光伏发电系统设计毕业论文.doc

光伏发电系统设计毕业论文目 录1 绪论11.1 本课题研究的背景与意义11.2 光伏发电系统概述21.3 主要研究内容与设计要求32. 独立光伏发电系统构成及原理42.1 独立光伏发电系统的分类42.1.1 直流光伏发电系统42.1.2 交流光伏发电系统52.2 光伏电池62.2.1 光伏电池的原理62.2.2 光伏电池的分类62.3 光伏系统蓄电池的特点与种类72.4 DC-DC变换电路原理分析82.4.1 DC-DC变换电路基本工作原理93. 太阳能光伏照明系统设计103.1 光伏电池的设计1131.1 光伏电池的选用计算与仿真分析1232 蓄电池的选用计算183.3 Boost电路的设计194. 系统电路的总体设计214.1 光伏电池的最大功率点跟踪方法234.1.1恒压追踪法234.1.2 扰动观察法244.1.3 变步长寻优方法2642 MOSFET驱动电路2943 电量检测与信号处理电路3144 PWM生成方法与相关设置3244.1 系统编程方案与其它相关设置33参考文献37致 谢38武汉纺织大学2014届毕业设计论文1 绪论11本课题研究的背景与意义人类进入二十一世纪，面临着令人向往的发展机遇，同时，也面临严重的挑战。人类对能源需求的日益增长和获得这些能源造成日趋严重的环境污染，事关人类自身的生存环境，事关世界经济的可持续发展。当今的能源组成中，人类所利用的煤、石油和天然气等化石能源，近一个世纪来基本呈稳定增长态势的消耗，最终将面临枯竭1。根据目前已探明的资源与年消耗来计算，我国与世界一次能源的可使用年限见图11。为了迎接这一挑战，各国政府和科学家为寻找一种无污染、可再生的能源进行了几十年的探索、研究。目前，人们已经可以肯定的说，人们这一不懈的探索和研究已经获得了巨大的进展利用可再生能源解决人类对能源的需求，如：太阳能、风能、生物质能等，其中光伏发电是一种技术成熟、性能可靠、长寿命、使用方便、无污染、无噪音，易于大规模生产的可再生能源。图11我国与世界一次能源的可使用年限12光伏发电系统概述太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,太阳能的转换利用方式基本上可分为光-电转换、光-热转换和光-化学转换等三种方式。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池2。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电，理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。多晶硅电池效率在16%至17%左右，单晶硅电池的效率约18%至20%。光伏组件是由一个或多个太阳能电池片组成3。如图12所示，太阳能光伏发电系统电源部分的基本结构单元包括：光伏电池阵列、蓄电池和控制器。蓄电池控制器太阳能电池图1.2光伏发电系统电源部分的基本结构单元太阳能是一种辐射能。它必须借助于光伏电池才能变换成为电能。单体光伏电池是光伏电池的基本单元。在利用光伏发电的过程中，若用光伏电池供电则其输出功率太小，一般要将其串并联构成光伏电池组件，再将组件串并联构成光伏阵列来供电。目前的光伏电池大致可分为硅光伏电池和化合物半导体光伏电池，用的最多的是主要是单晶硅光伏电池和多晶硅光伏电池。蓄电池光伏发电系统的储能装置，其作用是将光伏电池转换出来的电能储存起来以便使用。与光伏电池方阵配套的蓄电池通常在浮克状态下工作，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的屯能量比用电负载所需的电能量太得多。电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与光伏电池匹配，要求蓄电池工作寿命长而且要维护简单。控制器对系统各种信号采样分析，对系统各部的工作状态进行判断，并及时准确地发出指令进行系统调整，以保证整个系统的安全高效运行。在系统基本结构中，控制器的主要功能是对蓄电池的充放电控制。光伏发电系统是指能将太阳光的能量转化为高品位能源的电能装置，根据光伏发电系统是否并网可将其分为独立运行光伏发电系统、并网光伏发电系统以及混合型光伏发电系统三类。本文设计的是独立光伏发电系统。图1.3独立光伏系统的结构图1.3 主要研究内容与设计要求本文对构成小型独立光伏发电系统的光伏电池、蓄电池和变换电路三大部件的特性进行较全面的理论分析，重点在结合对某小区照明用独立光伏发电系统的设计来完成对各个部件参数计算与器件选用方法的研究，以及基于光伏电池最大功率点跟踪方法的蓄电池充电控制的实现。主要任务有：(1)光伏电池部分：光伏电池的工作原理和输出特性的分析，结合其输出特性对最大功率点跟踪方法的分析；系统设计中光伏电池的选型计算与仿真分析。(2)蓄电池部分：应用于光伏系统的蓄电池的特点和充放电特性的分析；蓄电池寿命、容量、放电率、放电深度等参数的关联分析；系统设计中蓄电池的选型计算。