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1、分类号 密 级 公 开 UDC 学校代码 10497 学 位 论 文题 目 光伏DC/DC变换器最大功率跟踪算法研究与设计 英 文 题 目 Design and Study of Photovoltaic Converter and Maximum Power Point Tracking研究生姓名 指导教师姓名 职称 副教授 学位 博士 单位名称 邮编 申请学位级别 工学硕士 学科专业名 电力电子与电力传动 论文提交日期 2015-05 论文答辩日期 2015-05 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 2015-06 答辩委员会主席 评阅人 2015年 4 月II独 创 性 声 明本人
2、声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人承诺所提交的学位论文（含电子学位论文）为答辩后经修改的最终定稿学位论文，并授权武汉理工大学可以将本学位论文的全
3、部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）： 导师（签名）： 日期：1武汉理工大学硕士学位论文摘要由于世界能源总量不断减少，人们对能源的需求不断增加，寻找一种清洁、高效的能源成为当前人们关注的焦点。光伏发电是解决能源短缺的方法之一，但是太阳能电池板输出电压范围宽，受光照、温度以及负载影响大，因此需要加入光伏变换器及储能设备，保证太阳能电池板以最大功率输出。当日照条件不均时，在局部阴影条件下P-V曲线会出现多
4、个峰值的现象，造成光伏变换器无法稳定工作，以及影响太阳能电池板寿命。因此需要设计一种输入范围宽、效率高，而且在不同日照条件下能够有效追踪全局最大功率点的光伏变换器。本文设计了一台2100W光伏变换器，并对其工作特性及控制算法进行研究和分析，本文具体工作内容具体如下：本文以光伏发电中的光伏变换器为研究对象，阐述了光伏发电以及最大功率跟踪算法的国内外研究现状。根据光伏变换器的指标，分析满足指标要求的光伏变换器拓扑，设计了功率器件、电感和电容等电路主要参数。并计算了光伏变换器的损耗，优化了机箱结构。根据光伏变换器的输入输出范围，设计了相应的采样、保护、通信以及驱动电路。为实现最大功率跟踪，需要通过光
5、伏变换器控制太阳能电池板的输出电压。本文建立了光伏变换器的小信号模型，并依据电感电流连续及不连续两种情况设计了不同的补偿器，保证光伏变换器能够快速、稳定的控制太阳能电池板输出电压。同时本文分析了光伏变换器的启动方式，提出了光伏变换器软启动控制方法。依据太阳能电池工作原理，建立了太阳能电池板的模型，分析了太阳能电池的工作原理，以及局部阴影条件下的输出特性。由于存在传统最大功率跟踪算法会出现振荡和局部阴影条件下最大功率跟踪算法出现失配的问题，本文对传统最大功率跟踪算法进行了改进，提高了最大功率跟踪的速度和精度，重新设计了局部阴影条件下最大功率跟踪算法，并通过仿真验证了该算法的准确性。为验证光伏变换
6、器设计的合理性，本文在输出功率为2100W的光伏变换器上进行实验。结果表明，光伏变换器的控制算法及最大功率跟踪算法使用非常有效。关键词：光伏发电，光伏变换器，局部阴影，最大功率跟踪AbstractWith the rapidly decreasing energy resources and increasing energy demand, looking for a clean, highly efficient energy has drawn public attention. Photovoltaic cell is one of the method to solve energy
7、 shortage. However the photovoltaic cell is to be influenced by the irradiation, temperature and load, and has a wide range of output voltage. Thus, it is necessary to add energy storage device and DC/DC converter to ensure photovoltaic cells output at its maximum power point.This paper regard solar
8、 converter as studying subject, by designing and test its power and control circuit and maximum power point tracking algorithm. The main research contents are as follows. First of all, choose the proper photovoltaic converter topology which is suitable for solar cell and battery. Design the main par
9、ameters including power devices, inductor and capacitors by the common method. Analyze the possible losses of each component and design reasonable chassis structure.Then different compensators are established for the small signal model of converter based on whether the inductors current is continuou
10、s and discontinuous. Based on the principle of solar cell, the model of solar cell and its working mode is analyzed and the maximum power point tracking (MPPT) algorithm is evolved to achieve higher speed and accuracy due to the ambiguous study of photovoltaic converter, oscillation of traditional m
11、aximum power point tracking algorithm and mismatch under partially shaded condition. The solar cell under the partially shaded condition (PSC) is also analyzed and its algorithm is improved.Finally, simulations and experiments are made to verify the output character of solar cell and accuracy and st
12、ability of photovoltaic converter.Key words: PV array, photovoltaic converter, partially shade condition, maximum power point tracking目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状21.2.1光伏发电系统研究现状21.2.2光伏变换器拓扑与模型31.2.3最大功率跟踪算法研究现状41.2.4局部阴影条件检测研究现状81.3主要研究内容9第2章 光伏DC/DC变换器建模与设计102.1光伏DC/DC变换器技术指标及总体结构1
13、02.2光伏DC/DC变换器拓扑设计112.3光伏DC/DC变换建模与控制122.3.1光伏DC/DC变换器参数设计122.3.2光伏DC/DC变换器模型建立152.3.3光伏DC/DC变换器补偿器设计202.4本章小节25第3章 基于电导增量法的最大功率跟踪算法设计与改进263.1太阳能电池板建模263.1.1太阳能电池的工作原理263.1.2太阳能电池的物理模型273.1.3太阳能电池板输出特性拟合313.2电导增量法设计与改进323.3改进电导增量法仿真分析353.4本章小节38第4章 局部阴影条件下的最大功率跟踪算法设计394.1局部阴影下最大太阳能电池板工作特性394.2局部阴影条件
14、下最大功率跟踪算法电压步长选取414.3基于电压窗与功率三角形的最大功率跟踪算法434.4日照强度突变判定464.5最大功率跟踪算法仿真分析474.5本章小节49第5章 最大功率跟踪算法实验结果505.1光伏DC/DC变换器最大功率跟踪实验505.1.1光伏DC/DC变换器工作特性505.1.2最大功率跟踪实验535.1.3 局部阴影条件下最大功率跟踪实验555.2本章小节57第6章 总结与展望586.1全文总结586.2展望59参考文献60作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文64致谢65附录I66附录II7070第1章 绪论1.1研究背景及意义随着人类社会的不断发展，例如天然气、石油化石燃料等正在慢慢枯竭，而且这些能源都是不可再生的，并且这些化石燃料的使用对环境有很大污染。可以看到，在过去由于生产力落后，化石燃料的燃烧对大气、水质和土壤产生了不可逆转的破坏。为了减少对不可再生能源的消耗，各国都在不断寻找新的、可替代的发电方法。新能源的发展为许多国家提出了一种控制温室气体排放以及在化石燃料价格较低的时代结束前实现能源多样化的有效方法1。现阶段我国的能源存储不容乐观，石油、天然气可使用三十年，煤炭约持续供应八十年2。虽然总存储量十分丰富，但人均拥有量却远远落后于世界平均水平。因此，风能、太
