用于野外照明系统充电的独立光伏系统研究

中北大学 2013 届毕业论文说明书第 1 页 共 50 页用于野外照明充电的独立光伏系统的研究摘要:随着煤炭、天然气和石油等化石燃料迅速消失，以及由此带来的能源危机与环境污染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁、安全可靠的可再生能源。太阳能作为新能源和可再生能源的一种，因其取之不尽、清洁环保、永不衰竭等的特点，受到了世界各国能源专家的青睐，并被业内人士称为 “黄金电 ” 。因此，本课题选择研究太阳能光伏发电应用于野外照明充电的独立光伏系统。首先，对光伏电池的工作原理及输出特性进行详细分析，并根据光伏电池的电路建立它的数学模型以及光伏电池的 Matlab 仿真模型，为光伏发电系统的仿真提供可能。随后提出了恒压启动变步长的增量电导法，本文中最大功率点是通过控制 Boost 升压电路的占空比来实现的。将光伏电池的输出电压经过Boost 变换器升压滤波产生的直流电压，经过 DC/AC 逆变器接到野外照明充电架上，实现光伏系统的充电功能。其次，蓄电池和直流母线之间采用双向全桥 DC/DC 变换器，起双向输送能量的作用。该系统能量管理的核心就是根据光伏电池和蓄电池的状态，来控制双向变换器能量的传输方向，使其工作在充电模式、放电模式或关机模式，以此来实现蓄电池的充放电，从而对整个系统进行有效的能量管理，使得光伏电池和蓄电池能够协调工作。最后，在设计的用于野外照明充电的独立光伏系统中，由 DSP 软件实现最大功率点跟踪、双向全桥 DC/DC 变换器的工作模式转换、正弦波脉宽调制等功能，并对采样电路和驱动电路进行了初步设计。关键词：光伏电池模型，最大功率点跟踪，逆变器，双向变换器，控制策略。中北大学 2013 届毕业论文说明书第 2 页 共 50 页Study on the stand-alone photovoltaic system for charging field lighting systemAbstract: In recent year, as the concern over the rapid consumption of fossil energy such as coal,natural gas and oil,energy crisis and increasing environmental pollution, many countries have been in search of and actively developing clean ,safe and reliable renewable energy source.Because of its inexhaustible, clean, never failure, so made Solar energy as a new energy and renewable energy.And it is windely popullar by energy experts all over the world, and the industry was called golden electricity. Therefore, the selection of independent photovoltaic system of solar photovoltaic power generation applies in the field of lighting.Firstly, the working principle and the output characteristics of photovoltaic cells are analyzed in detail. According to the engineering model and mathematical formula, the model of solar cell is by Matlab simulation. And then,a new method is adopted, which combine constant voltage tracking ,incremental conductance algorithm and variable step method. In this system, the tracking for maximum power point is controlled by altering the conduction time of triggering pulse for Boost converter. The DC voltage to the output voltage of the photovoltaic cells after Boost converter filter, through