【正文】 能很好跟蹤太陽能電池的最大功率點。 conductance increment method。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 目 錄 1 緒論 ................................................1 課題研究的背景 ................................. 1 課題研究的意義 ...............................4 課題研究的內(nèi)容 .................................6 2 光伏電池的原理及其特 征 ...............................6 光伏電池的基本工作原理 .........................6 光伏電池的基本特性 .............................7 3 光伏陣列最大功率點跟蹤（ MPPT）控制 ...................10 MPPT 算法的原理 ................................10 現(xiàn)代最大功率點跟蹤方法 ........................ 11 MPPT 控制方案設(shè)計 ............................. 19 有關(guān) PWM 的介紹 .................................22 4 仿真實驗 ............................................22 PSCAD 仿真軟件介紹 .............................22 基于 PSCAD 的光伏陣列 MPPT 的仿真 ................24 5 總結(jié) ...............................................35 參考文獻(xiàn) ...............................................36 致謝 ...................................................37 1 緒 論 課題研究的背景 目前世界上的能源消耗幾乎全靠“初級能源 或“常規(guī)能源 來供應(yīng)，它包括：煤炭、石油、天然氣和核裂變等。 近年來，國際上太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在許多方面取得突破。 能源是社會經(jīng)濟(jì)和人民生活的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，對于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高極為重要。在我國，這一情況也不容樂觀，據(jù)官方統(tǒng)計，僅在 20xx 年一年，我國就進(jìn)口原油約 1． 5 億噸。根據(jù)相關(guān)資料顯示，目前，大量使用化石燃料己經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來了污染，由于大量使用化石能源，全世界每 天產(chǎn)生約 1 億噸溫室效應(yīng)氣體， 使得地球表面氣溫逐年升高口近若干年來全球 排放量迅速增長，如果不加控制，溫室效應(yīng)將使南、北兩極的冰山融化，這可能會使四分之一的人類生活空間將由此受到極大威脅。除此之外，污染物的積累和遷移轉(zhuǎn)化還會引起多種衍生的環(huán)境效應(yīng)，給生態(tài)系統(tǒng)和人類社會造成間接的危害，有時這種間接的環(huán)境效應(yīng)的危害比直接危害更大，更難消除。隨著經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的全球化，環(huán)境污染也日益呈現(xiàn)國際化趨勢，近年來出現(xiàn)的危險廢物越境轉(zhuǎn)移問題就是這方面的突出表現(xiàn)。太陽每秒鐘發(fā)出的能量有 3． 865XJ，相當(dāng)于每秒鐘燃 燒 1． 32Xt 標(biāo)準(zhǔn)煤所發(fā)出的能量。根據(jù)氫核聚變的反應(yīng)理論計算，如果太陽象目前這樣，穩(wěn)定地每秒鐘向其周圍空間發(fā)射 3． 286 j 的輻射能，在氫核聚變產(chǎn)能區(qū)中，氫核穩(wěn)定燃燒 的時間，可在 60 億年以上。 (3)分布廣泛，分散使用 太陽能年輻射總量一般大于 5． 04 kJ／ ，就有實際利用價值，若每年輻射量大于 6． 3 kJ／ ，則為利用較高的地區(qū)。此外，其他新能源中水電、核能、地?zé)崮艿?，在開發(fā)利用的過程中，也都存在著一些不能忽視的環(huán)境問題。