(3)主电路部分：常用DC-DC变换电路功能与特点的分析；系统设计中对选用电路各个器件的参数计算：结合变换电路完成对系统最大功率点跟踪实现方法的设计并进行仿真验证。(4)控制电路部分：蓄电池充放电控制与保护电路的分析与设计；主控制器的选择与分析；其它相关外围电路的分析与设计。2 独立光伏发电系统构成及原理独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。2.1 独立光伏发电系统的分类分为直流光伏发电系统、交流光伏发电系统。2.1.1 直流光伏发电系统1、无蓄电池的直流光伏发电系统无蓄电池的直流光伏发电系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置4。无蓄电池的直流光伏发电系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能利用效率。这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。2、有蓄电池的直流光伏发电系统有蓄电池的直流光伏发电系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载等组成。有阳光进，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。2.1.2 交流光伏发电系统1.交流及交、直流混合光伏发电系统交流及交、直流混合光伏发电系统与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。交、直流混合光伏发电系统即能为直流负载供电，也能为交流负载供电。2.市电互补型光伏发电系统市电互补型光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅。这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量进行补充。我国大部分地区多年都有2/3以上的晴好天气，这样形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在现阶段推广和普及过程中的一个过度性的好办法。市电互补光伏发电系统的应用举例。某市区路灯改造，如果将普通路灯全部换成太阳能路灯，一次性投资很大，无法实现。而如果将普通路灯加以改造，保持原市电供电线路和灯杆不动，更换节能型光源灯具，采用市电互补光伏发电形式，用小容量的太阳能电池和蓄电池（仅够当天使用，也不考虑连续阴雨天数），就构成了市电互补型太阳能光伏路灯，投资减少一半以上，节能效果显著5。根据各系统的特点，本小区的照明系统设计为有蓄电池的直流光伏发电系统。由光伏电池、蓄电池、控制器和照明负载组成。2.2 光伏电池2.2.1 光伏电池的原理光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大222 光伏电池的分类当前光伏电池的材料主要是晶体硅材料，根据硅原子的结构方式可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅是目前普遍使用的材料，它以其稳定的质量和较高的转换效率而在国际市场上得到了广泛的应用，高效单晶硅电池的生产建立在高质量单晶硅材料和成熟的加工工艺基础上。目前，单晶硅电池工艺已近成熟提高其光电转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺6。在光照充足的最佳角度。单晶硅电池的光电总转换效率可以达到20-24有可能提高到25。但由于单晶硅对原料的纯度要求非常高，而且制作工艺复杂，致使生产成本居高不下，制约了单晶硅电池在光伏发电系统中的大规模推广应用。多晶硅电池的转换效率为18一19，明显不如单晶硅，但它对原材料的纯度要求较低，其材料来源多为半导体工业的边角废料，来源渠道较多，因此生产成本较低，适合大规模商业化生产。目前多晶硅电池的产量已超越单晶硅，占据市场的主导地位，但随着光伏产业的进一步发展，多晶硅的需求量会越来越大。传统的氯化提纯工艺技术成熟，但成本过高，且降低成本的潜力不大：而物理提纯法虽然成本低，单对技术设备的要求较高。因此研究开发高纯硅材料的提纯技术将成为其能否得到进一步发展的关键7。非晶硅电池是薄膜光伏电池的一种，一般采用高频辉光放电技术使分解硅烷气体，沉积在玻璃、陶瓷、不锈钢等非半导体衬底上而形成。由于它所用的高纯硅材料用量很少，而作为衬底的非半导体材料价格低廉，因此它的生产价格较上面两种都很低。而且它的加工工艺比较简单，生产可全流程自动化，有利于商业化大规模生产。制约其发展的关键问题是光电转换效率较低，商业化生产的转换效率目前仅能达到8一10。就目前的总体情况来说，和常规能源相比，硅材料光伏电池的成本仍然比较昂贵，成了光伏产业发展的一大瓶颈。