开题报告光伏发电在船用救生筏上的应用研究.docx

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开题报告光伏发电在船用救生筏上的应用研究

博士生硕士生论文开题报告及论文工作计划

开题报告须知

一．选题原则

1．从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。

2．课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果。

3．课题份量和难易程度要恰当，博士生能在二年内作出结果，硕士生能在一年内作出结果，特别是对实验条件等要有恰当的估计。

4．要结合导师的科研任务进行选题。

5．要根据研究方向及自己的基础和特点，在查阅文献和分析资料的基础上提出论文题目或选题范围，并与导师共同确定。

二．基本要求

1．查阅文献资料博士生一般不应少于50篇，硕士生一般不应少于30篇。

2．博士生的开题报告在第三学期开学初进行，硕士生的开题报告在第四学期开学初进行。

3．书写格式：

（1）论文题目（或选题范围）

（2）国内外在这一领域已进行的工作及前沿的主要问题

（3）课题的实用价值或理论意义以及可能达到的水平

（4）研究工作具有新意的思路、方法、技术路线

（5）研究过程中预计可能遇到的困难或问题，并提出解决方法和措施

（6）所阅读的文献、资料（另附清单）

（7）论文工作安排

4．开题报告通过后，可进入论文工作实施阶段。

未获通过者，可在1～2月内补作开题报告。

5．研究生先按此要求书写开题报告及论文工作计划，开题报告通过后，再书写到此表上。

开题报告

论文题目（或选题范围）光伏发电在船用救生筏上的应用研究

1、国内外在这一领域已进行的工作及前沿的主要问题

1.1国内外目前应用现状

太阳能光伏发电的应用不断发展。

近年来，较成熟的几种太阳能光伏发电的应用领域主要有[1]：

逐渐大规模使用的太阳能路灯；利用太阳能光伏发电解决无电农村的照明和家用电源。

全球目前尚有20亿左右的人口还未用上电，主要是在发展中国家。

我国是最大的发展中国家，有8亿人口在农村，截至目前全国有2万个无电村、上千个无电岛屿，约有2300万的人口得不到正常的能源供应，这是太阳能电池首先要服务的对象；太阳能并网发电。

太阳能用于并网发电可减少白天高峰时的火力发电量，居民白天可以利用太阳能发电供自己使用，并将所发的富余电量卖给国家电网，这样一来就解决了主力电厂的调峰难题。

随着太阳能电池及其组件制造技术的进步，光伏电池的光电转化率必将迅速提高，太阳能光伏系统将从原来的低级向高级、从小型的独立发电系统向大规模的太阳能发电站发展；太阳能发电在航标灯塔、铁路公路信号系统、微波中继站、高山气象站、边防哨卡独立电源等地域分散型用电领域都可发挥特殊作用。

近期美国南加州大学的研究人员最近成功研制出一种柔韧性很好的碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机光伏电池。

研究人员称，这种碳原子材料用途广泛，比如有望用来生产太阳能窗帘和自行发电的衣服。

1.2独立光伏系统面临的主要问题

光伏系统的核心部件在于控制器，主要作用有两点：

一是防止蓄电池过充电和过放电，并对供电系统进行全面的监测、管理、控制和保护；二是实现系统的能量控制策略，控制DC/DC变换电路工作[2]。

独立光伏发电系统目前面临以下两个问题：

一是能量密度不高，整体的利用效率较低，前期的投资较大；二是独立发电系统的储能装置一般以铅酸蓄电池为主，蓄电池成本占光伏电站初始设备成本的25％左右，而对于蓄电池的充放电控制比较简单，容易导致蓄电池提前失效，增加了系统的运行成本[3]。

蓄电池在20年的运行周期中占投资费用的43%，大多数蓄电池并不能达到设计的使用寿命，除了蓄电池本身的缺陷和管理维护不到位外，蓄电池运行管理不合理是导致蓄电池提前失效的重要原因[4]。

因此对于独立发电系统，提高能量利用率，研究科学的系统能量控制策略，可以降低独立光伏系统的投资费用。

在太阳能光伏系统的发展过程中，从直接连接发展到应用电能变换器、微处理器和电脑监控的综合控制系统，尤其是随着微处理器技术和电力电子技术的快速发展，能量利用的效率逐渐提高。

从近几年国内外公开发表比较典型的文献来看[5-7]，主要研究光伏系统充放电控制策略和能量管理，其中蓄电池的充放电控制、功率跟踪控制、控制器设计这三个方面的独立研究较多，存在的问题主要有以下两点：

