項目名稱：資助類別：指導教師：項目成員：摘要在綠色再生能源得到廣泛應用的今天，太陽能因為其獨特的優勢而得到青睞。但因為光伏電池的輸出特性受外界環境因素影響大，而且，光伏電池的光電轉換效率低且價格昂貴，光伏發電系統的初期投入較大，為有效利用太陽能，需要對光伏發電系統加以有效的控制。本文著重對光伏陣列的最大功率點跟蹤控制技術進行了詳細的理論分析，建立了MATLAB仿真模型，提出了相應的控制策略，并進行了實驗驗證。首先，本文對光伏發電系統的組成進行了分析，光伏發電系統主要包括光伏陣列、電力電子變換器、儲能系統和負載等。根據光伏發電系統和電網的關系，還可以把它分為獨立發電系統和并網發電系統。然后，本文對光伏電池的電氣特性進行了分析，并建立了光伏電池的仿真模型。同時，本文對常用的最大功率點跟蹤（MPPT）方法：擾動觀測法（P&O）進行了仔細的分析，并提出了改進的方法：通過變步長實現占空比跟蹤的方法。關鍵詞：光伏電池；最大功率點跟蹤；擾動觀察法；變步長；MATLAB/SIMULINK仿真。目錄摘要=1\*ROMANI第一章緒論 41．1研究背景 41．2研究現狀 41．2．1光伏電源系統 41．2．2最大功率點跟蹤 41．2．3電力電子仿真工具 51．3研究內容 51．4研究意義 51．5實現方法及預期目標 5第二章光伏電池特性的研究 62．1光伏電池的分類 62．2光伏電池的工作原理 72.2.1P-N結簡介 72.2.2光伏電池的工作原理 72．3光伏電池的電氣特性 82．3．1光伏電池輸出特性方程 82．3．2光伏電池模組與陣列 102．4光伏電池的仿真實現 112．4．1仿真模型 112．4．2光伏電池的特性分析112．5小結 13第三章電力電子轉換器 143.1直流斬波電路143.1.1工作原理153.1.2數量關系153.2boost斬波電路16

3.2.1boost斬波電路原理16

3.2.2boost斬波電路的應用183.3設計內容及要求183.3.1設計的要求183.3.2輸出值的計算183.4仿真19

3.4.1主電路工作原理193.4.2脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖19第四章最大功率點跟蹤算法的研究 214．1光伏系統的最大功率點跟蹤 214.2MPPT算法的總體模型 234.2.1開路電壓法算法的具體模型 234.2.2擾動觀察法算法的具體模型 244.2.3恒壓控制法算法的具體模型 244.2.4波形比較 244.3各種方法的優缺點254．3．1恒定電壓法254．3．2開路電壓法254.3.3擾動觀察法264．4擾動觀察法的詳細分析264．4．1擾動觀察法的具體模型274.4.2仿真結果285.5改進29第五章總結 30參考文獻第一章緒論1．1研究背景隨著全球經濟的發展，能源問題日益尖銳，越來越多的國家開始關注能源利用及轉換效率的問題。隨著常規能源如石油、煤炭等消耗量的大規模增加，日益惡化的生態環境迫使世界各國開始積極尋找一條新的可持續發展的能源之路。太陽能、風能、地熱能等清潔能源已逐漸受到了人類的重視，而這其中，太陽能無疑處于最突出的地位，世界各國都投入大量的人力、物力、財力爭相發展。從發電、取暖、供水到各種各樣的太陽能動力裝置，其應用十分廣泛，在某些領域，太陽能的利用已開始進入實用階段。因此我們可以看出光伏電池的設計有著廣闊的前景和意義。限制光伏系統的主要因素有兩點：⑴初期投資比較大；⑵太陽能光伏電池的轉換效率低。目前我們通常使用的光伏電池效率在15%左右，即使世界上最先進技術的光伏電池在特殊的實驗條件下也只能達到40%，因此光伏電池最大功率跟蹤就變得十分重要，所以長期以來都是學術界研究的熱點。1．2研究現狀1．2．1光伏電源系統常用光伏電源系統主要有直流系統和交流系統。光伏電池將吸收的光能轉換成電能且通過供電控制器供給負載用電。