毕业论文-光伏发电最大功率点跟踪系统

第一章绪论

第一章绪论

1．1课题背景

能源是人类赖以生存的物质基础，影响着人类社会发展的进程与未来。在农业社会，人类主要依靠太阳能、生物质能、水能、风能等可再生能源。自工业革命以来，煤的开发利用逐步取代了木柴，经历了约半个世纪，煤成为全球的主要一次能源。到了20世纪，人类开始大规模开发利用石油和天然气，20世纪成为化石能源世纪。今天，煤、石油与天然气己占世界能源消耗总量的80％以上n1。化石能源不可再生，并终将耗竭。全世界的人们已经认识到，人类必须逐步减少化石能源的份额，增大可再生与新型能源的比重，向建立可持续发展的能源体系过渡。

大量使用化石能源给人类的生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约一亿吨“温室效应气体"，造成了严重的大气污染。人类文明的高度发展与生存环境的快速恶化已经形成了一对非常突出的矛盾。因此，在有限的资源和环保严格要求的双重制约下，人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，走大规模开发和利用可再生洁净能源的道路。

我国是世界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家，也是世界上最大的煤炭消费国，对环境造成的污染不容乐观。2000年，全国有57％的城市环境污染颗粒物超过国家限制值，有48个城市的二氧化硫浓度超过国家标准；82％的城市出现过酸雨，面积已达国土面积的30％D3。2007年，全国二氧化硫废气排放量2468．1万吨，烟尘排放量986．6万吨，工业粉尘排放量698．7万吨，因使用煤炭等化石能源造成的环境污染形势相当严峻。我国经济正处在一个快速发展的时期，对能源的需求量在未来几十年依然巨大。在今后15年和更长的一段时间里，能源的发展状况对我国全面实现小康社会的宏伟目标将起到决定性的作用。目前我国的能源工业面临着经济发展和环境保护的双重压力，开发利用可再生能源，改变能源结构已成为我国能源工业发展的迫切需要。

1．1．1太阳能发电的优点

太阳能是一种理想的可再生能源，在对太阳能的利用中，太阳能光伏发电最具发展潜力，它的开发利用是解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。随着技术的发展以及光伏电池成本的下降，太阳能光伏发电必将在二十一世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构中担当重任，成为人类社会的重要能源之一。

太阳能光伏发电技术是将太阳能转化为电能的技术，具有许多其他发电方式无法比拟的优点1．资源丰富：地球表面接受的太阳能辐射能是人类能源需求的1万倍。地表每平方米平均每年受到的辐射可生产1700kWh电能。国际能源署数据显示，在全球4％的沙漠上安装太阳能光伏系统，就足以满足全球的能源需求。

2．不受地域限制：地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区等更具有利用价值。我国约有2／3的地区可以较好地利用太阳能资源。

3．洁净能源：太阳能在开发利用时，不会额外消耗燃料，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，不会造成环境污染和公害，更不会影响生态平衡。

4．维护方便：太阳能发电系统是模块化安装，静态运行，寿命长，无需或极少需要维护分布式电力系统将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义。

5．光伏建筑集成(BIPV--Building Integrated Photovoltaics)：光伏发电和建筑结合，可以节省发电使用的土地，减少电能传输与分布的成本和损失，又可以使房子具有节能环保功能，是目前大规模使用光伏技术发电的研究开发热点。

随着《可再生能源法》的颁布，各种减免税政策和补贴政策为光伏市场的发展提供了良好的基础。光伏发电的应用领域逐渐由边远地区的补充能源向全社会的替代能源过渡。

1．1．2国内外光伏发电的现状及发展趋势

近年来，国际上对太阳能资源的开发利用十分重视，促使太阳能开发利用的技术发展很快。自20世纪50年代太阳能光伏集成建筑的兴起，世界范围内的太阳能利用技术已经走过了半个多世纪的历史，特别是上世纪70年代爆发的世界性的石油危机有力的促进了太阳能的开发利用。当前国际上对光伏发电的研究主要有两个方向，～个是光伏电池的研究，主要是研究不同材料电池板的发电效率，力求找到一种价格低、转换效率高的太阳能电池板材料。另一个研究热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏发电控制器和光伏建筑集成应用系统等方面。在世界各国，如美、日、德等发达国家先后发起了大规模的国家光伏发电计划和太阳能屋顶计划，在它们的刺激和推动下，光伏产业近几年保持着年均30％以上的高速增长，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同的高性能逆变器，并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。进入21世纪后，世界光伏发电系统更是得到了前所未有的发展，截至2007年底，世界光伏系统累计装机容量约12GWp，其中并网光伏发电约10GWp，占总市场份额的83％n1，是全球发展最快的新能源。

