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1、淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 MPPT 的光伏电力应用系统的研究 I基于 MPPT 的光伏电力应用系统的研究 摘摘要要 近年来由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重,清洁的可再生的太阳能源越来越受到人们的重视,同时太阳能的光电转换技术也不断发展至可大规模应用的水平。在未来,太阳能电池的应用有着良好的发展前景。从太阳能电池的光伏特性出发,来研究如何提高太阳能的转换效率无疑是很有现实意义的。本课题研究获得的成果有:以双 MCU 为核心的太阳能最大功率跟踪器,及其软件上的MPPT 算法设计 ;设计了PWM 的非对称结构D 类升降压变换器 ,为输出恒定电压提供负载创造了条件 。关键
2、词 光伏电池 ;最大功率点跟踪 ;非对称结构 D 类变换器淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 MPPT 的光伏电力应用系统的研究 IIThe Reseach on PV Power Aplied System Based on MPPTschool of physics and electronic information ,Huaibei normal university Abstract Nowadays, with the increasing burden on energy exhaustion and environment pollution, as a cleanl
3、y and renewable energy, Solar Energy has became a hotspot of the whole world. At the same time, the technique of the PV (Photovoltaic) conversion has come into the applied level on a large scale. In the future, the application of the PV will has a exciting status. It is significant to research on im
4、proving the conversion efficiency of PV from its Volt-Ampere Characteristics. The results of the design: A PV MPPT control unit based on double MCU and its software of MPPT algorithm; A asymmetrical class D buck-boost converter with the control methods of PWM (Pulse-Width-Modulation), For usage of s
5、torage cells as secondary power supply.Key words Photovoltaic; MPPT; Asymmetrical Class D Converter淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 MPPT 的光伏电力应用系统的研究 III目录 1 绪论 .1 1.1 本文研究背景和研究目的.1 1.2 研究现状及发展方向 .1 1.3 课题意义和研究内容 .2 2 相关技术概述 .4 2.1 太阳能电池的输出特性和功率峰值跟踪.4 2.2 Buck-Boost 型开关稳压电路 .6 2.3 PWM 软开关技术 .7 2.4 现场总线技术 .9 2
6、.5 模糊控制概述 .13 3 实现太阳阵峰值功率的MPPT 算法及实现 .16 3.1 光伏阵列特性曲线 .16 3.2 太阳能最大功率点追踪控制算法.17 3.3 扰动观察法的改进算法和MPPT 的实现 .20 4 基于模糊逻辑控制的最大功率跟踪系统.22 4.1 应用模糊控制方法控制的可行性分析.22 4.2 应用模糊逻辑控制进行MPPT.22 4.3 利用 MATLAB 模糊逻辑工具箱进行MPPT 仿真 .24 5 总结 .26 参考文献.28 致谢 .29淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 MPPT 的光伏电力应用系统的研 究 11 绪论1.1 本文研究背景和研究目的长期以
7、来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，虽只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的3-4 万倍，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应 ”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近10 多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用最广泛的能源利
8、用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位，太阳能电池(SolarCell)就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件。有人称之为光伏电池(Photovolatic，简称 Pv)。光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵，因此，如何在现有的光电元件转换技术的基础上，进一步提高太阳电池的转换效率，充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。本课题从太阳能电池的光伏特性出发，对于如何提高太阳能电池的能量转换效率，进行了有益的探讨。1.2 研究现状及发展方向光伏电池工作原理：太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效
9、应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应原理工作的太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体 p-n 结上，形成新的空穴-电子对。在 p-n 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。太阳能电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同一光照强度下，由于负 载的不同而输出不同的功率，将其直接与负载相连是很不明智的，一般来说 都采用一个变换装置，使太阳能的输出功率保持在它所能输出的最大状态，再使它向负载供电。目前太阳能电池输出功率控制淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 MPPT 的光伏电力应用系统的研 究 2CVT(Constant
10、Voltage Treaking)技术。硅太阳电池阵列具有如图1所示的伏安特性，图 l 太阳电池阵列伏安特性曲线图 1 中 L 是负载特性曲线，当温度保持某一固定值时，在不同的日照强度下它与负载特性L 的交点 a，b，c，d，e 对应于不同的工作点。人们发现阵列可能提供最大功率的那些点，如a 、b、c， 、d、e点连起来几乎落在同一根垂直线的邻近两侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U=Um的一根垂直线，亦即只要保持阵列的出端电压为常数，就可以大致保证阵列输出在该一温度下的最大功率，于是最大功率点跟踪器简化为一个稳压器，这就是CVT 的理论依据。 CVT 控制方式具有控制简单，可靠
11、性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得20%的电。但是，这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。以单晶硅太阳电池为例，当环境温度每升高1时，其开路电压下降率为0.35%一0.45%。这表明太阳电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区，CVT 控制方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。随着微电子技术和电力电子技术的发展和微电子器件的大幅度降价，CVT 控制方式已经显得不很经济，最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tacking)技术可以使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率，
12、显示了它杰出的技术优势。1.3 课题意义和研究内容MPPT 可挽回由于温度变化而导致的系统的失配损失，特别是对于淮北师范大学 2011 届学士毕业论文 基于 MPPT 的光伏电力应用系统的研 究 3冬、夏及全日内温差较大的地区更具有明显的经济、技术意义。本课题所作的主 要工作就是利用太阳能电池的伏安特性，通过调节太阳电池阵的工作点来自动跟踪太阳电池阵的最大功率点，以获得最大功率。本文的研究内容有 :(l)利用步进式扰动观察算法，设计出太阳能电池的MPPT 功率适配器 ;(2)为输出恒定的电压，满足负载的要求，设计了非对称结构的D 类升降压变换器，对输出电压进行控制;(3)为提高太阳能电力的使用效率，系统采用蓄电池作为辅助电源，我们设计了能自动对一组蓄电池
