1、摘要隨著煤炭、石油和天然氣等化石燃料迅速消耗，以與由此帶來的能源 危機與環染日益加劇，近年來世界各國都在積極尋找和開發新的、清潔、 安全可靠的可再生能源。太陽能具有取之不盡、用之不竭和清潔安全等特 點，是理想的可再生能源。 20 世紀 70 年代后，太陽能光伏發電在世界范 圍內受到高度重視并取得了長足進展。太陽能光伏發電技術作為太陽能利 用的一個重要組成部分，并被認為是二十一世紀最具發展潛力的一種發電 方式。太陽能光伏發電系統的研究對于緩解能源危機、減少環境污染以與 減小溫室效應具有重要的意義。由于太陽能電池陣列是光伏發電系統的核心部件和能源供給部分，因 此在光 伏發電系統仿真模型的研究中，太

2、陽電池陣列仿真模型的研究至關重要。 本文根 據硅太陽電池的工程用數學模型建立了太陽能電池陣列模型，分析了太陽 輻射強度和溫度對太陽電池陣列仿真模型精度的影響，提出了在不同太陽 輻射強度時參數的優化設計計算公式，并將仿真結果與實際太陽電池陣列 的測量結果進行了比較。基于太陽能電池陣列的仿真模型，本文建立了太陽能光伏發電系統最 大功率 點跟蹤 MATLAB 仿真模型，并對兩種常用最大功率點跟蹤方法進行了仿 真比較研究，驗證了理論分析的正確性。本文針對目前應用廣泛的太陽能獨立光伏發電系統進行了研究，對系統中常 用的 DC/DC 變換器拓撲與其優缺點進行了總結，并研究了一種新的帶有 雙向變換器的太陽能

3、獨立光伏發電系統，對其主電路參數進行了設計，完 成了基于 JM60DSP 控制系統的硬件電路設計和軟件設計。關鍵字 :太陽能，太陽能光伏發電系統，最大功率點跟蹤，仿真模型， DSPABSTRACTIn recent years ，As the concern over the rapid consumption of fossil energy suchas coal ，oil and natural gas ， energy crisis andincreasing environmental Pollution， many countries have been insearch of a

4、nd actively developing clean，safe and reliable renewableenergy source. Solar energy is a ideal energy source with the advantages such as cleanness ，inexhaustibility and safety. Sinee1 9705 ， Photovoltaic(PV)Generation attracts worldwide attention and has made great progress. As a important Part of s

5、olar energy application ， the technology of PV generation is considered as the most Potential Power generation of the 2lth century. The research on PV generation is significant for solving energy crisis ， reducing environmental Pollution and greenhouse effect.Since solar cell array is the key compon

6、ent and energy source of Photovoltaic generation system ， the research on simulation model of solar cell array is vital to the research on simulation model of photovoltaic generation system. This paper build a simulation model of solar cell array based on the engineering analytical model of silicon

7、solar cells ，analyzes the influence of the change of solar irradiation and solar cell temperature on the accuracy of output of solar cell array simulation model，proposes a optimization designformula for calculating coefficient b of engineering analytical model of silicon solar cells under different

8、solar irradiation ， compares the results of simulation model with the experimental results of solar cell array.Based on simulation model of solar cell array proposed by this paper ， This paper build a MATLAB simulation model of photovoltaic generation system with function of the maximum power point

9、tracking ，makes a simulation comparison aiming at two common methods and validate the theoretical analysis.In this paper ， Research on wide-used stand-alone photovoltaicgeneration system is done and summary on the advantages of DC/DC converter in common use is given. Research on a stand-alone photov

10、oltaic generation system with a bi-directional DC/DC converter is given and the parameters calculation of main circuit is done. At last， control system hardware design based onJM60DSP and software design of control system is completed.Keyword: Solar Energy ， Photovoltaic Generation System， MPPT ，Sim

11、ulation Model ， DSP目錄1 緒論 81.1 世界能源結構和發展新能源的背景 8.1.1.1 太陽能與太陽能光伏發電 9.1.1.2 太陽能光伏發電系統簡介 111.2 太陽能光伏發電國內外研究現狀與發展趨勢 131.2.1 國外太陽能光伏發電現狀與發展趨勢 131.2.2 我國太陽能光伏發電現狀與發展趨勢 141.3 本文主要研究內容和任務 152 太陽能獨立光伏發電系統基本組成和特性 162.1 太陽能獨立光伏發電系統概述 162.2 太陽能電池 172.2.1 太陽能電池原理與分類 172.2.2 太陽能電池輸出特性 192.2.3 太陽能電池工程用數學模型 202.3

12、鉛酸蓄電池 222.3.1 鉛酸蓄電池充電控制方法 223 太陽能電池最大功率點跟蹤 243.1 太陽能電池最大功率點跟蹤原理 253.2 太陽能電池最大功率點跟蹤方法 254 太陽能獨立光伏發電系統主電路設計 274.1 方框圖，主電路圖以與技術路線圖 274.2 太陽能獨立光伏發電系統常用 DC/DC 變換器與其特點 294.2.1 BUCK 電路 304.2.2 B00ST 電路 314.3 帶雙向變換器的太陽能獨立光伏發電系統 324.3.I BOOST 電路設計 334.3.2 鉛酸蓄電池組設計 354.4 雙向 BUCK-B00ST 變換器 354.4.1 雙向 BUCK-B00S