光伏電源系統具有以下優點：(1)用太陽能發電的經濟性在很多情況下要優于常規的供電方式，光伏電源系統運行成本低，幾乎不需要維護，不需要備件，不需要增添燃料；(2)太陽能系統設備可自動運行，適于在無人職守站使用：(3)不包含任何運轉部件，系統可連續工作，使用壽命超過數十年；(4)具有良好的模塊化特點，可根據負載當前需求具體定制，將來再擴容；(5)太陽能電源系統的直流輸出電壓十分穩定；(6)無需為揍入電網而修路，在沒有電網的地方，太陽能為靈活選取站址提供可能。除了直接的經濟效益以外，太陽能發電還有很多間接優點。在其它一些供電系統，往往由于斷電而立即造成巨大的經濟損失，而太陽能系統仍能保證穩定可靠地工作。1．2．2最大功率點跟蹤光伏電池有著非線性的光伏特性，所以即使在同一光照強度下，由于負載的不同而輸出不同的功率，將其直接與負載相連是很不明智的，一般來說都采用一個變換裝置，使太陽能的輸出功率保持在它所能輸出的最大狀態，再使它向負載供電，即所謂的最大功率跟蹤器。目前，最大功率點跟蹤算法主要有電壓回授法、功率回授法、直線近似法、實際測量法、擾動觀察法和增量電導法。根據不同的應用場合與性能要求可選擇不同的方法。1．2．3電力電子仿真工具MATLAB是美國MathWork公司自1984年開始推出的一種使用簡便的工程計算語言，是當今最流行的科學技術軟件，MATLAB仿真技術已滲透到工程技術及物理實驗等各個領域，可以實現工程計算、算法研究、建模和仿真、數據分析及可視化、科學和工程繪圖、應用程序開發等功能。Simulink(DynamicSystemSimulationSoftware)是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包。使用simulink來建模、分析和仿真各種動態系統(包括連續系統、離散系統和混合系統)，將是一件非常輕松的事。它提供了一種圖形化的交互環境，只需用鼠標拖動的方法便能迅速地建立起系統框圖。它和MATLAB的無縫結合使得用戶可以利用MATLAB豐富的資源，建立仿真模型，監控仿真過程，分析仿真結果。在對電力電子進行仿真過程中，主要用到了simulink里的特殊工具庫——電力系統模塊，它專門用于解決電路、電力電子、電機等系統的仿真和分析，功能十分強大。1．3研究內容光伏電池輸出最大功率因受到外界條件影響而產生變化，影響最大功率點的因素主要是光強和溫度等因素。當外界因素發生變化時，利用光伏發電最大功率跟蹤實時跟蹤光伏方陣的最大功率點，使得光伏方陣能以最大的功率輸出，可以提高系統的輸出。以獨立光伏發電系統為研究對象，采用MATLAB/SIMULINK從系統的參數選擇、拓撲結構、控制策略、最大功率跟蹤等方面進行最大功率跟蹤方法研究。最終達到基于MATLAB/SIMULINK，實現恒定電壓法、擾動觀察法、改進擾動觀察法等算法，并比較其優劣的目標。1．4研究意義太陽能豐富、清潔、安全、方便，是目前廣泛探索并得到-定發展的-種可再生能源。然而，由于太陽能的波動性和隨機性，聯合發電系統輸出的電能波動很大。隨著這種分布式并網電站的容量越來越大，太陽輻射的波動引起的系統運行狀態的瞬態變化以及這種變化對網絡內部和對電網的影響不容忽視。所有光伏系統都希望太陽能光伏陣在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多的電能，這也就在理論上和實踐上提出太陽能光伏陣的最大功率點跟蹤(MPPT，MaximumPowerPointTracking)問題。MPPT的實現實質上是-個尋優過程，即通過控制光伏陣端電壓，使光伏陣能在各種不同的日照和溫度環境下智能化地輸出最大功率。太陽電池陣列的開路電壓和短路電流在很大程度上受日照強度和溫度的影響，系統工作點也會因此飄忽不定，這必然導致系統效率的降低。為此，太陽電池陣列必須實現最大功率點跟蹤控制，以便陣列在任何當前日照下不斷獲得最大功率輸出。太陽能光伏應用的日益普及、太陽電池的高度非線性和價格相對昂貴更加速了人們對這一問題的研究。1．5實現方法及預期目標首先通過對太陽能電池的物理模型和電特性的分析計算，建立了太陽能電池的數學模型，并結合s函數，在Matlab／Simulink環境下建立其動態仿真模型。考慮到太陽能的波動性和隨機性對太陽電池陣列的影響，該模型具有最大功率點跟蹤(MPPT)功能。