因此，开发低成本、高效率的电池材料是目前光伏产业领域里的一个关键问题也是热点问题。2.3 光伏系统蓄电池的特点与种类蓄电池是独立光伏发电系统中必须的储能部件。在光伏系统的常年运行，季节、天气状况以及每天时间的变化都会对光伏电池的输出功率产生很大影响，在夏季或晴天发电量充裕，而在冬季或阴雨天发电量不足。为了保证光伏发电的使用效率，在发电量充裕时电能不会白白损耗，而在发电量不足时能保证对负载的持续供电，独立光伏系统中就必须有储能部件一蓄电池。在设计选择光伏系统蓄电池时需要考虑的指标因素很多，如容量、电压、放电深度、循环寿命、充放电性能、自放电率、运行温度及维护要求等等。目前在光伏系统中被采用的蓄电池大致可分为两大类；碱性蓄电池和铅酸蓄电池。碱性蓄电池(如镉镍、镍氢、镍钙等)在充放性能、循环寿命、放电深度以及低温特性等方面比铬酸蓄电池要好，但由于其价格昂贵，除在高寒环境等特殊场合外，其目前的应用远不如铅酸蓄电池广泛。铅酸蓄电池由正、负极板(活性物质)和电解液组成，电化学方程式如式2-(1)所示。单体铅酸蓄电池额定电压一般为2V。蓄电池充电时，外接直流电源的电压高于蓄电池电动势，电流从正极板流入蓄电池，经过电解液后从负极板流出；随着电解液中的硫酸分子渐增而水分子渐减，电解液的比重逐渐增加，蓄电池的端电压也逐渐增加。充满电后电池的开路电压般约为2124V，根据电解液密度和温度情况而略有不同。蓄电池放电时，电解液中的硫酸逐渐变为水，电解液的比重逐渐下降，电动势降低，直至放电停止。根据蓄电池的放电深度不同，放电的终止电压一般约为175-19V。 2-(1)铅酸蓄电池在充电过程的后期，一部分水会被电解而生成氢气和氧气，因此普通的开口式铅酸蓄电池在长期使用中存在着电解液的水消耗问题。随着对光伏系统铅酸蓄电池的进一步研究，阀控式免维护铅酸蓄电池(Valve Regulated Lead-Acid Battery，VRLA)以其独特的优势正渐渐取代普通铅酸蓄电池而成为新一代光伏系统蓄电池,VRLA的特点主要有：(1) 无需添加水，调整酸密度等维护工作；(2) 容量较大而价格较低；(3) 电池寿命长，25浮充状态使用寿命最高可达20年；(4) 自放电率低，25月自放电率小于2；(5) 密封性能好，无泄漏，无酸雾，抗震动，安全环保；(6) 运行温度范围宽，可在-40至+50运行；(7) 结构紧凑，方便运输与安装。2.4 DC-DC变换电路原理分析DC-DC变换电路的基本工作原理是通过对功率开关器件导通关断时间的控制，配合电感、电容或高频变压器等器件，将一种持续的直流电压变换成另一种固定或可调的直流电压。根据变换电路中间是否加入变压器，其可分为非隔离型(斩波电路)和隔离型两种，光伏发电系统中通常采用前者，基本形式有降压式(Buck)、升压式(Boost)和升降压式(Buck-Boost)等结构，常用的功率开关器件包括大功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、电力场效应管(MOSFET)等由于受到环境温度、日照强度和负载状态等各种因素的影响，光伏电池的输出电压和功率都很不稳定，其最大功率点也随时变化。系统中在光伏电池与蓄电池或负载之间加入DC-DC变换电路，其基本功能是根据负载的要求，对输入电压进行调节，将输出电压保持在一定范围内，同时实现对电池的最大功率点跟踪。变换电路的控制器件通常选用单片机或DSP，利用PWM来控制开关器件的占空比，根据系统所采用的MPPT方法，反馈信号可以为变换电路的输入电压、输出电流或输入功率、输出功率等。2.4.1 DC-DC变换电路基本工作原理最基本的DC-DC变换电路由控制开关和负载串联组成，如图21(a)所示。如果忽略控制开关S内阻，当S闭合时，电路输出电压Uo=Ud；经时间tl后，S断开，则有Uo=0；经时间t2后，S重新闭合，进入下一周期。电路输出的电压电流波形如图2.1(b)所示，工作周期T-tl+t2，开关S闭合时间tl与T的比值即为电路的占空比系数： 2-（2）输出电压平均值： 2-（3）输出电压有效值： 2-（4）输出功率： 2-(5)从电源侧看的等效电阻： 2-（6）图21 DC-DC变换电路基本原理由上面各公式可以看出，只要改变电路的占空比系数k，也就是改变功率开关器件的导通关断时间，就可以控制电路输出的各个参量，这是DCDC变换电路功能得以实现的基本原理。根据设计的独立系统的特点，对多种变换电路对比分析，本系统采用Boost变换电路Boost变换电路的优点是：电路中的电源始终工作于连续状态，只要选择合适的电感，就能保证输入电流的连续；S射极接地，驱动电路简单。其主要缺点是：和BUCK电路相比，对于同样的输出功率Boost电路的输入电流较大，导致s的开关损耗较大而加大了电路的变换损耗8。3. 