毕业设计论文太阳能离网光伏发电

1、摘要随着煤炭、石油和天然气等化石燃料迅速消耗，以与由此带来的能源 危机与环染日益加剧，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。太阳能具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特 点，是理想的可再生能源。 20 世纪 70 年代后，太阳能光伏发电在世界范 围内受到高度重视并取得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利 用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电 方式。太阳能光伏发电系统的研究对于缓解能源危机、减少环境污染以与 减小温室效应具有重要的意义。由于太阳能电池阵列是光伏发电系统的核心部件和能源供给部分，因 此在光 伏发电系统仿真模型的研究中，太

2、阳电池阵列仿真模型的研究至关重要。 本文根 据硅太阳电池的工程用数学模型建立了太阳能电池阵列模型，分析了太阳 辐射强度和温度对太阳电池阵列仿真模型精度的影响，提出了在不同太阳 辐射强度时参数的优化设计计算公式，并将仿真结果与实际太阳电池阵列 的测量结果进行了比较。基于太阳能电池阵列的仿真模型，本文建立了太阳能光伏发电系统最 大功率 点跟踪 MATLAB 仿真模型，并对两种常用最大功率点跟踪方法进行了仿 真比较研究，验证了理论分析的正确性。本文针对目前应用广泛的太阳能独立光伏发电系统进行了研究，对系统中常 用的 DC/DC 变换器拓扑与其优缺点进行了总结，并研究了一种新的带有 双向变换器的太阳能

3、独立光伏发电系统，对其主电路参数进行了设计，完 成了基于 JM60DSP 控制系统的硬件电路设计和软件设计。关键字 :太阳能，太阳能光伏发电系统，最大功率点跟踪，仿真模型， DSPABSTRACTIn recent years ，As the concern over the rapid consumption of fossil energy suchas coal ，oil and natural gas ， energy crisis andincreasing environmental Pollution， many countries have been insearch of a

4、nd actively developing clean，safe and reliable renewableenergy source. Solar energy is a ideal energy source with the advantages such as cleanness ，inexhaustibility and safety. Sinee1 9705 ， Photovoltaic(PV)Generation attracts worldwide attention and has made great progress. As a important Part of s

5、olar energy application ， the technology of PV generation is considered as the most Potential Power generation of the 2lth century. The research on PV generation is significant for solving energy crisis ， reducing environmental Pollution and greenhouse effect.Since solar cell array is the key compon

6、ent and energy source of Photovoltaic generation system ， the research on simulation model of solar cell array is vital to the research on simulation model of photovoltaic generation system. This paper build a simulation model of solar cell array based on the engineering analytical model of silicon

7、solar cells ，analyzes the influence of the change of solar irradiation and solar cell temperature on the accuracy of output of solar cell array simulation model，proposes a optimization designformula for calculating coefficient b of engineering analytical model of silicon solar cells under different

8、solar irradiation ， compares the results of simulation model with the experimental results of solar cell array.Based on simulation model of solar cell array proposed by this paper ， This paper build a MATLAB simulation model of photovoltaic generation system with function of the maximum power point

9、tracking ，makes a simulation comparison aiming at two common methods and validate the theoretical analysis.In this paper ， Research on wide-used stand-alone photovoltaicgeneration system is done and summary on the advantages of DC/DC converter in common use is given. Research on a stand-alone photov

10、oltaic generation system with a bi-directional DC/DC converter is given and the parameters calculation of main circuit is done. At last， control system hardware design based onJM60DSP and software design of control system is completed.Keyword: Solar Energy ， Photovoltaic Generation System， MPPT ，Sim

11、ulation Model ， DSP目录1 绪论 81.1 世界能源结构和发展新能源的背景 8.1.1.1 太阳能与太阳能光伏发电 9.1.1.2 太阳能光伏发电系统简介 111.2 太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势 131.2.1 国外太阳能光伏发电现状与发展趋势 131.2.2 我国太阳能光伏发电现状与发展趋势 141.3 本文主要研究内容和任务 152 太阳能独立光伏发电系统基本组成和特性 162.1 太阳能独立光伏发电系统概述 162.2 太阳能电池 172.2.1 太阳能电池原理与分类 172.2.2 太阳能电池输出特性 192.2.3 太阳能电池工程用数学模型 202.3

