家用光伏發(fā)電儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)

TOC\o"1-3"\h\u1815摘要 緒論課題的研究背景及意義能源供應(yīng)是全人類社會(huì)求生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可或缺必要條件。當(dāng)今世界的能源供應(yīng)構(gòu)造是以煤、原油、燃?xì)獾然茉醇夹g(shù)為主的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)化石能源的消耗量與日俱增，出現(xiàn)了嚴(yán)重的能源短缺現(xiàn)象和環(huán)境污染問題?；茉醋鳛橐环N不可再生的化石資源，消耗大量的能源生產(chǎn)和消費(fèi)，污染和破壞生態(tài)環(huán)境。為了確保人類的穩(wěn)定，可持續(xù)能源供應(yīng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，我們必須優(yōu)化結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能作為新型能源可以轉(zhuǎn)換成電能并將其提供給電力網(wǎng)，它不會(huì)有枯竭危險(xiǎn)，而是清潔、安全、無(wú)噪音：它不受資源地理分布的限制，它具有廣泛的應(yīng)用范圍，安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)輸簡(jiǎn)單，建設(shè)時(shí)間短。它將逐漸取代疲憊的傳統(tǒng)化石能源，同時(shí)避免人類生活環(huán)境的持續(xù)惡化。中國(guó)為了改善西部地區(qū)的生活環(huán)境和投資環(huán)境，也實(shí)施了西部的太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目，推進(jìn)了西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。太陽(yáng)能是一種必要的能源補(bǔ)充，是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。即使經(jīng)濟(jì)社會(huì)走上可持續(xù)發(fā)展的道路，保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的高度取決于人類的生存，太陽(yáng)能的發(fā)展對(duì)于解決特殊用途的真正能源供應(yīng)問題具有重大的戰(zhàn)略意義。作為一個(gè)重要的分散型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)吸引了國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)的目光。最有名的是由特斯拉啟動(dòng)的家用能源儲(chǔ)存電池電力墻系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)電公司也建立了自己的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本進(jìn)一步削減，相關(guān)的國(guó)內(nèi)政策補(bǔ)助金和獎(jiǎng)勵(lì)也加大力度，家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在將來(lái)具有廣泛的應(yīng)用前景。光伏發(fā)電在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景目前，我國(guó)能源排放主要源自石化工業(yè)，化工，建筑材料，鋼，造紙和航空業(yè)，二氧化碳排放量約為八十。其中電力行業(yè)的碳排放總量約占全國(guó)的40%。不過(guò)，到2021年底，中國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備容量達(dá)到了3.06億千瓦。連續(xù)7年穩(wěn)居全球首位，新增裝機(jī)容量5493萬(wàn)千瓦；2022年1-2月光伏發(fā)電裝機(jī)容量約3.1億千瓦，同比增長(zhǎng)20.9%，新增裝機(jī)容量約1086萬(wàn)千瓦。根據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《\t"/market/202204/_blank"中國(guó)光伏發(fā)電行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)研究與未來(lái)投資分析報(bào)告（2022-2029年）》顯示，太陽(yáng)能集熱器的容量約為到十億兆瓦，其容量約為太陽(yáng)能集熱器的三分之一。集中式光伏裝機(jī)容量為19848千瓦增加容量2560千瓦。進(jìn)入2022年，近期國(guó)家能源局提出，加快實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，在東部、中部和南部地區(qū)附近促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的開發(fā)和消費(fèi)。