1、電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文光伏并網(wǎng)逆變器最大功率跟蹤研究及其實現(xiàn)姓名：羅佩申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：檢測技術(shù)與自動化裝置指導(dǎo)教師：王厚軍20090501摘要摘要隨著人類社會對能源的需求越來越旺盛以及傳統(tǒng)能源造成的污染問題越來越嚴(yán)重，近年來可再生能源的研究成為了熱點，其中太陽能的開發(fā)更是其中重要的一個研究方向。本論文正是針對上述問題，以太陽能光伏并網(wǎng)逆變器為主要的研究對象，介紹了光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理，重點對最大功率跟蹤技術(shù)進行了研究，并使用基于和的控制器予以實現(xiàn)。主要內(nèi)容為：光伏并網(wǎng)逆變器的研究背景，各項性能指標(biāo)的提出。逆變器工作原理及主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最大功率跟蹤技術(shù)的研究。本文首先分析了太陽能電池

2、的特性以及目前較為常用的幾種最大功率跟蹤方法，然后介紹了本文在變化電路基礎(chǔ)上實現(xiàn)的最大功率跟蹤算法。最大功率跟蹤控制器的設(shè)計與實現(xiàn)。分模塊介紹了控制器的軟、硬件設(shè)計，并介紹了嵌入式操作系統(tǒng)的運用，同時分析了逆變器控制系統(tǒng)的保護需求以及基于的保護電路的設(shè)計。本文實現(xiàn)的最大功率跟蹤技術(shù)的實驗結(jié)果及分析。整個系統(tǒng)需要完善或者能夠拓展的地方。關(guān)鍵詞：太陽能應(yīng)用，光伏并網(wǎng)逆變器，最大功率跟蹤技術(shù)，鰣，：鰣，（爿，鵲：，獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲

3、得電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。繇墅么！鞋醐：呵“肜陽關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名：答，：至臣墨日期：叩“肌胡第一章緒論課題的研究背景及意義第一章緒論由于人類社會對能源的需求越來越旺盛，傳統(tǒng)礦物

4、燃料正在快速耗盡，國際能源機構(gòu)預(yù)測，全世界煤炭只能用年，油氣開采峰值位于年，并將在，年消耗殆盡【】。據(jù)估計我國的煤炭只可開采年，天然氣可開采年，石油可開采年。而且傳統(tǒng)礦物燃料的使用過程會造成大量的污染。目前，由于大量的使用礦物燃料，人類向大氣中排放大量的有害氣體，嚴(yán)重破壞了地球的生態(tài)環(huán)境【。造成了諸如氣溫上升、海平面上升、酸雨等等危害。因此，日益枯竭的傳統(tǒng)能源和傳統(tǒng)能源造成的巨大污染都給人類提出了新的課題。針對這些情況，開發(fā)環(huán)保而且可再生的新能源是實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。太陽能是地球上其他一切能源的最終來源。并且太陽能的利用不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染，是最潔凈的能源。目前太陽能利用主要有三種

5、方式【】：（）光一熱轉(zhuǎn)換太陽能光一熱轉(zhuǎn)換時太陽能熱利用的基本方式，它是利用太陽能將水加熱儲于水箱中以便于利用的方式，這種熱能可以廣泛應(yīng)用于采暖，制冷，干燥，溫室，烹飪以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。（）光一電轉(zhuǎn)換它是利用光生伏打效應(yīng)原理制成太陽能電池，可將太陽的光能直接轉(zhuǎn)換成電能加以利用。（）光一化學(xué)轉(zhuǎn)換光一化學(xué)轉(zhuǎn)換尚處于研究開發(fā)階段，這種技術(shù)包括半導(dǎo)體電極產(chǎn)生電而電解水產(chǎn)生氫，利用氫氧化鈣或金屬氫化物熱分解儲能等形式。最近幾年，由于各國對環(huán)境保護的日益重視以及對煤炭，石油，天然氣等一次能源逐漸枯竭的憂慮，世界上許多國家尤其是發(fā)達國家的政府紛紛出臺各種優(yōu)惠政策，啟動國家項目，營造光伏太陽能發(fā)電的規(guī)模

6、市場，有力地拉動了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展【】。我國也在年月制定，頒布了可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃到年，我國太陽能發(fā)電總?cè)萘繛椋隇椋覈墓夥柲馨l(fā)電產(chǎn)業(yè)將迎來一個長期而快速的發(fā)展局面。在這樣的背景下，課題組與某大型國有企業(yè)合作，展開太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究，課題組承擔(dān)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，光伏并網(wǎng)逆變器的研制工作，經(jīng)過一年多研究與試驗，目前該系統(tǒng)的樣機已經(jīng)投入實際運用。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀自年發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應(yīng)和年第一塊實用的光伏電池問世以來，太陽能光伏發(fā)電取得了長足的進步，但是它的發(fā)展仍然比計算機和光纖通訊要慢得多。年的石油危機和世紀(jì)年代的環(huán)境污染問題大大促

