基于MPPT的光伏电力应用系统的研究.docx
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基于MPPT的光伏电力应用系统的研究
基于MPPT的光伏电力应用系统的研究
摘要近年来由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重,清洁的可再生的太阳能源越来越受到人们的重视,同时太阳能的光电转换技术也不断发展至可大规模应用的水平。
在未来,太阳能电池的应用有着良好的发展前景。
从太阳能电池的光伏特性出发,来研究如何提高太阳能的转换效率无疑是很有现实意义的。
本课题研究获得的成果有:
以双MCU为核心的太阳能最大功率跟踪器,及其软件上的MPPT算法设计;设计了PWM的非对称结构D类升降压变换器,为输出恒定电压提供负载创造了条件。
关键词光伏电池;最大功率点跟踪;非对称结构D类变换器
TheReseachonPVPowerApliedSystemBasedonMPPT
schoolofphysicsandelectronicinformation,Huaibeinormaluniversity235000
AbstractNowadays,withtheincreasingburdenonenergyexhaustionandenvironmentpollution,asacleanlyandrenewableenergy,SolarEnergyhasbecameahotspotofthewholeworld.Atthesametime,thetechniqueofthePV（Photovoltaic）conversionhascomeintotheappliedlevelonalargescale.Inthefuture,theapplicationofthePVwillhasaexcitingstatus.ItissignificanttoresearchonimprovingtheconversionefficiencyofPVfromitsVolt-AmpereCharacteristics.Theresultsofthedesign:
APVMPPTcontrolunitbasedondoubleMCUanditssoftwareofMPPTalgorithm;AasymmetricalclassDbuck-boostconverterwiththecontrolmethodsofPWM（Pulse-Width-Modulation）,Forusageofstoragecellsassecondarypowersupply.
KeywordsPhotovoltaic;MPPT;AsymmetricalClassDConverter
目录
1绪论1
1.1本文研究背景和研究目的1
1.2研究现状及发展方向1
1.3课题意义和研究内容2
2相关技术概述4
2.1太阳能电池的输出特性和功率峰值跟踪4
2.2Buck-Boost型开关稳压电路6
2.3PWM软开关技术7
2.4现场总线技术9
2.5模糊控制概述13
3实现太阳阵峰值功率的MPPT算法及实现16
3.1光伏阵列特性曲线16
3.2太阳能最大功率点追踪控制算法17
3.3扰动观察法的改进算法和MPPT的实现20
4基于模糊逻辑控制的最大功率跟踪系统22
4.1应用模糊控制方法控制的可行性分析22
4.2应用模糊逻辑控制进行MPPT22
4.3利用MATLAB模糊逻辑工具箱进行MPPT仿真24
5总结26
参考文献28
致谢29
1绪论
1.1本文研究背景和研究目的
长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。
我们地球所接受到的太阳能，虽只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。
太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。
特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。
从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。
电能是目前使用最广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位，太阳能电池（SolarCell）就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件。
有人称之为光伏电池（Photovolatic，简称Pv）。
光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵，因此，如何在现有的光电元件转换技术的基础上，进一步提高太阳电池的转换效率，充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。
本课题从太阳能电池的光伏特性出发，对于如何提高太阳能电池的能量转换效率，进行了有益的探讨。
1.2研究现状及发展方向
光伏电池工作原理：
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应原理工作的太阳能电池则还处于萌芽阶段。
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴--电子对。
在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
太阳能电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同一光照强度下，由于负载的不同而输出不同的功率，将其直接与负载相连是很不明智的，一般来说都采用一个变换装置，使太阳能的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。
目前太阳能电池输出功率控制CVT（ConstantVoltageTreaking）技术。
硅太阳电池阵列具有如图1所示的伏安特性，
图l太阳电池阵列伏安特性曲线
图1中L是负载特性曲线，当温度保持某一固定值时，在不同的日照强度下它与负载特性L的交点a，b，c，d，e对应于不同的工作点。
人们发现阵列可能提供最大功率的那些点，如a’、b‘、c，、d‘、e‘点连起来几乎落在同一根垂直线的邻近两侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U=Um的一根垂直线，亦即只要保持阵列的出端电压为常数，就可以大致保证阵列输出在该一温度下的最大功率，于是最大功率点跟踪器简化为一个稳压器，这就是CVT的理论依据。
