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与光伏电池方阵配套的蓄电池通常在浮克状态下工作，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。
它的屯能量比用电负载所需的电能量太得多。
电池提供的能量还受环境温度的影响。
为了与光伏电池匹配，要求蓄电池工作寿命长而且要维护简单。
控制器对系统各种信号采样分析，对系统各部的工作状态进行判断，并及时准确地发出指令进行系统调整，以保证整个系统的安全高效运行。
在系统基本结构中，控制器的主要功能是对蓄电池的充放电控制。
光伏发电系统是指能将太阳光的能量转化为高品位能源的电能装置，根据光伏发电系统是否并网可将其分为独立运行光伏发电系统、并网光伏发电系统以及混合型光伏发电系统三类。
本文设计的是独立光伏发电系统。
图1.3独立光伏系统的结构图
1.3主要研究内容与设计要求
本文对构成小型独立光伏发电系统的光伏电池、蓄电池和变换电路三大部件的特性进行较全面的理论分析，重点在结合对某小区照明用独立光伏发电系统的设计来完成对各个部件参数计算与器件选用方法的研究，以及基于光伏电池最大功率点跟踪方法的蓄电池充电控制的实现。
主要任务有：
（1）光伏电池部分：
光伏电池的工作原理和输出特性的分析，结合其输出特性对最大功率点跟踪方法的分析；
系统设计中光伏电池的选型计算与仿真分析。
（2）蓄电池部分：
应用于光伏系统的蓄电池的特点和充放电特性的分析；
蓄电池寿命、容量、放电率、放电深度等参数的关联分析；
系统设计中蓄电池的选型计算。
（3）主电路部分：
常用DC-DC变换电路功能与特点的分析；
系统设计中对选用电路各个器件的参数计算：
结合变换电路完成对系统最大功率点跟踪实现方法的设计并进行仿真验证。
（4）控制电路部分：
蓄电池充放电控制与保护电路的分析与设计；
主控制器的选择与分析；
其它相关外围电路的分析与设计。
2独立光伏发电系统构成及原理
独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。
主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。
2.1独立光伏发电系统的分类
分为直流光伏发电系统、交流光伏发电系统。
2.1.1直流光伏发电系统
1、无蓄电池的直流光伏发电系统
无蓄电池的直流光伏发电系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白天使用。
太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停止工作。
系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置[4]。
无蓄电池的直流光伏发电系统的优点是省去了能量通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能利用效率。
这种系统最典型的应用是太阳能光伏水泵。
2、有蓄电池的直流光伏发电系统
有蓄电池的直流光伏发电系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载等组成。
有阳光进，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。
夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。
这种系统应用广泛，小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。
当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池方阵和蓄电池组了。
2.1.2交流光伏发电系统
1.交流及交、直流混合光伏发电系统
交流及交、直流混合光伏发电系统与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。
交、直流混合光伏发电系统即能为直流负载供电，也能为交流负载供电。
2.市电互补型光伏发电系统
市电互补型光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅。