7、進了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展【】。各國紛紛出臺政策推動太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。年以來，全球光伏產(chǎn)業(yè)連續(xù)年以，以上的速度增長，年全球光伏電池產(chǎn)量為，到了年已高達，增長了。年世界光伏電池產(chǎn)量達到，年增長率高達，年產(chǎn)量達到，增長率仍有。正是由于歐洲，日本和美國等國家強有力的政策推動，全球太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)市場才呈現(xiàn)出今天欣欣向榮的景象，太陽能光伏發(fā)電的前景無限光明。世界光伏發(fā)電的高速發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（）光伏電池產(chǎn)量持續(xù)增長。（）生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。（）光伏市場飛速膨脹，不斷有新的國家出臺激勵光伏發(fā)展的政策。（）新技術(shù)不斷出現(xiàn)，電池效率不斷提高。（）光伏電池，組件的成本不斷降低（表）。表一全球部分

8、光伏系統(tǒng)裝機容量（）及價格走勢項目時間年消費產(chǎn)品離網(wǎng)住宅系統(tǒng)（美國）離網(wǎng)系統(tǒng)（農(nóng)村）信號中繼站用系統(tǒng)商業(yè)離網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)大型電站（）預(yù)測總裝機量（）實際總裝機量（）預(yù)計平均價格（￥）實際平均價格（￥）光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)經(jīng)過近幾年的研究和發(fā)展，在技術(shù)上已近成熟，在電力電子技術(shù)先進的德國、日本、美國和加拿大等發(fā)達國家己有成熟的、技術(shù)先進的、第一章緒論性能優(yōu)秀的產(chǎn)品問世【】。我國在光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)方面的研究經(jīng)過“九五和“十五的國家科技攻關(guān)，在基本理論和實用技術(shù)方面已經(jīng)取得可喜成績，在并網(wǎng)逆變的關(guān)鍵技術(shù)方面已有所突破，并具有自主知識產(chǎn)權(quán)，國內(nèi)己有部分企業(yè)能夠生產(chǎn)并網(wǎng)逆變樣機產(chǎn)品，但在并網(wǎng)逆變技術(shù)的細(xì)節(jié)方

9、面，與國外先進技術(shù)相比還有較大差距【。光伏并網(wǎng)逆變器的簡單介紹將交流電變換成直流電稱為整流，完成整流的電路稱為整流電路；而將直流電變換成交流電稱為逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路；實現(xiàn)逆變過程的裝置成為逆變器。由于大部分用電器是按交流電路設(shè)計的，所以各種逆變器已經(jīng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的常見部件。早期的逆變是由交流電動機帶直流發(fā)電機來實現(xiàn)的，而現(xiàn)代的逆變技術(shù)已經(jīng)是建立在電力電子技術(shù)，半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)，脈寬調(diào)制（）技術(shù)，工業(yè)電子技術(shù)等學(xué)科之上的綜合技術(shù)。光伏并網(wǎng)逆變器則是可以將太陽能電池陣列的直流電變換成與電網(wǎng)同相同頻的交流電而可以并入電網(wǎng)發(fā)電的裝置。本文所做的主要工作本課題的目標(biāo)

10、是研制光伏并網(wǎng)逆變器，可以將太陽能電池陣列產(chǎn)生的直流電變換為，的單相交流電送入電網(wǎng)，同時完成太陽能電池的最大功率跟蹤等功能。本文主要研究以下幾個方面的內(nèi)容：、光伏并網(wǎng)逆變器的研究背景，各項性能指標(biāo)的提出。、系統(tǒng)方案的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理。、最大功率跟蹤技術(shù)的研究。、基于及的最大功率跟蹤控制器的設(shè)計與實現(xiàn)。、最大功率跟蹤實驗結(jié)果及分析。、整個系統(tǒng)需要完善或者能夠拓展的地方。電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文第二章光伏并網(wǎng)逆變器概述逆變器基本特性及評價在目前的光伏井網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用中，比較典型的光伏井網(wǎng)系統(tǒng)如圖所示。幽戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖太陽能電池板陣列一個太陽能電池板陣列可以由很多電池板模塊組成。需要注意的

11、是太陽能電池板陣列的輸出電壓和電流的范圍要和所使用逆變器的輸入電壓和電流的范圍相匹配。直流接線線纜電池板模塊之間的連接需要使用太陽能接線太陽能接線一般包括單極有雙重絕緣的電纜。一般使用有屏蔽護套的線纜，這種線纜還可以用在電池板陣列和逆變器的連接上面。直流開關(guān)當(dāng)工作中的逆變器發(fā)生故障時，逆變器需要與太陽能光伏陣列斷開連接。此時就需要直流開關(guān)。直流開關(guān)的額定電壓和電流必須能夠滿足太陽能發(fā)電系統(tǒng)的第二章光伏并網(wǎng)逆變器概述負(fù)荷。逆變器安裝多大容量，哪種類型的逆變器取決于整個系統(tǒng)的規(guī)模和當(dāng)?shù)氐那闆r。交流開關(guān)和直流開關(guān)一樣，在交流側(cè)同樣需要一個開關(guān)以在必要的時候能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)斷開。比如在逆變器維修過程中，

12、以確保沒有電流流過。配電柜為了將能量送入電網(wǎng)，連接在逆變器和低壓電網(wǎng)之間。其中光伏并網(wǎng)逆變器的作用是將太陽能電池陣列的直流電變換為與電網(wǎng)同頻同相的交流電送入電網(wǎng)，作為整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中技術(shù)含量較高的關(guān)鍵部件，各種不同的逆變器有不同的基本特性及技術(shù)規(guī)格要求，其基本特性及評價有以下幾項。（）輸出波形常見波形為方波，階梯波（有時也稱準(zhǔn)正弦波）和正弦波。方波逆變器線路簡單，成本低。缺點是高諧波，電壓調(diào)整范圍小，帶感性負(fù)載如電動機等效率低，電磁干擾大；方波波形不好，有附加光脈沖時，對用電器有影響。階梯波逆變器利用脈寬調(diào)制電路，在一定程度上彌補了方波逆變器的不足，其波形類似于正弦波，故可以帶包括感性負(fù)載在

