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1、 （申请工学硕士学位论文）光伏 DC/DC 变换器最大功率 跟踪算法研究与 设计培养单位 ：自动化学院学科专业 ：电力电子与电力传动研 究 生：指导老师 ： 年 月光伏 DC/DC 变换器最大功率跟踪算法研究与设计 武汉理工大学分类号 密 级 UDC 学校代码 学学 位位 论论 文文题 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 姓名 职称 学位 博士 单位名称 武汉理工大学 邮编 申请学位级别 工学硕士
2、学科专业名 电力电子与电力传动 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 年 月指导教师武汉理工大学硕士学位论文I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
3、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
4、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
5、跟踪算法使用非常有效。关键词关键词：光伏发电，光伏变换器，局部阴影，最大功率跟踪武汉理工大学硕士学位论文IIAbstractWith 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 shortage. However the photovoltaic
6、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 converter as studying subject, by d
7、esigning 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 parameters including power devices, ind
8、uctor 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 continuous and discontinuous. Based on the pr
9、inciple 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 maximum power point tracking algorith
10、m 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 stability of photovoltaic converter.Ke
11、y words: PV array, photovoltaic converter, partially shade condition, maximum power point tracking武汉理工大学硕士学位论文III目录摘要IAbstract.II第 1 章 绪论.11.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 光伏发电系统研究现状 .2 1.2.2 光伏变换器拓扑与模型 .3 1.2.3 最大功率跟踪算法研究现状4 1.2.4 局部阴影条件检测研究现状8 1.3 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
12、技术指标及总体结构10 2.2 光伏 DC/DC 变换器拓扑设计11 2.3 光伏 DC/DC 变换建模与控制12 2.3.1 光伏 DC/DC 变换器参数设计.12 2.3.2 光伏 DC/DC 变换器模型建立.15 2.3.3 光伏 DC/DC 变换器补偿器设计.20 2.4 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 26 3.1.1 太阳能电池的工作原理 .26 3.1.2 太阳能电池的物理模型 .27 3.1.3 太阳能电池板输出特性拟合31 3.2 电导增量法设计与改进 32 3.3 改进电导增量法仿真分析 35 3.4 本章
13、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.39 4.2 局部阴影条件下最大功率跟踪算法电压步长选取.41 4.3 基于电压窗与功率三角形的最大功率跟踪算法.43武汉理工大学硕士学位论文IV4.4 日照强度突变判定 46 4.5 最大功率跟踪算法仿真分析 47 4.5 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50 5.1.1 光伏 DC/DC 变换器工作特性.50 5.1.2 最大功率跟踪实验 .53 5.1.3 局部阴影条件下最大功率跟踪实验.55 5.2 本章小节57
14、第 6 章 总结与展望.586.1 全文总结58 6.2 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 I.66附录 II70武汉理工大学硕士学位论文1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
15、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、太阳能、潮汐能、地热能以及氢能、核能等3可再生新能源越来越受到人们的重视4。其中太阳能发电系统已经应用于诸多领域，例如电池充电、太阳能水泵、家庭电源供电、泳池加热系统以及卫星供电系统等。为了解决当前面对的能源问题，合理开发利用太阳能将会是一个有效、便捷的突破口，也是当今众多科学家研究的方向。光伏发电技术也是当今利用太阳能最有效的一种形式5。太阳能发电系统是一种能将太阳能转换为电能的系统，它能够应用于世界多个国家及地区。光伏发电系统是一种理想的分散式发电装置，它充分利用太阳能日照资源并减缓气候变化。和其他能源相比，太阳能发电的经济成本较高，人们对于这种发电系统的使用，并网设计等有许多争论，这导致了光伏发电仍旧需要不断拓展。太阳能发电有着无噪声、无污染、不受地域限制等特点6。每年大约有3.81024J 的能量照射到地球表面7，这些能量被大地上的植物、土地、水等吸收。有人经过计算，这些能量相当于 2009 年消耗能量的 8000 倍。全球的光伏产业在近几年有非常大的发展。作为一种可在生的清洁能源，全世界的发电量从 2000 年的 1.
