基于改进型算法的太阳能最大功率点追踪（MPPT）的研究与实现

【摘要】：能源问题已成为全球的焦点,煤炭、石油等传统能源不仅越来越不能满足人类未来的需求,还会造成不可避免的环境污染,因此,可再生能源和清洁能源的开发已成为大趋势。在众多可再生能源中,太阳能以其蕴藏量巨大、无污染、无消耗、安全等优点受到了世界各国的广泛关注。太阳能最广泛的应用之一便是太阳能光伏电池,但是目前面临的一个主要问题就是由于外部环境和负载的影响,太阳能电池不能实时输出最大功率,造成转换效率的低下和太阳能资源的浪费。而解决这个问题的方法之一就是进行最大功率点跟踪(MPPT)。为此,本文进行了MPPT的研究和实现工作,包括MPPT算法的提出、模拟负载的测试和具体的应用实现。本文首先论述了太阳能电池的电气特性,建立了进行MPPT的理论基础。通过分析传统的MPPT算法的优劣,在扰动观测法的基础上融合了法国数学家柯西的思想,提出了一种全新的改进型算法,图文并茂、深入浅出地对算法进行剖析,并进行Matlab仿真。随后进行MPPT的测试工作,测试利用电子负载作为太阳能电池的模拟负载,将算法融入到上位机软件中,利用上位机控制电子负载来进行最大功率点的追踪;本上位机基于Windows Forms平台,由C#语言编写,具有控制、显示和存储等功能,为了便于研究改进型算法与传统算法,上位机可切换两种算法的追踪方式,并将测试结果回传给上位机进行存储。最后进行本课题研究的具体实现,设计了一个MPPT的控制系统,系统的组成包括功率模块和控制模块,功率模块主要是开关变换电路,控制模块主要是采集、通讯和STM32单片机系统等;利用此控制系统进行最大功率点追踪并将最终结果传递给上位机。论文对数据的分析分为两次,第一次比较电子负载回传的传统算法和改进型算法的数据,得出了改进型算法的优越性;第二次是控制系统上传到上位机的数据与之前的电子负载的数据比较,验证了基于此算法的控制系统对最大功率点追踪有很好的效果。 【关键词】：最大功率点跟踪 改进型扰动观测法 上位机程序 控制系统
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 开发太阳能的必要性10-11
• 1.2 太阳能电池的基本特性简介11-12
• 1.2.1 太阳能电池的伏安特性11-12
• 1.2.2 太阳能电池的照度特性12
• 1.2.3 太阳能电池的温度特性12
• 1.3 论太阳能电池的功率及MPPT的意义12-14
• 1.3.1 论功率与负载电阻、电压的关系12-13
• 1.3.2 最大功率点追踪（MPPT）的意义13-14
• 1.4 本课题研究的主要内容框架14-15
• 1.5 本课题所使用的仪器设备15-17
• 1.5.1 本课题所使用的太阳能电池15-16
• 1.5.2 本课题所使用的电子负载16-17
• 第二章 最大功率点追踪（MPPT）方法及改进17-34
• 2.1 几种最大功率点跟踪（MPPT）算法及各自优缺点比较17-19
• 2.1.1 恒压控制法17
• 2.1.2 扰动观测法17-18
• 2.1.3 导纳增量法18-19
• 2.2 基于“最速上升法”的改进型扰动观测法19-29
• 2.2.1“最速下降法”和“最速上升法”思想19-21
• 2.2.2 再议传统扰动观测法的缺点21
• 2.2.3 本文所使用的改进型算法21-29
• 2.3 改进型算法与传统扰动观测法的仿真比较29-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 上位机编写及MPPT测试34-57
• 3.1 C#语言和 Windows Forms 平台简介34-35
• 3.1.1 C#语言简介34-35
• 3.1.2 Windows Forms平台简介35
• 3.2 上位机总体流程图35-37
• 3.3 上位机与电子负载的通信及控制37-43
• 3.3.1 串口通讯及实现37-40
• 3.3.2 SCPI指令以及在本设计中的应用40-43
• 3.4 MPPT的算法程序设计43-47
• 3.4.1 MPPT的设置及启动43-45
• 3.4.2 基于“最速上升法”的改进型扰动观测法的软件实现45-47
• 3.4.3 传统扰动观测法的软件实现47
• 3.5 数据显示、保存及测试数据分析47-56
• 3.5.1 数据的显示和保存47-50
• 3.5.2 测试数据展示及分析50-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 MPPT控制系统的具体实现57-84
• 4.1 系统的总体框图57-58
• 4.2 系统的硬件原理设计58-74
• 4.2.1 BUCK转换电路58-61
• 4.2.2 控制系统供电设计61-64
• 4.2.3 控制单元的设计64-67
• 4.2.4 电流电压采集和滤波67-70
• 4.2.5 A/D转换电路70-73
• 4.2.6 与PC机的通信电路73-74
• 4.3 PCB板的绘制74-78
• 4.3.1 布局布线的原则75-76
• 4.3.2 对功率器件散热的处理76-78
• 4.4 单片机的程序流程78-80
• 4.5 与上位机的通信及数据展示80-83
• 4.6 本章小结83-84
• 第五章 总结与展望84-86
• 5.1 总结84
• 5.2 展望84-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-91
• 作者攻读学位期间参加的科研项目和成果91

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