13、內(nèi)的各種負(fù)載。雖然其轉(zhuǎn)換效率高，但這種波形不能上電網(wǎng)。正弦波逆變器是比較理想的逆變器。在獨立光伏系統(tǒng)中使用時其波形失真度要求不應(yīng)超過。（）輸出頻率常見工頻逆變器和高頻（）逆變器和甚高頻（）逆變器。由于高性能半導(dǎo)體開關(guān)管的出現(xiàn)，逆變器的頻率大大提高，因此大大減少了變壓器的體積，并減少了銅損和鐵損，提高了逆變的效率，另外，高頻逆變器控制速度快，精度高，對保護信號的反應(yīng)也比較快，增加了系統(tǒng)的可靠性。（）轉(zhuǎn)換效率對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，逆變器的轉(zhuǎn)換效率十分重要。通常逆變器的效率在，優(yōu)質(zhì)逆變器可以達。（）工作溫度逆變器功率器件的工作溫度直接影響到逆變器的輸出電壓，波形，頻率，相位等許多重要特性，而工作

14、溫度又與環(huán)境溫度，工作所在地的海拔，潮濕度以及工作狀態(tài)有關(guān)。逆變器要滿足極冷和極熱地區(qū)的使用時，其工作溫度要預(yù)先設(shè)計。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文（）工作環(huán)境對于高頻高壓型逆變器，其工作特性與工作環(huán)境，工作狀態(tài)有關(guān)。在高海拔地區(qū)，空氣稀薄，容易出現(xiàn)電路極間放電或有局部能量，影響工作。在高濕度地區(qū)則易結(jié)露，造成局部短路。因而對每一種逆變器，都要規(guī)定其適用的工作環(huán)境。（）電磁干擾和噪聲逆變器中的開關(guān)電路極容易產(chǎn)生電磁干擾，容易在劣質(zhì)的鐵芯變壓器上因振動而產(chǎn)生噪聲。因而在設(shè)計和制造中都必須控制電磁干擾和噪聲的指標(biāo)，使之滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求。（）過載能力在某些電視機，電動機等負(fù)載啟動時，其瞬時功率可以

15、為正常工作時功率的“倍。因而要求逆變器有瞬時過載能力，也稱峰值系數(shù)。另外在特殊情況下，會有一些額外負(fù)載增加，這就要求逆變器有一定的額定過載能力，在設(shè)計光伏系統(tǒng)時要留有余地。（）其他逆變器的其他指標(biāo)如輸入輸出額定電壓，電流的范圍及精度要求，功率因素，額定輸出功率，連續(xù)無故障時間，是否可以與幾個逆變器同時并聯(lián)運行的特性等，也都是評價和選用逆變器的指標(biāo)。逆變器工作原理參照目前比較先進的逆變器產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和課題組前期預(yù)研的成果，本課題逆變器設(shè)計要求的性能指標(biāo)如下：太陽能電池陣列的開路電壓范圍為；逆變器的額定輸出功率為；允許電網(wǎng)電壓、頻率范圍分別為、；工作效率；輸出諧波畸變率；系統(tǒng)過載能力是，秒；最大

16、陣列開路電壓和最大直流輸入電流分別是，；支持通訊；具有極性反接保護，短路保護，過熱保護，過載保護，接地保護，孤島效應(yīng)保護等保護措施。針對該設(shè)計要求，課題組提出總體方案中，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩部分，前端是變換電路，后端是的半橋逆變電路【】。這樣設(shè)計主要出于如下考慮：第二章光伏并網(wǎng)逆變器概述端變換電路的作用有兩個：（）后端半橋的儲能電容輸送能量，將太陽能電池陣列輸出的較寬范圍電壓升壓至半橋并網(wǎng)需要的電壓范圍；（）通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比改變電池陣列工作點，對太陽能電池陣列輸出的能量進行最大功率的跟蹤。逆變電路采用半橋結(jié)構(gòu)，原因一是設(shè)計要求對外電網(wǎng)電壓的跟蹤范圍是，以有效值來計算，電網(wǎng)電壓的峰值為

17、，要能向電網(wǎng)上輸送能量，若采用半橋結(jié)構(gòu)，兩端的電壓至少要大于，此時我們前端環(huán)節(jié)只需用變換電路即可容易達到；若采用全橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只需大于便可向電網(wǎng)輸送能量，那么陣列輸出需要升壓和降壓完成，這無形中對前端環(huán)節(jié)設(shè)計增加了難度。另一方面是從逆變效率的角度考慮，在逆變器滿載工作時，目前常用的單個功耗均在以上，而被動器件電容的功耗則很小，所以采用兩個的半橋結(jié)構(gòu)要比使用四個的全橋結(jié)構(gòu)在逆變效率上更有優(yōu)勢。系統(tǒng)采用單相并網(wǎng)方式，逆變電壓通過電感與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。在并網(wǎng)運行的過程中要保證逆變器輸出的正弦波電流與電網(wǎng)電壓的頻率和相位一致，這樣才能一方面滿足系統(tǒng)功率輸出效率的要求，另一方面又能減

