太阳能光伏发电储能控制研究

山东理工大学山东理工大学山东理工大学山东理工大学硕士学位论文 太阳能光伏发电储能控制研究RESEARCHRE ONO NOO SOLARSO PHOTOVOLTAICHO O OHO O OHO O OENERGY STORAGESTOOO CONTROLCO 研究生赵赵赵赵敬敬敬敬指导教师李李李李田田田田泽泽泽泽教授教授教授教授申请学位门类级别工工工工程程程程硕硕硕硕士士士士学科专业名称电电电电气气气气工工工工程程程程 研究方向太阳能光伏发电太阳能光伏发电太阳能光伏发电太阳能光伏发电论文完成日期2013年年年年4月月月月20日日日日 单位代码10433学号Z1110314分类号TK519KKK密级 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名时间年月日关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议研究生签名时间年月日 导师签名时间年月日 山东理工大学硕士学位论文摘要 I 摘要太阳能光伏发电随着能源短缺和环境污染的日益严重，成为各国学者和专家研究热点。但是太阳能光伏发电受天气影响，黑天或阴雨天气时，太阳能电池板无法输出电能，致使不能保证用户正常用电。因此论文对太阳能光伏发电储能控 制展开以下的研究。首先，分析了课题研究的时代背景、实践意义和研究现状以及课题的主要内容；研究了光伏发电系统的系统架构，详细介绍了光伏系统所用到的四个主要器件光伏电池、变换器、控制器、蓄电池，确定采用单向DC/DC变换器实现最大功率点的跟踪。 其次，在分析双向DC/DC变换器的基本原理和拓扑及其软开关技术的基础上，确立了双向DC/DC变换器对太阳能光伏发电系统的蓄电池进行充放电。重点研究了零电压开关移相控制桥式双向DC/DC变换器，该变换器采用耐高压的IGBT器件的桥式电路和零电压移相控制对蓄电池进行充放电，减少了循环能量，增加太阳能光伏发电利用率。 再次，通过分析铅酸蓄电池的工作原理和它的分类及其性能参数，研究了太阳能光伏发电蓄电池控制技术，设计了基于模糊控制对蓄电池的充电控制，充分提高了太阳能电池板的利用率，能够完成蓄电池快速充电，提高蓄电池寿命。最后，在MATLAB中设计了模糊控制器，并且通过模糊控制器对零电压开关桥式双向DC/DC变换器进行控制，完成对蓄电池充放电仿真。比较了两阶段 充电和模糊控制充电的优劣，并且对其进行了实验仿真，运行结果表明，该控制方法可达到快速充电的目的。关键词光伏发电；双向DC/DC变换器；软开关；充放电；蓄电池 山东理工大学硕士学位论文摘要 II ABSTRACTSolar photovoltaic power generation has became the research hot spot of thescholars and experts from various countries,with energy shortage and environmentpollution becoming more serious.However solar photovoltaic power generation is influenced by the weather, in dark or rainy days,solar panels cant outputpower,making it impossible to ensure that users’ normal use of electricity.Thereforethis paper on the control of PVgeneration storage expands the following research.First of all,this article analyzes the research’s historical background,practicalmeanings and research status , and points out the main content of the subject.After studying the system architecture of the PV generation system,the paper describes thefour main components used in the PV system in detail,including the photovoltaiccells,converter,controller and battery , and then determined to achieve maximumpower point tracking using