13、T 變換器運行原理 354.4.2 雙向 BUCK-BOOST 變換器參數設計 354.5 逆變電路 375 太陽能獨立光伏發電控制系統硬件設計 395.1 控制芯片 MC9S08JM60 簡介 395.2 基于 MC9S08JM60 DSP 的控制系統 415.3 驅動電路 425.4 采樣電路 445.5 總電路圖 476 太陽能獨立光伏發電控制系統軟件設計 476.1 控制系統主程序 496.2 蓄電池充電子程序 56總結 59致 謝 錯.誤. ! 未定義書簽。參考文獻： 601 緒論1.1 世界能源結構和發展新能源的背景 自人類社會誕生以來，能源一直是人類生存和發展的重要物質基礎。隨著

14、社會的發展，能源在社會發展中的重要性越來越突出，尤其是近年來 各國日益呈現出來的能源危機問題，更加明顯地把能源置于社會發展的首 要地位。根據 BP 世界能源統 2005 的統計數據，以目前的開采速度計 算，全球石油儲量可供生產 40 多年， 天然氣和煤炭則分別可以供應 67 年 和 164 年。而我國的能源資源儲量情況更是危機逼人，按 2000 年底的統 計，探明可開發能源總儲量約占世界總量的 10.1% 。我國能源剩余可開采 總儲量的結構為 :原煤占 58.8% ，原油占 3.4% ，天然氣占 1.3% ，水資源 占 36.5% 。我國能源可開發剩余可采儲量的資源保證程度為 129.7 年。

15、自 從工業革命以來， 約 80% 溫室氣體造成的附加氣候強迫是由人類社會活動 引起的，其中 CO2 的作用約占 60% ，而化石能源的燃燒是 CO 2的主要排 放源。隨著化石能源的逐步消耗以與化石能源的開發和利用所造成的環境 污染和生態破壞問題，開發和利用能夠支撐人類社會可持續發展的新能源 和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。新能源與可再生能源是指除 常規化石能源和大中型水力發電、核裂變發電之外的生物質能、太陽能、 風能、小水電、地熱能以與海洋能等一次能源。研究和實踐表明，新能源 和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環境，是國際社會 公認的理想替代能源。新能源和可再生能源的開發

16、利用不僅可以解決目前 世界能源緊張的問題，還可以解決與能源利用相關的環境污染問題，促進社會和經濟可持續性發展。 根據國際權威機構的預測， 到 21 世紀 60 年代， 全球新能源與可再生能源的比例，將會發展到世界能源構成的50% 以上，成為人類社會未來能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分國家能源供應不足，不能滿足經濟發展的需要，各國 紛紛出臺各種法規支持開發利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再 生能源在全球升溫。 20 世紀 90 年代以來，以歐盟為代表的地區集團，大 力開發利用可再生能源，連續 10 年可再生能源發電的年增長速度都在 15% 以上。以德國、西班牙為代表的一些國家

17、通過立法方式，促進可再生 能源的發展， 1999 年以來可再生能源年均增長速度均達到 30% 以上。西 班牙 2003 年風力發電裝機占到全機總量的 4% ，德國在過去 11 年間， 風 力發電增長 21 倍， 2003 年占全的 3.1% 。瑞典和奧地利的生物質能源在 其能源消費結構中高達 15% 以上。我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發利用，近十年來的高長 使我國迫切需要加大對新能源和可再生能源的開發利用，以解決能源題， 保障能源供應安全。近年來，由于各級政府和社會各界的高度重視可再生 能源的開發和利用方面取得了較快發展，并于 2005 年 2 月 28 日通過了 再生能源法 ，該法

18、已于 2006 年 1 月 1 日起實施，這對于我國可再生 能具有十分重要的意義。1.1.1 太陽能與太陽能光伏發電太陽能是一種能量巨大的可再生能源，據估算，太陽能傳送到地球上 每 40 秒鐘就有相當于 210 億桶石油的能量傳送到地球，相當于全球一天 的能源。在目前的幾種新能源技術中，太陽能以其突出的優勢被定位為的未來能源，有無盡的潛力。目前太陽能利用的方式有 :太陽能光伏發電， 太陽能熱利用， 太陽能動 力利用，太陽能光化利用， 太陽能生物利用和太陽能光 -光利用。 其中太陽 能光伏發電以其優異的特性近年來在全世界范圍得到了快速發展，被認為 是當前具有發展前景的新能源技術，各發達國家均投入

19、巨資競相研究開 發，并產業化進程，大力開拓太陽能光伏發電的市場應用。太陽能光伏發電是利用太陽能電池將太陽光能轉化為電能的一種發 太陽能電池單元是光電轉化的最小單位，將太陽能電池單元進行串并聯可 以做成太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能電池組 件可以單獨作為電源使用的最小單元，可以將太陽能電池組件進行進一步 的串并聯，構成太陽能電池方陣，以滿足負載所需要的功率輸出。太陽能光伏發電之所以發展如此迅速，是因為其具有以下優點(1) 取之不盡，用之不竭。地球表面所接受的太陽能約為1.07 X1 0 14 GWh/ 年，是全球能量年需求的 35000 倍，可以說是一種無限的資源。(2)

