光伏发电MPPT算法及控制器研究

【摘要】：随着经济发展，有限的煤、石油、天然气等化石能源已经无法满足人类的发展需要，为了避免能源危机出现，必须大力开发可再生的新能源。太阳能是可再生新能源之一，干净绿色，取之不尽，因此光伏发电也成为科学研究的热点。 光伏电池的最大输出功率会随外部环境如光照度、温度变化而变化，而在每一种环境条件下都有唯一最大功率输出点。为了充分利用电池的发电潜能，提高利用率，减少材料、空间等资源浪费，必须在光伏发电系统中加入控制器，对输出进行最大功率点跟踪，使得光伏电池始终处在最大功率输出的状态，无论环境发生怎样的变化。 本文将对光伏发电控制器的软件和硬件进行设计，并重点对最大功率跟踪算法进行研究。首先分析光伏发电的基本原理，用Matlab/Simulink软件建立光伏电池仿真模型，绘出电池的输出特性曲线并进行分析。然后对最大功率跟踪常用算法的原理及其优点、缺点进行分析，常用算法包括固定电压法、扰动观测法、增量电导法等。选用固定电压启动结合增量电导法的算法方案，提出跟踪步长与P-U曲线斜率成指数变化关系的步长优化方案，以及跟踪周期与跟踪步长成反比关系的变周期优化方案。为了使算法更适应快速变化的环境，提出三点跟踪优化方案。三点跟踪可以判断环境是否在变化，并在环境变化时避免误判，减少输出波动。 为了检验算法的有效性，用Matlab语言结合仿真模型进行编程，对算法进行仿真分析。在仿真时，对新算法和传统算法、优化前后的算法进行比较。仿真结果表明算法有效可行。 分析常用的太阳能控制器的电路原理，设计制作硬件电路，搭建150W的光伏发电硬件系统。对提出的新算法进行实验分析，结果表明新算法不但提高了系统最大功率跟踪的速度，也提高了系统的输出稳定性，在环境快速变化时反应灵敏且输出波动小。仿真和实验证明了算法的可行性和实用性，对以后光伏发电控制技术的研究具有参考意义。 【关键词】：太阳能 光伏发电 最大功率点跟踪 控制器 Buck电路
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究背景和意义10-12
• 1.1.1 能源危机迫在眉睫10-11
• 1.1.2 能源危机的解决之道11-12
• 1.2 光伏发电技术在国内外发展状况12-14
• 1.2.1 光伏发电的种类12
• 1.2.2 光伏发电的发展状况12-14
• 1.3 光伏发电系统的基本组成及分类14-16
• 1.3.1 光伏发电系统的基本组成14
• 1.3.2 光伏发电系统的分类14-16
• 1.4 本文主要研究内容16
• 1.5 本章小结16-17
• 第2章 光伏电池的模型和特性曲线17-25
• 2.1 光伏电池的工作原理17
• 2.2 光伏电池的数学模型17-19
• 2.3 光伏电池的仿真模型19-20
• 2.4 光伏电池的仿真特性曲线20-24
• 2.4.1 仿真参数的设置20
• 2.4.2 光伏电池的仿真特性曲线20-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 光伏发电最大功率跟踪算法25-38
• 3.1 固定电压法和固定电流法25-27
• 3.1.1 固定电压法25-27
• 3.1.2 固定电流法27
• 3.2 扰动观测法27-28
• 3.3 增量电导法28-30
• 3.4 MPPT 算法设计30-37
• 3.4.1 固定电压启动以及第一个点的测量32
• 3.4.2 第二、第三点的测量，导数值的计算32-33
• 3.4.3 使用判别阀值33
• 3.4.4 外部环境稳定时的跟踪算法33-34
• 3.4.5 外部环境剧烈变化时的三点跟踪算法34-35
• 3.4.6 跟踪步长和周期及其优化35-37
• 3.5 MPPT 控制方法发展方向37
• 3.6 本章小结37-38
• 第4章 最大功率跟踪算法的仿真分析38-46
• 4.1 传真参数设置38
• 4.2 仿真结果分析38-45
• 4.2.1 固定电压法仿真结果38-39
• 4.2.2 增量电导法仿真结果39-40
• 4.2.3 固定电压启动结合增量电导法仿真结果40
• 4.2.4 指数变步长，连续变周期优化算法仿真结果40-42
• 4.2.5 三点法优化算法在干扰环境中的优点42-45
• 4.3 本章小结45-46
• 第5章 光伏发电控制器硬件电路设计46-61
• 5.1 光伏电池47
• 5.2 单片机控制电路47-51
• 5.2.1 电源电路设计48
• 5.2.2 AVR_MEGA16 微处理48-49
• 5.2.3 A/D 转换电源滤波电路设计49
• 5.2.4 复位电路，按键、指示灯及 LCD 显示器电路设计49-50
• 5.2.5 串口通信电路设计50
• 5.2.6 信号采集滤波电路及限压保护电路设计50-51
• 5.3 控制器 DC-DC 变换电路介绍和设计51-56
• 5.3.1 常用电子元件介绍51-52
• 5.3.2 DC-DC 变换器常用电路分析52-55
• 5.3.3 控制器变换电路的选用和参数设计55-56
• 5.4 控制器 DC-DC 变换电路图设计56-60
• 5.4.1 Buck 电路图58
• 5.4.2 电源驱动电路58-60
• 5.5 本章小结60-61
• 第6章 MPPT 算法的实验结果分析61-72
• 6.1 实验参数设置61-62
• 6.2 实验结果分析62-71
• 6.2.1 光伏电池的实验特性曲线62-64
• 6.2.2 固定电压启动法实验结果64
• 6.2.3 增量电导法实验结果64-65
• 6.2.4 固定电压启动结合增量电导法实验结果65-66
• 6.2.5 指数变步长，连续变周期优化算法实验结果66-67
• 6.2.6 三点跟踪优化后的实验结果67-68
• 6.2.7 存在环境干扰时的实验结果68-69
• 6.2.8 光伏电池输出电压的示波器曲线69-71
• 6.3 本章小结71-72
• 结论72-74
• 1. 工作总结72-73
• 2. 创新点73
• 3. 展望73-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-78
• 附录 A （攻读学位期间发表的论文）78

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