光伏最大功率点跟踪系统的设计-DCDC变换模块

光伏最大功率点跟踪系统的设计-DC/DC变换模块

摘要

本文是针对光伏发电系统中的DC/DC变换器而展开的研究，总结了光伏发电系统中DC/DC 变换器的应用场合；探讨了应用软开关技术、三电平技术于系统中的必要性；详细分析了非对称结构ClassD升降压的DC/DC变换器电路以及双管正激组合式变换器。包含其的电路结构图、电路原理、工作模式等。

关键词：光伏、最大功率跟踪、DC-DC变换器

摘要III

Abstract IV

1 绪论1

1.1课题的研究背景1

1.2课题的研究目的1

1.3课题研究的现状1

1.4课题研究的主要内容3

2 基于DC/DC变换器最大功率点跟踪4

2.1 光伏电池工作原理4

2.2 MPPT研究的必要性5

2.3基于DC/DC变换器MPPT研究的必要性7

2.4基于DC/DC变换器MPPT实现原理及算法介绍9

3 光伏发电系统中DC/DC变换器应用场合11

3.1 蓄电池充电控制器11

3.2 光伏水泵系统12

3.3 联网逆变器14

4 光伏发电系统中的DC/DC变换器18

4.1 非对称的Class D的升降压20

4.1.1 电路器件的工作原理20

4.1.2 PWM信号的产生21

4.1.3 电路的工作模式22

4.1.4 电路特性分析24

4.1.5 恒电压DC/DC变换控制原理图25

4.2 双管正激组合式变换器25

4.2.1 主电路结构25

4.2.2 主电路工作原理26

4.2.2 基本理论分析27

结论30

参考文献31

致谢33

1 绪论

1.1 课题的研究背景

从远古到现代，人类一直都在摸索如何更好的利用太阳能。古代有太阳灶，现代有太阳能热水器。虽然我们地球上接收到的太阳能只占太阳自身表面的二十亿分之一，但是这部分能量是整个地球所需要总能量的几万倍，对人类而言，这就是一笔取之不尽用之不竭的财富。太阳能与煤炭、石油等矿物燃料不一样，它不会导致“温室效应“，不会影响全球性的气候变化，更不会造成环境的污染。特别是最近10来年，因为石油可开采量的日益减少以及生态环境的逐渐恶化，太阳能这一完美的替代品受到越来越多的国家重视，各国也在积极开发各种新的光电技术以及新型光电材料，都是为了解决自身的能源危机，来扩大太阳能的利用领域。从发电、取暖、到各式各样的太阳能利用设备，它的应用非常广泛，甚至在某些领域，太阳能的使用已开始进入实用阶段，实现了基本大众化。

1.2 课题的研究目的

电能是到现在为止使用上最便捷，应用上最广泛的能源，所以光电的转换在太阳能的应用领域占据着及其重要的地位，光伏电池(Solar Cell)[1]就是一种经过太阳光的照射后，把光能转变成电能的一种转换元件。也有人称它为光伏电池((Photovoltaic，简称PV) 。而现在光伏系统的最大问题是光伏电池的转换效率较低并且它的价格十分昂贵，所以如何在现在的光电元件转换技术基础上，再进一步提高光伏电池的转换效率，充分利用光伏阵列转换的能量，这是光伏系统现在所研究的重要方向。本课题从光伏电池的光伏特性这一基础出发，在如何提高光伏电池的能量转

换效率的问题上，进行了深一步的探讨。

1.3 课题研究的现状

由于光伏电池有着非线性的光伏特性，所以就算在相同的光照强度下，因为负载的不同而得到的输出功率也是不同的，将其直接与负载相连是很不正确的，一般来说我们都采用一个变换模块，这样使得太阳能的输出功率维持在其最大的输出状态，这样以后再让它向负载供电。现在光伏电池的输出功率控制上主要利用CVT (Constant Voltage Tracking)技术[2]。光伏电池的阵列具有如图1-1所示的伏安特性曲线，

图1-1 太阳电池阵列的伏安特性曲线

图1-1中L是负载的特性的曲线，当温度保持在某一个的固定值时，在不同的光照强度下，伏安特性的曲线与负载特性的曲线L的交点为a、b、c、d、e。与之对应的是五个不同的工作点。而我们发现阵列可能提供的最大功率的那些点，如a'、b'、c'、d'、e’。这五个点连起来差不多都落在同一条垂直线的附近，这就可以把最大功率点的轨迹运动曲线近似地看作是电压曲线U=cost的一条垂直线，也就是只要保持光伏的阵列的输出端的电压为常数，就可以从大体上保证光伏阵列输出是在这一温度下的最大功率，所以最大功率点的跟踪器也就简化成为为一个稳压器，这就是CVT控制方式的理论根据。

CVT的控制方式具有操作简单，极高的可靠性，良好的稳定性，便于实现等优点，跟一般的光伏系统比较大概多了20%的电能，与不带CVT的系统比较要有利得多。但是这种跟踪方法忽视了温度对光伏电池开路的电压的影响。用单晶硅为材料的光伏电池为例，当周边环境温度升高1℃时，它的开路电压要有0. 35%~0.45%下降幅度。这说明光伏电池最大功率跟踪点所对应的电压也伴随着外界环境温度的改变而变化。这对于日温差或季节温度差异比较大的地区，用CVT 这种控制方式来跟踪最大功率不是一个完美的解决方案。

伴随着微电子技术的发展以及电力电子技术的进步，以及微电子器件的降价，CVT这类控制方式已经显得不是很有竞争力。最大功率点跟踪MPPT[3]（Maximum Power Point Tracking）技术可以使光伏系统在任何温度以及光照强度下都能跟踪光伏电池的最大功率，这显示出了它的极具优势的技术特点。

1.4 课题研究的主要内容

MPPT可以挽回由于温度的变化而导致系统的组件失配损失，特别是对于夏冬季节及昼夜温差较大的地区，更加有明显的经济以及技术意义。本课题的主要工作内容就是利用光伏电池的伏安特性曲线，通过调节光伏电池阵列的工作点，来自动跟踪光伏电池阵列的最大功率点，以获得电池的最大功率。本文的主要内容是研究光伏发电中用到的DC/DC变换器。

课题的主要内容与基本要求：要求设计一个DC/DC的变换模块，作为光伏阵列与负载之间的适配器。设计中采用500W的光伏阵列，输入电压的范围为20~36V，负载要求的恒定电压为28V。

2 基于DC/DC变换器最大功率点跟踪

2.1光伏电池工作原理

在光伏电池的太阳能发电中，光伏电池是核心的元件，所以熟悉并掌握它的工作原理是一件必须的事情。光伏电池是一种能把光能量转化为电能量的电子器件，我们把它称为光伏器件。当来自外界的太阳光照射在实体上时，事物因为吸收了光能，它的能量电子从化学键中被释放出来，由此产生了电子-空穴对，就会有少量的电动势产生，此类现象我们称它为光生伏特效应。固体以及液体中也都会发生这种现象，但是仅仅在半导体中，才能获得比较高的光电转换率。所以光伏电池又经常被人们称之为半导体电池。所以市场上的光伏电池一般都是是硅电池，它的原理具体如下解释：

一个硅原子的原子核外部有四个带负电的电子。当受热或受到外部能量冲击时，这部分带负电荷的电子就一定会挣脱硅原子的原子核给它的束缚力，而使之成为能够自由移动的电子，如此一来原来的原子就因为少个电子而带上一个单位正电，我们称之为“空穴”。对于纯的硅元素晶体来说，自由电子、空穴一般都是成双成对出现的，所以硅晶体还是呈电中性。但是如果在原本无杂质的硅晶体中掺杂了镓、硼等三价元素的话，让它取代了硅晶体中的硅原子核的位子，就形成变为空穴型的半导体，也就是P型半导体。在P型半导体中，空穴则为大多数，自由电子为少部分，主要还是空穴导电。而空穴则主要由杂质的原子提供，自由电子是由热激发而形成的。掺入的杂质元素越多，多数载流子（也就是空穴）的浓度也就会越高，其导电性能就更强；如果在原本无杂质的硅晶体中掺入砷、磷等五价元素的话，使=让它取代了晶体中硅原子核的位置，就形成了电子型的半导体，我们又称之为N型半导体。然而这些杂质提供了带负电荷的电子的载流子，我们称他们为主杂质或N型杂质。N型半导体中，自由的电子为大多数，而空穴为少数，主要是自由电子导电。而自由电子主要由杂质的原子所提供，空穴由热激发而形成。杂质掺

入的元素越多，多子（自由电子）的浓度也就越高，导电性能就更强。如果把P型以及N型这两种半导体联合在一起，交界处就形成了一个PN结，如图2-1所示。当光伏电池受到太阳光的照射时，电子由于受到光能的激发，慢慢向Ｎ区移动，使Ｎ区带上负电，同时Ｐ区接受多余的空穴，使Ｐ区带正电。这样一来，在PN结两端就有了一定的电动势，这就是所说的“光生伏特效应”。如果在P型以及N型两端加上导线的话，再在外围连接上负载组成一个回路，那么就能产生电压以及电流，从而达到光生电的实际效果。