20、無污染。光伏發電本身不消耗工質，不向外界排放廢物，無轉動部 件，不產生噪聲，是一種理想的清潔能源。(3) 資源分布廣泛。 不同于水電受水力資源限制， 火電受到煤炭資源與 運輸成本等影響，光伏發電幾乎不受地域的限制，理論上講在任何可以得 到太陽能的地方都可以利用太陽能進行發電。(4) 建設周期短，建造靈活方便，運行維護費用低。光伏發電系統可以 按照需要將光伏組件靈活地串并聯，達到所需功率，所以其建設周期短， 擴容方便 ;安裝于房頂，沙漠，還可與建筑相結合，從而節約占地面積，節 省安裝成本 ;太陽能光伏發電所消耗的太陽能無需付費， 一年中往往只需在 遇到連續陰雨天最長的季節前后去檢查太陽能電池組件

21、表面是否被污染， 接線是否可靠以與蓄電池電壓是否正常等，因而太陽能光伏發電的運行費 用很低。(5) 光伏建筑集成。 光伏產品與建筑材料集成是目前國際上研究與發展 的前沿，這種產品不僅美觀大方，還節省發電站使用的土地面積和費用。(6) 分布式。光伏發電系統的分布式特點將提高整個能源系統的安全性 和可靠性，特別是從抗御自然災害和戰備的角度看，更具有明顯的意義。1.1.2 太陽能光伏發電系統簡介太陽能光伏發電系統按是否與電網連接可分為獨立光伏發電系統和 并網光伏發電系統。太陽能光伏發電系統結構如圖 1.1 所示，該系統中的 能量能進行雙向傳輸。在有太陽能輻射時，由太陽能電池陣列向負載提供 能量 ;當

22、無太陽能輻射或太陽能電池陣列提供的能量不夠時， 由蓄電池向系 統負載提供能量。該系統可為交流負載提供能量，也可為直流負載提供能 量，當太陽能電池陣列能量過剩時，可以將過剩能量存儲起來或把過剩能 量送入電網。該系統功能全面，但是系統過于復雜，成本高，僅在大型的 太陽能光伏發電系統中才使用這種結構， 并具有上述全面的功能 ;而一般使 用的中小型系統僅具有該系統的部分功能。太陽能電池陣列圖1.2獨立光伏發電系統（一）獨立光伏發電系統獨立光伏發電系統是指未與公共電網相連接的太陽能光伏發電系統，其輸出功率提供給本地負載（交流負載或直流負載）的發電系統。其主要應 用于遠離公共電網的無電地區和一些特殊場所，

23、如為公共電網難以覆蓋的 邊遠偏僻農村、海島和牧區提供照明、看電視、聽廣播等基本生活用電， 也可為通信中繼站、氣象站和邊防哨所等特殊處所提供電源。圖 1.2 所示為一種常用的太陽能獨立光伏發電系統結構示意圖，該系 統由太陽能電池陣列、 DC/DC 變換器、蓄電池組、 DC/AC 逆變器和交直 流負載構成。 DC/DC 變換器將太陽能電池陣列轉化的電能傳送給蓄電池 組存儲起來供日照不足時使用。蓄電池組的能量直接給直流負載供電或經 DC/AC 變換器給交流負載供電。該系統由于有蓄電池組，因而系統成本 增加，但可在無日照或日照不足時為負載供電。（二）并網光伏發電系統 與公共電網相連接的太陽能光伏發電系

24、統稱為并網光伏發電系統。并 網光伏發電系統將太陽能電池陣列輸出的直流電轉化為與電網電壓同幅、 同頻、同相的交流電，并實現與電網連接，向電網輸送電能。它是太陽能 光伏發電進入大規模商業化發電階段、成為電力工業組成部分之一重要方 向，是當今世界太陽能光伏發電技術發展的主流趨勢。1.2 太陽能光伏發電國內外研究現狀與發展趨勢 當今世界各國特別是發達國家對于太陽能光伏發電十分重視，針對其 制定規劃，增加投入，大力發展。 20 世紀 80 年代以來，即使是在世界經 濟從總體上處于衰退和低谷的時期，太陽能光伏發電產業也一直以 10%-15% 的遞增速度在發展。 90 年代后期，發展更為迅速，成為全球增 長

25、速度最快的高新技術產業之一。1.2.1 國外太陽能光伏發電現狀與發展趨勢到 2004 年，世界太陽能光伏發電裝機總容量達到 964.9MW ，到 2005 年底，達到 4961.69MW 。己經商業化、實用化的太陽能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池以與薄膜 電池等幾類。在國際市場上目前太陽能光伏電池的價格大約為 3.15 美元 /W，并網系統價格為6美元/w，發電成本為0.25美元/(kw h)。光伏電 池的發電轉化效率也不斷提高， 晶體硅光電池轉化率達到 15% ，單晶硅光 電池轉化率是 23.3% ，砷化鎵光電池轉化率是 25% ，在實驗室中特制的 砷