the DC/AC inverter to outdoor illumination charging rack, realizes charging function of photovoltaic system. Secondly, bidirectional DC/DC converter is applied in the system to control power energy bidirectional energy transmission. The core of energy management in this system is to control the bidirectional DC/DC converter work in different modes according to the situation of PV arrays and batteries. The circuit can make PV arrays and batteries work to together effectively.Finally, DSP is used to realize MPPT in the designed system, select working mode for bidirectional DC/DC converter, generate SPWM signal, and so on. In addition to this ,the sampling and protect circuits are designed preliminary.Keywords：PV cell model ,MPPT ,inverter，bidirectional converter ,control strategy.中北大学 2013 届毕业论文说明书第 3 页 共 50 页目录1 引言 .11.1 课题研究背景意义 .11.2.1 国外发展现状 .11.2.2 国内发展现状 .21.3 本课题所做的工作 .32.光伏电池及其最大功率点跟踪的工作原理 .62.1 光伏电池 .62.1.1 光伏电池的工作原理 .62.1.2 光伏电池的等效电路 .72.1.3 光伏电池的工程模型 .72.1.4 太阳能电池的软件仿真及特性曲线分析 .82.2 光伏电池的最大功率点跟踪 .102.2.1 最大功率点跟踪实现 .102.2.2Boost 变换器 .112.2.3 Boost 电路参数设计 .112.2.4 MPPT 仿真模型 .133.蓄电池及其控制电路 .163.1 蓄电池工作原理 .163.1.1 阀控铅酸蓄电池的工作原理 .163.1.2 阀控铅酸蓄电池充电控制方法 .173.2 双向变换器 .18中北大学 2013 届毕业论文说明书第 4 页 共 50 页3.2.1 双向全桥 DC/DC 变换器主电路 .193.2.2 主电路参数设计 .203.2.3 软件仿真 .224 逆变电路设计 .244.1 光伏系统逆变器 .244.1.1 逆变器主电路 .244.1.2 逆变电路参数设计 .244.2 逆变电路仿真及波形分析 .265 DSP 控制系统及辅助电路设计 .275.1 DSP 控制系统 .275.1.1 控制系统的构成及资源分配 .275.2 DSP 软件实现 .295.2.1MPPT 的跟踪 .295.2.2 移相控制 PWM 波 .305.2.3 双向全桥 DC/DC 变换器工作模式的转换 .315.2.4 SPWM 信号的产生 .335.3 辅助电路的设计 .345.3.1 采样电路的设计 .345.3.2 驱动电路的设计 .366 论文总结 .38附录 A .39附录 B .40中北大学 2013 届毕业论文说明书第 5 页 共 50 页附录 C .41附录 D .42附录 E .43参考文献 .47致谢 .50中北大学 2013 届毕业论文说明书第 6 页 共 50 页1 引言1.1 课题研究背景意义随着人类社会的飞跃发展，电在我们的生活中起到了重大的作用，我们的吃、穿、用、行都离不开它。而随着日益减少的不可再生资源煤资源的匮乏，我们逐渐将火力发电转向新能源的开发与研究，以此满足我们日益增加的野外照明充电需求，新型能源也就成为现在社会发展和存在的基石 1。而在太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等这些新能源中太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位 2。而我们对太阳能的利用大致可分为光热转换和光电转换两种方式，其中，光电利用（光伏利用)是近些年发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域。目前，太阳能光伏发电正逐渐受到世界各国的高度重视。 