图2-1 光伏电池的发电原理

光伏电池主要是由P型和N型的半导体构成。因此在没有太阳光照射时，光伏电池的基本特性跟二极管类似。接下来我先介绍一下半导体二极管的一些相关特性，饱和电流I0和另一反向暗电流Id是二极管的两个最基本的重要参数。当给一个正电压在PN结上时，它的内部的势垒层遭到减弱,自由电子由N区扩散到P区，则暗电流Id从P型的半导体流向Ｎ型的半导体。反之在PN结上加上一个反电压，其内部势垒层变宽得到加强，自由电子从PN结的P区漂移到N 区，则I0的电流方向是从N区指向P区。又因为P型半导体中的空穴比较多，电子为少数载流子，所以只要它没有被反向电压所击穿，I0就比Id要小得多，一般只有Ｌ的10-10这一数量级，PN结还具有二极管的单向导电性这一基本特性。用来描述饱和电流I0、暗电流Id、二极管偏压V的克莱方程如下所示：

（2-1）

其中：q=1.6*10-19C，q是电子电量；k=1.38*10-23J/K，k是波尔兹曼常数；T是热力学温度；A为二极管等效冈子。等效电路如图2-2所示：

图2-2 太阳能电池等效电路

现在，市场上经常能看到的硅类光伏的电池一般有三种：非品硅、多类晶硅以及单晶硅的光伏电池，转换的效率的差距也是很大。

单品硅的光伏的电池的材料最是昂贵，因为制造成本是最高的，然而它的光电的转化效率也是最高的。在现在全球范围内，单晶硅的光伏电池平都转换的效率为15%，在良好环境下的单晶硅的转换效率比较高的是在澳大利亚一个叫新南威尔士大学的地方，他们所测得的转换效率能达24.4%。多晶硅的光伏电池内部晶体结构具有没有规则性，PN里的电荷不能使其完全地分离，所以一部分电荷会由于晶体的这种不规则性而损失掉，所以多晶硅电池的转换率一般要比单晶硅的稍低。它的光电转换效率也可达14%，其在实验室内能达到的最大转换效率为19.8%。但由于生产多晶硅的光伏电池的可用方法很多，所以多品硅的成本自然要比单品硅的低。而非晶硅的光伏电池是薄膜电池的其中一种，价格非常便宜，但光电转换效率很低，实验室最大转换效率也才12%，我们把它常用于计算器、电子手表等弱光性电源中。

2.2 MPPT的必要性

在整个光伏发电系统中，光伏电池在不同的光照强度下，且当输出为最大功率时，两端的电压值并不是恒定的，而且光伏电池工作的温度发生变化时，相对应于同一辐照度的最大功率以及电压值也会发生变化。

图2-3是光伏电池I(P)-V关系曲线，它表明在一定的太阳照度以及温度下，电池传送的电流I(功率P)与电压V的关系，曲线1、2都表明光伏电池具有很鲜明非线性的特征。

曲线1—电流-电压曲线2—功率-电压曲线

图2-3 光伏电池电流（功率）—电压的关系曲线

上图中，功率曲线2相当于为一条抛物线，即光伏太阳能的电池在输出为最大功率Pm(=ImVm)时，最大的功率点的电压(也就是最大的工作电压)Vm比开路电压Voc小，最大功率点的电流(也就是最大工作电流)Im比短路电流Isc小。而且电池的电压在0~Vm间变化时，功率曲线是一个递增函数，电池电压处于Vm~Voc之间时，功率曲线是一个递减函数。据研究显示，它的输出功率是由太阳光照度、太阳光谱分布以及它的工作温度决定的。图2-4 (a)、(b)是光伏电池在不同温度下得I-V, P-V的特性曲线，从图中可得，随着工作温度的升高，短路电流Isc稍微升高，开路电压Voc以及最大功率点的电压Vm下降，光伏电池输出最大功率Pm下降。

(a)不同温度下得I-V曲线图（b）不同温度下P-V曲线图

图2-4 不同温度下的光伏电池的特性曲线

图2-5(a)、(b)是不同辐照度下的I-V、P-V特性曲线。如图可知，同一块电池，Isc值与太阳光照度成正比；输出最大功率Pm也随着太阳光照度的增加而增加。

（a）不同辐照度下的I-V曲线（b）不同辐照度下的P-V曲线

图2-5 不同照度下的光伏电池的特性曲线

为了实现在任何外部条件下光伏电池阵列输出当前日照下最多的能量，理论以及实践上提出了光伏电池阵列的MPPT问题。随着光伏发电系统的日益普及，光伏发电系统较高的造价以及仍然较低的转换效率，迫使加快MPPT技术的研究

2.3 基于DC/DC变换器MPPT研究的必要性

在光伏发电系统中，基于电力电子装置来实现光伏电池的MPPT时，可以采用两种形式，分别如图2-5 (a)、(b)所示。伴随着DC/DC变换器越来越多应用于光伏发电系统中(详见第三章节)，基于DC/DC变换器的MPPT技术的研究也日显突出，具体体现在:

1、系统设计基本要求

蓄电池的充电系统或直流光伏的水泵系统中，其系统转换装置一般采用了一级DC/DC变换结构，所以光伏电池的MPPT只能采用图(a)中的基于DC/DC的变换器来进行调节。

2、提高系统性能要求

在那些有DC/DC变换器装置的联网逆变器或交流光伏水泵的系统中，虽然图2-5(a)、(b)两种形式，在理论以及实践上都可实现光伏电池MPPT，但说道其性能的差异对比，图(a)基于DC/DC 变换器MPPT实现有以下优点:

1)、动态响应快、系统控制简单

实现光伏电池的MPPT，其根本是要匹配电池以及后级变换器的动态负载。在周边环境发生变化时，通过不断调整DC/DC变换器的开关占空比，实现光伏电池与变换器之间的动态负载的匹配，就可以实时地获得光伏电池的最大输出功率。图2-6(a)中由于DC/DC变换器为系统的前级装置，它与负载间存在有DC/AC变换器，这种形式实现了输入级以及输出级控制方式的解祸，使DC/DC变换器只单纯的实现输入级的光伏电池的MPPT，使系统控制简单化，也使光伏电池MPPT动态响应速度加快。

(a) 基于DC/DC变换器MPPT实现结构框图

（b）基于DC/AC

变换器MPPT实现结构框图

图2-6 光伏发电系统MPPT实现的结构框图

2)跟踪精度高

采用图2-6(a)MPPT跟踪的提高精度是可以从两个方面来叙述:

①从其控制角度

图2-6(a)中DC/DC变换器来实现最大功率跟踪的控制，它控制信号的唯一来源就是光伏电池的功率的波动，也就是说其开关占空比的调节是唯独一个以功率偏差为根据，而在图2-6(b)中，因为没有实现控制的解耦，DC/AC中开关管的占空比的调节，除了以光伏电池输出的功率的偏差

为根据外，还要受到后级的负载所反馈的控制信号，如在联网的逆变器的系统中的电流的内环、交流的光伏的水泵中电机转速的外环等。

②从其系统结构

图2-6(b图)为集中型的MPPT控制，它在固定功率的等级下，光伏电池需要以串或并联的形式来组件。但当外界的因素使得其中一个电池的单元的输出功率减小时，集中型的控制的方式会使其它的电池也不能正常工作，从而降低了跟踪的精度，而形成能量的损失；而采用了图2-6(a 图)的控制形式后，并采用DC总线结构方式组成系统时，它是基于每个DC/DC变换器的MPPT 的控制，实现输入级各个光伏电池控制的解耦，这样就避免了各光伏电池单元的输出功率的变化所造成的相互干扰，提高了跟踪精度。这种方式的优点，尤其体现在AC Module系统中。

2.4 基于DC/DC变换器MPPT实现原理及算法介绍

在电路的理论可知:在线性的电路中，当外部的负载的等效电阻(Z2)和电源内部的电阻(Z1)形成共扼时，外部负载就能够获得最大的输出功率，如图2-5，即当Z2=Z1*时,相对于在光伏发电系统中应用了DC/DC变换器的，即使光伏电池以及DC/DC变换电路都为非线性的特征，但在很小的时间段里，两者都可以看成线性的电路。所以，等效把光伏电池看为直流的电源，把DC/DC变换电路看成外部的阻性负载。通过调节DC/DC变换电路的等效阻抗，使它在不一样的外部的环境下，总是随着光伏电池的内阻变化而变化，两者动态的负载能够匹配。使得DC/DC 变换器的输出侧的输出功率为最大，从而实现光伏电池的最大功率的跟踪。

图2-7 最大功率的传输的简化图

但是在实际的应用中，很难获取每个点的等效阻抗，因此一般我们不用直接测量阻抗的方式来实现最大功率的跟踪。所有不一样的应用的系统中，基于DC/DC的变换器来实现的，最后的

到的变量不同，有依据电压偏差控制的、依据功率偏差控制的、依据电流偏差控制的，以上三种方法都能够等效匹配光伏电池以及DC/DC变换电路的等效电阻，使得实现系统的功率最优。

