【正文】 ................................................... 34 7 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................ 35 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 36 致 謝 .................................................................................................................................. 38 附錄 A 系統(tǒng)原理圖 ................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 B 系統(tǒng)實(shí)物照片 ............................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 光 伏發(fā)電 課題研究的意義 人類社會(huì)的發(fā)展離不開能源的利用。在 2l 世紀(jì)的今天，隨著社會(huì)科技和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源問題作為困擾人類長期穩(wěn)定發(fā)展的一大因素?cái)[在了人們面前，而且越來越迫切，如何解決能源問題，是每個(gè)國家都必須面臨的問題，隨著不可再生能源如煤、石油、天然氣的不斷增加的大量消耗，不僅使人類面臨資源枯竭的壓力，同時(shí)也嚴(yán)重威脅著人類的生存環(huán)境，可再生能源的開發(fā)利用也就越來越顯得重要。隨著可再生能源的開發(fā)利用，太陽能已經(jīng)逐漸走入了人類的生活，并且將發(fā)揮越來越重要的作用。 太陽能發(fā)電與傳統(tǒng)的火力發(fā)電、水力發(fā)電以及利用 風(fēng)能、核能、生物質(zhì)能等，新能源發(fā)電相比較有以下優(yōu)勢： (1)太陽能是取之不盡的可再生能源。據(jù)計(jì)算，一年內(nèi)輻射向地球的太陽能總能量是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的 l 萬倍，太陽的壽命有 50 億年，這意味著開發(fā)太陽能是人類解決能源匱乏最根本最有效的途徑。 (2)太陽能清潔無污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前各種發(fā)電方式的碳排放率 (g／ kW． h)如下：煤炭發(fā)電為 275g／ kWh，石油發(fā)電為 204g／ kWh，天然氣發(fā)電為 181g／ kWh，太陽能光伏發(fā)電為 55g／ kWh，風(fēng)力發(fā)電為 20g／ kWh。而且，在使用太陽能發(fā)電過程中沒有廢 氣、廢水、廢渣排出，不產(chǎn)生噪音，不危害人體。 (3)太陽能資源分布廣泛。我國有 2／ 3 以上的地區(qū)太陽能輻射總量高于)/(5016 2 amMJ ?且年日照時(shí)間超過 2021h 以上，尤其是在西部地區(qū)更為豐富，對(duì)于緩解當(dāng)?shù)仉娏T乏有著重要意義。 (4)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少。太陽能光伏發(fā)電直接將太陽能輻射能轉(zhuǎn)換為電能，在各種可再生能源的利用形式中，太陽能光伏發(fā)電對(duì)能源的利用最直接。 (5)太陽能光伏發(fā)電裝備安裝使用靈活，可根據(jù)需要，將集成化的模塊擴(kuò)增或減少以改變系統(tǒng)容量， 方便靈活。 (6)資源、發(fā)電、用電在同一地域，可以節(jié)省遠(yuǎn)距離輸電投資費(fèi)用。 (7)光伏建筑集成 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)的推廣應(yīng)用可以節(jié)省建立發(fā)電基地使用的土地面積和費(fèi)用。 太陽能光伏發(fā)電的以上諸多優(yōu)點(diǎn)決定其成為未來發(fā)電的主導(dǎo)形式之一，有著巨大的經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)效益，并且其涉及交叉多個(gè)學(xué)科，如電化學(xué)、電子電路、現(xiàn)代電力電子、現(xiàn)代控技術(shù)、電力系統(tǒng)等，具有重要的研究價(jià)值。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 MPPT 技術(shù)的 國內(nèi)外 發(fā)展與現(xiàn)狀 光伏（ PV）電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT） 是 PV 系統(tǒng)最基本的必要方法，鑒于 MPPT 技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要性，短短十多年間， MPPT 方法被不斷地提出，如常用的 CVT 法、擾動(dòng)觀測法 (Pamp。O)、導(dǎo)納增量法 (INC)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Neutral Network)、滑?？刂?(Slide Mode Contr01)、最優(yōu)梯度法、 RCC(Ripple Correlation Contr01)，基于狀態(tài)的 MPPT(Statebased MPPT)，線性電流控制法，負(fù)載電壓或電流最大化法等。這些方法包含了很多復(fù)雜的方方面面，例如傳感器的要求，運(yùn)算速率 ，工作效率，硬件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用推廣，研發(fā)資金等等。實(shí)際上，如此多方法的提出反而讓我們?yōu)?PV 系統(tǒng)尋找一種最適合的算法時(shí)感到困難。 