通過對各種算法的比較，最大功率點的跟蹤采用擾動觀察法。模型還需考慮工作溫度、太陽輻射強度、太陽電池串并聯數、太陽電池模塊參數對太陽電池陣列的影響。分析光伏電池的輸出特性，用MATLAB／SIMULINK建立光伏電池模型，為最大功率點跟蹤控制算法的研究奠定基礎：分析現有最大功率點跟蹤控制算法擾動觀察的工作原理及優缺點，保證跟蹤的動穩態性能。第二章光伏電池特性的研究太陽能發電是提供新能源和減少環境污染的有效手段之一。大規模的光伏發電，不但達到綠色環保的目的，而且對克服我國能源緊張問題具有重大意義。太陽能光伏電池因為實現了直接將太陽能轉化為電能而受到世界各國的重視。它具有重量輕，壽命長，使用方便，能承受各種沖擊、振動等優點。可以說在電池行業中，最沒有污染、市場空間最大的應該是光伏電池。因此，光伏電池的研究與開發越來越受到世界各國的廣泛重視。2．1光伏電池的分類光伏電池多用半導體固體材料制造，也有用半導體加電解質的光化學電池，發展至今也已種類繁多，無論采用何種材料生產光伏電池，他們對材料的一般要求是：半導體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉換效率；材料本身對環境不造成污染；材料便于工業化生產，而且材料的性能要穩定。光伏電池按電池結構和材料分類形式可以分為：1、按電池結構分類①同質結光伏電池。指在相同的半導體材料（除了其中含有少量的雜質外）上構成一個或多個P-N結的光伏電池。②異質結光伏電池。指在不同禁帶寬度的半導體材料相接的界面上構成一個異質P-N結的光伏電池。③肖特基結光伏電池。指用金屬和半導體接觸組成一個“肖特基勢壘”的光伏電池（又稱為MS光伏電池）。④薄膜光伏電池。指利用薄膜技術將很薄的半導體材料鋪在非半導體的襯底上而構成的光伏電池。⑤疊層光伏電池。指將兩種對光波吸收能力不同的半導體材料疊在一起構成的光伏電池。⑥濕式光伏電池。指在兩側涂有光活性半導體膜的導電玻璃中間加入電解液而構成的光伏電池。2、按電池材料分類①硅形光伏電池。包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。其中：單晶硅材料結晶完整，載流子遷移率高，串聯電阻小，光伏轉換效率最高，可達20%左右，但成本比較昂貴；多晶硅材料晶體方向無規律。由于在這種材料中的正、負電荷有一部分會因為晶體晶界連接的不規則性而損失，所以不能全部被P-N結電場所分離，使之效率一般要比單晶硅光伏電池低，但多晶硅光伏電池成本較低；非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式，其造價廉價，但光電轉換效率比較低，穩定性也不如晶體硅光伏電池，目前主要用于弱光性電源，如手表，計算器等的電池。②非硅半導體光伏電池。主要有硫化鎘光伏電池和砷化鎵光伏電池，硫化鎘分單晶或多晶兩種，它常與其他半導體材料合成使用。③有機光伏電池。主要由一些有機的光電高分子材料構成的光伏電池。2．2光伏電池的工作原理光伏發電應用首要解決的是怎樣將太陽能轉換為電能。光伏電池就是利用半導體光伏效應制成的，它是一種能將太陽能輻射能直接轉換成電能的轉換器件。由若干個這種器件封裝成光伏電池組件，再根據需要將若將若干個組件合成一定功率的光伏陣列，并與儲能、測量、控制等裝置相配套，即構成光伏發電系統。2.2.1P-N結簡介當導電類型不同的P型半導體和N型半導體緊密接觸在一起，在交界面上就會出現電子和空穴的濃度差，N區電子濃度高，P區空穴濃度高，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。擴散流的強弱正比于電子和空穴的濃度差。在擴散作用下，N區的一部分電子進入P區，P區得一部分空穴進入N區，結果在交界面附近，P區一邊因失去了帶正電的空穴和接受了帶負電的電子，呈現負電性；N區一邊因失去帶負電的電子和接受了帶正電的空穴，而呈現正極性。由于正負電荷的相互吸引，在P區和N區的交界面附近形成一個空間電荷區，并產生一個稱為勢壘電場的內建電場，其方向從帶正電荷的N區指向帶負電荷的P區，這就是通常所說的半導體P-N結。