畢業(yè)設(shè)計論文-太陽能離網(wǎng)光伏發(fā)電

PAGEPAGE48摘要隨著煤炭、石油和天然氣等化石燃料迅速消耗，以及由此帶來的能源危機(jī)與環(huán)染日益加劇，近年來世界各國都在積極尋找和開發(fā)新的、清潔、安全可靠的可再生能源。太陽能具有取之不盡、用之不竭和清潔安全等特點(diǎn)，是理想的可再生能源。20世紀(jì)70年代后，太陽能光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視并取得了長足進(jìn)展。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為太陽能利用的一個重要組成部分，并被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N發(fā)電方式。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對于緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染以及減小溫室效應(yīng)具有重要的意義。由于太陽能電池陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件和能源供給部分，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的研究中，太陽電池陣列仿真模型的研究至關(guān)重要。本文根據(jù)硅太陽電池的工程用數(shù)學(xué)模型建立了太陽能電池陣列模型，分析了太陽輻射強(qiáng)度和溫度對太陽電池陣列仿真模型精度的影響，提出了在不同太陽輻射強(qiáng)度時參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計計算公式，并將仿真結(jié)果與實際太陽電池陣列的測量結(jié)果進(jìn)行了比較?；谔柲茈姵仃嚵械姆抡婺Ｐ停疚慕⒘颂柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤MATLAB仿真模型，并對兩種常用最大功率點(diǎn)跟蹤方法進(jìn)行了仿真比較研究，驗證了理論分析的正確性。本文針對目前應(yīng)用廣泛的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對系統(tǒng)中常用的DC/DC變換器拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并研究了一種新的帶有雙向變換器的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，對其主電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，完成了基于JM60DSP控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。關(guān)鍵字:太陽能，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，最大功率點(diǎn)跟蹤，仿真模型，DSPABSTRACTInrecentyears，Astheconcernovertherapidconsumptionoffossilenergysuchascoal，oilandnaturalgas，energycrisisandincreasingenvironmentalPollution，manycountrieshavebeeninsearchofandactivelydevelopingclean，safeandreliablerenewableenergysource.Solarenergyisaidealenergysourcewiththeadvantagessuchascleanness，inexhaustibilityandsafety.Sinee19705，Photovoltaic(PV)Generationattractsworldwideattentionandhasmadegreatprogress.AsaimportantPartofsolarenergyapplication，thetechnologyofPVgenerationisconsideredasthemostPotentialPowergenerationofthe2lthcentury.TheresearchonPVgenerationissignificantforsolvingenergycrisis，reducingenvironmentalPollutionandgreenhouseeffect.SincesolarcellarrayisthekeycomponentandenergysourceofPhotovoltaicgenerationsystem，theresearchonsimulationmodelofsolarcellarrayisvitaltotheresearchonsimulationmodelofphotovoltaicgenerationsystem.Thispaperbuildasimulationmodelofsolarcellarraybasedontheengineeringanalyticalmodelofsiliconsolarcells，analyzestheinfluenceofthechangeofsolarirradiationandsolarcelltemperatureontheaccuracyofoutputofsolarcellarraysimulationmodel，proposesaoptimizationdesignformulaforcalculatingcoefficientbofengineeringanalyticalmodelofsiliconsolarcellsunderdifferentsolarirradiation，comparestheresultsofsimulationmodelwiththeexperimentalresultsofsolarcellarray.Basedonsimulationmodelofsolarcellarrayproposedbythispaper，ThispaperbuildaMATLABsimulationmodelofphotovoltaicgenerationsystemwithfunctionofthemaximumpowerpointtracking，makesasimulationcomparisonaimingattwocommonmethodsandvalidatethetheoreticalanalysis.Inthispaper，Researchonwide-usedstand-alonephotovoltaicgenerationsystemisdoneandsummaryontheadvantagesofDC/DCconverterincommonuseisgiven.Researchonastand-alonephotovoltaicgenerationsystemwithabi-directionalDC/DCconverterisgivenandtheparameterscalculationofmaincircuitisdone.Atlast，controlsystemhardwaredesignbasedonJM60DSPandsoftwaredesignofcontrolsystemiscompleted.Keyword:SolarEnergy，PhotovoltaicGenerationSystem，MPPT，SimulationModel，DSP目錄1緒論 51.1世界能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展新能源的背景 51.1.1太陽能與太陽能光伏發(fā)電 61.1.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 71.2太陽能光伏發(fā)電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 91.2.1國外太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 91.2.2我國太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 91.3本文主要研究內(nèi)容和任務(wù) 102太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成和特性 122.1太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 122.2太陽能電池 122.2.1太陽能電池原理及分類 122.2.2太陽能電池輸出特性 142.2.3太陽能電池工程用數(shù)學(xué)模型 142.3鉛酸蓄電池 162.3.1鉛酸蓄電池充電控制方法 163太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤 183.1太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤原理 183.2太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法 184太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路設(shè)計 204.1方框圖，主電路圖以及技術(shù)路線圖 