圖 1 顯示出從 MPPT 算法從文獻(xiàn)中最早出現(xiàn)開始，每年有關(guān) MPPT 的文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量。近十年來相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量還是在快速增長，然而，最近的文章大部分都只是通過仿真總結(jié)或者直接復(fù)制原來文獻(xiàn)中已經(jīng)提出的方法。這種趨勢給人們一種 MPPT 技術(shù)沒有什么難點(diǎn)的錯(cuò)覺，而實(shí)際上，在 MPPT 實(shí)際運(yùn)用過程中卻存在許多問題難點(diǎn)。例如光照和溫度變化引起的系統(tǒng)振蕩，局部遮陰時(shí)所形成的局部最大功率點(diǎn)和系統(tǒng)真正最大功率點(diǎn)的 判別，再比如系統(tǒng)工作效率的提升，這都表明我們需要通過實(shí)際的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn) MPPT 算法，并在此過程中對(duì) MPPT 算法進(jìn)行研究。 圖 自 1968 以來，每年的 MPPT 論文總數(shù) 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 本文主要研究內(nèi)容 本文主要通過研究 MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤 )算法，設(shè)計(jì)一個(gè)儲(chǔ)能式光伏發(fā)電功率變換裝置。采用 Buck 同步整流變換器和微控制器實(shí)現(xiàn)光伏電池 MPPT 控制及蓄電池的能量管理，最后完成原型樣機(jī)參數(shù)分析與計(jì)算、元器件的選型及功能性測試，功率變換器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 M C UP V 輸 入電 壓 電 流 檢 測濾 波 電 路 B U C K 同 步 整 流 輸 出 濾 波死 區(qū) 時(shí)間 控 制P W M驅(qū) 動(dòng) 電 路蓄 電 池保 護(hù) 電 路A / D電 流 檢 測電 壓 檢 測 圖 光伏電池板功率變換器結(jié)構(gòu)框圖 硬件電路主要包括 BUCK 同步整流電路、電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測電路和濾波電路，并通過電壓反饋實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)控制 ，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 光伏電池板的工作特性 太陽能光伏板的基本工作原理 太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。光伏電池是以光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。這種效應(yīng)。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率相對(duì)較高。 ++電 流日 光日 光日 光后 極 電（ + ）P 型 硅 （ B ）N 型 硅（ P + ）防 反 射 層前 極 電 （ ） 圖 光生伏打效應(yīng)簡圖 光伏電池實(shí)際上是一個(gè) PN 結(jié)，如圖 所示，當(dāng)光伏電池受到陽光照射時(shí)，電子接受光能，向 N 型區(qū)移動(dòng)，使 N 型區(qū)帶負(fù)電，同時(shí)空穴向 P 型區(qū)移動(dòng)，使 P 型區(qū)帶正電。這樣，在 PN 結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢，也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的 “光生伏打效應(yīng) ”。如果這時(shí)分別在 P 型層和 N 型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。 制造光伏電池的半導(dǎo)體材料己知的有十幾種，因此光伏電池的種類也很多。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的光伏電池要算硅光伏電池。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 太陽能光伏板的輸出特性 針對(duì)光伏板的輸出特性，運(yùn)用 PSIM 仿真軟件中的 Solar Module 模塊進(jìn)行光伏板輸出仿真，如圖 所示。 圖 光伏板輸出仿真 光伏模塊電器設(shè)定參數(shù)如圖 所示 圖 光伏模塊參數(shù)設(shè)定 太陽電池在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽電池的輸出電壓和電流之間有如下關(guān)系，如圖 所示。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 0024681 051 0 1 5 2 0 2 52 03 04 06 08 02/1 0 0 0 MW最 大 功 率 點(diǎn)SCIM P PI M P PPAI / WP /M P PU 圖 光伏電池 輸出 特性曲線 太陽電池的 IV 特性曲線表明太陽電池既非恒壓源，也非恒流源，而是一種非線性直流電源，其輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當(dāng)恒定，但電壓升高到 一個(gè)足夠高的電壓之后，電壓迅速下降至零。 