積極推動(dòng)“三北”地區(qū)風(fēng)電光伏基地化開發(fā)，抓好沙漠、戈壁、荒漠風(fēng)電光伏基地建設(shè)，啟動(dòng)實(shí)施“千家萬(wàn)戶沐光行動(dòng)”等，太陽(yáng)能再生能源產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)顯示，2021年全國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電量為3259億千瓦時(shí)，比去年同期增加25.1%，利用時(shí)間為1163小時(shí)，比去年同期增加3小時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電的利用率增加了98%。國(guó)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景在過(guò)去的十年中，可再生能源的生產(chǎn)成本急劇下降。供應(yīng)鏈發(fā)展的激烈競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)革新導(dǎo)致2010年至2019年太陽(yáng)能發(fā)電的成本下降了82%。為了應(yīng)對(duì)全球變暖和化石能源枯竭，開發(fā)和利用可再生能源受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。全球太陽(yáng)能發(fā)電的設(shè)備容量正在急速增加?？稍偕茉吹姆e極發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)的共識(shí)。巴黎協(xié)議在2016月正式生效，強(qiáng)調(diào)各國(guó)致力于發(fā)展替代能源產(chǎn)業(yè)。太陽(yáng)能是一個(gè)增長(zhǎng)最快的可再生能源的清潔。太陽(yáng)能電池板的成本在2010到2019年下降百分之八十二。2010年迄今，開發(fā)成本的減低多半是因?yàn)殡姵匕宓纳a(chǎn)成本和控制系統(tǒng)的組套成本的大大降低。前者降幅達(dá)90%。在過(guò)去十年間，這些因素使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電(PV)的總裝機(jī)成本下降了約五分之四。MPPT控制策略研究現(xiàn)狀現(xiàn)在，在國(guó)內(nèi)有很多關(guān)于MPPT算法的研究。有必須采用大量數(shù)據(jù)資料存儲(chǔ)空間的曲線擬合技術(shù)控制算法。還有短路電壓和電流的方法。更有擬定了不需要弄清楚光伏功能模塊特性的擾動(dòng)觀察法，因此，此種技術(shù)手段的成功實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單，但仍有缺陷。因此我們改進(jìn)算法，改進(jìn)算法中最終步長(zhǎng)是基于先前步長(zhǎng)與當(dāng)前步長(zhǎng)的比較來(lái)確定的。這些改進(jìn)的算法縮短了跟蹤時(shí)間，提高了跟蹤效率。關(guān)于可變步長(zhǎng)的研究一直是學(xué)者的焦點(diǎn)?？傊?，大多數(shù)學(xué)者使用的MPPT算法是擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。算法的未來(lái)研究趨勢(shì)是基于擾動(dòng)觀測(cè)方法和導(dǎo)納增量方法的可變步長(zhǎng)的改進(jìn)。儲(chǔ)能元件策略研究現(xiàn)狀電池在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使用。有許多方法，如恒流，恒壓，高速快充。固定電流充電過(guò)程中，電極電壓變化，充電電流不變。好處是方法簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，成本低。但具有低效率的缺點(diǎn)。恒定電壓的充電方法是固定電壓。充電電流在后期減少。有一個(gè)缺點(diǎn)是，太多的電流在充電的開始。目前常用的三段式階段充電法。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成離網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)山地帶、電力自由地區(qū)、島嶼、通信基站和路燈。太陽(yáng)能陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的條件下，通過(guò)太陽(yáng)能充電控制器。當(dāng)沒有光時(shí)，直流電源負(fù)荷通過(guò)太陽(yáng)能充電控制器。同時(shí)，電池也可以直接向獨(dú)立的逆變器供電。而且，電流是由獨(dú)立的逆變器產(chǎn)生的，以向交流供電。(1)太陽(yáng)能電池組件作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池組件的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。圖2.1太陽(yáng)能光伏組件圖(2)太陽(yáng)能充放電控制器太陽(yáng)能充放電控制器（也稱為“光伏控制器”）用于調(diào)整和控制由太陽(yáng)能電池模塊產(chǎn)生的電能。(3)蓄電池組蓄電池組的主要任務(wù)是在夜間或雨天儲(chǔ)存能量，以確保負(fù)載電力的消耗。