1、 （申请工学硕士学位论文） 光伏 DC/DC 变换器最 大 功率跟踪算法研究与 设计 培养单位 ：自动化学院 学科专业 ： 电力电子与电力传动 研 究 生 ： 指导老师 ： 年 月光伏DC/DC变换器最大功率跟踪算法研究与设计 武汉理工大学 分类号 密 级 UDC 学校代码 学 位 论 文 题 目 光伏 DC/DC 变换器最大功率跟踪算法研究与设计 英 文 题 目 Design and Study of Photovoltaic Converter and Maximum Power Point Tracking 研究生姓名 姓名 职称 学位 博士 单位名称 武汉理工大学 邮编 申请学位级别
2、工学硕士 学科专业名 电力电子与电力传动 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 年 月指导教师 武汉理工大学硕士学位论文 I 摘要 由于 世界能源 总量 不断减少，人们对能源的需求不断增加， 寻找 一种清洁、高效的能源 成为 当前 人们 关注的 焦点 。 光伏 发电是 解决能源短缺的 方法 之一 ，但是太阳能 电池板输出 电压 范围 宽 ， 受光照 、温度以及负载影响 大 ， 因此 需要加入 光伏变换器及储能设备， 保证 太阳能电池板 以 最大功率输出。 当日照 条件不均时 ， 在局部 阴影 条件下 P-V 曲线会出现多个峰值的现象，造成
3、光伏变换器无法稳定工作， 以及 影响 太阳能电池板寿命。 因此 需要 设计 一种 输入 范围宽、效率高，而且 在 不同日照条件下能够有效 追踪全局 最大功率点的光伏变换器。本文设计 了 一台 2100W 光伏变换器 ， 并对其工作特性及 控制 算法进行研究 和 分析，本文具体 工作 内容具体如下： 本文 以光伏发电中的光伏变换器为研究对象， 阐述 了 光伏 发电 以及 最大功率跟踪算法的国内外研究现状 。根 据 光伏变 换器的指标 ， 分析 满足指标 要求 的光伏变换器 拓扑 ， 设计 了功率器件、电感和电容 等 电路主要参数 。 并 计算 了 光伏 变换器的损耗， 优化了 机箱结构。 根据光
4、伏 变换器的输入输出范围，设计了相应的 采样、保护、通信以及驱动电路。 为实现 最大功率跟踪 ，需要 通过 光伏变换器 控制 太阳能 电池板的输出电压 。本文建立了 光伏变换器 的 小信号模型， 并 依据 电感电流 连续及 不连续 两种 情况设计 了 不同 的补偿 器 ，保证 光伏变换器能够快速、稳定的 控制 太阳能电池板输出电压 。 同时 本文 分析 了光伏变换器的启动方式，提出了光伏变换器软启动控制方法。 依据太阳能 电池工作原理， 建立 了太阳能电池板的模型， 分析 了太阳能电池的工作 原理 ， 以及局部 阴影条件 下的 输出特性 。 由于存在传统 最大功 率跟踪算法会出现振荡和 局部
5、阴影条件下最大功率跟踪算法出现失配的问题， 本文对 传统最大功率跟踪算法进行了改进，提高了最大功率跟踪的速度和精度 ，重新 设计了局部阴影条件下最大功率跟踪算法， 并 通过仿真验证了该算法的准确性。 为验证 光伏变换器设计的合理性，本文 在输出 功率 为 2100W 的 光伏变换器上进行实验 。结果表明 ， 光伏 变换器的控制算法及最大功率跟踪算法使用非常有效 。 关键词 ：光伏发电，光伏变换器， 局部阴影， 最大功率跟踪 武汉理工大学硕士学位论文 II Abstract With the rapidly decreasing energy resources and increasing e
6、nergy demand, looking for a clean, highly efficient energy has drawn public attention. Photovoltaic cell is one of the method to solve energy shortage. However the photovoltaic cell is to be influenced by the irradiation, temperature and load, and has a wide range of output voltage. Thus, it is nece
7、ssary to add energy storage device and DC/DC converter to ensure photovoltaic cells output at its maximum power point. This paper regard solar converter as studying subject, by designing and test its power and control circuit and maximum power point tracking algorithm. The main research contents are
8、 as follows. First of all, choose the proper photovoltaic converter topology which is suitable for solar cell and battery. Design the main parameters including power devices, inductor and capacitors by the common method. Analyze the possible losses of each component and design reasonable chassis str
9、ucture. Then different compensators are established for the small signal model of converter based on whether the inductors current is continuous and discontinuous. Based on the principle of solar cell, the model of solar cell and its working mode is analyzed and the maximum power point tracking (MPP
10、T) algorithm is evolved to achieve higher speed and accuracy due to the ambiguous study of photovoltaic converter, oscillation of traditional maximum power point tracking algorithm and mismatch under partially shaded condition. The solar cell under the partially shaded condition (PSC) is also analyz
11、ed and its algorithm is improved. Finally, simulations and experiments are made to verify the output character of solar cell and accuracy and stability of photovoltaic converter. Key words: PV array, photovoltaic converter, partially shade condition, maximum power point tracking 武汉理工大学硕士学位论文 III 目录
12、摘要 . I Abstract.II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.2.1 光伏发电系统研究现状 .2 1.2.2 光伏变换器拓扑与模型 .3 1.2.3 最大功率跟踪算法研究现状 .4 1.2.4 局部阴影条件检测研究现状 .8 1.3 主要研究内容 .9 第 2 章 光伏 DC/DC 变换器建模与设计 . 10 2.1 光伏 DC/DC 变换器技术指标及总体结构 .10 2.2 光伏 DC/DC 变换器拓扑设计 .11 2.3 光伏 DC/DC 变换建模与控制 .12 2.3.1 光伏 DC/DC 变换器参数设计 .12 2.3.