one-way DC/DC converterSecondly, based on the analysis of the basic principles ,topology and its soft-switch technology of the bidirectional DC/DC converter,the article establishescharges and discharges the battery of PV system through a bi-directional DC/DCconverter. The article focus on the zero voltage switch phase-shifting control bridgebidirectional DC/DC converter,the converter utilizes the bridge circuit of the IGBTdevice which is able to endure high pressure and the zero voltage phase-shifting control to charge and discharge the battery, reducing the circulating energy andincreasing the utilization ratio of PVgeneration.Thirdly, after analyzing the work principle of the lead-acid battery,classificationand its performance parameters,this paper studies solar PV battery control technologyand designs a new method to charge the battery based on the fuzzy control .This method fully raises the use rate of solar array , complete s the fast charging of batteryand improv es the battery’s service life.Finally,the article designs fuzzy controller in MATLAB, controls the switch ofbridge bidirectional DC/DC converter through the fuzzy controller and complete s thesimulation of the battery charging and discharging . Compared the pros and cons of the two-stage charging and fuzzy control charging ,and the results show that this control 山东理工大学硕士学位论文摘要 III method can achieve fast charging after the experimental simulation.KeywordsK eywordsKK photovoltaic power generation; bidirectional DC/DC converter; chargeand discharge; soft switch; battery 山东理工大学硕士学位论文摘要 IV 目目目目录录录录摘要IABSTRACTII目录.IV 第一章绪论11.1课题研究的背景11.2光伏发电储能系统的国内外研究现状.11.2.1国外研究现状.11.2.2国内研究现状.2 1.2.3存在的问题.31.3本文研究的主要内容4第二章太阳能光伏发电系统.52.1太阳能光伏发电系统基本原理.52.2太阳能光伏发电系统整体结构.5 2.2.1独立光伏发电系统.52.2.2不带蓄电池的并网型光伏发电系统.62.2.3混合型光伏发电系统62.3太阳能光伏发电系统构成.72.3.1太阳能光伏电池.7 2.3.3变换器.112.3.4控制器.152.3.5蓄电池.152.4本章小结16第三章双向DC/DC变换器的研究17 3.1双向DC/DC变换器原理及拓朴结构173.1.1双向DC/DC变换器原理173.1.2双向DC/DC变换器拓扑结构183.1.3双向DC/DC变换器应用193.2双向DC/DC变换器软开关技术研究20 3.2.1谐振类双向DC/DC变换器213.2.2准方波零电压开关PWM双向DC/DC变换器.21 