随着光伏发电技术发展, 光电转换效率不断提高、光电池制造成本不断下降、各种新型太阳能电池先后问世 。光伏发电技术是新能源技术的重要组成部分，是正在发展着的高新技术，在国家能源政策的引导下，随着人们对可再生能源认识的提高以及太阳能光伏发电系统性能价格比的提高，太阳能的开发及应用前景将是十分广阔的 3。因此，在用于野外照明充电的独立光伏系统研究这个课题中，我选择了应用太阳能光伏发电技术来解决野外照明充电这个问题。1.2国内外发展现状1.2.1 国外发展现状由于化石能源频临匿迹，世界各国开始着手新能源的开发，其中太阳能作为新能源的一种，其能源富裕、取材便捷等诸多优点，使其在新世纪能源中占据首席位置，而太阳能光伏发电技术在能源、环境和人类社会未来发展中的重要地位，多个发达国家纷纷投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进其产业化进程。80 年代以来，光伏产业一直保持 10%-15%的增长速度。从 1997 到 2001年，世界光伏产业年平均增长率达 35.5%。2004 年光伏电池组件的生产量达到1194MW，比 2003 年的 744.26MW 增长了 60.64%。1997 年，美国提出了“百万太阳能屋顶计划”，即准备到 2014 年美国将为 100 万个家庭安装太阳能屋顶，总容量在 1000MW-3000MW 之间，该计划加速中北大学 2013 届毕业论文说明书第 7 页 共 50 页和促进了美国光伏产业的快速发展，并计划把发电成本降低到 6 美分/KWh。日本政府在 1997 年 4 月到 1998 年 3 月期间安装了 9400 套屋顶光伏系统总计37KW，并计划到 2014 年安装 7800MW 的光伏发电系统。欧盟的“可再生资源白皮书”规定到 2014 年生产 3700MW 光伏系统共欧盟地区使用，另有 3000MW 出口，在光伏发电领域，印度是发展中国家的排头兵，截止 2012 年，印度的光伏系统安装容量为 350KW，计划到 2014 年安装 1500KW3。1.2.2 国内发展现状自从我国实行改革开放政策以来,人们的生活水平有了大幅度的提高,居民们的用电量也因此与日俱增。全国大部分地区所提供的电能基本上能够满足人们日常生活的需求。可是,在一些边远偏僻的山区、农牧区、高原和海岛,这些地区远离大电网,电网无法接入到这些地区,给当地居民的生活和生产带来巨大的影响。根据有关资料显示上述这些地区中的大多数地区太阳能资源非常丰富,而本文研究的独立式光伏发电系统正是利用这一有利条件来解决上述无电地区百姓生活用电问题。因此,本文研究的用于野外照明系统充电的独立式光伏发电系统具有现实意义 4。中国光伏发电产业于 20 世纪 70 年代起步，90 年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过 30 多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在光明工程先导项目和送电到乡工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到 2007 年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到 10 万千瓦（100MW） ，从事太阳能电池生产的企业达到 50 余家，太阳能电池生产能力达到 290 万千瓦（2900MW） ，太阳能电池年产量达到 1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。2007 年是我国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮 2。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到 2030 年，可再生能中北大学 2013 届毕业论文说明书第 8 页 共 50 页源在总能源结构中将占到 30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20以上；到 21 世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 80以上，太阳能发电将占到 60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。如果能将太阳能充分利用起来，那么我们真的会代替石油等化学能源，可以说绝了能源断绝的可怕威胁。同时充分利用太阳能也会避免很多污染，对环保也带了非常的益处。按照这样，全球每天都有非常大的太阳能被浪费，在挖掘太阳能的同时，人们也开始了对雷电能量的研究，这些都是无尽的能源。长期以来，我国西部地区在社会、经济、文化等各方面都落后于东部和沿海地区，但这片区域幅员辽阔，人烟稀少，是全球太阳能辐射资源最富集的地区之一。