勢壘電場的建立反過來又對上述多數載流子（N區的電子和P區的空穴）的擴散運動起阻礙作用。進入P區的電子和進入N區的空穴在內建電場的作用下，帶負電的電子受到被拉回N區的力作用，帶正電的空穴則受到被拉回到P區的力作用。這種載流子在勢壘電場作用下的運動成為漂移運動。漂移流正好和上述交界面的擴散流方向相反。擴散運動和漂移運動共存，在一定的溫度和光照下，這兩種作用相互矛盾又相互聯系的統一在一個整體內，最后達到平衡，這就是P-N結的形成過程。光伏電池正是利用了光激發少數載流子通過P-N結而發電的。2.2.2光伏電池的工作原理光伏電池是不加偏置的P-N結器件，如圖2.1所示，當入射光子能量hv≥E時，半導體中原子就因吸收光子能量而產生電子——空穴對。在勢壘區內建電場作用下，P區光生電子進入N區，在N區邊界積累；N區光生空穴進入P區，在P區邊界積累。于是在P區和N區間建立光生電動勢，它的方向與內建電場相反。光生載流子的運動，由于中和掉部分空間電荷，使PN結勢壘減低，引起正向注入。當光生電流，：和正向電流JF大小相等時，對應一定的勢壘高度(％一y)。這個電壓V，相當于P區相對N區有一個電壓，它就是光生電壓。接通外電路，只要保持光照，就會有電流不斷地流過負載R，這個效應就是光伏效應，是光伏電池的基本原理。圖2.1光伏電池的工作原理2．3光伏電池的電氣特性2．3．1光伏電池輸出特性方程光伏電池相當于具有與受光面平行的極薄PN截面的大面積的等效二極管，其等效電路如圖2.2所示。圖2.2光伏電池等效電路圖由圖2-1中電流的流向可得光伏電池的輸出特性方程：（2-1）（2-2）（2-3）上述三個公式的參數解析詳見表2.1。一般討論實際等效電路時，可忽略Rs或Rsh對光伏電池等效電路進行分析可以發現：串聯電阻Rs越大，則短路電流會越小，但不會對開路電壓造成大影響；并聯電阻Rsh越大，則開路電壓會變小，但不會影響到短路電流。在發電效率上，似乎輸出電流對輸出功率的影響程度會較大，加上影響開路電壓的因素除了Rsh外還包括二極管的電流值，因此Rs對光伏電池的發電效率的影響較為明顯。因此，在下面的討論中將忽略Rsh，并且得到簡化的光伏電池輸出特性方程如公式2-4。（2-4）表2．1光伏電池等效模型參數解析符號描述單位數值I光伏電池輸出電流AV光伏電池輸出電壓VIOS光伏電池暗飽和電流AT光伏電池表面溫度KK波爾茲曼常數J/K1.38×10ˉ23q單位電荷C1.6×10ˉ19K1短路電流的溫度系數A/Kλ日照強調W/m2ISC標況下光伏電池短路電流AILG光電流AEGO半導體材料的禁帶寬度JA.B理想因子，一般介于1和2之間Tr參考溫度K301.18IorTr下的暗飽和電流ARsh光伏電池的并聯等效電阻ΩRs光伏電池的串聯等效電阻Ω2．3．2光伏電池模組與陣列光伏電池模組(Module)是由許多小單位的光伏電池經由并聯或串聯組合所組成的。光伏電池串聯組合可以提高太陽能發電系統的最高輸出直流電壓；光伏電池并聯組合可以提高太陽能發電系統的最高輸出直流電流。因此，通過對光伏電池串、并聯交替組合可以得到期望的直流電壓或電流。據此可以得到光伏電池模組的輸出特性方程：（2-5）其中,np、ns分別為模組中光伏電池的并聯、串聯個數。同樣，光伏電池陣列(Array)是由許多小單位的模組經由并聯或串聯組合所組成的。表2．2SiemensSP75在標準測試條件下的參數電氣特性規格額定輸出最大功率Pmax75（W）額定電流Im17（A）額定電壓Vm4.4（V)短路電流Isc21.7(A)開路電壓Voc4.8(V)短路電流溫度系數2.06(mA/°C）開路電壓溫度系數-0.77（V/°C)NOCT(NOrmalOPeratingCellTemPerature)45±2(°C）表2.2列出了德國Siemens公司生產的SP75型號的光伏電池模組的各項參數。它由36個單結晶矽光伏電池串聯而成，根據公式（2-5），設在參考條件下Isc為短路電流，Voc為開路電壓，Im、Vm為最大功率點電流和電壓，則當光伏電池陣列電壓為V，得到該光伏電池模組的輸出特性方程：（2-6）考慮溫度和太陽輻射影響時：（2-7）其中：（2-7）（2-7）（2-10）下面將運用SIMULINK對該光伏電池模組進行仿真，并對仿真結果進行分析。