太阳能光伏照明系统设计 本文以武汉市某小区照明系统为模拟对象，根据该小区的照明需求设定总功，以武汉往年的日照时长、日照强度确定所需的太阳能电池功率大小，计算蓄电池的容量和电压能参数，自行设计了Boost电路以及控制电路 3.1 光伏电池的设计光伏电池是整个光伏发电系统中最关键的部分，在研发前期，由于光伏电池造价相对较高，因此，一般都采用仿真来研究光伏电池的各种特性。同时，实际情况下，由于环境温度以及太阳光照强度的不稳定，使得光伏电池的输出特性很容易受其影响。因此，建立光伏电池的仿真模型，能够更方便、更全面地研究它的特性，同时也有利于在仿真平台上实现对光伏发电系统的动态仿真。单体光伏电池是光电转换的最小单元，尺寸一般在2cm2cm到15cm15cm不等，工作电压约为0.45-0.5V，工作电流20-25mA/cm2，其输出电压和电流很小，输出功率很低，一般不能单独作为电源使用。在实际生产中，一般将若干个单体电池进行适当的连接并封装，组成一个单独对外供电的最小单元，即光伏电池组件。而在使用中，当一块组件不能满足系统的功率要求时，可以根据系统的功率和电压要求再将组件进行串并联，而后安装在固定支架上构成一个直流发电单元，这种单元称为光伏电池方阵。光伏电池组件进行串联时，各个组件应具有相同的电流容量，串联后的输出电压是各个组件输出电压之和，输出电流保持不变；光伏电池组件进行并联时，各个组件应具有相同的输出电压等级，并联后的输出电流是各个光伏电池输出电流之和，输出电压保持不变。在本文以后各部分论述中所提到的光伏电池，除非特别说明，均是指光伏电池方阵。在讨论光伏电池的输出特性以前，先说明一下几个相关的重要参数：(1) UOC：开路电压：光伏电池在外电路开路情况下的端电压。(2) ISC：短路电流；光伏电池的外电路直接短路，流经短接电路的电流。(3) UM：最大功率点电压；给定日照强度和温度下对应于最大功率点的电压。(4) IM最大功率点电流；给定日照强度和温度下对应于最大功率点的电流。(5) PM=IMUM最大功率点功率；给定日照强度和温度下可能输出的最大功率。(6 WP：峰瓦，峰值功率单位；在标准条件下(日照强度1000Wm2、大气质量AMI5、电池结温为25)电池所输出的最大功率被称为峰值功率。(7) FF=PM(UOCISC)：填充因子(Fill Factor)，或称曲线因子，是评估光伏电池负载能力的重要指标：它的值越高，电池的输出I-U曲线越趋近于由UOC和ISC两边线构成的矩形，表明电池的负载能力越强，其转换效率也相应越高。(8) =PMPS：光电转换效率，是衡量光伏电池能量转换水平的重要指标，PS为阳光投射到电池表面上的功率。由图中I-U曲线可以看出：光伏电池是一种非线性的直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似于定值(ISC)，在接近开路电压UOC)时电流的下降率很大。PU曲线为一个单峰线，电池的输出功率随着电压的增大先增后减，在某一电压点(Um)有唯一极值(Pm)，此点即为电池的最大功率点。 (a)I-U特性曲线 (b)P-U特性曲线图31给定日照强度和温度不变，光伏电池的输出特性曲线31.1 光伏电池的选用计算与仿真分析选用光伏电池的首要问题是根据负载要求、蓄电池性能和转换电路的损耗等情况来确定光伏系统所需的功率，即计算所需光伏电池的输出功率。生产商对其光伏电池产品所标称的输出功率是在标准条件下(日照强度1000Wm2,大气质量AMI5、电池结温为25)光伏电池所能输出的峰值功率，但实际应用中每个地点一天中的日照和温度状况不可能完全符合标准条件，而且一年中不同季节的天气状况变化很大，因此不可能将日照期间每一时刻的天气状况都等同为标准条件：而如果按照气象统计资料中每天的天气情况进行分析计算，计算量又过为庞大，而且实际作用也不大。本文中对年目照量采用峰值小时折算法，即将年平均日照量换算成每日标准日照有效时数，计算公式为：查资料得知，武汉的每日标准有效时数为3.80h本文对所需光伏电池输出功率的计算公式为：(1)QL：负载日耗电量(Wh)；本文的负载对象为某小区的照明系统：节能灯功率为10w，总共布置16个；考虑到其分布较为分散，为减小线路损耗，选择较高额定电压48V；系统在每晚1 9：30-23：30照明，根据季节变化略有调整，基本保证每晚照明在4小时左右。因此，负载日耗电量QL=1016x4=640Wh(2)KL：负载线路损耗修正系数；按线损10，本文中取值为1.1。(3)Kr: 电源系统损耗修正系数；主要是考虑光伏电池与蓄电池间直流变换电路的开关损耗，按损耗15，本文中取值为1.2。(4)c：蓄电池充放电转换效率；本文中采用阀控式铅酸蓄电池，当放电深度小于50时其转换效率可达90以上，因此本文中取值为09。由此可得：Ppv=1.21.1640/（0.93.6）=260.7W根据上式对所需功率的计算结果，本文选用某公司生产的多晶硅光伏电池组件，相关具体参数见下表。