光伏发电系统及其最大功率跟踪控制的研究

【摘要】：太阳能是一种绿色可再生能源，具有无污染、无噪音、无需生产原料等优点，太阳能的应用已经成为新能源领域的研究热点。光伏发电是人类利用太阳能的一种最主要的方式，进入二十一世纪后，光伏产业在世界各国都得到了迅猛发展。然而，目前太阳能电池的生产成本仍然比较高、转换效率较低，为了更有效的利用太阳能，提高光伏发电系统的转换效率，采用最大功率跟踪技术就尤为必要。 光伏发电系统中太阳能电池直接将太阳能转变成电能。太阳能电池输出特性受光照强度、环境温度和负载情况影响，具有明显的非线性特征。当外界环境发生变化时，其工作电压和输出功率会发生变化，因此，利用最大功率跟踪控制技术，实时调整太阳能电池工作点，使其始终工作在最大功率点附近，提高光伏发电系统效率。 本文基于KNT-SPV01光伏发电系统，对光伏发电系统原理、系统组成进行了理论分析，同时对最大功率跟踪控制技术进行了深入的研究，完成了带有最大功率跟踪控制器的小型太阳能光伏发电系统的设计。具体内容如下： 1.研究分析太阳能电池的主要特性参数，并在不同光照强度、温度等外界条件下，实际测试得到太阳能电池的输出特性曲线，验证了太阳能电池的输出特性曲线受外界条件影响且具有非线性的特性，证明了进行最大功率跟踪控制的可行性和必要性。分析了太阳能电池的原理，且针对SFM250W蓄电池，设计了其充放电保护电路，提高电池的使用寿命。 2.介绍了三种DC/DC转换电路的工作原理和等效电路，比较了它们的优缺点。选择升降压式DC/DC转换电路作为本课题的直流转换电路。 3.对几种常用的最大功率跟踪控制算法进行比较，如恒压跟踪法、导纳增量法、实际测量法、扰动观察法等，分析其工作原理及优缺点。并在扰动观察算法的基础上，提出了“变步长”扰动观察法改进算法，避免最大功率点的“误判”，提高跟踪控制的速度和精度。 4.设计了一套小型太阳能光伏发电系统，设计制作了最大功率点跟踪控制器的硬件电路，实现跟踪控制太阳能电池的最大功率点。通过最大功率跟踪控制实验，结果说明该系统可以有效地提高响应速度和跟踪精度，提高太阳能光伏发电系统的工作效率。 【关键词】：铅酸蓄电池 DC/DC转换电路 最大功率跟踪控制扰动观察法
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-15
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 光伏发电系统最大功率跟踪控制发展的现状11-13
• 1.2.1 最大功率跟踪在电力电子技术应用方面的研究进展11-12
• 1.2.2 最大功率跟踪在控制理论方面的研究进展12-13
• 1.3 课题研究内容13
• 1.4 论文的结构13-15
• 第2章 太阳能光伏发电系统概述15-20
• 2.1 太阳能光伏发电系统的工作原理15
• 2.2 太阳能光伏发电系统的基本组成15-17
• 2.3 具有最大功率点跟踪控制功能的太阳能光伏发电系统17-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第3章 太阳能电池输出特性曲线的测试与研究20-29
• 3.1 太阳能电池的主要参数20-21
• 3.2 太阳能电池的等效电路图21-22
• 3.3 太阳能电池的输出特性曲线及其主要影响因素22-24
• 3.3.1 光照强度对太阳能电池输出特性的影响23
• 3.3.2 温度对太阳能电池输出特性的影响23-24
• 3.4 太阳能电池输出特性测试24-28
• 3.4.1 实验仪器24
• 3.4.2 输出特性的测试24-27
• 3.4.3 测试结果分析27-28
• 3.5 本章小结28-29
• 第4章 蓄电池的选用及其保护电路设计29-37
• 4.1 蓄电池的主要特性参数29-30
• 4.2 太阳能光伏发电系统中蓄电池的选用30-31
• 4.3 铅酸蓄电池的充放电特性31-34
• 4.3.1 充电时铅酸蓄电池端电压的变化情况31-32
• 4.3.2 放电时铅酸蓄电池端电压的变化情况32-34
• 4.4 蓄电池充放电保护电路的设计34-36
• 4.4.1 蓄电池的使用环境34-35
• 4.4.2 蓄电池充放电保护电路的设计35-36
• 4.5 本章小结36-37
• 第5章 最大功率点跟踪控制算法的研究和控制器设计37-62
• 5.1 DC/DC 转换电路37-41
• 5.1.1 升压式 DC/DC 转换电路38-39
• 5.1.2 降压式 DC/DC 转换电路39-40
• 5.1.3 升降压式 DC/DC 转换电路40-41
• 5.2 常用最大功率点跟踪控制方法的比较41-46
• 5.2.1 恒压跟踪法41-42
• 5.2.2 实际测量法42-43
• 5.2.3 导纳增量法43-44
• 5.2.4 扰动观察法44-45
• 5.2.5 常用最大功率跟踪控制方法的比较45-46
• 5.3 扰动观察法改进算法46-48
• 5.4 最大功率点跟踪控制器电路设计48-51
• 5.4.1 MPPT 控制器主电路48-49
• 5.4.2 电压检测电路49
• 5.4.3 开关管驱动电路49-50
• 5.4.4 电源稳压变换电路50-51
• 5.4.5 显示输出电路51
• 5.5 MPPT 仿真实现及波形分析51-53
• 5.6 MPPT 控制方法的实现和测试结果53-61
• 5.6.1 MPPT 算法的软件设计53-55
• 5.6.2 系统硬件装置55-56
• 5.6.3 系统各单元电路的测试与分析56-59
• 5.6.4 MPPT 实验波形及分析59-61
• 5.7 本章小结61-62
• 第6章 总结与展望62-64
• 6.1 本文结论62-63
• 6.2 论文存在的问题和进一步的工作63-64
• 参考文献64-67
• 致谢67-68
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果68

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