这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量进行补充。
我国大部分地区多年都有2/3以上的晴好天气，这样形式即减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在现阶段推广和普及过程中的一个过度性的好办法。
市电互补光伏发电系统的应用举例。
某市区路灯改造，如果将普通路灯全部换成太阳能路灯，一次性投资很大，无法实现。
而如果将普通路灯加以改造，保持原市电供电线路和灯杆不动，更换节能型光源灯具，采用市电互补光伏发电形式，用小容量的太阳能电池和蓄电池（仅够当天使用，也不考虑连续阴雨天数），就构成了市电互补型太阳能光伏路灯，投资减少一半以上，节能效果显著[5]。
根据各系统的特点，本小区的照明系统设计为有蓄电池的直流光伏发电系统。
由光伏电池、蓄电池、控制器和照明负载组成。
2.2光伏电池
2.2.1光伏电池的原理
光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。
通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。
界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大
2．2．2光伏电池的分类
当前光伏电池的材料主要是晶体硅材料，根据硅原子的结构方式可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。
单晶硅是目前普遍使用的材料，它以其稳定的质量和较高的转换效率而在国际市场上得到了广泛的应用，高效单晶硅电池的生产建立在高质量单晶硅材料和成熟的加工工艺基础上。
目前，单晶硅电池工艺已近成熟．提高其光电转换效率主要靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺[6]。
在光照充足的最佳角度。
单晶硅电池的光电总转换效率可以达到20％-24％．有可能提高到25％。
但由于单晶硅对原料的纯度要求非常高，而且制作工艺复杂，致使生产成本居高不下，制约了单晶硅电池在光伏发电系统中的大规模推广应用。
多晶硅电池的转换效率为18％一19％，明显不如单晶硅，但它对原材料的纯度要求较低，其材料来源多为半导体工业的边角废料，来源渠道较多，因此生产成本较低，适合大规模商业化生产。
目前多晶硅电池的产量已超越单晶硅，占据市场的主导地位，但随着光伏产业的进一步发展，多晶硅的需求量会越来越大。
传统的氯化提纯工艺技术成熟，但成本过高，且降低成本的潜力不大：
而物理提纯法虽然成本低，单对技术设备的要求较高。
因此研究开发高纯硅材料的提纯技术将成为其能否得到进一步发展的关键[7]。
非晶硅电池是薄膜光伏电池的一种，一般采用高频辉光放电技术使分解硅烷气体，沉积在玻璃、陶瓷、不锈钢等非半导体衬底上而形成。
由于它所用的高纯硅材料用量很少，而作为衬底的非半导体材料价格低廉，因此它的生产价格较上面两种都很低。
而且它的加工工艺比较简单，生产可全流程自动化，有利于商业化大规模生产。
制约其发展的关键问题是光电转换效率较低，商业化生产的转换效率目前仅能达到8％一10％。
就目前的总体情况来说，和常规能源相比，硅材料光伏电池的成本仍然比较昂贵，成了光伏产业发展的一大瓶颈。
因此，开发低成本、高效率的电池材料是目前光伏产业领域里的一个关键问题也是热点问题。
2.3光伏系统蓄电池的特点与种类
蓄电池是独立光伏发电系统中必须的储能部件。
在光伏系统的常年运行，季节、天气状况以及每天时间的变化都会对光伏电池的输出功率产生很大影响，在夏季或晴天发电量充裕，而在冬季或阴雨天发电量不足。
为了保证光伏发电的使用效率，在发电量充裕时电能不会白白损耗，而在发电量不足时能保证对负载的持续供电，独立光伏系统中就必须有储能部件一蓄电池。
在设计选择光伏系统蓄电池时需要考虑的指标因素很多，如容量、电压、放电深度、循环寿命、充放电性能、自放电率、运行温度及维护要求等等。
目前在光伏系统中被采用的蓄电池大致可分为两大类；
碱性蓄电池和铅酸蓄电池。
碱性蓄电池（如镉镍、镍氢、镍钙等）在充放性能、循环寿命、放电深度以及低温特性等方面比铬酸蓄电池要好，但由于其价格昂贵，除在高寒环境等特殊场合外，其目前的应用远不如铅酸蓄电池广泛。