山东理工大学硕士学位论文摘要 V 3.2.3零电压开关相移控制桥式双向DC/DC变换器223.2.4无源缓冲类器型双向DC/DC变换器.223.2.5有源缓冲器型双向DC/DC变换器.233.3双向DC/DC变换器主电路的设计.243.3.1零电压开关相移控制双向DC/DC变换器.24 3.3.2工作原理.253.3.3模态分析.273.3.4主电路参数设计.283.4本章小结30第四章光伏系统蓄电池的充放电控制技术31 4.1铅酸蓄电池工作原理及性能.314.1.1铅酸蓄电池工作原理314.1.2铅酸蓄电池性能参数324.2铅酸蓄电池充电控制技术.344.2.1蓄电池充放电特性34 4.2.2确定铅酸蓄电池充电法364.3模糊控制快速充电法研究.384.3.1输入输出量模糊化394.3.2模糊推理.404.3.3模糊清晰化.40 4.4铅酸蓄电池容量设计414.5本章小结42第五章光伏发电系统蓄电池储能仿真.435.1模糊控制充电法与传统充电法比较.435.2最大功率跟踪仿真44 5.3蓄电池充电仿真455.4蓄电池放电仿真475.5本章小结48第六章总结与展望49致谢.50 参考文献.51攻读硕士期间参加的课题与发表的论文55 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 第一章第一章第一章第一章绪绪绪绪论论论论1.1课题研究的背景随着全球工业化进程的开展，地球上储存的现有能源将面临枯竭。对于目前 世界各国能源需求的急剧膨胀，人类的生存环境因过量使用能源已经造成的严重破坏，全球能源危机的到来在所难免。因此，当今世界亟待解决的问题就是能源、环境与发展[1-2]。据有关资料显示，按照目前能源的消耗速度，世界一次能源最多只能再用200年左右[3]。世界各国为了能源能够可持续发展，除了采取一定措施改善现在的能源结构外，还努力寻找开发新能源，尤其是在电力方面的能源问题， 全球经济对电力需求的依赖和日益增长最为明显。因此，需要寻求分布式发电的新能源来解决用电困难问题。太阳能是一种可再生清洁能源，其特点是储存量大，无污染。但太阳能光伏发电受天气环境影响，如果天气晴朗，用户用不完太阳能发出的电能将会造成浪费；如果天气阴天，太阳能将不能发出用户所需的电能将会导致用户无法正常生 活。因此，为保证用户可靠用电，选用铅酸蓄电池对太阳能光伏发电进行研究。蓄电池自发明以来，一直受充电技术的限制，达不到理想的充电效果。如果蓄电池充电不当，很容易导致过充和析气等现象，减少蓄电池寿命。而蓄电池在充电过程中，充电电流不能自适应动态跟踪被控量，造成了充电质量和效果很不理想。因此，如何高效、快速地对蓄电池进行充电，一直是蓄电池的关键问题。 目前，全球公认充电方法是其美国科学家马斯提出的最佳充电曲线法，其含义是蓄电池以最低出气率为前提条件，能够接受的充电曲线[4]。按照此充电曲线进行控制，可以达到预期目标。但是，提高充电效率和缩短充电时间已不是传统铅酸蓄电池充电方法能够完成的，因此，采用模糊控制法对蓄电池进行储能控制有着极其重要的意义。 1.2光伏发电储能系统的国内外研究现状1.2.1国外研究现状2012年日本Elecom公司推出了一款智能手机的太阳能充电器，其充电器主 要由供电电流和太阳能发电器组成，该充电器的特点是在阴天时也可充电，而且 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 2 可以插入电源插座储备电能。土耳其塞尔库克大学将数字信号处理器与神经网络算法结合实现对12W光伏发电系统的控制。Sanyo Electric Co.Ltd.提出了一种励磁回路电路的充电方法，由电容C1、C2和S1、S2、S3来完成充电。 美国人Sae Hwan Huh在2006年申请Charging control apparatus and method ofmobile terminal于2010年颁证，它主要发明了根据不同充电电源选择不同的充电电流来达到充电的目的。Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd的专利主要研究的是控制器蓄电池的重复充放电，来提高蓄电池的寿命。 B.J.Huang[5]等人提出了一种动态充电控制模型，这是针对蓄电池过充造成对蓄电池的损伤，通过采用PWM控制技术对蓄电池最大电压点和浮充电压点进行设置，加之对其控制设计为闭环控制便能避免过充和过放。西班牙对小于5KW的低压小型并网光伏系统应用外推方法从实验中得到功率数值，其追踪范围在95.3到99.9不等。 J.N.ROSS[6]等人研究了一种充放电控制器模型，该模型用仿真软件实现，检测充电控制器策略。目前对于太阳能发电系统的储能控制研究还不够充分，特别是在实践中还会有很多与理论不完全一致的问题，外界环境的复杂性对控制也会有一定的影响。