本科毕设论文-—太阳能最大功率点跟踪控制及其仿真.doc

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1、 毕业设计（论文）题目 太阳能最大功率点跟踪控制及其仿真 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 2008 年 5 月 20 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、

2、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 2008年 5 月 20 日 导师签名： 2008 年 5 月 20 日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、

3、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录摘要1前言11太阳能电池简介311太阳能电池的基本工作原理312太阳能电池的光电转换效率413太阳能电池的伏安特性52 太阳能光伏发电技术的研究621光伏发电的研究现状和前景622太阳能光伏发电的运行方式623 太阳能光伏发电系统的组成7231离网太阳能光伏发电系统的组成7232联网

4、太阳能光伏发电系统的组成123最大功率点跟踪（MPPT）技术143.1 研究的目的和意义143.2 光伏系统中最大功率点跟踪的原理153.3 光伏系统MPPT算法分析比较163.3.1 非自寻优算法163.3.2 恒定电压控制法（CVT）163.3.3 扰动观测法（P&O）173.3.4 导纳增量法（IncCond)183.3.5 基于梯度变步长的导纳增量法（IncCond)204采用一种改进的间歇扫描跟踪法214.1 原理及流程图214.2 最大功率跟踪控制的建模与仿真224.2.1 太阳能光伏阵列建模264.2.2DC-DC变换器工作状态分析264.2.3MPPT控制的MATLAB仿真28

5、5 结论29致 谢31参考文献32太阳能传输最大功率跟踪控制及其仿真 学 生：彭红卫 指导老师：陈 刚（三峡大学 电气信息学院）摘要：太阳能发电作为洁净的和未来最有希望的发电方式之一，越来越受到人们的重视。光伏发电系统各个方面的研究都在不断地深入进行着，本文讨论的太阳能发电系统的最大功率点跟踪控制就是其中一个重要的研究课题。从实际应用角度出发，详细论述了采用改进间歇扫描跟踪的方法进行最大功率点跟踪控制的过程，并通过仿真实验验证其可行性和有效性，从而达到最大限度利用太阳能的目的。关键词：光伏发电；最大功率点跟踪；仿真Abstract：Solar energy , as one of the mo

6、st promising way for clean power generation, has caught more and more peoples attention. Various aspects of study on photovoltaic power generation system are carried out continuously on the in-depth. This article discussed the solar systems largest power point tracking control, which is one of the i

7、mportant research topics. From a practical point of view, this article stated in detail about the use of the improving method of intermittent scanning track to carry on the maximum power point tracking control of the process, and through simulation and verification to test its feasibility and effect

8、iveness, so as to achieve the objective of maximizing the use of solar energy. Keywords: PV(photovoltatic); MPPT(maximum power point tracking); simulate前言在进入21世纪之后，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染,温室效应都与化石燃料的燃烧有关。目前的环境问题，很大

9、程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担纲重任，成为21世纪后期的主导能源。太阳能做为世界上最清洁的能源，目前有着广泛的用途。但由于质量、价格的限制，太阳能发电在国内的利用还处在低水平上，与中国的经济发展形成很大的反差。随着人民生产水平的提高，解决偏远地区居民用电问题也摆上了政府的议事日程；同时各类无人值守地点也适合太阳能发电系统，如各类微波传送站、无线发射点、水文监测点等，随着国家对环保要求不断高，对

10、太阳能发电的需求越来越多，因此迫切需要一些价廉物美的太阳能发电系统。目前我国光伏发电系统主要是直流系统,即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电,而蓄电池直接给负载供电,如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统.此类系统结构简单,成本低廉,但由于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等),很难实现系统的标准化和兼容性,特别是民用电力,由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外,光伏发电最终将实现并网运行,这就必须采用成熟的市场模式,今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。太阳能的光伏技术利用在当今世界,特别是非洲、南美、