(4)離網(wǎng)型逆變器逆變器是交流發(fā)電機(jī)的主要組成部分，它涉及到交流負(fù)載的直流變換。為了提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能，確保電站長(zhǎng)期可持續(xù)性高速運(yùn)行，逆變器的性能指數(shù)極為重要。圖2.2光伏逆變器圖離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以根據(jù)與地方電源的物理連接來(lái)劃分成網(wǎng)格連接和斷開網(wǎng)格。本研究的目的是離網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)主要由太陽(yáng)能發(fā)電面板、控制器、逆變器和能量存儲(chǔ)裝置構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.3所示：光伏電池光伏電池DC/DC電路離網(wǎng)逆變器器交流負(fù)載控制器儲(chǔ)能設(shè)備直流負(fù)載圖2.3離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)發(fā)電結(jié)構(gòu)圖太陽(yáng)能發(fā)電面板被用作發(fā)電組件。當(dāng)光伏面板上有光時(shí)，光伏面板的操作原理通過(guò)光電效應(yīng)被轉(zhuǎn)換成所需的電能。根據(jù)電源負(fù)載，多個(gè)模塊并聯(lián)或串聯(lián)連接，輸出指定的電壓和電流，并向用戶供電。當(dāng)產(chǎn)生的能量無(wú)法保證能耗控制的要求，從電池的能量釋放。充電后，管控蓄電池，避免出現(xiàn)充電現(xiàn)象。當(dāng)電能存儲(chǔ)在一個(gè)電阻器釋放，加以控制電容器，以防止放電保護(hù)電池。當(dāng)控制器性能欠佳時(shí)，會(huì)制約電池的壽命，最后阻礙系統(tǒng)的精確性。電池工作在夜間或下雨，以確保貨物的消耗功率。當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)在P-N結(jié)形成的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的界面上，當(dāng)強(qiáng)光照射到時(shí)，P-N結(jié)的兩邊都會(huì)釋放出電荷。生成負(fù)載和電場(chǎng)。光伏陣列模塊工作點(diǎn)（MPPT）跟蹤控制光伏陣列輸出特性太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換為電力的元件。是借助于半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制做的。模型如圖2.4所示。圖2.4太陽(yáng)能電池電路模型輸出負(fù)載RL上電壓電流關(guān)系：對(duì)太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型的判斷得出，P的輸出功率、太陽(yáng)能電池的電壓和電流的關(guān)連。相異照明強(qiáng)度下的輸出特性曲線見圖2.5。圖2.5不同光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線(25。C)光伏電池在不同外界溫度下的輸出特性曲線見圖2.6。圖2.6不同溫度下的輸出特性曲線（1000W/m2)MPPT控制方法通過(guò)觀察太陽(yáng)電池的輸出功率特性的P-U曲線，太陽(yáng)電池具有最佳工作點(diǎn)，這被稱為依賴于面板溫度和光的峰值太陽(yáng)能電池在不同的溫度和照明條件下有不同的最大功率點(diǎn)。即便在相近的溫度和光條件下，太陽(yáng)能電池的輸出也會(huì)因太陽(yáng)能電池的工作電壓而各有不同。為了使太陽(yáng)能電池在可能的峰值運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行MPPT跟蹤控制。最常用的方法有峰值跟蹤法、恒電壓跟蹤法、觀測(cè)法、積分法、電導(dǎo)增量法等。恒定電壓跟蹤法光伏陣列的輸出特性如圖2.7所示。圖2.7光伏列陣的輸出U-I特性圖通過(guò)觀察太陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)的P-V曲線，結(jié)果表明，在一定的溫度下，總的平移曲線的峰值分布在兩條線左右。僅需有輸出電壓Vmax制造商提供的數(shù)據(jù)。事實(shí)上，MPPT控制很容易產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓社區(qū)。與沒有CTV的直接耦合模式相比，這非常有用。一般的太陽(yáng)能系統(tǒng)預(yù)計(jì)將獲得最多的電能。然而，這種方法忽略了對(duì)發(fā)射極溫度的影響，特別是當(dāng)溫度變化很大時(shí)，會(huì)引起的巨大誤差，浪費(fèi)能量。CVT控制的特性是控制純粹，穩(wěn)定性高。系統(tǒng)很難振動(dòng)，可靠性好，便于借助硬件全面實(shí)現(xiàn)。但在寒冷的早晨和季節(jié)快速變化的地區(qū)只能人工操作。2、擾動(dòng)觀察法此方法是在每一個(gè)控制循環(huán)內(nèi)，用小步長(zhǎng)扭轉(zhuǎn)太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率。變化程序安全可信賴，能夠不斷增加或減少朝向?？