204.2太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)常用DC/DC變換器及其特點(diǎn) 214.2.1BUCK電路 224.2.2B00ST電路 224.3帶雙向變換器的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng) 234.3.IBOOST電路設(shè)計 244.3.2鉛酸蓄電池組設(shè)計 254.4雙向BUCK-B00ST變換器 254.4.1雙向BUCK-B00ST變換器運(yùn)行原理 254.4.2雙向BUCK-BOOST變換器參數(shù)設(shè)計 264.5逆變電路 275太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 295.1控制芯片MC9S08JM60簡介 295.2基于MC9S08JM60DSP的控制系統(tǒng) 315.3驅(qū)動電路 325.4采樣電路 335.5總電路圖 356太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 366.1控制系統(tǒng)主程序 376.2蓄電池充電子程序 42總結(jié) 44致謝 45參考文獻(xiàn)： 461緒論1.1世界能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展新能源的背景自人類社會誕生以來，能源一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會的發(fā)展，能源在社會發(fā)展中的重要性越來越突出，尤其是近年來各國日益呈現(xiàn)出來的能源危機(jī)問題，更加明顯地把能源置于社會發(fā)展的首要地位。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)2005》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以目前的開采速度計算，全球石油儲量可供生產(chǎn)40多年，天然氣和煤炭則分別可以供應(yīng)67年和164年。而我國的能源資源儲量情況更是危機(jī)逼人，按2000年底的統(tǒng)計，探明可開發(fā)能源總儲量約占世界總量的10.1%。我國能源剩余可開采總儲量的結(jié)構(gòu)為:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然氣占1.3%，水資源占36.5%。我國能源可開發(fā)剩余可采儲量的資源保證程度為129.7年。自從工業(yè)革命以來，約80%溫室氣體造成的附加氣候強(qiáng)迫是由人類社會活動引起的，其中CO2的作用約占60%，而化石能源的燃燒是CO2的主要排放源。隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開發(fā)和利用所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，開發(fā)和利用能夠支撐人類社會可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。新能源與可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、小水電、地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿纫淮文茉础Ｑ芯亢蛯嵺`表明，新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境，是國際社會公認(rèn)的理想替代能源。新能源和可再生能源的開發(fā)利用不僅可以解決目前世界能源緊張的問題，還可以解決與能源利用相關(guān)的環(huán)境污染問題，促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測，到21世紀(jì)60年代，全球新能源與可再生能源的比例，將會發(fā)展到世界能源構(gòu)成的50%以上，成為人類社會未來能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各國紛紛出臺各種法規(guī)支持開發(fā)利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升溫。20世紀(jì)90年代以來，以歐盟為代表的地區(qū)集團(tuán)，大力開發(fā)利用可再生能源，連續(xù)10年可再生能源發(fā)電的年增長速度都在15%以上。以德國、西班牙為代表的一些國家通過立法方式，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，1999年以來可再生能源年均增長速度均達(dá)到30%以上。西班牙2003年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)占到全機(jī)總量的4%，德國在過去11年間，風(fēng)力發(fā)電增長21倍，2003年占全的3.1%。瑞典和奧地利的生物質(zhì)能源在其能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中高達(dá)15%以上。我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發(fā)利用，近十年來的高長使我國迫切需要加大對新能源和可再生能源的開發(fā)利用，以解決能源題，保障能源供應(yīng)安全。近年來，由于各級政府和社會各界的高度重視可再生能源的開發(fā)和利用方面取得了較快發(fā)展，并于2005年2月28日通過了《再生能源法》，該法已于2006年1月1日起實施，這對于我國可再生能具有十分重要的意義。1.1.1太陽能與太陽能光伏發(fā)電太陽能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽能傳送到地球上每40秒鐘就有相當(dāng)于210億桶石油的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天的能源。在目前的幾種新能源技術(shù)中，太陽能以其突出的優(yōu)勢被定位為的未來能源，有無盡的潛力。目前太陽能利用的方式有:太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能動力利用，太陽能光化利用，太陽能生物利用和太陽能光-光利用。其中太陽能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來在全世界范圍得到了快速發(fā)展，被認(rèn)為是當(dāng)前具有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達(dá)國家均投入巨資競相研究開發(fā)，并產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開拓太陽能光伏發(fā)電的市場應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)太陽能電池單元是光電轉(zhuǎn)化的最小單位，將太陽能電池單元進(jìn)行串并聯(lián)可以做成太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能電池組件可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元，可以將太陽能電池組件進(jìn)行進(jìn)一步的串并聯(lián)，構(gòu)成太陽能電池方陣，以滿足負(fù)載所需要的功率輸出。太陽能光伏發(fā)電之所以發(fā)展如此迅速，是因為其具有以下優(yōu)點(diǎn)(l)取之不盡，用之不竭。地球表面所接受的太陽能約為1.07×1014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以說是一種無限的資源。(2)無污染。光伏發(fā)電本身不消耗工質(zhì)，不向外界排放廢物，無轉(zhuǎn)動部件，不產(chǎn)生噪聲，是一種理想的清潔能源。(3)資源分布廣泛。不同于水電受水力資源限制，火電受到煤炭資源及運(yùn)輸成本等影響，光伏發(fā)電幾乎不受地域的限制，理論上講在任何可以得到太陽能的地方都可以利用太陽能進(jìn)行發(fā)電。(4)建設(shè)周期短，建造靈活方便，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以按照需要將光伏組件靈活地串并聯(lián)，達(dá)到所需功率，所以其建設(shè)周期短，擴(kuò)容方便;安裝于房頂，沙漠，還可與建筑相結(jié)合，從而節(jié)約占地面積，節(jié)省安裝成本;太陽能光伏發(fā)電所消耗的太陽能無需付費(fèi)，一年中往往只需在遇到連續(xù)陰雨天最長的季節(jié)前后去檢查太陽能電池組件表面是否被污染，接線是否可靠以及蓄電池電壓是否正常等，因而太陽能光伏發(fā)電的運(yùn)行費(fèi)用很低。(5)光伏建筑集成。光伏產(chǎn)品與建筑材料集成是目前國際上研究及發(fā)展的前沿，這種產(chǎn)品不僅美觀大方，還節(jié)省發(fā)電站使用的土地面積和費(fèi)用。(6)分布式。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式特點(diǎn)將提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，更具有明顯的意義。