表3.2该多晶硅电池参数最大功率Ph270W短路电流Isc8A最优工作电压UM35 V最大功率温度系数一0.5最优工作电流IM7.7l A开路电压温度系数-0.35开路电压Uoc48V短路电流温度系数0.056测试条件标准条件(日照强度1000Wm2、大气质量AM1.5、电池结温为25)根据表3.2中的各项数据，利用Mat lab仿真软件中的Simulink工具，建立光伏电池的仿真模型，如图3.3所示。图3.3 光伏电池的Simulink仿真模型图中： A处： B处：为了研究输出特性，对电池仿真模型进行数据处理并封装成子系统后，建立其输出特性的仿真模型，如图34所示。图3.4 光伏电池输出特性仿真模型利用图3.4中的仿真模型，在给定温度25C不变情况下，分别对1000 Wm2、800 Wm2、600 Wm2和400 Wm2等四个不同日照强度下该光伏电池的输出特性进行仿真，并对结果进行曲线拟合，所得特性曲线如图35与图36所示。图35 给定温度25C不变时该光伏电池的I-U特性曲线图36给定温度25不变时该光伏电池的P-U特性曲线观察图中特性曲线可知：给定温度不变时，对应于日照强度从1000 Wm2下降到400 Wm2，电池的开路电压约从445V下降到43V左右；电池的短路电流约从79A下降到31A左右；电池的输出功率在各个电压点都有所下降，在最大功率点附近下降得最大，约从270W下降到了90W左右，下降了近23。由此可见，日照强度的变化对光伏电池的开路电压影响较小，但对其短路电流和所能输出的最大功率有很大的影响。给定日照强度1000 Wm2不变情况，再分别对O、25和50等三个不同温度下输出特性进行仿真，并对结果进行曲线拟合，所得特性曲线如图37与图38所示。从图中可得：给定日照强度不变时，对应于温度的变化，电池的短路电流变化很小，但开路电压受到了较大的影响，随着温度的升高，电池的开路电压值会有较明显的下降：电池的输出功率在低、中压区域的差别很小，但当温度升高时，电池所能达到的最大输出功率值会有明显的下降。而且，由于日照强度不变，即阳光投射到电池表面上的功率(Ps)不变，可知电池的光电转换效率也会受到温度的很大影响；跟据STP270-24的最大功率温度系数，当温度由25上升到50C时，其最大功率会下降125，则电池的转换效率也会随之下降125。图37给定日照强度1000 W/m2不变时的I-U特性曲线图38给定日照强度W/m2不变时的P-U特性曲线32 蓄电池的选用计算光伏系统设计中对蓄电池的选用，首先要确定的是蓄电池的容量，需要综合考虑系统对蓄电池的特殊要求，尽量使光伏电池功率、负载功率与蓄电池容量达到最佳匹配。如果容量选用过大，不仅增加了系统对光伏电池输出功率的要求，造成投资总成本的增加，而且蓄电池本身可能长期处于欠充状态，会引起极板的硫化问题而给充电造成困难；再者蓄电池的自放电也会增多，白白损失能量9。如果容量选用过小，日照充足时会浪费光伏电池的输出电能，日照不足时又可能达到过放限定而中断供电。光伏系统蓄电池容量的计算公式为：(1) Q：蓄电池容量(Ah)。(2) KA蓄电池放电效率修正系数，对于铅酸蓄电池通常取1114：本文 选用VRLA蓄电池，当放电深度小于50时可达90以上，据此取值为11。(3) KT：温度修正系数，由于蓄电池容量会随着电解液温度的降低而减小，根据蓄电池通常工作环境温度的最低值，0以上取10，一10C至0C 取1.1一10以下取12：鉴于历年来武汉市最冷月份1月的月平均气温为一1 至一3，本文中取值为11。(4) Nt：最长连续无日照天数，即在光伏电池没有任何输出电能的情况下，蓄电 池独自负担负载耗电的最长天数；鉴于历年来武汉气候少见多日连阴雨天，但常见连续7天有雾的天气，对雾天考虑按半值计算，本文中取值为3。(5) DOD：放电深度，本文根据对独立光伏系统VRLA蓄电池的通常取值，取值 为50。(6) KL：负载线路损耗修正系数，按线损10，本文中取值为1.1。(7) QL：负载日耗电量(A11)。由此可得，本文中所需蓄电池的容量为：蓄电池放电率(小时率)的计算：式中：HR为小时率；hr为负载日均工作时间。应选用24小时率容量为1065Ah的蓄电池；结合负载端电压48V，本文选用某公司生产GJl00-12型(工作电压12V，10小时率容量100Ah，)VRLA蓄电池，4个串联构成端电压48V的蓄电池组，相关具体参数表32。GJl00-12型VRLA蓄电池参数3.3 Boost电路的设计本文中DCDC变换电路的输入端连接光伏电池，输出端连接蓄电池。根据第三章表31中光伏电池的各项数据，光伏电池的最大功率点电压为35V，最大开路电压为48V左右；根据第三章表32中GJl00-12的各项数据，蓄电池组需要的充电电压为58V左右，因此选用Boost变换电路，需要计算确定的器件有：储能电感L、滤波电容C、功率开关管S和续流二极管D（1）储能电感L储能电感的设计要求是要保证电路工作的电流连续性，由上一节的分析可知，电流连续的临界状态就是在S关断末期电感电流刚好下降至零点，即有：式中：IL：电感电流平均值。fs：关管开关频率，取20kHz。