刂颇繕?biāo)可是太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓或電流。這被稱之為擾亂，對(duì)擾亂前后的太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率比較。當(dāng)輸出功率增大時(shí)，參照前一種循環(huán)的方向再次“擾亂”處置。倘若輸出減小，那就更改擾亂方向。當(dāng)擾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，太陽(yáng)能電池陣列的實(shí)際工作不能在小的、高的能量點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行模擬振動(dòng)。其次，很難選擇適當(dāng)?shù)淖兓８櫵俣群苈?。太?yáng)能電池陣列可以在低功耗地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間工作。步長(zhǎng)過(guò)大，最大輸出點(diǎn)鄰近太陽(yáng)能電池陣列的振動(dòng)大大增加，跟蹤精度降低，功率損失增大。如上所述，這種方法其局限性是太陽(yáng)能電池陣列僅僅在最大功率點(diǎn)周圍振動(dòng)，致使特殊功率折損。不過(guò)長(zhǎng)處是跟蹤基本原理簡(jiǎn)單明了，測(cè)定變量少，傳感器精準(zhǔn)度其要求不高，較易成功實(shí)施。當(dāng)跟蹤步長(zhǎng)各種因素忽然變化時(shí)，由于不能注意跟蹤精確性和跟蹤速率，可能會(huì)發(fā)生明顯錯(cuò)判。故此，外部觀測(cè)方法適用于太陽(yáng)光強(qiáng)度的緩慢變化。3、電導(dǎo)增量法根據(jù)光伏電池的輸出特性曲線可得出，在最大功率點(diǎn)的斜率為零。通過(guò)推導(dǎo)后得出如下：求功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)：達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)有下式成立:最大功率點(diǎn)右邊時(shí)有下式成立:最大功率點(diǎn)左邊時(shí)有下式成立:當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列以最大功率點(diǎn)操作時(shí)，輸出電導(dǎo)的變化等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值。檢查最大輸出是否大于或等于0，然后檢查是否小于0，然后確定擾動(dòng)的方向。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，輸出電壓的變化可以連續(xù)變化。局限性是在太陽(yáng)能電池陣列中可能出現(xiàn)存在一定范圍內(nèi)的最大功率點(diǎn)。該方法或許使系統(tǒng)固定在小范圍的最大輸出點(diǎn)。該方法適主要用于光強(qiáng)度的快速變化，但對(duì)控制器硬件其要求較高。使控制器的成本增加，因此不適合用來(lái)低功率光伏發(fā)電。增加電導(dǎo)率的方法是借助于比較瞬間電導(dǎo)率和增加太陽(yáng)能電池板的電導(dǎo)率控制訊號(hào)的變化。該方法必需太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓和波形的數(shù)據(jù)。對(duì)硬件明確要求，特別是傳感器的高精確性要求非常高，對(duì)系統(tǒng)各部的處理速度其要求也相比較高。故此，從上到下系統(tǒng)的硬件成本也更多。電導(dǎo)增量法的控制流程圖如圖2.8所示。圖2.8電導(dǎo)增量法控制流程圖該方法的長(zhǎng)處是當(dāng)射入光強(qiáng)度改變較大時(shí)，可以不停跟蹤太陽(yáng)電池陣列的輸出電壓。改進(jìn)型最大功率跟蹤算法上面所描述的最大功率跟蹤算法有其自身的缺點(diǎn)，雖然具有很好的穩(wěn)定性和搜索速度，增加電導(dǎo)率和模糊控制但設(shè)計(jì)復(fù)雜成本高，不利于廣泛應(yīng)用因此，我們提出了一種簡(jiǎn)單的可變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察方法，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和低成本的目的。從圖2.7所示的太陽(yáng)能電池模塊輸出的P-U特性曲線可以看出：當(dāng)它離最大功率點(diǎn)遠(yuǎn)時(shí)，電壓變化△U對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電模塊的輸出功率有很大影響，當(dāng)它接近最大功率點(diǎn)時(shí)電壓變化△U對(duì)太陽(yáng)能電池模塊功率的變化幾乎沒有影響。這意味著，P-U曲線的每一點(diǎn)的斜率取決于最大能量點(diǎn)的變化。在圖2.7中，分別切線光強(qiáng)度1kW/m2時(shí)間伏特模塊輸出特性曲線上的k1、k2、k3、k4點(diǎn)，見圖2.9。圖2.9光伏組件的輸出特性曲線的切線圖當(dāng)試樣的輸出功率變化較大時(shí)，△P和△U變動(dòng)都很小。輸出P-U曲線中各點(diǎn)的絕對(duì)傾斜度很小，用輸出功率比的絕對(duì)值代替，即以此方式求得功率最大值，跟蹤算法的擾亂步長(zhǎng)能夠計(jì)算來(lái)確定。