户用型光伏发电系统最大功率跟踪及储能装置的研究

摘要

能源危机与环境污染是当今世界面临的两个重大问题，经历了煤、石油、天然气等化石燃料大量开采的阶段，许多国家已经着眼于对可再生能源的研究与开发。太阳能具有可再生性和清洁性的特点，取之不尽、用之不竭，在国内外广泛应用，表现形式多种多样，已成为当今世界新能源利用的主流发展趋势。本文针对偏远地区用电困难的现状，建立了一种新型户用光伏发电系统结构，主要研究了DC-DC变换器模块，采用单组件独立MPPT控制方式和蓄电池3+1段充电控制策略，解决了阴影遮蔽下光伏发电效率低和蓄电池使用寿命短的问题，使其更适用于偏远地区的供电。
　　本文介绍了光伏电池的工作原理，在光伏电池等效电路模型的基础上，对光伏组件进行了仿真建模，得到的输出特性曲线与实际曲线相吻合，阐述了影响最大功率点的因素和最大功率跟踪控制算法的实质，仿真比较了三种MPPT控制算法，结果表明占空比扰动法可以更快速的跟踪到最大功率点，提出了目前MPPT技术存在的问题，明确本课题的主要研究内容。分析了阴影对串联光伏组件、并联光伏组件和集中式光伏阵列输出特性的影响，并在阴影下对集中式光伏阵列的输出特性进行实验验证，结果表明，阴影会引起功率电压曲线出现多个极值点，输出功率下降，且串联组件个数越多造成的失配损耗越大，光伏阵列的结构与阴影情况都会引起输出特性发生变化，导致发电效率降低。介绍了光伏发电系统的四种结构，详细分析了每个结构的优缺点，根据户用型光伏发电系统的设计要求，建立了一种新型户用光伏发电系统结构，采用单组件独立MPPT控制方式，解决了光伏阵列受阴影影响输出功率下降的问题。设计了以STM32F100C8T6为控制核心的硬件电路，主要包括MOSFET驱动电路、采样调理电路、供电电源模块、蓄电池防反接电路，并对电路进行了调试，实验结果表明，所设计的电路工作稳定可靠，能够满足设计要求。根据电路要求，规划了软件的整体框架，以RealView MDK为软件开发平台，采用模块化设计思想，对定时器中断服务程序、A/D转换子程序、软件滤波子程序、最大功率跟踪控制算法子程序和蓄电池充电管理控制子程序进行了编写，在设计的硬件电路上进行了调试。调试结果表明，所编写的软件程序合理可行，且运行稳定，能够完成要求的功能。搭建了实验平台，对最大功率跟踪和蓄电池充电管理功能进行了实验验证，结果表明，所设计的硬件电路和编写的软件程序合理可行，可以达到设计的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外光伏产业的发展状况

1．2．1 国外光伏产业发展状况

1．2．2 国内光伏产业发展状况

1．3 最大功率跟踪技术的研究现状

1．3．1 无阴影遮蔽的最大功率跟踪技术研究现状

1．3．2 有阴影遮蔽的最大功率跟踪技术研究现状

1．4 蓄电池充电管理的研究现状

1．5 本文的主要研究内容和章节安排

第二章 光伏电池模型及MPPT技术

2．1 光伏电池的工作原理

2．2 光伏电池电路模型及工作特性

2．2．1 光伏电池的等效电路模型

2．2．2 光伏电池的工作特性

2．3 光伏组件的仿真模型及输出特性

2．4 最大功率跟踪(MPPT)技术

2．4．1 最大功率点受外界影响

2．4．2 最大功率跟踪的原理

2．5 几种最大功率跟踪控制算法的比较

2．6 最大功率跟踪控制算法仿真曲线的比较

2．7 MPPT技术在应用中存在的问题

2．8 本章小结

第三章 阴影遮蔽对光伏阵列输出的影响

3．1 光伏阵列存在阴影遮蔽问题

3．2 阴影遮蔽造成失配损耗

3．2．1 失配损耗的产生原因

3．2．2 目前解决失配损耗的办法

3．3 阴影遮蔽对光伏阵列输出的影响

3．3．1 阴影下串联光伏组件输出特性的分析

3．3．2 阴影下并联光伏组件输出特性的分析

3．3．3 阴影下集中式光伏阵列输出特性的分析

3．4 阴影遮蔽下集中式光伏阵列输出特性的实验验证

3．5 本章小结

第四章 新型户用光伏发电系统的建模

4．1 户用光伏发电系统的构成与分类

4．1．1 户用型光伏发电系统的构成

4．1．2 光伏发电系统的分类

4．2 户用型光伏发电系统的设计要求

4．3 新型户用光伏发电系统的建模

4．3．1 发电系统

4．3．2 输出系统

4．3．3 储能系统

4．3．4 保护系统

4．4 本章小结

第五章 实验电路的硬件设计

5．1 硬件结构框图

5．2 硬件电路设计

5．2．1 控制芯片STM32F100C8T6的简介

5．2．2 功率开关管的选择

5．2．3 BOOST电路中元件的选取

5．2．4 MOSFET驱动电路的设计

5．2．5 采样调理电路的设计

5．2．6 供电电源模块的设计

5．2．7 蓄电池防反接电路的设计

5．3 合理设计PCB板

5．4 本章小结

第六章 实验电路的软件设计

6．1 软件编译环境

6．2 软件的总体设计

6．3 主程序设计

6．4 子程序设计

6．4．1 定时器中断服务子程序

6．4．2 A/D转换子程序

6．4．3 软件滤波子程序

6．4．4 最大功率跟踪控制算法子程序

6．4．5 蓄电池充电管理控制子程序

6．5 本章小结

第七章 实验结果与分析

7．1 实验平台的搭建

7．2 BOOST电路实验结果

7．3 蓄电池充电管理电路实验结果

7．4 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 研究总结

8．2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果