精编完整版基于MPPT的光伏电力应用系统的研究毕业论文设计.docx
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精编完整版基于MPPT的光伏电力应用系统的研究毕业论文设计
基于MPPT的光伏电力应用系统的研究
摘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。
关键词光伏电池;最大功率点跟踪;非对称结构D类变换器
TheReseachonPVPowerApliedSystemBasedonMPPT
schoolofphysicsandelectronicinformation,Huaibeinormaluniversity235000
AbstractNowadays,withtheincreasingburdenonenergyexhaustionandenvironmentpollution,asacleanlyandrenewableenergy,SolarEnergyhasbecameahotspotofthewholeworld.Atthesametime,thetechniqueofthePV（Photovoltaic）conversionhascomeintotheappliedlevelonalargescale.Inthefuture,theapplicationofthePVwillhasaexcitingstatus.ItissignificanttoresearchonimprovingtheconversionefficiencyofPVfromitsVolt-AmpereCharacteristics.Theresultsofthedesign:
APVMPPTcontrolunitbasedondoubleMCUanditssoftwareofMPPTalgorithm;AasymmetricalclassDbuck-boostconverterwiththecontrolmethodsofPWM（Pulse-Width-Modulation）,Forusageofstoragecellsassecondarypowersupply.
KeywordsPhotovoltaic;MPPT;AsymmetricalClassDConverter
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
2.2Buck-Boost型开关稳压电路6
2.3PWM软开关技术7
2.4现场总线技术9
2.5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MPPT22
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
1绪论
1.1本文研究背景和研究目的
长期以来，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CVT（ConstantVoltageTreaking）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（MaximumPowerPointTacking）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，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进行充放电的切换装置;
（4）以双MCU为核心对DC/DC、MPPT、蓄电池充放电进行控制的一套软硬件控制系统;
（5）在大规模利用太阳能电力的场合，控制系统之间的相互通讯和利用上对其进行集中管理是不可或缺的，这里我们设计了一套以CAN现场总线为基础的电力系统监控通信网络，可以保证对太阳能电力的最大功率控制和对现场各个设备进行监控;
（6）为进一步提高MPPT的性能，对采用模糊控制算法进行最大功率跟踪的设计思路和设计步骤进行了探讨:
研究成果为一台峰值功率跟踪控制样机。
太阳能最大输入功率为500W左右，输入电压Vin=20-36V，负载要求恒定电压28V，蓄电池共分9组，每组消耗最大功率约为50W。
2相关技术概述
2.1太阳能电池的输出特性和功率峰值跟踪
2.1.1光伏阵列的I-V方程
光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的I-V特性强烈地随日照强度S和温度T变化，其等效电路如图2所示:
图2光伏阵列的等效电路
由于器件响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容Cj在光伏阵列的理论分析中加以忽略。
对图中电压，电流方向，得出光伏阵列的输出电流一电压（l-V）方程为:
I=It-I0*{exp[q*（V-I*Rs）/AKT]-1}-（V+IRs）/R
公式中I，v-输出电流，电压;A,V
I:
-光电流，受温度和光照影响;A
I0-反向饱和电流;A
q-电子电荷:
1.6*IOe-19e
K-玻尔兹曼常数;1.38*IOe-23
T-绝对温度;K
A-二极管特殊因子;
R:
-串连电阻;
Rsh-并联电阻;
2.1.2太阳能电池的输出特性
太阳电池的输出伏安特性具有强烈的非线性，而且和日照强度，环境温度，阴雨，雾等许多气象因素有关。
当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。
在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的应用带来了困难。
图3为某典型日太阳辐射强度、方阵工作电压和工作电流的瞬时变化。
图4为组件温度随太阳辐射强度的瞬时变化情况:
图3太阳辐射-强度方阵工作电压和工作电流的瞬时变化图4组件温度随太阳辐射强度的瞬时
图3中说明：
“”代表辐射光强，单位为W/m2；
“”代表方阵电流，单位为（×10-2A）；
“”代表方阵电压，单位为Ｖ。
图４中说明：
“”代表辐射光强，单位为（×１０Ｗ/ｍ２）；
“”代表组件温度，单位为（×１０℃）；
“” 代表环境温度，单位为（×１０℃）。
从图3可进一步看出，在方阵工作电压基本恒定的情况下，方阵工作电流开始随太阳辐射强度的增加而线性增加，当达到某一值时随太阳辐射强度的增加反而下降。
当太阳辐射强度减小时，方阵工作电流开始略有增加随后线性下降。
在太阳辐射较强的时段方阵工作电流出现反常现象。
这是因为随组件温度的升高方阵伏安特性变差，控制方式不能适应这种瞬态变化使系统偏离最大功率点，导致功率损失。
由图4可看出环境温度基本恒定，组件温度随太阳辐射强度的变化近似线性变化，当环境温度300℃，太阳辐射强度为750W/mZ时，组件温度达600℃，太阳辐射强度和组件温度的变化导致系统工作点的漂移。
2.1.3功率峰值跟踪
如上图所示太阳电池具有明显的非线性，太阳电池的输出受日照强度，电池结温等因素的影响。
当结温增加时，太阳电池的开路电压下降，短路电流稍有增加，最大输出功率减小;当日照强度增加时，太阳电池的开路电压变化不大，短路电流增加，最大输出功率增加。
在一定的温度和日照强度下，太阳电池具有唯一的最大功率点，当太阳电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。
因此，必须在太阳电
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