铅酸蓄电池由正、负极板（活性物质）和电解液组成，电化学方程式如式2-
（1）所示。
单体铅酸蓄电池额定电压一般为2V。
蓄电池充电时，外接直流电源的电压高于蓄电池电动势，电流从正极板流入蓄电池，经过电解液后从负极板流出；
随着电解液中的硫酸分子渐增而水分子渐减，电解液的比重逐渐增加，蓄电池的端电压也逐渐增加。
充满电后电池的开路电压～般约为2．1—2．4V，根据电解液密度和温度情况而略有不同。
蓄电池放电时，电解液中的硫酸逐渐变为水，电解液的比重逐渐下降，电动势降低，直至放电停止。
根据蓄电池的放电深度不同，放电的终止电压一般约为1．75-1．9V。
2-
（1）
铅酸蓄电池在充电过程的后期，一部分水会被电解而生成氢气和氧气，因此普通的开口式铅酸蓄电池在长期使用中存在着电解液的水消耗问题。
随着对光伏系统铅酸蓄电池的进一步研究，阀控式免维护铅酸蓄电池（ValveRegulatedLead-AcidBattery，VRLA）以其独特的优势正渐渐取代普通铅酸蓄电池而成为新一代光伏系统蓄电池,VRLA的特点主要有：
（1）无需添加水，调整酸密度等维护工作；
（2）容量较大而价格较低；
（3）电池寿命长，25℃浮充状态使用寿命最高可达20年；
（4）自放电率低，25℃月自放电率小于2％；
（5）密封性能好，无泄漏，无酸雾，抗震动，安全环保；
（6）运行温度范围宽，可在-40℃至+50℃运行；
（7）结构紧凑，方便运输与安装。
2.4DC-DC变换电路原理分析
DC-DC变换电路的基本工作原理是通过对功率开关器件导通／关断时间的控制，配合电感、电容或高频变压器等器件，将一种持续的直流电压变换成另一种固定或可调的直流电压。
根据变换电路中间是否加入变压器，其可分为非隔离型（斩波电路）和隔离型两种，光伏发电系统中通常采用前者，基本形式有降压式（Buck）、升压式（Boost）和升降压式（Buck-Boost）等结构，常用的功率开关器件包括大功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电力场效应管（MOSFET）等
由于受到环境温度、日照强度和负载状态等各种因素的影响，光伏电池的输出电压和功率都很不稳定，其最大功率点也随时变化。
系统中在光伏电池与蓄电池或负载之间加入DC-DC变换电路，其基本功能是根据负载的要求，对输入电压进行调节，将输出电压保持在一定范围内，同时实现对电池的最大功率点跟踪。
变换电路的控制器件通常选用单片机或DSP，利用PWM来控制开关器件的占空比，根据系统所采用的MPPT方法，反馈信号可以为变换电路的输入电压、输出电流或输入功率、输出功率等。
2.4.1DC-DC变换电路基本工作原理
最基本的DC-DC变换电路由控制开关和负载串联组成，如图2．1（a）所示。
如果忽略控制开关S内阻，当S闭合时，电路输出电压Uo=Ud；
经时间tl后，S断开，则有Uo=0；
经时间t2后，S重新闭合，进入下一周期。
电路输出的电压电流波形如图2.1（b）所示，工作周期T--tl+t2，开关S闭合时间tl与T的比值即为电路的占空比系数：
2-
（2）
输出电压平均值：
2-（3）
输出电压有效值：
2-（4）
输出功率：
2-（5）
从电源侧看的等效电阻：
2-（6）
图2．1DC-DC变换电路基本原理
由上面各公式可以看出，只要改变电路的占空比系数k，也就是改变功率开关器件的导通／关断时间，就可以控制电路输出的各个参量，这是DC．DC变换电路功能得以实现的基本原理。
根据设计的独立系统的特点，对多种变换电路对比分析，本系统采用Boost变换电路
Boost变换电路的优点是：
电路中的电源始终工作于连续状态，只要选择合适的电感，就能保证输入电流的连续；
S射极接地，驱动电路简单。
其主要缺点是：
和BUCK电路相比，对于同样的输出功率Boost电路的输入电流较大，导致s的开关损耗较大而加大了电路的变换损耗[8]。
3.太阳能光伏照明系统设计
本文以武汉市某小区照明系统为模拟对象，根据该小区的照明需求设定总功，以武汉往年的日照时长、日照强度确定所需的太阳能电池功率大小，计算蓄电池的容量和电压能参数，自行设计了Boost电路以及控制电路
3.1光伏电池的设计
