【正文】 本文由jiabxhit貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 華中科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于DSP的光伏電池?cái)?shù)字模擬系統(tǒng)研究 姓名：杜柯 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專(zhuān)業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng) 指導(dǎo)教師：段善旭 20060429 摘 要 太陽(yáng)能作為一種新型的可再生資源受到越來(lái)越廣泛的重視，光伏發(fā)電則是太陽(yáng)能 利用中技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的技術(shù)?，F(xiàn)在，光伏發(fā)電系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)得 到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為了在實(shí)驗(yàn)室條件下，進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電的研究，必須研究 出一種可以模擬光伏電池輸出 IV 特性的模擬器。 本文分析了太陽(yáng)能光伏電池的輸出 IV 特性， 討論了光伏電池的數(shù)學(xué)模型， 并在此 模型基礎(chǔ)之上建立了簡(jiǎn)單易用的工程數(shù)學(xué)模型。本文還根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)討論了國(guó)內(nèi)外光 伏電池模擬器的研究狀況，并在這些研究成果的基礎(chǔ)上提出了自己的設(shè)計(jì)方案。 本文從DSP控制電路、IGBT驅(qū)動(dòng)和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三個(gè)層次詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件組 成。軟件部分，本文提出了用分段二次曲線(xiàn)的方法擬合光伏電池輸出特性曲線(xiàn)的算法， 并針對(duì)特定功率采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)了程序?qū)崿F(xiàn)該算法。 通過(guò)系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)工作原理的正確性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文中所設(shè)計(jì)的 光伏電池模擬器，能夠較好的完成設(shè)計(jì)的目的，模擬器的輸出特性符合所要模擬的光 伏電池的輸出 IV 特性，并且模擬器具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，負(fù)載突變時(shí)，模擬器 能夠自動(dòng)跟蹤工作點(diǎn)的變化并在當(dāng)前工作點(diǎn)穩(wěn)定工作。 因此， 本系統(tǒng)能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下滿(mǎn)足光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求， 為研究工作提供 一個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，加快研究進(jìn)度。 關(guān)鍵詞：光伏電池、特性曲線(xiàn)、模擬器、BUCK 電路、DSP Abstract Solar energy is paid more and more attention to as a new type of regenerated energy sources. As the most important technology in the use of Solar energy, PV power system is used all over the world. It’s necessary to imitate the performance characteristic of solar cells if researching Solar energy in the laboratory condition. This paper analyzed the IV characteristic of solar cells and its mathematical model. Furthermore, this paper presents the engineering analytical models of solar cells derived from the mathematical model. And this paper presents my own solution of the PV simulator on the study of all the papers about the simulator. Hardware that contains DSP controller, IGBT driver and main circuit were introduced in detail。 . Quadratic polynomials are used to fit the real PV array’s IV characteristic curve, and it is programmed by assembly language to fulfill the algorithm. Through the simulation under Matlab and the experiments, the exactitude of the system is illustrated. The experimental results show that the output characteristics of the simulator are very close to those of actual solar cells, and the simulator has a good dynamic response as well. It can search the working Point automatically and stabilize the output according to the change of the loads. Therefore， some extent， simulator can be used in replacement of actual to the solar cells in the laboratory condition, provide a good environment for experiment to cut down money and time. Key words:solar cells , characteristics curve , simulator , BUCK ,DSP 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他 個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到，本聲明的法律結(jié)果由本人承 擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有 權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和 借閱。 