11、澳洲及亚洲各国,其增长幅度相当大,主要原因是近几年来太阳电池、电力电子及微电子技术的快速发展及人们环保意识的不断增强,当然,许多国家都制定了相应的鼓励政策,这也是光伏技术利用快速发展的原因之一。例如我国现在实施的西部“光明计划”,就是资助发展利用太阳能的光伏技术使每户农、牧民家庭都用上电,解决人畜饮水、照明以及收看电视等问题。但在光伏利用控制技术上,由CVT(恒定电压跟踪器) 的制造相对简单,许多产品仍然采用这种跟踪方式以代替相对复杂一些的MPPT(最大功率点跟踪) ,然而,这种方式所带来的功率损失相比于近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价,已经显得很不经济。MPPT(只用于70

12、W以上的光伏系统) 在蓄电池亏电和光强较弱时,可比普通控制器的充电效率提高30% 。通过对具体系统的计算机仿真表明MPPT远较CVT合理。因为硅太阳电池的开路电压在很大程度上受温度的影响,其伏安特性也随时在改变,CVT装置不能适应这种改变,只能迫使阵列在温度升高时无法避免之效率降低的基础上,再附加一个失配的损失。MPPT跟踪可挽回由于温度变化而导致的系统失配损失,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。 当前，由于全球性能源危机，世界主要发达国家都开始重视可再生能源的利用研究。在所有可再生能源中，光伏发电是利用最灵活，最可行的一种能源。太阳能光伏发电技术是最有应用前景

13、的太阳能利用方式。光伏发电作为社会整体能源结构的组成部分所占比例尚不足1%, 造成这种状况的主要原因是光伏发电的成本太高。改进电池制造工艺、采用新技术提高转换效率, 可以降低光伏发电的成本, 但步伐比较缓慢。此外，由于光伏电池具有明显的非线性特性，为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，需要对光伏电池的输出最大功率点进行跟踪。目前，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking， 简称MPPT）的方法有很多，如恒定电压控制法，扰动观测法，导纳增量法，曲线拟合法，基于预测数据的最大功率跟踪方法等等。但不同的方法在实际的使用中存在不同的优缺点，为了能充分利用各种方法的优点，

14、在对几种常见MPPT方法进行分析的基础上，提出了一种改进启动特性的MPPT方法，并进行了比较详细的实验研究。1太阳能电池简介 11太阳能电池的基本工作原理 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。这个把太阳能或（其它光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。太阳电池板是一种能够吸收太阳光并将其转换为电能的半导体装置,根据光伏太阳电池板的内部结构和输出伏安特性得到光伏方阵的等效电路如图1 ,它由一个受光强和温度影响的电流源并联上一个二极管再串联一个电阻组成。太阳能电池工作原理的基础，是半导体PN结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状

15、态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是在半导体中，光能转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。可将半导体太阳能电池的发电过程概括为以下4点：（1）首先是收集太阳光和其它光使之照射到太阳能电池表面上。（2）太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）电子-空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。（3）这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池PN结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在PN结

16、两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。（4）在太阳能电池PN结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其它光能）直接转换成了电能。下面以单晶硅太阳能电池为例，对太阳能电池的基本工作原理进行具体阐述。物质的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负电。电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道绕着原子核旋转。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原子的外层电子壳层中有4个电子。每个原子的外壳电子都有固定的位置，并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，

17、并同时在原来的地方留出一个空位，即空穴。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼，铝等杂质元素，它就成了空穴型半导体，简称P型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷，砷等杂质元素，它就成为了电子型半导体，即N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。单调太阳光（或其它光）照射PN结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子-空穴对，并在势垒电场作用下，电子被驱向N型区，空

18、穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴；于是就在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。于是就使得N区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是PN结接触型硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个，数百个太阳能电池单体串并联起来封装成为太阳能电池组件，在太阳光（或其它光）的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。12太阳能电池的光电转换效率 太阳能电池的光电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率的比值，用符号表示，即 太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构，结特性，