随着自动控制技术对光伏发电系统影响的深入，自动化、智能化越来越成为储能 装置的发展趋势。1.2.2国内研究现状我国1971年发射的东方红二号卫星上就首次使用了太阳能光伏电池 [6]。此后，太阳能光伏发电产业的发展越来越受到重视。特别是近几年的中国光伏产业发展极其迅速，我国在2010年时太阳能发电累计装机容量已达到600Mw，预计到2020年，全国累计装机容量将达到30Gw [7]。根据电力科学院预测，中国的分布式可再生能源发电量到2050年将占到其电力装机总容量的25，其中太阳能发电将占5的装机容量，累计装机容量将达到100GW[8-9]。在光伏产业发展的基础上，许多专家对蓄电池的储能控制也作出许多研究。梁圣杰设计出一简单实用、工作稳定、性能可靠的12V阀控密封铅酸蓄电池 充电器，主要采用UC3906作为阀控密封铅酸蓄电池充电器的专用芯片对蓄电池进行充电[10]。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 3 郑戎杰等人利用脉冲法研究铅酸电池充电特性，通过大量实验与传统定电流充电方法进行各项参数的比较。徐岩峰等人设计的蓄电池充放电控制系统，选用大功率的三相交流模块和PID控制其导通角，保证系统的控制精度[11]。廖锦孙的发明专利中研究了零损耗的光伏太阳能充电控制装置，其中，太阳 能电池板的负极与晶体管相连接，正极与二极管的正极性相连，二极管负极与蓄电池正极相连，晶体管与蓄电池的负极相连接的方法实现充电。赵庚申等人发明专利智能型太阳能充电控制器，它采用独特的太阳电流输出和蓄电池直接相连接的方法，利用PWM脉冲来调节占空比，从而达到控制充电电流目的，这样，充分利用了电能和提高充电效率。 新疆新能源股份有限公司对12V蓄电池的100W光伏系统中采用简易并联调节控制器进行充电。这种方法虽然结构制造简单，但是在蓄电池达到浮充电压点时并没有充满，而如果提高浮充电压，又会对蓄电池有所损坏。苏州诚信电源设备有限公司采用微电脑芯片和无触点控制技术制成额定电压为12V额定电流为8A，允许太阳能充电最大电流8A最大开路电压25V的太阳 能控制器。温州市莱特豪斯测控设备有限公司通过智能取样判断电路获得在0-55℃环境温度下对12V，20A蓄电池充电控制的太阳能充电控制装置。我国太阳能电池的应用领域已逐步进入家庭以及社会公用建设等部门。尤其在山区、沙漠附近等住户稀疏的边远地区，电力部门无法将电能输送到偏远的地 区，推广居民使用独立光伏发电系统保证正常供电极为重要。但是在现阶段，太阳能光伏发电系统的不仅成本还很高，而且受天气环境影响大，因此大规模使用仍然受到技术限制。目前，由于太阳能光伏储能控制技术不完善和转换效率低等因素，制约了太阳能光伏发电的普及，因此，需要对其问题进行深入研究。储能控制的研究可以 保证系统可靠供电，为边远地区提供可靠、连续的电能，保证用户正常使用。综上分析，在中国未来的电力供应中，带蓄电池的光伏发电系统将会扮演着十分重要的角色。1.2.3存在的问题 由于我国光伏产业发展较国际发达国家晚得多，现在还处于初级阶段，因此，在光伏发展方面还存在许多问题，根据观察和分析主要存在以下问题1太阳能电池发电效率受材料限制 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 4 由于受制作材料的限制，光伏电池发电效率低，其中，单晶硅、非晶硅和薄膜光伏电池的发电效率分别为10-15、5-8和2-4。2光伏发电系统受外界环境影响光伏发电系统直接受太阳辐射度和温度影响，因此，随着温度和太阳辐射的不断变化，光伏发电的发电量受很大影响。特别是在阴雨天，对于光伏发电系统， 太阳能光伏发电不能保证正常发电，如果系统没有储能装置会给用户带来生活不便。3蓄电池充电速度蓄电池的充电速度取决于它的容量和充电电流，容量较大时，如果充电电流过小，则所需的充电时间就很长。蓄电池容量一般是一定的，通过调节充电电流 大小决定充电快慢，但如果充电电流过大，到充电后期会导致蓄电池过充，致使蓄电池寿命减少，严重时可使蓄电池报废。经过以上分析，研究太阳能光伏发电储能装置是保证太阳能可靠发电的关键。因此，本文主要对蓄电池储能控制展开研究。1.3本文研究的主要内容 本文将以太阳能光伏发电为研究对象，主要采用双向DC/DC变换器的主电路对蓄电池进行充放电，深入探讨和研究了太阳能光伏发电储能控制。本文将从以下几个方面进行研究工作1本文对国内外太阳能光伏发电的发展和前景以及出现的问题作出介绍，对于存在的问题提出对太阳能光伏发电的储能控制研究。 2介绍了光伏发电系统的基本原理、分类和它的基本组成部分，确立了采用DC/DC变换器实现最大功率点跟踪的方法。