1.1.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)連接可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，該系統(tǒng)中的能量能進(jìn)行雙向傳輸。在有太陽能輻射時，由太陽能電池陣列向負(fù)載提供能量;當(dāng)無太陽能輻射或太陽能電池陣列提供的能量不夠時，由蓄電池向系統(tǒng)負(fù)載提供能量。該系統(tǒng)可為交流負(fù)載提供能量，也可為直流負(fù)載提供能量，當(dāng)太陽能電池陣列能量過剩時，可以將過剩能量存儲起來或把過剩能量送入電網(wǎng)。該系統(tǒng)功能全面，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜，成本高，僅在大型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中才使用這種結(jié)構(gòu)，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系統(tǒng)僅具有該系統(tǒng)的部分功能。圖1.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)圖1.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)(一)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指未與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率提供給本地負(fù)載(交流負(fù)載或直流負(fù)載)的發(fā)電系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所，如為公共電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、海島和牧區(qū)提供照明、看電視、聽廣播等基本生活用電，也可為通信中繼站、氣象站和邊防哨所等特殊處所提供電源。圖1.2所示為一種常用的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)由太陽能電池陣列、DC/DC變換器、蓄電池組、DC/AC逆變器和交直流負(fù)載構(gòu)成。DC/DC變換器將太陽能電池陣列轉(zhuǎn)化的電能傳送給蓄電池組存儲起來供日照不足時使用。蓄電池組的能量直接給直流負(fù)載供電或經(jīng)DC/AC變換器給交流負(fù)載供電。該系統(tǒng)由于有蓄電池組，因而系統(tǒng)成本增加，但可在無日照或日照不足時為負(fù)載供電。(二)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的交流電，并實現(xiàn)與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送電能。它是太陽能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段、成為電力工業(yè)組成部分之一重要方向，是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。1.2太陽能光伏發(fā)電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對于太陽能光伏發(fā)電十分重視，針對其制定規(guī)劃，增加投入，大力發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，即使是在世界經(jīng)濟(jì)從總體上處于衰退和低谷的時期，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也一直以10%-15%的遞增速度在發(fā)展。90年代后期，發(fā)展更為迅速，成為全球增長速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。1.2.1國外太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢到2004年，世界太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到964.9MW，到2005年底，達(dá)到4961.69MW。己經(jīng)商業(yè)化、實用化的太陽能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池以及薄膜電池等幾類。在國際市場上目前太陽能光伏電池的價格大約為3.15美元/W，并網(wǎng)系統(tǒng)價格為6美元/w，發(fā)電成本為0.25美元/(kw·h)。光伏電池的發(fā)電轉(zhuǎn)化效率也不斷提高，晶體硅光電池轉(zhuǎn)化率達(dá)到15%，單晶硅光電池轉(zhuǎn)化率是23.3%，砷化鎵光電池轉(zhuǎn)化率是25%，在實驗室中特制的砷化嫁光電池轉(zhuǎn)化率己達(dá)35%-36%。太陽能光伏電池/組件使用壽命大大增長，可使用30多年。目前，太陽能光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美國，其太陽能光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的80%。今后太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要圍繞高效率、低成本、長壽命、美觀實用等方向發(fā)展。專家們預(yù)測到2050年，太陽能光伏發(fā)電在發(fā)電總量中將占13%-15%，到2100年將約占64%。1.2.2我國太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢20世紀(jì)90年代以來是我國太陽能光伏發(fā)電快速發(fā)展的時期，在這一時期我國光伏組件生產(chǎn)能力逐年增強(qiáng)，成本不斷降低，市場不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量逐年增加，2004年累計容量達(dá)35MW，約占世界份額的3%。10多年來，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)長期平均維持了全球市場1%左右的份額。到2020年前，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展，成本將不斷下降，太陽能光伏發(fā)電市場發(fā)生巨大的變化:2005-2010年，我國的太陽能電池主要用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2010年將約為1.20元/(kW·h);2010-2020年，太陽能光伏發(fā)電將會由獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到2020年將約為0.60元/(kw·h)。到2020年，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望達(dá)到世界先進(jìn)行列。1.3本文主要研究內(nèi)容和任務(wù)本文主要研究太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文研究的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.3所示。該系統(tǒng)主要包括幾個部分:太陽能電池陣列、BOOST變換器、負(fù)載、雙向BUCK-BOOST變換器、蓄電池以及控制電路。該系統(tǒng)運(yùn)行原理如下:(l)當(dāng)日照較強(qiáng)，太陽能電池陣列輸出功率大于負(fù)載功率時，太陽能電池陣列輸出的電能經(jīng)BOOST變換器給負(fù)載供電，多余的電能通過雙向BUCK-BOOST變換器傳輸給蓄電池將能量儲存起來。(2)當(dāng)日照較弱，太陽能電池陣列輸出功率小于負(fù)載功率時，由太陽能電池陣列和蓄電池共同給負(fù)載供電，太陽能電池陣列輸出的電能經(jīng)BOOST變換器給負(fù)載供電，不足的電能由蓄電池通過雙向BUCK-BOOST變換圖1.3獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖器給負(fù)載供電。當(dāng)無日照，光伏陣列輸出功率為零時，由蓄電池單獨(dú)給負(fù)載供電。(3)當(dāng)有日照，太陽能電池陣列輸出功率大于零且負(fù)載斷開時，太陽能電池陣列輸出的電能經(jīng)BOOST變換器和雙向BUCK-BOOST變換器后給蓄電池充電以將能量儲存起來。另外，如果蓄電池放電至低于過放電壓，或者蓄電池充電至超過過充電壓時，雙向變換器將被強(qiáng)行控制關(guān)斷，以保護(hù)蓄電池不被損壞，延長蓄電池的使用壽命。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)所有控制功能的實現(xiàn)均由控制電路完成，控制電路采用數(shù)字信號處理器JM60DSP，由數(shù)字信號處理器JM60DSP采樣所需要的電流電壓信號并對信號進(jìn)行處理，輸出PWM波控制主電路功率開關(guān)管的通斷。