18、少輸出諧波噪聲，不污染電網(wǎng)。系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示：太陽能電池陣列電感輸出濾波卜瓣嘲糊遼；輸入濾波砧翔覃廠一廠、電容屯叫爿圖主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)前端的變化電路將在本文第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究中進行分析，這里只簡單介紹主拓?fù)浜蠖说哪孀冸娐?。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制的目標(biāo)是：使半橋逆變電路輸出電流的波形為穩(wěn)定的高質(zhì)量正弦波，并且要與電網(wǎng)電壓同頻、同相。我們選擇輸出電流為被控制量，這樣只需控制逆變器的輸出電流去跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達到并網(wǎng)運行的目的。并網(wǎng)控制的原理框圖和開關(guān)模型如圖、圖所示：經(jīng)過同步鎖相環(huán)產(chǎn)生的與電網(wǎng)電壓同頻同相的主參考電流給定值與實際采集到的并網(wǎng)電流瞬時值相比較，其差值經(jīng)過調(diào)節(jié)器處理后

19、與電網(wǎng)電壓前饋補償值相加，輸出控制信網(wǎng)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文號，最后經(jīng)驅(qū)動電路放大后來驅(qū)動控制半橋開關(guān)管的工作，產(chǎn)生并網(wǎng)電流【。圖并網(wǎng)控制的原理框圖圉井回控制的開關(guān)摸型逆變罌的實際并網(wǎng)波形如圖所示、一蕾飛弋碟，一，糟丑“女，（）井閥波形（上圖為并阿電流，圖為電網(wǎng)電壓笫二章光伏并逆變器概述（）并阿波形（上刮為電廚電壓，下目為并阿電流）圖系統(tǒng)實際并叫波形本課題研制的逆變器樣機如圖，幽所示，圖中的機柜是出兩臺逆變器組成的逆變模塊，兩臺逆變器連接各自的一組太陽能電池陣列，分別有各自的直流開關(guān)和交流開關(guān)，并在機柜內(nèi)安裝了兩臺電度表分別計量上、機逆變器的總發(fā)電量。兩臺逆變器的交流輸出在機柜的輸出端子匯接

20、為一路交流輸出，為電網(wǎng)送市。圖逆變囂樣機照片（圖為兩臺逆變器組成的逆變機柜）電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文本章小結(jié)圈逆變器樣機背面術(shù)章主要介紹了逆變器的基奉特性及評價，然后介紹了本課題研制的光伏并網(wǎng)逆變器的作原理，并簡要分析了的半橋逆變電路的原理及控制策略。第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究太陽能電池的基本原理及特性太陽能電池的原理太陽能電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)太陽光照射時，薄片的另一側(cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)【】【】。太陽能電池的基本特性和二極管類似，可用簡單的結(jié)來說明。當(dāng)型硅和型硅結(jié)合時，型區(qū)的電子擴散到型區(qū)，型區(qū)的空穴擴散到型區(qū)，此

21、時，型帶正電，型帶負(fù)電，在硅半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場。當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體結(jié)上時，形成新的空穴電子對，在結(jié)電場的作用下，空穴由型區(qū)流向型區(qū)，電子由型區(qū)流向型區(qū)，當(dāng)接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能光伏電池的工作原理，如圖所示：弋詈摯號。占。 一一型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（）太陽能半導(dǎo)體晶片智穹？。皂占南品。（）晶片受太陽光照過程中帶正電的空穴向型半導(dǎo)體區(qū)移動，帶負(fù)電的電子向型半導(dǎo)體區(qū)移動電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文（）晶片受太陽光照以后電子從區(qū)負(fù)電極流出負(fù)電，空穴從區(qū)正電極流出正電圖太陽能光伏電池工作原理圖太陽能電池單元一般不獨立作為電源。將多組單元進行封裝后就成為太陽能板，功率從數(shù)十瓦到上百瓦不等，多個

22、太陽能電池板進行串、并聯(lián)后組成太陽電池陣列。太陽能電池的分類太陽能電池最重要的是半導(dǎo)體材料層。目前，有許多材料運用于制作太陽能電池板的半導(dǎo)體層，不過普遍光電轉(zhuǎn)換效率并不高。目前應(yīng)用較廣的光伏材料主要有單晶硅、多晶硅、砷化稼等晶體材料，以及非晶硅、磅化錫等薄膜材料。各種光伏材料都有其各自的優(yōu)缺點。（）單晶硅太陽能電池以硅晶體為材料的太陽能電池中，單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最成熟。但是，由于單晶硅的材料昂貴而且加工工藝復(fù)雜，單晶硅成本價格一直居高不下，所以要想大幅度降低單晶硅太陽能電池的成本是非常困難的。單晶硅太陽能電池板如圖所示：第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究圈單品硅太陽能電池板（圖