3根据对双向DC/DC变换器的原理和拓扑结构进行研究，确立了采用隔离型移相桥式双向DC/DC变换器作为主电路，完成对蓄电池充电，减少充电时的循环能量。 4根据铅酸蓄电池的自身特点，分析了它在充放电特性和方法。设计了一种模糊控制充电法对蓄电池进行充放电，达到快速充电的目的。5利用Matlab/simulink仿真软件，设计模糊控制器，通过控制器对双向DC/DC变换器的开关管进行移相控制，仿真了蓄电池充放电波形图，比较了两阶段充电和模糊控制法。 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 5 第二章第二章第二章第二章太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统2.1太阳能光伏发电系统基本原理由太阳能光伏电池把光能转化为电能，通过对最大功率进行跟踪发出最大功 率，由控制器对蓄电池和逆变器进行控制满足不同负载的需要，这就是太阳能光伏发电系统的工作原理。2.2太阳能光伏发电系统整体结构 从太阳能光伏发电系统的结构特征上看，它可分为独立运行光伏发电系统、并网运行光伏发电系统和混合型光伏发电系统等三种基本类型[12-14]。2.2.1独立光伏发电系统 为了保证电能可靠运行，户用光伏发电系统中都带有蓄电池。蓄电池可以将太阳能电池在太阳光照强时发出多余电能储存起来以便在天气阴暗或没有太阳时供给用户正常使用，它的作用是对太阳能光伏发电系统发出的电能进行储存。独立运行光伏发电系统结构框图，如图2-1所示，图中控制器具有调节和保护功能，通过控制器来管理蓄电池组的充电速率和放电深度，达到延长蓄电池寿命的目的。 在独立光伏发电系统中，如果天气不好时，由蓄电池组提供能量，保证用户可靠用电。 图2-1独立运行光伏发电系统结构图 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 6 2.2.2不带蓄电池的并网型光伏发电系统并网型光伏发电是一种为交流负载提供电能或与市电并网的装置。通过太阳能电池板后连接并网逆变器，使直流电转换为交流电，由控制器进行对交流电进行控制，达到用户侧所需要的电能。它与独立型光伏发电系统的区别在于多了逆 变器装置，但是无蓄电池储能，太阳能光伏发电的能量可以直接输送给电网。当天气好日照较强时，系统可以把它一部分电能直接输出直流电供给直流负载，另一部分多余电能经过逆变器转换为交流电，然后馈入电网，这样就能够输送给电网或供交流负载使用。因此，这种省去蓄电池的光伏发电系统可以大大降低成本。并网型光伏发电系统结构框图如图2-2所示 [15]。 图2-2不带蓄电池的并网型光伏发电系统结构图2.2.3混合型光伏发电系统同备用发电机组或两种分布式发电电源一起使用的光伏发电就是混合型光伏 发电系统。由于天气或其他原因，太阳能板无法输出功率时，启动备用电源继续供给负载使用，保证负载侧用电可靠，也可以经过整流给蓄电池充电储存电能。因此，备用发电机组的存在使得电网能够得到可靠的输出电压，可以满足人们的生活需要，如图2-3所示。 图2-3混合型光伏发电系统结构图 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 7 2.3太阳能光伏发电系统构成根据太阳能光伏发电系统的三种结构可以知道太阳能光伏发电系统的组成部分主要是光伏电池，变换器，控制器，蓄电池，负载[16]，如图所示2-4所示 图2-4光伏发电系统的构成2.3.1太阳能光伏电池太阳能电池是由几乎全部以半导体材料例如硅制成的薄身固体构成，其材 料有P极性底座和底座上的n极性薄层两者构成p-n结，太阳能电池有多个p-n结串联组成[17]。当太阳光照射在太阳能电池板表面时，电池板材料发生化学反应产生电能，其中硅材料吸收一部分光子，硅原子发生越迁，这样在p-n结两侧产生电位差，接通外电路后可以产生输出功率给外部供电，如图2-5所示[17]，其转换效率一般为17左右。太阳能电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件， 是一个既非电压源亦非电流源的非线性直流电源[18]。 图2-5典型的p-n结太阳能电池结构图当太阳能电池处于阴暗处时，输出功率小甚至无输出功率，其伏安特性类似与二极管指数特性[17-19]。当太阳能电池在太阳光照之下时，由于外界条件变化半 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 8 导体内部产生运动，形成电子空穴对，存在的电场分开了在p-n结耗尽区内已产生的带电粒子，这样就会在p-n结两边产生电势差，此时将电池板与外界导体连接便可产生导体所需的电流，从而输出功率。太阳能电池板开路时可看作二极管的特性，称为光伏电池的开路电压特性[17]。