本文主要研究工作包括以下部分:(l)建立實用的太陽能電池工程用仿真模型，以用于太陽能光伏電源系統(tǒng)整體性能的仿真研究，為太陽能光伏電源的設(shè)計提供參考;(2)通過仿真比較最大功率點(diǎn)跟蹤方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并驗證驗證理論分析的正確性;(3)研究不同DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時太陽能光伏電源系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，完成本論文系統(tǒng)的電路拓?fù)涞脑O(shè)計與器件選型;(4)基于DSP研究控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法以及完成控制系統(tǒng)的設(shè)計。2太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成和特性2.1太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)概述一般來說，太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣列、控制器、蓄電池組和逆變器等部分。太陽能電池陣列是整個系統(tǒng)能源的來源，它把照射到其表面的太陽能轉(zhuǎn)化為電能;控制器是整個系統(tǒng)的核心部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運(yùn)行;蓄電池的功能在于儲存太陽能電池陣列受光照時所發(fā)出的電能并在無光照時向負(fù)載供電;逆變器是將直流電變換為交流電的設(shè)備，由于太陽能電池陣列和蓄電池發(fā)出的是直流電，因此當(dāng)系統(tǒng)向交流負(fù)載供電時，逆變器是不可缺少的。常用的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1.2所示。2.2太陽能電池2.2.1太陽能電池原理及分類在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元是太陽能電池單體。太陽能電池單體實際上是一個PN結(jié)，PN結(jié)在光照下會產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時，PN結(jié)處有一個耗盡層，耗盡層中存在著勢壘電場，電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)PN結(jié)受到光照時，硅原子受光激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對，在勢壘電場的作用下，空穴向P區(qū)移動，電子向N區(qū)移動，從而P區(qū)就有過剩的空穴，N區(qū)就有過剩的電子，這樣便在PN結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動勢。光生電動勢的一部分抵消勢壘電場，另一部分使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，從而在P區(qū)與N區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。若在太陽能電池單體兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。由上可知，太陽能電池單體將光能轉(zhuǎn)換成電能的工作原理可概括為以下四個過程:(l)太陽能電池單體吸收光子，在PN結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生稱為“光生載流子”的電子一空穴對，兩者的電性相反，電子帶負(fù)電，空穴帶正電;(2)在太陽能電池單體PN結(jié)光生載流子，通過擴(kuò)散作用到達(dá)空間電荷區(qū);(3)到達(dá)空間電荷區(qū)的光生載流子被勢壘電場分離，電子被分離到N區(qū)，空穴被分離到P區(qū);(4)被勢壘電場分離的電子和空穴分別被太陽能電池單體的正、負(fù)極收集，若在太陽能電池單體正負(fù)極之間接入負(fù)載，則有光生電流流過，從而獲得電能實際中使用的太陽能電池是若干個太陽能電池單體經(jīng)過串并聯(lián)并封裝后形成的太陽能電池組件，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元，其功率一般為幾瓦至幾十瓦、百余瓦。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合可以形成太陽能電池陣列，以滿足負(fù)載功率要求。太陽能電池多為半導(dǎo)體材料制造，種類繁多，形式各樣，下面按照太陽能電池的材料進(jìn)行分類介紹:(l)硅太陽能電池:指以硅為基體材料的太陽能電池，如單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池等，多晶硅太陽能電池又有片狀多晶硅太陽能電池、鑄錠多晶硅太陽能電池、筒狀多晶硅太陽能電池和球狀多晶硅太陽能電池等多種。硅太陽能電池特點(diǎn)是由于硅資源豐富，可以大規(guī)模生產(chǎn)，性能穩(wěn)定且光電轉(zhuǎn)化效率高，是目前應(yīng)用最多的太陽能電池。但其制造過程復(fù)雜，成本高。目前市場上使用最多的是單晶硅太陽能電池，轉(zhuǎn)換率為17%左右，多晶硅轉(zhuǎn)換效率為14%左右，非晶硅電池轉(zhuǎn)化效率為6%左右。(2)化合物半導(dǎo)體太陽能電池:指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導(dǎo)體特性的化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池，如碲化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、硒銦銅太陽能電池、磷化銦太陽能電池等?；衔锇雽?dǎo)體太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高，抗輻射性好，可在聚光條件下使用等特點(diǎn)，但碲化鎘太陽能電池帶有毒性，易對環(huán)境造成污染，一般用于特定場合，如空間飛行器和航空系統(tǒng)。(3)有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池:指用含有一定數(shù)量的碳-碳鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池。該種電池雖然轉(zhuǎn)換率低，但價格便宜、輕便、易于大規(guī)模制造。(4)薄膜太陽能電池:指用單質(zhì)元素、無機(jī)化合物或有機(jī)材料等制作的薄膜為基體材料的太陽能電池。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池、納米薄膜太陽能電池和微晶硅薄膜太陽能電池等。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率相對較高、成本降低(尤其是大大降低了晶體硅類太陽能電池的硅材料用量)、且適合規(guī)模生產(chǎn)，因此薄膜太陽能電池是未來太陽能電池的一個重要發(fā)展方向。2.2.2太陽能電池輸出特性(一)標(biāo)準(zhǔn)測試條件下太陽能電池的輸出特性太陽能電池的輸出特性是指太陽能電池在一定的溫度和日照強(qiáng)度下所表現(xiàn)出來的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對應(yīng)關(guān)系，常簡稱為I-F特性。由于日照強(qiáng)度、電池溫度等都會影響太陽能電池的特性，因此需要定義標(biāo)準(zhǔn)測試條件用于地面測試太陽能電池性能。我國應(yīng)用的準(zhǔn)測試條件定義為日照強(qiáng)度為1000W/㎡，太陽能電池溫度為25℃一般的太陽能電池組件生產(chǎn)商均提供上述標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的五個參數(shù)。當(dāng)太陽能電池輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，太陽能電池近似為一恒流源，當(dāng)太陽能電池輸出電壓超過一定的臨界值時，太陽能電池輸出電流急劇下降，太陽能電池可近似為一恒壓源。太陽能電池的輸出特性是非線性的，既非恒流源也非恒壓源(在最大功率點(diǎn)左側(cè)為近似恒流源段，在最大功率點(diǎn)右側(cè)為近似恒壓源段)，且在一定的電池溫度和日照強(qiáng)度下有唯一的最大輸出功率點(diǎn)。(二)溫度和日照強(qiáng)度對太陽能電池輸出特性的影響太陽能電池的I-V特性曲線與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)，分別為不同日照光強(qiáng)和不同電池溫度時，太陽能電池的輸出特性曲線。當(dāng)溫度一定時，太陽能電池短路電流Isc隨日照強(qiáng)度的增加而增加，并與日照強(qiáng)度成正比，太陽能電池開路電壓Uo隨日照強(qiáng)度的增加稍有增加，但增加很小，當(dāng)日照強(qiáng)度一定時，電池溫度升高，太陽能電池開路電壓Uo降低，而太陽能電池的短路電流Isc有輕微的增加。