2 5 _ ) 士o 2 v 。完全充好以后，浮充电流可以是c 1 0 0 0 ，仅几毫 安而已 1 5 选题意义及研究内容 本论文以光伏电池充电器为主要研究内容，因为小功率光伏发电系统在小 规模电力供应中应用广泛，正逐渐取代一些传统的供电模式。深入研究光伏发 电系统，对于缓解能源危机、保护环境和促进经济可持续发展有着重大的理论 意义和现实意义。 目前光伏发电系统主要存在着以下几个问题： 1 光伏电池转换效率低：光伏电池转换效率是指将太阳光能转换为电能的 比例一般来说，晶体硅材料光伏电池的转换效率为1 2 2 0 左右，非晶体太 阳能电池效率为6 8 左右，薄膜电池目前效率还更低由于光电转换效率太 低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。目前，科学界一 浙江大学硕士学位论文 个热门的研究方向就是如何大幅度提高光伏材料的转换效率。 2 光伏发电系统造价成本高：由于光伏电池转换效率低，所以为了产生足 够多的电能则需要将许多光伏电池板并联使用，使得整个光伏发电系统的造价 相当高。目前光伏发电的成本约是传统火力发电或水利发电的6 2 0 倍，成本因 素直接制约了光伏发电产业的快速发展。 3 光伏发电系统的运作受到外界气候环境因素影响大，诸如云层遮挡、气 温变化等自然条件的改变，这将导致系统很容易出现不稳定的情况，并随着环 境条件不断地变化 4 制造单晶硅和多晶硅材料的光伏电池需要消耗相当多的能源。在从硅元 素存在形式( 沙粒) 转变成纯净的多晶硅和单晶硅的过程中，需要多道复杂的 物理和化学工序，期间要耗费相当多的时问和能量。 上述问题的解决方案除了寻找更优的材料用以生产更高效的光伏电池外， 还可以在光伏发电系统中使用高性能的控制器，控制器一方面可以使光伏电池 的输出电能尽可能多地传送给负载，另一方面保证在外界环境变化时，光伏发 电系统也能稳定地工作，因此系统需要采用m p p t 控制电路进行跟踪并将光伏 电池偏置在最大功率点，实现其输出功率效能的最大化。 本论文旨在设计一种新型的太阳能最大功率点跟踪电路，作为太阳能充电 器使用，利用光伏电池的最大输出功率对蓄电池进行充电，提高单位时间内的 光能利用率此最大功率跟踪电路具有架构简单的优点，仅需要一个电流检测 器和逻辑控制电路即可实现，适合以全模拟电路实现。由于高复杂度的最大功 率点算法在改进光伏电池光电转换效率方面非常有限，因此结构简单的最大功 率点跟踪控制技术在小功率小成本场合应用较多，这也决定了模拟电路实现方 案在小功率光伏发电系统中有广阔的发展前景。 本论文设定以下设计目标： 1 光伏电池输出开路电压是2 0 v - 2 5 v ，最大短路电流为1 a ，最大输出功率是 2 0 w 。输出负载为铅酸蓄电池，其端口电压为1 2 v ，额定蓄电量为1 0 0 a h ， 2 节串联使用，所以功率变换器的输出端电压为2 4 v 。 2 电路拓扑结构基于b o o s t 电路，控制模式为峰值电流模式，系统在恒定频率 模式下工作，开关频率是6 5 k h z 采用追踪精度高的m p p t 控制策略，提 浙江大学硕士学位论文 高系统的光电转换效率。 3 具有保护电路，防止由于外部环境变化而引起对铅酸蓄电池寿命损耗 根据上述主要设计目标，预期设计b o o s t d c d c 光伏充电系统如图1 5 所 示p v 表示光伏电池，b a t t e r y 为输出端负载铅酸蓄电池，中问电路为b o o s t 电路拓扑，其中与常规b o o s t 电路不同点在于电容c i i i 不仅起到输入滤波的作用， 它还被用来储存电能。因为光伏电池的输出电压是一个不固定的值，它受到输 出电流的直接影响，v i l l 的变化范围从0 v 到光伏电池的开路电压v o c ，所以需 要控制对蓄电电容c i i i 的充放电，通过调整蓄电电容c i l l 上的电压，来间接调整 光伏电池的输出电压，使其稳定在最大功率点电压附近。 图1 5 光伏电池m p p t 系统结构图 本论文的结构如下- 第二章对光伏电池的输出特性和电路模型进行了分析， 对常见的采用模拟电路实现的最大功率点跟踪算法逐一进行了介绍和性能比 较；第三章在深入研究原有技术的基础上，提出了创新型的负载电流最大化控 制策略，并严谨地推导了方案的可行性，详细阐述了控制方案的实现和小信号 模型的建立；第四章重点介绍了系统主要模块的设计过程及验证结果，探讨了 光伏系统的小信号传递函数及补偿网络的设计过程。第五章包括了在h s p i c e 仿真环境下模拟系统在光照强度和温度变化的情况下的静态及动态响应结果， 对仿真的结果进行了分析，从系统的角度验证了设计的正确性。第六章对以上 的讨论进行了总结，并给出了对后续工作的展望。 浙江大学硕士学位论文 第2 章m p p t 技术的分类与比较 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 ) 技术已成为光伏发电系 统中研究的热点问题。在外部环境相对稳定的前提条件下，光伏电池存在唯一 的最大输出功率点，最大功率点跟踪技术是为了控制串联的功率变换器，调整 等效输入电阻，以便将光伏电池的输出电压偏置在最大功率点电压。在变化的 环境条件下( 如光照强度和环境温度改变) ，依然通过负反馈控制使得光伏电池 的输出电压始终跟踪当前条件所对应的最大功率点电压，从而实现光伏电池输 出功率的最大化。 