光伏最大功率点跟踪系统包括太阳能阵列、DC/DC变换器、主控制器、模数转换电路、充电控制器以及蓄电池组。太阳能光伏系统的结构框图如下所示：

图2-8 系统框图

实现最大功率跟踪的方法通常有几种：恒压法、增加电导法、干扰观察法。

1、恒压法是根据晴天在中午时方阵的功率输出值来设定蓄电池的工作电压,以此时的功率输出作为近似的最大功率值，使光伏阵列从始至终都工作于以上所设定的电压值所对应的功率点上。由于最大功率点是随外界环境的改变而改变的，所以实际上没有实时地跟踪系统的最大功率点，有较大的功率损失，并不是真正意义上的最大功率点跟踪系统。

2、电导增量法是通过改变光伏阵列的等效内阻从而实现最大功率跟踪的。方阵等效的内阻大小和方阵的工作的电压点有关联。内阻小于负载的电阻时，提高光伏的电池的工作的电压，内阻大于负载的电阻是则降低工作的电压。在等效阻抗与负载电阻相等时系统的输出的功率为最大。

3、干扰观察法是通过不断改变电池方阵的工作的电压，实时观察它的功率输出值，通过比较最终稳定在最大的功率点上。此方法只需获得电压及电流参数，易于实现。

3 光伏发电系统中DC/DC变换器应用场合

3.1 蓄电池充电控制器

离网的光伏发电系统以及联网的光伏有贮能系统，光伏电池阵列以及蓄电池之

间一定有充电控制器，它能使光伏电池一直工作在最大功率点处，从而提高了充电效率。良好的充电控制器，又能有效保护蓄电池不受过充、放电的损害，提高蓄电池的使用年限。

其实蓄电池充电控制器实质上是一个DC/DC变换器装置，它也是系统中最为关键的环节之一，直接关系到整个系统的运行效率以及可靠性。这些年来，对其研究也越来越广泛，各种控制形式以及拓扑结构相继提出。

图3-1为采用PFM(脉冲频率调制)的蓄电池的控制器主电路图，其结构为一个半桥的DC/DC 变换装置，具有以下特点:

①损耗低，无损缓冲，使得开关管S1, S2为ZCS（Zero Current Switch）开关状态；

②自动跟踪蓄电池的电压，DC/DC变换器输出电压可以调整变换；

③在高频下运行，控制器的体积是很小的；

④输出与输入是完全隔离的。

图3-1 PFM的蓄电池控制器主电路

图3-2为最大功率跟踪型的蓄电池充电控制器结构图，主电路采用Buck软开关型结构，单片机实现PWM调制变换器占空比、改变充电电流，寻优光伏电池阵列输出最大功率。此类控制器在充分利用光伏电池阵列输出能量的同时，使充电电流变化脉冲电流，减少了蓄电池的极化。主电路的软开关结构使得开关管实现ZVS关断、ZCS开通，提高了充电的效率。

图3-2 最大功率跟踪型蓄电池控制器结构

3.2 光伏水泵系统

水泵是离网光伏发电系统的一个特殊性负载，带有水泵的光伏发电系统称

之为光伏水泵系统，它一般用于广大的无电地区的农牧民人的蓄用水、农田灌

溉、以及边防海岛哨所等比较分散的地域用水。该系统的基本工作原理是利用光伏阵列将太阳能转化为电能，然后通过控制器驱动电机带动光伏水泵工作。该系统主要由光伏电池阵列、控

制器、电机以及光伏水泵组成，如图3-3所示。

图3-3 光伏水泵的系统结构

在这个系统中，与光伏水泵相匹配的驱动电机类型有:不同电压等级的传统直流电动机、磁阻电动机、直流无刷永磁电动机、交流电机……

光伏水泵的拖动电机采用普通的直流电动机作为时，为了获得光伏电池阵列最大输出功率以及调节直流电机的输入电压，为改善该系统的动态性能，是需要有DC/DC变换装置来作为控制器。

图3-4是一个直流光伏的水泵系统，该控制器的主电路是Boost的转换器，与没有使用Boost 电路的相对比，有boost的系统能够明显地改善光伏电池的阵列输出的特性以及光伏的水泵动态特性，并且单片机来控制来实现光伏电池的阵列最大功率的输出，系统效率就得到提高。

图3-4 控制器是Boost电路直流光伏的水泵系统

在直流光伏为大功率的系统中，为了能够采用控制器为小功率，一般采用“矩阵”式的系统结构，如图3-5所示。光伏电池以及DC/DC变换器作为一个子系统，根据不同功率的等级的直流电动机，若干个子系统组合而成。这种系统有以下优点:

①不同的功率等级下，可以使用同一种DC/DC变换器;

②各子系统相互独立，局部的故障不会影响系统的工作;

③各个子系统都能使各自的光伏电池工作在最大输出功率点，整个系统的效率能够得到提高;

④在轻负载下，可以限制输出电压来防止直流的电动机太高的转速。

图3-5 大功率直流的光伏水泵的系统的结构

这些年来，随着功率的电子器件及新型的调速控制的理论的出现，交流的调速技术得到长远的发展，交流电机的效率已渐渐接近直流的电动机，在另一方面，交流电机的使用方便，以及牢固性大大超过直流电机。所以，现在光伏的水泵系统中直流的无刷电动机以及三相的异步电动机作为电机是最多的。在采用这种结构时，一般需要采用DC/DC变换器升电压泵来使系统以最大功率输出，具体结构如图3-6所示。

图3-7 交流光伏水泵的系统结构

3.3 联网逆变器

联网的光伏发电中核心部件以及关键技术就是联网逆变器。它和普通逆变器的不同之处就在于，不仅可以将DC转变为AC，并且还可以对转换的交流电的电压、频率、相位、电流、相位、同步、无功、无功、有功以及电压波动高次谐波(电能品质)来进行控制。现在，高频变压器的绝缘方式、无变压器的方式、以及电网频率变压器的绝缘方式。是联网逆变器的三种回路的形式。

1、工频变压器的绝缘方式

这方式结构具体如图3-8所示，系统采用PWM（脉冲宽度调制）逆变器产生电网频率的交流，并且使用了工频变压器进行绝缘以及变压，所以具有了良好的抗雷击性以及削除尖波的性育旨。

图3-8 工频变压器绝缘方式的联网逆变系统结构

在这里，工频变压器绝缘方式是现在功率很大的情况下使用的最多的结构，但因为采用工频变压器，使得系统的功率密度没办法提高，控制也较复杂而且直流的电流输出的功能无法检测。这种方式，没有用到DC/DC变换器这一装置的。

2、高频变压器的绝缘方式

这种方式又有两种结构的形式，如图3-9所示。图3-9(a)采用了附带高频率的变压器DC/DC 变换的装置，经过绝缘以及变压以后逆变输出，这里逆变器依旧是采用了PWM产生的电网频率。图3-9(b)中部分使用DC/DC变换的装置的结构的形式，使用了DC/DC变换装置的前级，省略其输出的滤波环节，然后高频变压器直接连接到AC/AC转换部分，产生与电网频率一样的交流电。

用高频变压器绝缘方式来联网的逆变器具有体积小和重量轻的优点，非常适用于较小功率的场合。这些年来，该方式的最小的光伏联网逆变系统-AC Module得到迅速发展。

(a)采用DC/DC变换装置

（c）部分采用DC/DC变换装置

图3-9采用高频变压器绝缘方式的联网逆变系统结构

AC Module是由一块光伏电池以及一个联网逆变器构成。与比它大的功率联网发电系统比较，其具有以下优点:

①易测试性，结构简单(没有高直流电压)，系统的可靠性更高;

②消除了大系统中光伏电池串并联而带来的功率损失，实现光伏电池真正的最大功率，效率较高;

③相对于高直流电压输入的系统，提高了安全系数;

④成本较低，易于进入市场，可以批量生产

⑤系统的安装调试的成本低，方便市场推广。

图3-10所示AC Module采用了图3-9( a)的框图结构，逆变器前级是100W

单端反激变换器，它加在光伏电池以及逆变桥中间，逆变桥为全桥结构、PWM

输出的正弦电流连接电网；图3-11中AC Module就采用图3-9(b)框图的形式，电路的前级为100兆的单端反激式变换器，且变换器和变压器用了两个绕组，它的后级通过MOSFET S2、S3二极管D2、D3以及滤波电路再与电网相连接，在这里正负电流是由反激变压器的两个绕组产生，然后连入电网。

图3-10 100兆前级单端反激变换器的联网逆变器拓扑结构

图3-11 100兆部分采用单端反激的联网逆变器拓扑结构

图3-9、3-10所示的联网的逆变器，为了使各开关损耗降低，前级单端的反激变换器一般在电流的断续状态下工作，来让开关在ZCS或ZVS的工作状态，提高了系统的效率。