2.2.3太陽能電池工程用數(shù)學(xué)模型(一)太陽能電池的理論分析模型根據(jù)半導(dǎo)體電子學(xué)理論，當(dāng)負(fù)載為電阻RL時，太陽能電池的等效電路如圖2.1所示。當(dāng)日照強(qiáng)度恒定時，光電流人可看成恒定電流源，二極管的正向電流ID和并聯(lián)電阻電流Ish都由光電流IL提供，剩余的光電流通過串聯(lián)電阻Rs流出太陽能電池進(jìn)入負(fù)載并在負(fù)載端產(chǎn)生電壓V。根據(jù)圖中的電流電壓參考方向，太陽電池的I-V方程為:圖2.1太陽能電池的等效電路（2-1）式中:IL--光電流，A;Io--二極管反向飽和電流，A;q--電子電荷(l.6x10-19A--二極管因子;K:波耳茲曼常數(shù)(1.38x10-23J/K);T--太陽能表面絕對溫度，K;Rs:--串聯(lián)電阻，Ω;Rsh--并聯(lián)電阻，ΩI--太陽能電池輸出電流，A;V--太陽能電池輸出電壓，V;2.3鉛酸蓄電池儲能是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，尤其對于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，儲能環(huán)節(jié)更是不可缺少的組成部分。儲能系統(tǒng)的好壞直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能在實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲能部分又是最易受損、最易消耗的部分。所以獲得最佳的儲能系統(tǒng)成為光伏系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常使用蓄電池實現(xiàn)儲能，常用蓄電池屬于電化學(xué)電池。蓄電池在充電時把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，放電時把儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給負(fù)載使用。一般來講，光伏發(fā)電系統(tǒng)白天把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充電器和蓄電池把電能儲存起來，晚上再通過放電器把儲存在蓄電池里的電能放出來使用。其中常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池。目前中國用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳鎘蓄電池外，絕大多數(shù)是采用鉛酸蓄電池。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)中使用鎳鎘或鎳氫蓄電池比較多。2.3.在太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對鉛酸蓄電池使用的充電控制方法直接影響到系統(tǒng)的性能。充電控制方法的優(yōu)劣影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，同時也關(guān)系到鉛酸蓄電池的使用壽命。而電荷量的大小決定著太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)向負(fù)載供電的能力、鉛酸蓄電池的使用壽命關(guān)系到系統(tǒng)的成本、造價以及系統(tǒng)的使用壽命，因此選擇合理的充電控制方法是提高太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的有效手段。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓充電、兩階段和三階段充電等方法，(一)恒流充電恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種方法特別適合于多個鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長時間的充電模式。這種充電方式的不足之處在于:鉛酸蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長。(二)恒壓充電法恒壓充電就是以一恒定電壓對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，充電電流較大，但隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必調(diào)整電流。相對恒流電來說，此法的充電電流自動減少，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低。這種充電方法不足之處在于:在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電器的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷;如果鉛酸蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因為這種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流不會太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。(三)兩階段充電法這種方法是為了克服恒流與恒壓充電的缺點(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。它首先對鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，鉛酸蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓充電方式充電。采用這種充電方式，在充電初期，鉛酸蓄電池不會出現(xiàn)很大的電流，在充電后期也不會出現(xiàn)鉛酸蓄電池電壓過高，使鉛酸蓄電池產(chǎn)生析氣。(四)三階段充電法三階段充電法是在兩階段充電完畢后，鉛酸蓄電池容量己經(jīng)達(dá)到額定容量時，再繼續(xù)以很小的電流向鉛酸蓄電池充電以彌補(bǔ)鉛酸蓄電池由于自放電損失的電量，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。在浮充時，鉛酸蓄電池充電電壓要比恒壓階段的充電電壓低。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，綜合考慮日照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度對光伏系統(tǒng)充電電流的影響、鉛酸蓄電池性能以及系統(tǒng)成本等因素，使用三階段充電法對鉛酸蓄電池充電較為合理。3太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤目前，太陽能電池陣列在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)造價中占很大比重，而且太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率本身就不高，因此有必要研究提高太陽能電池利用效率的方法，以降低系統(tǒng)單位價格的成本，促進(jìn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MaximumPowerPointTracking，簡稱MPPT)是其中的途徑之一，它能最大程度的利用太陽能電池轉(zhuǎn)化所得的電能。3.1太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤原理由第二章可知，太陽能電池的輸出特性受電池溫度和日照強(qiáng)度等因素的影響，電池溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，日照強(qiáng)度主要影響太陽能電池的短路電流。在一定日照強(qiáng)度和溫度下，太陽能電池有唯一的最大輸出功率點(diǎn)，太陽能電池只有工作在最大功率點(diǎn)才能使其輸出的功率最大。3.2太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法目前使用的太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法主要有恒電壓法、觀察擾動法、電導(dǎo)增量法以及其它的一些跟蹤方法。1.恒電壓法(ConstantVoltageTracking，簡稱CVT)溫度一定時，在不同的日照強(qiáng)度下，太陽能電池陣列輸出曲線的最大功率點(diǎn)基本是分布在一條垂直線的附近，因此只要保持太陽能電池陣列輸出電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)的電壓，就可以大致保證在該溫度下太陽能電池陣列輸出最大功率。恒電壓法具有控制簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，比一般太陽能光伏系統(tǒng)可望多獲得20%的電能，較之不帶CVT的直接藕合要有利得多。然而恒電壓法忽略了太陽能電池溫度對太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)的影響，一般硅太陽能電池的開路電壓都在較大程度上受結(jié)溫影響，以常規(guī)單晶硅太陽能電池而言，當(dāng)太陽能電池溫度每升高1℃2.