“太阳能光伏产业是一个市场规模大、产业辐射面广、拉动效应十分明显的朝阳产业，应该充分利用我国中西部地区大量沙漠、草原丰富的太阳能资源，将中、西部地区建设成为我国未来的清洁能源基地。虽然我国光伏发电产业发展很快但还处于基础薄弱、应用市场不够稳定阶段 5。目前我国太阳能独立光伏发电具体不足体现在： 生产规模小。目前我国太阳电池生产厂家基本停滞在 1990 年引进时的规模和水平上。1998 年我国太阳电池的产量为 2.1MW 约占世界产量的 1.3。生产规模比国外 520MW 生产规模低一个数量级。 技术水平较低。我国太阳电池的效率较低平均在 1013 组件封装水平低工程现场证明部分产品大约 35 年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题质量同国外有一定差距。 专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA 等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五”计划取得一定成果但性能有待进一步改进。 成本高。太阳能光伏电池的成本价格约为 1O75 元/ Wp 高于国外产品 2。1.3 本课题所做的工作本课题是用于野外照明充电的独立光伏系统的研究，其系统框图如图 1.2所示。Boost 变换器将光伏阵列输出电压变换到直流母线电压，并通过 MPPT 控制调节 Boost 变换器的占空比，进而来调节光伏阵列的输出功率，实现最大功率点跟踪。光伏阵列的输出功率和系统输出功率之间通过直流母线电压藕合，中北大学 2013 届毕业论文说明书第 9 页 共 50 页再由 DC/AC 逆变器根据母线电压的情况调整输出功率，为交流负载提供稳定电压。本系统设计为 2000W 的光伏发电系统。切换控制器太阳能光伏电池图 1.2 用于野外照明充电的独立光伏系统(1)参数选择选用典型的 100W 太阳能电池模块，型号:SY 100，其参数如下:在标准条件下，Pmax=108.2W, Voc=43.5V, Isc=3.28A, Im=2.99A, Vm=36.2V。充电架每天24 小时供电，如果使用地全年日照时数在 2000 小时，平均每天 5.5 小时，峰值日照时数 4 小时。光伏发电部分总效率按经验取 0.65,则需光伏电池组件功率 48000/4/0.65=18500W，从而计算光伏电池模块的总数为 18500W/108W=172块。采用 8 串 22 并的方案，则光伏阵列输出的最大功率为 19000W,光伏电池阵列的输出电压为 290V。采用逆变器的效率为 90%，蓄电池端输入电压为 48V，所需的直流负载为 48000/(0.948)=1111.11 Ah。系统中取自给天数为 1 天，蓄电池放电深度为 80%，就可通过计算得，蓄电池的容量约为 11111/0.8= 1400Ah。选用 12V/100Ah 的蓄电池单体，需要并联蓄电池数为 1400/100=14 块，串联蓄电池数为 48/ 12=4 块，则该系统共需蓄电池 56 块。(2)MPPT 和 Boost 变换器的研究由于设计的光伏阵列最大输出电压为 290V，输出电压不稳定，为了让光伏阵列在系统中充分利用，需要实时控制光伏电池的工作点，确保光伏阵列尽量工作在最大功率点附近，即实现最大功率点跟踪。另外，光伏电池电压不能直接给负载供电，必须进行电压变换才能与负载匹配，因此系统中应用 Boost 电路将光伏阵列输出电压升压稳定在直流母线电压 400V，实现最大功率点跟踪。(3)蓄电池的充、放电管理策略的研究独立式光伏发电系统中，蓄电池非常重要。本系统采用蓄电池的参数如下:电网供电线路野外照明充电架Boost 变换器DC/AC蓄电池组 双向变换器中北大学 2013 届毕业论文说明书第 10 页 共 50 页额定容量 1OOAh,额定电压 12VDC, 4 个串联，蓄电池组的过放和过充电压分别为 44VDC 和 60VDC，均充电流为 10A。本系统中，蓄电池组 48V 和直流母线电压400V 之间采用双向全桥 DC/DC 变换器，以实现能量的双向流动 6。(4)控制器的研究主电路直流母线电压采样信号经过电压检测电路、信号处理电路，然后作为 MPPT 调节的反馈信号，由 DSP 软件运算，调节输出的 PWM 脉宽，以控制Boost 电路的占空比，实现最大功率点跟踪策略。此外，DSP 还要实现双向全桥DC/DC 变换器充电模式和放电模式的协调切换等功能。中北大学 2013 届毕业论文说明书第 11 页 共 50 页2.光伏电池及其最大功率点跟踪的工作原理2.1 光伏电池太阳能电池（简称光伏电池）是把太阳辐射能变换成电能的能量转换器。目前地面大多采用的太阳能光伏电池有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池及薄膜电池等几类。