k時(shí)擾亂步長(zhǎng)△D(k)的計(jì)算方法為：改進(jìn)型最大功率跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)原理前級(jí)升壓電路另一方面進(jìn)一步提高低光電陣列的輸出電壓，另其次靈活運(yùn)用調(diào)整明顯改善的最大功率跟蹤算法即升壓電路的占空比，來(lái)全面達(dá)至光伏陣列的輸出電壓變化。改良版最大輸出跟蹤算法的成功實(shí)施設(shè)計(jì)圖2.10。圖2.10改進(jìn)型最大功率跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)原理圖優(yōu)化的最大功率跟蹤算法是一個(gè)簡(jiǎn)單明了的理論是在產(chǎn)生PWM波得到全新的占空比的最簡(jiǎn)單明了的方法。靈活運(yùn)用軟件和PWM控制電路驅(qū)動(dòng)的控制電路太陽(yáng)能電池陣列的最大功率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)跟蹤。離網(wǎng)型光伏逆變器結(jié)構(gòu)和工作原理直流電源轉(zhuǎn)換器是一種稱為逆變器的電路，通過(guò)SCRGTOMOSFET和IGBT等進(jìn)行操作。例如，蓄電池和太陽(yáng)能電池等化學(xué)能源單元屬于直流電源。如果你想把這些直流電源的交流負(fù)荷，你必須轉(zhuǎn)換成電能通過(guò)直流交流逆變器電路。為了說(shuō)明逆變電路的工作原理，以單相橋式逆變電路為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖所示，Q1-Q4是一個(gè)四個(gè)開關(guān)。D1-D4是反并聯(lián)二極管。當(dāng)電路負(fù)載是負(fù)載電阻，開關(guān)Q1和開關(guān)Q4連接，開關(guān)Q2和開關(guān)Q3的斷開，輸出端電壓為正。當(dāng)開關(guān)Q2和開關(guān)Q3連接時(shí)，其余兩個(gè)斷開，負(fù)載電壓為直流負(fù)極，輸出電壓為直流正極，他們交替輸出。如圖3.2。圖3.1單相橋式逆變電路原理圖3.2單相橋式逆變電路的工作波形逆變器的PWM控制方式這最廣泛用以電力電子技術(shù)?，F(xiàn)階段市售的逆變器電路絕超過(guò)一半是PWM逆變器電路。這是一種使PWM技術(shù)商業(yè)化的逆變器電路的運(yùn)用。SPWM控制原理理論上，SPWM取決于自動(dòng)控制理論中的面積等效原理。當(dāng)將兼具完全一致形狀表面積的窄脈沖應(yīng)用于慣性力鏈路時(shí)，輸出效應(yīng)幾乎完全一致。眾所周知相同的表面積基本概念，正弦波可以平均拆成N的等同部分。正弦波的正和負(fù)的半循環(huán)是均勻的，因此只判斷正數(shù)半周期波形，將正弦波的半波均分成N等分。用間距相同的矩形脈沖取代前述脈沖。矩形脈沖的表面積必需相當(dāng)于一一等效正弦波脈沖的表面積。兩個(gè)序列的結(jié)果基本一致。當(dāng)方形脈沖的軸線與正弦波脈沖的軸線匹配時(shí)，方形波的脈沖間距參照正弦波的軌跡而變化。如圖3.3示例，這樣根據(jù)正弦規(guī)律變化的脈沖波形稱為SPWM波。圖3.3脈沖波等效分割的正弦波SPWM調(diào)制方式通過(guò)將調(diào)制波和三角波當(dāng)作載波取期望的正弦波，通過(guò)PWM比較器使正弦波和三角波的相交生成PWM波，通過(guò)控制逆變器電路的開關(guān)的連上斷開，可以輸出SPWM波。當(dāng)調(diào)制訊號(hào)的正弦波的振幅變化時(shí)，輸出的SPWM波的脈沖間距也徹底變化當(dāng)調(diào)控正弦波的頻率徹底變化時(shí)，可以改變基帶的速率。故此，調(diào)制波的幅度和頻率能夠針對(duì)上述期盼的基本波來(lái)增設(shè)。若是調(diào)制信號(hào)的半循環(huán)PWM波輸出擁有正極或負(fù)極性，則該控制方法叫作單極控制。若調(diào)制訊號(hào)的半循環(huán)PWM波輸出為正負(fù)，則該控制方法稱為雙極控制。雙極性SPWM波調(diào)制方法SPWM波的正弦波調(diào)制信號(hào)的頻率為fs，可以表示為：載波與調(diào)制波的頻率比叫做為載波比，表示為下式：正弦波調(diào)制訊號(hào)和三角載波訊號(hào)的振幅比定義為調(diào)制深度，表示為：通過(guò)比較調(diào)制信號(hào)US和UC載波信號(hào)來(lái)生成PWM信號(hào)。以3-1圖為例，使用橋式逆變器。US＞UC時(shí)，電路開關(guān)Q1和Q4連通，逆變器輸出電壓相當(dāng)于電源電壓Vd。在US＜UC的情況下，電路開關(guān)Q2和Q3接通，輸出電壓等同-Vd。通過(guò)比較正弦波和三角波的循環(huán)，有規(guī)律的地控制逆變電路的開關(guān)，輸出電壓在±Vd之間更替變化。在調(diào)制方法下，各開關(guān)循環(huán)中輸出電壓的波形均有正負(fù)電平，所以叫雙極SPWM波控制方法。假設(shè)直流電源電壓為200V，正弦波調(diào)制訊號(hào)頻率為50Hz，振幅為1V，三角波載波信號(hào)速率為1kHz，振幅為1.2V，得到的雙極SPWM波形。如圖3.4。圖3.4雙極性SPWM波示意圖2.雙極性SPWM波進(jìn)位控制的數(shù)學(xué)原理表明，雙極SPWM波輸出壓力波具有良好的均勻性和奇異性。