13、2 光伏 DC/DC 变换器模型建立 .15 2.3.3 光伏 DC/DC 变换器补偿器设计 .20 2.4 本章小节 .25 第 3 章 基于电导增量法 的最大功率跟踪算法设计与改进 . 26 3.1 太阳能电池板建模 .26 3.1.1 太阳能电池的工作原理 .26 3.1.2 太阳能电池的物 理模型 .27 3.1.3 太阳能电池板输出特性拟合 .31 3.2 电导增量法设计与改进 .32 3.3 改进电导增量法仿真分析 .35 3.4 本章小节 .38 第 4 章 局部阴影条件下的最大功率跟踪算法设计 . 39 4.1 局部阴影下最大太阳能电池板工作特性 .39 4.2 局部阴影条件下
14、最大功率跟踪算法电压步长选取 .41 4.3 基于电压窗与功率三角形的最大功率跟踪算法 .43 武汉理工大学硕士学位论文 IV 4.4 日照强度突变判定 .46 4.5 最大功率跟踪算法仿真分析 .47 4.5 本章小节 .49 第 5 章 最大功率跟踪算法实验结果 . 50 5.1 光伏 DC/DC 变换器最大功率跟踪实验 .50 5.1.1 光伏 DC/DC 变换器工作特性 .50 5.1.2 最大功率跟踪实验 .53 5.1.3 局部阴影条件下最大功率跟踪实验 .55 5.2 本章小节 .57 第 6 章 总结与展望 . 58 6.1 全文总结 .58 6.2 展望 .59 参考文献 .
15、 60 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 64 致谢 . 64 附录 I . 66 附录 II . 70 武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 研究 背景及 意义 随着人类 社会的不断发展 ，例如天然气 、石油 化石 燃料 等正在 慢慢枯竭，而 且 这些能源都是不 可 再生的， 并且 这些 化石 燃料 的 使用对 环境 有很大污染。可以看到，在过去由于 生产力落后， 化石 燃料 的 燃烧对大气、水质和土壤产生了不可逆转的破坏。 为了减少 对不可再生能源的消耗，各国都在不断 寻找新的 、可替代的发电方法。 新能源 的发展 为 许多国家提出了一种 控制温室 气体排放以及在
16、化石燃料 价格 较低的时代结束前实现能源多样化的 有效 方法 1。 现阶段 我国 的 能源 存储不容 乐观， 石油 、 天然气可使用 三十 年，煤炭 约持续供应 八十 年2。 虽然 总存储量十分丰富，但人均拥有量却远远落后于世界平均水平。 因此 ，风能 、太阳能、潮汐能、地热能 以及氢能、核能 等 3可再生新能源越来越受到人 们的重视 4。 其中 太阳能发电系统已经应用于诸多领域，例如电池充电、太阳能水泵、家庭 电源 供电、泳池加热系统以及 卫星 供电系统等。 为了 解决当前面对的能源问题， 合理开发利用太阳能 将会是 一个有效、便捷的突破口，也是当今众多科学 家 研究的方向 。 光伏发电技术
17、也是当今利用太阳能最有效的一种形式 5。 太阳 能 发电 系统 是一种能将太阳能转换为电能的系统， 它 能够应用 于 世界多个国家及地区。 光伏 发电系统 是 一种理想的 分散 式发电装置， 它 充分利用 太阳能 日照资源并减缓 气候 变化。和 其他 能源相比， 太阳能 发电的经济成本较高 ，人们 对于 这种发电系统的使用，并网设计等有许多争论，这导致了 光伏 发电 仍旧 需要不断拓展。 太阳能 发电有着 无噪声 、无污染、 不受 地域限制等特点 6。 每年大约 有3.81024J 的能量照射到地球表面 7，这些 能量 被大地上的 植物、土地、水等 吸收 。 有 人 经过 计算，这些 能量相当