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅电池优于非晶硅电池，光电转换效率较提高，光伏电池使用寿命长 8。2.1.1 光伏电池的工作原理光伏电池工作原理的基础是半导体 P-N 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，就是太阳光照时，物体内的电荷分布状态发生变化，而产生电动势和电流的一种效应。这里以单晶硅光伏电池为例，对光伏电池的基本工作原理进行具体阐述。图 2.1 光生伏打效应原理图N 型半导体是在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷等杂质元素而成；P 型半导体是在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝等杂质元素而成。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处就会形成 P-N 结，并产生势垒电场。当太阳光照射 P-N 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，产生电子一空穴对。由于势垒电场的作用，电子被驱向 N 型区，空穴被驱向 P 型区，这样使得 N 区有多余的电子，P 区有多余的空穴，于是就在P-N 结的附近产生了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，一部分使 P 型区带正电、N 型区带负电，这样就使得 N 区与 P 区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。在光伏电池 P-N 结的两侧引出电极，并接上负载，则外电路中有光生电流通过，电能输出。中北大学 2013 届毕业论文说明书第 12 页 共 50 页2.1.2 光伏电池的等效电路在太阳光照条件下，光伏电池产生的电流会随光照强度的增加而增大，当接受光照强度一定时，可以将光伏电池看作一个恒流电源。在 P-N 结为理想状态的情况下，光伏电池等效电路如图 2.2 所示，Iph 为光生电流(A)，ID 为流向二极管的电流(A)；V 是太阳能输出电压(V)；IL 是太阳能输出电流(A)。图 2.2 理想状态的光伏电池等效电路 图 2.3 实际光伏电池的等效电路光伏电池实际应用中，由于电池表面和背面的电极导体电阻和接触电阻，以及材料本身具有一定的电阻率，电流流经时必然引起损耗，等效电路中用串联电阻 RS 等效代替，同时，由于电池边沿或电池的微裂痕、划痕形成的漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，等效电路中用并联电阻 Rsh 等效代替。光伏电池实际的等效电路如图 2.3 所示。在图 2.3 中，Iph 为光生电流(A)； ID为流向二极管的电流(A)；Ish 为并联电阻 Rsh 的电流(A)；RO 光伏电池的串联电阻。因为流向并联电阻的电流为 UD/Rsh，二极管电压 UD 由光伏电池端电压V 和输出电流 I 算出，即 UD=V+RSI，根据 KLC 定理由图 2.3 可得（2.1）式(2.1)中，q 是单位电荷（1.610 -19）；n 是二极管特性因子；K 是玻尔兹曼常数（1.3810 -23J/K）；T 是绝对温度（K）。2.1.3 光伏电池的工程模型设日照强度 Sref=1kW/m2,温度 Tref=25来计算 ISC,VOC,Im,Vm。在式(2.1)的基础上做两个近似:(1)由于 Rsh 非常大，所以忽略(V+IRS)/Rsh 项;(2)由于 Rsh 远小于二极管正向导通电阻，所以假设 ISC=Iph。基于以上假设，光伏电池 I-V 方程可以简化为： （2.2） （2.3）中北大学 2013 届毕业论文说明书第 13 页 共 50 页解得 （2.4）式中 Sref 一参考日照强度(1000W/ )；Tref 一参考电池温度(25 )；Tc，一环境温度(K)；K 一日照强度变化时太阳能电池阵列温度系数，其典型值为 0.30/WDT 一实际电池温度与参考电池温度的差值(K)；DS 一实际日照强度与参考日照强度的差值(W/ )；Ioc-new 一日照强度为 S 和电池温度为 T 时太阳能电池的短路电流(A)；Voc-new 一日照强度 S 下太阳能电池的开路电压(V)；Im-new 一日照强度为 S 和电池温度为 T 时太阳能电池的最大功率点电流(A)；Vm-new 一日照强度为 S 和电池温度为 T 时太阳能电池的最大功率点电压(V)。式(2.4)中系数 a, c 采用典型值:a=0.0025/ , c=0.00288/。系数 b采用优化后的参数值:b=-0.1949+7.056 10 -4S，典型值 0.5。