19、材料性质，工作温度，放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。其中与制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接。首先，禁带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大小。由于太阳光中光子能量有大有小，只有那些能量比禁带宽度大的光子才能在半导体中产生光生电子-空穴对，从而形成光生电流。所以，材料禁带宽度小，大于它的光子数量就多，获得的短路电流就大；反之，禁带宽度大，大于的光子数量就少，获得的短路电流就小。但禁带宽度太小也不合适，因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子-空穴对后剩余的热量转变为热能，从而降低了光子能量的利用率。其次，禁带宽度又直接影响开路电压的大小。开路电压的大小和PN结反向饱和电流的大小成反比

20、。禁带宽度越大，反向饱和电流越小，开路电压越高。计算表明，在大气质量为AM1.5的条件下测试，目前硅太阳能电池的理论光电转换效率的上限值为33%左右；目前商品硅太阳能电池的光电转换效率一般为12%15%，高效硅太阳能电池的光电转换效率可达18%20%。近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速，日新月异。晶体硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电池。限制单晶硅太阳电池转换效率的主要技术障碍有：电池表面栅线遮光影响；表面光反射损失；光传导损失； 内部复合损失；表面复合损失。针对这些问题，近年来开发了许多新技术，主要有： 单双层减反射膜；激光刻槽埋藏栅线技术

21、；绒面技术；背点接触电极克服表面栅线遮光问题；高效背反射器技术；光吸收技术。随着这些新技术的应用，发明了不少新的电池种类，极大地提高了太阳能电池的转换效率，如澳大利亚新南威尔士大学的格林教授采用激光刻槽埋藏栅线等新技术将高纯化晶体硅太阳能电池的转换效率提高到24.4%，他在1994年5月表示能用纯度低100倍的硅制成高效光电池，约在10年后采用该类电池的太阳能发电成本可降至58美分/kWh。光伏技术发展的另一特点是薄膜太阳能电池研究取得重大进展和各种新型太阳能电池的不断涌现。晶体硅太阳能电池转换效率虽高，但其成本难以大幅度下降，而薄膜太阳能电池在降低制造成本上有着非常广阔的诱人前景。早在几年前

22、，澳大利亚科学家利用多层薄膜结构的低质硅材料已使太阳能电池成本骤降80%，为此，澳大利亚政府投资6400万美元支持这项研究，并希望10年内使该项技术商业化。13太阳能电池的伏安特性太阳能电池的伏安特性如图2所示，它表明在某一确定的日照强度和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流之间的关系，简称V一I特性。从V一I特性可以看出，太阳能电池是输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。它也说明太阳能电池既非恒压源, 也非恒流源，而是一种非线性直流电源，太阳能电池阵列的伏安特性曲线与负载特性曲线L的交点A、B 、C、D、E即为光伏系统的工作点, 如果能使工作点移至光伏阵

23、列伏安曲线的最大功率点A、B、C、D、E上,就可以最大限度地提高光伏阵列的能量利用率,我们可以在光伏阵列与负载之间加上一个最大功率跟踪适配器来完成。太阳能电池的伏安特性强烈地随日照强度S和较强烈地随电池温度T而变化。图3（a）和图(b)分别是太阳电池在温度为25时，不同日照下表现出的电压电流(VI)和电压功率（VP）特性。从图3(a)可知，太阳能光伏阵列的输出短路电流()和最大功率点电流()随日照强度的上升而增大，但日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，其最大功率点电压变化也不大，如图3(b)虚线与各实线的交点所示。图4(a)和图4(b)分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1000W时，

24、不同温度下电压一电流件(VI)和电压一功率(VP)特性。可以看出，温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大，短路电流随温度升高而微微增加。但对它的输出开路电压影响较大，开路电压随温度升高几乎是线性地降低。因而对最大输出功率影响明显，见图4(b)各实线的波峰幅值变化。2 太阳能光伏发电技术的研究21光伏发电的研究现状和前景通过太阳能电池（光伏电池）将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统（太阳能光伏发电系统）。太阳能光伏发电目前工程上广泛使用的光电转换器件晶体硅太阳能电池，生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产，广泛应用于工业、农业、科技、文教、国防和人民生活的各个领域。预计21世