23、為（）型電池扳，單板峰值功率）（）多品硅太陽能電池通常的晶體硅太陽能電池是在厚度的高質(zhì)量硅片上制成的，為了節(jié)省材料，目前采用化學(xué)氣相沉積法制造多晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池由于所使用的硅比單品硅太陽能電池少得多，沒有效率衰退的問題，而且還可以在價格相對較低的襯底材料上制作，使得多晶硅太陽能電池的成本遠(yuǎn)低于單晶砬太陽能電池。因此，多晶硅太陽能電池將會在未來的太陽能屯池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。（）非晶硅太陽能電池由于非晶硅薄膜太陽能電池資源豐富、制造過程簡單并且成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，是目前太陽能電池新技術(shù)研究的熱點，但是現(xiàn)有技術(shù)與晶體硅太陽能電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性較差。不過可以預(yù)期在

24、不遠(yuǎn)的將來，非晶硅太陽能電池的研究會有大的突破，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)帶來革命性的變化。太陽能電池的特性理想太陽能電池的關(guān)系如式（）所示：州眷】（電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文式中為結(jié)的電流（）；為反向飽和電流（）；為外加電壓（；是電子電荷（）；是玻耳茲曼常數(shù)（。）；是絕對溫度（）。但現(xiàn)實中的太陽能電池還具有體串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻如，以及結(jié)電容等。一般使用如圖所示的太陽能電池等效電路來建立實際太陽能電池的模型。舊厶、一哆工）“圖太陽能電池等效電路實際太陽能電池的電阻等參數(shù)是分布參數(shù)，在工程應(yīng)用中一般處理為集參數(shù)后，模型精度也足夠準(zhǔn)確。在如圖中的電壓、電流方向下，太陽能電池的方程為：卜掣】）等（）太陽能電池陣

25、列的伏安特性曲線是分析太陽能電池特性的最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)之一，如圖所示，它具有強烈的非線性性質(zhì)。（）太陽能電池輸出，特性曲線第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究；！；：、：；！；、?。唬?；：；?。唬?；）：；??；：；￥；翼；！：?。唬?；：加（）實測的電池板曲線（單個（）型電池板，年月日測量）圖太陽電池陣列的伏安特性舉例下面幾個是太陽能電池陣列最重要的技術(shù)參數(shù)：短路電流（一定的光照強度和太陽能電池結(jié)溫下的最大輸出電流）。開路電壓（一定光照強度和太陽能電池結(jié)溫下的最大輸出電壓）。最大功率點電流（一定光照強度和太陽能電池結(jié)溫下最大功率點的電流）。最大功率點電壓（一定光照強度和太陽能電池結(jié)溫下最大功率點的電壓）。最

26、大功率點功率（一定光照強度和太陽能電池結(jié)溫下能輸出的最大功率，幸）。由式（）和等效電路可知，光照強度和太陽能電池結(jié)溫是影響太陽能電池陣列功率輸出的最重要的兩個參數(shù)。太陽能電池結(jié)溫上升將使太陽能電池的開路電壓下降，而短路電流則輕微增大，如圖所示：總體上會造成太陽能電池輸出的功率下降，如圖所示。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文佃）圖不同溫度下的關(guān)系曲線圖圖不同溫度下的特性曲線（）（）光照強度對太陽能電池陣列的輸出電流產(chǎn)生重大影響。圖表示了不同光照強度下太陽能電池的和特性。第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究卿）圖不同光照量下的和特性曲線最大功率跟蹤的原理與方法最大功率跟蹤的原理在太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，提高太陽能電池

27、的輸出效率是其中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，要提高整個系統(tǒng)的發(fā)電效率，就要使太陽能電池始終工作在最大功率點，使其輸出的功率最大【。從上面一節(jié)的介紹可以看出，太陽能電池的特性具有非線性特征，而且隨時可能隨著環(huán)境的改變而發(fā)生變化，這都對最大功率的跟電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文蹤造成了困難。但同時，我們也可以觀察到，在一定的光照強度和溫度下，總存在著一個太陽能電池的最大功率點，如圖，所示。因此，如何尋找到最大功率點，并使太陽能電池穩(wěn)定的工作在最大功率點就顯得尤其重要了，這就是最大功率跟蹤技術(shù)研究的意義所在。最大功率點跟蹤實質(zhì)上就是一個尋優(yōu)的過程，即通過控制太陽能電池的端電壓，來改變太陽能電池的工作點。圖為太陽能電

28、池陣列的輸出功率特性曲線，由圖可知，當(dāng)電池工作在最大功率點電壓圪。，的左側(cè)時，電池輸出功率隨電壓的上升而增；當(dāng)電池工作在最大功率點電壓圪。，的右側(cè)時，電池輸出功率隨電壓的上升而減小。最大功率跟蹤的過程就是判斷目前電池所處的工作區(qū)域，并相應(yīng)的改變電池的端電壓，使太陽能電池的工作點向最大功率點靠攏的過程。（）圖太陽能電池的輸出功率特性最大功率跟蹤的方法目前常用的最大功率跟蹤方法主要有：恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等等。這些方法的基礎(chǔ)都是一樣的：根據(jù)太陽電池最大功率點的特點來尋找最大功率點對應(yīng)的太陽能電池端電壓。每種方法有各自的優(yōu)缺點，可以根據(jù)不同的