本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密□ ，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 本論文屬于 不保密□。 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√” ） 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 1 緒 1．1 本文研究背景 論 1．1．1 太陽(yáng)能是化石能源的主要替代能源[12] 目前的世界能源結(jié)構(gòu)中，人類(lèi)所利用的一次能源主要是石油、天然氣和煤炭等化 石能源，特別是石油和天然氣的消耗量增長(zhǎng)迅速，已占全世界能源消費(fèi)總量的 60％左 右。但是，石油和天然氣的儲(chǔ)量是有限的，許多專(zhuān)家預(yù)言，石油和天然氣資源將在 40 年、最多 50—60 年內(nèi)被耗盡。煤炭資源雖然遠(yuǎn)比石油和天然氣資源豐富，但是直接應(yīng) 用煤炭嚴(yán)重污染環(huán)境，因此亟需研究把煤炭轉(zhuǎn)化成為氣體或液體燃料的技術(shù)?？磥?lái)， 人類(lèi)如不及早采取對(duì)策，在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)面臨一場(chǎng)全面的能源危機(jī)，這是當(dāng)前人類(lèi)面 對(duì)的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。 為了保證大規(guī)模的能源供應(yīng)，當(dāng)前世界各國(guó)都在制訂規(guī)劃、采取措施、組織力量、 增加投資，大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芤约昂司圩兡艿刃履?源技術(shù)，力爭(zhēng)在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，將日前的以化石能源為基礎(chǔ)的常規(guī)能源系統(tǒng)，逐步 過(guò)渡到持久的、多樣化的、可以再生的新能源系統(tǒng)。只要應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，廣泛開(kāi) 發(fā)利用新能源，大力提高能源利用效率，采取合理的能源政策，完全可以避免能源危 機(jī)的山現(xiàn)。 太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。豐富的太陽(yáng)輻射能，是取之不盡用 之不竭、無(wú)污染、廉價(jià)的能源。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地球的能量高達(dá) 80 萬(wàn) kW，如果把地 球表面 ％的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能， 轉(zhuǎn)換率為 5％， 那么每年的發(fā)電量可達(dá) 1012 kWh， 相當(dāng)于目前全世界能耗的 40 倍。 未來(lái)幾十年，傳統(tǒng)能源任將是主要的能源，但可再生能源的使用在不斷增加，將 發(fā)揮重要作用。太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水電和地?zé)崮軐⒁匝a(bǔ)充的形式配 合供應(yīng)需求。由于光伏發(fā)電具有節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)，它被認(rèn)為是太陽(yáng)光照充分時(shí)供應(yīng)電 力的首選。 1．1．2 我國(guó)的太陽(yáng)能資源 我國(guó)屬于太陽(yáng)能能源較為豐富的國(guó)家之一，全國(guó)國(guó)土面積 2/3 以上的地區(qū)每年日 照時(shí)數(shù)大于 2000 小時(shí)，僅陸地面積每年接受的太陽(yáng)輻射能就約等于幾萬(wàn)個(gè)三峽工程發(fā) 電量的總和。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、 山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、 1 福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。 尤其是青藏高原地區(qū)最大，那里平均海拔高度在 4O0Om 以上，大氣層薄而清潔、透明 度好、緯度低、日照時(shí)間長(zhǎng)。例如被人們稱(chēng)為“日光城”的拉薩市，1961 年至 1970 年的平均值，年平均日照時(shí)間為 ．相對(duì)日照為 68％，年平均晴天為 108．5 天， 陰天為 98．8 天，年平均云量為 4．8，太陽(yáng)總輻射為 816kJ／cm a，比全國(guó)其它省區(qū) 和同緯度的地區(qū)都高。全國(guó)以四川和貴州兩省的太陽(yáng)年輻射總量最小。其中尤以四川 盆地為最，那里雨多、霧多、晴天較少。例如素有“霧都”之稱(chēng)的成都市，年平均日 照時(shí)數(shù)僅為 ，相對(duì)日照為 26％，年平均晴天為 天，陰天達(dá) ，天年 平均云量高達(dá) 8．4。其它地區(qū)的太陽(yáng)年輻射總量居中。 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布的主要特點(diǎn)有：太陽(yáng)能的高值中心和低值中心都處在北緯 22?！?5。這一帶。青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽(yáng)年輻射總量，西 部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部；由 于南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯30?！?0。地區(qū)，太陽(yáng)能的分布情況與一般的太陽(yáng)能 隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽(yáng)能不是隨著緯度的增加而減少，而是隨著緯度的增加 而增長(zhǎng)。 