18、于 2009 年 消耗 能量 的 8000 倍。 全球 的光伏产业在近几年有 非常 大的发展 。 作为一种可在生的清洁能源，全世界的发电量从 2000 年 的 1.2GW 发展为 2012 年 的 100GW。 到 2013 年 ，欧洲的装机量 始终 保持在全球装机量的 一半 以上。 中国 在 18 世纪 50 年代 末期就开始了光伏的设计与研发， 在 70 年代 开始进行应用 ， 但是中国的光伏产业进入武汉理工大学硕士学位论文 2 国际 市场却很晚。 随 着 中国光伏 产业 的不断发展， 光伏 发电 由 最初的 应用于 偏远地区供电 逐步 转变为 向 城市供电， 由补充 能源向替代能源转变
19、5， 大型电站逐步建立起来。 中国 的太阳能 发电应用正不断扩大。 1.2 国内外 研究现状 1.2.1 光伏 发电系统 研究现状 光伏发电技术是根据光生伏打效应 制作 出来的 。太阳能 发电就是通过 利用光伏阵列将太阳辐射能量转化为电能 的 一个过程 8。 太阳能 发电系统可分为 独立系统、并网系统和混合系统 三种 。 独立运行发电系统是指光伏发电系统不与电网相连接，太阳能电池的输出功率 经过变换器之后直接提供给负载使用的太阳能发电系统。并网运行 发电系统是指太阳能发电系统与大电网相连接，将太阳能电池的输出经过逆变器变换之后产生 与 网电压 同 幅值、频率和相位的 电流，输 送给电网和交流负
20、载使用 的 发电系统 。 对于 太阳能发电系统 ， 并网发电 系统和独立发电系统 的 基本 拓扑 相同。太阳能发电系统主要由光伏阵列、 DC/DC 变换器和 DC/AC 逆变器等组 成 9。 太阳能发电系统有很多 优点 ，诸如 性能稳定可靠、寿命较长、安装维护简单方便等 特点 。 这主要 是由于 太阳能 发电系统 使用 电力电子器件， 这些 器件可靠性高 且 简单实用。 任何需要电源的场合都可以用到太阳能光伏发电技术，光伏电源的应用随处可见， 大型 太阳能发电系统 如空中的航天器、发电站 等。 中型 发电 系统如太阳能路灯 、 交通 工具的充电桩等，小型太阳能发电系统如 家中常用的电子设备、
21、儿童使用的玩具等 10。 太阳能电池 DC / DC 变换器蓄电池逆变器直流负载交流负载图 1-1 独立 太阳能 发电系统结构图 如图 1-1 所示 独立太阳能 发电系统 内部 结构 ， 主要由 太阳能电池 阵列、DC/DC 变换器、蓄电池、 DC/AC 逆变器 等部分组成， 应用于地处偏僻、电能供应不足的地区。其基本工作原理为：光伏阵列首先将接收到的能量直接转换成电能供给负载 ， 一部分 能量 经过离网逆变器进行逆变， 逆变 后供应交流负载武汉理工大学硕士学位论文 3 使用，另一部分 能量经过 其他直流变换器为直流负 载提供能量 ， 最后 将多余的能量储存在蓄电池中 。 在 夜晚 或 太阳辐
22、射能量不足 的 阴雨天时，蓄电池中的能量经过变换后直接供给负载使用。 这种 系统的 优点 在于 简单、 便于操作 、 应用范围广阔等，其劣势在 于能量 密度小、管理分散、 前期 投资和成本较高 以及受天气影响大。 太阳能电池 DC / DC 变换器蓄电池逆变器直流负载电网DC / DC 变换器图 1-2 并网 运行光伏发电系统 结构图 如图 1-2所示 的并网发电系统 有两种类型， 一 种 是 大型光伏并网发电系统 ，如 光伏电站等，另一 种 是小型 光伏 发电系统 ， 如家庭发电系统 。其中大型 并网光伏发电系统 发展较为缓慢。主要 是因为大 型光伏发电系统 成本较高、投资巨大、 占用土地面
23、积较大以及 建设 周期 较长等 因素 的 限制 。 但是现在，这种新能源技术正被国家大力鼓励发展 11。 这种太阳能 发电系统还可以分为 带储能环节发电系统和 不带 储能环节发电系统 ， 带储能环节发电 系统容量 更大， 发电 更加稳定 ， 不带储能环节发电系统 发电 成本低，但是受 天气影响 较大 ， 电网容易发生故障 12。 并网发电系统主要由太阳能电池阵列、 DC/DC 变换器、 DC/AC 逆变器、蓄电池 等部分组成。其工作原理为：光伏 变换器 将太阳 能 电池板输出 的电能 经过 DC/DC 变换器后 转 变成 适配 于并网的 直流电，然后经过逆变器 向电网输出与电网电压同频同相的正