26、化嫁光電池轉化率己達 35%-36% 。太陽能光伏電池 /組件使用壽命大大 增長，可使用 30 多年。目前，太陽能光伏發電主要集中在日本、歐盟和 美國，其太陽能光伏發電量約占世界光伏發電量的 80% 。今后太陽能光伏 發電系統主要圍繞高效率、低成本、長壽命、美觀實用等方向發展。專家 們預測到 2050 年，太陽能光伏發電在發電總量中將占 13%-15% ，到 2100 年將約占 64% 。1.2.2 我國太陽能光伏發電現狀與發展趨勢20 世紀 90 年代以來是我國太陽能光伏發電快速發展的時期， 在這一 時期我國光伏組件生產能力逐年增強，成本不斷降低，市場不斷擴大，裝 機容量逐年增加， 2004

27、 年累計容量達 35MW ，約占世界份額的 3% 。 10 多年來，我國太陽能光伏產業長期平均維持了全球市場 1% 左右的份額。 到 2020 年前，我國太陽能光伏發電產業將會得到不斷的完善和發展，成 本將不斷下降，太陽能光伏發電市場發生巨大的變化 :2005-2010 年，我 國的太陽能電池主要用于獨立光伏發電系統，發電成本到 2010 年將約為 1.20元/(kW h);2010-2020 年，太陽能光伏發電將會由獨立光伏發電系統 轉向并網發電系統，發電成本到2020年將約為0.60元/(kw h)。到2020 年，我國太陽能光伏產業的技術水平有望達到世界先進行列。1.3本文主要研究內容和

28、任務本文主要研究太陽能獨立光伏發電系統，本文研究的獨立光伏發電系統結構框圖如圖1.3所示。該系統主要包括幾個部分：太陽能電池陣列、BOOST變換器、負載、雙向 BUCK-BOOST 變換器、蓄電池以與控制電 路。該系統運行原理如下：當日照較強，太陽能電池陣列輸出功率大于負 載功率時，太陽能電池陣列輸出的電能經BOOST變換器給負載供電，多余的電能通過雙向BUCK-BOOST變換器傳輸給蓄電池將能量儲存起來。(2) 當日照較弱，太陽能電池陣列輸出功率小于負載功率時， 由太陽能電池 陣列和蓄電池共同給負載供電，太陽能電池陣列輸出的電能經BOOST變換器給負載供電，不足的電能由蓄電池通過雙向 BUC

29、K-BOOST變換器給負載供電。當無日照，光伏陣列輸出功率為零時，由蓄電池單獨給負載供電。(3)當有日照，太陽能電池陣列輸出功率大于零且負載斷幵時，太陽能電池陣列輸出的電能經 BOOST變換器和雙向BUCK-BOOST變換器 后給蓄電池充電以將能量儲存起來。另外，如果蓄電池放電至低于過放電壓，或者蓄電池充電至超過過充 電壓時，雙向變換器將被強行控制關斷，以保護蓄電池不被損壞，延長蓄 電池的使用壽命。獨立光伏發電系統所有控制功能的實現均由控制電路完成，控制電路 采用數字信號處理器 JM60DSP ，由數字信號處理器 JM60DSP 采樣所需 要的電流電壓信號并對信號進行處理， 輸出 PWM 波控

30、制主電路功率開關 管的通斷。本文主要研究工作包括以下部分 :(1) 建立實用的太陽能電池工程用仿真模型，以用于太陽能光伏電源系 統整體性能的仿真研究，為太陽能光伏電源的設計提供參考 ;(2) 通過仿真比較最大功率點跟蹤方法的優缺點， 并驗證驗證理論分析 的正確性 ;(3) 研究不同 DC/DC 拓撲結構時太陽能光伏電源系統的優缺點，完成 本論文系統的電路拓撲的設計與器件選型 ;(4) 基于 DSP 研究控制系統的實現方法以與完成控制系統的設計。2 太陽能獨立光伏發電系統基本組成和特性2.1 太陽能獨立光伏發電系統概述一般來說，太陽能獨立光伏發電系統主要包括太陽能電池陣列、控制 器、蓄電池組和逆

31、變器等部分。太陽能電池陣列是整個系統能源的來源， 它把照射到其表面的太陽能轉化為電能 ;控制器是整個系統的核心部件之 一，其運行狀態決定著系統的運行狀態， 系統在控制器的管理下運行 ;蓄電 池的功能在于儲存太陽能電池陣列受光照時所發出的電能并在無光照時 向負載供電 ;逆變器是將直流電變換為交流電的設備， 由于太陽能電池陣列 和蓄電池發出的是直流電，因此當系統向交流負載供電時，逆變器是不可 缺少的。常用的太陽能獨立光伏發電系統如圖 1.2 所示。2.2 太陽能電池2.2.1 太陽能電池原理與分類在太陽能光伏發電系統中，實現光電轉換的最小單元是太陽能電池單 體。太陽能電池單體實際上是一個 PN 結

