太阳能最大功率点跟踪控制及其仿真毕业设计论文(编辑修改稿)

太阳能最大功率点跟踪控制及其仿真毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

(VRAL 电池 )，具有使用方便和维护简单的特点。 蓄电池采用强酸作为电解液，故称为铅酸蓄电池。 根据使用要求所需电压和电流，可将同型号的电池串联、并联或串并联组成电池组。 蓄电池组一般有充放电 纸盒浮充制。 蓄电池 ， 尤其是铅酸蓄电池 ， 需要在充电和放电过程中加以控制 ， 频繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。 过充电会使蓄电池大量出气 (电解水 )， 造成水分散失和活性物质的脱落；过放电则容易加速栅 板的腐蚀和不可逆硫酸化。 为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害 ， 则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电 ， 这套系统称为充放电控制器。 控制器通过检测蓄电池的电压和荷电状态 ， 判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点 ， 并根据检测结果发出继续充 、 放电或终止充 、 放电的指令。 （三）控制器 太阳能控制器 是光伏发电系统的核心部件之一，其 作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。 在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。 其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 光伏电站的控制器一般应具备如下功能：①信号检测 检测光伏发电系统各种装置和各个单元的状态和参数，为对系统进行判断 、 控制 、保护等提供依据。 需要检测的物理量有输入电压 、 充电电流 、 输出电压 、 电流以 及蓄电池温升等。 ②蓄电池最优充电控制 控制器根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状态，确定最佳充电方式，以实现高效 、 快速地充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。 ③蓄电池放电管理 对蓄电池放电过程进行管理，如负载控制自动开关机 、 实现软启动 、 防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错误保护等。 ④设备保护 光伏系统 所连接的用电设备，在有些情况下需要由控制器来提供保护，如系统中因逆变电路故障而出现的过电压和负载短路而出现的过电流等，如不及时加以控制，就有可能导致光伏系统或用点设备损坏。 ⑤故障诊断定位 当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型，指示故障位置，为对系统进行维护提供方便。 ⑥运行状态指示 通过指示灯 、 显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。 光伏发电系统在控制器的管理下运行。 控制器可以采用多种技术方式实现其控制功能。 比较常见的有计算机控制和逻辑控制两种方式。 智能控制器多采用计算机控制方式。 智能控制技术 主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统，如智能机器人系统 、 CIMS、 复杂的工业过程控制系统 、 航空航天控制系统 、社会经济管理系统 、 交通运输系统 、 通信网络系统 、 环保与能源系统等的控制问题。 逻辑控制方式是一种以模拟和数字电路为主构成的控制器，通过测量系统有关的电气参数，由电路进行计算 、 判断，实现特定的控制功能；计算机控制方式能综合收集光伏系统的模拟量 、 开关量状态，有效地利用计算机的快速运算 、 判断能力，实现最优控制和智能化管理。 它由硬件线路和软件系统两大部分组成。 硬件线路和软件系统相互配合 、 协调工作，实现对光 伏系统的控制和管理。 硬件线路以 CPU 为核心 ,由电流和电压检测电路 、 状态检测电路获得系统的有关电流 、电压 、 温度及各单元工作状态和运行指令等信息，通过模拟输入通道将信息送入计算机；另一方面，计算机经过运算 、 判断所发出的调节信号 、 控制指令通过模拟输出通道和开关输出通道送往执行机构，执行机构根据受到的命令进行相应的调节和控制。 软件系统是针对特定的光伏系统而设计的应用程序。 它由调度程序和若干实现专门功能的软件模块或函数组成。 调度程序根据系统的当前状态，按照设定的方式完成检测 、 运算 、 判断 、 控制 、 管理 、 告警 、 保护等一系列 功能，根据设计的充电方式进行充电控制和放电管理。 由于计算机特别是单片机价格低廉 、 设计灵活 、 性能价格比高，因此目前设计生产的大中型光伏系统用的控制器大多采用单片机技术来实现控制功能。 太阳能控制器的充电过程可分为旁路型 、 串联型 、 脉宽调制型 、 多路控制型 、两阶段双电压控制型和最大功率跟踪型。 根据本课题需要，选择最大功率跟踪型。 这种控制器能进行计算机数据采集和通信，过电压 、 欠电压 、 防雷保护 、 故障判断和控制。 由太阳能电池方阵的电压和电流检测后相乘得到的功率，判断太阳能 电池方阵此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率 点运行，则调整脉宽 、调制输出占空比 、 改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断。 通过这样的寻优过程，可保证太阳能电池方阵始终运行在最大功率点。 最大功率跟踪型控制器可使太阳能电池方阵始终保持在最大功率点状态，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。 同时，采用 PWM 调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。 （三） 逆变器 逆变器是将直流电变换成交流电的设备。 由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。 在很多场合，都需要提供220VAC、 110VAC 的交流电源。 由于太阳能的直接输出一般都是 12VDC、 24VDC、48VDC。 为能向 220VAC 的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DCAC 逆变器。 在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到 DCDC 逆变器，如将 24VDC 的电能转换成 5VDC 的电能（注意，不是简单的降压）。 因此，对逆变器的基本要求是：①能输出一个电压稳定的交流电。 无论是输入电压出现波动，还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般为177。 2%。 ②能输出一个频率稳定的交流电。 要求该交 流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为177。 %。 ③输出的电压及其频率在一定范围内可以调节。 