24、弦交流电，供给电网负载使用。 以上所有 的光伏变换器中均含有最大功率跟踪算法，以保证 太阳能 电池板输出的功率 最大 化 。 1.2.2 光伏变换器拓扑与 模型 对于有储能环节的光伏系统，设计一种性能良好的 DC/DC 变换器非常重要。这种 变换器 不仅 能够 在日照强度良好时 寻找太阳能电池的最大功率点， 并在 一定程度上对蓄电池进行 充电 ， 当 蓄电池 充电 接近满值时光伏变换器 能够 实现对电池的 涓流 充电。 很多文献中都将光伏变换器的负载设计为恒定电阻，而不是蓄电池。 文献 13-16中均以蓄电池作为 光伏 变换器 的负载， 文 献 16中提出了一种节约成本、高效的最大功率跟踪算法
25、，并将 该 算法 应用于 Buck 电路的拓武汉理工大学硕士学位论文 4 扑上，但是文中并没有对 光伏变换器进行建模， 仅有 实验结果。 文献 15中 将提出的算法应用于太阳能分布式发电系统中，分别分析了 Buck 和 Boost 电路的工作原理 与 控制情况，并进行建模控制， 但是 该模型 不准确。 文献 14中提 出了一种电流反馈型的最大功率跟踪控制，这种控制 考虑到 了 在最大功率点附近由于负增长的阻抗值导致 的 系统不稳定 情况， 通过 电流反馈控制提高系统的稳定性。文 献 13中对整个 回路进行了分析，并设计相应 的补偿 回路。 文中 控制 部分主要由 模拟电路完成 ， 最大功率跟踪
26、部分由数字控制器完成。 1.2.3 最大 功率跟踪算法 研究现状 最大 功率跟踪算法 ， 即 MPPT 控制算法， 尤其是局部 阴影 条件下最大功率跟踪算法 是在光伏发电这一研究领域中研究的热点 17。其主要 目标是 保证 太阳能 电池板 在光照条件下输出功率最大化。 对于 太阳能电池板，主要特征在于 太阳能 电池的 伏安 曲线 是 一条非线性的曲线，这导致 在 P-V 曲线上有 特殊 的最大功率点， 这 个功率点与温度、 光照 有很大的关系。 由于 一天中温度、光照条件不断变化， 再 加上太阳能 电池板 的 制造 成本较高、 转换 效率较低， 有 必要 设计一种 电路 以及 相关算法，使调节
27、太阳能电池板 的 输出 始终 在 最大 功率点 。 通常 太阳能电池要与 相应 的 DC/DC 变换器 连接， 这样 既能保证 与 后级 变换器可靠 连接，又可以通过 变换器 中的算法实现太阳能电池的最大功率跟踪。人们 提出 许多 最大 功率跟踪的方法，主要 分为 两个 个大类 。第一 大类为 传统 的最大功率跟踪算法及其改进算法。 这类 算法包括 扰动 观察法 (P&O)或者 爬山法18、电导 增量法 19、短路电流法、开路电压 法 20、 纹波关联法 、 极值 轨迹搜寻法 21等 方法。 这些 算法中的一部分对于 统一 光照强度下最大功率跟踪有很好的追踪效果。另一类 为能够 应用 于 局部
28、 阴影 条件 (PSC)下的 最大 功率跟踪算法 。 对于太阳能 电池板， 当 其处于光照强度一定、 温度 一定 的 情况下时， 其 输出特性有且只有一个最大功率点，但是 由于 存在日照不均、温度差异 等 情况，太阳能电池 板的输出特性与 理想 情况有较大差距，其 I-V 和 P-V 特性均发生很大变化 。因此近几年 国内外对于局部阴影条件下 最大 功率跟踪开始进行研究并提出了多种跟踪 方法 。 提出 的算法有 粒子群 算法、 直接 搜寻法、斐波那契 算法 、 混沌 算法等多种基于太阳能电池 I-V 和 P-V 特性 曲线的算法。 在阴影条件下光伏阵列的最大功率点跟踪技术研究，成为众多研究专家的