2．4光伏電池的仿真實現2．4．1仿真模型2．4．2光伏電池的特性分析圖2.6在大氣溫度固定(25℃)，不同日照強度下，光伏模組對日照量變化的特性曲線圖：(a)光伏模組的輸出電流與輸出電壓的關系圖；(b)光伏模組的輸出功率與輸出電壓的關系圖。（a）（b）圖2.7在日照強度固定(750W／㎡)，不同大氣溫度下，光伏模組對溫度變化的特性曲線圖：(a)光伏模組的輸出電流與輸出電壓的關系圖；(b)光伏模組的輸出功率與輸出電壓的關系圖（a）（b）從上面的圖形我們可以總結出，光伏電池的非線性表現的很明顯，即：光伏電池的輸出電流和輸出功率取決于電池的端電壓、溫度以及太陽照射強度。比較它們的曲線變化我們可以觀察到，隨著太陽照射強度的增大，光伏組件的短路電流增加，同時最大輸出功率也增加。其原因是：開路電壓與太陽能照射強度成對數上升而短路電流只與太陽能照射強度成正比。另一方面，同時通過比較我們可以發現，隨著工作溫度的升高，光伏電池的短路電流增加而最大輸出功率減小。因為輸出電流的增加遠小于電壓的下降，所以在高溫下凈功率有所減小。2．5小結太陽能作為綠色能源，取之不絕、用之不盡。光伏電池利用太陽光發電，將太陽能轉換為電能，輸出功率。光伏電池的輸出受到電池表面溫度、日照強度等外界環境因素的影響，且具有明顯的非線性。因此，當外界因素發生變化時，光伏電池很難保證最大功率的輸出，從而造成能源上的浪費。光伏電池轉換效率低成為光伏系統的一個主要問題。因此，如何進一步提高光伏電池的轉換效率，即如何跟蹤光伏電池的最大功率點，一直是光伏系統研究的重要方向。第三章電力電子轉換器隨著電力電子技術的迅速發展，高壓開關穩壓電源已廣泛用于計算機、通信、工業加工和航空航天等領域。所有的電力設備都需要良好穩定的供電，而外部提供的能源大多為交流，電源設備擔負著把交流電源轉換為電子設備所需的各種類別直流任務。但有時所供的直流電壓不符合設備需要，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為直流電變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在直流傳動系統.、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用。隨之出現了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術已被廣泛運用開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波能領域得到了廣泛的應用。但以IGBT為功率器件的直流斬波電路在實際應用中需要注意以下問題：（1）系統損耗的問；（2）柵極電阻；（3）驅動電路實現過流過壓保護的問題。3.1直流斬波電路直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調整特性。隨電子技術的發展，近年來已發展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數量、連線和焊點。直流斬波器(D.C.Chopper)又稱為截波器，它是將電壓值固定的直流電，轉換為電壓值可變的直流電源裝置，是一種直流對直流的轉換器(DCtoDCConverter)已被廣泛使用，如直流電機之速度控制、交換式電源供應器(Switching-Power-Supply)等。直流斬波是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為DC/DC變換。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式，Ts（周期）不變，改變Ton（通用，Ton為開關每次接通的時間），二是頻率調制方式，Ton不變，改變Ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類：Buck電路：降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相同。