根據(jù)特性曲線可以定義出太陽電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)： (1)短路電流 ( scI )：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電流； (2)開路電壓 ( ocV )：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電壓； (3)最大功率點(diǎn)電流 ( mI )：在給定溫度日照條 件下最大功率點(diǎn)上的電流； (4)最大功率點(diǎn)電壓 ( mV )：在給定溫度日照條件下最大功率點(diǎn)上的電壓； (5)最大功率點(diǎn)功率 ( mP )：在給定溫度日照下所能輸出的最大功率為 mmm VIP ?? 。 如圖 和圖 所示，改變?nèi)照諒?qiáng)度而保持其他條件不變，從 1_1I 到 4_1I 光照強(qiáng)度從 2/400 mW 以 200 為步長上升到 2/1000 mW 得到一組不同日照量下的 IV和 PV特性曲線。由圖 可見，短路電流 scI 線性地與日照強(qiáng)度成正比，而開路電壓的 變化很慢。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 024681_1I 2_1I 3_I 4_1I5 1 0 1 5 2 0 2 5)(VU日 照 降 低 電 流 減 小0 圖 日照對(duì)太陽電池的影響 P o _ 1 P o _ 1 P o _ 1 P o _ 18 06 04 02 001 0 05 1 02 0 2 51 5日 照 降 低 輸出 功 率 減 小0 圖 不同日照下 P—V 特性曲線 當(dāng)電池溫度發(fā)生變化時(shí)，由圖 可見，開路電壓 ocV 線性地隨電池溫度變化，而短路電流 scI 略微變化。這里指的是太陽電池溫度的變化，而不是環(huán)境溫度 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 溫 度 升 高 ， I s c 略 有 增 加)(AI)(VU溫 度 升 高 ， V o c 減 小 圖 溫度對(duì)太陽電池的影響 由以上圖示可以得出以下結(jié)論：在一定溫度、日照條件下，太陽電池的輸出功率具有最大值， 而太陽電池一天中的最大功率點(diǎn)軌跡接近于某一恒壓，溫度變化對(duì)太陽電池的輸出電壓有影響。為了提高光伏系統(tǒng)的利用效率，負(fù)載要及時(shí)跟蹤光伏組件輸出的最大功率點(diǎn)電壓，這就要求系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。 綜上所述，光伏電池的輸出功率與它所受的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。在不同外部環(huán)境情況下，光伏電池的輸出功率會(huì)有較大的變化。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)必須采用相關(guān)電路和控制方法對(duì)輸出功率加以控制使其輸出最大功率。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 最大功率跟蹤（ MPPT）算法研究 MPPT 工作基本原理 光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其 輸出受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。在一定的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏陣列的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn) (maximum power point, MPP)。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。 為便于說明，現(xiàn)將光伏陣列的輸出特性重新繪制如圖 所 示。假定圖中曲線 1 和曲線 2 為兩不同日照強(qiáng)度下光伏陣列的輸出特性曲線， A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)分別為相應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)；并假定某一時(shí)刻，系統(tǒng)運(yùn)行在 A 點(diǎn)。當(dāng)日照強(qiáng)度發(fā)生變化，即光伏陣列的輸出特性由曲線 1 上升為曲線 2。此時(shí)如果保持負(fù)載 1 不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在 39。A 點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)日照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。為了繼續(xù)跟蹤最大功率點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)的負(fù)載特性由負(fù)載 1 變化至負(fù)載 2，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn) B。同樣，如果日照強(qiáng)度變化使得光伏陣列的輸出特性由曲 線 2 減至曲線 1，則相應(yīng)的工作點(diǎn)由 B 點(diǎn)變化到 39。B 點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的減小負(fù)載 2 至負(fù)載 1 以保證系統(tǒng)在日照強(qiáng)度減小的情況下仍然運(yùn)行在最大功率點(diǎn) A。 負(fù) 載 2負(fù) 載 1曲 線 1曲 線 20IU39。AB39。 圖 MPPT 方法示意圖 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 常用 MPPT 算法 恒壓跟蹤法 恒電壓跟蹤 (CVT)方法從嚴(yán)格的意義上來講并不是一種真正意義上的最大功率跟蹤方式，它屬于一種曲線擬合方式，其工作