图3-12是个250兆的AC Module 拓扑结构，前级采用了串联的谐振DC/DC变换器的结构的形式。为了消除在并网时带来的冲击的电流影响，就在

输出的回路上，把两个二极管(D6、D7)串接，如果从电网一侧看，和电网相连接的高频率逆变器就不能当作整流器来使用是因为二极管串接。

图3-12 250兆串联谐振DC/DC 变换器联网逆变器

AC Mo dule的各种类型拓扑结构都在不一样程度的采用高频率DC/DC变换的技术，来调节功率的输出。由于研究的发展，研究DC/DC变换的技术肯定会更加深入。

3、无变压器的方式

这种方式的结构如图3-13所示。一开始用无隔离DC/DC 变换器的装置把光伏电池的阵列直流的电压先提升到逆变器在并网时需要的直流的电压大小，再采用PWM的逆变器所产生的电网的频率的交流。使用此方式可以降低联网逆变器体积，减轻它的重量，降低成本，而效率及可靠性能够提高。

图3-13 无变压器的方式结构

采用高频变压器以及没有变压器的方式的联网的逆变器，因为在尺寸、成本、重量及效率等方面具有着优势，所以在小功率及分布式发电系统中，显然成为现在研究的热点以及未来发展的趋势。

随着联网的光伏发电系统功率的等级日益提高，也出现了使用DC的总线结构联网逆变器的电路形式，结构如图3-14所示。在联网逆变器的结构中，DC/DC

变换器包含了高频率变压器的绝缘以及无变压器这两种方式。

图3-14 包含DC总线结构联网逆变器

4 在光伏发电的系统中DC/DC变换器

DC/DC转换器是采用半导体的开关器件，通过控制开关器件导通以及关断时间，再配合电容、电感或高频变压器器件来连续改变以及控制输出为直流电压变换电路。可分为直接变换型以及间接变换型，前一个没有变压器的介入，直接来跟直流电压的变换，此电路也称为斩波电路;后一个将直流的电压变化为交流的电压，再经变压器的转换后再变换为直流的电压，这种直一交一直的电路也称为隔离型的DC/DC变换器。

这些年来，随着软开关以及高频化、三电平的技术的快速发展，DC/DC变换器的重量轻、体积小、效率高，让其愈来愈多地应用到光伏发电的系统中。相对传统的DC/DC的变换器，光伏发电系统中DC/DC变换器具有以下的特点:

①、发挥作用

顾名思义，传统DC/DC转换器，它的功能为变换一个不可控的直流的电压变为一满足系统的设计要求的、可控制的直流的电压；应用在光伏发电的系统中的DC/DC转换器电路，除了有直流的电压变换作用外，还有实现光伏电池最大功率点的跟踪的功能。

②、工作模式

传统DC/DC的变换器的要求是使得输出的电压保持可以控制，所以在闭环控制时，反馈的信号基本为输出的电压；而光伏发电的系统中，为实现MPPT,DC/DC变换器控制的要求是光伏电池输出的电压工作在最大功率点附近，也就是让变换器的输入电压基本为光伏电池最大的输出电压。当系统采取不同的MPPT算法时，所反馈的信号可以为转换器的输入的电压、功率或输出功率、电流等。

③控制信号给定的方式

传统的DC/DC变换器大多为专用芯片提供控制信号，它的控制较简单;但光伏发电系统中的DC/DC变换器，需得到光伏电池最大功率点，基本为单片机或DSP计算并给定控制信号。

④控制方式

传统的DC/DC变换器可以采用PWM以及PFM两种控制方式，然而光伏发电系统中的DC/DC变换器，在为了降低电路设计以及控制难度，并提高可靠性，大多采取PWM控制方式来调节开关管的占空比，从而实现系统设计要求。

4.1 非对称结构的Class D 的升降压电路

较大的功率的DC/DC变换器的主电路拓扑结构有很多种，例如推挽式、双管的正激式、全桥式以及半桥式等。在这其中的半桥式的[1]转换器又称之为D类转换器，自从Baxan dall 于1970年发明D类的转换器后以来，广泛应用D 类谐振变换器。由于对其控制方式很是简单，所以本文也以D类的转换器为实例，对DC/DC的软开关的PWM的变换器来进行研究，如图4-1所示:是非对称的结构的Class D的升降压电路，下面我们分别对其各个工作的过程以及其电路的特性进行研究。

图4-1非对称结构的Class D的升降压的变换器

4.1.1 电路器件的工作原理

功率的开关的组件Sl及S2为双向的开关，是由两个开关管Ql与Q2、两个反向的并联两个二极管，D1与D2所组成，在升降压的转换器中，其中一个开关管Q2、其中两个二极管D1与D3、还有储能的电感Lp与直流链的电容Cdc 相通，D3是用来阻止反向的储能电感电流能流入直流链电容，借着调整Q2的导通的时间来修正输入的电流大小，达到调整输入功率的目的，输出直流链电压Vdc作为下级负载末端的输入的电源；二极管D4防止开关Q2断开时，使得输入的电流流入Cdc中;在这中上以及下桥两个开关管是用了开关管型号为I R F2807的功率MOSFET 元器件。又因为ClassD的转换器的开关是单臂开关，所以这两个开关接地点肯定不同，上桥的接地端为向上浮接的，下桥的接地端是以及系统的地一模一样的,所以这两组驱动的电路的部分电源一定要由两组的电源来供给，不然肯定造成错误的动作。

在电压变换电路中如图4-2所示，开关QI及开关Q2分别由两个不同的、互相补充的闸极讯号Vgs1与Vgs2所触发，当Vgs1宽度增加时，Vgs2的相对宽度大小减少，反之同理。而两者之间一直存在一定的短暂的暂停时间，是为了防止Q I 、Q2会同时导通，而造成短路使电路烧毁。若我们忽略间歇时间，Vgs2它的占空比是dr时，所以Vgs1的占空比是(1-dr) 。

图4-2 场效应管所触发的脉冲宽度的示意图

4.1.2 PWM信号的产生

我们利用PWM的信号来控制DC-DC转换器MOSFET开关管的导通以及截止，输出电压Uab恒定，通过改变PWM信号的占空比来是光伏电池的工作电压改变，从而达到跟踪最大功率的目的。而PWM信号的占空比必需随着参数条件（也即最大功率点的改变）的变化而变化。

完全是硬件的PWM系统，它的硬件电路十分复杂，实现非常不容易，但是采用飞利浦公司最新推出P87 LPC 768号芯片[3]，使用它内部自带的脉宽调制器可以很方便的实现控制PWM波形。

P87 LPC 768含有四个通道来产生可以编程的脉冲以及间隔的宽度。信号PWMO从P0.1输出，信号PWM1从P1.6输出，信号PWM2从P1.7输出，信号PWM3从P0.0输出。在这我只用到前三个PWM信号。PWMO和PWM1信号各自控制DC/DC变换的电路的FET，信号PWM2输出至扰动电路。等到MCU复位之后，每一个PWM通道输出都为1[4]。

所有连续输出的间隔都由CNSW1以及10位倒计数器CNSWO控制的。计数器的内部MCU

时钟作为输入。UCFGI位为一时，PWM计数器时钟及时钟MCU与UCFG1中FOSC所设定时钟源的频率相同。UCFG1位为“0”时，

时钟MCU及PWM计数器时钟频率为UCFG 1中FOSC所定义的时钟源频率的一半。当计数器下溢时，重新装入用户设定的值。这种结构允许用户将PWM频率设定为MCU频率的任意整数分之一。

我们所用的CPU的时钟(也就是FOSC)为16MHZ时，P87 LPC 768的系统配置寄存器的UCFG1为28H，脉宽调制的时间基数是一个10位的计数器CNSWO以及CNSW1来控制的。这里我取FPWM是20KHZ的周期为5s，而计数器阴影寄存器的设定CNSW 1=#03h，CNSWO=# 1 Fh，脉宽的信息写入对应的比较器映象寄存器CPSW。而PWM的模块控制功能由PWMCONO 寄存器决定的。多数控制位操作都非常简明。映象的寄存器到控制的寄存器传送的数据是由PWMCON0.6(XFER)决定的，PWMCON0.7(RIJN)控制了pwm处于工作状态。接下来下将分别给出PWM信号的输出程序步骤图。

图4-3 PWM信号输出

程序的步骤图

PWM的初始化包含设置频率为20KHZ

置PWM控制寄存器(PWMCONO=36H, PWMCONI=OOH)，即各通道翻转输出，且取消制动功能，并初始化各PWM口占空比为0(既CPSWO=OOH，CPSWI=OOH,CPSW2=OOH, CPSW3=OOH)。控制P WMCON0.6控制将占空比值从映象寄存器送到工作寄存器后，启动PWMCON0.7输出即可得到相应占空比(CPSWn/(CNSW 1,CNSWO))的PWM信号。

4.1.3电路的工作模式

根据功率的开关的组件在其导通下的状态，可以将电路在高频率的工作的周期内可以分为四种工作模式，如图4-4所示。图4-5则为显示在各个工作情况下的电流电压的理论的波形。

