本文详细介绍了光伏发电的国内外研究背景
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大连理工大学 硕士学位论文 独立运行光伏发电系统的研究 姓名：赵颖 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：李锻 &&&&大连理工大学硕士学位论文摘要随着世界经济的高速发展、人口的增长和科技的进步，传统能源的消耗量越来越大， 这就带来了一系列能源的耗尽和环境污染问题。太阳能作为一种优越的可再生能源而受 到世界各国的重视并具有较大发展潜力。为了进一步提高系统的性能，实现系统的优化 及可靠运行，本文研究独立运行光伏发电系统的结构、工作原理和控制策略。相对并网系 统，这对于国家正大力发展的西部太阳能资源开发来说是具有现实意义的。 首先，本文详细介绍了光伏发电的国内外研究背景，光伏电池的种类、发电原理及 输出特性，并介绍了独立运行光伏发电系统的组成、运行原理和应用，在此基础上论述 了光伏系统常用的ＤＣ／ＤＣ变换电路，负载最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）的方法等人们普遍关 注的问题。融合了上述原理技术，设计一个功率为２５Ｗ的独立运行光伏发电系统。 其次，为减小传统的固定步长的扰动法进行最大功率跟踪的步长大振荡大，步长小 跟踪速度慢的缺陷，本文提出了电压自适应最大功率跟踪算法，其原理是引入了不同的 步长系数，根据功率变量值的大小，确定合适的控制步长进行电压参考值的给定，并在 ＭＡＴＬＡＢ环境下利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具搭建模型进行仿真，仿真结果验证了此种跟踪方法 具有快速性、稳定性和准确性等优点。 最后，搭建硬件电路，通过对电池板的不同安装角度测量得到的数据，得出不同季 节在大连地区安装的不同最佳角度值。设计了２５Ｗ的独立运行光伏发电系统的主电路 及其控制电路，包括光伏电池的选择，Ｂｏｏｓｔ主电路参数、控制电路部分、驱动电路及 其检测电路各模块分别进行了详细的探讨；对独立系统的储能装置蓄电池的充放电电路 进行了设计，利用单片机ｄｓＰＩＣ３０Ｆ３０１１控制电路同时实现了最大功率跟踪和蓄电池的 充电电压、放电极限电压及充电电流的控制，可防止过充过放现象的发生，从而实现独立光伏发电系统的可靠运行。关键词：光伏发电；独立光伏系统；自适应电压算法；ＭＰＰＴ；蓄电池充放电&&&&独立运行光伏发电系统的研究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｔａｎｄ—ａｌｏｎｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｐｏｗｅｒ ＳｙｓｔｅｍｓＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｉｃ，ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆｏｎｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｌｌ ｂｅａｄｅｍａｎｄ，ｗｈｉｃｈ ｂｒｉｎｇｓａＵＳｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈａｓｅｎｅｒｇｙ ｃｒｉｓｉｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ａｓｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｐａｐｅｒ ｈａｓｅｎｅｒｇｙ，ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐａｉｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｍｏｒｅａｎｄｗｉｌｌ ｂｅａｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｎｅｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ．Ｉｎｃｒｅｄｉｂｌｅｒｕｎｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰⅥｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏ ｇｒｉｄｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｆｏｒ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｐｌｏｉｔｕｒｅｏｆ ｗｅｓｔｅｒｎ ｒｅｇｉｏｎ． ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｃａｔｅｇｏｒｙ， Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ＰＶ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＰＶ ｃｅｌｌ．Ｉ ｔ ｍｅｎｔｉｏｎｓ ｔｈｅ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｒｕｎｎｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｗｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ ｓｔａｎｄ—ａｌｏｎｅｃｏｎｃｅｌ’ｎａｂｏｕｔ ｓｕｃｈ ＤＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｏｒａｎｄｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒ ｐｏｍｔｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｕｓｅｄａｆｏｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａ２５Ｗｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｎｅｘｔ，ａ ｉｌｅｗ ａｄａｐｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ＭＰＰＴ，ｔｈｅ ｏｆ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｔｈｅ ｂｅｓｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｃｈａｎｇｅｄｐｏｗｅｒｉｓ ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ．ｓｉｚｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｕｎｄｅｒ Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｆｉｘｅｄ ｓｔｅｐＭＡＴＬＡＢ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ，ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｃｒｅｄｉｂｌｅａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｎｅｗ ＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ．ａＦｉｎａｌｌｙ．２５Ｗｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉＳ ｂｕｉｌｔ．Ｆｒｏｍ ｄａｔｅ ｏｆ ＰＶ ａｒｒａｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｌｏｔ ｏｆ ｗｏｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｏｎｅａｎｇｌｅ．ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｉＳ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ Ｄａｌｉａｎ．Ｔｈｅｒｅ ｉＳ ｄｕｒｉｎｇ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｏｏｓｔ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｈａｒｇｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ＰＶ ａｒｒａｙ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ’ｓｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ；ａｓ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙｄｅｖｉｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔｏｆ ｓｔａｎｄ．ａｌｏｎｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｂａｔｔｅｒｙ’Ｓ ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈｉｐ ｄｓＰＩＣ３０Ｆ３０１ １，ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆａｎｄ ＭＰＰＴｏｖｅｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅｔｉｍｅ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｓ ａｖｏｉｄｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＰＶ；ｓｔａｎｄ－ａｔｏｎｅ ｐｈｏｔｏｖｏｔｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｖｏｔｔａｇｅ ａｔｇｏｒｉｔｈｍ；ＭＰＰＴ；ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ．Ⅱ．&&&&大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名：&&&&大连理工大学硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅．学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。学位论文题目：墅垒垒墅Ｉ宝筮基！圭圭坠幽壁垒抠． 导师签名蕴笾ｉ延作者签名：日期：占型２年—红月２生日日期：２丝翌年—厶月笪日&&&&大连理工大学硕士学位论文１绪论１．１课题研究背景１．１．