实际太阳能光伏系统中，要求光伏电池产生的输出功率大，但是单个的太阳能电池板输出功率小，不能满足用户的需 要，因此，应对太阳能电池进行串、并联连接，从而产生实际需要的功率。光伏电池电路模型如图2-6所示[20]，其中，sR是串联等效电阻总和，s hR是并联等效电阻的总和。 图2-6光伏电池电路图根据所学电路知识，由图2-6电路图得到以下公式 s h sss atph R I RUA K TI RUqIII −−− }1]{exp[ 2-11000/]25[ 1 λ− TKII s c rph 2-2式中I输出电流；U输出电压；s atI电池单元的二极管反向饱和电流；A任意曲线拟合常数且无量纲，其取值范围是21 ≤≤ A；K波尔兹曼常数； phI光生电流；T太阳能电池的绝对温度；q电子电荷量；s cI为标准条件下短路电流；1K温度系数；λ辐射强度。通过式2-2可以得到太阳能电池的伏安特性，它是太阳能光伏组件的主要电气特性之一，太阳能电池在不同光照强度和温度下输出变化用其曲线表示，如图 2-7，2-8所示。太阳能电池光伏组件的另一重要电气特性是功率-电压特性，功率-电压特性曲线如图2-9，2-10所示，由图可知，每条曲线都有一个最大功率点，太阳能电池输出电压对应着这个功率点且此输出电压是唯一的。因此，通过调节太阳能光伏电池的输出电压达到最大功率时的输出电压便可实现跟踪最大功率点 [21]。 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 9 图2-7不同日照量下的电流与电压曲线图 图2-8不同日照量下的功率曲线图 图2-9不同温度下电流电压特性曲线图 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 10 图2-10不同温度下的功率曲线图光伏电池的输出特性曲线图如图2-11所示，在标准条件固定光照和固定温度条件下，在电压由0V上升到Vm的过程中，输出功率随输出电压的上升而上升，在V m处光伏电池的输出功率达到最高，但在此过程中，电流基本上以缓慢速度下降，而且电流下降速度比功率和电压上升速度要慢得多。当功率达到最高点时，电压在Vm点处，也就是光伏电池的最大功率点。从Vm处到Voc处，随着电流下降速度加快，但电压上升速度缓慢，此时，功率随着电流的下降开始下降 [22]。 图2-11光伏电池的输出特性曲线通过以上分析可以知道，光伏电池的输出是一个随机的、不稳定的供电电源，因此光伏电池输出特性曲线受日照强度、环境温度的影响而变化，其中短路电流受日照强度的变化而变化，开路电压与温度几乎成正比增减，使产生的输出功率不稳定，即最大功率点时刻在变化 [22]。论文选用单个太阳能光伏电池的输出电压V35V，输出电流I4A，因此，设计了光伏电池四块串联，输出电压为150V，输出功率为600W。 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 11 2.3.3变换器1．单向DC/DC变换器单向DC/DC变换器除了有升压作用外，在太阳能光伏发电系统中还可以置于太阳能电池和负载之间实现最大功率点跟踪。目前，市场上使用的主电路拓扑 结构主要有降压、升压和升降压变换器等等。1降压变换器Buck电路Buck变换器的电路结构如图2-12所示，由一个全控型器件IGBT、续流二极管、电感和电容元器件组成。当开关管T导通时，电源 oi UU ；开关管T关断时，经过L、C和D构成回路维持电压，此时由续流二极管D续流，L、C滤波形成所需的直流电压[18-22]。它是非隔离型直流电压变换器的一种，其作用是输出电压平均值Uo小于或等于输入电压U1的开关管[24-25]。 图2-12 BUCK电路图太阳能电池板最大功率点跟踪采用Buck电路的优点是结构简单且易控制，线路损耗小。缺点是需要并联储能电容才能完成跟踪系统的最大功率点时且只能用于降压变换。2升压变换器Boost电路 Boost变换器电路与Buck变换器电路的器件一样，其中电感L称为升压电感，开关管T为PWM控制方式，电路结构图如图2-13所示。当开关管T导通时，电源Ui向电感L充电；开关管T关断时，电源Ui和L共同向电容C充电并向负载提供能量[23]。它是不隔离直流变换器的一种，其作用是使输出直流电压平均值U o高于输入电压Ui。 图2-13 Boost变换器主电路 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 12 3升压-降压Buck-Boost变换器电路Buck-Boost变换电路中的元器件与Buck电路中元件相同，电路结构图如图2-14所示。需要注意的是，负载极性与电源极性相反，所以，它与前面的Buck电路和Boost电路两种电路的情况相反。