擾動觀察法(Perturbation&Observation)擾動觀察法的原理是:在每個控制周期用較小的步長改變太陽能電池陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動”;然后，通過比較干擾周期前后太陽能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。擾動觀察法的最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，被測參數(shù)少，容易實現(xiàn)。但是即使在某一周期太陽能電池陣列運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，由于擾動的存在，下一周期太陽能電池陣列運(yùn)行點(diǎn)又會偏離最大功率點(diǎn)，因此太陽能電池陣列實際是在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，從而導(dǎo)致部分功率損失;其次，難以選擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，太陽能電池陣列可能長時間運(yùn)行于低功率輸出區(qū)，步長過大太陽能電池陣列在最大功率點(diǎn)附近的振蕩又會加大，跟蹤精度下降，從而導(dǎo)致更多的功率損失;另外，當(dāng)外部環(huán)境突然變化，太陽能電池陣列從一個穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)變換到另一個穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程中，會出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。3.增量電導(dǎo)法(IncrementalConductanceAlgorithm)為了解決擾動觀察法導(dǎo)致的功率損失問題，K.H.Hussein在1995年提出了增量電導(dǎo)法。由太陽能電池陣列輸出電氣特性知，太陽能電池陣列的輸出功率-電壓(P-V)曲線是一個單峰曲線，在最大功率點(diǎn)處，功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零。增量電導(dǎo)法的優(yōu)點(diǎn)是:在日照強(qiáng)度發(fā)生變化時，太陽能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動觀察法小。增量電導(dǎo)法的缺點(diǎn)是:太陽能電池陣列可能存在一個局部的最大功率點(diǎn)，這種算法可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部的最大功率點(diǎn);如同擾動觀察法一樣，增量電導(dǎo)法的變化步長也是固定的，步長過小會使跟蹤速度變慢，太陽能電池陣列較長時間工作在低功率輸出區(qū);步長太長，又會使系統(tǒng)振蕩加劇，影響跟蹤精度。在實際的光伏系統(tǒng)中，增量電導(dǎo)法的實現(xiàn)對硬件的要求相對較高，控制系統(tǒng)需采用高速微處理器完成數(shù)據(jù)處理。4太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路設(shè)計4.1方框圖，主電路圖以及技術(shù)路線圖本設(shè)計的總體方框圖為：圖4.1太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)總框圖主電路圖為：圖4.2主電路技術(shù)路線圖為：圖4.34.2太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)常用DC/DC變換器及其特點(diǎn)到目前為止，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的DC/DC變換電路主要有BUCK電路，BOOST電路，BUCKK-BOOSTT電路以及CUK電路。它們的電路拓?fù)浞謩e如下圖4.4(a)-(d)所示。a.BUCK電路拓?fù)鋱Db.BOOST電路拓?fù)鋱Dc.BUCK-BOOST電路拓?fù)鋱Dd.CUK電路拓?fù)鋱D圖4.4太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的DC/DC變換電路拓?fù)鋱D4.2.1BUCK電路輸入端工作在斷續(xù)狀態(tài)，如果直接將BUCK電路接在太陽能電池陣列上將造成太陽能電池陣列輸出電流不連續(xù)，太陽能電池陣列不能工作于最佳工作狀態(tài)，因此需要在太陽能電池陣列輸出端并聯(lián)儲能電容以保證太陽能電池陣列輸出電流的連續(xù)，如圖4.5。當(dāng)功率器件關(guān)斷時，太陽能電池陣列對儲能電容充電，使太陽能電池陣列始終處于發(fā)電狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)BUCK電路的占空比D實現(xiàn)調(diào)節(jié)太陽能電池陣列輸出平均功率的目的，從而實現(xiàn)對太陽能電池陣列的MPPT功能。典型的連接太陽能電池陣列的BUCK電路拓?fù)淙鐖D4.5所示，BUCK電路輸出連接阻性負(fù)載或蓄電池。圖4.5連接太陽能電池陣列的BUCK電路拓?fù)鋱D用BUCK電路實現(xiàn)太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤時，必須在BUCK電路并聯(lián)一個儲能電容，在大功率情況下，由于儲能電容始終處于大電流充放電狀態(tài)，對其可靠工作不利;同時由于儲能電容通常為電解電容，使BUCK電路無法工作在較高的頻率下，使得BUCK電路裝置的體積和重量增加;而且BUCK電路只能用于降壓變換。用BUCK電路實現(xiàn)太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控制易于實現(xiàn)，功率開關(guān)管輸入電流小，線路損耗小，使得BUCK電路裝置轉(zhuǎn)化效率較高。4.2.BOOST電路以電感電流源方式向負(fù)載放電實現(xiàn)負(fù)載電壓升高的目的。與BUCK電路相比，BOOST電路的電感在電路的輸入端，因此只要輸入電感足夠大，BOOST電路可以始終工作于輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中，只需在BOOST電路并聯(lián)容量較小的無感電容甚至可以不加電容，如圖4.6，這樣就可避免加電容帶來的種種弊端。同時BOOST結(jié)構(gòu)也非常簡單，并且功率開關(guān)管一端接地，使得開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計更為簡單。BOOST電路的不足之處在于其輸入端電壓較低，在同樣的功率下，輸入電流較大，因而電路損耗較大，與BUCK電路，BOOST電路轉(zhuǎn)化效率略低一些;而且BOOST電路只能進(jìn)行升壓變換。典型的連接太陽能電池陣列的BOOST電路拓?fù)淙鐖D4.6所示，BOOST電路輸出連接阻性負(fù)載或蓄電池。圖4.6連接太陽能電池陣列的BOOST電路拓?fù)鋱D4.3帶雙向變換器的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)圖4.7所示為本文研究所用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路包含以下五個部分:太陽能電池陣列，BOOST變換器和雙向BUCK-BOOST變換器，蓄電池組以及負(fù)載。4.7帶雙向變換器的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池陣列是整個系統(tǒng)能量的來源，本系統(tǒng)所使用的太陽能電池陣列由七塊無錫尚德太陽能電力有限公司生產(chǎn)的STP155S-24/Ab型單晶硅太陽能電池并聯(lián)而成，總功率1KW。STP155S-24/Ab型單晶硅太陽能電池組件參數(shù)如表4.1所示:最大工作電壓Vm最大工作電流Im短路電流Isc開路電壓Voc功率34.4V4.51A4.9A43.2v153W表4.14.3.IBOOST電路設(shè)計系統(tǒng)中BOOST電路設(shè)計開關(guān)管的開關(guān)頻率fs=20kHz，輸入直流電壓Vin∈[25V，45V]，額定輸入直流電壓Vin=34V，輸出直流電壓Vo=48V，輸出電流額定電流I0=22.3A，電感電流工作在電流連續(xù)模式(CurrentContinuousMode)，效率η=0.95(一)濾波電感的計算（4-1）（4-2）D=1-Vin/V0（4-3）式中:D為開關(guān)管的占空比，fs為開關(guān)管開關(guān)頻率。由(4-2)和(4-3)可得:(4-4)(4-5)取△iL1=0.2IL1，計算可得L1min，=66.5uh(二)濾波電容的估算由文獻(xiàn)[44]可知:(4-6)取△Vo=4.8，由上述參數(shù)可得:(4-7)為了使輸出電壓紋波小于4.8V，濾波電容必須大于110.5uF，可取120uF，濾波電容的耐壓值不應(yīng)小于48x1.5=72V，因此濾波電容可取120uF/l00V。(三)功率開關(guān)管的選取通過功率開關(guān)管的最大電流與通過電感的最大電流相等，為45A，功率開關(guān)管承受的最大電壓為2Vin=2×45=90V。