煤炭、石油和天然氣等礦物能源經(jīng)過幾十億年才形成，而且短期內(nèi)無法恢復(fù)。 太陽能的光化學(xué)利用主要是指太陽能光合作用、太陽能化學(xué)儲存、太陽能催化光解水制氫、太陽能光電化學(xué)轉(zhuǎn)換等方面的新技術(shù)，其中令人看好的太陽能制氫技術(shù)將可能是促進(jìn)人類大規(guī)模利用太陽能的關(guān)鍵技術(shù)之一。只要將太陽能電池支撐并面向太陽即可發(fā)電，宜于制成小功率移動電源。光伏發(fā)電本身不向外界排放廢物，沒有機械噪聲，是一種理想的能源。一是利用地面上的沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽能發(fā)電站連成統(tǒng)一電網(wǎng)以便全球供電。大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源，以資源無限、清潔干凈的可再生能源為主的多樣性的能源結(jié)構(gòu)代替以資源有限、污染嚴(yán)重的化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)己成為人們關(guān)注的焦點。 70年代中期后，光伏發(fā)電應(yīng)用逐漸擴大到地面并形成了我國的光伏產(chǎn)業(yè)。 我國西部幅員遼闊、地廣人稀、負(fù)荷密度小，不利于常規(guī)電網(wǎng)的延伸。目前，國內(nèi)光電池硅片的生產(chǎn)能力己達(dá) 4． 5MW，在西藏 7 個無水無電 縣中已全部建成了光伏發(fā)電，其中功率最大的 100kW。北京申辦 20xx 年奧運會，提出了“綠色奧運、人文奧運、科技奧運”的指導(dǎo)思想 20xx 年奧運會是最成功的一屆奧運會，光伏發(fā)電應(yīng)用擔(dān)當(dāng)一個重要的角色，在奧運村和運動場館規(guī)劃中，太陽能利用及光伏發(fā)電站的建設(shè)均占主要的地位。光伏發(fā)電成本高，無法與常規(guī)能源競爭，所以更需要政府制定強有力的法規(guī)和政策支持以驅(qū)動我國光伏產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。 然后是仿真模塊，本文通過 PSCAD 仿真軟件來模擬最大功率點跟蹤系統(tǒng)，會詳細(xì)介紹仿真的過程以及結(jié)果。 目前大規(guī)模使用的主 要是單晶硅和多晶硅電池，因為其資源豐富、轉(zhuǎn)換效率較高 (澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授已將單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到24％ )，所以現(xiàn)在開發(fā)得也最快。所謂光生伏特效應(yīng)，簡單地說，就是當(dāng)物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn) 生電動勢和電流的一種效應(yīng)。 光伏電池的基本特性 光伏電池的等效電路 光伏電池的等效電路圖如圖 21 所示 [1]。 Isc 值正比于光伏電池的面積和入射光的光照強度。 ID 為暗電流。 IL 為光伏電池輸出的負(fù)載電流。 Rs 為串聯(lián)電阻，一般小于 1 歐姆。 光伏電池的特性曲線 光伏電池的電壓 電流關(guān)系曲線，簡稱伏安特性曲線 [2]，如圖 22 所示。有光伏電池的伏安特性曲線可繪制出 PU 曲線，如圖 24 所示。 光照強度對光伏電池輸出參數(shù)的影響如圖 25 所 示。 溫度對光伏電池輸出參數(shù)的影響如圖 26 所示。其中所指的溫度應(yīng)為光伏陣列本體的溫度而非環(huán)境溫度。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程稱之為最大功率點跟蹤（ MPPT）。 假設(shè)圖 31 中曲線 1 和曲線 2 為兩種不同光照強度下光伏陣列的輸出曲線，A 點和 B 點分別為相應(yīng)的最大功率輸出點；并假設(shè)某一時刻，系統(tǒng)運行在 A 點。 曲 線 2曲 線 1負(fù) 載 2負(fù) 載 1A `BB `AI / AU / V 圖 31 MPPT 算法分析圖 現(xiàn)代最大功率點跟蹤方法 干擾觀察法 干擾觀察法 [6]（ Perturb amp。 對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)而言，從觀測對象來說，擾動觀測法又分為兩種：一種是基于并網(wǎng)逆變器輸入?yún)?shù)的擾動觀測法；另一種是基于并網(wǎng)逆變器輸出參數(shù)的擾動觀測法。 