１人类所面临的能源危机能源是人类社会生存和发展的物质基础，在过去的２００多年中，建立在煤、石油、 天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。然而，人们在物质 和精神生活不断提高的同时，也意识到大规模使用这些化石燃料所带来的严重后果，资 源日益枯竭，环境不断恶化，这些问题已经展现在人们的面前【ｌ】。 由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不 足，不能满足其经济发展的需要，一次能源面临枯竭的危机是大力发展太阳能发电的主 要原因之一。据有关资料显示，按照目前能源的消耗速度，世界一次能源最多只能再用 ２００年左右【２】。而传统获得电能的主要方式需燃烧大量煤炭、石油等石化材料。随着现 代社会发展对能源需求的不断增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源日益枯竭，如不 尽早寻求新的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。而新能源如太阳能、 风能、潮汐能等可再生能源在全球范围的发展让人们在能源危机的焦虑中，得到不少慰 藉。 １．１．２传统能源背后的环境问题 当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨含硫化合物物质抛向天空， 使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨， 严重污染水土。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，仅燃煤产生的Ｓ０２就占了全 国排放总量的２５％，有４８个城市的Ｓ０２超过国家二级排放标准，有８２个城市出现过酸 雨，超过国土面积４０％，其中仅１９９８年酸雨沉降造成的经济损失就约ＧＮＰ（国民生产 总值）的２％。由于污染造成经济损失，２００４年全国环境污染造成经济损失占当年ＧＤＰ 的３．０５％，超过５０００亿。室外空气和水污染对于中国经济造成的健康和非健康损失的 总和每年１０００亿美元（约相当于中国ＧＤＰ的５．８％），因此需要大力提高可再生能源 在能源消费中的比重。而化石燃料产生另一大环境问题是“温室效应一，由于化石燃料燃 烧排放大量的温室气体Ｃ０２而产生温室效应，引起全球气候变化。全世界每天产生约一 亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两 极的冰山，这可能使海平面上升，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁，这一&&&&独立运行光伏发电系统的研究问题己提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开 多次会议，限制各国二氧化碳等温室气体的排放量。 普通燃料能源正在日渐减少，对环境的危害却日益突出。这个时候，全世界都把目 光投向了可再生资源，希望可再生资源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。１．２光伏发电的特性和优势太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一能达到地球范围，约为１７３ｘ１０４亿千瓦。 经过大气的吸收和反射，能够到达地球表面的约占５１％，大约８８ｘ１０４亿千瓦。而能够 达到陆地表面的只有达到地球范围辐射能量的１０％左右，约为１７ｘ１０４亿千瓦。尽管如 此，如果把这些能量利用起来，也相当于目前全球消耗能量的３．５万倍。太阳能作为巨 大的能源资源，其利用的潜能巨大，太阳能与常规能源相比较具有的优势如下： （１）存在的广泛性 虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他 能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常 规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 （２）储量的“无限性” 太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳的寿命至少尚有４０亿年， 相对于短暂的人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。这就决 定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匾乏、枯竭的最有效途径。 （３）利用的清洁性 人类在利用化石燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，如ｓ０２，Ｃ０２等，使环 境受到了破坏和污染。此外，其他新能源中风电、水电、核能、地热能等，在开发利用 的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但太阳能在利用过程中不会给空气带 来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源，加之其储量的无限性，是人类理想的 替代能源。 （４）利用的经济性 从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在使用 太阳能时不会被征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些 太阳能利用已具经济性。虽然太阳能光伏发电一次投入较高，但其使用过程没有耗能， 随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。&&&&大连理工大学硕士学位论文光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。 无论是独立运行还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和 逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电 设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。太阳能作为一种可持续发展的新能源， 与风能、水能、核能等比较，是最理想的可再生能源。如表１．１所示：表１．１可再生能源的特性比较Ｔａｂ．１．１Ｋｅｙ ａｔｔｒｉｂｕｔｅｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ａｍｏｎｇｓｔ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｉｅｓ１．３光伏发电发展现状和前景太阳能是一种不受任何人的控制与垄断，是无私、免费、公平地给予人类的可再生 能源。在常规能源供给紧张和环保压力不断增大的背景下，世界上许多国家掀起了开发 和利用太阳能的热潮，使太阳能的应用领域得到广泛的拓展。１．３．１国外发展现状１８３９年，法国物理学家埃德蒙贝克勒尔意外发现了光伏效应：将两片金属浸人溶液 构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生伏打电动势。他把这种现象称为“光生伏打 效应”（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｅｆｆｅｃｔ），简称“光伏效应”．１８８３年，有人在半导体硒和金属接触 处发现了固体光伏效应。以后，人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件’’。 由于半导体Ｐ．Ｎ结在太阳光照射下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为 “太阳能电池”（Ｓｏｌａｒｃｅｌｌ）。一３一&&&&独立运行光伏发电系统的研究自从１９５４年恰宾（Ｃｈａｒｂｉｎ）等人在美国贝尔实验做出第一块实用光伏电池以来， 虽然太阳光伏发电取得了很大的进步，但与计算机和光纤通讯的发展相比要慢得多。这 是由于人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。２０世纪几 次石油危机和９０年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。太阳能光伏发 电技术的发展过程简列如表１．２所示【３ｌ：表１．２光伏发电技术的发展过程简列Ｔａｂ．１．２ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ＰＶ ｓｏｌａｒ年分成就 法国物理学家埃德蒙贝克勒尔发现了光伏效应 亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应制成第一个。硒光电池”，用作敏感器件 埝墙墒均∞伯鼢∞ 肖特基提出Ｃｕ２０势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能 布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机 奥尔在硅上发现光伏效应均垮均钉虬弘恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为６％。同年， 韦克尔首次发现砷化镓有光伏效应，制成了第一块薄膜太阳电池 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计，美国ＲＣＡ研究砷化镓太阳电池 太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋１号卫星电源 第一个多晶硅太阳电池问世，效率达５％。 硅太阳电池首次实现并网进行 罗非斯基研制出紫光电池，效率达１６％，同年，美国制定新能源发展计划 美国制定新能源开发计划 日本制定太阳能发电“阳光计划” 非晶硅太阳电池问世。同年，非晶硅电池效率达６％￣１０９６ 日本建成１ＭＷ的光伏电站 美国建成７ＭＷ的光伏电站 德国提出“２０００个光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶装３。５ｋＷＰ光伏电池 制定再生新能源发电与公共电力网并网法规（德国） 住宅用太阳光发电系统技术规程（日本）坞均 坞均 均 均 均 均 弱鹃的∞记 Ｍ佰踮 ∞虬舛盯美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，在２０１０年以前为１００万户，每户安装 ３’５ｋＷｐ光伏电池。同年，欧洲联盟计划到２０１０年生产３７亿Ｗｐ光伏电池荷兰政府提出“荷兰百万个太阳光伏屋顶计划”，到２０２０年完成 ＲＰＳ法（新能源法案）（日本）均加加 鸲∞∞美国参议院通过了一揽子减税计划，光伏行业的减税政策（ＩＴＣ）续延２－６年．４．&&&&大连理工大学硕士学位论文从表１．２知，１９９６年以来，世界光伏发电高速发展，表现在几种主要太阳电池效率 不断提高，各国对光伏发电的重视度加大，尤其是各国光伏发电技术的屋顶计划，为光 伏发电展现了无限光明的前途。 据世界能源组织（ＩＥＡ）、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测，２０２０年世 界光伏发电将占总电力的１％，到２０４０年光伏发电将占全球发电量的２０％，按此推算未 来数十年，全球光伏产业的增长率高达２５０／．