2.1.4 太阳能电池的软件仿真及特性曲线分析本系统选用 100W 太阳能电池模块，型号:SY 100，其参数如下: Pmax=108.2W, Voc=43.5V, Isc=3.28A, Im=2.99A, Vm=36.2V。在 Matlab simulink 中建立仿真模型，如图 2.4 所示。由于光伏电池的输出特性主要受日照强度和环境温度两个因素的影响，所以，这里主要对光伏电池在这两个因素的影响下的输出特性进行分析。中北大学 2013 届毕业论文说明书第 14 页 共 50 页图 2.4 光伏电池仿真模块温度为 25时，日照强度 S 分别为 1.2kW/，1 kW/和 0.8kW/情况下，光伏电池的 I-V 和 P-V 特性曲线如图 2.5 所示。由图可以看出，光伏电池的 U-I特性为非线性的，曲线左侧与电流源曲线类似，右侧与电压源曲线类似。日照强度一定的条件下，当光伏阵列两端的电压从 0 开始上升时，光伏电池的输出电流开始几乎不变，输出功率却在不断增加。当光伏电池的电压增加到一定值时，输出电流开始变小，输出功率达到一个功率最大值 Pm。之后随着光伏电池电压的升高，输出电流和功率都不断变小，最后输出电流降为 0，输出电压达到最大值即开路电压。图 2.5 不同光照条件下的 I-V 和 P-V 特性曲线由分析可知，日照强度的变化不会引起光伏电池 I-U 曲线形状的重大变化，光伏电池的短路电流 IS。和输出功率都与日照强度成正比，开路电压则随着日照强度按对数规律变化。中北大学 2013 届毕业论文说明书第 15 页 共 50 页图 2.6 不同温度时的 I-V 和 P-V 特性曲线日照强度 S 为 1 kW/m2，温度分别为 25，50，75的情况下，光伏电池的 I-V 和 P-V 特性曲线如图 2.6 所示，反映了温度对光伏阵列输出特性的影响。由图 2.6 看出，开路电压随着温度的升高而降低，短路电流随着温度的升高而增加，但是增加的幅度很小。同时，如果日照强度不变，最大功率点 Pm 与最大功率点电压 Vm 将随着温度的升高降低，通过特性曲线分析，光伏电池的输出电压主要受温度影响，而输出电流主要受日照强度影响。当光伏电池输出电压或电流最大时，其对应的输出功率都很小。在一定的日照强度和温度下，光伏电池只有工作在特定的电压或电流下，才能输出最大功率。2.2 光伏电池的最大功率点跟踪在光伏发电系统中，由于受日照强度、环境温度和负载的影响，光伏电池的内阻不断变化，因而不可能用常规线性的方法简单地获得最大功率的输出。本论文中采用的实现方法就是在光伏阵列和负载之间增加一个 Boost 变换器，通过改变变换器中功率开关管的导通率来调整、控制光伏阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率输出 9。2.2.1 最大功率点跟踪实现最大功率跟踪实质上是一个动态寻优的过程，通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测，得到当前输出功率，再与存储的前一时刻输出功率相比较，舍小取大，再检测比较，如此不停地周而复始，便可使光伏电池动态地工作在最大功率点上。目前跟踪方法主要包括扰动观察法、增量电导法、恒定电压法和短路电流法等 10。经过分析和比较各种 MPPT 跟踪方法，本文在增量电导法中北大学 2013 届毕业论文说明书第 16 页 共 50 页的基础上，结合恒定电压法在启动时所具有的优点，提出了恒压启动变步长的增量电导法来实现最大功率点跟踪。在光伏系统中，最大功率跟踪的实现是在boost 变换器部分。将 boost 变换器接入光伏阵列的输出回路，DSP 通过对变换器的输入、输出电压和电流测量结果进行分析运算，输出 PWM 脉冲调节占空比控制光伏阵列的输出。当外界环境变化时，不断调整变换器的导通占空比，实现光伏电池与变换器之间的动态负载匹配，获得最大输出功率。2.2.2Boost 变换器Boost 变换器又称升压变换器，其电路结构如图 2.8 所示。采用 PWM 控制方法，通过调整开关管的导通比控制电压输出。电路的工作原理是：设开关管S 由脉冲信号 UG 控制，当 UG 为高电平时，S 导通，反之 S 关断。S 导通时，UL=UIN0,IL增加，电感 L 储能增加，同时负载由电容 C 供电；当 Uo 为低电平时，S 关断，因电感电流 IL 不能突变，电感储能通过二极管 D 向电容、负载供电，有 Uo=-UIN-UL，因此时 IL减少，电感 L 感应电势 ULUIN。图 2.7Boost 变换器根据电感电流 IL 是否连续，Boost 变换器可分为连续导电模式与不连续导电模式两种工作状态 11。2.2.3 Boost 电路参数设计Boost 电路之所以能使输出电压高于输入电压，关键有两个原因：一是 L储能之后使电压泵升，二是电容 C 可保持住输出电压。本文设计的 MPPT 系统中，要求 Boost 变换器输出为恒定的直流电压。