我国于1958年开始研究太阳能电池，并于1971年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上哺1。80年代以后，国家开始对光伏发电和光伏市场的发展给以支持，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家的差距越来越小，光伏电池转换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达20％，批量生产效率为14％，多晶硅实验室效率为12％，在2000年以后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，其效率与发达国家相比，差距在不断缩小。在国家实施西部大开发发展战略和国内绿色环保工业升温的背景下，2002年国家计委启动了西部地区送电到乡的项目，耗资近20亿人民币，有力地推进了我国光伏产业的发展。国家科技部已把“光伏屋顶并网

发电系统"列入了“国家十五科技攻关计划"，并在北京建成了20kWp、50kWp 等容量等级的光伏屋顶并网系统，成功地实现了并网发电阻1。在大型光伏电站方面，中科院电工研究所于2004年在深圳世博园成功地实施了1 MWp容量的大型光伏并网电站。截至2007年底，我国光伏系统累计安装容量100MWp，但并网发电所占的比例还比较底，还需要从科学发展观的高度提高对并网光伏发电的战略意义及重要性的认识，加快并网光伏发电的发展步伐H3。随着光伏市场的不断发展，与光伏产业相关的政策也相继出台。我国《1996．2010年新能源和可再生能源发展纲要》中明确指出，要按社会主义市场经济的要求，加快新能源

和可再生能源的发展和产业化建设，要求采取措施调整能源结构，提高清洁能源在能源消费中所占的比重，要通过技术进步来推动可再生能源事业的发展，改造传统能源利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放。

综上可知，我国的光伏发电产业必将得到快速的发展。据专家预测，我国2010年光伏发电的累计装机容量将达到250MWp，到2020年，光伏发电的累计装机容量将达到1600MWp“1。面对如此巨大的国内市场需求和广阔的发展前景，要实现太阳能光伏发电的快速发展和光伏并网系统的产业化，必须发展具有自主知识产权的光伏发电技术，增加技术积累和鼓励技术创新。

1．2并网光伏发电系统简介

光伏发电系统通常可分为独立光伏发电系统(Stand-aMne PV System)和并网光伏发电系(Grid—connected PV System)”1。独立光伏发电系统是指不与公共电网连接的光伏发电系统，其典型特征是需要蓄电池来存储夜晚用电的能量。并网光伏发电系统是指将太阳能光伏电池产生的直流电经并网逆变器转换成符合电网要求的交流电后直接接入公共电网的系统。

在欧美一些发达国家，并网光伏发电系统最受家庭和商业用户欢迎，这种系统与地方电网连接．在满足自己用电需求的同时，还可以把发出的富余电量出售给电力公司。并网光伏发电系统由光伏阵列、连接器、并网逆变器、控制器和集成的继电保护装置等组成，如图1-1所示。

图1-1 并网光伏发电系统

光伏阵列是并网光伏发电系统的主要部件，它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阵列多为由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照并网逆变器输入电压的要求串、并联组成。并网逆变器将光伏电池所发出的直流电逆变成正弦电流并入电网中。控制器是并网光伏发电系统的核心部件，一般由单片机或微处理器作为核心器件构成，控制器控制光伏电池最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。继电保护系统可以保证光伏发电系统和电力网的安全性。并网光伏发电系统从结构上可以分为工频和高频两种哺儿91。工频并网逆变器由于带有工频变压器而使体积大且笨重。它是先通过DC／AC变换，将太阳电池直流电能转化为交流电能，然后通过工频变压器和电网相连，完成电压匹配以及

和电网的隔离，实现并网发电。工频并网逆变系统结构如图1-2所示。

高频并网逆变器首先通过高频变换器将太阳电池的直流电升压或者降压转化为满足并网要求的直流电压，然后通过桥式逆变后直接和电网相连。高频并网逆变器有隔离和不隔离两种方式，高频并网逆变器结构如图1-3所示。高频并网逆变系统因其在实现装置小型化方面所起的重要作用而逐渐成为新型太阳能发电系统的发展趋势。