由于电感电流IL即为电路输入电流Iin，对上式变换后可得，临界电感值为：本文采用最大功率点跟踪的方法对蓄电池充电，因此取：Uin=UM=35VIin=IM=7.7AD=1- Uin/UO=0.4可得：Lmin=45.5Uh上述计算所得Lmin为系统在标准最大功率点工作时能保证变换电路输出电流连续的最小电感值，而在实际选用中需要考虑最大功率下降和光伏电池输出电流稳定性等问题，因此厶加仅作为底线参考值。本文中要求L满足以下两个条件：a) Iin下降至35(约为日照强度400 Wm2时的最大功率点电流)时蓄电池充电电流连续。b) 纹波电流L5IM。两者取较小值，则有：因此选用L的参数为：2mH，10A，20kHz。(2)滤波电容C滤波电容的设计要求是要保证变换电路输出电压的相对稳定，根据上一节的分析，S导通期间由C放电来给负载供电，则这期间C的电压下降值：S关断期间电源给C充电，这一期间C的电压上升值,电路进入稳态后，有：UC+=UC-则：式中：IO：电路输出电流，若忽略电路损耗，IO=27058=47A；UC：可允许的输出电压最大波动范围，本文按在标准是大功率点时电路输出电压限制波动1以内计算，则有：Cmin=162Uf选用C的参数为：200uF，100V。(3)功率开关管S本文中设计的系统功率较小，选用易于驱动且开关损耗较小的MOSFET作为开关管。S关断时承受的电压为58V，导通时最大峰值电流应与电感最大峰值电流相等，为79A。考虑系统启动初期的暂态过程，根据功率开关管的设计方法，电压过载安全系数和电流过载安全系数均选择2倍以上，因此选用S的参数为：额定耐压200V，额定电流20A。(4)续流二极管DD导通时的最大电流以及截止时承受的反向电压都与S的工作情况相同，因此参照的选用方法，选用参数为：反向耐压200V，额定电流20A。4. 系统电路的总体设计本文中光伏系统的工作状态主要分为两种：白天日照强度符合最低要求时，光伏电池发出电能，经由Boost变换器以MPPT方式给蓄电池充电；晚上由蓄电池直接给负载供电。根据本文第三章中对蓄电池的选用，蓄电池组的充电终止电压设置为58V，放电终止电压设置为44V。充电过程中在蓄电池组端电压达到58V之后，根据VRLA蓄电池的充电特性，将继续保持充电l小时，之后通过主控制器启动过充保护电路，同时停止Boost变换器的工作。过充保护电路由功率开关管、电阻和指示灯串联构成，功率开关管受控导通后灯光指示表示蓄电池充电完成，并为剩余时间光伏电池的输出电能提供放电回路10。蓄电池放电时，由主控制器定时控制负载端功率开关管的通断，以实现对负载的供电控制。若放电过程中蓄电池组的端电压下降至44V，主控制器将控制功率开关管关断以停止蓄电池放电工作。作为小功率系统，为方便控制，本文对过充保护和放电控制中的功率开关管均选用MOSFET，选用方法与Boost变换器功率开关管的选取相同。图40系统总体结构示意图系统控制电路由电量检测电路、主控制器和MOSFET驱动电路三部分组成。其中：(1) 电量检测电路负责检测光伏电池输出的电压、电流，以及蓄电池的端电压和充放电电流。本文中采用磁平衡式霍尔传感器，并通过信号处理电路调节输出信号以满足主控制器输入要求。(2) 主控制器采用DSP控制，选用TMS320LF2407A芯片，将电量检测电路输出的模拟信号进行AD转换，完成MPPT计算、占空比调节以及定时设置，并生成PWM信号输出至驱动电路。(3) 驱动电路负责将DSP输出的弱电信号进行功率放大，以驱动主电路中的三处MOSFET，并对控制电路与主电路进行强、弱电隔离。由于主电路中的MOSFET功能要求不同，因此需要采用不同的驱动电路。4.1 光伏电池的最大功率点跟踪方法光伏电池只有在某一输出电压时，输出功率才能达到最大值，即在该工作点能得到当前温度和日照条件下的最大输出功率。此点被称为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)11。但由于电池的输出特性受到负载状态、日照强度和环境温度等各种外在因素的影响，输出电压和电流会发生很大变动，从而影响输出功率导致系统效率降低。因此，如何实时调整光伏阵列的工作点以使其能始终工作在最大功率点，这一直是光伏发电系统研究的重要问题。这个过程的实现就叫做最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。MPPT各种方法许多文献都有讨论，目前比较常见的方法有：恒压追踪法、扰动观察法和电导增量法等12。4.1.1恒压追踪法恒压追踪法(Constant Voltage Tracking，CVT)是早期MPPT研究中的方法之一，也是最为简单的一种。根据光伏电池的理论和实验，当温度变化不大时，在光伏电池的I-U特性曲线上，最大功率点的电压UM是在某一电压点两侧一个很小的区域内变化。因此可以事先测试出光伏电池在某一目照强度和温度下的最大功率点电压值UM，然后在电池和负载之间加一个控制器，调整光伏电池的端电压恒定在UM，就能基本保证电池工作在最大功率点，从而实现MPPT。