Boost電路：升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相同Buck-Boost電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相反，電感傳輸。Cuk電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相反，電容傳輸。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)，同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。3.1.1工作原理假設L和C值很大。V處于通態時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。圖3.1boost斬波電路主電路圖首先假設電感L值很大，電容C值也很大。當V-G為高電平時，Q1導通，12V電源向L充電，充電基本恒定為,同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為。設V處于通態的時間為，此階段電感L上積儲的能量為。當V處于段態時E和L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設V處于段態的時間為，則在此期間電感L釋放的能量為。當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L積儲的能量于釋放的能量相等，即（1-1）化簡得（1-2）上式中的，輸出電壓高于電源電壓。式（1-1）中為升壓比，調節其大小即可改變輸出電壓的大小。3.1.2數量關系設V通態的時間為t，此階段L上積蓄的能量為：EIT設V斷態的時間為t，則此期間電感L釋放能量為：（E-E）IT穩態時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：（1-3）T/t>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。T/t－升壓比;升壓比的倒數記為β，即β=。又因為α+β=1。所以：U=E=E（1-4）電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用，電容C可將輸出電壓保持住。3.2boost斬波電路3.2.1boost斬波電路原理圖3.2用于直接電動機回饋能量的升壓斬波電路圖通常用于直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源,實際L值不可能為無窮大，因此有電動機電樞電流連續和斷續兩種工作狀態電機反電動勢相當于圖3.2中的電源，此時直流電源相當于圖3.1中的負載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯電容器。基于“分段線性”的思想進行解析V處于通態時，設電動機電樞電流為i1，得下式（3-1）式中R為電機電樞回路電阻與線路電阻之和。設i1的初值為I10，解上式得（3-2）當V處于斷態時，設電動機電樞電流為i2，得下式：（3-3）設i2的初值為I20，解上式得：（3-4）用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路波形：圖3.3電流連續升壓斬波電路波形圖3.4電流斷續升壓斬波電路波形當電流連續時，從圖3.3的電流波形可看出，t=ton時刻i1=I20，t=toff時刻i2=I10，由此可得：（3-5）（3-6）把上面兩式用泰勒級數線性近似，得（3-7）該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即（3-8）對電流斷續工作狀態的進一步分析可得出：電流連續的條件為（3-9）根據此式可對電路的工作狀態作出判斷。