一、工作模式I (t0

工作模式Ⅰ：闸极讯号Vgs2触发了开关Q2并使其导通，整流以后的输入的电压架在Lp 两端。不连续的工作的模式中，使电感的电流Ip从零开始慢慢增加，于是Q2会满足零电流的切换的条件而导通，然而，开关Q2导通的前面，场效应管被跨有输入电压，所以不能满足零电压的切换的条件。这电感的电流Ip从零开始线性慢慢增加，直至开关Q2 截止的时间，达到最大值。当开关Q2闸极触发的讯号为低电位，则开关Q2截止，这时进入工作模式II。

二、工作模式II (t1

工作模式II：是Q2开关截止，开关Ql还没导通的时间阶段，这时开关Q2截止，电感的电流由开关Q2转换到了二极管Dl上，经过直流链电容Cdc而形成回路。如上所述，闸极讯号Vgs1与Vgs2之间有一段暂停时间，在暂停时间结束后，Vgs1触发了开关Ql，此时因电流仍然流过Dl , 而Ql仍未导通，其两端电压等于二极管的导通电压(-0.7V)，差不多为零。在这个工作模式中，反向的直流链的电压跨在电感上，于是电感电流I逐渐减少。这表明开关Q1可以于零电流零电压切换导通。

三、工作模式III(t2

工作模式Ⅲ：是Q1开关导通，开关Q2也截止的时间段，在这个工作模式中，开关Q1保持电感电流Ip线性减少，同时对于这种不连续的工作模式，电感的电流Ip会在Ql开关截止之前，递减到零。

四、工作模式IV (t3

工作模式IV：为开关Q1截止与开关Q2尚未激发中间的短暂暂停时间，直流链电容Cdc充电完成，等待闸极讯号Vgs2将触发开关Q2，使其导通，开始另一次的循环。

从上面的四种工作模式的分析，我们可以看到直流链电容Cdc只有在工作模式Ⅱ以及Ⅲ时进行充电，但如果其两端电压够大，可忽略其涟波，直流链电压Vdc可视为可控的电压源。

图4-4 四种工作模式下的电流流通情况

图4-5 主回路信号理论波形

4.1.4 电路特性分析

本章节是针对非对称结构的Class D 升降压变换器，来进行电路的特性的分析与方程式的推导，分析电路在各种状态下的运转情形以及电路的工作特性。

设计储能电感工作在不连续电流模式DCM(Discontinuous Current Mode)下，能够提高电路的

工作效率。在输入电流变动时，可以改变主动开关组件的占空比来达到实现需要的输出功率的目的。储能电感电流工作于连续的电流模式;CCM(Continuous-Current-Mode) 。直流链电容Cdc足够大，，可忽略其涟波，将直流链电压Vdc视为电压源。

当0

其中dr与Ts分别为S2开关的占空比和切换周期，当t=drTs，电感的电流到达一切换周期的峰值，电感的峰值电流可以表示为如下:

(6-2)

当drTs

（6-3）

其中Vdc为直流链的电压。所以直流链电压Vdc需要足够高，让电路能够工作于DCM状态。所以当电路设计参数选择得当时，流经电感的电流Ip 为0，我们得出输出、输入的电压关系式为:

（6-4）

根据公式我们可以看出，输出电压就由输入电压以及其占空比所决定，当dr = 0.5时,Vab=Vref；当dr< 0.5时，Vab0.5时，Vab>Vref。这样下来DC/DC变换器所得到的输出电压既可以为低的输出电压，又可以为高的输出电压。实现了升降压的变换的目的。

4.1.5 恒电压DC/DC变换控制原理图

关于对DC/DC变换电路控制设计，主要为电压的控制型与电流的控制型这两大类。电流的控制型是建立在电压的控制型的基础上，增加了一个电流的负反馈的环节用来控制系统。电压的控制型是对输出电压采样的，用来作为反馈信号来进行闭环的控制，我们采用PWM技术来调节输出的电压。在这次设计中，我采用了电压的控制型的控制系统，其结构如下图所示: 图4-6 恒电压DC/DC变换控制原理图

图中所谓的参考电压就是设计要求的输出电压，PWM输出控制器是在软件实现时的一种PID算法。

4.2 双管正激的组合式变换器

对有隔离要求DC- DC 变换电源，单端正激式的变换器因其结构简单. 性能价格比低，在中小功率场合得到广泛应用，因为开关管关断的时候

承受峰值的电压是电源的电压的2倍. 所以只限用低电压的输入和小功率的输出场合。之后提出的双管的正激的变换器，尽管解决的开关管在断开时承受耐压值的问题，然而开关管的工作的效率较低( 其占空比D<0.5)。尽管对开关管的工作的效率改良过，不过它是面对离散性的阶梯波的。

针对上面的情况，提出了一种双管的正激的组合式DC- DC变换器的电路，这个电路既解决了开关管的关断时的管耐压的问题。开关管的工作效率也有提高。

4.2.1 主电路的结构

主电路拓扑结构

双管正激组合式的DC-DC 变换的电路的主电路结构和各开关管的驱动波形如图(a)、(b)所示。

(a)

（b）

图4-7 主电路结构和各开关管的驱动波形

与普通的双管正激式的变换器不同的是:

(1) 多了开关管和隔离的变压器。

(2) 两变压器互相独立，串联变压器次级向负载供应能量。

4.2.2主电路的工作的原理

(1）t0-t1阶段: 开关管S1、S2导通，变压器T1次级感应出上正下负的电压Vin*Np/Ns( Ns,Np 分别为变压器初次级匝数), 变压器

T1传输能量，此时变压器T2次级两端电压为零。

(2)t1-t2阶段: 开关管S1、S2关断，变压器T1中的励磁电流以及初级漏感电流不能突变，箱位二级管D1、D2导通，变压器T1中的能量经二极管D1、D2向电源回馈。

由于有箱位二极管D1、D2，所以S1、S2关断时承受的瞬时峰值电压不高于输入电压Vin,电容C1起隔直作用，防止电源电压在D2导通期间经开关管S2对地短路.

(3)t2-t3阶段:开关管S2、S3导通。变压器T2次级感应出上正下负的电压

Vin*Np/Ns, 变压器T2传输能量,此时变压器T1次级两端电压为零。

(4)t3-t4阶段:开关管S2、S3关断，使变压器T2中的励磁电流以及初级漏感电流不能突变，箱位二级管D2、D3导通，变压器T1中的能量经二极管D1、D3向电源回馈。箱位二极管D2、D3使S1、S2关断的时候承受的瞬时的峰值电压不能高于输入的电压Vin。

从上面的工作流程可以看出，尽管一个双管正激式变换器工作时，它的占空比还是小于0.5.但因为两个双管正激式变换器交替得工作，所以其占空比会大于0.5。其工作效率非常高。

4.2.3 基本理论的分析

变压器T1以及T2,在同一周期的不同时刻传输能量基本的表达式为:

t0-t1阶段的变压器T1输出的电压为:

t2-t3阶段的变压器T2输出的电压为:

NS,NP为变压器的初次级匝数，D1，D2为开关管S1，S3的占空比。

可以知道输出电压仅由电源电压、变压器匝比以及占空比决定，与负载的电阻无关。

开通时原边的电流变换为:

t0-t1阶段：

t2-t3阶段：

其中Lp为变压器T1以及T2原边磁化的电感。Ns,Np分别为变压器次级匝数。

其一周期内电流为:

可见，其输出电流与占空比有关,且占空比远大于0.5。

结论

本论文是以课题“光伏最大功率跟踪系统的设计-DC/DC变换模块”为主干内容。根据课题要求设计了太阳能最大功率跟踪的DC/DC模块。使用好太阳能光伏的最大功率跟踪这基本理论，我们才能够最有效的最大限度的使用这可再生的清洁的能源。在这个能源日渐匮乏的年代，不管是谁掌握了光伏的核心技术都能够为自己以及他人创造财富。太阳能以它无污染、安全、可靠、可再生等特点，在可持续发展中占据了及其重要的地位。随着电力电子技术的不断发展，光伏发电的成本有望降低，为将来光伏进入寻常百姓家打好基础。

总之，今后以太阳能为能源的技术会越来越繁荣，在提高太阳能的光电转换效率，与国网并联发电，对供电的系统作监控保护等许多方面还有许多问题有待研究。太阳能电力的前景应用无疑是令人十分憧憬的。

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法 2011年12月29日作者：周建华李冰郭玲田苗苗陈增禄来源：《中国电源博览》总第128期编辑：孙伟摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。 1 引言日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，并且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到2000万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常用的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。 2 光伏组件的特性 A. 物理数学模型根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。其中： IPH 与日照强度成正比的光生电流； I0 光伏组件反向饱和电流，通常其数量级为10-4A；

n 二极管因子； q 电子电荷，； K 玻尔兹曼常数, J/K； T绝对温度（K）； RS光伏组件等效串联电阻； RP光伏组件等效并联电阻；式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。 B. 温度、光照对输出特性的影响受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化可以看出。