（1）光伏组件的功率跟踪与蓄电池荷电状态之间的配合控制关系简单，常用的阶段性控制策略有待改进；

（2）独立光伏系统蓄电池的充放电控制、功率跟踪控制、控制器设计三者之间没有公开发表的综合性能量控制策略。

1.3独立光伏系统的组成

图1独立光伏发电系统结构框图

独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统，结构如图1所示。

整个独立光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、直流变换器、交流逆变器组成。

太阳能电池板作为系统中的重要部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有光照的情况下输出能量。

根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电控制器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。

控制器一般包括：

最大功率点跟踪控制和蓄电池充电电路﹑放电电路并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。

在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度检测的功能。

如果独立系统要供电给交流负载使用，就需要逆变器，其主要作用是将直流电转换为可供交流负载使用的交流电。

1.4独立光伏系统主要技术研究

1.4.1最大功率跟踪技术

光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且输出受光照强度、环境温度和负载情况的影响。

在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时，光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点MPP（MaximumPowerPoint）。

因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称之为最大功率点跟踪（MPPT）。

依据不同的实现方法，最大功率点跟踪大致可以归纳为以下几种方法：

1）恒压法CVT

在日照强度较高时，各曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即人们仅需获得

数据并使阵列的输出电压钳位于

值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制。

CVT控制的优点：

（1）控制简单，易实现，可靠性高；

（2）系统不会出现振荡，有良好的稳定性；（3）可以方便地通过硬件实现。

其缺点：

（1）控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；

（2）必须人工干预才能良好运行，更难于预料风、沙等影响。

2）扰动观察法P&O

扰动观察法（PerturbandObserve,P&O）也被称为爬山法，由于它的结构简单，且需要测量的参数较少，所以它是目前实现MPPT常用的方法之一。

其工作原理是先扰动输出电压值（

+

）,再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一（+

）方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往相反（-

）方向扰动。

扰动观察法的优点：

（1）模块化控制回路；

（2）跟踪法则简明，容易实现。

其缺点：

（1）只能在阵列最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失；

（2）初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响；（3）有时会发生程序运行中的失序（“误判”）现象。

3）电导增量法ICA

电导增量法（IncrementalConductanceAlgorithm，ICA）也是MPPT控制常用算法之一。

通过太阳电池阵列P-V曲线可知最大值点Pmax处的斜率为零。

（1）

（2）

（3）

要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的

负值时，阵列工作于最大功率点。

若不相等，则要判断dP/dV是大于零还是小于零。

此跟踪法的最大优点是当光伏电池上的照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压晃动较扰动观察法小，不过其算法较为复杂，对传感器的精度要求比较高，硬件的造价也会比较高且在跟踪过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换，这对微处理器在控制上会造成相当大的困难。

4）其他MPPT方法

除了上述几种常用的MPPT方法，还有其他多种方法可以实现光伏阵列的最大功率点跟踪，包括模糊逻辑控制，滞环比较法、神经元网络控制法、最优梯度法等。

还有一些对上述方法的改进。

它们实现MPPT控制的基本原理都是类似的，但具体实现方法各有差别。

1.4.2蓄电池充放电控制

蓄电池对于独立运行的光伏系统来说是不可或缺的储能装置，因为太阳能电池板获得的能量是不断变化的，一天之中太阳辐射到地面能量随着早晚太阳辐射角度不同而不同，随四季变化的日辐射量的相差也很大，更不用说出现阴雨和夜晚的情况了，如果是并网光伏发电系统，遇到发电电量不足的情况，可以从电网买电来补给电池板能量的不足，但是对于独立系统来说，只能靠蓄电池储存的能量来满足无光照时的电能需求，所以蓄电池对独立运行的光伏发电系统尤为重要。

在实际光伏发电系统中，为实现蓄电池设定的充电模式，必须对充电过程进行控制。

充电过程的控制主要包括充电程度判断，从放电状态到充电状态的自动转换，充电各模式的自动转换及停充控制等方面。

掌握正确的控制方法，有利于提高蓄电池的充电效率和使用寿命。

1）充电过程的阶段划分

充电过程一般分为主充、均充和浮充三个阶段，有时在充电末期还有以微小充电电流小时间持续充电的涓流充电。

主充一般是快速充电，如两阶段充电、变流间歇式充电和脉冲式充电都是现阶段常见的主充模式。

以慢充作为主充模式的一般采用的是低充电电流的恒流充电模式。

铅酸蓄电池组的深度放电或长期浮充后，串联中的单体蓄电池的电压和容量都可能出现不平衡现象。

为了消除这种不平衡现象而进行的充电叫做均衡充电，简称均充。

为保证蓄电池不过充，在蓄电池快速充电至80%~90%容量后，一般转为浮充模式，以适应充电后期蓄电池可接受的充电电流的减小，当浮充电压值与蓄电池端电压相等时会自动停充。