3.2.2boost斬波電路的應用由于直流斬波器具有調壓、調磁等作用，因此它的應用領域之一是直流電機的調速。直流電機的轉速取決于電樞電壓及磁場的大小，通過直流斬波器的調壓作用，可以調節電機的電樞電壓，達到調速的目的。另外，通過直流斬波器的調磁作用，可以調節電機的磁場及勵磁電流，也可以達到調速的目的。直流電機調速在地鐵、城市無軌電車、電動汽車等運輸車輛上得到了廣泛的應用。直流斬波器的另一應用領域是直流供電電源。在各種應用場合中，不同用電設備所需要的直流供電電壓的等級不同，采用直流斬波器可以將單一的、不穩定的直流輸入電壓變換成負載所需要的穩定的、不同電壓等級的直流供電電壓，因為直流斬波器工作在開關狀態，因此這種類型的直流供電電源也稱為開關電源。開關電源在計算機、通信等各個領域也得到了廣泛的應用。總之，直流斬波器廣泛應用于直流電機調速、開關電源、直流電壓隔離等各個領域中。3.3設計內容及要求3.3.1設計的要求1．直流輸入電壓：Ud=50V；2．輸出功率：500w；3．直流輸入電壓：10-100V之間3.3.2輸出值的計算由電路原理分析可知：考慮10的裕量:3.4仿真3.4.1主電路工作原理主電路原理圖如圖3.5所示其工作原理，前言中已說明，這里再補充說明電路中的幾個模塊。IGBT用理想的方波發生器觸發，周期設為0.0001s，最大值設為10V，通過調占空比來調輸出電壓。其保護電路，觸發電路將在protel中實現。示波器用來觀察電感電流，電源電壓波形和負載電壓輸出波形。圖3.5主電路原理圖占空比為30%，電感為27eH,電容為375eF,電阻為81：3.4.2脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖圖3.6脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖1占空比為40%，電感為27eH,電容為375eF,電阻為81：圖3.7脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖2占空比為50%，電感為27eH,電容為375eF,電阻為81：圖3.8脈沖、電感電流和負載電壓仿真圖3第四章最大功率點跟蹤算法的研究光伏發電具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優點，越來越來受到關注，在未來的供電系統中占有重要的地位。在前一章中提到光伏發電存在的問題是光伏電池的輸出特性受外界環境影響大，電池表面溫度和日照強度的變化都可以導致輸出特性發生較大的變化。并且，光伏電池轉換效率低、價格昂貴。初期投入較大。因此，充分利用光伏電池所產生的能量是光伏發電系統的基本要求。要解決此問題可在光伏電池與負載間加入最大功率點跟蹤裝置，使光伏電池始終能夠輸出其最大功率，以提高太陽能的利用率。在最大功率點跟蹤系統中，確立一個好的算法是其中的關鍵，在智能控制發展的如火如茶的今天，利用智能控制方法上的模糊性，自適應性來對非線性、不確定性的太陽能光伏發電系統進行控制，無疑是一個很好的選擇。4．1光伏系統的最大功率點跟蹤根據上一章中光伏電池模型，給定溫度和光照可以得到如圖3．1光伏電池在一定溫度、日照強度下的輸出特性示意圖，(a)光伏電池的輸出電流與輸出電壓關系圖；(b)光伏電池的輸出功率與輸出電壓關系圖。圖4.1（a）光伏電池I-V關系圖圖4.1（b）光伏電池P-V關系圖從圖4．1可以看出，在一定的溫度和日照強度下，光伏電池的輸出電壓和輸出電流之間具有非線性的關系，并且具有唯一的最大功率點MPP(MaximumPowerPoint)。在光伏系統中，通常要求光伏電池的輸出功率保持在最大，即光伏電池工作在最大功率點，從而提高光伏電池的轉換效率，達到充分利用太陽能的目的。然而當電池表面溫度或日照強度等因素發生變化時，最大功率點也會發生漂移，并且這些外界因素又是因地區而異，有時甚至是瞬息萬變的。