1．3课题来源及本文所做的主要工作

本课题来源于国家自然基金重点项目“分散式风力一太阳能发电系统的混和控制研究(60534040)"，本文研究的内容为该项目的一部分.在前人研究的基础上，本文主要研究了如何提高光伏电池利用效率的问题。高频化在实现装置小型化方面起到了重要作用，Cuk电路在高频化应用中具有其独特的优点，而软开关技术是解决装置高频化带来的开关损耗和减少电磁干扰等问题的有效途径。因而本文采用了带软开关的隔离式Cuk电路作为光伏发电系统中前级的DC／DC电路，并在理论分析的基础上，研制分析光伏阵列最大功率点跟踪系统。

1．4本章小结

本章首先简单的引出光伏利用过程中所存在的现象和问题。太阳能的光伏利用日益被人们重视，但是在光伏控制的技术方面还有待于进一步的改进和提高，具有高性能价格比的MPPT的控制器将会比CVT控制器带来更大的效益。接下来介绍了国内外光伏发电状况，如能充分发展我国的光伏产业，对节约常规能源、减少环境污染，将具有重大的经济意义和社会意义。紧接着具体阐述了目前国内外太阳能最大功率点跟踪控制方法的原理，并对其控制特点进行了深入的分析，最后说明了本课题的研究内容以及研究意义。

第二章光伏电池的特性研究

光伏电池的特性研究为光伏电池的最大功率点的研究奠定了理论基础，本章主要对光伏电池的工作原理和工作特性进行详细的介绍。

2．1光伏电池工作原理

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池[20]1211。光伏电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。通常，用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，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硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示：如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个PN结。光伏电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当光伏电池受NIgH光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。制造光伏电池的半导体材料已知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池要算硅太阳电池。

2．2光伏电池工作特性

光伏电池特性一般包括光伏电池的输入输出特性、照度特性、以及温度特性。

2．2．1光伏电池的输入输出特性

图2-1为太阳能光伏电池的输入输出特性，也称为太阳能光伏电池的电压，电

流特性。图中的实线为太阳能光伏电池被光照射时的电压一电流特性，虚线为太阳

能光伏电池未被光照射时的电压一电流特性。

无光照射时的暗电流相当于PN接合的扩散电流，其电压电流特性可用下式表示：

这里，

I。：逆饱和电流的作用，由PN结两端的少数载流子和扩散常量决定的常数；

V: 光照射时的太阳能光伏电池的端子电压；

n：二极管因子；

k:波尔兹曼常数；

T：温度℃

PN结被光照射时，所产生的载流子的运动方向与(2-1)式中的电流方向相反，用表示。光照射时的太阳能光伏电池端子电压V与光电流密度I ph的关系如下：

这，比与被照射的光的强度有关，相当于太阳能光伏电池端子短路时的电流，

称为短路光电流密度(Short Circuit CurrentDensity)。

由(2—2)式可知，当太阳能光伏电池开路状态时，将会产生与光电流的大小

对应的电压。即开路电压，用表示。太阳能光伏电池端子开路时，

可用下式表示：

当太阳能光伏电池接上最佳负载电阻时，其最佳负荷点P为电压电流特性上的

最大电压与最大电流的交点，图中斜线部分的面积相当于太阳能

光伏电池

输出的功率，其式如下：

由于最佳负荷点P处的输出功率为最大值，因此，由下式即可得到太阳能光伏

电池的最佳动作电压以及最佳动作电流：

最佳动作电压为：

最佳动作电流为：，

当光照射在太阳能光伏电池上时，太阳能光伏电池的电压与电流的关系可以简单的用图2-2所示的特性来表示。如果用I表示电流，用V表示电压，也可称为I-V曲线。

图中：

：开路电压；

：短路电流：

：最佳动作电压；

：最佳动作电流。

如前所述，图中的最佳动作点对应太阳能光伏电池的最大出力，其最大值由最佳动作电压与最佳动作电流的乘积得到。实际上，太阳能光伏电池的动作受负载条件、日照条件的影响，动作点会偏离最佳动作点。

(1)开路电压

图2-2中横坐标上所示的电压％称为开路电压，即太阳能光伏电池的正极(+)、负极(-)之间未被连接的状态，即开路时的电压。单位用V(伏特)表示。太阳能光伏电池单元的开路电压一般为0．5~0．8V左右。用串联的方式可以获得较高的电压。

(2)短路电流k

太阳能光伏电池的正极(+)、负极(-)之间用导线连接，正负极之间的短路状态时的电流。用表示，单位为A(安培)。电路电流值随光的强度变化而变化。

另外，太阳能光伏电池单位面积的电流称为短路电流密度，其单位是

或者

(3)曲线因子FF

曲线因子(Curve Fill Factor)为图中的斜线部分的长方形面积() 与虚线部分的长方形面积()之比；