12、铅酸蓄电池 222.3.1 铅酸蓄电池充电控制方法 223 太阳能电池最大功率点跟踪 243.1 太阳能电池最大功率点跟踪原理 253.2 太阳能电池最大功率点跟踪方法 254 太阳能独立光伏发电系统主电路设计 274.1 方框图，主电路图以与技术路线图 274.2 太阳能独立光伏发电系统常用 DC/DC 变换器与其特点 294.2.1 BUCK 电路 304.2.2 B00ST 电路 314.3 带双向变换器的太阳能独立光伏发电系统 324.3.I BOOST 电路设计 334.3.2 铅酸蓄电池组设计 354.4 双向 BUCK-B00ST 变换器 354.4.1 双向 BUCK-B00S

13、T 变换器运行原理 354.4.2 双向 BUCK-BOOST 变换器参数设计 354.5 逆变电路 375 太阳能独立光伏发电控制系统硬件设计 395.1 控制芯片 MC9S08JM60 简介 395.2 基于 MC9S08JM60 DSP 的控制系统 415.3 驱动电路 425.4 采样电路 445.5 总电路图 476 太阳能独立光伏发电控制系统软件设计 476.1 控制系统主程序 496.2 蓄电池充电子程序 56总结 59致 谢 错.误. ! 未定义书签。参考文献： 601 绪论1.1 世界能源结构和发展新能源的背景 自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着

14、社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来 各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首 要地位。根据 BP 世界能源统 2005 的统计数据，以目前的开采速度计 算，全球石油储量可供生产 40 多年， 天然气和煤炭则分别可以供应 67 年 和 164 年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按 2000 年底的统 计，探明可开发能源总储量约占世界总量的 10.1% 。我国能源剩余可开采 总储量的结构为 :原煤占 58.8% ，原油占 3.4% ，天然气占 1.3% ，水资源 占 36.5% 。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为 129.7 年。

15、自 从工业革命以来， 约 80% 温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动 引起的，其中 CO2 的作用约占 60% ，而化石能源的燃烧是 CO 2的主要排 放源。随着化石能源的逐步消耗以与化石能源的开发和利用所造成的环境 污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源 和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除 常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、 风能、小水电、地热能以与海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源 和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会 公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发

16、利用不仅可以解决目前 世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。 根据国际权威机构的预测， 到 21 世纪 60 年代， 全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50% 以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国 纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再 生能源在全球升温。 20 世纪 90 年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大 力开发利用可再生能源，连续 10 年可再生能源发电的年增长速度都在 15% 以上。以德国、西班牙为代表的一些国家

17、通过立法方式，促进可再生 能源的发展， 1999 年以来可再生能源年均增长速度均达到 30% 以上。西 班牙 2003 年风力发电装机占到全机总量的 4% ，德国在过去 11 年间， 风 力发电增长 21 倍， 2003 年占全的 3.1% 。瑞典和奥地利的生物质能源在 其能源消费结构中高达 15% 以上。我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长 使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题， 保障能源供应安全。近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生 能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于 2005 年 2 月 28 日通过了 再生能源法 ，该法

18、已于 2006 年 1 月 1 日起实施，这对于我国可再生 能具有十分重要的意义。1.1.1 太阳能与太阳能光伏发电太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上 每 40 秒钟就有相当于 210 亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天 的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。目前太阳能利用的方式有 :太阳能光伏发电， 太阳能热利用， 太阳能动 力利用，太阳能光化利用， 太阳能生物利用和太阳能光 -光利用。 其中太阳 能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为 是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入

19、巨资竞相研究开 发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发 太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可 以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组 件可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步 的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点(1) 取之不尽，用之不竭。地球表面所接受的太阳能约为1.07 X1 0 14 GWh/ 年，是全球能量年需求的 35000 倍，可以说是一种无限的资源。(2)

20、无污染。光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部 件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。(3) 资源分布广泛。 不同于水电受水力资源限制， 火电受到煤炭资源与 运输成本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得 到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。(4) 建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。光伏发电系统可以 按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短， 扩容方便 ;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节 省安装成本 ;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费， 一年中往往只需在 遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件

21、表面是否被污染， 接线是否可靠以与蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费 用很低。(5) 光伏建筑集成。 光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究与发展 的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。(6) 分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性 和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。1.1.2 太阳能光伏发电系统简介太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和 并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构如图 1.1 所示，该系统中的 能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供 能量 ;当