－３０％，下面为世界各国政府的优惠政策【４，习： （１）德国：德国光伏发电开展始于１９９３年，开始实施是由政府投资支持，被电力 公司认可的１０００屋顶计划，继而扩展为２０００屋顶计划。德国政府并于１９９９年开始实 施１０万太阳能屋顶每户约一户（３ｋＷ．５ｌ（Ｗ）计划。在德国２００４年通过的（．－－Ｉ再生能源 法案》和２００８年实施的“强制光伏上网定价”政策刺激了德国光伏市场的快速发展，使 得德国市场的总装机容量从２００６年至今一直稳居全球首位。 （２）日本：日本于１９７４年开始制定光伏发电“阳光计划”，投资５亿美元，一跃 成为世界太阳能电池的生产大国，１９９４年提出住宅用太阳光发电系统技术规程，也称“朝 日七年计划”，计划到２０００年推广１６．２万套太阳能光伏屋顶，现已完成。１９９７年又宣 布７万光伏屋顶计划，２０１０到年将安装７６００ＭＷ发电能力的太阳能电池。日本政府２００８ 年１１月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到２０３０年的发展目标 是要达到２００５年的４０倍，并在３．５年后，太阳能电池系统的价格将降至目前的一半左 右。２００９年还专门安排３０亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。 （３）美国：美国政府最早制定光伏发电的发展规划，１９９７年又提出“百万屋顶”计 划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已达到 ３０００ＭＷ以上，美国连续三年光伏产业均高于３０％的年增长率上升，其主要原因是光伏 组件并网应用和政策激励。２００８年９月１６日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其 中将光伏行业的减税政策（ｒｒｃ）续延２．６年。预计２００８～２０ｌＯ年美国新增光伏装机容 量将增加２６００ＭＷ。 西班牙、瑞士、法国、意大利、荷兰等国也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行 技术开发和加速工业化进程。印度等发展中国家，也制定了国家的光伏发展计划，而且 发展迅速。 世界光伏发电高速发展，光伏的装机量也在大幅上升，如图１．１所示。从２００１年至 今，世界光伏总装机量年增幅保持在２５％，－．４０％之间，截至２００８年底全球累计装机量已 达到１５０００ＭＷ；并预计于２０１０年突破２００００ＭＷ，从世界经济角度看，太阳能光伏发 电绝对是一项有发展前景，值得研究的课题。一５一&&&&独立运行光伏发电系统的研究２００ ｌ ２００２ ２００３ ２００４ ２００５ ２００６ ２００７ ２００８ ２００９ ２０ ｌ ０年份图１．１全球光伏累计装机容量及其增速Ｆｉｇ．１．１ＥＥＦｉｇｕｒｅ ｏｆ ｇｌｏｂｌｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｒａｔｅ１．３．２国内发展现状从科学原理角度看，太阳能光伏发电技术将太阳能直接转换为电能，是最具有应用 前景的太阳能利用方式之一，将逐步成为我国能源的绿色支柱，从补充能源成长为替代能源１６１。中国太阳能资源非常丰富，据估算，中国陆地表面每年接收的太阳辐射能约５０×１０璩 千焦，约相当于１７００亿吨标煤。全国各地太阳辐射总量达３３４０．８４００兆焦／（米２?年）． 从全国太阳能辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、 河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南东 部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能辐射总量都很大。尤其是青藏高原地 区最大，这里平均海拔高度在４０００米以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日 照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，１９６１．１９７０年间的年平均日照时数为 ３００５．７小时，相对日照率为６８％，年平均晴天为１０８．５天，阴天为９８．８天，太阳总辐 射为８１６０兆焦／（米２?年），比全国其他省、区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵 州两省的太阳年辐射总量为最小，其中尤以四川盆地为最小，那里雨多、雾多，晴天较 少。例如素有“雾都””之称的成都市，１９６１．１９７０年，年平均日照时数仅为１１５２．２小 时，相对日照率为２６％，年平均晴天为２４．７天，阴天达２４４．６天。其它地区的太阳年辐 射总量居中。所以太阳能资源在中国进行开发利用的潜力非常广阔。&&&&大连理工大学硕士学位论文我国有荒漠面积１０８万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区。１平方公 里面积可安装１１３０兆瓦光伏砗列，每年可发电１．５亿度；如果开发利用１％的荒漠，就 可以发出相当于我国２００３年全年的耗电量。在我国电力干线周围有适合于大规模安装 光伏发电开发的浩瀚荒漠．开发利用荒漠太阳能资源对于我国有着深远的战略意义。 中国光伏发电产业始于于２０世纪７０年代，９０年代中期进入稳步发展时期。太阳电 池及组件产量及其装机容量逐年稳步增加。图１．２为我国光伏年装机量和累计装机量图， ２００８年，我国装机容量达到２０ＭＷ，截至２００８年底，光伏系统累计装机总容量已达到 １１５ＭＷ，预计在２００９年装机量为ＩＯＯＭＷ，累计装机量达到２２５ＭＷ。鼍１０篓：二ｊ ｊ ｊ ｉ Ｉｉ Ｊｊ图ｉ ２国内年装机量与累计装机量１９９５年２０００年２００２年２００４年２００５年２００６年２００７年２００８年２００９Ｅ经过３０多年的努力，已迎来丁快速发展的新阶段。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，中国光伏发电产业迅猛发展。 光伏发电技术在我国应用的近几十年中，太阳能发电走过了从空间应用、地面小规 模应用到现在的地面较大规模利用时代，从２０００－２００２年，特别是２００２年基本解决了 全国近８００个无电乡的乡政府用电问题。规模如此之大，在国际上也是空前的。在接下 来的２－３年内，我国解决了１１５９２个自然村和１６８８９个行政村的用电问题。由于所有的 这些村庄都处于偏远地区．十分分散，只能建造独立的太阳能发电系统， 在“九五”和“十五”攻关计划中初步开展了屋顶并网光伏发电系统的技术开发和试点 示范研究，并取得进展。在深圳和北京分别建成了１００ｋＷｐ、５０ｋＷｐ、１７ｋＷｐ、７ｋＷｐ&&&&独立运行光伏发电系统的研究和５ｋＷｐ的光伏屋顶并网发电系统并成功实现了并网发电。表１．３列举了我国光伏产业 发展历程中的一些重要事件：表１．３中国光伏发展过程简略Ｔａｂ．１．３ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ＰＶ ｓｏｌａｒ年份１９５８ １９７１成就开始对光伏电池的生产和应用进行研究成功的将光伏电池应用到东方红二号卫星上 光伏组件年产量ＩＯＫＷ左右，建立示范工程如微波中继站、军队通信系统、小型用户及 偏远地区用独立光伏发电系统８０年代“七五”期间２００２ ２００４２００５加大对光伏发电系统的研究和生产的投入，从国外引进多条光伏电池生产线，生产能力从原来每年ｌＯｋＷ发展到每年４．５姗 “西部省区无电乡通电计划”启动，共计安装了１６．５姗的光伏发电系统，西部７８０个乡的无电问题得到解决 广东首座总容量为兆瓦的太阳能发电系统在深圳通过验收 甘肃《敦煌兆８瓦并网光伏发电系统建设预可行性报告》通过专家评审 上海有关部门制订（２００５－２００７年上海开发利用太阳能行动计划》２００７ ２００８２００９．３甘肃敦煌ＩＯＭＷ光伏电站、青海柴达木佣级光伏电站、云南１６６ＭＷ光伏电站等启动中国财政部颁发了‘太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》新能源的发展一般要有两个条件，一是光伏发电成本的变化，二是政府对于光伏产 业发展的支持力度，二者是相辅相成的。原材料硅的价格不断下降，多晶硅每公斤的现 货价格已经由高位时的４００美元以上降到了１００多美元，而薄膜硅的价格更加的令人瞩 目。到２０２０年前，随着成本将不断下降，政府扶持政策的不断推出，我国太阳能光伏 发电产业将会得到不断的完善和发展，２００５．２０１０年，我国的太阳能电池主要用于独立 光伏发电系统，到２０１０年，发电成本将约为每峰瓦１．２元，而２０１０－２０２０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，发电成本到年将约为Ｏ．６元每峰瓦。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ｒ７１。１．４本课题的研究任务本课题的任务是研究并设计一套独立运行光伏发电系统，其目的主要是解决小功率 系统独立运行系统工作的可靠性和准确性。本文完成了光伏的系统拓扑，主控电路及其 外围电路的硬件电路的设计。 本课题的主要任务&&&&大连理工大学硕士学位论文（１）查阅大量的光伏发电的应用背景材料，掌握了光伏发电系统的国内外发展状 况。 （２）基于独立运行光伏系统的工作原理，在分析了传统固定步长扰动跟踪的缺点 之后，为实现系统的稳定输出，提出了基于功率变化调节具体的参考电压的自适应电压 法的最大功率跟踪技术，并在ＭＡＴＬＡＢ环境下进行模型搭建和仿真。仿真结果证明了 跟踪方法的可行性。 （３）测量电池板不同安装角度下的输出特性，得出在不同季节大连地区安装的最 佳角度。对独立发电系统进行设计，设计一个可以给２４Ｖ蓄电池充电的Ｂｏｏｓｔ升压电路； 为获得性能稳定的光伏发电系统，对系统的最大功率跟踪电路和蓄电池充放电电路进行 设计，验证仿真采用的控制方法可行性。一９一&&&&独立运行光伏发电系统的研究２光伏发电系统的概述光伏发电系统由光伏电池、ＰＷＭ控制电路、ＤＣ／ＤＣ变换电路、蓄电池和逆变器等 部分组成，２．１本章主要是对各组成部分的分类及其工作原理进行分析介绍。光伏电池的分类光伏电池按制造材料不同可以分成以下几种类别【８】： （１）晶体硅光伏电池。主要包括单晶硅（ｓｃ－Ｓｉ）太阳电池，多晶硅（ｍｅ．Ｓｉ）太阳能电池和薄膜晶体硅太阳能电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成 本较高；铸造多晶硅太阳能电池制造工艺没单晶硅要求那么严格，价格比单晶硅便宜， 具有稳定的转换的效率，而且性价比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只处于研发 阶段。硅系列太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，单晶 硅和多晶硅的比例已超过８０％，而这一发展趋势还在继续增长。硅是最理想的太阳能电 池材料，硅太阳电池占世界电池总产量比例大于９８％。晶体硅电池，特别是多晶硅电池 应用呈逐年上升趋势。 （２）非晶硅太阳能电池（ａ－Ｓｉ、ａ－Ｓｉ／微晶硅）．非晶硅光伏电池资源丰富，制造过 程简单，而且制造能耗低，所以作为低成本的光伏电池引人注目。目前其转换效率比单 晶硅光伏电池的稍低。 （３）化合物半导体光伏电池。化合物半导体光伏电池有ＩＩＩ．Ｖ族，以无机盐如砷化 镓ＩＩＩ．ｖ化合物、硫化镉、铜铟硒（ＣＩＳ）等多元化合物为材料的电池；砷化镓光伏电池 转换效率很高，但存在资源缺乏、有公害等问题。 （４）纳米晶太阳能电池等。纳米晶化学太阳能电池（简称ＮＰＣ电池）是由一种窄 禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的。窄禁带半导体材料采 用过渡金属Ｒｕ等有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多空Ｔｉ０２并制成电极， 此外ＮＰＣ电池还选用适当的氧化一还原电解质。目前其转换效率为７－８％，使用寿命却 能达到１５年左右，成本却是硅太阳电池的１０．２０％，所以受到人们的广泛关注。纳米晶 Ｔｉ０２工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧 邻的Ｔｉ０２导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入Ｔｉ０２导带中的电 子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。纳米晶Ｔｉ０２太阳能电池优点在于它廉 价的成本和简单的工艺及稳定的性能。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，走上市 场估计还需要相当长的时间【９１。表２．１为目前不同材料的太阳能电池效率、价格、可靠 性及市场占有率比较，目前来看，多晶硅的性价比最佳。&&&&大连理工大学硕士学位论文表２．１目前不同材料的太阳能电池效率、价格、可靠性及市场占有率比较Ｔａｂ．２．Ｉ Ｃｏｍｐａｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｃｏｓｔ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＰＶ ｓｔｕｆｆ２．２太阳能电池发电原理如图２．１所示，在本征半导体硅或锗中添加磷原子，磷原子结构最外层有５个价电 子，４个价电子分别与邻近４个硅原子形成共价键结构，多余的１个价电子在共价键之 外，并是每掺入１个磷原子就会可产生１个自由电子，而本征激发产生的空穴数目是基 本不变的。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为 多数载流子，空穴则为少数载流子，这种半导体简称１１型半导体，如图２．１（ｂ）所示。 在硅或锗中掺入少量的如硼等３价元素，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子占据 晶格上的某些位置，如图２．１（ｂ）所示。与ｎ型半导体正好相反，多数载流子为空穴， 少数载流子为电子，参与导电的主要是空穴，这种半导体简称Ｐ型半导体。 太阳电池发电原理是半导体ｐ－ｎ结的光生伏打效应，所谓光生伏打效应，就是当物 体受到光照时，物体内部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。即 当Ｐ型材料和ｎ型材料相接，将在晶体中Ｐ型和ｎ型材料之间形成界面，即一个ｐ－ｎ结。 如果光线照射在太阳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。电子向带正点的ｎ区和空穴向带 负电的Ｐ去运动，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电 压。通过光照在界面层长生的电子．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越大，实现过程原理如图２．１（ｃ．ｅ） 所示。&&&&独立运行光伏发电系统的研究（ａ）ｒｌ型半导体（ｂ）Ｐ型半导体空ｏ电ｅ。ｏ① ｅｏ ｅ ｏ①ｅｅ①ｏ ｏ ｏｅ ｏ ｏ ｅ～（ｃ）太阳能半导体晶片．１２．&&&&大连理工大学硕士学位论文ｏ ｍ ９ ｏ爪④ 小④尘ｍ两爪囱一ｍ丫ｕ爪④ 小④曷Ｐｍ两爪６∈ｎ詈毒飞ｐ∈Ｄ。≮了（ｄ）晶片受光后空穴和电子移动Ｐ区正电极导线 （ｅ）晶片受光后电流输出方向 图２．１光伏发电原理过程Ｆｉｇ．２．１Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆＰＶ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ２．３光伏电池等效电路由于光伏电池的输出与外界的环境温度和光强呈高非线性，分析时需要将阵列转化为其等效电路，图２．２是光伏电池等效电路，其中‰是漏电阻；尺。是串联电阻，它是构成光伏电池的半导体体电阻和电极电阻等电阻的和。在恒定光照下，一个处于工作状 态下的光电池，其光电流矗不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载毗，同时在负载两端建立起端电压魄，此电压反过来又正向偏置于ＰＮ结二极管，引起与光电流反向的暗电流矗。由于太阳板前表面和背表面的电极 和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗， 在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻风来表示；同时，由于电池边沿的漏电， 在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路， 这种作用可用一个并联电阻Ｒｓｈ来等效。&&&&独立运行光伏发电系统的研究）Ｊ ５昆图２．２光伏阵列的等效电路Ｆｉｇ．２．２Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆＰＶ ｓｏｌａｒ根据图２．２，就可以得到输出电流凡与输出电压观之间的关系：，Ｌ＝，ｐｈ一｝一，ｄ式中暗电流ｊｌＩ应为ＰＮ结电压Ｕ的函数，而Ｕ又与输出电压觇存在函数关系。Ｕ＝Ｕ Ｌ＋，Ｌ Ｒ。（２．１）（２．２）经理论计算和大量的实验证实厶均可整理成指数形式如下：篁ｉ坚￡±！ｋ墨ｌ ２Ｉ ｄ－－．Ｉｏ（ｅ槛７’一１）（２．３）其中，力是二极管指数；Ｉｏ是反向饱和电流；Ｋ是玻耳兹曼常数（１．３８Ｘ１０。２３Ｊ／Ｋ）：Ｔ 是绝对温度（Ｋ），ｑ是单位电荷。 将上式整理后得Ｎ－，，＝ｋ“ｌ ，￡＝，ｐｌ一，。ｌ２．３．１ｅ掣一１ Ｉ一．竺点±丝 Ｉ一二。宁ｅ”置ｒ一１（２．４） ‘２?４’太阳能电池的特性太阳能电池的输出特性如图２．３所示。光伏电池起着能源转换的的作用，它将太阳 能转换为电能。由上述公式可知，当光伏电池组件短路时，即ＵＬ－－－’Ｏ时，此时的电流为短路电流妣；当电路开路时，Ｉ＝０，此时的电压为开路电压‰；当光伏电池两端的电压从０上升时，例如逐渐增加负载电阻或组件的电压从０（短路条件下）开始增加时， 在光辐射恒定的条件下，开始光伏电池的输出电流几乎不变，输出功率不断增加。当电池电压增加到一定值时，输出电流开始变小，输出功率达到一个最大值％，即最大功&&&&大连理工大学硕士学位论文率点，之后随着电池电压的升高，输出电流和功率都不断变小，最后输出电流减为０，电压达到最大值即开路电压魄。最大功率点所对应的电压为最大功率点电压％（又称最大功率电压），对应的电流为最大功率点电流Ｉｍ（又称最大功率电流）。在太阳能 电池的输出特性上【１０１，下面几个参数是特别重要的： （１）短路电流ｋ当太阳能电池处于短路状态时，负载端电压ＵＬ＝０，则氏吼（２）开路电压％当太阳能电池处于开路状态时，由于Ｉ＝０，同时忽略了太阳能电池串并联电阻，负载端电压巩为开路电压魄，可得：‰＝半?ｎ睁１０－）ｇ（２．５）ｋ夕Ｉ｜入Ｐ／Ｗ 输ｋ输出 电 矗流出 功 率％输出电压魄Ｕ／Ｖ图２．３太阳能电池的输出特性Ｆｉｇ ２．３Ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆＰＶ ｓｏｌａｒ（３）最佳工作电压％、电流厶如图２．２所示，调节负载电阻胤到达某一值尺时，在曲线上得到一点Ｍ，对应的工作电压和工作电流之积最大，即输出功率最大。Ｍ点称为太阳能电池的最佳工作点，‰称为最佳工作负载，％称为最佳工作电压，ｋ为最佳工作电流。 （４）最大功率点功率‰在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率凡‰×Ｕｍ（２．６）&&&&独立运行光伏发电系统的研究（５）太阳能电池效率１１ 通常采用最大工作点的效率作为太阳能电池的效率。Ｔ１＝生＝坠＝—ＦＦＵ—ｏ＆ｃ ４瓦 ４圪１（２．７）４圪式中：Ａｔ：包括栅线在内的太阳能电池总面积；最＝ｆ。（九）等ｄ九：单位面积入射光功率；踊太阳能电池的填充因子（６）太阳能电池的填充因子ＦＦＦＦ：ＵＬ．；土ｌ◇；１０豫（２．８）对于太阳能电池来说，填充因子是一个重要的参数，他可以反映太阳能电池的质量， 太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系数越大，反映到太阳能电池的电流 ．电压特性曲线上，曲线就越接近正方形。此时太阳能的转换效率就越高。 ２．３．２太阳能电池随环境变化的输出特性 由于光伏电池的输出受外界环境如温度和光照强度的影响，光伏输出具有明显的非 线性‘１１】，图２．４是在光照强度为１０００Ｗ／ｍ２条件，不同环境温度光伏电池的伏安特性和 伏瓦特性曲线。图２．５为电池温度为２５℃，不同光照强度下的光伏电池的伏安特性和伏瓦特性曲线。在衡量光伏电池组件的性能时需用到峰值功率，其单位是峰Ｅ（Ｗｐ）。为在标准条件下 （光谱幅照度１０００Ｗ／ｍ２，光谱ＡＭｌ．５，电池温度２５”（２），光伏电池组件所输出的最大功率值。&&&&大连理工大学硕士学位论文Ｓ璃 脚（ａ）（ｂ）图２．４不同温度下光伏电池的输出特性曲线Ｆｉｇ ２．４Ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅ ｏｆＰＶ ｓｏｌａｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ‘ｊ爨羽电压ｕ（Ⅵ （ａ） （ｂ）图２．５不同光照下光伏电池的输出特性曲线Ｆｉｇ ２．５Ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅ ｏｆＰＶ ｓｏｌａｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ—１７一&&&&独立运行光伏发电系统的研究２．４光伏系统的分类及利用光伏系统主要分为独立运行光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型光伏发电系 统三类。２．４．１光伏系统的分类（１）独立运行光伏发电系统 独立运行光伏发电系统总结构如图２．６所示，一般由光伏阵列、控制器、、蓄电池 和逆变器等组成。独立运行系统中，电能的唯一来源是太阳能电池阵列。为保证稳定性 和运行效率，系统必须配备蓄电池来储存和调节电能，当在夜晚或日光不强等外在条件 影响下，太阳能电池不能为负载提供足够的能量时，蓄电池向负载提供能量以保证电能 稳定。当日光充足时，系统输出多于负载所需要的能量时，蓄电池将贮存多余的电能【１２１。图２．６独立运行发电系统结构框图Ｆｉｇ．２．６ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ＠ｙ）ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ（２）并网光伏发电系统 并网光伏发电系统如图２．７所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起 很重要的作用，要求具有与电网连接的功能【ｌ引。 