为防止可能出现的蓄电池充电不足，在此之后还可加上涓流充电，使已基本充足电的蓄电池极板内部较多的活性物质参加化学反应，其充电比较彻底。

2）充电程度判断

对蓄电池进行充电时，必须随时判断蓄电池的充电程度，以便控制充电电流的大小。

判断充电程度的主要方法有：

（1）检测蓄电池去极化后的端电压变化。

一般来说，在充电初始阶段，蓄电池端电压的变化率很小；在充电的中间阶段，蓄电池端电压的变化率很大；在充电末期，端电压的变化率极小。

因此，通过观测单位时间内端电压的变化情况，就可判断蓄电池所处的充电阶段。

（2）检测蓄电池的实际容量值，并与其额定容量值进行比较，即可判断其充电程度。

（3）检测蓄电池端电压。

当蓄电池端电压与其额定值相差较大时，说明处于充电初期；当两者差值很小时，说明充电过程已接近结束。

3）充电各阶段的自动转换

目前常见的充电各阶段的自动转换方法有：

（1）时间控制，即预先设定各阶段充电时间，由时间继电器或CPU控制转换时刻；

（2）设定转换点的充电电流或蓄电池端电压值，当实际电流或电压值达到设定值时，即自动转换。

（3）采用积分电路在线监测蓄电池的容量，当容量达到一定值时，则发信号改变充电电流的大小。

上述方法中，时间控制比较简单，但这种方法缺乏来自蓄电池的实时信息，控制比较粗略；容量监测控制方法控制电路比较复杂，但控制精度较高。

4）停充控制

当蓄电池充足电后，必须适时地切断充电电流，否则蓄电池将出现大量析气、失水和温升等过充反应，危及蓄电池的使用寿命。

因此，必须随时监测蓄电池的充电状况，保证蓄电池充足电而又不过充电。

主要的停充控制方法有：

（1）定时控制

采用恒流充电法时，蓄电池所需充电时间可根据蓄电池容量和充电电流的大小很容易确定，因此只要预先设定好充电时间，一旦时间到了，定时器即可发出信号停充或降为涓流充电。

定时器可由时间继电器充当，或者由单片机承担其功能。

这种方法简单，但充电时间不能根据蓄电池充电前状态而自动调整，因此实际充电时，可能会出现有时欠充有时过充的现象。

（2）蓄电池温度控制

正常充电时，蓄电池的温度变化并不明显，但当蓄电池过充时，其内部气体压力将迅速增大，负极板上氧化反应使内部发热，温度迅速上升。

因此，观察蓄电池的温度变化，即可判断蓄电池是否已经充满。

通常采用两只热敏电阻分别检测蓄电池温度和环境温度，当两者温度差达到一定值时，即发出停充信号。

由于热敏电阻动态响应速度较慢，故不能及时准确地检测到蓄电池的满充状态，不利于蓄电池寿命的维护。

（3）蓄电池端电压负增量控制

一般而言，当蓄电池充足电后，其端电压将呈现下降趋势，据此，可将蓄电池电压出现负增长的时刻作为停充时刻。

与温度控制法相比，这种方法的响应速度快，此外，电压负增量与电压的绝对值无关。

因此这种停充控制方法可适应具有不同单格蓄电池数的蓄电池组充电。

此方法的缺点是一般的检测器灵敏度和可靠性不高，同时，当环境温度较高时，蓄电池充足电后电压减小的并不明显，因而难以控制。

（4）利用极化电压控制

通常情况下，蓄电池的极化电压在蓄电池刚好充满后，一般保持在50~100mv数量级，测量每个单格蓄电池的极化电压，可使每个蓄电池都充电到它本身所要求的程度。

研究表明，由于每个蓄电池的几何结构、化学性质及电学特性等方面至少存在一些轻微的差别，那么根据每个单格蓄电池的特性来确定它所要求的充电水平，应比把蓄电池组作为一个整体来控制的方法更为合适。