按接受太陽(yáng)能輻射量的大小，全國(guó)大致上可分為五類(lèi)地區(qū)： 一類(lèi)地區(qū) 全年日照時(shí)數(shù)為3200～3300小時(shí)， 輻射量在670～837104kJ／cm2 相當(dāng)于225～ a， 285kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部 等地。這是我國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，與印度和巴基斯坦北部的太陽(yáng)能資源相當(dāng)。 特別是西藏，地勢(shì)高，太陽(yáng)光的透明度也好，太陽(yáng)輻射總量最高值達(dá)921104 kJ／ cm a．僅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉薩是世界著名的陽(yáng)光城。 二類(lèi)地區(qū) 全年日照時(shí)數(shù)為3000～3200小時(shí)， 輻射量在586～670104kJ／cm2 相當(dāng)于200～ a， 225kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏 南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。此區(qū)為我國(guó)太陽(yáng)能資源較 豐富區(qū)。 三類(lèi)地區(qū) 全年日照時(shí)數(shù)為2200～3000小時(shí)， 輻射量在502～586104kJ／cm2 相當(dāng)于170～ a， 200kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆 北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部 2 2 2 和安徽北部等地。 四類(lèi)地區(qū) a， 全年日照時(shí)數(shù)為1400～2200小時(shí)， 輻射量在419～50210 kJ／cm 相當(dāng)于140～ 170kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。 主要是長(zhǎng)江中下游、 福建、 浙江和廣東的一部分地區(qū)， 春夏多陰雨，秋冬季太陽(yáng)能資源還比較豐富。 五類(lèi)地區(qū) 全年日照時(shí)數(shù)為 1000～1400 小時(shí)，輻射量在 335～41910 kJ／cm a，相當(dāng)于 115～140kg 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括四川、貴州兩省。此區(qū)時(shí)我國(guó)太陽(yáng)能 資源最少的地區(qū)。 1．1．3光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展[39] 太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換利用方式有光一熱轉(zhuǎn)換、光一化學(xué)轉(zhuǎn)換和光一電轉(zhuǎn)換等三種方式。 接收或聚集太陽(yáng)能使之轉(zhuǎn)換為熱能，然后用于生產(chǎn)和生活，是太陽(yáng)能光一熱轉(zhuǎn)換利用 即太陽(yáng)能熱利用的基本方式。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是目前太陽(yáng)能熱利用的主要形式。利用 光生伏打效應(yīng)原理制成光伏電池，可將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)換為電能加以利用，稱(chēng)為光 一電轉(zhuǎn)換，即光伏發(fā)電。光一化學(xué)轉(zhuǎn)換還處于研究實(shí)驗(yàn)階段，這種轉(zhuǎn)換技術(shù)包括光伏 電池電極化水制成氫、利用氫氧化鈣和金屬氫化物熱分解儲(chǔ)能等。 在這些轉(zhuǎn)換利用方式中光伏發(fā)電系統(tǒng)是技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的技術(shù)，它 的基本元件是光伏電池。光伏電池受到太陽(yáng)光照時(shí)能產(chǎn)生光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變 成直流電能。在使用時(shí)要將光伏電池封裝成組件，然后根據(jù)需要將組件串并聯(lián)組成陣 列。通常需要用蓄電池等作為儲(chǔ)能裝置，才能隨時(shí)供給負(fù)載使用。如果是交流負(fù)載， 則還需要通過(guò)逆變器將直流電變成交流電。整個(gè)光伏系統(tǒng)還要配備控制器等附件。 世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，最近10年太陽(yáng)電池及組件生產(chǎn)的年平均增長(zhǎng)率為 33%，最近5年的年平均增長(zhǎng)率為43％，％，這一產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng) 今發(fā)展最迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光伏發(fā)電成本正不斷降低。2003年世界重要廠商的成本為2至 ∕瓦，∕瓦。但隨著技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏發(fā) 電的成本將繼續(xù)不斷降低。 產(chǎn)業(yè)化方面，各國(guó)一直在通過(guò)改進(jìn)工藝、擴(kuò)大規(guī)模和開(kāi)拓市場(chǎng)等措施降低成本， 并取得了巨大進(jìn)展。以美國(guó)為代表，其能源部1990年起動(dòng)了光伏制造技術(shù)(PVMaT)的產(chǎn) 業(yè)化計(jì)劃，通過(guò)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)實(shí)施，并成立了國(guó)家光伏中心，聯(lián)合產(chǎn) 4 2 4 2 3 業(yè)界、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)共同進(jìn)行攻關(guān)，以求大幅度降低成本。這一計(jì)劃的實(shí)施已經(jīng)產(chǎn) 生了非常明顯的效果，商品化電池效率從10%一13%提高到12%~15%。生產(chǎn)規(guī)模從1~5兆 峰瓦/年發(fā)展到5~20兆峰瓦/年，并正在向50兆峰瓦擴(kuò)大。生產(chǎn)工藝不斷簡(jiǎn)化，自動(dòng)化 程度不斷提高。三年來(lái)，世界的光伏組件的生產(chǎn)成本降低了32%以上，第一次降到3