光伏电池是整个光伏发电系统中最关键的部分，在研发前期，由于光伏电池造价相对较高，因此，一般都采用仿真来研究光伏电池的各种特性。
同时，实际情况下，由于环境温度以及太阳光照强度的不稳定，使得光伏电池的输出特性很容易受其影响。
因此，建立光伏电池的仿真模型，能够更方便、更全面地研究它的特性，同时也有利于在仿真平台上实现对光伏发电系统的动态仿真。
单体光伏电池是光电转换的最小单元，尺寸一般在2cm×
2cm到15cm×
15cm不等，工作电压约为0.45-0.5V，工作电流20-25mA/cm2，，其输出电压和电流很小，输出功率很低，一般不能单独作为电源使用。
在实际生产中，一般将若干个单体电池进行适当的连接并封装，组成一个单独对外供电的最小单元，即光伏电池组件。
而在使用中，当一块组件不能满足系统的功率要求时，可以根据系统的功率和电压要求再将组件进行串并联，而后安装在固定支架上构成一个直流发电单元，这种单元称为光伏电池方阵。
光伏电池组件进行串联时，各个组件应具有相同的电流容量，串联后的输出电压是各个组件输出电压之和，输出电流保持不变；
光伏电池组件进行并联时，各个组件应具有相同的输出电压等级，并联后的输出电流是各个光伏电池输出电流之和，输出电压保持不变。
在本文以后各部分论述中所提到的光伏电池，除非特别说明，均是指光伏电池方阵。
在讨论光伏电池的输出特性以前，先说明一下几个相关的重要参数：
（1）UOC：
开路电压：
光伏电池在外电路开路情况下的端电压。
（2）ISC：
短路电流；
光伏电池的外电路直接短路，流经短接电路的电流。
（3）UM：
最大功率点电压；
给定日照强度和温度下对应于最大功率点的电压。
（4）IM最大功率点电流；
给定日照强度和温度下对应于最大功率点的电流。
（5）PM=IM×
UM最大功率点功率；
给定日照强度和温度下可能输出的最大功率。
（6>
WP：
峰瓦，峰值功率单位；
在标准条件下（日照强度1000W／m2、大气质量AMI．5、电池结温为25℃）电池所输出的最大功率被称为峰值功率。
（7）FF=PM／（UOC×
ISC）：
填充因子（FillFactor），或称曲线因子，是评估光伏电池负载能力的重要指标：
它的值越高，电池的输出I-U曲线越趋近于由UOC和ISC两边线构成的矩形，表明电池的负载能力越强，其转换效率也相应越高。
（8）η=PM／PS：
光电转换效率，是衡量光伏电池能量转换水平的重要指标，PS为阳光投射到电池表面上的功率。
由图中I-U曲线可以看出：
光伏电池是一种非线性的直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似于定值（ISC），在接近开路电压UOC）时电流的下降率很大。
P—U曲线为一个单峰线，电池的输出功率随着电压的增大先增后减，在某一电压点（Um）有唯一极值（Pm），此点即为电池的最大功率点。
（a）I-U特性曲线（b）P-U特性曲线
图3．1给定日照强度和温度不变，光伏电池的输出特性曲线
3．1.1光伏电池的选用计算与仿真分析
选用光伏电池的首要问题是根据负载要求、蓄电池性能和转换电路的损耗等情况来确定光伏系统所需的功率，即计算所需光伏电池的输出功率。
生产商对其光伏电池产品所标称的输出功率是在标准条件下（日照强度1000W／m2,．大气质量AMI．5、电池结温为25℃）光伏电池所能输出的峰值功率，但实际应用中每个地点一天中的日照和温度状况不可能完全符合标准条件，而且一年中不同季节的天气状况变化很大，因此不可能将日照期间每一时刻的天气状况都等同为标准条件：
而如果按照气象统计资料中每天的天气情况进行分析计算，计算量又过为庞大，而且实际作用也不大。
本文中对年目照量采用峰值小时折算法，即将年平均日照量换算成每日标准日照有效时数，计算公式为：
查资料得知，武汉的每日标准有效时数为3.80h
本文对所需光伏电池输出功率的计算公式为：
（1）QL：
负载日耗电量（Wh）；
本文的负载对象为某小区的照明系统：
节能灯功率为10w，总共布置16个；
考虑到其分布较为分散，为减小线路损耗，选择较高额定电压48V；
系统在每晚19：
30---23：
30照明，根据季节变化略有调整，基本保证每晚照明在4小时左右。
因此，负载日耗电量QL=10×
16x4=640Wh
（2）KL：
负载线路损耗修正系数；
按线损10％，本文中取值为1.1。
（3）Kr:
电源系统损耗修正系数；