光伏电池最大功率点跟踪技术的研究，主要可以分为“跟踪算法”和“实现方 式”两个方面。 在跟踪算法方面，目前最大功率点跟踪电路的控制方法有许多种，包括： 固定电压法、扰动观察法、增加电导法，短路电流法、神经网络法、模糊控制 法、纹波关系控制法、d p d v 反馈控制法、输出负载电压电流最大化法等上 述方法都能够实现对光伏电池最大功率点电压的跟踪调制，但它们在复杂性、 传感器数量、收敛速度等方面各有优劣。0 2 在实现方式方面，主要分类有：微处理器( 单片机、d s p 等) 实现；利用 已有芯片与外围元件搭建离散电路实现；模拟集成电路实现。其中，微处理器 方案能实现复杂的最大功率点跟踪算法，但成本较高，比较适合应用于大功率 光伏并网发电场合；利用现有芯片搭建离散电路的实现方案，外围电路结构复 杂，通用性受限制；模拟集成电路的实现方案具有成本低，结构简单的特点， 特别对适用于小功率小成本的光伏发电系统，其局限在由于模拟电路本身抗噪 声能力和算法复杂度上的缺陷，不能实现高精确度的最大功率点跟踪技术。 2 1 光伏电池的输出特性 光伏电池的作用是将光能转换为电能，是光伏发电系统中的能量产生单元。 光伏电池的输出电压及电流特性会随着光照强度、温度、使用年限、负载状态 等条件的变化而呈现出非线性的变化。在给定的环境条件下，存在一个唯一的 浙江大学硕士学位论文 工作点使得光伏电池的输出功率达到最大，此工作点称为光伏电池的最大功率 点( m p p ，m a x i m u mp o w e rp o i n t ) 。在实际的自然环境中，光照强度和温度会在 一定范围内波动，如果简单地将光伏电池和负载直接连接，不能保证光伏电池 工作在最大功率点，这样会大大降低单位时间内光能的利用率。由于光伏电池 的转换效率较低，光伏发电系统的成本是其推广应用的瓶颈。最大功率点跟踪 技术( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 被用来在变化的外界环境条件下保证光 伏电池实现最大功率输出，提高光伏发电系统的效率。因此在光伏电池与负载 之间，需要接入一个匹配网络，即功率变换器。通过控制器的反馈控制，能够 使光伏电池在不断变化的内部和外部条件下，始终工作在最大功率点，此技术 称为光伏电池的最大功率点跟踪技术。 为了直观地了解光伏电池的输出特性，根据输出电压和电流的非线性函数 关系式，可以绘制在环境条件变化时光伏电池的i v 、p v 特性曲线，如图2 1 和图2 2 所示。 图2 1 环境温度不变，输出特性曲线随光照强度的变化 图2 2 光照强度不变，输出特性曲线随环境温度的变化 浙江大学硕士学位论文 图2 1 为光伏电池在环境温度不变，光照强度变化时的输出特性曲线。从 图中可以看出：光伏电池的短路电流会随光照强度的增加而变大，两者之间有 着近似比例关系；光伏电池的最大输出功率也随光照强度增加而变大，在相同 环境条件下，光伏电池有唯一的最大输出功率点；在最大功率点的左侧，输出 功率随光伏电池输出电压的上升而呈现线性上升趋势，到达最大功率点后，输 出功率迅速下降，并且下降速度远大于上升速度；光伏电池最大功率点对应的 输出电压近似保持不变的比例，约为开路电压的7 8 。 图2 2 为光伏电池在光照强度不变，环境温度发生变化时的输出特性曲线。 从图中可以看出：光伏电池的短路电流随着温度的增加而略微增加，开路电压 随着温度增加而减小，变化范围较为明显。因此光伏电池输出功率的变化趋势 与在不同光照条件下的功率变化相似【1 3 】 综上所述，光伏电池的输出特性主要与光照强度、环境温度有着密切的关 系。在不同的外部环境下，光伏电池的输出功率和最大功率点电压有较大的变 化，因此光伏发电系统需要采用m p p t 控制电路进行跟踪并将光伏电池偏置在 最大功率点，以提高光电转化效率，实现其输出功率效能的最大化。外接功率 交换器要求工作区域位于最大功率的左半部分，当输出电流增加，输出功率也 随之增加。如果工作在最大功率点的右半部分，超出峰值功率，系统会不稳定。 如果变换器要输出更大的功率，那就要输出更大的电流。找到的功率最大点， 同时又保证系统不超过这个点，一直是设计应用太阳能电池的挑战性课题。 2 2 光伏电池的模型分析 为了对光伏发电系统进行仿真验证，需要建立一个精确的光伏电池电路模 型。虽然各种光伏电池的物理结构、生产工艺和输出规格有所不同，输出特性 曲线也有一定的差异，但其电流电压特性却遵循着一定的等式关系。这为在 e d a 软件中模拟光伏电池的输出特性，并进一步验证控制系统设计的正确性提 供了理论依据。一个光伏电池往往是由相同的电池单元串联，并联或串联加并 联组成的。由于每个电池单元有着较为固定的开路电压和短路电流，所以在一 个光伏电池阵列中，串联的电池单元个数决定了整个光伏电池的开路电压大小， 并联路数决定了短路电流值，在使用相同电池单元的情况下，电池单元的串联 浙江大学硕士学位论文 数和并联数决定了光伏电池阵列的输出规格。 相当多的文献【1 卅已经对光伏电池单元的等效模型作了深入的研究，电池单 元是一个非线性的电路器件，其电路模型如图2 - 3 所示。它由理想电流源、 反向并联二极管d p 、串联电阻r s 和并联电阻r r , 组成。 i 口h 兄 p ： ：岛f i + v 图2 3 光伏电