因此，如何在時刻變化外界環境下，使光伏電池維持在最大功率點處，成為光伏系統中一個急需解決而又非常重要的問題。對于電阻型負載，其負載線與I-V曲線的交叉點決定了光伏電池的工作點。不同的負載RL決定了不同的工作點。因此在不同的溫度、日照強度條件下，當最大功率點發生漂移時，可通過調整負載使光伏電池重新工作在最大功率點處。最大功率點跟蹤MPPT(MaximumPowerPointTracking)就是完成以上阻抗匹配的任務，使得變換后的工作點正好和光伏電池的最大功率點重合，使光伏電池以最大功率輸出。4.2MPPT算法的總體模型上圖所示是MPPT算法的總體模型，我們通過對MPPT模塊的替換，就可以實現對不同的MPPT算法進行仿真研究。下面是幾種常用算法的仿真。4.2.1開路電壓法算法的具體模型其中要把負載處開路4.2.2擾動觀察法算法的具體模型4.2.3恒壓控制法算法的具體模型4.2.4波形比較25攝氏度下，3種方法MPPT波形圖比較藍色曲線：擾動法觀擦法黃色曲線：開路電壓法紫色曲線：恒壓控制法50攝氏度下，3種方法MPPT波形圖比較藍色曲線：擾動法觀擦法黃色曲線：開路電壓法紫色曲線：恒壓控制法4.3各種方法的優缺點4.3.1恒定電壓法缺點：實現精度差，存在嚴重的功率振蕩，溫度對光伏電池開路電壓的影響較大，測量開路電壓要求光伏陣列斷開負載后再測量，對外界條件的適應性差，環境變化時不能自動跟蹤到MPP，造成了能量損失優點：控制方法簡單容易實現，初期投入少。4.3.2開路電壓法缺點：如何選擇最佳的比例常數卻很困難，因為是由光伏陣列的物理特性所決定的，隨太陽能電池板日益老化而變化，而且由于測量開路電壓需要將負載斷開，導致存在瞬時功率損失問題。而且系統的功率輸出并不是基于對光伏陣列輸出功率計算而得，而是假設一旦開路電壓確定相應的最大功率點電壓也就確定了，其功率輸出也就是最大。這樣如果最大功率點的選取不準確，就會導致輸出功率并不是最大的功率（從圖中可以看出，比最大攻略略低）。優點：方法原理簡單，結構簡單，價格低廉，受溫度變化影響較小。4.3.3擾動觀察法缺點：還是存在功率振蕩的現象和受溫度變化的影響。優點：提高方法不難實現，現在被普遍使用，而且跟蹤精度較高，受溫度變化的影響程度不大。4.4擾動觀察法的詳細分析由于擾動觀察法的結構簡單，且需要測量的參數較少，被普遍地應用在光伏電池的最大功率點跟蹤上,所以我們使用擾動觀察法作為仿真對象。其工作原理為測量當前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓上增加一個小電壓分量(或稱之為擾動)，其輸出功率會發生改變，測量出改變后的功率，比較改變前的即可知道功率變化的方向。如果功率增大就繼續使用原擾動。如果減小則改變原擾動方向。 擾動觀察法跟蹤情況示意圖上圖說明了這個動態過程，假設工作點在V1處，光伏電池輸出功率為Pl，如果使工作點移到V2=V1+△V，光伏電池輸出功率為P2，然后比較現時功率P2與記憶功率Pl。因為P2>Pl，說明輸入信號差△V使輸出功率變大，工作點位于最大功率值Pmax的左邊，繼續增大電壓，使工作點繼續朝右邊即Pmax的方向變化。如果工作點已越過Pmax到達V4，此時若再增加△V，則工作點到達V5，比較結果：P5<P4，說明工作點在Pmax右邊，需要改變輸入信號的變化方向，即輸入信號每次減去△V，再比較現時功率與記憶功率，就這樣周而復始地尋找最大功率點Pmax。下圖為擾動觀測法的控制流程圖。4.4.1擾動觀察法的具體模型通過給定溫度20℃，光照通過timer模塊設定在600——1000之間進行擾動變化，通過搭建boost電路來直接實現擾動法的算法。其中通過PWM脈沖調試來改變電壓，實現波動。對于擾動觀察法我們可以通過簡單的模塊來實現其算法，如圖PWM模塊基于占空比為升壓式變換器產生脈沖信號。其中,零階保持器的采樣周期與MPPT仿真模塊周期相同,取在[0.01-0.001]之間。可從示波器觀測仿真結果。4.4.2仿真結果采用變步長的ode23tb(stiff/TR-BDF2)仿真,最小步長與最大步長自動調節,相對誤差允許范圍為1×10-