由于输入端电压 UIN 最高为光伏电池的开路电压 Uoc，如果占空比 D 值过小，Boost 电路在输出端产生的电压将会小于系统要求的电压值，从而无法达到要求，因此存在一个占空比的下限值中北大学 2013 届毕业论文说明书第 17 页 共 50 页Dmin，该值可按下列方法求出。设输入端电压为光伏电池的开路电压 Uoc，则由式 Uo=UIN/(1-D)可得:（2.5）Dmin= 1- (2.6)当占空比 D 在 Dmin 到 100%的区间内变化时，Boost 电路输入输出的电压应满足式（2.6)。在 Uo 不变的的情况下，改变 D 将改变与 Boost 变换器输入端相连的光伏电池两端的电压，即 UIN = U0(1- D) (2.7)因此，Boost 电路的输入端电压 UIN 可在 0Uoc 之间变化。只要光伏电池具有合适的开路电压，通过改变 Boost 变换器的 D，就能找到与光伏电池最大功率点对应的 UIN 值，此时光伏电池输出功率最大。本系统中，UIN=290V，Uo=400V，P=2000W，计算可得 Dmin= 0.275。 (1)平波电容 C 的设计光伏发电系统中，由于天气变化等外界因素，会使光伏电池输出电压发生变化，因此在升压过程中，光伏阵列需要并联一个大容量的平波电容，以维持光伏电池两端的直流电压保持基本不变。 平波电容容量的选择与光伏电池的容量、工作电压、工作电压容许的脉动系数以及电网频率诸因素之间有如下关系：（2.8）其中，P S为光伏电池阵列的输出功率，K 为系统所允许的光伏电池电压波动系数，V S为光伏阵列经升压后的工作电压，w 为电网的角频率 13。本系统光伏电池的的光伏功率为 19000W，19000W，电网电压为 220V，频率为 50Hz，假设容许阵列工作电压波动为 10%，取光伏阵列的工作电压为 400V，根据公式(2.26)可得所需要的平波电容容量为：（2.9） 仿真时，电容 C 取 0.01F。(2)电感的设计由上面的分析可知:当电路参数 2L/(RLTs) D1(1-D1)2时，系统工作在连续导电模式，得临界电感为：（2.10）即 （2.11）中北大学 2013 届毕业论文说明书第 18 页 共 50 页本系统中，D 取 0.5，通过计算得到 L=0.0498mH，实际电感应该大于 L，才能保证工作在电流连续状态，仿真时取 L=0.1 mH。(3)输出电容的设计设输出电压纹波波动小于 5%，则根据式（2.12）可计算得 C=55uF，仿真时取 C 为 150uF。2.2.4 MPPT 仿真模型(1) Boost 电路仿真在 Matlab 环境下，根据 Boost 电路拓扑结构和参数设计，利用Matlab/Simulink 建立 Boost 变换器仿真模型如图 2.8 所示。在该模型中开关器件采用了 IGBT, IGBT 的驱动信号由脉冲发生器产生，设定脉冲发生器的脉冲周期和脉冲宽度就可以调节脉冲的占空比。仿真设置参数如下:光伏阵列输出电压 UPV=290V，电感 L=0.1 mH 输出滤波电容 C=150uF，脉冲宽度为 28%，电阻负载为 24，设置仿真时间为 0.5s。仿真模型输出电压波形如图 2.9 所示，输出电压稳定在 400V，从仿真结果可以看出，设计的 Boost 电路将输入的光伏阵列电压升压到 400V，较好地实现升压和滤波。图 2.8 带输出滤波的升压变压器中北大学 2013 届毕业论文说明书第 19 页 共 50 页图 2.9Boost 电路的输出电压波形(2) MPPT 仿真基于光伏电池模块、Boost 电路结构和参数设计，在 Matlab 环境下建立最大功率跟踪的 Matlab 仿真模型如图 2.9 所示。在该模型中 PVD 模块为最大功率点跟踪模块，通过检测光伏电池的电压、功率信号和 S 函数运算调节占空比输出，驱动 Boost 电路中 IGBT 管的导通和关断，实现最大功率点跟踪。电容 C 为光伏阵列输入端平波电容，用来维持光伏阵列输出，减小波动，仿真时取值0.01 F。电容 C1 用来输出滤波。仿真时以一块光伏电池作为输入，其余电路参数与 Boost 电路相同。 中北大学 2013 届毕业论文说明书第 20 页 共 50 页图 2.10MPPT 的 Mtlab 仿真模型最大功率点跟踪仿真结果如图 2.11 所示 14，仿真时间设置为 0.8 秒。当日照强度 S 为 1 kW/，仿真结果见图 2.18 左图所示，光伏电池输出功率稳定在 1 00W 左右；通过 step 模块设置日照强度 S 在 0.4s 从 1 kW/突变为 1.2 kW/时，仿真结果见图 2.11 右图所示，光伏电池输出功率从 1 00W 突变到130W 左右。由图 2.10 仿真结果可以得出，随日照强度的变化，Boost 电路能较快、较好地跟踪光伏电池的功率变化。图 2.11 最大功率点跟踪仿真中北大学 2013 届毕业论文说明书第 21 页 共 50 页3 蓄电池及其控制电路储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其对于独立光伏发电系统而言，储能环节更是不可缺少的组成部分。