22、无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时， 由蓄电池向系 统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能 量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或把过剩能 量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的 太阳能光伏发电系统中才使用这种结构， 并具有上述全面的功能 ;而一般使 用的中小型系统仅具有该系统的部分功能。太阳能电池阵列图1.2独立光伏发电系统（一）独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载（交流负载或直流负载）的发电系统。其主要应 用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，

23、如为公共电网难以覆盖的 边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电， 也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。图 1.2 所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系 统由太阳能电池阵列、 DC/DC 变换器、蓄电池组、 DC/AC 逆变器和交直 流负载构成。 DC/DC 变换器将太阳能电池阵列转化的电能传送给蓄电池 组存储起来供日照不足时使用。蓄电池组的能量直接给直流负载供电或经 DC/AC 变换器给交流负载供电。该系统由于有蓄电池组，因而系统成本 增加，但可在无日照或日照不足时为负载供电。（二）并网光伏发电系统 与公共电网相连接的太阳能光伏发电系

24、统称为并网光伏发电系统。并 网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、 同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它是太阳能 光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一重要方 向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。1.2 太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势 当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其 制定规划，增加投入，大力发展。 20 世纪 80 年代以来，即使是在世界经 济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以 10%-15% 的递增速度在发展。 90 年代后期，发展更为迅速，成为全球增 长

25、速度最快的高新技术产业之一。1.2.1 国外太阳能光伏发电现状与发展趋势到 2004 年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到 964.9MW ，到 2005 年底，达到 4961.69MW 。己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以与薄膜 电池等几类。在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为 3.15 美元 /W，并网系统价格为6美元/w，发电成本为0.25美元/(kw h)。光伏电 池的发电转化效率也不断提高， 晶体硅光电池转化率达到 15% ，单晶硅光 电池转化率是 23.3% ，砷化镓光电池转化率是 25% ，在实验室中特制的 砷

26、化嫁光电池转化率己达 35%-36% 。太阳能光伏电池 /组件使用寿命大大 增长，可使用 30 多年。目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和 美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的 80% 。今后太阳能光伏 发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家 们预测到 2050 年，太阳能光伏发电在发电总量中将占 13%-15% ，到 2100 年将约占 64% 。1.2.2 我国太阳能光伏发电现状与发展趋势20 世纪 90 年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期， 在这一 时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装 机容量逐年增加， 2004

27、 年累计容量达 35MW ，约占世界份额的 3% 。 10 多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场 1% 左右的份额。 到 2020 年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成 本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化 :2005-2010 年，我 国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到 2010 年将约为 1.20元/(kW h);2010-2020 年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统 转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kw h)。到2020 年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。1.3本文主要研究内容和

28、任务本文主要研究太阳能独立光伏发电系统，本文研究的独立光伏发电系统结构框图如图1.3所示。该系统主要包括几个部分：太阳能电池阵列、BOOST变换器、负载、双向 BUCK-BOOST 变换器、蓄电池以与控制电 路。该系统运行原理如下：当日照较强，太阳能电池阵列输出功率大于负 载功率时，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器给负载供电，多余的电能通过双向BUCK-BOOST变换器传输给蓄电池将能量储存起来。(2) 当日照较弱，太阳能电池阵列输出功率小于负载功率时， 由太阳能电池 阵列和蓄电池共同给负载供电，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器给负载供电，不足的电能由蓄电池通过双向 BUC

29、K-BOOST变换器给负载供电。当无日照，光伏阵列输出功率为零时，由蓄电池单独给负载供电。(3)当有日照，太阳能电池阵列输出功率大于零且负载断幵时，太阳能电池阵列输出的电能经 BOOST变换器和双向BUCK-BOOST变换器 后给蓄电池充电以将能量储存起来。另外，如果蓄电池放电至低于过放电压，或者蓄电池充电至超过过充 电压时，双向变换器将被强行控制关断，以保护蓄电池不被损坏，延长蓄 电池的使用寿命。独立光伏发电系统所有控制功能的实现均由控制电路完成，控制电路 采用数字信号处理器 JM60DSP ，由数字信号处理器 JM60DSP 采样所需 要的电流电压信号并对信号进行处理， 输出 PWM 波控