表示式如下：式中：可以從上述公式獲得基波電壓的瞬時(shí)值：想要獲得各諧波電壓，必需明確各開關(guān)的角度值。角度大小由調(diào)制波和三角波的相交點(diǎn)確定。角度大小和輸出電壓通過(guò)改變調(diào)制波發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，三角波的振幅是定值，通過(guò)變化調(diào)制比可以適當(dāng)變更輸出電壓的振幅?；妷嚎梢杂砷_關(guān)角度確定，但求解開關(guān)角度很繁瑣。在工程建設(shè)中，電壓建模分析方法一般用來(lái)求解輸出電壓的常規(guī)值。當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)超出基本頻率時(shí)，開關(guān)周期中的輸出電壓的均值可以看作輸出電壓的基本波的瞬時(shí)值，如圖3.5所示。圖3.5雙極性SPWM波中調(diào)制波和三角波的近似關(guān)系可以求得在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓的平均值為：如圖3.5所示，使用幾何關(guān)系計(jì)算占空比的公式：帶入可得：該等式表示開關(guān)周期中輸出電壓的均值與調(diào)制訊號(hào)直接成比例。故而，即便調(diào)制訊號(hào)作為正弦波訊號(hào)接連變化，則輸出電壓的平均值如下求出：因此可知基波輸出電壓為：因此，當(dāng)三角載波訊號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基波訊號(hào)頻率fs>>fc，調(diào)制比m1。基波電壓的最大幅值可以表示為：這個(gè)方程顯示了雙極SPWM控制模式下輸出電壓的基本波的重要性質(zhì)。在fs＞fc和m1的條件下，SPWM控制的輸出電壓與調(diào)節(jié)過(guò)程比呈比例關(guān)系。逆變器的基本電壓的大小可通過(guò)控制調(diào)頻波的大小變更。以求進(jìn)一步增強(qiáng)直流電壓使用效率，可以獲得調(diào)制比m>1。此類情況被稱作過(guò)度調(diào)整。由于調(diào)制率的提高，正弦波峰值或谷附近的開關(guān)周期的接通時(shí)長(zhǎng)提高，輸出基波的振幅提高。當(dāng)M看起來(lái)無(wú)窮大時(shí)，電路在工作中條件與方形波逆變器基本一致?？梢?，發(fā)現(xiàn)僅大大增加調(diào)制比難以無(wú)窮的地增強(qiáng)直流電壓的充分運(yùn)用，并且通過(guò)過(guò)調(diào)制將數(shù)個(gè)低階諧波引進(jìn)輸出電壓。故而，只在只追求電壓利用率而不要求輸出波形的可靠性的情況下運(yùn)用。單極性SPWM波調(diào)制方法在調(diào)整中，使正弦波調(diào)制波的正半周期中，功率開關(guān)管Q1接通，Q2閉合，其余開關(guān)交替通過(guò)三角波和正弦波的連通，在正弦波的負(fù)半周期Q1的狀態(tài)下關(guān)斷，Q2連通，其余交替關(guān)閉，如圖3.6示。圖3.6單極性SPWM波示意圖單極SPWM控制有三種運(yùn)作方式。Q1和Q3連通時(shí)為正輸出電壓，另外兩個(gè)連接時(shí)為負(fù)輸出電壓。Q1和Q3連接時(shí)輸出電壓為零。在電路的正和負(fù)的變化之間的零和不同的水平的逆變器輸出電壓被稱為SPWM。4.單極性SPWM波調(diào)壓原理其輸出電壓波形擁有對(duì)稱性和奇函數(shù)性質(zhì)。與雙極SPWM無(wú)異，取用平均模型實(shí)證了基本波方法。正弦波正半循環(huán)內(nèi)開關(guān)循環(huán)中的輸出電壓為：輸出電壓在一個(gè)開關(guān)周期的平均值可以表示為：式中，D(t）為瞬時(shí)占空比。當(dāng)頻率的變化大于頻率的變化范圍內(nèi)的波形的變化可以看作是一個(gè)常數(shù)。見圖3.7圖3.7單極性SPWM波中調(diào)制波和三角波的近似關(guān)系帶入可得:因Us(t)為按照正弦波變化的連續(xù)信號(hào)，所以上式可變?yōu)椋寒?dāng)fs>>fc時(shí)，輸出電壓在一個(gè)開關(guān)循環(huán)的均值可以近似看成輸出電壓基波分量的瞬間值，即：輸出電壓的基波幅值為：對(duì)于基波而言，雖然在單極SPWM和雙極SPWM控制模式下的輸出基波幅值完全相同，但是由于單極調(diào)制方法消除了開關(guān)頻率的積分倍諧波，所以可以看出單極SPWM控制方法優(yōu)于雙極SPWM調(diào)制方法。因?yàn)樽钚≈C波的幅值低于雙極調(diào)制，所以所需濾波器相對(duì)較小。倍頻SPWM波調(diào)制方式雙頻SPWM波形控制方法與雙極SPWM控制方法相似。在雙倍頻率控制中，逆變橋的一個(gè)橋接臂使用正弦波調(diào)制波與三角波載波對(duì)比產(chǎn)生脈沖波。另一橋臂將同樣正弦調(diào)制波和倒三角載波或半正弦波調(diào)制波與三角形載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈沖波。如圖所示3-8。圖3.8倍頻SPWM波示意圖在正弦波正反循環(huán)中，Q1和Q4的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)位于高電平時(shí)，輸出電壓為直流電源電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)訊號(hào)位于低電平時(shí)，輸出電壓為零。