【正文】 本文由jiabxhit貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 華中科技大學 碩士學位論文 基于DSP的光伏電池數(shù)字模擬系統(tǒng)研究 姓名：杜柯 申請學位級別：碩士 專業(yè)：電力電子與電力傳動 指導教師：段善旭 20060429 摘 要 太陽能作為一種新型的可再生資源受到越來越廣泛的重視，光伏發(fā)電則是太陽能 利用中技術含量最高、最有發(fā)展前途的技術?，F(xiàn)在，光伏發(fā)電系統(tǒng)已在世界范圍內得 到越來越廣泛的應用。為了在實驗室條件下，進行太陽能光伏發(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。 本文分析了太陽能光伏電池的輸出 IV 特性， 討論了光伏電池的數(shù)學模型， 并在此 模型基礎之上建立了簡單易用的工程數(shù)學模型。本文還根據(jù)現(xiàn)有文獻討論了國內外光 伏電池模擬器的研究狀況，并在這些研究成果的基礎上提出了自己的設計方案。 本文從DSP控制電路、IGBT驅動和主電路拓撲結構三個層次詳細介紹了系統(tǒng)硬件組 成。軟件部分，本文提出了用分段二次曲線的方法擬合光伏電池輸出特性曲線的算法， 并針對特定功率采用匯編語言編寫了程序實現(xiàn)該算法。 通過系統(tǒng)仿真和實驗證明了系統(tǒng)工作原理的正確性。 實驗結果證明本文中所設計的 光伏電池模擬器，能夠較好的完成設計的目的，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態(tài)響應性能，負載突變時，模擬器 能夠自動跟蹤工作點的變化并在當前工作點穩(wěn)定工作。 因此， 本系統(tǒng)能夠在實驗室條件下滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的實驗要求， 為研究工作提供 一個較好的實驗環(huán)境，節(jié)省研究經費和時間，加快研究進度。 關鍵詞：光伏電池、特性曲線、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 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除文中已經標明引用的內容外，本論文不包含任何其他 個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集 體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到，本聲明的法律結果由本人承 擔。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有 權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和 借閱。 本人授權華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù) 庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密□ ，在年解密后適用本授權書。 本論文屬于 不保密□。 （請在以上方框內打“√” ） 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導教師簽名： 日期： 年 月 日 1 緒 1．1 本文研究背景 論 1．1．1 太陽能是化石能源的主要替代能源[12] 目前的世界能源結構中，人類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迅速，已占全世界能源消費總量的 60％左 右。但是，石油和天然氣的儲量是有限的，許多專家預言，石油和天然氣資源將在 40 年、最多 50—60 年內被耗盡。煤炭資源雖然遠比石油和天然氣資源豐富，但是直接應 用煤炭嚴重污染環(huán)境，因此亟需研究把煤炭轉化成為氣體或液體燃料的技術?？磥恚?人類如不及早采取對策，在不遠的將來會面臨一場全面的能源危機，這是當前人類面 對的一項重大挑戰(zhàn)。 為了保證大規(guī)模的能源供應，當前世界各國都在制訂規(guī)劃、采取措施、組織力量、 增加投資，大力開發(fā)太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能以及核聚變能等新能 源技術，力爭在不太長的時間內，將日前的以化石能源為基礎的常規(guī)能源系統(tǒng)，逐步 過渡到持久的、多樣化的、可以再生的新能源系統(tǒng)。只要應用現(xiàn)代科學技術，廣泛開 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 機的山現(xiàn)。 太陽能以其獨有的優(yōu)勢成為人們關注的焦點。豐富的太陽輻射能，是取之不盡用 之不竭、無污染、廉價的能源。太陽能每秒鐘到達地球的能量高達 80 萬 kW，如果把地 球表面 ％的太陽能轉為電能， 轉換率為 5％， 那么每年的發(fā)電量可達 1012 kWh， 相當于目前全世界能耗的 40 倍。 未來幾十年，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。太陽能光伏發(fā)電、風能、生物質能、水電和地熱能將以補充的形式配 合供應需求。由于光伏發(fā)電具有節(jié)約成本的優(yōu)勢，它被認為是太陽光照充分時供應電 力的首選。 1．1．2 我國的太陽能資源 我國屬于太陽能能源較為豐富的國家之一，全國國土面積 2/3 以上的地區(qū)每年日 照時數(shù)大于 2000 小時，僅陸地面積每年接受的太陽輻射能就約等于幾萬個三峽工程發(fā) 電量的總和。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內蒙古南部、 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灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。 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、日照時間長。