目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同处在于是否带有蓄电池作 为储能环节。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系 统，这类系统工作时，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同 频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照，光伏系 统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超 过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。 带有蓄电池储能环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此 系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使系统具有不间断电源的作用。这对于一些&&&&大连理Ｔ大学硕七学位论文重要负荷甚至某些家庭用户的紧急情等来说具有重要意义。另外，该系统还可以充当功 率调节器，起到稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量等作用。图２．７并网光伏发电系统结构图Ｆｉｇ．２．７ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｖ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ（３）混合型光伏发电系统【１４Ｊ光伏发电系统与其他发电系统，如风力发电，染料电池发电等组合而成的系统称为 混合型发电系统。如果将其与电力系统并网则成为混合并网发电系统。该系统适合于太阳能电池电力输出不稳定，需要使用其他能源作为补充的情况。①风光互补型发电系统 风力发电和光伏发电不通过蓄电池储存能量，而是通过逆变器与电力系统并网，一 般把这种系统叫做风光互补型并网发电系统。图２．８为风光互补型并网发电系统的结构 图，在该系统中，利用风力发电与光伏发电的互补型，负载优先使用风力发电和光伏发电产生的电能，当供电不足时由电力系统供电，而当有剩余电能时则送往电力系统。②太阳能光伏、燃料电池的并网系统 图２．９为太阳能光伏、燃料电池的并网系统。它由太阳能光伏系统、燃料系统、供 热系统和负载构成，燃料电池使用煤气作为燃料。该系统可以综合利用能源，提高能源综合利用率，将来可发展为个人住宅使用。太阳能光伏、燃料电池并网系统由于使用了燃料电池发电，因此可以节约电费，明显降低二氧化碳的排放量，减少环境污染。图２．８风光互补型并网发电系统Ｆｉｇ．２．８ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙＳｔｅｍ&&&&独立运行光伏发电系统的研究图２。９太阳能光伏、燃料电池并网发电系统Ｆｉｇ．２．９Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＰＶ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ２．４．２独立运行光伏系统的应用独立光伏系统为发展偏远地区基础设施和改善人们生活质量发挥着积极有效的作 用。据资料显示，国内光伏市场组成中，独立运行系统占据了８７％。主要用于两大方面， 一是通信工程和工业应用，包括微波中继站，部队通信系统，卫星通信和卫星电视接收 系统，铁路公路信号系统，气象、地震台站，水闸和石油管道阴极保护等；二是农村和 边远地区应用，包括独立光伏电站，小型风光互补发电系统，太阳能户用系统，太阳能 路灯，水泵等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。鉴于我国边远山区多、 海岛多的特点，独立运行的光伏发电系统仍然有着广大的市场。（１）户用光伏发电系统户用系统主要指为主要供给无电，缺电的家庭和小单位以及野外流动工作的场所使 用的小型的离网独立光伏发电系统，行业内经常称之为太阳能小电源，太阳能家用电源 系统等。国外一般称之为“ｓｏｌａｒｈｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ”。白天，发电系统对蓄电池进行充电；晚间，发电系统对蓄电池所存的电能进行逆变 放电，实现对住户负载的供电。户用光伏系统的选用容量发达国家一般选择几百瓦或者 上千瓦，国内或发展中国家一般在几十到几百瓦，主要用于照明和小型家电。如对供电 能力和稳定性要求较高，并且对供电要求较大的独立户用系统，一般需要在直流母线上 连接蓄电池来稳定供电电压，同时兼作晚间和阴雨天气间的供电。一般来说，户用光伏 系统容量相对较小，其应用技术也相对简单，用途多为单一的简单目的，其供电可靠性、稳定性要求相对不高。户用光伏发电系统不仅解决了部分无电人口的供电问题，还对边远地区的通讯问题 做出了巨大贡献，促进了贫困地区脱贫致富，经济和生态环境的协调发展。 （２）独立光伏电站&&&&大连理工大学硕士学位论文独立光伏电站也称为孤立光伏电站。主要应用于远离常规电网和一些特殊用途处 所，可分为两类。 ①村落独立光伏电站其特点是在这种发电系统中，除了各种光伏发电设备外，一定要 配备输出电网。电网在一定范围内成独立体系的，通常电压为交流２２０Ｖ或３８０Ｖ。该系 统适合为几十公里范围内用户相对集中的偏远农村、牧区、海岛、渔民提供照明、看电 视和听广播等基本生活用电。 ②公共用独立光伏电站 与村落独立光伏电站相比，公共用光伏电站无输出电网，发电系统直接供电给负载。 通常为通信中继站、输油或输气管道阴极保护、气象站台、边防哨所等提供电源。 （３）风光互补发电 风力发电和光伏发电都受自然条件、天气等条件限制，带有一定的局限性，但它们 之间存在一定的互补性。一般来说，白天只要天气晴好，光伏系统就能正常发电运行， 夜间光伏系统停止发电。而我国西部地区气候特点经常是白天风力小、夜间风力大，因 此两者发电正好构成一定的互补关系。另一方面，风力由于其能量密度相对较高，发电 功率可以做得大，现在风力发电机组的容量可达兆瓦级。风力发电单位装机容量的建设 成本比光伏发电低许多，但其发电稳定性比光伏发电要差。从稳定性考虑，风能是不稳 定的能源，如果没有储能或与其他发电装置互补运行，风力发电本身很难提供稳定的电 能输出。为了解决风力发电稳定供电的问题，目前国内外比较一致的作法是采用风光一 体化发电。按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例可以达到最佳的经济目标， 同时还可以大幅度减小蓄电池组的容量。当风光互补系统的资源、设备、运行模式、供 电能量调度与管理、负载等进行合理设计与匹配后，发电系统得以优化，基本上可以依 赖风力和光伏发电，而不需要其他发电机进行补偿。２．５光伏系统的最大功率跟踪２．５．１原理太阳能电池板的输出具有非线性特性，而且输出受光照强度、温度和负载特性影响， 实时调节太阳能电池板输出电压，使之工作在最大功率点电压处以使太阳能电池板输出 功率达到最大值，这个过程即最大功率点跟踪。由于光伏电源装置原始投资高，并且光 伏电池转换效率较低，所以需要使装置的效率最大，而使光伏电池始终工作于最大功率 点上是一个提高效率的主要途径，因此进行最大功率跟踪控制是光伏发电系统所必需采 取的措施。&&&&独立运行光伏发电系统的研究通常最大功率跟踪方法都是通过控制功率变换器来实现的，功率变换器可以是 ＤＣ／ＤＣ变换器，也可以是ＤＣ／ＡＣ变换器，通过ＤＣ／ＡＣ变换器实现最大功率跟踪由于 变换器同时还要实现并网逆变，控制相对比较复杂。本文主要研究ＤＣ／ＤＣ转换来实现 最大功率点跟踪，光伏电池所接的等效负载就是ＤＣ／ＤＣ变换器的等效负载，调节ＤＣ／ＤＣ 变换器的占空比实现对光伏电池的负载的调节，即可调节光伏电池输出电压，从而实现 最大功率跟踪的目的。常规电气设备中，为使负载获得最大功率，通常进行恰当的负载 分配，是负载电阻等于供电系统的内阻，此时负载上就可以获得最大功率，如图２．１０ 所示。图２．１０简单的线性电路图Ｆｉｇ．２．１ ０ Ｇｒａｐｈ ｏｆ ｌｉｎｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ图中Ｍ为电源电压，恳为电源内阻，尺Ｌ为负载电阻，则负载上消耗的功率为广—，１２足。“２＆－－〔石Ｕｉ石Ｉ×ＲＬ式中酗，扁均是常数，对凰求导可得Ｑ内’鱼：配些蛾１假蝇）’（２．１０）即墨＝＆，最．取得最大值，对于一些内阻不变的供电系统，可以用这种外阻等于 内阻的简单方法获得最大输出功率。但是在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻 受日照强度、环境温度和外阻的影响，因而在不断的变化之中，从而不能用上述简单方 法来获得最大功率输出，目前采用的方法在太阳能电池阵列和负载之间加一个ＤＣ／ＤＣ 变换器，通过改变ＤＣ／ＤＣ变换器中的功率开关的导通率，从而实现最大功率的跟踪。 虽然光伏电池和ＤＣ．ＤＣ转换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。从图２．１０可以看出：当Ｒｉ＝ＲＬ时，ｌｈ两端的电压为Ｕｉ／２。这表明：若胤端&&&&大连理工大学硕士学位论文的电压等于Ｕ．／２，最。同样也是最大值。因此，在实际应用中，可以通过调节负载两端 的电压，来实现光伏电池的ＭＰＰＴ，其原理如图２．１１中，实直线为负载电阻线，虚曲线 为等功率线，／ｓｏ为光伏电池的短路电流，Ｕｏｅ为光伏电池的开路电压，Ｐｍ为光伏电池 的最大功率点。厶厶ｋ图２．１ｌ调节负载电压实现最大功率跟踪Ｆｉｇ．２．１ ｌＭＰＰＴ ｔｒａｃｋｉｎｇｕｎｄｅｒ ａｄａｐｔｉｎｇ ｌｏａｄ ｖｏｌｔａｇｅ将光伏电池与负载直接相连，光伏电池的工作点由负载电阻限定，工作在Ａ点。从 图２．１１可以看出，光伏电池在Ａ点的输出功率远远小于在最大功率点的输出功率。通 过调节输出电压的方法，将负载电压调节到观处，使负载上的功率从Ａ点移到Ｂ点。 由于Ｂ点与光伏电池的最大功率点在同一条等功率线上，因此光伏电池此时有最大功率 输出。 最大功率点跟踪的算法有很多种，常用的有：恒压跟踪法、功率回授法、扰动观察 法、电导增量法、直线近似法、实际测量法等；另外还有近年来新兴的模糊逻辑控制方 法等等。本文主要针对恒压跟踪法、扰动观察法和电导增量法进行简单的介绍。 ２．５．２常用的Ｄｃ／ＤＣ变换电路 ＤＣ／ＤＣ变换电路，亦称直流斩波电路，其工作原理是通过调节控制开关，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，其中二极管起续流的作用， 三为能传递电感，Ｃ为滤波电容【１５】。一般工程上常用的变换电路主要有：降压式（Ｂｕｃｋ）、&&&&独立运行光伏发电系统的研究升压式（Ｂｏｏｓｔ）、升降压式（Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ）、库克式（Ｃｕｋ）变换电路。下面就这几种 常用的变换电路拓扑来分析一下ＤＣ／ＤＣ转换电路的工作原理。 （１）Ｂｏｏｓｔ变换电路图２．１２升压电路拓扑Ｆｉｇ．２．１２ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆＢｏｏｓｔ ｃｉｒｃｕｉｔＢｏｏｓｔ变换电路属于并联型开关变换电路，又称升压变换电路。升压斩波电路输出 直流电压平均值可以比电源输入的直流电压高，原理如图２．