CVT方法具有控制简单、可靠性高、稳定性好、易于实现等优点，在系统对MPPT要求不高的情况下，可以采用此法来简化控制设计。但其在简化控制中忽略了温度对光伏电池输出特性的影响13。如采用此法，当温度变化时，电池的输出功率将会偏离最大功率点，造成较大的功率损失，特别是对于早昼夜和四季温差较大的地区，控制精度就更差。虽然后来的许多研究中加入了一些辅助调节方法来改善其控制精度，但随着微电子技术的发展和新技术的出现，CVT方法将会渐渐被新的方法取代。4.1.2 扰动观察法图4.1光伏电池的P-U单峰曲线示意图扰动观察法(Perturb & Observe algorithms，P&O)主要依据光伏电池的PU特性，通过扰动端电压来寻找最大功率点，是目前MPPT常用方法之一。光伏电池的PU特性曲线是一个单峰函数曲线，极值点就是其最大功率点(如图4.1所示)，因此可通过控制器在每个控制周期加一干扰量来改变电池的输出功率，然后检测当前光伏电池输出电压和输出电流并计算当前输出功率，再和前一周期的功率值进行比较，通过判断输出功率的改变方向来判定下一步的干扰方向。扰动观察法的具体控制流程如图4.2所示。采样当前光伏电池输出电压U(k)和输出电流I(k)，计算当前输出功率P(k)，若P(k)大于上周期的输出功率P(k-1)，表明上次干扰有效：(1)若U(k)大于U(k-1)，如从图中Pl点移至P2点，表明工作点在最大功率点PM左侧，应继续增大电压；(2)若U(k)小于U(k-1)，如从图中P4点移至P3点，表明工作点在最大功率点PM右侧，应继续减小电压。即保持原干扰方向。而若P(k)小于上周期输出功率P(k1)，表明上次干扰无效：(1) 若U(k)大于U(k1)，如从图中P3点移至P4点，表明工作点在最大功率点PM右侧，应减小电压；(2 ) 若U(k)小于U(k-1)，如从图中p3点移至P2点，表明工作点在最大功率点PM左侧，应增大电压。图4.2扰动观察法控制流程图即改变原干扰方向。扰动观察法的优点是算法简单可靠，对传感器精度要求不高，易于硬件实现。而它的主要缺点是：系统始终存在扰动，光伏电池的工作点直在最大功率点附近来回振荡，始终有一定的功率损失。而且它的扰动步长(U值)不好确定，如果步长取的过大，则在最大功率点附近的振荡就比较大，相应的功率损失比较大；相反如果步长取的过小；虽然在最大功率点附近的功率损失减小，但是系统的响应速度就会降低，相应的当外界环境经常变化的时候，光伏阵列工作在比较低功率输出状态的时间就会比较长，从而影响了整个系统的效率。另外，在外界环境快速变化时，扰动观察法不能判断其功率变化是由于自身扰动还是由于环境变化而造成的，可能会导致误判，扰动方向发生错误。比如，系统正在一定的环境条件下追踪最大功率点，上周期电压的扰动方向为减小，而此时日照强度突然变大，因此本周期计算的功率比前一次大。根据扰动观察法，下一步电压的变化的方向还为减少，而此时实际的最大功率点的电压应该是增加的，即发生了误判。4.1.3 变步长寻优方法MPPT实际上也就是系统自寻优的过程，在上述的扰动观察法和电导增量法中，调整电压AU是一个固定值(定步长)，都属于定步长寻优方法。U的设定值是关系到算法能否准确地实现最大功率点跟踪功能的关键：如果U设置偏大，跟踪精度可能达不到要求，使工作点始终无法达到最大功率点，而如果设置偏小，又会使跟踪速度变慢，效率降低。而变步长寻优方法的基本原理是根据光伏电池实时工作点与其最大功率点的距离来调整U：当工作点离最大功率点较远时，增大U，使工作点电压变化得快些；而当工作点离最大功率点较近时，减小U，以保证调整后工作点不会跨过最大功率点。基于扰动观察法或电导增量法的变步长寻优方法已有多种，其中最简单的是两段式变步长寻优，依据的是光伏电池的I-U特性。如图4.3所示，在最大功率点PM左侧的A区域中，相对于电压的变化来说，电流的变化很小，此区域有类似于恒流源的特性；而在最大功率点PM右侧的B区域中，相对于电流的变化来说，电压的变化很小，此区域有类似于恒压源的特性。因此可以通过检测电压变化时的电流变化率，判断出光伏电池的工作点在A、B哪个区域，然后根据所在区域设定不同的U调整步长：在类似恒流源的A区，选取较大步长U；而在类似恒压源的B区，选取较小步长AUB。基于扰动观察法的两段式变步长寻优控制流程如图4.4所示。图4.3两段分区法变步长寻优图4.4基于扰动观察法的两段式变步长寻优控制流程图进一步的方法有三段式变步长寻优，依据的是光伏屯池的P-U特性。如图4.5所示，将整个曲线分成A、B、C三个区域，dP/dU值作为选择步长的判定条件。由图中可以看到， dP/dUl在B区的值小于A区或C区，而且dP/dU值在A区恒为正值，而在C区恒为负值。因此可针对三个区域分别设置三个不同的步长，UaUcUA。在不同的工作点区域对寻优的精度和速度做不同的选择，以提高整个系统的效率。