一般输出电压可调范围为177。 5%，输出频率可调范围为177。 2HZ。 ④具有一定的过载能力，一般能过载 125%~150%。 当过载 150%时，应能持续 30S；当过载 125%时，应能持续 1min 及以上。 ⑤输出电压波形含谐波成分应尽量小。 一般输出波形的失真率应控制在 7%以内，以利于缩小滤波器的体积。 ⑥具有短路 、 过载 、 过热 、 过电压 、 欠电压等保护功能和报警功能。 ⑦启动平稳，起动电流小，运行稳定可靠。 ⑧换流损失小，逆变频率高，一般在 85%以上。 ⑨具有快速的动态响应。 逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。 逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。 方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。 正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。 从长远看，正弦波逆变器将成为发展的主流。 采用交流电力输出的 离网 光伏发电系统 中， 逆 变 器 是关键部件。 光伏发电系统对逆变 器 要求较高： ① 要求具有较高的效率。 由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。 ② 要求具有较高的可靠性。 目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站 无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保 护等。 ③ 要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如 12V 蓄电池，其端电压可在 10V～ 16V 之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。 ④ 在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。 这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次 谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免 对 公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。 2． 3． 2联网太阳能光伏发电系统的组成 联网太阳能光伏系统可分为集中式大型联网光伏系统（简称大型联网光伏电站）和分散式小型联网光伏系统（简称住宅联网光伏系统）两大类型。 大型联网光伏电站的主要特点是所发电能被直接输送到电网上，由电网统一调配向用户供电。 建设这种大型联网光伏电站，投资 巨大，建设期长，需要复杂的控制和配电设备，并要占用大片土地，同时其发电成本目前要比市价贵数倍，因而发展不快。 而住宅联网光伏系统，特别是与建筑结合的住宅屋顶联网光伏系统，由于具有许多优越性，建设容易，投资不大，许多国家又相继出台了一系列激励政策，因而在各发达国家倍受青睐，发展迅速，成为主流。 住宅联网光伏系统的主要特点是所发的电能直接分配到住宅（用户）的用电负载上，多余或不足的电力通过联接电网来调节。 典型住宅联网光伏系统主要由太阳能电池方阵 、 联网逆变器和控制器等 3大部分构成。 （一） 太阳能电池方阵 太阳能电池方阵是 联网光伏系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。 目前工程上应用的太阳能电池方阵多为由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照联网逆变器输入电压的要求串 、 并联后固定在支架上组成。 住宅联网系统的光伏阵列一般都用支架安装在建筑物的屋顶上，如能在住宅或建筑物建设时就考虑方阵的安装朝向和倾斜角度等要求，并预先埋好地脚螺栓等固定元件，则光伏方阵安装时就方便和快捷。 住宅联网光伏系统光伏器件的突出特点和 优点是与建筑相结合。 （二） 联网逆变器 联网逆变器是联网光伏系统的核心部件和技术关键。 联网逆变器与独 立逆变器不同之处是，它不仅可将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且还可对转换的交流电的频率 、 电压 、 电流 、 相位 、 有功与无功 、 同步 、 电能品质（电压波动 、 高次谐波）等进行控制。 它具有如下功能。 （ 1）自动开关 根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥太阳能电池方阵输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止。 （ 2）最大功率点跟踪（ MPPT）控制 对跟随太阳能电池方阵表面温度变化和太阳幅照度变化而产生出的输出电压与电流的变化进行跟踪控制，使方阵经常保持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。 （ 3）防 止单独运行 系统所在地发生停电，当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输出电压不会发生变化，难以察觉停电，因而有通过系统向所在地供电的可能，这种情况叫做单独运转。 在这种情况下，本应停了电的配电线中又有了电，这对于保安检查人员是危险的，因此要设置防止单独运行功能。 （ 4）自动电压调整 在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电点电压上升，与可能超过商用电网的运行范围，为保持系统的电压正常，运转过程中要能够自动防止电压上升。 （ 5）异常情况排解与停止运行 当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及时 查出异常，安全加以排解，并控制逆变器停止运转。 2. 联网逆变器构成 联网逆变器主要由逆变器和联网保护器两大部分构成，如图 6 所示。 逆变器把方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，同时还起到调节电力的作用。 当光伏系统输出的电力大于负载消耗的电力时，由倒流联网逆变器把剩余的电力倒流到电网中。 相反，如果用户从光伏系统获得的电力不够时，则由联网逆变器从电网中引入不足部分。 由图可知，逆变器包括 3个部分：①逆变部分，其功能是采用大功率晶体管将直流高速切割，并转换为交流；②控制部分，其功能是对逆变部分进 行控制，由电子回路构成；③保护部分，也由电子回路构成，其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。 联网保护器是一种安全装置，主要用于频率上下波动 、 过欠电压和电网停电等的监测。 通过监测如发现问题，应及时停止逆变器运转，把光伏系统与电网断开，以确保安全。 它一般装在逆变器中，但也有单独设置的。 另外，为了防止发生故障时太阳能电池的电流流入电网，在联网逆变器的输出端和用户电线之间设置绝缘变压器或把它内装在电力转换部分。 图 6 联网逆变器 构成（绝缘变压器方式） 3．最大功率点跟踪（ MPPT）技术 研究的。