１２所示，三为电感，Ｃ为电 容，二极管作用是防止方向放电，设器件均处于理想状态，当功率开关导通时，输入电 流流过电感，电感中的电流呈指数上升，如图２．１３所示。而二极管截至，电流为０，直 流电源将能量均储存在电感Ｌ中，负载端的电流由电容ｃ２来维持，如果负载电流较大， 则电容两端电压即为负载两端电压骗。当开关关断时，电源和电感储能同时向电容和 负载供电，电容从放电状态转变为充电状态。．／ ‘＼． ／ ‘＜． ．／Ｔ０ｆｆ图２．１３Ｆｉｇ．２．１３Ｂｏｏｓｔ电路电感电流变化ｃｈａｎｇｅ ｇｒａｐｈ ｏｆＢｏｏｓｔ ｃｉＩ’ｃｕｉｔｃｕｒｒｏｎｔ充电过程中：ｑ＝三罢＝工会｝ｃ２．，?，&&&&大连理工大学硕士学位论文放电过程中： 整理得：虬小。三≯差砜＝是＝羔（２．１２）（２．１３）式中，０【＝粤为占空比，占空比Ｑ＜ｌ，可见电路输出平均电压砺大于输入直流电压 二ｆ弧，该斩波电路具有升压功能。这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压 低的情况，所以本文选择此种电路拓扑结构。 Ｂｏｏｓｔ有输入电流连续，可以将输出电压升高变换，效率高，且电路的结构和控制 比较简单等优点。但由于Ｂｏｏｓｔ电路的不足之处是其输入端电压较低，在同样功率下， 输入电流较大，因而会带来较大的线路损耗，但Ｂｏｏｓｔ电路具有独特的优点，仍然是 一种吸引人的方案【１６１。 （２）Ｂｕｃｋ变换电路 图２．１４为Ｂｕｃｋ电路拓扑结构，Ｂｕｃｋ电路属于串联型开关变换电路，又称为降压 变换电路。降压斩波电路工作跟功率开关管和二极管是否导通情况相关，当功率开关管 导通时，电源电压对负载供电，二极管截止，电感电压Ｕ：Ｄ，＝ｍ－Ｕｏ作用下，在电感电流 按指数规律上升，电感储能增加。当功率开关管关断时，二极管导通，电感释放储能， 电感电流经二极管并呈指数下降，负载电流为电感电流与电容电流之差。负载端电压为：ｔＵｏ＝堕ｒｐ％＝ａ玩上（２．１４）因为ａ＜ｌ，则Ｂｕｃｋ具有降压斩波功能。所以这种变换器适合用于太阳能光伏阵列 输出端电压高而蓄电池电压低的情况。 由于Ｂｕｃｋ电路连续向负载供电、间断从电源取电，因此需要在光伏电池板输出端 并联储能电容器Ｃ以保证光伏阵列输出电流的连续。然而在大功率情况下，储能电容始 终处于大电流充放电状态，对其工作的可靠性不利，同时由于储能电容通常为电解电容， 使Ｂｕｃｋ电路无法工作在更高的频率下，并且增大了ＭＰＰＴ装置的体积，使整个系统 变得笨重【１７】，对于小的便携系统而言，这是很大的缺点。&&&&独立运行光伏发电系统的研究一上Ｉ．Ｌｔ￡＋厂＋ｌ儿ｓ｜‘ ｆ／ｊ＜一Ｑ＿“一 一Ｇ土一ｉ＜图２．１４Ｆｉｇ．２．１４Ｂｕｃｋ电路拓扑Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｂｕｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ（３＞Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换电路 Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换电路拓扑如图２．１５所示。在该电路中，电感三和电容Ｃ数值都很 大，使电感电流和电容电压即负载电压基本恒定，电路基本原理：当开关导通而二极管 截止时，电源电压经开关流过电感并使其获得储能，此时电流方向如图所示。同时，滤 波电容Ｃ２维持输出电压基本不变向负载供电。当开关关断，电感三中储存的能量转向 电容及负载释放，电流仍为原方向，并将二极管导通，形成回路，负载电压极性为上负下正，与电源极性方向相反，与上述的升压斩波电路和降压斩波电路的情况相反，因此 该电路也称为反极性斩波电路。我们可以通过控制开关Ｓ的导通比仅，即可控制输出电压比电源电压高，也可比电源电压低，当０＜ａ＜ｌ／２时，为降压，当Ｉ／２＜ａ＜ｌ时为升压。 因此该电路称为升降压斩波电路。．．．１．．．．Ｉ．，丫｛一ｓ几——－ｆ【＋—— ｌ“ｎＧ—／。 ＼Ｑ妫＜＋彳图２．１５Ｆｉｇ．２．１５Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ电路拓扑Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆＢｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ ｃｉｒｃｕｉｔ（４）Ｃｕｋ变换电路&&&&大连理工大学硕士学位论文图２．１６Ｆｉｇ．２．１ ６Ｃｕｋ电路拓扑Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｕｋ ｃｉｒｃｕｉｔＣｕｋ拓扑结构如图２．１６所示，前面所述的降压、升压、升降压斩波电路都比较简单， 各有特色。Ｃｕｋ斩波电路则结合了他们的优点，可同时实现输入电源电流和输出负载电 流都是连续的，并且保证脉动很小，波形基本达到平直；同Ｂｏｏｓｔ电路一样，其主开关． 器件的发射极接地，驱动电路比较简单；其输出电压可在Ｏ～∞之间变化。 ２．５．３恒压跟踪法 人们最早对ＭＰＰＴ技术的研究是将多个太阳能电池按不同的并联和串联的排列方 式组合起来，在特定的外界环境和负载的情况下，通过改变太阳能电池的排列方式，可 以达到较大功率的输出。随后出现定电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法、模糊控制 法、自适应方法和神经网络预测法等。最大功率点跟踪控制倍受人们的关注，研究出各 种方法【１８，１９〕． 恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式， 它属于一种曲线拟合方式，其工作原理是：当忽略光伏电池的温度效应时，光伏电池的 最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似 地看成电压Ｕ＝ｅｏｎｓｔ的一根垂直线，如图２．１７所示，亦即只要保持光伏电池的输出端电 压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下 光伏电池输出功率最大。把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪（ＣｖＴ），这就是ＣＶＴ 控制的理论依据〔２０ａｌ】。 采用恒定电压跟踪控制策略，在光伏电池阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使 得系统成为一个稳压器，即光伏电池阵列的工作点总稳定在Ｕｍ＝ｅｏｎｓｔ附近。这样不但 简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大功率输出点，如图２．１７所示。&&&&独立运行光伏发电系统的研究２５２０ｌ５ｌ０５０图２．１７肝ＰＴ的恒压跟踪法Ｆｉｇ．２．１７Ｃｏｒｏｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆＭＰＰＴ但是ＣＶＴ缺点是：如果光伏阵列的功率输出随着温度变化而改变时，仍然采用恒 定电压跟踪控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率输出点，产生比较大的功率损 失。对于那些一年四季或者每天温差比较大的地区，温度对整个光伏阵列的输出将会产 生比较大的影响，若仍采用ＣＶＴ控制策略，则会降低系统的效率。 为了克服使用场合季节、早晚时间以及天气情况和环境温度变化对系统造成的影 响，在ＣＶＴ算法的基础上可以采取以下几种折衷解决方法： （１）手工调节：通过手工调节电位器按季节给定不同的Ｕ－－－ｃｏｎｓｔ，这种方法使用较 少，需要人工维护； （２）根据温度差表调节：事先将特定光伏阵列在不同温度下测得的最大功率点电 压Ｕｍａｘ值存储在控制器中，实际运行时，控制器根据检测光伏电池阵列的温度，通过 查表选取合适Ｕ嗽的值； （３）参考电池方法：在光伏发电系统中增加一块与光伏阵列相同特性的较小的光 伏电池模块，检测其开路电压，按照固定系数计算得到当前最大功率点电压Ｕｍａｘ，这 种方法可以在近似ＣＶＴ的控制成本下得到接近ＭＰＰＴ的控制效果。图２．１８为ＣＶＴ算 法流程图。&&&&大连理Ｔ大学硕士学位论文图２．１８Ｆｉｇ．２．１８ＣＶＴ算法流程图Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＣＶＴ２．５．４扰动观察法扰动观察法，也被称为爬山法（Ｈｉｌｌ Ｃｌｉｍｂｉｎｇ），由于实现简单，且需要测量的参 数较少，所以它被普遍地应用在光伏电池的最大功率点跟踪上。其工作原理【１３蕊２１】为测 量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量（或称之为扰动）其输 出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较当前的功率与改变前的功率即可知道功 率变化的方向。如果功率增大就继续原扰动方向，如果减小则改变原扰动方向。图２．１９说明了这个动态过程，假设工作点在矾处，光伏电池输出功率为Ｐ１，如果使工作点移到ｕ２＝ＵＩ＋Ａ Ｕ，光伏电池输出功率为Ｐ２，然后比较当前功率Ｐ２与记忆功率 Ｐ１。因为Ｐ２＞Ｐ１，说明输入信号差△Ｕ使输出功率变大，工作点位于最大功率值尸矗的 左边，继续增大电压，使工作点继续朝右边即Ｐ矗的方向变化。如果工作点已越过Ｐｍ到 达巩此时若再增加△Ｕ，则工作点到达以，比较结果：Ｐｓ＞Ｐ４，说明工作点在Ｐｍ右边， 需要改变输入信号的变化方向，即输入信号每次减去△Ｕ，再比较现时功率与记忆功率， 就这样周而复始地寻找最大功率点Ｐｍ。 扰动法存在以下优点：①模块化控制回路；②跟踪方法简单，实现容易；③对传感 器精度要求不高。但也有缺点：①只能在光伏电池阵列最大功率点附近振荡运行，导致 一定功率损失；②跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾；③在特定情况下会出现判 断错误情况。图２．２０为扰动法实现最大功率跟踪的软件流程图。&&&&独立运行光伏发电系统的研究矾巩协％砜职图２．１９扰动观察法跟踪情况示意图Ｆｉｇ．２．１９ Ｄｉｇｒａｍ ｏｆ ｐｅｒｔｕｒｂ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ图２．２０扰动法跟踪流程图Ｆｉｇ．２．２０ Ｒｏｗ ｄｉｇｒａｍ ｏｆ ｐｅｒｕｒｂ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．３０．&&&&大连理工大学硕士学位论文２．５．５电导增量法电导增量法【１３细’２１】贝ＩＪ是根据太阳能电池Ｐ．ｕ曲线为一条一阶连续可导的单峰值曲线 的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对尸＝Ⅵ求全导数，可得，ｄＰ＝尉Ｕ＋嘲两边同除以ｄ阢可得，（２．１５）堡：，＋【，竺 ｄＵ ｄＵ 令堡＝ｏ，得， ｄＵ—ｄＩ—：一三（２．１６）一＝一一 ｄＵ Ｕ（２．１７）、厶．１●，式２．１７即为获得太阳能电池最大功率点所需满足的条件。该法是通过输出电导的变 化量和瞬时负电导值的大小相比较来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分 析：（１）０ｐ假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有兰＞ｏ，即口【／旦＞一Ｉ一，说明参考电压应向着增大的方向变化。 