32、， PN 結在光照下會產生電動勢， 這種效應稱為光生伏特效應。當 PN 結處于平衡狀態時， PN 結處有一個 耗盡層， 耗盡層中存在著勢壘電場， 電場方向由 N 區指向 P 區。當 PN 結 受到光照時，硅原子受光激發而產生電子空穴對，在勢壘電場的作用下， 空穴向 P 區移動，電子向 N 區移動，從而 P 區就有過剩的空穴， N 區就 有過剩的電子，這樣便在 PN 結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電動 勢。光生電動勢的一部分抵消勢壘電場，另一部分使 P 區帶正電， N 區帶 負電，從而在 P 區與 N 區之間產生光生伏特效應。 若在太陽能電池單體兩 側引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流

33、”流過，從而獲得功率輸 出。由上可知，太陽能電池單體將光能轉換成電能的工作原理可概括為以 下四個過程 :(l) 太陽能電池單體吸收光子，在 PN 結兩側產生稱為“光生載流子” 的電子一空穴對，兩者的電性相反，電子帶負電，空穴帶正電 ;(2) 在太陽能電池單體 PN 結光生載流子， 通過擴散作用到達空間電荷 區;(3) 到達空間電荷區的光生載流子被勢壘電場分離，電子被分離到N區，空穴被分離到 P 區 ;(4) 被勢壘電場分離的電子和空穴分別被太陽能電池單體的正、負極收集，若在太陽能電池單體正負極之間接入負載，則有光生電流流過，從而 獲得電能實際中使用的太陽能電池是若干個太陽能電池單體經過串并聯并

34、封 裝后形成的太陽能電池組件，是可以單獨作為電源使用的最小單元，其功 率一般為幾瓦至幾十瓦、百余瓦。太陽能電池組件再經過串并聯組合可以 形成太陽能電池陣列，以滿足負載功率要求。太陽能電池多為半導體材料制造，種類繁多，形式各樣，下面按照太 陽能電池的材料進行分類介紹 :(l) 硅太陽能電池 :指以硅為基體材料的太陽能電池， 如單晶硅太陽能電 池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池等，多晶硅太陽能電池又有片 狀多晶硅太陽能電池、鑄錠多晶硅太陽能電池、筒狀多晶硅太陽能電池和 球狀多晶硅太陽能電池等多種。硅太陽能電池特點是由于硅資源豐富，可 以大規模生產，性能穩定且光電轉化效率高，是目前應用最多的太陽

35、能電 池。但其制造過程復雜，成本高。目前市場上使用最多的是單晶硅太陽能 電池，轉換率為 17% 左右，多晶硅轉換效率為 14% 左右，非晶硅電池轉 化效率為 6% 左右。(2) 化合物半導體太陽能電池 :指由兩種或兩種以上元素組成的具有半 導體特性的化合物半導體材料制成的太陽能電池，如碲化鎘太陽能電池、 砷化鎵太陽能電池、硒銦銅太陽能電池、磷化銦太陽能電池等。化合物半 導體太陽能電池具有轉換效率高，抗輻射性好，可在聚光條件下使用等特 點，但碲化鎘太陽能電池帶有毒性，易對環境造成污染，一般用于特定場 合，如空間飛行器和航空系統。(3) 有機半導體太陽能電池 :指用含有一定數量的碳 - 碳鍵且導電

36、能力介 于金屬和絕緣體之間的半導體材料制成的太陽能電池。該種電池雖然轉換 率低，但價格便宜、輕便、易于大規模制造。(4) 薄膜太陽能電池 :指用單質元素、無機化合物或有機材料等制作的 薄膜為基體材料的太陽能電池。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶 硅薄膜太陽能電池、化合物半導體薄膜太陽能電池、納米薄膜太陽能電池 和微晶硅薄膜太陽能電池等。 其特點是轉換效率相對較高、 成本降低 (尤其 是大大降低了晶體硅類太陽能電池的硅材料用量)、且適合規模生產， 因此薄膜太陽能電池是未來太陽能電池的一個重要發展方向。2.2.2 太陽能電池輸出特性(一) 標準測試條件下太陽能電池的輸出特性 太陽能電池的輸出特

37、性是指太陽能電池在一定的溫度和日照強度下 所表現出來的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對應關系，常簡稱 為 I-F 特性。由于日照強度、電池溫度等都會影響太陽能電池的特性，因 此需要定義標準測試條件用于地面測試太陽能電池性能。我國應用的準測 試條件定義為日照強度為1000W/仃，太陽能電池溫度為 25 C,太陽輻射光譜為 AMI.5 。一般的太陽能電池組件生產商均提供上述標準測試條件下的五個參 數。當太陽能電池輸出電壓比較小時，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，太陽能電池近似為一恒流源，當太陽能電池輸出電壓超過一定的臨界值時，太陽能電池輸出電流急劇下降，太陽能電池可近似為一恒壓源。 太陽