考慮到功率開關(guān)管電壓和電流的設(shè)計裕量，開關(guān)管的額定電壓應(yīng)為珠的1.5倍，額定電流應(yīng)大于開關(guān)管導(dǎo)通時流過的峰值電流的2倍。BOOST電路中開關(guān)管選取Infineon公司的IPBO42N10N3GMOSFET管，其額定耐壓值VDS=l00V，額定電流ID=100A，導(dǎo)通電阻RDS(ON)=(四)二極管的選取通過二極管的最大電流與通過電感的最大電流相等，為45A，功率開關(guān)管承受的最大反向電壓為Vomax=50.4v?？紤]到二極管電壓和電流的設(shè)計裕量，開關(guān)管的額定電壓應(yīng)為VinBOOST電路中二極管選取Infineon公司的D255N二極管，其最大反向耐壓VRRM=600V，最大正向電流IF=400A，反向恢復(fù)時間最長1314.3.2在本系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組接在雙向BUCK-BOOST變換器上充當(dāng)負(fù)載。當(dāng)鉛酸蓄電池組直接接在BOOST電路上充當(dāng)負(fù)載時，系統(tǒng)為鉛酸蓄電池充電以儲存能量，當(dāng)無太陽光照射時，鉛酸蓄電池可通過雙向BUCK-BOOST變換器向負(fù)載供電。本系統(tǒng)中鉛酸蓄電池選擇電壓24V、容量為100AH的蓄電池組。4.4雙向BUCK-B00ST變換器4.4.1雙向BUCK-B00ST變換器運(yùn)行原理雙向BUCK-BOOST變換器是在BUCK電路中的續(xù)流二極管替換為功率MOSFET管而得到的，其電路結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。為實現(xiàn)能量的雙向自由流動，Q2和Q3互補(bǔ)PWM工作，即Q2導(dǎo)通時，Q3截止，Q3導(dǎo)通時，Q2截止。為了防止Q2，Q3同時導(dǎo)通，兩者之間有死區(qū)時間，即Q2關(guān)斷后經(jīng)死區(qū)時間td后才允許Q3導(dǎo)通，反之亦然。4.4.2雙向BU系統(tǒng)中設(shè)計雙向BUCK-BOOST變換器的功率開關(guān)管的開關(guān)頻率也為Fs=20kHz，雙向BUCK-BOOST變換器按BUCK變換器設(shè)計:輸入額定直流電壓為Vin=48V，輸入電壓波動△Vo=4.8v;輸出直流電壓Vo=24v，輸出電壓紋波為2V;輸出額定電流I=45A(一)濾波電感的估算(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)式中:D為開關(guān)管的占空比，fs為開關(guān)管開關(guān)周期。取輸出電流紋波△i0=3A。可得:(4-12)(4-13)(4-14)取L2=210uh。(二)濾波電容的設(shè)計由于本系統(tǒng)中雙向BUCK-BOOST變換器的負(fù)載為鉛酸蓄電池，而鉛酸蓄電池本身就相當(dāng)于一個大電容，因此本雙向BUCK-BOOST變換器輸出端可以不用濾波電容;另外，省去濾波電容還可以減少由于鉛酸蓄電池給濾波電容充電而導(dǎo)致的容量損失。而且省去濾波電容，減少了系統(tǒng)成本，縮小系統(tǒng)的體積，從而簡化了電路。(三)功率開關(guān)管的選取雙向BUCK-BOOST變換器中，功率開關(guān)管Q2和Q3承受的最大電壓均為Vin=50.4V，功率開關(guān)管Q2和Q3的最大工作電流與流過濾波電感的最大電流相同，即IQ2max=IQ3max=IL2max=45A?？紤]到功率開關(guān)管電壓和電流的設(shè)計裕量，可選擇開關(guān)管的容許電壓為100v，容許電流為50A。雙向BUCK-BOOST變換器電路中開關(guān)管選取Infineon公司的IPBO42CN10N3GMOSFET管，其額定耐壓值VDS=100V，額定電流ID=100A，導(dǎo)通電阻RDS(ON)=4.5逆變電路圖4.8逆變電路直流-交流（DC/AC）變換器，也稱逆變器。其功能是將直流電變?yōu)楣潭l率和電壓或可調(diào)頻率和可調(diào)電壓的交流電，供負(fù)載使用。逆變電路的分類方法有很多種，本文采用雙極性SPWM單相逆變電路。太陽能光伏陣列產(chǎn)生的電壓，經(jīng)過一個BOOST電路升壓，通過調(diào)節(jié)Q5端得占空比來調(diào)節(jié)升壓后電壓的大小。再經(jīng)過雙極性SPWM逆變電路，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供負(fù)載使用雙極性SPWM調(diào)制的特點(diǎn)是：三角載波有正負(fù)極性，同樣再載波和調(diào)制波的交點(diǎn)處產(chǎn)生驅(qū)動信號。但是T6、T9和T7、T8的驅(qū)動脈沖互補(bǔ)。在T6、T9導(dǎo)通時，T7、T8截止；在T7、T8導(dǎo)通時，T6、T9截止。因此逆變器交流輸出電壓在半周期中也有正負(fù)極變化，故稱雙極性調(diào)制。在輸出交流的正半周。正脈沖寬度大于負(fù)脈沖；在輸出交流的負(fù)半周，負(fù)脈沖寬度大于正脈沖，且脈沖狂度隨調(diào)制波變化，使輸出交流電壓按正弦規(guī)律變化。改變調(diào)制波的幅值，則改變了調(diào)制正弦波與三角波的交點(diǎn)位置，可以調(diào)節(jié)矩形脈沖寬度，從而改變交流電壓的大小。改變調(diào)制正弦波的頻率。使輸出交流電的頻率也隨之變化，因此調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅值喝頻率就可以調(diào)節(jié)交流輸出電壓的大小和頻率逆變電路的仿真圖：圖4.9仿真電路圖4.10逆變電路仿真結(jié)果注：仿真中采用直流電壓源（48V）代替逆變電路的輸入端電壓（A-a點(diǎn)電壓）5太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)的控制電路使用江蘇省昆山鑫盛盟創(chuàng)科技有限公司公司的MC9S08JM60作為主控制芯片，其快速的運(yùn)算能力、豐富的外設(shè)資源能為整個控制系統(tǒng)提供一個良好的平臺。DSP是整個控制系統(tǒng)的核心，它接收采樣電路送來的模擬信號，按照控制算法對采樣信號進(jìn)行處理，然后產(chǎn)生所需要的PWM波形，經(jīng)驅(qū)動放大后控制主電路功率開關(guān)管的通斷。5.1控制芯片MC9S08JM60簡介1.MC9S08JM60評估板概述MC9S08JM60評估板是一款以學(xué)習(xí)HCS08系列微控制器為應(yīng)用目標(biāo)的評估板。MC9S08JM60評估板（簡稱MC9S08JM60EVB）包含MC9S08JM60（以下簡稱JM60）最小系統(tǒng)、SCI、LED、蜂鳴器、按鍵、寫入調(diào)試接口。評估板配套資料提供了部分硬件模塊的以用于實際系統(tǒng)開發(fā)中。開發(fā)環(huán)境可使用CodeWarrior6.0，可選配寫入器。2.MC9S08JM60芯片概述HCS08系列MCU是Freescale8位微處理器的主流產(chǎn)品，應(yīng)用非常廣泛。MC9S08J系列單片機(jī)是HCS08系列單片機(jī)大家族中具有USB接口的一類，MC9S08JM60是MC9S08J系列中的一個型號，MC9S08JM60單片機(jī)具有多種封裝形式，它們分別為44腳、48腳、64腳等，在相同管腳數(shù)目的情況下還有寬腳和密腳之分，本評估板使用64引腳寬腳封裝。MC9S08JM60單片機(jī)的主要特點(diǎn)概述如下：①4K片內(nèi)RAM；60K片內(nèi)Flash程序存儲器；256BUSBRAM，具有在線編程能力和保密功能。②時鐘發(fā)生器模塊，具有PLL電路，可產(chǎn)生各種工作頻率；內(nèi)部總線頻率最高可達(dá)24MHz。③增強(qiáng)的HCS08CPU結(jié)構(gòu)；最高支持32個中斷源。④51根通用I/O腳，包括37根多功能I/O腳和14根專用I/O腳；部分I/O口有可選擇的內(nèi)部上拉電阻，并且可以選擇引腳的驅(qū)動能力。⑤兩個增強(qiáng)型串行通訊口SCI；兩個串行外圍接口SPI；兩個集成電路內(nèi)部通信接口IIC；兩個16位雙通道定時器接口模塊(TIM1和TIM2)，每個通道可選擇為輸入捕捉、輸出比較和PWM；一個模擬信號比較器ACMP；12路12位AD轉(zhuǎn)換模塊；8位鍵盤喚醒口；一個實時時鐘計數(shù)器模塊；一個計算機(jī)工作正常(COP)復(fù)位模塊。⑥一個USB2.0全速設(shè)備，速度可達(dá)12Mbps。⑦優(yōu)化用于控制應(yīng)用；優(yōu)化支持C語言。3.實物圖及邏輯結(jié)構(gòu)圖圖5.1實物圖圖5.2邏輯圖5.2基于MC9S08JM60DSP的控制系統(tǒng)圖5.3接線圖為：圖5.4由MC9S08JM60DSP產(chǎn)生的PWM信號分別為PWM0做Q1驅(qū)動信號；PWM1為Q2和Q3驅(qū)動信號（Q2和Q3信號互補(bǔ)）；PWM2為逆變電路BOOST部分Q5的驅(qū)動信號；PWM3為逆變電路全橋T6、T9和T7、T8的驅(qū)動信號（T6、T9和T7、T8的驅(qū)動脈沖互補(bǔ)）5.3驅(qū)動電路系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需要由控制電路生成主電路功率開關(guān)管所需要的PWM波使主電路功率開關(guān)管實現(xiàn)開關(guān)動作來完成。