太阳能自动跟踪系统的设计

太阳能自动跟踪系统的设计 1引言开发新能源和可再生资源是全世界面临的共同课题，在新能源中，太阳能发电已成为全球发展最快的技术。太阳能作为一种清洁无污染的能源，开发前景十分广阔。然而由于太阳存在着间隙性，光照强度随着时间不断变化等问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求(见图1)。目前很多太阳能电池板阵列基本都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。据测试，在太阳能电池板阵列中，相同条件下采用自动跟踪系统发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右。所谓太阳能跟踪系统是能让太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。目前市场上所使用的跟踪系统按照驱动装置分为单轴太阳能自动跟踪系统和双轴太阳能自动跟踪系统。所谓单轴是指仅可以水平方向跟踪太阳，在高度上根据地理和季节的变化人为的进行调节固定，这样不仅增加了工作量，而且跟踪精度也不够高。双轴跟踪可以在水平方位和高度两个方向跟踪太阳轨迹，显然双轴跟踪优于单轴跟踪。图1 太阳能的收集装置现场从控制手段上系统可分为传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪(程序跟踪)。传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光线是否偏离电池板法线，当太阳光线偏离电池板法线时，传感器发出偏差信号，经放大运算后控制执行机构，使跟踪装置从新对准太阳。这种跟踪装置，灵敏度高，但是遇到长时间乌云遮日则会影响运行。视日运动轨迹跟踪，是根据太阳的实际运行轨迹，按照预定的程序调整跟踪装置。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，其精度不是很高，但是符合运行情况，应用较广泛。从主控单元类型上可以分为PLC控制和单片机控制。单片机控制程序在出厂时由专业人员编写开发，一般设备厂家不易再次进行开发和参数设定。而学习使用PLC比较容易，通过PLC厂家技术人员的培训，设备使用厂家的技术人员可以很方便的学会简单的调试和编写，并且PLC能够提供多种通讯接口，通讯组网也比较方便简单。

光伏电池及其最大功率点跟踪讲解学习

光伏电池及其最大功率点跟踪 1光伏电池 1.1 光伏电池简介太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能即时转化为电能的器件。当太阳光照在半导体p-n结上，由于吸收了光子的能量，会形成电子--空穴对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，这使得相应区域的主载流子的浓度在靠近p-n结部分增加，而这种局部浓度的增加必然使得主载流子朝着外部接触面的方向扩散，导致外部端子上产生电压，接通电路后就形成电流。单体的单晶硅光伏电池的输出电压在标准照度下只有0.5V左右，常见的单体电池输出功率一般在1W左右，一般不能直接作为电源使用。单体电池除了容量小以外，其机械强度也较差。因此在实际应用中，将若干光伏电池单体串并联并封装起来成为有比较大的输出功率（几瓦到几百瓦不等）的太阳能电池组件。光伏电池组件再经过串并联就形成了光伏电池阵列，可以作为大型光伏并网逆变器的功率输入。图2.1 太阳能电池单体、组件、方阵示意图

1.2 光伏电池数学模型光伏电池的数学模型[12]可以由图2.2所示的单二极管等效电路[13]来描述。图中L R 为光伏电池的外接负载，负载电压为L U ，负载电流为L I 。s R 和sh R 为光伏电池内阻。s R 为串联电阻，通常阻值较小，取决于体电阻、接触电阻、扩散电阻以及电极电阻等；sh R 为旁路电阻，一般阻值较大，取决于电池表面污染和半导体晶体缺陷引起的边缘漏电以及耗尽层内的复合电流等。VD I 为通过p-n 结的总扩散电流。sc I 代表光子在光伏电池中激发的电流，取决于辐照度、电池面积和本体温度T 。 L I L 图2.2 光伏电池的单二极管等效电路 )1(0-=AKT qE D VD e I I (2.1) 式中0D I 为光伏电池在无光照时的饱和电流。旁路电阻两端电压s L L sh R I U U +=，流过旁路电阻的电流为 ()sh s L L sh R R I U I /+=。由以上各式可得负载电流为： sh s L L AKT R I U q D sc L R R I U e I I I s L L +-??? ? ??--=+1)(0 (2.2) 一般s R 很小，sh R 很大，可以忽略不计。可得理想光伏电池特性：

关于编制太阳能光伏发电自动跟踪系统项目可行性研究报告编制说明

太阳能光伏发电自动跟踪系统项目可行性研究报告编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司编制时间：https://www.360docs.net/doc/0e7487158.html, 高级工程师：高建

关于编制太阳能光伏发电自动跟踪系统项目可行性研究报告编制说明（模版型）【立项批地融资招商】核心提示： 1、本报告为模板形式，客户下载后，可根据报告内容说明，自行修改，补充上自己项目的数据内容，即可完成属于自己，高水准的一份可研报告，从此写报告不在求人。 2、客户可联系我公司，协助编写完成可研报告，可行性研究报告大纲（具体可跟据客户要求进行调整）编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司专业撰写节能评估报告资金申请报告项目建议书商业计划书可行性研究报告

目录第一章总论 (1) 1.1项目概要 (1) 1.1.1项目名称 (1) 1.1.2项目建设单位 (1) 1.1.3项目建设性质 (1) 1.1.4项目建设地点 (1) 1.1.5项目主管部门 (1) 1.1.6项目投资规模 (2) 1.1.7项目建设规模 (2) 1.1.8项目资金来源 (3) 1.1.9项目建设期限 (3) 1.2项目建设单位介绍 (3) 1.3编制依据 (3) 1.4编制原则 (4) 1.5研究范围 (5) 1.6主要经济技术指标 (5) 1.7综合评价 (6) 第二章项目背景及必要性可行性分析 (8) 2.1项目提出背景 (8) 2.2本次建设项目发起缘由 (8) 2.3项目建设必要性分析 (8) 2.3.1促进我国太阳能光伏发电自动跟踪系统产业快速发展的需要 (9) 2.3.2加快当地高新技术产业发展的重要举措 (9) 2.3.3满足我国的工业发展需求的需要 (9) 2.3.4符合现行产业政策及清洁生产要求 (9) 2.3.5提升企业竞争力水平，有助于企业长远战略发展的需要 (10) 2.3.6增加就业带动相关产业链发展的需要 (10) 2.3.7促进项目建设地经济发展进程的的需要 (11) 2.4项目可行性分析 (11) 2.4.1政策可行性 (11) 2.4.2市场可行性 (11) 2.4.3技术可行性 (12) 2.4.4管理可行性 (12) 2.4.5财务可行性 (13) 2.5太阳能光伏发电自动跟踪系统项目发展概况 (13)

自动跟踪太阳能光伏发电系统方案

自动跟踪太阳能光伏发电系统方案方案需求 ?光伏发电管理急需精细化，降本增效。 ?传统光伏支架未能最大化利用太阳能，无法跟踪光照。 ?光伏板依靠本地维护人员巡检管理，人工成本高，且存在漏检现象。方案介绍宇飞太阳能自主研发的自动跟踪太阳能光伏发电系统，是一种能随着太阳角度变化，按照一定的算法，控制太阳能板转动，增加有效受光面积，从而增加电厂发电量带来更高收益的自动化控制系统，可以理解为“向日葵”。自动跟踪太阳能光伏发电系统其实是一套负反馈控制系统，工控机采集角度传感器信息后，根据当前角度与目标角度的差异，下发控制指令驱动电机带动推拉杆运动使太阳能板旋转，直至采集回来的当前角度与目标角度吻合。系统组成自动跟踪太阳能光伏发电系统由：太阳能跟踪支架，太阳能组件，带监控模块的MPPT控制器，蓄电池，逆变器及连接线缆组成。太阳能跟踪支架规格参数

1、立柱直径：φ220mm 2、立柱高度：650mm 3、安装容量：最大6块450W 4、光伏板倾角：25度角度固定 5、抗风能力：14级，带细钢丝绳斜拉结构； 6、材料：不锈钢材料 7、旋转精度：1度 8、旋转速率：12分钟旋转半圈 9、旋转角度：220度， 10、提高发电量：天气晴好情况下，冬季提高发电量15%；春秋季提高30%；夏季提高45%；综合全年提高25-35%（不同地区发电量提高有区别） 11、控制器电源：12V由光伏板输出供电（或者提供集中12V 直流供电） 12、控制方式：将光伏板固定好，并将追日控制器接好电源线后，天气晴朗条件下旋转立柱自动带着光伏板跟踪太阳；在天阴时，自动转入时控控制状态，每隔5分钟自动旋转1度； 13、而且每个旋转立柱内部都有同步控制系统，确保每台旋转立柱每次旋转的角度完全一致，光伏板以最强光强功率发电。晚上天黑，自动回东。 14、由多个旋转立柱组成的各种规模的光伏电站，由于旋转立柱的东限位位置全部一致，旋转立柱内置机械同步装置，可以确