38、能電池的輸出特性是非線性的， 既非恒流源也非恒壓源 （在最大功率點 左側為近似恒流源段， 在最大功率點右側為近似恒壓源段 ），且在一定的電 池溫度和日照強度下有唯一的最大輸出功率點。（二）溫度和日照強度對太陽能電池輸出特性的影響太陽能電池的 I-V 特性曲線與日照強度和電池溫度有關，分別為不同 日照光強和不同電池溫度時， 太陽能電池的輸出特性曲線。 當溫度一定時， 太陽能電池短路電流 Isc 隨日照強度的增加而增加， 并與日照強度成正比， 太陽能電池開路電壓 Uo 隨日照強度的增加稍有增加，但增加很小，當日 照強度一定時，電池溫度升高，太陽能電池開路電壓 Uo 降低，而太陽能 電池的短路電流

39、Isc 有輕微的增加。2.2.3 太陽能電池工程用數學模型（一）太陽能電池的理論分析模型根據半導體電子學理論，當負載為電阻 RL 時，太陽能電池的等效電 路如圖 2.1 所示。當日照強度恒定時，光電流人可看成恒定電流源，二極 管的正向電流 ID 和并聯電阻電流 Ish 都由光電流 IL 提供，剩余的光電流通 過串聯電阻 Rs 流出太陽能電池進入負載并在負載端產生電壓V 。根據圖中的電流電壓參考方向，太陽電池的 I-V 方程為 :Ill d qQ IE R*圖2.1太陽能電池的等效電路1 shIlI °expq(V IRs)AKT1V IRs(2-1 )式中:Il-光電流，A;Io-二

40、極管反向飽和電流，A;q-電子電荷(1.6x10 -19 C);A-二極管因子；K:波耳茲曼常數(1.38x10 -23J/K);T-太陽能表面絕對溫度，K;Rs:-串聯電阻，Q ;Rsh-并聯電阻，QI-太陽能電池輸出電流，A;V-太陽能電池輸出電壓， V;2.3 鉛酸蓄電池儲能是光伏發電系統的重要組成部分，尤其對于獨立光伏發電系統而 言，儲能環節更是不可缺少的組成部分。儲能系統的好壞直接影響到光伏 發電系統的性能在實際的光伏發電系統中，儲能部分又是最易受損、最易 消耗的部分。所以獲得最佳的儲能系統成為光伏系統設計的重要組成部 分。目前光伏發電系統中通常使用蓄電池實現儲能，常用蓄電池屬于電化

41、 學電池。蓄電池在充電時把電能轉化為化學能儲存起來，放電時把儲存的 化學能轉化為電能提供給負載使用。一般來講，光伏發電系統白天把太陽 能轉化為電能，通過充電器和蓄電池把電能儲存起來，晚上再通過放電器 把儲存在蓄電池里的電能放出來使用。其中常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池。目前中 國用于太陽能光伏發電系統的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統采用鎳 鎘蓄電池外，絕大多數是采用鉛酸蓄電池。在小型的太陽能草坪燈和便攜 式太陽能供電系統中使用鎳鎘或鎳氫蓄電池比較多。2.3.1 鉛酸蓄電池充電控制方法在太陽能獨立光伏發電系統中，對鉛酸蓄電池使用的充電控制方法直 接影響到系統的性能。充電控制方法

42、的優劣影響到鉛酸蓄電池的荷電量的 大小，同時也關系到鉛酸蓄電池的使用壽命。而電荷量的大小決定著太陽 能獨立光伏發電系統向負載供電的能力、鉛酸蓄電池的使用壽命關系到系 統的成本、造價以與系統的使用壽命，因此選擇合理的充電控制方法是提 高太陽能獨立光伏發電系統性能的有效手段。目前鉛酸蓄電池常用的充電 控制包括恒流充電、恒壓充電、兩階段和三階段充電等方法，（一）恒流充電恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池 電壓的變化要進行電流調整使之恒定不變。這種方法特別適合于多個鉛酸 蓄電池串聯的鉛酸蓄電池組進行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于 得到恢復，最好用于小電流長時間的充電模式

43、。這種充電方式的不足之處 在于 :鉛酸蓄電池開始充電電流偏小， 在充電后期充電電流又偏大， 充電電 壓偏高，整個充電過程時間長。（二）恒壓充電法恒壓充電就是以一恒定電壓對鉛酸蓄電池進行充電。在充電初期由于 鉛酸蓄電池電壓較低， 充電電流較大， 但隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高， 電流逐漸減少。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必 調整電流。相對恒流電來說，此法的充電電流自動減少，所以充電過程中 析氣量小，充電時間短， 能耗低。這種充電方法不足之處在于 :在充電初期， 如果鉛酸蓄電池放電深度過深， 充電電流會很大， 不僅危與充電器的安全， 而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷 ;如果鉛

44、酸蓄電池電壓過低， 后期充 電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯數量多的鉛酸蓄電池組充電。 鉛酸蓄電池電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很 難完成。這種充電方法在小型的太陽能光伏發電系統中經常用到，因為這 種系統中來自太陽能電池陣列的電流不會太大，而且這種系統中鉛酸蓄電 池組串聯不多（三）兩階段充電法這種方法是為了克服恒流與恒壓充電的缺點而結合的一種充電策略。 它首先對鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，鉛酸蓄電池充電到達一定容 量后，然后采用恒壓充電方式充電。采用這種充電方式，在充電初期，鉛 酸蓄電池不會出現很大的電流，在充電后期也不會出現鉛酸蓄電池電壓過 高，使鉛酸蓄電池產