30、制主电路功率开关 管的通断。本文主要研究工作包括以下部分 :(1) 建立实用的太阳能电池工程用仿真模型，以用于太阳能光伏电源系 统整体性能的仿真研究，为太阳能光伏电源的设计提供参考 ;(2) 通过仿真比较最大功率点跟踪方法的优缺点， 并验证验证理论分析 的正确性 ;(3) 研究不同 DC/DC 拓扑结构时太阳能光伏电源系统的优缺点，完成 本论文系统的电路拓扑的设计与器件选型 ;(4) 基于 DSP 研究控制系统的实现方法以与完成控制系统的设计。2 太阳能独立光伏发电系统基本组成和特性2.1 太阳能独立光伏发电系统概述一般来说，太阳能独立光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列、控制 器、蓄电池组和逆

31、变器等部分。太阳能电池阵列是整个系统能源的来源， 它把照射到其表面的太阳能转化为电能 ;控制器是整个系统的核心部件之 一，其运行状态决定着系统的运行状态， 系统在控制器的管理下运行 ;蓄电 池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时 向负载供电 ;逆变器是将直流电变换为交流电的设备， 由于太阳能电池阵列 和蓄电池发出的是直流电，因此当系统向交流负载供电时，逆变器是不可 缺少的。常用的太阳能独立光伏发电系统如图 1.2 所示。2.2 太阳能电池2.2.1 太阳能电池原理与分类在太阳能光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是太阳能电池单 体。太阳能电池单体实际上是一个 PN 结

32、， PN 结在光照下会产生电动势， 这种效应称为光生伏特效应。当 PN 结处于平衡状态时， PN 结处有一个 耗尽层， 耗尽层中存在着势垒电场， 电场方向由 N 区指向 P 区。当 PN 结 受到光照时，硅原子受光激发而产生电子空穴对，在势垒电场的作用下， 空穴向 P 区移动，电子向 N 区移动，从而 P 区就有过剩的空穴， N 区就 有过剩的电子，这样便在 PN 结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动 势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使 P 区带正电， N 区带 负电，从而在 P 区与 N 区之间产生光生伏特效应。 若在太阳能电池单体两 侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流

33、”流过，从而获得功率输 出。由上可知，太阳能电池单体将光能转换成电能的工作原理可概括为以 下四个过程 :(l) 太阳能电池单体吸收光子，在 PN 结两侧产生称为“光生载流子” 的电子一空穴对，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电 ;(2) 在太阳能电池单体 PN 结光生载流子， 通过扩散作用到达空间电荷 区;(3) 到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到N区，空穴被分离到 P 区 ;(4) 被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在太阳能电池单体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而 获得电能实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并

34、封 装后形成的太阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元，其功 率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦。太阳能电池组件再经过串并联组合可以 形成太阳能电池阵列，以满足负载功率要求。太阳能电池多为半导体材料制造，种类繁多，形式各样，下面按照太 阳能电池的材料进行分类介绍 :(l) 硅太阳能电池 :指以硅为基体材料的太阳能电池， 如单晶硅太阳能电 池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等，多晶硅太阳能电池又有片 状多晶硅太阳能电池、铸锭多晶硅太阳能电池、筒状多晶硅太阳能电池和 球状多晶硅太阳能电池等多种。硅太阳能电池特点是由于硅资源丰富，可 以大规模生产，性能稳定且光电转化效率高，是目前应用最多的太阳

35、能电 池。但其制造过程复杂，成本高。目前市场上使用最多的是单晶硅太阳能 电池，转换率为 17% 左右，多晶硅转换效率为 14% 左右，非晶硅电池转 化效率为 6% 左右。(2) 化合物半导体太阳能电池 :指由两种或两种以上元素组成的具有半 导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池，如碲化镉太阳能电池、 砷化镓太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半 导体太阳能电池具有转换效率高，抗辐射性好，可在聚光条件下使用等特 点，但碲化镉太阳能电池带有毒性，易对环境造成污染，一般用于特定场 合，如空间飞行器和航空系统。(3) 有机半导体太阳能电池 :指用含有一定数量的碳 - 碳键且导电

36、能力介 于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。该种电池虽然转换 率低，但价格便宜、轻便、易于大规模制造。(4) 薄膜太阳能电池 :指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的 薄膜为基体材料的太阳能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶 硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米薄膜太阳能电池 和微晶硅薄膜太阳能电池等。 其特点是转换效率相对较高、 成本降低 (尤其 是大大降低了晶体硅类太阳能电池的硅材料用量)、且适合规模生产， 因此薄膜太阳能电池是未来太阳能电池的一个重要发展方向。2.2.2 太阳能电池输出特性(一) 标准测试条件下太阳能电池的输出特性 太阳能电池的输出特