例如被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961 年至 1970 年的平均值，年平均日照時間為 ．相對日照為 68％，年平均晴天為 108．5 天， 陰天為 98．8 天，年平均云量為 4．8，太陽總輻射為 816kJ／cm a，比全國其它省區(qū) 和同緯度的地區(qū)都高。全國以四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小。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”之稱的成都市，年平均日 照時數(shù)僅為 ，相對日照為 26％，年平均晴天為 天，陰天達 ，天年 平均云量高達 8．4。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。 我國太陽能資源分布的主要特點有：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯 22。～35。這一帶。青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽年輻射總量，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)，太陽能的分布情況與一般的太陽能 隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽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。 按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區(qū)： 一類地區(qū) 全年日照時數(shù)為3200～3300小時， 輻射量在670～837104kJ／cm2 相當于225～ a， 285kg標準煤燃燒所發(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。這是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當。 特別是西藏，地勢高，太陽光的透明度也好，太陽輻射總量最高值達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光城。 二類地區(qū) 全年日照時數(shù)為3000～3200小時， 輻射量在586～670104kJ／cm2 相當于200～ a， 225kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括河北西北部、山西北部、內蒙古南部、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)為我國太陽能資源較 豐富區(qū)。 三類地區(qū) 全年日照時數(shù)為2200～3000小時， 輻射量在502～586104kJ／cm2 相當于170～ a， 200kg標準煤燃燒所發(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。 四類地區(qū) a， 全年日照時數(shù)為1400～2200小時， 輻射量在419～50210 kJ／cm 相當于140～ 170kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。 主要是長江中下游、 福建、 浙江和廣東的一部分地區(qū)， 春夏多陰雨，秋冬季太陽能資源還比較豐富。 五類地區(qū) 全年日照時數(shù)為 1000～1400 小時，輻射量在 335～41910 kJ／cm a，相當于 115～140kg 標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包括四川、貴州兩省。此區(qū)時我國太陽能 資源最少的地區(qū)。 1．1．3光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展[39] 太陽能的轉換利用方式有光一熱轉換、光一化學轉換和光一電轉換等三種方式。 接收或聚集太陽能使之轉換為熱能，然后用于生產和生活，是太陽能光一熱轉換利用 即太陽能熱利用的基本方式。太陽能熱水系統(tǒng)是目前太陽能熱利用的主要形式。利用 光生伏打效應原理制成光伏電池，可將太陽的光能直接轉換為電能加以利用，稱為光 一電轉換，即光伏發(fā)電。光一化學轉換還處于研究實驗階段，這種轉換技術包括光伏 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能等。 在這些轉換利用方式中光伏發(fā)電系統(tǒng)是技術含量最高、最有發(fā)展前途的技術，它 的基本元件是光伏電池。光伏電池受到太陽光照時能產生光伏效應，將太陽光能轉變 成直流電能。在使用時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能裝置，才能隨時供給負載使用。如果是交流負載， 則還需要通過逆變器將直流電變成交流電。整個光伏系統(tǒng)還要配備控制器等附件。 世界光伏發(fā)電產業(yè)發(fā)展迅速，最近10年太陽電池及組件生產的年平均增長率為 33%，最近5年的年平均增長率為43％，％，這一產業(yè)已成為當 今發(fā)展最迅速的高新技術產業(yè)之一。 隨著光伏產業(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。但隨著技術進步、產業(yè)規(guī)模的不斷擴大，光伏發(fā) 電的成本將繼續(xù)不斷降低。 產業(yè)化方面，各國一直在通過改進工藝、擴大規(guī)模和開拓市場等措施降低成本， 并取得了巨大進展。以美國為代表，其能源部1990年起動了光伏制造技術(PVMaT)的產 業(yè)化計劃，通過國家可再生能源實驗室(NREL)實施，并成立了國家光伏中心，聯(lián)合產 4 2 4 2 3 業(yè)界、大學和研究機構共同進行攻關，以求大幅度降低成本。這一計劃的實施已經產 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50兆峰瓦擴大。生產工藝不斷簡化，自動化 程度不斷提高。三年來，世界的光伏組件的生產成本降低了32%以上，第一次降到3