29、情況來選擇。下面簡單介紹幾種較為常用的方法：（）恒定電壓跟蹤法由太陽能電池的輸出特性可以看出，在不同的光照強度下，不同曲線的第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究最大功率點幾乎分布在一條垂直線上，如圖所示，則可以認(rèn)為一個確定的太陽能電池陣列的最大功率點大致為一個恒定電壓。因此，我們可以從太陽能電池板的出廠值或?qū)崪y值得到此太陽能電池板大致的最大功率點電壓值，并控制太陽能電池陣列輸出電壓固定工作在這個電壓值，也就簡單的完成了最大功率跟蹤的目的。（）（）在不同光照下工作情況（）在不同溫度下工作情況圖控制方法隨溫度和日照的工作情況但是恒定電壓跟蹤法沒有考慮溫度對太陽能電池的影響。實際中，太陽能電池的輸出電壓會因為

30、溫度的增加而降低，如圖。因此，恒定電壓跟蹤法在溫度變化較大時，會產(chǎn)生很大的偏差。而且，恒定電壓跟蹤法只能針對一個固定的太陽能電池陣列，當(dāng)使用不同的太陽能電池陣列時，就要重新調(diào)整恒定電壓跟蹤法的電壓值，不具備自適應(yīng)能力。恒定電壓跟蹤法的控制簡單，可靠性高，穩(wěn)定性好，并且方便實現(xiàn)。但是同時，由于環(huán)境的變化引起其控制精度差，且自適應(yīng)能力差，不能滿足不同的太陽能電池陣列的跟蹤要求。隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制技術(shù)的數(shù)字化及微處理器化，恒定電壓跟蹤法逐漸被其他的方法所代替。（）擾動觀測法擾動觀測法是目前實現(xiàn)常用的方法之一。其原理為通過對太陽能電池陣列輸出電壓的擾動，來改變陣列的輸出功率，從而以輸出功率的變化來判

31、斷電壓擾動方向的正確與否。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖擾動觀測法原理圖由圖，擾動觀測法工作過程為：首先，假定系統(tǒng)工作點在功率上升曲線點，此時電壓擾動方向，則下一個周期的光伏陣列輸出電壓為（尼）匕。由于只，說明電壓擾動方向正確，繼續(xù)保持原方向，工作點從到。由于昂最，繼續(xù)保持原擾動方向，工作點從到，而此時功率點在下降曲線上。由于昂足，說明電壓擾動方向為功率下降方向，則擾動方向反向為一，工作點從到。同理，系統(tǒng)工作點在、之間徘徊，保持尋優(yōu)過程。其工作流程圖如圖。第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究圖擾動觀測法流程圖圖中，弓（后）當(dāng)前周期光伏陣列輸出功率值；耳（七一）上一周期光伏陣列輸出功率值；（后）當(dāng)前周期光伏陣

32、列輸出電壓值；巧（七一）上一周期光伏陣列輸出電壓值；光伏陣列輸出電壓閉環(huán)指令值；礦電壓擾動量。擾動觀察法的最大優(yōu)點是，控制概念清晰、易于實現(xiàn)、算法簡單。但是，使用擾動觀察法工作時，陣列輸出功率在最大功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致部分功率損失，且初始值及跟蹤步長的給定對跟蹤精度和速度有較大影響。（）電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法也是控制常用的算法之一。通過太陽電池陣列曲線可知最大值點處的斜率為零，所以有：吖電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文摯島木孚（）礦式（）即為要達到最大功率點的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時，陣列工作于最大功率點。其工作過程為：檢測當(dāng)前光伏陣列電壓圪礦、電流，礦值，與上次電壓，電流相減

33、得到陣列的增量值巧礦和。在電壓咋為零的情況下，式（）的除法不能進行，故判斷此時電流的增量大小，如果，礦為零，說明此時在最大功率點，保持系統(tǒng)的電流指令不變；如果大于零，減小指令電流；如果配世小于零，增大指令電流。在電壓增量咋不為零的情況下，判斷式（）的大小。如果為零，說明此時在最大功率點，保持系統(tǒng)的電流指令不變；如果大于零，說明在曲線的上升段，應(yīng)減小指令電流；如果小于零，說明在曲線的下降段，應(yīng)增大指令電流。具體的實現(xiàn)流程如圖。圖電導(dǎo)增量法流程圖第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究電導(dǎo)增量法最大的優(yōu)點，是當(dāng)太陽電池上的照度產(chǎn)生變化時，其輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，其電壓晃動較擾動觀察法小。不過其算法

34、較為復(fù)雜，且要求系統(tǒng)控制響應(yīng)要快。逆變器最大功率跟蹤的實現(xiàn)電路分析本文的最大功率跟蹤技術(shù)是通過系統(tǒng)前級的變換電路來實現(xiàn)的。變換器是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管非隔離直流變壓器【】【。圖給出了它的電路圖。通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通比，可控制升壓變壓器的輸出電壓。一二一巨圖變換器的電路電路工作原理：根據(jù)電感電流是否連續(xù)，變換器可以分為連續(xù)狀態(tài)，斷續(xù)狀態(tài)兩種工作模式。（）連續(xù)模式一廣（）（）電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文、（）（）（）電感電流波形圖連續(xù)模式等效電路及電流波形由變換電路的簡圖，表示輸入電壓，表示輸出電壓，為流過電感的電流。設(shè)電路開關(guān)周期為，占空比為，（）時間內(nèi)的等效電路見圖（），（）時間內(nèi)的等效