25、纪中叶，太阳能光伏发电将发展为重要的发电方式，在世界可持续能源结构中占有一定的比例。太阳能光伏发电技术是最有应用前景的太阳能利用方式。光伏发电作为社会整体能源结构的组成部分所占比例尚不足1%,造成这种状况的主要原因是光伏发电的成本太高。改进电池制造工艺、采用新技术提高转换效率,可以降低光伏发电的成本,但步伐比较缓慢。为提高光伏发电系统的发电量,需要提高光伏阵列吸收太阳辐射能量的能力。通常工程中采用的方法是为光伏阵列安装跟踪装置。22太阳能光伏发电的运行方式地面太阳能光伏发电系统的运行方式，主要可分为离网运行和联网运行两大类。未与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统，又称

26、为独立太阳能光伏发电系统，主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、荒漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等的基本生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象台站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统，它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。特别是其中的光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统，是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。23

27、 太阳能光伏发电系统的组成231离网太阳能光伏发电系统的组成离网太阳能光伏发电系统根据用电负载的特点，可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等几种。其主要区别是系统中是否带有逆变器。一般来说，离网太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。离网太阳能光伏发电系统的组成框图，如图5所示。图5包含（a），（b），（c）三个系统（a）直流系统（b）交流系统（c）交直流混合系统（一） 太阳能电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元，只能产生大约0.45V电压，远低于实际应用的需要，因此不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电

28、池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。一个组件上，太阳能电池单体的标准数量是36个或40个，这意味着一个太阳能电池组件大约能产生16V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。太阳能电池方阵是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池方阵的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。（二） 蓄电池组光伏发电受季节、天气及每日时间的影响很大，因

29、此，这种供电系统必须要有储能设备。通常采用蓄电池储能，当太阳能较充足时候，多余的电能被储存在蓄电池中，当太阳能不足时，蓄电池参与放电，而当太阳能短缺时，则完全由蓄电池单独供电，即蓄电池作为光伏发电系统的储能设备，起着协调、平衡系统发电量和负载用电量的关键作用。在本系统中，采用阀控式密封铅酸蓄电池(VRAL电池)，具有使用方便和维护简单的特点。蓄电池采用强酸作为电解液，故称为铅酸蓄电池。根据使用要求所需电压和电流，可将同型号的电池串联、并联或串并联组成电池组。蓄电池组一般有充放电纸盒浮充制。蓄电池，尤其是铅酸蓄电池，需要在充电和放电过程中加以控制，频繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过

30、充电会使蓄电池大量出气(电解水)，造成水分散失和活性物质的脱落；过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器。控制器通过检测蓄电池的电压和荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点，并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令。（三）控制器太阳能控制器是光伏发电系统的核心部件之一，其作用是控制整个系统的工作状态，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补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。光伏电站

31、的控制器一般应具备如下功能：信号检测 检测光伏发电系统各种装置和各个单元的状态和参数，为对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电流、输出电压、电流以及蓄电池温升等。蓄电池最优充电控制 控制器根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状态，确定最佳充电方式，以实现高效、快速地充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。蓄电池放电管理 对蓄电池放电过程进行管理，如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错误保护等。设备保护 光伏系统所连接的用电设备，在有些情况下需要由控制器来提供保护，如系统中因逆变电路故障而出现的过电压和负载短路而出现的过电流

32、等，如不及时加以控制，就有可能导致光伏系统或用点设备损坏。故障诊断定位 当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型，指示故障位置，为对系统进行维护提供方便。运行状态指示 通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。光伏发电系统在控制器的管理下运行。控制器可以采用多种技术方式实现其控制功能。比较常见的有计算机控制和逻辑控制两种方式。智能控制器多采用计算机控制方式。智能控制技术主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统，如智能机器人系统、CIMS、复杂的工业过程控制系统、航空航天控制系统、社会经济管理系统、交通运输系统、通信网络系统、环保与能源系统等的控制问题。逻辑控制方式是一种以模