類似地，在正弦波負(fù)半循環(huán)內(nèi)，當(dāng)Q2和Q3的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)同時(shí)處于高電平時(shí)，輸出電壓為負(fù)直流電源電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)訊號(hào)處于低電平時(shí)，輸出電壓為零。在開關(guān)循環(huán)中，輸出電壓改變兩次。對(duì)開關(guān)管來(lái)說(shuō)，等效開關(guān)頻率是載波頻率的兩倍。該控制方法的諧波特性與載波頻率雙倍單極SPWM方法相同。在完全控制的變化可以大大提高電路效率和實(shí)用價(jià)值。儲(chǔ)能裝置離網(wǎng)光伏系統(tǒng)能量流動(dòng)模式離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要能源來(lái)自太陽(yáng)能發(fā)電。電池不僅是一個(gè)負(fù)載源，也可以從太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)獲得能量。這里面有很多能量流的形式，主要是由一系列的太陽(yáng)能和電池。如圖4.1所示，箭頭的方向是指能量流的方向。a）光伏列陣同時(shí)給負(fù)載和蓄電池供電b）僅蓄電池放電給負(fù)載供電c）光伏列陣和蓄電池共同給負(fù)載供電d）光伏列陣僅向蓄電池充電圖4.1光伏系統(tǒng)中的幾種能流模型(1)圖4.1（a）中示出了太陽(yáng)能一起向負(fù)載和電池送電的能量流方式。蓄電池能吸收多余的能量在滿足了蓄電池的充電條件下。當(dāng)光足夠多時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出能量超出負(fù)荷必需的能量。以防電池超過(guò)負(fù)荷，有必要一直監(jiān)測(cè)和控制總線電壓。(2)如圖4.1（b）所示，夜間或雨天的光照欠缺的情況，太陽(yáng)能電池?zé)o法輸出做夠的能量，這時(shí)運(yùn)用電池直接向負(fù)載供電。這種類型的電源必須檢測(cè)電池的電壓以防止過(guò)載。這兩種類型的能量流是從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量流的重要形式。(3)如圖4.1（c）所示，在一天的陽(yáng)光光不充足或負(fù)荷突然增加時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電陣列和電池一起提供設(shè)備充足能量。確保其正常工作。這種能量模式下，要人工測(cè)量總線電壓。當(dāng)總線電壓達(dá)到閾值時(shí)，要及時(shí)組織開啟有關(guān)電路釋放電池電量。(4)如圖4.1所示，當(dāng)電池的存儲(chǔ)能量少且并無(wú)負(fù)載可用的功率時(shí)，系統(tǒng)以電池的充電端電池的閾值與電池的充電端電池單獨(dú)的模式運(yùn)作。蓄電池充放電控制策略蓄電池充放電電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路以更好地實(shí)現(xiàn)光發(fā)電和電池之間的能量切換。圖4.2示出了轉(zhuǎn)換器的拓?fù)鋱D。圖4.2BOOST/BUCK雙向切換電路始終檢查電池和DC總線之間的電壓。當(dāng)母線電壓大于端子電壓時(shí)，電能輸入蓄電池。這時(shí)，逆變器為降壓電路?？刂芉1動(dòng)作停止，Q2工作。電池正在充電?？偩€電壓低于電池端子電壓，電能沿太陽(yáng)光發(fā)電方向移動(dòng)。Q1控制停止，Q2正常工作。逆變器為升壓電路，電池放電。如圖4.3所示，通過(guò)控制Q1的開關(guān)來(lái)控制蓄電池的充電過(guò)程。圖4.3BUCK降壓電路設(shè)Q1的占空比為a，Udc與Ud的關(guān)系如下：BOOST的電路如圖4.4所示，通過(guò)控制Q2的開關(guān)從而控制蓄電池的放電過(guò)程。圖4.4BOOST升壓電路設(shè)Q2的占空比為β，Udc與Ud的關(guān)系如下所示：蓄電池充放電控制策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電流的方向是由電池電壓的步進(jìn)總線確定電壓是以下4個(gè)閾值。母線Vdc1、Vdc2蓄電池的放電閾值Vb1和充電閾值Vb2，它們的關(guān)系如下：Vdc1<Vb1<Vb2<Vdc2在直流MOS總線和電池端電壓的基礎(chǔ)上，通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)MOS管，實(shí)現(xiàn)雙向直流控制。從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量流控制轉(zhuǎn)換器。首先，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的能量流管理模式。在蓄電池充電過(guò)程，固定電壓充電的第二階段充電方式上升到一定值后，變?yōu)橛霉潭妷撼潆?。蓄電池的充放電控制圖如圖4.5。圖4.5蓄電池充電控制圖如圖4.5所示，以圖推論總線電壓是不是充電，首先需要將DC總線電壓控制為定值，接著控制電池的恒定電流充電。