CVT控制方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得20%的电。
但是，这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。
以单晶硅太阳电池为例，当环境温度每升高1℃时，其开路电压下降率为0.35%一0.45%。
这表明太阳电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。
对于四季温差或日温差比较大的地区，CVT控制方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。
随着微电子技术和电力电子技术的发展和微电子器件的大幅度降价，CVT控制方式已经显得不很经济，最大功率点跟踪MPPT（MaximumPowerPointTacking）技术可以使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率，显示了它杰出的技术优势。
1.3课题意义和研究内容
MPPT可挽回由于温度变化而导致的系统的失配损失，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。
本课题所作的主要工作就是利用太阳能电池的伏安特性，通过调节太阳电池阵的工作点来自动跟踪太阳电池阵的最大功率点，以获得最大功率。
本文的研究内容有:
（l）利用步进式扰动观察算法，设计出太阳能电池的MPPT功率适配器;
（2）为输出恒定的电压，满足负载的要求，设计了非对称结构的D类升降压变换器，对输出电压进行控制;
（3）为提高太阳能电力的使用效率，系统采用蓄电池作为辅助电源，我们设计了能自动对一组蓄电池进行充放电的切换装置;
（4）以双MCU为核心对DC/DC、MPPT、蓄电池充放电进行控制的一套软硬件控制系统;
（5）在大规模利用太阳能电力的场合，控制系统之间的相互通讯和利用上对其进行集中管理是不可或缺的，这里我们设计了一套以CAN现场总线为基础的电力系统监控通信网络，可以保证对太阳能电力的最大功率控制和对现场各个设备进行监控;
（6）为进一步提高MPPT的性能，对采用模糊控制算法进行最大功率跟踪的设计思路和设计步骤进行了探讨:
研究成果为一台峰值功率跟踪控制样机。
太阳能最大输入功率为500W左右，输入电压Vin=20-36V，负载要求恒定电压28V，蓄电池共分9组，每组消耗最大功率约为50W。
2相关技术概述
2.1太阳能电池的输出特性和功率峰值跟踪
2.1.1光伏阵列的I-V方程
光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的I-V特性强烈地随日照强度S和温度T变化，其等效电路如图2所示:
图2光伏阵列的等效电路
由于器件响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容Cj在光伏阵列的理论分析中加以忽略。
对图中电压，电流方向，得出光伏阵列的输出电流一电压（l-V）方程为:
I=It-I0*{exp[q*（V-I*Rs）/AKT]-1}-（V+IRs）/R
公式中I，v-输出电流，电压;A,V
I:
-光电流，受温度和光照影响;A
I0-反向饱和电流;A
q-电子电荷:
1.6*IOe-19e
K-玻尔兹曼常数;1.38*IOe-23
T-绝对温度;K
A-二极管特殊因子;
R:
-串连电阻;
Rsh-并联电阻;
2.1.2太阳能电池的输出特性
太阳电池的输出伏安特性具有强烈的非线性，而且和日照强度，环境温度，阴雨，雾等许多气象因素有关。
当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。
在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的应用带来了困难。
图3为某典型日太阳辐射强度、方阵工作电压和工作电流的瞬时变化。
图4为组件温度随太阳辐射强度的瞬时变化情况:
图3太阳辐射-强度方阵工作电压和工作电流的瞬时变化图4组件温度随太阳辐射强度的瞬时
图3中说明：
“
”代表辐射光强，单位为W/m2；
“
”代表方阵电流，单位为（×10-2A）；
“
”代表方阵电压，单位为Ｖ。
图４中说明：
“
”代表辐射光强，单位为（×１０Ｗ/ｍ２）；
“
”代表组件温度，单位为（×１０℃）；
“
” 代表环境温度，单位为（×１０℃）。
从图3可进一步看出，在方阵工作电压基本恒定的情况下，方阵工作电流开始随太阳辐射强度的增加而线性增加，当达到某一值时随太阳辐射强度的增加反而下降。
当太阳辐射强度减小时，方阵工作电流开始略有增加随后线性下降。
在太阳辐射较强的时段方阵工作电流出现反常现象。
这是因为随组件温度的升高方阵伏安特性变差，控制方式不能适应这种瞬态变化使系统偏离最大功率点，导致功率损失。
由图4可看出环境温度基本恒定，组件温度随太阳辐射强度的变化近似线性变化，当环境温度300℃，太阳辐射强度为750W/mZ时，组件温度达600℃，太阳辐射强度和组件温度的变化导致系统工作点的漂移。
2.1.3功率峰值跟踪
如上图所示太阳电池具有明显的非线性，太阳电池的输出受日照强度，电池结温等因素的影响。
当结温增加时，太阳电池的开路电压下降，短路电流稍有增加，最大输出功率减小;当日照强度增加时，太阳电池的开路电压变化不大，短路电流增加，最大输出功率增加。
在一定的温度和日照强度下，太阳电池具有唯一的最大功率点，当太阳电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。
因此，必须在太阳电池和负载之间加入阻抗变换器，使得变换后的工作点正好和太阳电池的最大功率点重合，使太阳电池以最大功率输出，这就是所谓的太阳电池的最大功率跟踪。
2.2Buck-Boost型开关稳压电路
电力电子电路的基本作用是进行电能的变换与控制，即将一定形式的输入电能变换成另外一种形式的电能输出，从而满足不同负载的要求。
电能的形式可以分为交流和直流两种类型，因此根据输入、输出的不同形式，可将电力电子电路分为四大类型，即AC一DC变换器、DC-AC变换器、DC-DC变换器、AC-AC变换器，本节主要介绍的为DC-DC变换器，有时也称为直流斩波器。
开关稳压电路主要由主回路和控制电路两部分组成，而主回路是开关稳压电路的核心部分。
如果按照输入、输出电压的大小分，DC/DC变换器可以分为:
（1）降压型变换器--输出电压低于输入电压，即U。
（2）升压型变换器--输出电压高于输入电压，即U。
>Ui，也称为Boost型变换器。
（3）升-降压型变换器--输出电压即可低于输入电压，也可高于输入电压，通常由前两种类型的变换器串联组成，也称为Buck-Boost型变换器。