擾動觀測法 的 MPPT 過程，具體描述如下： 當(dāng)增大參考電壓 U（ U1=U+△ U）時，若 P1P，表明當(dāng)前工作點位于最大功率點左側(cè)，此時系統(tǒng)應(yīng)保持增大參考電壓的擾動方式，即 U2=U1+△ U，其中 U2為二次調(diào)整后的電壓值，如圖 32a 所示。 輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0PP 1P 2UU 1U 2Δ U( c )輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0P 2PP 1U 2U 1UΔ U( d ) 圖 32 擾動觀測法的 MPPT 過程示意圖 可見，擾動觀測法就是按照圖 32 所示的過程反復(fù)進(jìn)行輸出電壓擾動，并使其電壓不斷變化，使光伏電池輸出功率朝大的方向改變，直到工作點接近最大功率點。 模糊邏輯控制 由于太陽光照強度的不確定性、光伏陣列溫度的變化、負(fù)載情況的變化以及光伏陣列輸出特征的非線性特征，要實現(xiàn)光伏陣列最大功率點的準(zhǔn)確跟蹤需要考慮的因素是很多的。所以可定義模糊邏輯控制器的輸出變量為工作點電壓的校正值 dU。 1） E（ k） ＜ 0, CE（ k） ≥ 0 時， P 由左側(cè)向 Pm 靠近；則 dU 應(yīng)為正，以繼續(xù)靠近最大功率點； 2） E（ k） ＜ 0, CE（ k） ＜ 0 時， P 由左側(cè)遠(yuǎn)離 Pm；則 dU 應(yīng)為正，以繼續(xù)N 靠近最大功率點； 3） E（ k） ＞ 0, CE（ k） ≤ 0 時， P 由右側(cè)靠近 Pm；則 dU 應(yīng)為負(fù)，以繼續(xù)靠近最大功率點； 4） E（ k） ＞ 0, CE（ k） ＞ 0 時， P 由右側(cè)遠(yuǎn)離 Pm；則 dU 應(yīng)為負(fù)，以繼續(xù)靠近最大功率點； 0 . 7 0 . 80 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 90 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 4 50 . 5 0輸出功率標(biāo)幺值端 電 壓 標(biāo) 幺 值E ( k ) ＜ 0C E ( k ) ≥ 0E ( k ) ＜ 0C E ( k ) ＜ 0E ( k ) ＞ 0 C E ( k ) ＞ 0E ( k ) ＞ 0C E ( k ) ≤ 0 圖 34 MPPT 的邏輯控制規(guī)則示意圖 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用模糊邏輯方法實現(xiàn) MPPT 控制，可以通過 DSP 比較方便的執(zhí)行，其中控制器的設(shè)計主要包括以下幾個方面內(nèi)容： ① 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量 ② 歸納和總結(jié)幕后控制器的控制規(guī)則 ③ 確定模糊化和反模糊化的方法 ④ 選擇論域并確定有關(guān)參數(shù) 在模糊邏輯控制中，通常用系統(tǒng)的實際輸出量與設(shè)定的期望值相比較，得到一個偏差值 E，一般還需要根據(jù)該偏差的變化率 EC 進(jìn)行綜合判斷。 根據(jù)擾動觀測法的分析，表明，最大功率點跟蹤實質(zhì)上就是搜索滿足條件dP/dU=0 的工作點。 顯然，通過對 dP/dU 的定量分析，可 以得到相應(yīng)的最大功率點判據(jù)。 采用電導(dǎo)增量法的主要優(yōu)點是 MPPT 的控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時，系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化，且與光伏電池的特性和參數(shù)無關(guān)。這類電路在 MPPT 控制電路中得到普遍應(yīng)用。 考慮到 Boost 電路本身具有較高的效率，而且它能使直流測電壓配置更加靈活，因此，本文研究使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)的前級 DC/DC 電路采用的是 Boost 型變換器。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中， Boost 變換器可以被用來將蓄電池或光伏電池輸出的低電壓變換為較高電壓，滿足較高電壓負(fù)載的高額定電壓需求。U S+ U L Li LC+I OR+U 0U SLi L U L +C+I OR+U O （ a） (b) 圖 39 Boost 變換器電路改造控制過程圖 當(dāng)圖 38 中開關(guān)管 T 關(guān)斷