33、拟和数字电路为主构成的控制器，通过测量系统有关的电气参数，由电路进行计算、判断，实现特定的控制功能；计算机控制方式能综合收集光伏系统的模拟量、开关量状态，有效地利用计算机的快速运算、判断能力，实现最优控制和智能化管理。它由硬件线路和软件系统两大部分组成。硬件线路和软件系统相互配合、协调工作，实现对光伏系统的控制和管理。硬件线路以CPU为核心,由电流和电压检测电路、状态检测电路获得系统的有关电流、电压、温度及各单元工作状态和运行指令等信息，通过模拟输入通道将信息送入计算机；另一方面，计算机经过运算、判断所发出的调节信号、控制指令通过模拟输出通道和开关输出通道送往执行机构，执行机构根据受到的命令进

34、行相应的调节和控制。软件系统是针对特定的光伏系统而设计的应用程序。它由调度程序和若干实现专门功能的软件模块或函数组成。调度程序根据系统的当前状态，按照设定的方式完成检测、运算、判断、控制、管理、告警、保护等一系列功能，根据设计的充电方式进行充电控制和放电管理。由于计算机特别是单片机价格低廉、设计灵活、性能价格比高，因此目前设计生产的大中型光伏系统用的控制器大多采用单片机技术来实现控制功能。太阳能控制器的充电过程可分为旁路型、串联型、脉宽调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功率跟踪型。根据本课题需要，选择最大功率跟踪型。这种控制器能进行计算机数据采集和通信，过电压、欠电压、防雷保护、故障

35、判断和控制。由太阳能电池方阵的电压和电流检测后相乘得到的功率，判断太阳能电池方阵此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽、调制输出占空比、改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断。通过这样的寻优过程，可保证太阳能电池方阵始终运行在最大功率点。最大功率跟踪型控制器可使太阳能电池方阵始终保持在最大功率点状态，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时，采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。（三） 逆变器逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。在很多场

36、合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。因此，对逆变器的基本要求是：能输出一个电压稳定的交流电。无论是输入电压出现波动，还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般为2%。能输出一个频率稳定的交流电。要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为0.5%。输出

37、的电压及其频率在一定范围内可以调节。一般输出电压可调范围为5%，输出频率可调范围为2HZ。具有一定的过载能力，一般能过载125%150%。当过载150%时，应能持续30S；当过载125%时，应能持续1min及以上。输出电压波形含谐波成分应尽量小。一般输出波形的失真率应控制在7%以内，以利于缩小滤波器的体积。具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能。启动平稳，起动电流小，运行稳定可靠。换流损失小，逆变频率高，一般在85%以上。具有快速的动态响应。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运

38、行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，正弦波逆变器将成为发展的主流。 采用交流电力输出的离网光伏发电系统中，逆变器是关键部件。光伏发电系统对逆变器要求较高： 要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器

39、件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V16V之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波

40、将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。232联网太阳能光伏发电系统的组成 联网太阳能光伏系统可分为集中式大型联网光伏系统（简称大型联网光伏电站）和分散式小型联网光伏系统（简称住宅联网光伏系统）两大类型。大型联网光伏电站的主要特点是所发电能被直接输送到电网上，由电网统一调配向用户供电。建设这种大型联网光伏电站，投资巨大，建设期长，需要复杂的控制和配电设备，并要占用大片土地，同时其发电成本目前要比市价贵数倍，因而发展不快。而住宅联网光伏系统，特别是与建筑结

41、合的住宅屋顶联网光伏系统，由于具有许多优越性，建设容易，投资不大，许多国家又相继出台了一系列激励政策，因而在各发达国家倍受青睐，发展迅速，成为主流。住宅联网光伏系统的主要特点是所发的电能直接分配到住宅（用户）的用电负载上，多余或不足的电力通过联接电网来调节。典型住宅联网光伏系统主要由太阳能电池方阵、联网逆变器和控制器等3大部分构成。（一） 太阳能电池方阵太阳能电池方阵是联网光伏系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的太阳能电池方阵多为由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照联网逆变器输入电压的要求串、并联后固定在支架上组成。住宅联网系统的光伏阵列一般都用支架安装在建筑