45、生析氣。（四）三階段充電法三階段充電法是在兩階段充電完畢后，鉛酸蓄電池容量己經達到額定 容量時，再繼續以很小的電流向鉛酸蓄電池充電以彌補鉛酸蓄電池由于自 放電損失的電量，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。在浮充時，鉛酸 蓄電池充電電壓要比恒壓階段的充電電壓低。在太陽能光伏發電系統中，綜合考慮日照強度以與環境溫度對光伏系 統充電電流的影響、鉛酸蓄電池性能以與系統成本等因素，使用三階段充 電法對鉛酸蓄電池充電較為合理。3 太陽能電池最大功率點跟蹤Point目前，太陽能電池陣列在太陽能光伏發電系統造價中占很大比重，而 且太陽能電池的轉化效率本身就不高，因此有必要研究提高太陽能電池利 用效率的方法，以

46、降低系統單位價格的成本，促進太陽能光伏發電系統的 應用推廣。太陽能電池最大功率點跟蹤 （Maximum PowerTracking ，簡稱 MPPT) 是其中的途徑之一，它能最大程度的利用太陽能 電池轉化所得的電能。3.1 太陽能電池最大功率點跟蹤原理由第二章可知，太陽能電池的輸出特性受電池溫度和日照強度等因素 的影響，電池溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，日照強度主要影響太 陽能電池的短路電流。在一定日照強度和溫度下，太陽能電池有唯一的最 大輸出功率點，太陽能電池只有工作在最大功率點才能使其輸出的功率最 大。3.2 太陽能電池最大功率點跟蹤方法目前使用的太陽能電池最大功率點跟蹤方法主要有恒電

47、壓法、觀察擾 動法、電導增量法以與其它的一些跟蹤方法。1. 恒電壓法 (Constant Voltage Tracking ，簡稱 CVT)溫度一定時，在不同的日照強度下，太陽能電池陣列輸出曲線的最大 功率點基本是分布在一條垂直線的附近，因此只要保持太陽能電池陣列輸 出電壓為常數且等于某一日照強度下太陽能電池陣列最大功率點的電壓， 就可以大致保證在該溫度下太陽能電池陣列輸出最大功率。恒電壓法具有控制簡單，易于實現，穩定性好，可靠性高等優點，比 一般太陽能光伏系統可望多獲得 20% 的電能，較之不帶 CVT 的直接藕合 要有利得多。然而恒電壓法忽略了太陽能電池溫度對太陽能電池陣列最大 功率點的影

48、響，一般硅太陽能電池的開路電壓都在較大程度上受結溫影 響，以常規單晶硅太陽能電池而言，當太陽能電池溫度每升高C時，其開路電壓下降率約為 0.35%-0.45% ，這說明太陽能電池的最大功率點對 應的電壓也隨電池溫度的變化而變化，其中對太陽能電池溫度影響最大的 因素是環境溫度和日照強度。 因此對于四季溫差或日溫差較大的地區， CVT 方式并不能完全跟蹤太陽能電池陣列最大功率點，從而導致系統功率損 失。研究結果表明，雖然許多太陽能光伏系統仍然采用這種最大功率點跟 蹤方法，但這種方式所帶來的功率損耗相比于微電子技術的迅速發展與微 電子器件的大幅度降價，已經顯得很不經濟。2. 擾動觀察法 (Pertu

49、rbation & Observation)擾動觀察法的原理是 : 在每個控制周期用較小的步長改變太陽能電池 陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制 對象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動” ; 然后，通過比較干擾周期前后太陽能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率 增加，那么繼續按照上一周期的方向繼續“干擾”過程，如果檢測到輸出 功率減少，則改變“干擾”的方向。擾動觀察法的最大優點就是結構簡單，被測參數少，容易實現。但是 即使在某一周期太陽能電池陣列運行在最大功率點，由于擾動的存在，下 一周期太陽能電池陣列運行點又會偏離最大功率點，因此太陽能

50、電池陣列 實際是在最大功率點附近振蕩運行， 從而導致部分功率損失 ;其次， 難以選 擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，太陽能電池陣列可能長 時間運行于低功率輸出區，步長過大太陽能電池陣列在最大功率點附近的 振蕩又會加大，跟蹤精度下降，從而導致更多的功率損失;另外，當外部環境突然變化，太陽能電池陣列從一個穩定運行狀態變換到另一個穩定運行 狀態的過程中，會出現誤判現象。3. 增量電導法 (Incremental Conductance Algorithm)為了解決擾動觀察法導致的功率損失問題， 在 1995 年 提出了增量電導法。由太陽能電池陣列輸出電氣特性知，太陽能電池陣列 的輸出功率