基于电导增量法的三段式变步长寻优控制流程如图4.5所示。图4.5三段分区法变步长寻优图4.6基于电导增量法的三段式变步长寻优控制流程图上述这两种MPPT改进方法虽然都实现了变步长寻优，在一定程度上既提高了寻优的速度又保证了寻优的精度，但它们还是基于对光伏电池输出特性曲线不同区域的特点，以分区形式采用不同的寻优步长。为了能进一步发挥变步长寻优的特点，实现根据光伏电池的具体工作点来确定寻优步长，一些新的控制理论正在被结合到MPPT方法中，如自适应控制、模糊逻辑控制和人工神经网络控制等。但这些方法算法复杂，对处理器的要求很高，而且在系统稳定性方面和传统方法相比还有所不足，所以目前在独立光伏发电系统的实际应用中还是较少采用。42 MOSFET驱动电路如图47所示。图中三极管Q1(NPN)与Q2(PNP)以图腾柱输出结构对输入PWM信号进行放大，并联续流二极管D1、D2；原边隔直电容C1隔离直流分量，避免变压器T因直流磁化而饱和；变压器T将原、副边的强、弱电隔离并传导控制信号；副边电容C2复现原边隔直电容的电压信号；稳压二极管Dz限制驱动电路输出电压正幅值以保护MOSFET；阻尼电阻R防止MOSFET输入电容与电路分布电感产生高频寄生振荡。图47电磁隔离MOSFET驱动电路过充保护和放电控制中选用的P沟道MOSFET管主要负责系统工作状态的转换，通过DSP输出的高、低电平进行控制，没有开关频率的要求，因此采用光耦隔离式驱动电路，如图48所示。“CONH为高电平时光耦管OC导通，母线电压经电阻R2、R3分压处理后驱动MOSFET导通。图48光耦隔离MOSFET驱动电路43电量检测与信号处理电路系统中需要四路电量检测，分别是光伏电池输出电压与输出电流、蓄电池端电压和充放电电流，这四路信号均为变化的直流信号。为了保证MPPT的准确性，光伏系统对电量检测电路的检测精度、响应速度以及线性度等都有较高要求，因此本文中采用磁平衡式霍尔传感器。磁平衡式霍尔传感器属于磁传感器，主要包括原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和功率放大电路等结构单元，其工作原理是磁场平衡，原边所产生的磁场，用次级线圈所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态，测量电路与被测主电路靠磁场耦合联系，从而实现隔离式间接测量。本文中选用某公司生产的CSM020型电流传感器和VSMl00型电压传感器.管教线和具体参数如下图。图4.9SM020型电流传感器和VSMl00型电压传感器由于DSP芯片AD采样单元的输入信号电压上限为33V，如果超限会对DSP造成严重损坏，因此传感器的输出信号必须根据DSP的输入要求进行处理，之后才能送入DSP。再者，霍尔传感器的测量精度虽高，但抗干扰能力一般，为了防止系统电路暂态震荡等异常情况致使传感器输出过限尖波，从而对DSP造成损害，还要求信号处理电路具有对DSP的保护功能。本文采用的信号处理电路如图410所示：霍尔传感器的检测输出信号经Rl送至运算放大器，运放连接成典型的电压跟随器形式：输入阻抗很高，对前级电路相当于开路：输出阻抗很低，对后级电路相当于恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响，以使前、后级电路之间互不影响。跟随器输出连接由R2、C2构成的滤波电路，以消除由主电路或者运放本身造成的高频干扰。最后连接33V稳压管Dz，以限定输出信号电压上限。图410 信号处理电路44 PWM生成方法与相关设置事件管理器中一路PWM信号的生成，需要通过定时器产生一个与系统设计PWM周期相同的计数周期(基波信号)，同时通过比较寄存器来保持调制值(调制信号)，比较寄存器的值不断与定时器的值相比较。一周期内当两值第一次匹配时，相应输出上就会产生一次电平跳转；当两值第二次匹配(对称PWM波形)或者周期结束(非对称PWM波形)时，相应输出进行逆向电平跳转。因此输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例，通过对比较寄存器中调制值的控制，就能够生成符合系统控制要求的PWM信号。以通用定时器GPl为例，生成PWM所需主要器件包括：双向计数器寄存器(T1CNT)、比较寄存器(TlCMPR)、周期寄存器(T1PR)、GPl控制寄存器(T1CON)、EVA定时器控制寄存器(GPTCONA)和输出引脚(TlPWM)，如图4.11所示。GPl的操作模式有停止褓持、连续递增计数、连续增减计数和定向增减计数等四种，通过对T1CON的设定来进行选择。比较输出控制可分强制低、低有效、高有效和强制高，通过对GPTCONA的设定来进行选择14。T1PR装载值决定了定时器的周期，T1CNT与T1PR配合生成基波信号，当两寄存器的值产生匹配时，根据T1CON对计数模式的设置，T1CNT复位或者开始递减计数。T1CMPR装载比较值，通过T1CON的比较使能控制