42、物的屋顶上，如能在住宅或建筑物建设时就考虑方阵的安装朝向和倾斜角度等要求，并预先埋好地脚螺栓等固定元件，则光伏方阵安装时就方便和快捷。住宅联网光伏系统光伏器件的突出特点和优点是与建筑相结合。（二） 联网逆变器1.联网逆变器功能联网逆变器是联网光伏系统的核心部件和技术关键。联网逆变器与独立逆变器不同之处是，它不仅可将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且还可对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质（电压波动、高次谐波）等进行控制。它具有如下功能。（1）自动开关 根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥太阳能电池方阵输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止。（2）最

43、大功率点跟踪（MPPT）控制 对跟随太阳能电池方阵表面温度变化和太阳幅照度变化而产生出的输出电压与电流的变化进行跟踪控制，使方阵经常保持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。（3）防止单独运行 系统所在地发生停电，当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输出电压不会发生变化，难以察觉停电，因而有通过系统向所在地供电的可能，这种情况叫做单独运转。在这种情况下，本应停了电的配电线中又有了电，这对于保安检查人员是危险的，因此要设置防止单独运行功能。（4）自动电压调整 在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电点电压上升，与可能超过商用电网的运行范围，为保持系统的电压正常，运转过程中要能

44、够自动防止电压上升。（5）异常情况排解与停止运行 当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及时查出异常，安全加以排解，并控制逆变器停止运转。2. 联网逆变器构成联网逆变器主要由逆变器和联网保护器两大部分构成，如图6所示。逆变器把方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，同时还起到调节电力的作用。当光伏系统输出的电力大于负载消耗的电力时，由倒流联网逆变器把剩余的电力倒流到电网中。相反，如果用户从光伏系统获得的电力不够时，则由联网逆变器从电网中引入不足部分。由图可知，逆变器包括3个部分：逆变部分，其功能是采用大功率晶体管将直流高速切割，并转换为交流；控制部分，其功能是对逆变部分进行控制，

45、由电子回路构成；保护部分，也由电子回路构成，其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。联网保护器是一种安全装置，主要用于频率上下波动、过欠电压和电网停电等的监测。通过监测如发现问题，应及时停止逆变器运转，把光伏系统与电网断开，以确保安全。它一般装在逆变器中，但也有单独设置的。另外，为了防止发生故障时太阳能电池的电流流入电网，在联网逆变器的输出端和用户电线之间设置绝缘变压器或把它内装在电力转换部分。太阳能电池方阵 逆变部分控制部分保护部分联网保护器逆变器联网逆变器绝缘变压器图6 联网逆变器构成（绝缘变压器方式）3最大功率点跟踪（MPPT）技术3.1 研究的目的和意义对于光伏发电系统而言,由于

46、室外环境如太阳辐照度、电池板温度等经常随时间发生变化,导致了光伏阵列不能持续工作于最大输出功率点处,继而降低了光伏发电系统的能量转换效率,减少了光伏阵列向电网或负荷注入的电能。因此,为适应周边环境的变化,达到充分利用太阳资源的目的,许多专家在光伏阵列与负载(或电网) 之间安装了具备光伏阵列最大输出功率点跟踪(MPPT)功能的电力电子变换器, 即让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，并提出和设计了相应的MPPT算法。太阳能电池方阵的输出随太阳辐照度和太阳能电池方阵表面温度而变动，因此需要跟踪太阳能电池方阵的工作点并进行控制，使方阵始终处于最大输出，以获取最大的功率输出。采用最大功率点跟踪（MPPT）技术就是起这种作用。每隔一定时间让联网逆变器的直流工作电压变动一次，测定此时太阳能电池方阵输出功率，并同上次进行比较，使联网逆变器的直流电压始终沿功率变大的方向变化。光伏阵列的输出功率具有强烈的非线性，而且和日射强度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件密切相关，要使系统处于比较理想的工况，而且对于任何日照，都要发挥在当前日照下光伏阵列输出功率的最大潜力，就需要研究光伏阵列输出功率特性以及最大功率点跟踪策略。3.2 光伏