37、性是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下 所表现出来的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，常简称 为 I-F 特性。由于日照强度、电池温度等都会影响太阳能电池的特性，因 此需要定义标准测试条件用于地面测试太阳能电池性能。我国应用的准测 试条件定义为日照强度为1000W/仃，太阳能电池温度为 25 C,太阳辐射光谱为 AMI.5 。一般的太阳能电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参 数。当太阳能电池输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，太阳能电池近似为一恒流源，当太阳能电池输出电压超过一定的临界值时，太阳能电池输出电流急剧下降，太阳能电池可近似为一恒压源。 太阳

38、能电池的输出特性是非线性的， 既非恒流源也非恒压源 （在最大功率点 左侧为近似恒流源段， 在最大功率点右侧为近似恒压源段 ），且在一定的电 池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点。（二）温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响太阳能电池的 I-V 特性曲线与日照强度和电池温度有关，分别为不同 日照光强和不同电池温度时， 太阳能电池的输出特性曲线。 当温度一定时， 太阳能电池短路电流 Isc 随日照强度的增加而增加， 并与日照强度成正比， 太阳能电池开路电压 Uo 随日照强度的增加稍有增加，但增加很小，当日 照强度一定时，电池温度升高，太阳能电池开路电压 Uo 降低，而太阳能 电池的短路电流

39、Isc 有轻微的增加。2.2.3 太阳能电池工程用数学模型（一）太阳能电池的理论分析模型根据半导体电子学理论，当负载为电阻 RL 时，太阳能电池的等效电 路如图 2.1 所示。当日照强度恒定时，光电流人可看成恒定电流源，二极 管的正向电流 ID 和并联电阻电流 Ish 都由光电流 IL 提供，剩余的光电流通 过串联电阻 Rs 流出太阳能电池进入负载并在负载端产生电压V 。根据图中的电流电压参考方向，太阳电池的 I-V 方程为 :Ill d qQ IE R*图2.1太阳能电池的等效电路1 shIlI °expq(V IRs)AKT1V IRs(2-1 )式中:Il-光电流，A;Io-二

40、极管反向饱和电流，A;q-电子电荷(1.6x10 -19 C);A-二极管因子；K:波耳兹曼常数(1.38x10 -23J/K);T-太阳能表面绝对温度，K;Rs:-串联电阻，Q ;Rsh-并联电阻，QI-太阳能电池输出电流，A;V-太阳能电池输出电压， V;2.3 铅酸蓄电池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。储能系统的好坏直接影响到光伏 发电系统的性能在实际的光伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易 消耗的部分。所以获得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部 分。目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化

41、 学电池。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。其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池和镍氢蓄电池。目前中 国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍 镉蓄电池外，绝大多数是采用铅酸蓄电池。在小型的太阳能草坪灯和便携 式太阳能供电系统中使用镍镉或镍氢蓄电池比较多。2.3.1 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

42、的优劣影响到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。而电荷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、铅酸蓄电池的使用寿命关系到系 统的成本、造价以与系统的使用寿命，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，（一）恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着铅酸蓄电池 电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于多个铅酸 蓄电池串联的铅酸蓄电池组进行充电，能使落后的铅酸蓄电池的容量易于 得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式

43、。这种充电方式的不足之处 在于 :铅酸蓄电池开始充电电流偏小， 在充电后期充电电流又偏大， 充电电 压偏高，整个充电过程时间长。（二）恒压充电法恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进行充电。在充电初期由于 铅酸蓄电池电压较低， 充电电流较大， 但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高， 电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过，这样充电过程中就不必 调整电流。相对恒流电来说，此法的充电电流自动减少，所以充电过程中 析气量小，充电时间短， 能耗低。这种充电方法不足之处在于 :在充电初期， 如果铅酸蓄电池放电深度过深， 充电电流会很大， 不仅危与充电器的安全， 而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤 ;如果铅

44、酸蓄电池电压过低， 后期充 电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电。 铅酸蓄电池电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很 难完成。这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到，因为这 种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大，而且这种系统中铅酸蓄电 池组串联不多（三）两阶段充电法这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。 它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电，铅酸蓄电池充电到达一定容 量后，然后采用恒压充电方式充电。采用这种充电方式，在充电初期，铅 酸蓄电池不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现铅酸蓄电池电压过 高，使铅酸蓄电池产

45、生析气。（四）三阶段充电法三阶段充电法是在两阶段充电完毕后，铅酸蓄电池容量己经达到额定 容量时，再继续以很小的电流向铅酸蓄电池充电以弥补铅酸蓄电池由于自 放电损失的电量，这种以小电流充电的方式也称为浮充。在浮充时，铅酸 蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低。在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以与环境温度对光伏系 统充电电流的影响、铅酸蓄电池性能以与系统成本等因素，使用三阶段充 电法对铅酸蓄电池充电较为合理。3 太阳能电池最大功率点跟踪Point目前，太阳能电池阵列在太阳能光伏发电系统造价中占很大比重，而 且太阳能电池的转化效率本身就不高，因此有必要研究提高太阳能电池利 用效率的方法，以

46、降低系统单位价格的成本，促进太阳能光伏发电系统的 应用推广。太阳能电池最大功率点跟踪 （Maximum PowerTracking ，简称 MPPT) 是其中的途径之一，它能最大程度的利用太阳能 电池转化所得的电能。3.1 太阳能电池最大功率点跟踪原理由第二章可知，太阳能电池的输出特性受电池温度和日照强度等因素 的影响，电池温度主要影响太阳能电池的开路电压，日照强度主要影响太 阳能电池的短路电流。在一定日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最 大输出功率点，太阳能电池只有工作在最大功率点才能使其输出的功率最 大。3.2 太阳能电池最大功率点跟踪方法目前使用的太阳能电池最大功率点跟踪方法主要有恒电

47、压法、观察扰 动法、电导增量法以与其它的一些跟踪方法。1. 恒电压法 (Constant Voltage Tracking ，简称 CVT)温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大 功率点基本是分布在一条垂直线的附近，因此只要保持太阳能电池阵列输 出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压， 就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率。恒电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比 一般太阳能光伏系统可望多获得 20% 的电能，较之不带 CVT 的直接藕合 要有利得多。然而恒电压法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大 功率点的影

48、响，一般硅太阳能电池的开路电压都在较大程度上受结温影 响，以常规单晶硅太阳能电池而言，当太阳能电池温度每升高C时，其开路电压下降率约为 0.35%-0.45% ，这说明太阳能电池的最大功率点对 应的电压也随电池温度的变化而变化，其中对太阳能电池温度影响最大的 因素是环境温度和日照强度。 因此对于四季温差或日温差较大的地区， CVT 方式并不能完全跟踪太阳能电池阵列最大功率点，从而导致系统功率损 失。研究结果表明，虽然许多太阳能光伏系统仍然采用这种最大功率点跟 踪方法，但这种方式所带来的功率损耗相比于微电子技术的迅速发展与微 电子器件的大幅度降价，已经显得很不经济。2. 扰动观察法 (Pertu

49、rbation & Observation)扰动观察法的原理是 : 在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池 阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制 对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动” ; 然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率 增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出 功率减少，则改变“干扰”的方向。扰动观察法的最大优点就是结构简单，被测参数少，容易实现。但是 即使在某一周期太阳能电池阵列运行在最大功率点，由于扰动的存在，下 一周期太阳能电池阵列运行点又会偏离最大功率点，因此太阳能

50、电池阵列 实际是在最大功率点附近振荡运行， 从而导致部分功率损失 ;其次， 难以选 择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长 时间运行于低功率输出区，步长过大太阳能电池阵列在最大功率点附近的 振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失;另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行 状态的过程中，会出现误判现象。3. 增量电导法 (Incremental Conductance Algorithm)为了解决扰动观察法导致的功率损失问题， 在 1995 年 提出了增量电导法。由太阳能电池阵列输出电气特性知，太阳能电池阵列 的输出功率

51、-电压(P-V)曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，功率对电 压的导数为零。增量电导法的优点是 :在日照强度发生变化时， 太阳能电池阵列输出电 压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。 增量电导法的缺点是 :太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点;如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的，步长过小会使跟踪速度变慢，太阳能 电池阵列较长时间工作在低功率输出区 ;步长太长，又会使系统振荡加剧， 影响跟踪精度。在实际的光伏系统中，增量电导法的实现对硬件的要求相 对较高，控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。4 太