蓄电池的放电同样需要管理。

放电电流过大会也会导致蓄电池的寿命降低，这是由于在大的电流和高硫酸浓度下，均会促使正极活性物质松散脱落。

而过小的放电电流则会形成蓄电池电解液的酸分层。

蓄电池根据放电速度不同，终止电压值也不同，大电流放电时规定较低的终止电压，反之小电流放电则规定较高的终止电压。

其实低于规定的终止电压并不能获得较大的输出容量，相反会导致蓄电池的过放电，使蓄电池中的活性物质因为膨胀产生应力，会造成极板弯曲或活性物质脱落，从而影响其寿命，因此对于过充和过放情况要加以控制。

2、课题的实用价值或理论意义以及可能达到的水平

救生筏，是船舶行业用于紧急情况下脱离危险区域或从遇难船舶紧急撤离的设施和装备，是船舶最重要的安全设备之一；它的特点是包装体积小，占用甲板面积少，相对重量轻，使用方法简便，救生效果快，有御寒设施，并配备饮用水，救生压缩口粮，药品及焰火救生信号等备品属具，一旦遇到海难，使用气胀式救生筏就能及时得到营救，排除险难。

因此，救生筏在海难救生中发挥着重大作用。

目前船用救生筏均配有防水手电筒、无线电救生设备等用电设备。

但目前救生筏无法实现对用电设备的长时间持续供电。

因此，本课题提出了将独立光伏发电系统与救生筏相结合的设想，具有较强的实用性，可提高救生筏供电的安全性与可靠性。

其次，救生筏上遇难者的淡水供应问题也是至关重要的。

因此，在有光伏电源的前提下可考虑配备一套海水脱盐系统，将海水依靠光伏电源的电能加热蒸发后冷却最终形成水滴汇集到蓄水箱内，用来解决淡水供应问题；此外，可考虑用光伏电源控制自动GPS系统在船舶遇难救生筏开启时及时发出定位信号，使遇难者及时获救。

随着救生筏在海难救生中的作用日益显著以及太阳能光伏技术的迅速发展，将太阳能光伏发电技术应用到救生筏是船舶行业救生设备必然的发展方向。

两者结合既突出了救生筏的作用，也充分发挥光伏发电的优势，不仅提高了船舶的安全系数还为海难救生提供了可靠保障。

3、研究工作具有新意的思路、方法、技术路线

如上所述，独立光伏发电系统的主要问题是最大功率跟踪和蓄电池充放电控制。

因此针对这两个问题，本课题主要研究独立光伏发电系统中控制策略的DSP实现。

独立光伏发电系统结合DSP构成的控制环节设计框图如下图所示：

图2系统控制原理框图

为实现研究目标，需要研究以下几个方面的内容：

A、最大功率跟踪（MPPT）的控制策略的选择；

B、蓄电池充放电控制策略的选择；

C、蓄电池过充、过放保护设计；

D、主电路PWM驱动信号的产生；

E、控制策略的软件实现：

包括控制方法的选取、程序的编写及调试；

F、基于MTLAB的仿真、实验、验证。

采用TMS320F2812DSP实现最大功率跟踪、对蓄电池充放电控制以及功率开关管的驱动电路控制，控制软件设计各部分实现的功能包括：

（1）程序初始化。

初始化常量、初始化变量、设置中断。

（2）循环程序。

作为整个程序的中心，负责根据外部条件控制程序的走向。

如当光伏电池的输出大于某一设定门槛值时，进入蓄电池充电子程序。

（3）充电和MPPT程序。

在整个充电过程分为三个部分，即基于MPPT的快速充电过程、恒压过充阶段和恒压浮充阶段。

（4）PWM驱动信号产生。

根据最大功率跟踪控制直流斩波器的开关管关断；控制交流逆变器功率开关管的驱动电路。

（5）定时器中断程序。

定时采集光伏电池电压、电流和蓄电池电压、电流。

控制系统主流程图如图3所示：

图3控制系统主流程图

4、研究过程中预计可能遇到的困难或问题，并提出解决方法和措施

根据前期对大量相关文献的阅读、理解，已掌握了各种最大功率控制方法以及蓄电池充放电控制方法的理论知识。

但对各种控制方法在该光伏电源中实现的优略性有待进一步验证。

现考虑采用MATLAB软件进行控制仿真，对控制方法进行比较分析，验证理论分析的正确性。

目前已初步了解了TMS320F2812DSP开发环境及DSP的C语言程序开发方法。

但控制算法的具体DSP软件实现涉及了许多方面的问题如控制算法的逻辑实现、具体控制参数的选择等。

因此需要不断地实验、调试，提高DSP控制程序的设计能力。

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论文工作安排

论文工作安排

起止日期

阶段工作内容及计划完成的指标

第一阶段

第二阶段

第三阶段

第四阶段

第五阶段

2010.7—2010.9

2010.10—2010.12