下面对本文要用到的Buck-Boost型典型变换主回路作简要分析，设电路中的电感、电容、开关及二极管均为理想器件，开关及二极管导通时压降为零，截止时电流为零，且导通与截止状态的转换时间为零输出电压的纹波远小于直流输出电压U。
，可忽略不计。
其主回路如图5所示:
图5BuckBoost变换器主回路结构图
工作原理:
在驱动脉冲Ton期间，开关管T受控导通，输入电源电压Ui，全部加在电感两端，此时二极管D反偏截止，电感L将电能转变为磁能储存起来。
在此期间，靠滤波电容CO维持输出电压基本不变。
在驱动脉冲Toff期间，T截止，L中电流不能突变，L上产生上负下正的感应电动势，D正偏导通，L通过D向负载RL供电，并同时向Co充电。
L把前一阶段储存的能量释放给负载并补充Co在Ton。
期间的能量损失,V0=D*Vt/（1-D）
2.3PWM软开关技术
开关稳压电路就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。
所以功率变换是其核心部分，主要由开关电路和控制器组成。
控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制（PWM）方式。
2.3.1硬开关的危害
为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体管，传统P枷变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作存在如下四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高:
（1）开通和关断损耗大:
在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行;关断时，电压上升和电流下降同时进行。
电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠，致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加，因而开关损耗大。
图6开关管开关时的电压和电流波形
（2）感性关断问题:
电路中难免存在感性元件（引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感）、当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di/dt和dy/dt很大，从而产生大的电磁干扰（EleetromagnetieInterefrenee，EMI），而且产生的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。
（3）容性开通问题:
当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。
（4）二极管反向恢复问题:
二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管损耗急剧增加，重则致其损坏。
如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。
2.3.2软开关技术的提出
如上分析，软开关技术可以解决硬开关PWM变换器的开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题、二极管反向恢复问题，同时也能解决由硬开关引起的EMI问题。
为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓软开关技术（Softswichting，简称SS），。
它是从电路的拓扑结构和控制方式入手，发展起来的一种使功率开关器件工作于零电压（ZVS）或零电流（ZCS）开关状态的电能变换技术，使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。
使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。
2.3.3软开关技术的实现
最早的软开关技术是采用有损缓冲电路来实现。
从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。
这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至会使效率有所降低。
目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。
在变流器中采用软开关技术，即设法使开关器件在零电流或零电压的状态下实现换流。
软开关需要两方面的条件:
一方面是重复地使器件上的电压为零，或强迫流过器件的电流为零，并随即保持一个足够长的时间以完成换流;另一方面，器件必须在零电压或零电流期间，尽快完成换流过程。
最理想的软开通过程:
电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。
另外，因器件开通前电压己下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开问题，这意味着二极管己经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题亦不复存在。
最理想的软关断过程:
电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。
由于器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决，由此可知软开关技术的提出使高效率、高频开关变换器的实现有了可能。
2.4现场总线技术
现场总线以数字信号取代模拟信号，在C3技术即计算机（Computer）、控制（Control）、通信（Communieation）的基础上，大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备，一大批数字化、智能化的高新技术产品应运而生，自动化仪表与控制系统以崭新的面貌呈现在广大用户面前。
一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。
”它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。
2.4.1现场总线控制系统（FcS）的结构与特点
随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。
