光伏发电系统及其最大功率跟踪控制策略的研究

【摘要】：随着世界经济的迅速发展以及经济全球化进程的不断加快，人们对能源的需求也越来越大，能源紧缺和环境污染问题也日益严重，制约着人类社会的可持续发展。寻找新能源成为人们面临的迫切问题之一。于是，人们开始关注并研究可再生能源，希望可再生能源能够改变人类现在的能源结构，并且可以保持长期的可持续发展。在这些可再生能源中，太阳能，由于资源丰富，太阳光直接辐射到地球而分布广泛、能量充足、可以再生、清洁无污染、永不衰竭且维护措施简单等特点，越来越受到全世界的广泛关注，成为国际公认的理想替代能源。 太阳能应用的一个重要领域是光伏发电，其开发和利用得到不断的发展，日益显示出其良好的应用前景。在光伏发电系统中，通过电力电子技术和控制技术来实现光伏发电的最大功率跟踪是提高光伏发电系统效率的有效途径之一，是目前国内外研究的热点。因此，深入的研究光伏发电系统，提高光伏发电的整体发电效率，对于缓解人类目前的能源危机，保护环境以及促进经济可持续发展战略，都有着重大的意义。 本文主要内容安排如下：首先介绍了光伏发电技术的背景及意义；国内外光伏并网发电技术的现状及发展趋势；目前国内外光伏发电存在的问题；并简要介绍了光伏发电并网系统的原理和分类；光伏发电系统设备；光伏建筑一体化等。 其次介绍了太阳能电池的主要分类，并对其工作原理、伏安特性和输出特性等做了详细的分析。太阳能电池是光伏发电系统的重要组成部分，通常以串联、并联或串并混联的方式组成光伏阵列进行工作。为了得到太阳能光伏阵列的最佳工作效率，单体太阳能电池需要具有相同的参数，因此需求出单体太阳能电池各参数的数值。本文通过理论分析和仿真研究发现，串联电阻Rs有让太阳能电池的I-V特性曲线左移的特性；而并联电阻Rsh有让太阳能电池的I-V特性曲线下移的特性.。因此根据此特性，由太阳能电池的电流方程，提出了一种求解太阳能电池参数的新方法，为实际的应用提供了理论基础。 最后对光伏发电中的关键技术之一——光伏阵列的最大功率点跟踪控制（MPPT）技术，做了详细的分析。通过分析和比较了目前常用的几种MPPT控制方法，在原有变步长电导增量法（INC）的基础上，提出了一种通过极值点判断系统的工作步长是固定步长模式还是变步长模式，并且能根据比例系数N自动调节步长大小来跟踪最大功率点的新型最大功率跟踪控制算法（MPPT）。在理论分析的基础上，给出了系统的硬件设计，详细介绍了DC-DC转换电路中的Boost升压变换电路的工作原理，以及其仿真波形；正弦波逆变器的SPWM波形产生电路的工作原理；单片机输出主程序的流程图；最后通过MATLAB/SIUMlink对该算法进行了仿真验证，仿真结果表明，该算法明显缩短了系统的跟踪时间，能够较好地抑制系统在最大功率点附近的波动现象，有效地提高系统的响应速度和跟踪精度，最终达到了提高光伏阵列输出功率的目的。 【关键词】：光伏发电系统 太阳能电池 串并联电阻 最大功率跟踪控制
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615;TM76
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题背景11-14
• 1.1.1 太阳能光伏发电的优点12-13
• 1.1.2 太阳能光伏发电的缺点13-14
• 1.2 国内外研究现状及发展14-18
• 1.2.1 光伏发电的趋势--并网发电14
• 1.2.2 全球光伏并网发电现状与发展14-15
• 1.2.3 我国光伏并网发电的现状和发展15-16
• 1.2.4 我国光伏并网发电所存在的问题16-18
• 1.3 研究目标与意义18
• 1.4 主要研究内容及结构安排18-19
• 1.5 本章小结19-21
• 第二章 光伏发电系统21-31
• 2.1 太阳能光伏发电原理21-22
• 2.2 光伏发电系统的分类22-23
• 2.3 光伏发电系统设备介绍23-28
• 2.3.1 太阳能电池方阵24-25
• 2.3.2 蓄电池组25-26
• 2.3.3 充放电控制器26
• 2.3.4 逆变器26-28
• 2.3.5 测量设备28
• 2.4 光伏发电在 BIPV 上的应用28-30
• 2.4.1 光伏建筑一体化(BIPV)28-29
• 2.4.2 光伏建筑一体化优点29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 光伏电池及其特性31-39
• 3.1 光伏电池及分类31-32
• 3.1.1 根据电池结构分类31-32
• 3.1.2 根据电池材料分类32
• 3.2 光伏电池工作原理32-33
• 3.2.1 发电原理32-33
• 3.2.2 影响光伏发电的因素33
• 3.3 光伏电池的输出特性33-35
• 3.4 光伏电池性能参数35-36
• 3.5 光伏电池转换效率36-37
• 3.6 本章小结37-39
• 第四章 光伏电池参数求解新算法39-45
• 4.1 太阳能电池特性分析39-40
• 4.2 硅太阳能电池参数求解新算法40-43
• 4.2.1 串联电阻 Rs 的左移特性40-41
• 4.2.2 并联电阻 Rsh 的下移特性41
• 4.2.3 串联电阻 Rs 和并联电阻 Rsh 的估算新方法41-43
• 4.3 实验及分析结果43-44
• 4.4 本章小结44-45
• 第五章 光伏阵列最大功率跟踪控制算法45-55
• 5.1 光伏发电最大功率点跟踪45-47
• 5.1.1 扰动观察法(P&O)45-46
• 5.1.2 电导增量法（InCond）46-47
• 5.2 新型最大功率跟踪控制算法47-53
• 5.2.1 光伏阵列的输出特性47-48
• 5.2.2 变步长电导增量法48-49
• 5.2.3 新型变步长电导增量法49-52
• 5.2.4 比例因子 N 的修正52-53
• 5.4 本章小结53-55
• 第六章 最大功率跟踪控制电路的设计55-69
• 6.1 光伏 DC/DC 变换电路55-58
• 6.1.1 升压式(Boost)电路55-56
• 6.1.2 升压式(Boost)电路的工作原理56-57
• 6.1.3 升压式(Boost)电路仿真与结果57-58
• 6.2 光伏逆变器的硬件结构及工作原理58-64
• 6.2.1 工作原理58-60
• 6.2.2 正弦波逆变器的原理框图60
• 6.2.3 PWM 型逆变电路结构60-61
• 6.2.4 PWM 波形的工作原理61-63
• 6.2.5 全控型开关器件的选择63-64
• 6.3 单片机软件的实现64
• 6.4 MPPT 仿真和实验结果64-67
• 6.4.1 MPPT 仿真原理64-66
• 6.4.2 MPPT 仿真结果与分析66-67
• 6.5 本章小结67-69
• 总结与展望69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-77
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录77-78

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