但控制電路屬于弱電信號(DSP產(chǎn)生的PWM波信號峰值電壓為3.3伏，輸出電流在毫安級)，主電路為功率電路，控制電路出來的信號對于直接驅(qū)動功率器件無能為力，而且為了系統(tǒng)能安全、可靠的運(yùn)行，控制電路還必須和主電路實現(xiàn)良好的電氣隔離。在有弱電信號和強(qiáng)電信號的電路中，為防止強(qiáng)電信號對弱電信號的影響，通常采用隔離技術(shù)實現(xiàn)電路信號的轉(zhuǎn)換。隔離技術(shù)可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。光電隔離具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但存在共模抑制能力差、速度傳輸慢的缺點(diǎn)，而且快速光禍的速度也僅幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應(yīng)速度快，原副邊絕緣度高，dV/dt共模干擾抑制能力強(qiáng)?？紤]到主電路的工作頻率本驅(qū)動系統(tǒng)采用電磁隔離驅(qū)動方式，如圖5.4所示。圖中三極管Qa和Qb組成圖騰柱輸出，對輸入電流有放大作用;二極管D在感性負(fù)載時起續(xù)流作用;C19為原邊隔直電容，阻止直流分量通過，避免變壓器直流磁化而飽和;C20為副邊電容，復(fù)現(xiàn)原邊隔直電容的電壓;Z1為穩(wěn)壓二極管，它使驅(qū)動電路在正向?qū)〞r間內(nèi)，輸出正幅值限制在12V(穩(wěn)壓管兩端的電壓不能超過其穩(wěn)壓值，以免使其長期處于擊穿工作狀態(tài)，損耗太大);在反向?qū)〞r間內(nèi)給副邊電容C20充電;電阻R20為阻尼電阻，其可阻止MOSFET的輸入電容與電路分布電感一起產(chǎn)生高頻寄生振蕩。圖5.5驅(qū)動電路5.4采樣電路MC9S08JM60DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)能分辨的最高電壓為3.3V，因此采樣電路輸入到A/D模塊的最高輸入電壓不得超過3.3V。本系統(tǒng)電壓采樣信號經(jīng)高阻值精密電阻分壓得到，避免分壓電阻流過的電流對主電路和采樣電路的影響;電流采樣電路是利用利用霍爾電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。直流電壓采樣電路圖5.6圖5.6為光伏陣列輸出端電壓Ui的采樣電路，因為控制部分對直流電壓檢測結(jié)果的精度要求不高，所以采用電阻分壓的法，這種方法簡單，成本低。Da1為3.3V的穩(wěn)壓管。通過一級電壓跟隨提高抗干擾的能力。采樣輸出接ADC0809IN0管腳。蓄電池端的電壓Us和直流負(fù)載端得電壓Uo1都采用此采樣電路，輸出端分別接ADC0809IN2和ADC0809IN2.直流電流采樣電路圖5.7電流采樣電路是利用利用霍爾電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。圖5.7為光伏陣列端輸出的電流Ii的采樣電路，輸出端接ADC0809IN1管腳。蓄電池端的電流Is和直流負(fù)載端得電流Io1都采用此采樣電路，采樣電路輸出端分別接ADC0809IN3和ADC0809IN5管腳。3.交流電壓采樣電路圖5.8該電路主要檢測交流負(fù)載端交流電壓Uo2，通過比例加法電路，將有效值0-250V所對應(yīng)的采樣值限制在0-3.3V之間。采樣電路輸出端接ADC0809IN6管腳。4.交流電流采樣電路圖5.9因為DSP的A/D轉(zhuǎn)換采樣電平只能為正，所以需要添加一個加法電路，將交流信號全部變?yōu)檎?。圖5.9為交流負(fù)載端交流電流Io2的采樣電路，采樣輸出端接ADC0809IN7管腳。5.5總電路圖圖5.10總電路圖6太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)根據(jù)太陽能電池陣列、蓄電池以及負(fù)載的工作狀態(tài)分為兩種運(yùn)行模式:充電工作模式和放電工作模式，控制系統(tǒng)根據(jù)太陽能電池陣列、蓄電池以及負(fù)載的工作狀態(tài)自動切換運(yùn)行模式。系統(tǒng)的軟件控制主要有控制系統(tǒng)主程序和蓄電池充電子程序構(gòu)成以直流負(fù)載為例（一）當(dāng)系統(tǒng)工作于充電模式時又有下列兩種可能:(l)太陽能電池陣列輸出功率大于負(fù)載功率，多余的電能供給蓄電池充電并實現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤;(2)負(fù)載斷開，太陽能電池陣列僅給蓄電池充電。（二）當(dāng)系統(tǒng)工作于放電模式時又有下列兩種可能:(l)太陽能電池陣列輸出功率小于負(fù)載功率，多余的電能由蓄電池補(bǔ)充，并利用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)實現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤以使蓄電池放電電流最小;(2)太陽能電池陣列無功率輸出，僅由蓄電池向負(fù)載供電。由于兩種模式的運(yùn)行邏輯較為復(fù)雜，并且為了使程序結(jié)構(gòu)邏輯清晰、可讀性強(qiáng)、可移植性好，軟件的程序設(shè)計采用C語言。主程序大致思路如下:開機(jī)上電后，初始化DSP的系統(tǒng)寄存器及外設(shè)寄存器，根據(jù)太陽能電池陣列、蓄電池以及負(fù)載的工作狀態(tài)決定系統(tǒng)的運(yùn)行模式，并按一定的采樣周期(本試驗為10ms)讀入采樣電壓和采樣電流，根據(jù)采樣信息和控制算法改變輸出控制信號的脈寬以達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。在運(yùn)行過程中若系統(tǒng)發(fā)生故障，則及時封鎖控制信號輸出。系統(tǒng)中DSP控制器外部時鐘基準(zhǔn)為30MHz，產(chǎn)生的開關(guān)管控制信號頻率為20kHz。將DSP控制器事件管理器模塊通用定時寄存器的記數(shù)方式設(shè)置為一般連續(xù)遞增模式，并設(shè)置周期寄存器，使其周期為50微秒，通過控制算法改變比較寄存器的值以改變PWM輸出波形占空比。6.1控制系統(tǒng)主程序控制主程序主要完成下列內(nèi)容當(dāng)日照較強(qiáng)時，太陽能光伏陣列的的功率大于負(fù)載功率，由光伏電池陣列向負(fù)載供電，多余的電能傳輸給蓄電池存儲起來。當(dāng)日照較弱時，太陽能光伏陣列的功率小于負(fù)載功率，此時則由光伏陣列和蓄電池共同向負(fù)載供電。若無日照時，太陽能光伏電池陣列的功率為0，則由蓄電池單獨(dú)向負(fù)載供電。當(dāng)負(fù)載斷開時，光伏陣列產(chǎn)生的電能傳輸給蓄電池存儲起來。如果蓄電池放電至低于過放電壓，或者蓄電池充電至超過過充電壓時，雙向變換器將被強(qiáng)行控制關(guān)斷，以保護(hù)蓄電池不被損壞，延長蓄電池的使用壽命圖6.1控制系統(tǒng)主程序流程圖DSP初始化，采樣太陽能光伏陣列輸出的電壓Ui，電流Ii；蓄電池的電壓Us，電流Is:負(fù)載的電壓Uo,電流Io.首先判斷太陽能光伏陣列的功率是否大于0，大于0，再看看太陽能光伏陣列的輸出功率是否大于負(fù)載所需要的功率，即是否滿足負(fù)載要求，若滿足負(fù)載功率要求，則有太陽能光伏陣列單獨(dú)向負(fù)載供電，多余的電能用蓄電池存儲起來。若不太陽能光伏陣列輸出功率不能滿足負(fù)載要求時，則有，太陽能光伏陣列和蓄電池共同向負(fù)載供電。當(dāng)太陽能光伏陣列的功率小于0時，若蓄電池電壓大于放電允許的最小電壓，即，蓄電池內(nèi)有足夠的電能，則由蓄電池單獨(dú)向負(fù)載供電；若蓄電池電壓小于放電允許的最小電壓，即，蓄電池所存儲的電能不足，則禁止蓄電池放電。本系統(tǒng)通過控制MOS管Q2的驅(qū)動信號，控制MOS管Q2的通斷，從而控制蓄電池的充放電，信號為正時，MOS管Q2導(dǎo)通，Q3截止，蓄電池放電；信號小于O時，MOS管Q2截止，Q3導(dǎo)通，蓄電池充電主要程序如下：Pi為太陽能光伏陣列輸出的功率，Po為負(fù)載的功率，t為MOS管Q2的驅(qū)動電壓信號。當(dāng)t=1時，驅(qū)動信號電壓為正，MOS管Q2導(dǎo)通，Q3截止，蓄電池放電；當(dāng)t=0時，驅(qū)動信號為負(fù)，MOS管Q2截止，Q3導(dǎo)通，蓄電池充電。蓄電池允許放電的最小電壓取1V。#ifndef_MC9S08JM60_H#define_MC9S08JM60_H/*Typesdefinition*/typedefunsignedcharbyte;typedefunsignedintword;typedefunsignedlongdword;typedefunsignedlongdlong[2];/*Watchdogresetmacro*/#ifndef__RESET_WATCHDOG#ifdef_lint#define__RESET_WATCHDOG()/*empty*/#else#define__RESET_WATCHDOG()(void)(SRS=0x55,SRS=0xAA)#endif#endif/*__RESET_WATCHDOG*/#defineREG_BASE0x0000/*Baseaddress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