光伏最大功率点跟踪系统MPPT的设计【文献综述】

毕业设计开题报告电气工程及其自动化光伏最大功率点跟踪系统MPPT的设计 1前言部分随着社会生产的日益发展，人们对能源的需求每天都在增加，全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140亿吨标准煤，25年间增长了69.7%，到2020年，全世界对能源的消耗预计将达到195亿吨标准煤。如果人类对能源的需求以目前的速度增长，根据公式计算，全世界的石油将在40年后被消耗殆尽，天然气和煤业最多能维持60年和200年左右。由此可见，研究和开发新能源的需求十分迫切，采用新能源和可再生能源不仅能解决能源短缺的问题，还能保护生态环境，减少污染，是走经济社会可持续发展的重大措施。太阳能资源丰富、分布广发、可再生、无污染，是当今国际社会公认的理想能源替代品[1]。能源危机迫在眉睫。根据对石油储量的综合估算，可支配的传统能源的极限大约为1180到1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2040左右年宣告枯竭;天然气储备估计在131800到152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在60年内枯蝎;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期;核聚变到2050年还没有实现的希望。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终将葬送现代市场经济[2]。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由传统能源的重新配置与分配而引发。总之，能源危机随时会爆发，它的爆发将具有爆炸性[3]! 当今世界太阳能光伏技术的利用，特别是在非洲、美洲、澳洲、亚洲各国，其增长幅度相当大，只要原因是近几年来太阳能电池、电力电子及微电子技术的快速发展，以及人们环保意识的不断增强[4]。太阳能发电与其他发电系统相比具有许多优点： 1.太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能量的6000倍。

太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨

第31卷　第4期 2008年8月电子器件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol.31　No.4Aug.2008 Study T echnology of Maximum Pow er Point T racker on the Solar Cell 3 YA N G Fan 3 ,P EN G Hong 2w ei ,H U W ei 2bi n g ,L I Guo 2pi ng ,J I A N G Yan (College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology ,W uhan 430073,Chi na ) Abstract :Outp ut characteristic of t he solar battery in p hotovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced.Bot h t he merit s and flaws of several t racing met hods in common usage are analysed.The emp hasis of t he st udy is Maximum Power Point Tracker based on quadratic interpolation.A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO ),which is based on regular empirical approach and t he quadratic interpolation.The result of t he test indicates t hat t he M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.K ey w ords :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point Tracker EEACC :8250 太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨 3 杨　帆3,彭宏伟,胡为兵,李国平,姜　燕 (武汉工程大学电气信息学院,武汉430074) 收稿日期:2007208220 基金项目:湖北省教育厅基金资助(20060271)作者简介:杨　帆(19662),女,硕士,硕士生导师,教授,主要研究方向为智能仪器与测控技术,yangfan188@https://www.360docs.net/doc/0e7487158.html,. 摘　要:介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理。分析了多种常用的跟踪方法的优缺点。重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术。并设计了一个系统,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率。关键词:太阳能电池;二次插值;最大功率点跟踪中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421081204 太阳能作为绿色能源,具有无污染,无噪音,取之不尽,用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵,因此,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,如何充分利用光伏阵列转换的能量,一直是光伏发电系统研究的重要方向。太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PP T (Maximum Power Point Tracker )就是其中一个重要的研究课题。最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术,它是指,为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点上,根据太阳能电池的特性,目前实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳追踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。出于经济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法[1]。M PP T 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15%～36%。 1　太阳能电池的伏安特性分析太阳能电池的伏安(p 2u )特性如图1所示,图1(a )为温度变化时的p 2u 特性曲线,图1(b )是日照强度变化时的p 2u 特性曲线。从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性。太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流稍有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加,最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪

光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法 12月29日作者：周建华李冰郭玲田苗苗陈增禄来源：《中国电源博览》总第128期编辑：孙伟摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。 1 引言日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，而且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常见的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。 2 光伏组件的特性

A. 物理数学模型根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。其中： IPH 与日照强度成正比的光生电流； I0 光伏组件反向饱和电流，一般其数量级为10-4A； n 二极管因子； q 电子电荷，； K 玻尔兹曼常数, J/K； T绝对温度（ K）； RS光伏组件等效串联电阻； RP光伏组件等效并联电阻；

式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。 B. 温度、光照对输出特性的影响受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化能够看出。

光伏发电系统中的最大功率点跟踪

光伏发电系统中的最大功率点跟踪摘要：所谓MPPT(最大功率点跟踪)，即是指控制器能够实时侦测太阳能电池板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使得光伏组件工作在最大功率点输出状态下，实现光伏逆变器的最大功率输入，提高阳光的利用率。光伏电池输出特性具有明显的非线性,受到外部环境包括日照强度、温度、负载以及本身技术指标如输出阻抗等影响，只有在某一电压下才能输出最大功率，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。由于目前光伏电池的光电转换效率比较低，为了有效利用光伏电池，对光伏发电进行最大功率跟踪 (MaximumPowerPointTracking ，简称MPPT)显得非常重要。太阳能光伏并网发电系统太阳能电池原理太阳能电池由硅半导体PN 结构成，在硅半寻体中从硅原子的价电子层中分离出一个电子需要一定的能量，该能量称为硅的禁带宽度（在室温下硅的禁带宽度为1.12eV ），当一定强度的光照射到硅半导体时，能量大于硅的禁带宽度的光子将使硅半导体中的价电子受到激发而成为自由电子，从而在半导体内形成光生电子－空穴对，这些电子－空穴对由于热运动会向各个方向扩散。当这些电子、空穴扩散到PN 结边界时在内建电场作用下，在N 区的电子－空穴会进入P 区，而在P 区的电子则在电场作用下进入N 区，从而在PN 结的两侧产生正负电荷的积累，使P 型层带正电，N 型层带负电，因此在PN 结上产生了电动势。这个现像被称为“光生伏特效应”。 R 光照图错误!文档中没有指定样式的文字。.1光伏电池原理太阳能电池特性目前光伏系统中使用的电池多为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜电池，这些硅电池的输出具有强烈的非线性特性，他们的输出受太阳光照强度、环境温度以及负载的影响，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.2所示是在恒度温度下，不同光照强度时太阳能硅电池的输出特性。

太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨

最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用

最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用3X 赵庚申33,王庆章 (南开大学光电所,天津300071) 摘要:对最大功率跟踪控制中DC2DC变换器的原理和控制方法进行了实验研究,利用DC2DC转换电路和单片机控制系统实现最大功率点跟踪,使太阳电池始终保持最大功率输出;和普通的控制器相比增加输出功率5%～15%。关键词:光伏(PV);最大功率点跟踪(MPPT);DC2DC变换器中图分类号:TP206 文献标识码:A 文章编号:100520086(2003)0820813204 T racing and Control of Maximum Pow er Point in a PV System ZHAO G eng2shen33,WAN G Qing2zhang (Institute of Photoelectronics,Nankai University,Tianjin300071,China) Abstract:Principle and control method of DC2DC conversion for MPPT in a solar cell system experi2 mentally discussed.MPPT was implemented with a DC2DC conversion circuit and a MCU control system,and more output power of5to15percent than common control mathod was achieved. K ey w ords:photovoltaics system(PV);maximum power point tracking(MPPT);DC2DC conversion 1　引　言独立光伏系统一般是由储能蓄电池电压来选择太阳电池输出电压,而对蓄电池的充放电控制则是通过监控蓄电池的电压实现,控制工作电压在一定程度上可以调节太阳电池的输出。但太阳电池的最大功率点是变化的。当太阳电池的最大功率点超出所控制的范围时,就会浪费一部分能源。因此,为了有效利用太阳能,就必须跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出;同时将蓄电充电电压限制在一定的范围,以保证蓄电池有稳定的电压。在并网发电光伏系统中,通过跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出,可以随时将系统富裕的电能馈送到常规电网,最大限度地利用太阳能。 DC2DC变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路,被广泛应用于开关电源、逆变系统和用直流电动机驱动的设备中[1]。用DC2DC变换器可以实现最大功率点的跟踪(MPPT)。实际使用中用DC2DC变换器实现MPPT有不同的方法,其中谐振法是利用开关型电压逆变器的输出电压,通过电感、电容产生谐振,电感上的电压通过变压器和桥式整流向蓄电池充电。该方法可以通过改变工作频率来调节输出电压和电流,实现MPPT,但线路较复杂,需用中间变压器,本文将DC2DC变换器接入太阳电池的输入回路,并将对DC2DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算,由单片机输出PWM脉冲调节DC2DC转换器内部开关管的占空比来控制太阳电池的输出电流,从而使蓄电池电压保持恒定。同时通过控制开关管的占空比也可调节太阳电池输出。由于采用了升降压式(buck2boost)DC2DC转换电路[2]来实现MPPT,所以该方法电路简单、软硬件结合、控制方法灵活。 2　MPPT原理和控制方法[3] 2.1　升降压式DC2DC变换电路升降压式DC2DC转换电路原理如图1。在开关管Q1处于导通状态时,电源给电感L充电,L上的光电子?激光第14卷第8期　2003年8月 J ournal of Optoelectronics?L aser Vol.14No.8　Aug.2003 X收稿日期:2003203212 　3　基金项目:“十五”国家重大科技攻关资助项目(2002BA901A44) 　33E2m ail:zhaogs@https://www.360docs.net/doc/0e7487158.html,