主要是考虑光伏电池与蓄电池间直流变换电路的开关损耗，按损耗15％，本文中取值为1.2。
（4）ηc：
蓄电池充放电转换效率；
本文中采用阀控式铅酸蓄电池，当放电深度小于50％时其转换效率可达90％以上，因此本文中取值为0．9。
由此可得：
Ppv=1.2×
1.1×
640/（0.9×
3.6）=260.7W
根据上式对所需功率的计算结果，本文选用某公司生产的多晶硅光伏电池组件，相关具体参数见下表。
表3.2该多晶硅电池参数
最大功率Ph
270W
短路电流Isc
8A
最优工作电压UM
35V
最大功率温度系数
一0.5％／℃
最优工作电流IM
7.7lA
开路电压温度系数-
-0.35％／℃
开路电压Uoc
48V
短路电流温度系数
0.056％／℃
测试条件
标准条件（日照强度1000W／m2、大气质量AM1.5、电池结温为25℃）
根据表3.2中的各项数据，利用Matlab仿真软件中的Simulink工具，建立光伏电池的仿真模型，如图3.3所示。
图3.3光伏电池的Simulink仿真模型
图中：
A处：
B处：
为了研究输出特性，对电池仿真模型进行数据处理并封装成子系统后，建立其输出特性的仿真模型，如图3．4所示。
图3.4光伏电池输出特性仿真模型
利用图3.4中的仿真模型，在给定温度25°
C不变情况下，分别对1000W／m2、800W／m2、600W／m2和400W／m2等四个不同日照强度下该光伏电池的输出特性进行仿真，并对结果进行曲线拟合，所得特性曲线如图3．5与图3．6所示。
图3．5给定温度25°
C不变时该光伏电池的I-U特性曲线
图3．6给定温度25°
不变时该光伏电池的P-U特性曲线
观察图中特性曲线可知：
给定温度不变时，对应于日照强度从1000W／m2下降到400W／m2，电池的开路电压约从44．5V下降到43V左右；
电池的短路电流约从7．9A下降到3．1A左右；
电池的输出功率在各个电压点都有所下降，在最大功率点附近下降得最大，约从270W下降到了90W左右，下降了近2／3。
由此可见，日照强度的变化对光伏电池的开路电压影响较小，但对其短路电流和所能输出的最大功率有很大的影响。
给定日照强度1000W／m2不变情况，再分别对O℃、25℃和50℃等三个不同温度下输出特性进行仿真，并对结果进行曲线拟合，所得特性曲线如图3．7与图3．8所示。
从图中可得：
给定日照强度不变时，对应于温度的变化，电池的短路电流变化很小，但开路电压受到了较大的影响，随着温度的升高，电池的开路电压值会有较明显的下降：
电池的输出功率在低、中压区域的差别很小，但当温度升高时，电池所能达到的最大输出功率值会有明显的下降。
而且，由于日照强度不变，即阳光投射到电池表面上的功率（Ps）不变，可知电池的光电转换效率也会受到温度的很大影响；
跟据STP270-24的最大功率温度系数，当温度由25℃上升到50"
C时，其最大功率会下降12．5％，则电池的转换效率也会随之下降12．5％。
图3．7给定日照强度1000W/m2不变时的I-U特性曲线
图3．8给定日照强度W/m2不变时的P-U特性曲线
3．2蓄电池的选用计算
光伏系统设计中对蓄电池的选用，首先要确定的是蓄电池的容量，需要综合考虑系统对蓄电池的特殊要求，尽量使光伏电池功率、负载功率与蓄电池容量达到最佳匹配。
如果容量选用过大，不仅增加了系统对光伏电池输出功率的要求，造成投资总成本的增加，而且蓄电池本身可能长期处于欠充状态，会引起极板的硫化问题而给充电造成困难；
再者蓄电池的自放电也会增多，白白损失能量[9]。
如果容量选用过小，日照充足时会浪费光伏电池的输出电能，日照不足时又可能达到过放限定而中断供电。
光伏系统蓄电池容量的计算公式为：
（1）Q：
蓄电池容量（Ah）。
（2）KA蓄电池放电效率修正系数，对于铅酸蓄电池通常取1．1～1．4：
本文
选用VRLA蓄电池，当放电深度小于50％时可达90％以上，据此取值为1．1。
（3）KT：
温度修正系数，由于蓄电池容量会随着电解液温度的降低而减小，根据
蓄电池通常工作环境温度的最低值，0℃以上取1．0，一10°
C至0°
C取1.1
一10℃以下取1．2：
鉴于历年来武汉市最冷月份—1月的月平均气温为一1
℃至一3℃，本文
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