35、電路圖見圖（）。連續(xù)模式時，在（一）時間內(nèi)，導(dǎo)通，電感中的電流上升：三（）在（）時間內(nèi)，關(guān)斷，電感中的電流下降：出工幣河（）出（一）、由式（），式（）可得：砌：旦（）一式（）為變化電路連續(xù)模式下的穩(wěn)態(tài)電壓傳遞方程。連續(xù)模式下電感電流的波形見圖（。（）斷續(xù)模式當(dāng)電路的功率較小時，可能會工作在斷續(xù)模式。圖是電路工作在斷續(xù)模式下的電感電流波形，關(guān)斷后，電感上的電流在下一周期開通第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究前的時間內(nèi)已經(jīng)下降到零，設(shè)電感的峰值電流為，輸出的平均電流為，輸入電壓為，輸出電壓為，為負(fù)載。卜因為和內(nèi)的電流變化相等，有：（）（）則：場班警（）輸出的平均電流為：一【一×卻×&#

36、215;乃（）、同時又有：（孕××?。ǎ┛傻幂斎腚妷号c輸出電壓的關(guān)系為：顰其中：祈（）式（）就是斷續(xù)模式下的電路的穩(wěn)態(tài)電壓傳遞函數(shù)，斷續(xù)下的傳遞函數(shù)比連續(xù)模式下的傳遞函數(shù)復(fù)雜得多，不容易進行控制。所以一般都希望使電路工作在連續(xù)模式下。（）小信號分析電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文建立電路的小信號模型可以幫助理解電路的工作過程【】，通過小信號分析得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可以分析電路的響應(yīng)特性，對控制回路的設(shè)計十分重要。對于電力電子電路的小信號分析，基于數(shù)學(xué)方法的狀態(tài)空間平均法計算復(fù)雜，而且不直觀，本文通過電路的變化，求得小信號交流模型，將更直觀，使用更方便，這就是平均開關(guān)模型方法。對于

37、平均開關(guān)模型方法的具體推導(dǎo)，這里就不再贅述，本文只從傳遞函數(shù)和等效電路的角度出發(fā)來分析電路的特性。電路的大信號平均模型如圖所示，平均后的等效電路中加入了一個（）：的理想變壓器，在大信號平均模型的基礎(chǔ)上加入一個擾動的小信號就可以得到電路的小信號模型，如圖所示，其中塒為控制帶來的占空比的微小擾動。上一）【（一）：圖電路犬信號平均狀態(tài)模型【（一）：圖電路的小信號模型以此來求系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)?？刂葡到y(tǒng)中，脈寬調(diào)制信號是由控制信號與三角波交割產(chǎn)生，設(shè)開環(huán)系統(tǒng)中控制信號為）；三角波的峰值為；（）為占空比；控制信號根據(jù)輸入電壓調(diào)整：您）（）（）第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究其中（）為控制器傳遞函數(shù)。郴）警由此

38、整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：（）日）（）（）一：！：二一（一）三（）（）（）電路的最重要的特性就是開環(huán)傳遞函數(shù)右半平面的零點，它會使開環(huán)增益增加但是卻帶來了相角的延遲。從物理意義上理解，右半平面的零點是由從產(chǎn)生控制到能量傳遞給負(fù)載的過程延遲造成的，例如，突然加大負(fù)載，這時輸出電流增加，輸出電壓降低，控制系統(tǒng)就會加大占空比，以便在電感中存儲更多的能量，但是開通時間的增加必然伴隨著關(guān)斷時間的減少，而電感的能量只有在關(guān)斷時間內(nèi)才能傳遞給負(fù)載和輸出電容，關(guān)斷時間過小就會使得進入輸出電容的能量減少，輸出電壓繼續(xù)下降，系統(tǒng)就會繼續(xù)增加占空比，這就引起了系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以在電路中需要限制最大占空比，最大占空比

39、一般（）以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路控制回路設(shè)計為了實現(xiàn)最大功率跟蹤技術(shù)，需要控制電路的輸入，也就是太陽能電池陣列的輸出：輸入電容的充電電流等于電池電流減去電感上的電流：掣：（）口其中為輸入電容，為輸入電壓，為輸入電流，為電感的電流。即（）（），（）（）在導(dǎo)通的（）內(nèi)，：（）在關(guān)斷的（）內(nèi)譬：（）電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文其中為輸出電壓。式（）和式（）兩式求加權(quán)平均，得到：警州一）即（）（）（）將式（）代入（）得：（）（）一（）一（一）（）（）（）（）再轉(zhuǎn)換后可得：，一所（）贏（）。贏（）（）設(shè)（）（）其中表示方陣的電壓電流特性方程，系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)，可以得到光伏輸出電壓的控制框圖【，見圖，給定工作點和

40、實際電壓的采樣值差值，經(jīng)過控制器后確定占空比。在這樣一個系統(tǒng)中，必須通過和主電路后級的半橋電路輸出功率的協(xié)調(diào)控制而穩(wěn)定，前級對占空比的控制，對它的大小也會產(chǎn)生影響?？刂瓶驁D中方陣的特性方程又是一個非線性時變函數(shù)，所以想采用經(jīng)典的解析的方法設(shè)計控制器變得非常困難；另外由于電池板的輸出電壓，電流范圍較大，使用一套調(diào)節(jié)的參數(shù)無法在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)都達到要求，需要采用分段式調(diào)節(jié)的算法。所以，本文采用基于的全數(shù)字調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的控制回路：由傳感器采樣端的輸入電壓與電流，采樣信號經(jīng)調(diào)理電路后送入，在中對應(yīng)不同的電流值選取不同的分段參數(shù)，經(jīng)運算后得到占空比，然后有事件管理器的波產(chǎn)生控制波送入驅(qū)動電路，完成一次反饋