分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率

如何利用分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激励政策和传统电力成本不断攀升的影响，越来越多的家庭开始转向太阳能，并在屋顶安装光伏（PV）系统。按照目前的光伏系统价格计算，用户通常在 7-8 年后才能获得投资回报。政府激励政策和光伏系统的使用寿命必须能持续 20 年或更久。太阳能光伏系统的投资回报取决于该系统每年的发电量，因此用户需要的光伏系统必须具备高效、可靠和易于维护等特性，从而可以获得最大限度的发电量。如今，很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽会影响到系统的发电量。部分阴影遮蔽对太阳能光伏系统的影响：当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时，就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。部分遮蔽导致的系统失配对发电量的实际影响很难通过简单的计算公式获得。因为影响系统发电量的因素很多，包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组列”。每个组列由一个旁路二极管来保护，以免一个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。本文来自环球光伏网光伏阵列由串联在一起的光伏模块通过并联构成。每串光伏模块的的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。当光伏系统部分被遮蔽时，未被遮蔽的电池中的电流流经被遮蔽部分的旁路二极管。当光伏阵列受到遮蔽而出现上述情况时，会产生一条具有多个峰值的 V-P 电气曲线。图 1 显示了具有集中式最大功率点跟踪系统( MPPT) 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽。集中式 MPPT无法设置直流电压，因此无法令两个组列的输出功率都达到最大。在高直流电压点 (M1)，MPPT 使未遮蔽组列的输出功率达到最大。在低直流电压点 (M2)，MPPT 将使遮蔽组列的输出功率达到最大：旁路二极管绕过遮蔽电池板，此组列的未遮蔽电池板将提供全量电流。阵列的多个 MPP 可能导致集中最大功率点跟踪（MPPT）配

基于光伏发电的自动跟踪系统的设计方案

基于光伏发电的自动跟踪系统的设计方案跟踪系统设计方案 2.1控制方法的确定 2.1.1该领域现有的控制方法太阳电池方阵的发电量与入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，改变入射角，发电量明显下降。基本原理与结构：由两台电动机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构，光电传感器置放大，与太阳电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变，传感器失衡，引起系统输出信号产生偏差，当这一输出信号达到一定幅度时，方向开关电路启动，执行机构开始进行纠正，使光电传感器重新达到平衡，即太阳能电池板方阵平面与光线成90度角而停止转动，完成一次调整周期。如此不断调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路负反馈系统，实现了跟踪。该系统不需设定基准位置，跟踪器永不迷失方向。系统设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试[4]。系统结构如图2-1所示。阴天或太阳被云层遮挡时，光线很弱，发电量极小，跟踪将无意义，系统会自动停止跟踪。即使天边某处透出相对较亮的光线，跟踪器也不会被误导跟踪，实现了防杂光干扰。云散日出时，自动跟踪器即时响应，找到太阳，跟踪到位。傍晚光线消失，已不能发电，传感器会发出信号，夜间停止电路启动，并转回到，转动机构上下终点共设 4个限位开关，以防万一出轨。图2-1 双轴光伏发电自动跟踪系统结构框图跟踪器所用传感器有三种：方位和仰角太阳传感器，风力传感器，日光开关。太阳传感器是把聚光电池阵列法线偏离太线的角度信号转变为电信号的装置，它是跟踪系统的重要部件，在很大程度上决定跟踪的精度。太阳传感器测量太阳的方位，如有偏向，通过驱动电机的运转使电池阵列对准太阳。风力传感器采用感应式器件，当风力达到一定强度（如

最大功率跟踪原理及控制方法

最大功率跟踪原理及控制方法 2.1最大功率跟踪原理太阳能电池的输出特性如图一所示，从图中的P/V特性曲线可以看出，随着端电压的增加输出功率先增加后减小，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率，因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点,使之始终工作在最大功率点附近,这一过程就称之为最大功率点跟踪-MPPT。图一光伏电池的特性曲线 2.2 最大功率跟踪的控制方法 MPPT的控制方法：光伏系统中的最大功率点跟踪的控制方法很多，使用最多的是自寻优的方法，即系统不直接检测光照和温度，而是根据光伏电池本身的电压电流值来确定最大功率点。这种方法又叫做TMPPT(True Maximum Power Point Tracking)。在自寻优的算法中，最典型的是扰动观察法和增量电导法。本论文使用扰动观察法，扰动观察法主要根据光伏电池的P-V特性，通过扰动端电压来寻找MPPT，其原理是周期性地扰动太阳能电池的工作电压值( ),再比较其扰动前后的功率变化，若输出功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向(+ )扰动；若输出功率值减小，则往相反(- )方向扰动。通过不断扰动使太阳能电池输出功率趋于最大，此时应有[8]。此过程是由微处理器即C8051F320控制完成的。 3、系统的总体结构 3.1系统的结构图系统的结构图如图二所示。其中单片机要采集太阳能电池的输出电压和输出电流及蓄电池的充电电流和开路电压，通过一定的控制算法（即改变占空比），调节太阳能电池的输出电压和电流，从而实现太阳能电池在符合马斯曲线的条件下以最佳功率对蓄电池充电，系统的硬件主要由核心控制模块、采样模块、驱动模块、升压式DC/DC变换器模块组成。

最大功率点跟踪(MPPT)

电子知识最大功率点(2)MPPT(14) MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking)太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压(Vpp)大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，(有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊)在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V! 现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大

的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器为什么要使用MPPT ? 太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线来表示。电池组件的瞬时输出功率(U*I)就在这条U-I曲线上移动。电池组件的输出要受到外电路的影响。最大功率跟踪技术就是利用电力电子器件配合适当的软件，使电池组件始终输出最大功率。如果没有最大功率跟踪技术，电池组件的输出功率就不能够在任何情况下都达到最佳(大)值，这样就降低了太阳能电池组件的利用率。 IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/O BUFFER快速准确建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。 IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先完成四件工作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原始数据转换为IBIS格式方法；提供用于仿真可被计算机识别布局布线信息；提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析

太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计

太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计发表时间：2019-09-21T11:56:42.470Z 来源：《基层建设》2019年第18期作者：廖春华 [导读] 摘要：为了提高太阳能的利用效率，设计了太阳能光伏发电自动跟踪控制系统。广东保威新能源有限公司 528000 摘要：为了提高太阳能的利用效率，设计了太阳能光伏发电自动跟踪控制系统。本文首先对光伏发电进行了简述，介绍了光伏电池的发电原理及光伏发电的优点和不足；其次对光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪这两种自动跟踪方式进行了探讨；最后对自动跟踪控制系统设计进行分析。关键词：太阳能；自动跟踪；视日运动跟踪；光电跟踪；硬件；软件引言随着全球工业的快速发展，全球能源匮乏和大气污染日益严重。太阳能作为一种清洁可再生能源，对解决以上问题起到了不可替代的作用。我国太阳能资源丰富，分布广泛，提高太阳能的利用率，可为我国经济的可持续发展提供强有力的动力支援。当前，如何提高太阳能的接收效率成为研发的重点。一、光伏发电 1.1光伏电池太阳能光伏发电主要通过光伏电池进行光能和电能之间的转化，通过PN结的电场效应产生电能。当前光伏电池的种类很多，制作工艺也有很多种，其原理是一致的，如图1所示。图1光伏电池的发电原理图光伏电池的发电效率随着太阳光谱分布、太阳光强度及电池自身温度等的变化而不断变化。 1.2光伏发电的优点光伏电池是以PN结半导体为主，在地球上拥有丰富的半导体制作原材料——硅，因此光伏发电与传统的发电设备相比，有以下优点：（1）太阳能非常丰富，取之不尽，用之不竭，在当前看来，太阳能是一种可以“无限”使用的可再生免费能源。（2）光伏发电不会产生噪声、有害气体、磁场、光等对人体造成影响的污染物，是真正的绿色环保能源。（3）适合于各种有太阳光照的环境，一旦安装调试成功，无需进行材料的运输。（4）当前的光伏设备的使用寿命一般长达25年以上，随着工艺和技术的提高，其使用寿命还会不断增长。 1.3光伏发电的不足光伏发电的能力与太阳光的强度有着直接的关系，当前社会上的光伏设备一旦安装，在一天之中，其发电的能力随着太阳的转动而不同，这使得发电的效率受到极大的影响。另外，自然界中的风也可能改变光伏电池原有的位置，严重影响光伏电池的发电效率。二、太阳能跟踪控制方法目前国内外太阳能跟踪控制方法有很多种，常用的跟踪控制方法主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种方法。 2.1视日运动轨迹跟踪方法太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点的太阳位置，从而完成对日跟踪。可以认为，早上太阳从东方升起经正南方向向西运动并落山，太阳在方位角上以15°/h匀速运动，24h移动一周。高度角等于当地纬度作为一个极轴不变。跟踪过程是将固定在极轴上的太阳能电池板以地球自转角速度15°/h的速度转动，即可达到跟踪太阳，保持太阳能电池板平面与太阳光线垂直的目的。该方法控制简单，但安装调整困难，初始角度很难确定和调节，受季节等因素影响较大，控制精度较差等。 2.2光电跟踪方式图2光电跟踪控制示意图光电跟踪是国内外常用的跟踪方式。高度角和方位角分别利用两只光敏管进行太阳跟踪。4只光敏管安装在一个透光的玻璃试管中。如图2所示，每对光敏管被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧。当太阳光线垂直照射光伏阵列时，两只光敏管的感光量在误差允许的范围