蓄電池充電至12V時(shí)，將以固定電壓充電。當(dāng)逆變器以降壓模式工作時(shí)，進(jìn)行電池電壓外環(huán)控制和電感電流閉環(huán)控制。將搜集的電流與參照電流通過(guò)比較，并將偏差訊號(hào)回傳給控制器。在保持控制后，實(shí)現(xiàn)電流互感器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的控制，以防止過(guò)電流。同時(shí)，充電達(dá)到閾值時(shí)，電壓環(huán)控制小電流充電，以防過(guò)充。當(dāng)兩向轉(zhuǎn)換器以升壓模式運(yùn)行時(shí)，需要采集電感電流和總線電壓。母線電壓的極限值應(yīng)視為確定值和既定值。然后生成內(nèi)圈賦予的訊號(hào)。由內(nèi)部回路提供的值產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)控制開關(guān)通過(guò)旁路，以防止出現(xiàn)過(guò)載通過(guò)電壓和電流控制。基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究為了證明改進(jìn)算法的有效性，建立了太陽(yáng)能光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)。見圖5.1所示。圖5.1光伏陣列最大功率跟蹤控制系統(tǒng)的仿真模型其中，太陽(yáng)能電池陣列S-Function-1函數(shù)的數(shù)學(xué)模擬PV陣列MPPT最大功率跟蹤控制算法PWM模塊是PMW波的發(fā)生器。關(guān)于前級(jí)升壓電路的參數(shù)計(jì)算，適當(dāng)?shù)剡x擇余量度，在表5.1中表示模擬中的Boost電路的具體參數(shù)。表5.1仿真中Boost電路的元器件參數(shù)表名稱參數(shù)值前端濾波電容C11000uF儲(chǔ)能電感L2.5mH后端濾波電容C240uF負(fù)載R122歐開關(guān)頻率f10KHz在光照量為1000W/m2、溫度為25C0和別的設(shè)定數(shù)值等條件下，同時(shí)仿真固定占空比的擾動(dòng)觀察法和改良算法，仿真時(shí)長(zhǎng)均為0.5s。圖5.2和圖5.3是結(jié)果圖。圖5.2固定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法仿真波形圖圖5.3改進(jìn)型最大功率跟蹤控制算法仿真波形圖同時(shí)比較了兩種算法的占空比波形見圖5.4。a)固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法b)改進(jìn)版最大功率跟蹤算法圖5.4兩種算法的占空比比較圖從5.2和5.3的情況下，我們得到了一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)大約0.12S。而改進(jìn)的最大功率跟蹤控制算法小于0.075S。結(jié)果表明，改進(jìn)的算法響應(yīng)更快，更穩(wěn)定。從5.4圖像，我們發(fā)現(xiàn)在觀察的固定階段有明顯的波幅。另一方面，改進(jìn)的最大功率跟蹤算法的占空比幾乎保持不變，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。這里通過(guò)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度值仿真外界條件的變化。驗(yàn)證改進(jìn)算法對(duì)外部環(huán)境變化的響應(yīng)。也就是說(shuō)，起始照明強(qiáng)度為1000W/m2，0.5s時(shí)照明強(qiáng)度從1000W/m2降低到800W/m2，1s時(shí)照明強(qiáng)度從800W/m2降低到600W/m2。所得仿真結(jié)果參見圖5.5。圖5.5改進(jìn)型算法在光照強(qiáng)度變化條件下的仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的最大功率跟蹤算法設(shè)計(jì)可以使太陽(yáng)能陣列不斷地在新的最高點(diǎn)工作，并實(shí)現(xiàn)了快速、穩(wěn)定的自增強(qiáng)。在該軟件的仿真下建立了最大跟蹤系統(tǒng)的模型，并給出了改進(jìn)的最大跟蹤算法的可行性?？偨Y(jié)在完成此設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)了離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)和負(fù)荷分散地區(qū)的重要作用，在全球能源短缺的環(huán)境下，可再生能源的發(fā)展是最重要的工作之一。太陽(yáng)能是一個(gè)最有價(jià)值的可再生能源的商業(yè)利用和越來(lái)越多的關(guān)注。全世界然而，目前大多數(shù)的太陽(yáng)能系統(tǒng)都有一些缺點(diǎn)，如太陽(yáng)能利用率低，電池壽命短。因此，提高發(fā)電系統(tǒng)對(duì)的效率，降低建造發(fā)電系統(tǒng)的成本顯得尤為重要，所以本文就改良算法，提高效率，在Simulink編程環(huán)境中，給出了最佳性能跟蹤的原理和數(shù)學(xué)模型。改進(jìn)的最大功率跟蹤控制算法和相應(yīng)的電路參數(shù)的可行性和有效