51、-電壓(P-V)曲線是一個單峰曲線，在最大功率點處，功率對電 壓的導數為零。增量電導法的優點是 :在日照強度發生變化時， 太陽能電池陣列輸出電 壓能以平穩的方式追隨其變化，而且穩態的電壓振蕩也較擾動觀察法小。 增量電導法的缺點是 :太陽能電池陣列可能存在一個局部的最大功率點，這種算法可能導致系統穩定在一個局部的最大功率點;如同擾動觀察法一樣，增量電導法的變化步長也是固定的，步長過小會使跟蹤速度變慢，太陽能 電池陣列較長時間工作在低功率輸出區 ;步長太長，又會使系統振蕩加劇， 影響跟蹤精度。在實際的光伏系統中，增量電導法的實現對硬件的要求相 對較高，控制系統需采用高速微處理器完成數據處理。4 太

52、陽能獨立光伏發電系統主電路設計4.1 方框圖，主電路圖以與技術路線圖 本設計的總體方框圖為：圖4.1太陽能獨立光伏發電系統總框圖主電路圖為:技術路線圖為:圖4.3a. BUCK電路拓撲圖L 5© -YyYJ39V卩一1*4 >,14.2太陽能獨立光伏發電系統常用 DC/DC變換器與其特點到目前為止，在太陽能光伏發電系統中使用的DC/DC變換電路主要有BUCK電路，BOOST電路，BUCKK-BOOSTT 電路以與CUK電路。它們的電路拓撲分別如下圖 4.4 (a)-(d)所示。b. BOOST電路拓撲圖_IIc. BUCK-BOOST 電路拓撲圖d. CUK電路拓撲圖圖4.4太

53、陽能光伏發電系統中常用的 DC/DC變換電路拓撲圖4.2.1 BUCK 電路BUCK電路輸入端工作在斷續狀態，如果直接將BUCK電路接在太陽 能電池陣列上將造成太陽能電池陣列輸出電流不連續，太陽能電池陣列不 能工作于最佳工作狀態，因此需要在太陽能電池陣列輸出端并聯儲能電容 以保證太陽能電池陣列輸出電流的連續，如圖4.5。當功率器件關斷時，太陽能電池陣列對儲能電容充電，使太陽能電池陣列始終處于發電狀態。 通過調節BUCK電路的占空比D實現調節太陽能電池陣列輸出平均功率的 目的，從而實現對太陽能電池陣列的 MPPT功能。典型的連接太陽能電池 陣列的BUCK電路拓撲如圖4.5所示，BUCK電路輸出連

54、接阻性負載或蓄 電池。圖4.5連接太陽能電池陣列的 BUCK電路拓撲圖用BUCK電路實現太陽能電池陣列最大功率點跟蹤時，必須在BUCK 電路并聯一個儲能電容，在大功率情況下，由于儲能電容始終處于大電流 充放電狀態，對其可靠工作不利 ;同時由于儲能電容通常為電解電容，使 BUCK 電路無法工作在較高的頻率下， 使得 BUCK 電路裝置的體積和重量 增加 ;而且 BUCK 電路只能用于降壓變換。用 BUCK 電路實現太陽能電池陣列最大功率點跟蹤的優點是結構簡 單，控制易于實現，功率開關管輸入電流小，線路損耗小，使得 BUCK 電 路裝置轉化效率較高。4.2.2 B00ST 電路BOOST 電路以電

55、感電流源方式向負載放電實現負載電壓升高的目 的。與 BUCK 電路相比， BOOST 電路的電感在電路的輸入端，因此只要 輸入電感足夠大， BOOST 電路可以始終工作于輸入電流連續的狀態下， 電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，因此在光伏發電系統應 用中，只需在 BOOST 電路并聯容量較小的無感電容甚至可以不加電容， 如圖 4.6 ，這樣就可避免加電容帶來的種種弊端。同時 BOOST 結構也非 常簡單，并且功率開關管一端接地，使得開關管驅動電路設計更為簡單。BOOST 電路的不足之處在于其輸入端電壓較低，在同樣的功率下， 輸入電流較大，因而電路損耗較大，與 BUCK 電路， BOO

56、ST 電路轉化效 率略低一些 ;而且 BOOST 電路只能進行升壓變換。 典型的連接太陽能電池 陣列的 BOOST 電路拓撲如圖 4.6 所示， BOOST 電路輸出連接阻性負載 或蓄電池。圖4.6連接太陽能電池陣列的 BOOST電路拓撲圖4.3帶雙向變換器的太陽能獨立光伏發電系統圖4.7所示為本文研究所用獨立光伏發電系統結構圖，該獨立式光伏 發電系統主電路包含以下五個部分 ：太陽能電池陣列，BOOST變換器和雙L1向BUCK-BOOST變換器，蓄電池組以與負載。雙向 BUCK-BOOSTBOOST4.7帶雙向變換器的獨立光伏發電系統太陽能電池陣列是整個系統能量的來源，本系統所使用的太陽能電池 陣列由七塊無錫尚德太陽能電力有限公司生產的STP155S-24/Ab 型單晶硅太陽能電池并聯而成，總功率1KW o STP155S-24/Ab 型單晶硅太陽 能電池組件參數如表4.1所示:最大工作電壓Vm最大工作電流Im短路電流Isc開路電壓Voc功率34.4V4.51A4.9A43.2v153W表4.14.3