ｄＵＵ（２）同理，假设当前的太阳能电池工作点位于最大功率点的右侧时，此时有堡＜ｏ，ｄＵｅｐ ｄ＿Ｌ＜一Ｉ．，说明参考电压应向着减小的方向变化。ｄＵＵ（３）假设当前太阳能电池的工作点位于最大功率点处（附近），此时有箬＝ｏ，则参考电压将保持不变，也即太阳能电池已工作在最大功率点上． 因此，电导的增量可以判断是否已经达到最大功率点，然后在该点处停止对工作点 的扰动，从而避免了在最大功率点左右振荡，且能做到快速跟踪。如果条件（３）不成 立，ＭＰＰＴ工作点扰动方向可以通过ｄＩ／ｄＵ和西口的关系来计算。实现该方法的软件算法可用图３．２１所示流程图描述。其中，劭∞和肚）分别为第ｋ个采样点的光伏输出电压和电流，光伏电池输出改变时存在两种情况： ①光伏输出电压和电流关系在同一条特性曲线上变动，此时电压和电流均发生变 化； ②光伏输出电压和电流关系变到另一条特性曲线上，光伏输出电压（或电流）有可能 不变而只是电流（或电压）发生变化。&&&&独立运行光伏发电系统的研究因此首先用ｕ００．【，（ｋ．１）来判断，若其值等于零，则表示输出特性不变或者己转到另 一条特性曲线上，此时由于电压保持不变，故只需检测电流变化即可判断功率变化方向。 电流不变表示系统输出特性不变，此时维持占空比不变；电流增加表示系统工作点朝最 大功率点方向移动。此时应增加占空比以使得电流进一步增加；否则若电流降低则减小占空比。当啦）．Ｕ（ｋ－１）不等于零时，则可以利用上面的三个条件来判断工作点落在最大功率点的右侧还是左侧，然后对占空比的值做相应调整。 理论上这种方法比扰动观察法好，因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时 刻的电导的变化率和瞬时负电导值的比值大小，而与前一时刻的工作点电压以及功率的 大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，其控制精度较高，但是由于其中△，和 △Ｕ的值很小，这样就要求传感器的精度要求很高，实现起来相对比较困难。图２．２１增量电导法流程图Ｆｉｇ．２．２１ Ｆｌｏｗ ｄｉｇｒａｍ ｏｆｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ２．６本章小结面对能源危机和环境污染问题，人们对光伏发电越来越重视，而光伏发电系统由光 伏电池，ＰＷＭ控制电路，ＤＣ／ＤＣ变换电路和蓄电池等部分组成，本章首先是对光伏电&&&&大连理工大学硕士学位论文池的分类、工作原理、等效电路和输出特性的介绍，并对光伏发电系统分类做出详细的 分析，然后根据独立光伏放电系统的特点，分析了其常用的主电路拓扑结构及其原理， 最后进行最大跟踪的方法及原理概述，为后面电路模拟仿真及其硬件电路设计提供理论 基础。&&&&独立运行光伏发电系统的研究３独立光伏系统的建模与仿真第二章介绍由于扰动法结构简单，被测参数少等优点被广泛应用，而传统的扰动法 存在着一个缺点，即步长固定，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地滞留在低功 率输出区；如果步长过大，就会导致系统振荡加剧。针对这一缺点本文给出了一种电压 环自适应变步长扰动法，当距离最大功率点较远时，步长取大，速度加快；当距离最大 功率点较近时，步长取小，慢慢接近最大功率点；当很接近最大功率点时，系统稳定在 该点工作，本章就变步长的扰动跟踪进行了建模与仿真。３．１光伏阵列模型的建立３．１。１光伏电池特性数学模型 第二章以介绍随着光照和温度的变化，光伏阵列的输出是呈非线性的，本文在 ＭＡＴＬＡＢ环境下利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具建立的光伏模型的数学公式如下【２２，２３】：设丁为任意温 度互（℃）和任意的光照强度Ｓ（Ｗ／ｍ２）下的太阳能电池温度： Ｔ＝乏＋岱 式中，ｔ（ｏＣ （３．１）ｍ２用）为光伏模块的温度系数，本文中取０．００５。 Ｌ为短路电流，％为开路电设在参考条件（％＝１０００Ｗ／ｍ２，％＝２５。Ｃ）下，压，Ｌ、％为最大功率点电流和电压，则当光伏阵列电压为ｕ，其对应点电流为Ｉ：旦Ｊ＝Ｌ（１－Ｃ，（ｅｃ２ｚ．一１）） 其中：（３．２）ｑ＝（１一争弦‰』∞ｒ且（３．３） （３．４）纠瓷．１）岬一夸考虑太阳辐射和温度的影响的情况下：．Ｕ．．．．－．．．．Ｄ．．．—｝—”Ｉ＝Ｌ（１－ｑ（ｅＧ‰一１））＋Ｄ＿ 其中（３．５）ＤＩ＝芒刃＋（未－１）Ｌ。杈（３．６）Ｓ哦、Ｓ喊&&&&大连理工人学硕＋学位论文ＤＶａ一６Ｄ丁一ＲＤＩ（３．７） （３．８） ｏＣ）；Ｂ为在参考同照下，电ＤＴ—Ｔ一乙式中；ａ为在参考日照下，电流变化温度系数（Ａ 压变化温度系数（Ｖ／。Ｃ）；Ｒ为光伏阵列模块的内阻。３．１．２光伏阵列的仿真模型基于上述数学模型，在ＭＡＴＩ＿．ＡＢ环境下利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具建立的仿真模块直观方便， 只需将模块连接起来即可，太阳能电池任意环境温度和光照强度下的仿真模块【ｚ卅如图３． １所示。本文采用国内某公司的电池板Ｈ Ｇ５ ５（１ ８）Ｄ ８２６ｘ５ ３２，其标准条件下（Ｓ＝１０００Ｗ／ｍ２，Ｔ＝２５。Ｃ）的参数ＰｌＩ－Ｆ－％＝２１．６Ｖ，Ｕ。＝１７．２Ｖ，ｋ＝３．４１ Ａ，，。＝３．１９Ａ，Ｑ＝Ｏ．０１５，１３＝０．７，Ｒ＝２Ｑ。图３．１光伏阵列模型Ｆｉｇ．３．１Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＰＶ ａｒｒａｙ&&&&独立运行光伏发电系统的研究３．２最大功率跟踪模型的建立３．２．１控制结构及原理 本文采用Ｂｏｏｓｔ升压ＤＣ／ＤＣ变换器、蓄电池和逆变器的并联结构。由于蓄电池的钳 位作用，Ｄｅ／Ｄｅ变换器的输出电压变化不大，姑且认为是恒定量，故调节ＤＣ／ＤＣ变换器 的输出电流Ｕ即是调节光伏发电系统的输出功率Ｐ。电压环自适应给定的最大功率点跟 踪控制的结构原理如图３．２所示。即ＰＴ控制过程中，首先旌加给定电流‰的扰动量，然后检测‰，圪。。的值，根据功率变化情况确定扰动方向，产生下一步的Ｕｅｆ，电压环实现对给定电流的跟踪，如此 循环往复，进而实现最大功率跟踪控制。图３．２自适应电压扰动法最大功率跟踪的原理图Ｆｉｇ．３．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉｇｒａｒｎ ｏｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｅｒｕｒｂ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ＭＰＰＴ３．２．２电压环自适应的给定 在扰动过程中，如果扰动步长大，跟踪最大电压点速度快，但有可能不能准确跟踪 或在最大点稳态附近有振荡情况，而这些振荡将减少光伏阵列能量转换效率；如果减小步长，减小了最大点附近振荡，增大光伏阵列能量转换效率，但响应速度变慢，当环境条件变化快时有可能偏离最大功率点ｆ１２’２５ｌ。因此，合理设置扰动步长对于跟踪最大功率 点的快速、准确性有决定性作用。为了避免上述情况，这里采用自适应变步长方法。在电压扰动过程中，电压扰动步长为口，在每次循环时如到参考值上。上式中的口为扰动步长系数，Ｐｋ：ｈ当前时刻的光伏输出功率，Ｒ—ｌ为前一时刻的系统输出功率。扰 动方向由功率和电压的变化方向决定的，据功率变化随时被自动调节。扰动步长由１墨剥和口来确定，口根据蛾＝丑以．。同取不同的值，具体取值由式子ｃ３．９，标准确定：&&&&犬连理下大学硕士学位论文１ ０‘＝０．２ＡＰ＞ＡＰｍａｘ ＡＰｍｉｎ＜ＡＰ＜ＡＰｍａｘ ＡＰ＜ＡＰｍｉｎＱ＝Ｊ０【＝０．０３（３．９）ＩＣｔ＝０．１５图３．３自适应电压法流程图Ｆｉｇ．４．３ Ｆｌｏｗ ｄｉｇｒａｍ ｏｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｈｏｄ&&&&独立运行光伏发电系统的研究３．３最大功率跟踪系统的Ｓｉｍｕｌ ｉ ｎｋ建模太阳能的最大功率跟踪是为了对太阳能的充分利用，基于上述光伏阵列模块建立了太阳能系统的ＭＰＰＴ的动态仿真模型【２刚，如图３．４所示。该模型是一个动态的、完整的系 统模型，可以描述太阳电池的负载、工作环境等变化时的参数变化情况，适合于对太阳电池最大功率点控制的研究。为了简化图像，便于仿真研究，将一些模块封装成为子系统，图中的ＰＶ ａｒｒａｙ为光伏阵列的封装模块，ＰＷＭ模块为输出占空比的控制电路。ＤＣ／ＤＣ变换环节是通过控制电压的方法将不可控的直流输入变为可控的直流输出的一种变 换电路，在太阳能发电中，变换器的作用是从太阳能方阵中吸收最大电流并且提升电压。 本文ＤＣ／ＤＣ转换采用Ｂｏｏｓｔ转换电路，其中开关频率设为２０ｋＨｚ，Ｃ１＝１００／ｔＦ，Ｃ２＝１５６／ｉＦ，Ｌ＝７８／ｚＨ，负载为Ｒ＝５０。最大功率跟踪过程中，采用可变步长的仿真，最小步长与最大步长自动调节，相对误差允许范围为ｌｘｌｆｆ３，绝对误差范圈自动调节，测量负载端的电流和电压，根据功率的变化大小确定电压的扰动方向及其步长，电压环实现对电压的实 时跟踪，移动工作点向ＭＰＰＴ靠近，同时计算升压变换器所需要的占空比，并将占空比 输入给场效应管，从而调节场效应管的导通时间，调节了输出电压，从而实现对最大功 率的跟踪。 其中ＭＰＰＴ原理是通过光伏阵列的输出电流和电压，经过ＰＩ环节后，由零阶保持器 采样，与前一次的电压和功率相比较，确定电压扰动的方向和步长。电压环实现对给定 电压的跟踪，如此循环往复，进而实现了最大功率跟踪的控制。 在ＭＰＰＴ扰动过程中，如果扰动步长太大，则跟踪最大电压点速度快，但有可能不能准确跟踪或者在最大点稳态附近有振荡情况，而这些振荡将降低光伏阵列能量转换效率。如果步长太小，最大点附近振荡会减小，增大光伏阵列能量转换效率，但响应速度 慢，当环境条件变化快时有可能偏离最大功率点。因此，合理设置扰动步长对于跟踪最 大功率点的快速、准确性有决定性作用。为了避免上述情况发生，这里采用自适应变步长方法。ＭＰＰＴ的设计思想是由蛾确定扰动的大小和方向，令刖％缸为设定的最大误差值。址‰ｉ。为设定的较小误差值。若△尸ｋ的值大于零，则向同方向搜索，若舒ｋ小于零，则向反方向搜索；若ＡＰｋ的绝对值小于△Ｐｍｊｎ，则搜索步长参数较大，若△Ｐｋ的绝对值介 于设置的最大步长和最小步长之间，则步长参数选择最小，如果△Ｐｋ的绝对值大于设置的最大步长值ＡＰｍａｘ，则选择的步长参数最大，即电压的变化跟随这功率变化值的变化而准确变化。则在电压扰动过程中，若蛾一。时，仅１只．￡．１ｌ＿ｏ，则△ｕ叶ｏ，因此电压基本保持在前一时刻的值，有很小的变化，因此系统稳定运行时，在最大点附近振荡很小；相反蛾较大时，０ｃ增大，保证快速跟踪到最大功率点。&&&&大连理工大学硕士学位论文图３．４光伏系统的ＭＰＰＴ仿真模型Ｆｉｇ．３．４ＭＰＰＴｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ３．４仿真结果及其分析（ｓｔｉ帆．ＢＤＦ２）仿真，仿真从０秒开始，仿真时间设置为０．０３秒，同时，最大功率点跟踪控制模块的采样周期与脉宽调制模块的采样周期相同，都取为０．００１。 图３．５为最大功率跟踪的控制波形。系统不停的根据采样到的功率和电压值进行调整 控制电路输出。在大约过０．００６ｓ之后，系统的最大功率跟踪基本趋于稳定。 进行电压环自适应扰动法的仿真研究，仿真功率输出结果如图３．６和图３．７所示。系 统不断对功率和电压进行调整，大约过了０．００６秒之后，功率最大值趋于稳定，并且在最 大功率点附近的震荡很小。 采用Ｂｏｏｓｔ变换电路实现最大功率跟踪，图３．６中为系统的输出电流电压波形，图３．