在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。
从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。
对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。
由于结构上的改变，它具有比DCS更好的性价比。
现场总线系统具有开放性的通信协议系统，系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。
它还具有设计简单，易于重构，较强的抗干扰能力等特点。
2.4.2当前流行的几类现场总线
当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。
在楼宇自控领域，局部操作网络Lonworks（LocalOperatingNetwork）和控制局域网络CAN（ControllerAreaNetwork）具有一定的优势;在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的基金会现场总线FF（FoundationFieldbus）协议以及同样较有竞争力的过程现场总线PROFIBUS（ProcessFieldBus）协议。
FF是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持;在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。
但是，发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。
2.4.2.1基金会现场总线FF
基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。
它分为Hl和高速HZ两种通信速率。
H1的传输速率为31.25KbPs，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。
H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。
物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。
基金会现场总线以150/051开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。
用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。
FF总线包括FF通信协议、150模型中的2-7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
2.4.2.2CAN总线
控制局域网（CAN-CONTROLLERAR五ANETWORK）总线最早是由德国Boshc公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。
其总线规范己被150国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。
它也是基于051模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。
其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。
各节点可随时发送消息。
传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。
CAN总线采用短消息报文，
每一帧有效字节数为8个，当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。
2.4.2.3Lonworks总线
LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。
它采用了051参考模型全部的七层协议结构。
LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。
Neuron芯片实现完整的Lonworks的LonTalk通信协议。
其上集成有三个8位CPU。
-个CPU完成051模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。
一个CPU是应用处理器，运行操作系统与用户代码。
还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。
由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。
Lonworks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其IS一78本安物理通道使得它可以应用于危险区域。
LnoW6rkS应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。
2.4.2.4PROFIBUS总线
POFIBUS是符合德国国家标准D则19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括PROFIBUS一DP、PROFIBUS一FMS、PROFIBUS一AP三部分。
它也只采用了051模型的物理层、数据链路层、应用层。
PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。
主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。
取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。
PROFIBUS-DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。
FMS型适用于纺织、楼宇自动化可编程控制器、低压开关等。
而PA型则是用于过程自动化的总线类型。
2.4.3选用CAN总线的理由
在独立的光伏发电系统构成小型发电站，需要对各个子系统的控制器进行集中控制时，控制数据需要用现场总线进行集中处理，或利用现场总线对子系统状态进行监控。
这些都需要有一个强健的，分布式的，实时的现场总线支持。
CAN网具有很多适合于分布式实时控制系统应用的特点:
（1）真正的多主从工
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