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。由于阀控铅酸蓄电池由于容量大、价格低、自放电率低、不存在记忆效应、寿命长、基本免维护等势，在独立光伏系统中大量应用 18。3.1 蓄电池工作原理3.1.1 阀控铅酸蓄电池的工作原理阀控铅酸蓄电池 VRLA 由于具有不需补加酸水、无酸雾析出、可任意放置使用、搬运方便和使用清洁等优点，近几年在光伏发电系统中得到了广泛应用。(一)充电过程常用蓄电池属于电化学电池，其以海绵状铅作负极，PbO 2作正极，硫酸作电解液。充电时，在蓄电池正、负极柱上外接充电电源，使正、负极板上经过化学反应，把电能转化为化学能储存起来。在充电电流的作用下，水分子(H 2O)被分解为氢离子(H +)和氢氧离子(OH -)。H+在外电场作用下向负极板迁移，OH -向正极板迁移，同时正负极板上的硫酸亦发生分解，即：PbSO4 Pb 2+SO42-正极板上的 Pb2+在外电场的作用下释放出电子而形成 Pb4+。Pb 4+与正极板附近的(OH -)发生反应而生成 Pb(OH)4，Pb(OH) 4被分解成：Pb(OH)4 PbO 2+2 H2O生成的 PbO2依附于正极板上。同时，负极板上的 Pb2+和正极板在外加电场的作用下输送来的电子结合而还原成 Pb；电解质溶液中的 H+与 SO42-结合，生成H2SO4。从上述分析可知，充电过程总的化学反应为：2 PbSO4+2H2OPbO 2+2H2SO4+Pb从式(2-19)可知，随着充电的进行，正极板上的 PbSO4逐渐变成 Pb。同时，中北大学 2013 届毕业论文说明书第 22 页 共 50 页电解质溶液中的硫酸分子逐渐增加，水分子逐渐减少，因此电解质溶液的比重在增加，蓄电池的端电压在增加，蓄电池的能量也随之增加。(二)放电过程放电过程是充电过程的逆过程，在当蓄电池不接负载的情况下，正负极板各自存在电极电位，在蓄电池内部形成了电动势，但是电极电位各自处于一种平衡状态。若在蓄电池两端接上负载，则在蓄电池的电动势作用之下产生电流。电解质发生电解所示：H2SO4 SO 42-+2H+ 在蓄电池内部，正离子 H+通过溶液向正极迁移，负离子 SO4-2以相反方向向负极迁移。在蓄电池外部，在蓄电池电动势作用下，负极上的负电荷源源不断地经过负载流向正极。整个系统形成了一个回路，与此同时，在蓄电池负极发生氧化反应，如下所示:Pb+ SO42- PbSO 4 + 2e 在蓄电池正极上发生还原反应，如下所示:PbO2+ SO42-+ 4H+ + 2e PbSO 4 + 2 HO2 由于正极上的还原反应，正极板电极电位逐渐降低，同时负极板上的氧化反应又促使电极电位的升高。整个过程将引起蓄电池电动势的下降。在氧化还原的反应中，正负极板上的活性物质 Pb 及 PbO2都不断地变成 PbSO4，分别沉积在极板表面。同时，电解质溶液 H2SO4逐渐变成水，引起了电解质溶液比重的下降，蓄电池的容量减少。3.1.2 阀控铅酸蓄电池充电控制方法在太阳能独立光伏发电系统中，对铅酸蓄电池使用的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到阀控铅酸蓄电池的荷电量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命。而荷电量的大小决定着太阳能独立光伏发电系统向负载供电的能力、阀控铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的成本、造价以及系统的使用寿命，因此选择合理的充电控制方法是提高太阳能独立光伏发电系统性能的有效手段。目前阀控铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电等方法 19。 在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以及环境温度对光伏系统充中北大学 2013 届毕业论文说明书第 23 页 共 50 页电电流的影响、阀控铅酸蓄电池性能以及系统成本等因素，使用三阶段充电法对铅阀控铅酸蓄电池充电较为合理。 快速充电是采用大电流和高电压对蓄电池进行充电，可在 12 小时内把蓄电池充好。该充电方式的实现是采用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合。由于三阶段充电控制策略在实践中容易实现，能满足蓄电池的充电要求，所以本系统选用三阶段充电策略。当日照强度太小，光伏阵列输出能量不能满足蓄电池充电需求时，光伏阵列工作在 MPPT 控制方式，输出的能量全部供蓄电池充电，即采用最大功率点跟踪充电方式;当光伏阵列输出能量可以满足蓄电池充电和负载所需的能量时，蓄电池采用三阶段充电方式。三阶