基于阴影效应的光伏系统最大功率跟踪技术研究

摘要

传统化石能源短缺以及日益严重的环境污染问题使得新能源技术成为研究的热点。太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源已经成为当前最具发展潜力的新能源，而光伏发电作为利用太阳能最有效的方式受到了国际社会的广泛关注。
　　在实际应用中，光伏阵列由于阴影遮挡常出现光照不均匀的情况，易导致热斑现象的发生和光伏电池的烧毁。为了解决热斑现象，常用作法是在光伏电池组件两端并联旁路二极管，但是旁路二极管的引入会改变光伏电池的电气特性，使得光伏阵列在阴影条件下其 V-P特性出现多个峰值点，多峰情况下常规最大功率跟踪算法效率低下甚至完全失效。
　　本文研究了光伏阵列在不均匀光照时其输出特性，并设计一种适合于阴影条件下的最大功率跟踪算法。首先借助光伏电池的等效数学模型，从原理上分析了旁路二极管造成V-I多膝和V-P多峰的原因，得出了光伏阵列在接受N种不同光照强度时，其V-I特性就会有N个膝形，V-P特性就会有N个峰值，并通过仿真进行了验证。其次，分析了阴影条件下光伏阵列局部峰值点的分布情况，推导出了某些峰值点位置的预测方程式，并通过仿真进行了验证。再次，分析了常见的单峰和多峰最大功率跟踪算法，通过分析粒子群算法和遗传算法这两种全局寻优算法，指出了其应用到光伏电池最大功率跟踪上的局限性，结合理论分析设计了双峰最大功率跟踪算法，并通过仿真验证了算法的可行性。最后，搭建了双峰最大功率跟踪的硬件试验平台，并在TI的DSP（TMS320F2812）上完成了软件设计与实现。
　　本文设计的双峰最大功率跟踪算法的最大特点是具有预判功能和快速定位能力，且兼容单峰最大功率跟踪算法，解决了一般全局寻优算法在单峰情况时仍进行大范围搜索的问题。相关算法的仿真结果表明系统在光照强度均匀和不均匀情况下都能准确跟踪到全局最大功率点。在现有试验平台下，当光照强度均匀时同样能准确跟踪到最大功率点，光照强度不均匀情况下试验平台还有待完善。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和选题意义

1.2 光伏发电系统简介

1.3 阴影效应和最大功率跟踪的研究现状

1.4 本文内容安排

第二章 光伏电池阴影效应的研究

2.1 光伏电池概述

2.2 基于matlab/simulink的光伏电池仿真研究

2.3 阴影对光伏电池的影响

2.4 阴影条件下光伏电池组件的仿真研究

2.5 阴影条件下光伏电池局部最大功率点分布情况的分析和预测

2.6 本章小结

第三章 最大功率跟踪算法研究

3.1 光伏电池最大功率跟踪原理

3.2 光伏电池单峰情况下常用最大功率跟踪方法

3.3 双峰最大功率跟踪算法设计与仿真

3.4 本章小结

第四章 双峰最大功率跟踪算法实现与验证

4.1 试验平台搭建

4.2 DC-DC变换器的设计

4.3 软件控制算法实现

4.4 实验数据与结果

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果