52、阳能独立光伏发电系统主电路设计4.1 方框图，主电路图以与技术路线图 本设计的总体方框图为：图4.1太阳能独立光伏发电系统总框图主电路图为:技术路线图为:图4.3a. BUCK电路拓扑图L 5© -YyYJ39V卩一1*4 >,14.2太阳能独立光伏发电系统常用 DC/DC变换器与其特点到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的DC/DC变换电路主要有BUCK电路，BOOST电路，BUCKK-BOOSTT 电路以与CUK电路。它们的电路拓扑分别如下图 4.4 (a)-(d)所示。b. BOOST电路拓扑图_IIc. BUCK-BOOST 电路拓扑图d. CUK电路拓扑图图4.4太

53、阳能光伏发电系统中常用的 DC/DC变换电路拓扑图4.2.1 BUCK 电路BUCK电路输入端工作在断续状态，如果直接将BUCK电路接在太阳 能电池阵列上将造成太阳能电池阵列输出电流不连续，太阳能电池阵列不 能工作于最佳工作状态，因此需要在太阳能电池阵列输出端并联储能电容 以保证太阳能电池阵列输出电流的连续，如图4.5。当功率器件关断时，太阳能电池阵列对储能电容充电，使太阳能电池阵列始终处于发电状态。 通过调节BUCK电路的占空比D实现调节太阳能电池阵列输出平均功率的 目的，从而实现对太阳能电池阵列的 MPPT功能。典型的连接太阳能电池 阵列的BUCK电路拓扑如图4.5所示，BUCK电路输出连

54、接阻性负载或蓄 电池。图4.5连接太阳能电池阵列的 BUCK电路拓扑图用BUCK电路实现太阳能电池阵列最大功率点跟踪时，必须在BUCK 电路并联一个储能电容，在大功率情况下，由于储能电容始终处于大电流 充放电状态，对其可靠工作不利 ;同时由于储能电容通常为电解电容，使 BUCK 电路无法工作在较高的频率下， 使得 BUCK 电路装置的体积和重量 增加 ;而且 BUCK 电路只能用于降压变换。用 BUCK 电路实现太阳能电池阵列最大功率点跟踪的优点是结构简 单，控制易于实现，功率开关管输入电流小，线路损耗小，使得 BUCK 电 路装置转化效率较高。4.2.2 B00ST 电路BOOST 电路以电

55、感电流源方式向负载放电实现负载电压升高的目 的。与 BUCK 电路相比， BOOST 电路的电感在电路的输入端，因此只要 输入电感足够大， BOOST 电路可以始终工作于输入电流连续的状态下， 电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，因此在光伏发电系统应 用中，只需在 BOOST 电路并联容量较小的无感电容甚至可以不加电容， 如图 4.6 ，这样就可避免加电容带来的种种弊端。同时 BOOST 结构也非 常简单，并且功率开关管一端接地，使得开关管驱动电路设计更为简单。BOOST 电路的不足之处在于其输入端电压较低，在同样的功率下， 输入电流较大，因而电路损耗较大，与 BUCK 电路， BOO

56、ST 电路转化效 率略低一些 ;而且 BOOST 电路只能进行升压变换。 典型的连接太阳能电池 阵列的 BOOST 电路拓扑如图 4.6 所示， BOOST 电路输出连接阻性负载 或蓄电池。图4.6连接太阳能电池阵列的 BOOST电路拓扑图4.3带双向变换器的太阳能独立光伏发电系统图4.7所示为本文研究所用独立光伏发电系统结构图，该独立式光伏 发电系统主电路包含以下五个部分 ：太阳能电池阵列，BOOST变换器和双L1向BUCK-BOOST变换器，蓄电池组以与负载。双向 BUCK-BOOSTBOOST4.7带双向变换器的独立光伏发电系统太阳能电池阵列是整个系统能量的来源，本系统所使用的太阳能电池 阵列由七块无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP155S-24/Ab 型单晶硅太阳能电池并联而成，总功率1KW o STP155S-24/Ab 型单晶硅太阳 能电池组件参数如表4.1所示:最大工作电压Vm最大工作电流Im短路电流Isc开路电压Voc功率34.4V4.51A4.9A43.2v153W表4.14.3