41、控制。第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究電池板電流圖控制框圖系統(tǒng)的分段式調(diào)節(jié)參數(shù)由仿真與實驗結(jié)合的方式確定。具體的調(diào)試步驟【】如下：比例積分（）控制器：【甜）（）如果和飚的符號選擇正確，控制器將產(chǎn)生一個執(zhí)行器命令，利用比例增益使輸出中的誤差趨于，利用積分增益消除穩(wěn)態(tài)誤差。首先，根據(jù)式（）所示的算法實現(xiàn)控制器，選擇較小的值?，F(xiàn)在設(shè)置，較小的值可以降低出現(xiàn)過量超調(diào)的振蕩的可能性。選擇適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?，如階躍輸入。用輸入信號驅(qū)動控制器和設(shè)備，進行測試，測試結(jié)果應(yīng)是較慢的響應(yīng)，使輸出中的誤差逐漸趨于。小量遞增值，重復(fù)測試，響應(yīng)速度應(yīng)增快。如果變化過大，將引起超調(diào)和振蕩。繼續(xù)遞增值，重復(fù)測試，如果得到滿意的系統(tǒng)性

42、能（穩(wěn)態(tài)誤差除外），則執(zhí)行步驟。如果在達到可接受的響應(yīng)時間之前出現(xiàn)過量超調(diào)和振蕩，則需要增加微分項。將瞄設(shè)置為較小的值，重復(fù)測試，觀察穩(wěn)態(tài)誤差減，可接受的較小值所花費的時間。繼續(xù)遞增飚值，重復(fù)測試，如果磁過大，響應(yīng)中的超調(diào)也會變得過大。選擇瞄值，使穩(wěn)態(tài)誤差快速減小，同時超調(diào)在可接受范圍內(nèi)，觀察執(zhí)行器飽和，電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文這種飽和會增加響應(yīng)中的超調(diào)?？刂苹芈贩抡鏋榱嗽O(shè)計控制回路合適的調(diào)節(jié)參數(shù)，本文采用仿真與實驗結(jié)合的方式確定設(shè)計參數(shù)】【。根據(jù)圖設(shè)計的控制回路的仿真模型如圖所示：圖光伏輸出電壓的控制框圖與一般的電路控制輸出電壓不同的是，逆變器結(jié)構(gòu)中電路的輸出為半橋電路的輸入，母線電壓由半橋

43、電路來控制，電路調(diào)節(jié)電池板的工作點，即逆變器的輸入。為了仿真逆變器的實際情況，圖為的輸出端連接了一個負(fù)載并加一個時變電流源，時變電流源呈的正弦波動，這樣做是為了模擬逆變器母線上因為輸出功率為正弦波形而產(chǎn)生的電壓波動。仿真波形如圖所示。算法設(shè)計圖控制網(wǎng)路仿真波形通過對目前比較常用的幾種最大功率跟蹤方法的比較研究和實驗，本文認(rèn)為擾動觀察法相比其他方法更有優(yōu)勢：恒定電壓跟蹤法雖然實現(xiàn)簡單，運行穩(wěn)定，但是精度，效率較差。不能跟隨環(huán)境，溫度的變化進行調(diào)整，造成功率損失，而且存在一個最大的問題即沒有自適應(yīng)能力，接不同太陽能電池組時需要人為進行調(diào)整，這不符合現(xiàn)代數(shù)字化系統(tǒng)的要求。電導(dǎo)增量法對采樣精度要求極高

44、，否則很容易出現(xiàn)誤判情況反而造成效率降低；算法中包含有乘，除法運算，增加了系統(tǒng)的運算負(fù)擔(dān)，特別本文采用的是定點，雖然進行了浮點定點轉(zhuǎn)換，但是大量的浮點乘，除運算仍然會帶來很大的系統(tǒng)開銷，加之系統(tǒng)的實時控制要求，電導(dǎo)增量法在本課題中實現(xiàn)難度較大而效率卻并不高。綜上所述，本文的最大功率跟蹤技術(shù)在擾動觀察法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。擾動觀察法的問題是系統(tǒng)工作點在最大功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致部分功率損失，且初始電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文值及跟蹤步長的給定對跟蹤精度和速度有較大影響。針對擾動觀察法的問題，本文在擾動觀測法的基礎(chǔ)上進行了一定改進。為了避免系統(tǒng)工作點振蕩的問題，在功率比較時加入一個微小的范圍，在范圍內(nèi)則不繼續(xù)擾動，這樣系統(tǒng)可以在最大功率點附近很小的范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，避免了擾動觀測法在最大功率點附近振蕩運行造成的功率損失，而針對跟蹤精度與速度的問題，則采取變跟蹤步長的方法，在剛開始追蹤時加大擾動步長，而在最大功率點附近擾動時減小擾動步長。改進的擾動觀察法原理圖如圖，流程圖如圖所示。圖改進的擾動觀察法原理圖第三章最大功率跟蹤技術(shù)研究圖改進的擾動觀察法流程圖圖中，（卜當(dāng)前周期光伏陣列輸出功率值；（卜上一周期光伏陣列輸出功率值