７ 为输入Ｂｏｏｓｔ的功率波形和输出Ｂｏｏｓｔ的功率波形，从图中可看出，辐射强度降低，输出当环境温度为２５０Ｃ，光强从１０００Ｗ／ｍ２变到８００Ｗ／ｍ２时，采用可变步长的ｏｄｅ２３ｔｂ&&&&独立运行光伏发电系统的研究电流减小，输出功率也随之减小；由于辐射强度的不同，输出电流分别稳定在３．２Ａ和２．７Ａ 左右，而电压变化较小，很快趋于稳定，最大工作点电流并不是在其短路电流处，通过 调节ＤＣ／ＤＣ的占空比，使系统快速获得最大功率点。…寸ｔ‘ｌｌ…卜??川…一纠……１．． ……卜…叫十……¨………ｌ ｌ …?１．．? Ｉ…卜……引……－Ｈ…－? …｜．．．… …¨…一¨……¨一｛．．．．…¨…卜……１．…… …Ｈ．…１．．Ｉ１Ｉ．Ｉ一…｜…．’。ｌｌ—１．．．｝．．：…１Ｉ ＩＩｌ－．．｝?¨－?｛Ｉ…Ｉ¨卜…｝．．１…｜．．． …¨斗?１．．． ｏｔｌ… …卜１…¨．Ｉ－－－Ｈ…¨??¨…¨…¨?卜…………｛．．．．………卜………｛．．．．………｜．．．．………｛．．．．………０．０１ ０．０１５时间（ｓ） 图３．５功率控制波形Ｆｉｇ ３．５Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌＩ ｌ ，．．．．．．．：．．．．．．．．．．．．．．．．．．’．．．．．．．．．．．．．．．．．一● ● ● ●ａ４霉３?２ 骧３铀】２８ ２６：■…ｉ狲赢矗矗Ｊ；Ｉ淼赫‖ｉ一：●●…………●●…●－＿………：……’’‘‘‘……一：……’………。一 ； ｊ图３．６自适应电压控制系统电流电压波形Ｆｉｇ．３．６ Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ&&&&大连理工大学硕士学位论文差吾止斟 薄 丑 解二ＩＩ：艘竺一之二ｏ：二≥二：：二：二羔＝『Ｉ｜Ｉ…ｉ一………Ⅳ…一｛………………。÷………………；＿ＶＶ＝ｖＶ～～～＾＾＿‘～”一一一?一一一一’＿～－…Ｊ； ； ：： ：唰＿＿｝：：：：一＿≤－＿＿Ｉ≥＿：：：：：：：：：≥＿：一：：：≥＿＿Ｉ：０．００５ ０．们 ０．０１５ ０．０２５０．∞时间（ｓ）图３．７自适应电压控制系统功率波形Ｆｉｇ．３．７ Ｐｏｗｅｒ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ图３．８为同样光照和环境温度条件下，固定步长（取Ｏ．０１）扰动法的输出电压和电流 波形。图３．９为固定步长的ＭＰＰＴ的输入和输出的功率波形图，由图可看出，获得最大功 率时间约０．０１秒，系统电压和电流的输出比自适应电压法要小，故获得的最大功率点比 较小，并且在最大功率点的波形震荡幅度较大；与图３．６和３．７对比发现，本文采用的自 适应电压法的ＭＰＰＴ控制使电路的输出功率快速达到最大值点，并且在最大值点附近的 扰动震荡明显减小． 从仿真结果可以看出，电压环自适应最大功率跟踪算法的响应速度快，而且在稳定 点附近振荡小，减小了稳定运行时的输出功率损耗。本文控制算法采用自适应变步长扰 动方法，电压扰动步长根据功率变化随时被自动调节，可避免固定步长扰动的响应速度 慢，在稳定点震荡大的弊端，能满足最大功率跟踪控制的快速性和准确性要求，仿真表 明该控制算法是可行的。&&&&独立运行光伏发电系统的研究３．４誊３?２嚣３四Ｚ８ Ｚ６……．攀蛳晰一●－●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●一●＿●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●－－…●●●●●●●●●●－●■●●■●●’●’。。’。……‘。：……’… ；●●●●●●●－●●●●●●●●－●●●。＿…●●‘●●●●‘●‘‘。●●●●●●…’●－●…●●●‘?●●●●‘●‘●● －●●●●●●●●●●●●●●●●●－●－●…●－－●●●●●●●－●●●●●●●●●；ｐ”一。一…一图３．８固定步长的系统电流电压输出Ｆｉｇ．３．８Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｗｉｔｈ ｆｉｘｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ主吾也碍簿丑媾箩ｖｕＩｄ醉薄＜缚时间（ｓ）图３．９固定步长的系统功率输出波形Ｆｉｇ．３．９Ｐｏｗｅｒ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｗｉｔｈ ｆｉｘｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．４２．&&&&大连理工大学硕士学位论文３．５本章小结本章首先介绍了光伏电池的数学模型，在此基础上在ＭＡＴＬＡＢ环境下利Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 工具搭建了仿真模型。然后利用这个模型形成的模块，进行了最大功率跟踪方法的改进， 提出了电压自适应跟踪方法，其原理是引入了不同的步长系数，根据功率变量值的大小， 确定合适的控制步长进行电压参考值的给定；最后，根据搭建的最大功率跟踪模型，进 行仿真结果分析得出此种跟踪方法具有快速性、稳定性和准确性等优点，对硬件电路的 设计具有指导意义。&&&&独立运行光伏发电系统的研究４硬件电路的设计一般控制系统是由控制电路、驱动电路、检测电路以电力电子器件为核心的主电路 组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通 过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。本 实验电路的由检测电路的结果输入到控制部分，通过控制部分驱动ＭＯＳＦＥＴ．从而调节 了主电路的占空比，达到设计需要的输出。此外，由于主电路中往往有电压和电流的过 大，而一些单片机和电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压 和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中需要附加一些保护电路，以 保证电力电子器件和整个系统的正常可靠运行。 由上述几章的论述及模拟仿真，太阳能电池板的选择本文采用国内某公司的电池板 ＨＧ５５（１８）Ｄ８２６×５３２，其标准条件下（Ｓ＝１０００Ｗ／ｍ２，，Ｚ－２５℃）的参数如表４．１：表４．１电池板参数表Ｔａｂｌｅ ４。１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ＰＶ ａｒｒａｙ电气特性 额定输出最大功率只 额定电流五 额定电压Ｚ‘ 短路电流厶 开路电压五规格２５ＷＩ．４３Ａ １７．４Ｖ Ｉ．７２Ａ ２１．６Ｖ４．１安装角度的测量及其结果本文在４月，早８点，安装方向正南，电阻为１０Ｑ，温度为１６℃时测试了大连地 区一组电池板的安装角度与电流电压输出特性及其效率的关系如表４．２：表４．２电池板安装最佳角度测量Ｔａｂｌｅ．４．２Ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｓｏｌａｒ功率（帅 效率（％）３．９８１５．９４．３７１７．５５．２７ ２１５．３１ ２１．３５．２８ ２１．１４．７９ １９．２４．０６３．４８ １３．９Ｉ．３２ ５．２９１６．２&&&&大连理工大学硕士学位论文由表４．２可以看出，安装角度为２４．９０时，获得最大功率，效率也最大，证明了北半 球安装角度符合的规律为夏季为当地纬度减去大约１５０，冬季为当地纬度加上大约１５０， 大连地区的纬度为北纬３９．０６度３９．３８度，所以根据公式安装的最佳角度随季节变化为 当地纬度±１５０。 安装的时候要注意建筑物的阴影遮挡等情况，表４．３为一组电池板安装为最佳倾角 下，电阻也为１０９〕时，不同阴影大小下的电流电压的影响。表４．３不同阴影面积下的电池板输出特性Ｔａｂｌｅ．４．３ＰＶ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈａｄｏｗａｒｅａ由表４．３可以得出，电池板上很小的阴影面积就会导致电流电压变得很小，特别有 建筑物或者树荫的遮挡时太阳能的利用效率将大大降低；纸屑，鸟粪等掉在电池板上的 遮挡物也会影响电池板的利用效率，长时间还会导致电池板的烧坏，所以不仅电池板不 仅要避开建筑物和树荫等，还要定期进行清理。４．２Ｂｏｏｓｔ电路参数的选择采用改变开关占空比的的方法来跟踪太阳能的最大功率点，选择开关频率要考虑系统效率，造价和重量等因素，开关管的开关频率高时，所选电感量就小，但开关管上的 损耗会增加：当开关频率低时，所选电感量就大，增加了系统的体积与重量，但开关管上 的损耗会减少。因此对于开关频率的选取须考虑到上述因素进行适当的折中。由于输出 电感必须在直流磁化占主要的情况下工作，在电感磁芯需加入气隙以防止电感的磁芯饱 和。对于电感的绕制须考虑到气隙、绕组匝数与电感量之间的关系：气隙过小，电感量 会增加，但电感中所允许通过的直流电流就减小，磁芯在很小的安匝下就会饱和，使得 匝数不能多绕；若气隙过大，可通过较大的直流分量，但电感量又较小。由此可见，输出 电感的气隙，要在电感量、匝数、电流之间找出一个最佳值【２７】。 转换器是最大功率跟踪器最重要的组成部分之一，转换器设计的合理与否将直接影 响跟踪器的转换效率。光伏电源能量通过转换器供给负载，任何元件的功率损失都将影 响整个系统的跟踪效率，因此选择适当的元件也是这部分设计工作的主要任务。图４．１ 为Ｂｏｏｓｔ电路图。&&&&独立运行光伏发电系统的研究图４．１独立光伏发电系统的拓扑结构图Ｆｉｇ．４．１ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ∽）ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ４．２．１电感的选择假设电感的能量的转换效率为１００％，Ｂｏｏｓｔ电路处于连续工作状态下，当电池工作 于最大工作点（Ｐｍａｘ＝２５）时候的电流为：ｋ：争：兰：１．０４２Ａ ‘一 瓯２４“（４．１） ”一７电感的纹波电流一般为其平均电流的１０％到２０％。本文选纹波电流为平均电流的２０％， 即为Ａ／＝ｋ×２０％＝１．０４２ｘ０．２＝０．２０８４Ａ时，因为（４．２）转换电路的控制信号工作频率为２０ｋＨｚ（Ｔｓ＝１０ ｒｔ Ｓ），当系统工作于光伏最大容量状态姿：土 ％１一ｄ此时的ＰＷＭ控制信号的占空比ｄ为 玑（４．３） …～扛警＝半－ｏ．２７５２４九４）‘则由计算公式可得Ｌ＝ｄ×霉×％／ＡＩ＝０．２７５ｘ１０ｘ１０而ｘ１７．４／０．２０８４＝２２９．６１州以选择电感为３００ｐＨ。（４．５）所以电感流过的电流至少要有１．０４２Ａ，电感值至少为２２９．６１Ｉ－ｔＨ，考虑到盈余，所&&&&大连理工大学硕士学位论文４．２．２滤波电容的选择 输出端的电容的大小决定输出电压的纹波，要求输出电压的纹波值不超过输出电压的１％，即ＡＵ＝１％瓯＝０．２４Ｖ 由公式知（４．６）Ｃ＝ｄ×互×％／ＡＵ＝０．２７５ｘ１０ｘ１０。６ｘ１７．４／０．２４＝１９９．３７５心（４．７）即输出的电容值最小为８４心，设计中选择Ｃｌ的值为３８０１ｘＦ，Ｃ２选择２２０ｐＦ。 ４．２．３二极管的选择 二极管选择主要参数是正向压降，反响压降以及开关速度等的综合考虑。正向压降 越高功率损耗越大，另外二极管的关断时间太长将影响转换电路的转换效率以及可能产 生瞬间的高压，损坏元器件。最后要求二极管必须具有较高的反响电压，综合考虑选择 ＭＢＲ８３０可以满足设计要求，其反向电压为３０Ｖ，８Ａ的最大工作电流，正向压降为０．７ｖ。 ４．２．４功率开关管的选择 本文设计的Ｂｏｏｓｔ电路选择的开关管为ｎ沟道增强