Buck-Boost变换器的特点是该电路工作时输入、输出端电流总是断流的和工作电压范围宽 [23]。 图2-14 Buck-Boost变换器电路图4Cuk变换器电路Cuk电路实际上是Buck变换电路和Boost变换电路两种基本类型电路的组合，Cuk电路可以用单个开关管实现既能降压又可升压的直流-直流变换器，其电路结构如图2-15所示 [16-23]。Cuk电路的特点是变换效率高，工作电流为连续状态，但是该电路中需要耐受极大纹波电流的电容器和承受大容量电流的开关管T和二极管D，造成成本高，暂时不能得到广泛应用。 图2-15 Cuk变换器电路图经过以上分析，实现最大功率点跟踪的主电路拓扑结构选取Boost变换器[16]。原因是Buck变换器工作在断续模式状态必须增加储能电容，但是在负荷较大时，它的存在使电路工作在大电流充放电状态，影响工作可靠性和增大最大功率点跟踪装置的体积。然而Boost电路中只需使输入电感足够大就能使输入电流始终保 持连续状态，电感纹波电流仍可达到平滑直流电流，因此无需额外增加电容即可正常工作，这样，可以避免很多不必要的弊端。同时，Boost电路简单，原理易分析且控制方便。 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 13 选用Boost变换器实现最大功率跟踪作为主电路，如图2-13所示[26]。Boost变换器的开关有两种状态导通和截止，如图2-16所示。两种状态下的电感电流分别有连续工作和断流工作两种工作方式，其波形如图2-17和2-18所示[16]。 （a）开关导通时等效电路图 （b）开关截止时等效电路图图2-16 Boost变换器开关管导通截止电路图1开关管开通，二极管截止状态从t0到T on的期间，电感电流处于上升状态，此时，太阳能电池发出的电能由电感L储存，电感电流iL线性增长；当tTon时，电感电流iL到达最大值ILmax。负载因二极管D截止由电容C供电。 1VdtL di L 2-3在开关管T导通，二极管D截止这段时间里，电感电流iL的增量ΔiL为sL TDLVi ⋅⋅∆ 1 2-42开关管截止，二极管导通状态 从tTon到Ts期间，电感电流开始缓慢下降，这时由电感L储存的电能和太阳能电池发出的电能共同向负载充电，而且还给电容C充电，经历tTs时，iL到达最小值ILmin。 oL VVdtL di − 1 2-5在开关管T截止，二极管D导通期间，电感电流iL的减小量ΔiL为 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 14 soonsoL TDL VVTTL VVi 1 11 −−−−∆ 2-6电感电流连续工作时，开关管导通期间的增量等于开关管截止期间的减少量[18]，升压比M由式2-5和式2-6得到11 1 DVVM o − 2-7从式2-7可以得出升压比仅与开关管的占空比D有关，与所带负载无关。由于太阳能电池最大功率点相对应Boost变换器的输入电压V1，因此，通过控制Boost变换器电路开关管的占空比D就能跟踪太阳能最大功率点。 图2-17电感电流连续时波形图 图2-18电感电流断续时波形图 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 15 单向DC/DC变换器输入电压为150V，电流为4A，输出电压为400V，额定功率为1600W，通过它实现最大功率后，为蓄电池提供高质量的电能。2．双向DC/DC变换器双向DC/DC变换器能使电流双向流动，完成直流低电压与高电压之间的变换。双向DC/DC变换器主要分隔离式双向DC/DC变换器和不隔离的双向DC/DC 变换器。在这不再赘述，此部分主要在第三章详细介绍。3．并网逆变器逆变是将直流电变换为交流电，并网逆变器装置就是利用其原理来运行，即将太阳能电池发出的直流电变为交流电且能与电网并列运行的变流装置，它是太阳能光伏并网发电系统的核心部分。 2.3.4控制器控制器是采集信号、保护设备和协调管理光伏发电系统正常工作的部件，它能确保系统安全可靠运行。它的主要功能如下[27]1信号采集控制器自动地对太阳能光伏系统多路光伏信号进行采集，取样 分析，从而能对系统进行检测和监测。控制器根据采集的数据进行偏差诊断与校正，达到系统需要的工作状态。2协调管理根据采集的信号对光伏发电系统进行不同的管理，由于蓄电池不能无限制的过充或过放，必须进行协调管理才能实现自动调节运行状态使系统正常可靠运行。 3保护设备如果变换器中过电压或负载短路而出现的过电流时，系统将无法自动调节运行状态，这时需要控制器提供保护，避免光伏系统或用电设备损坏。4跟踪最大功率点在光伏发电系统的工作过程中，通过对太阳能光伏阵列工作点的实时调整，使它始终工作在最大功率输出点附近[28]，实时跟踪最大功率点，提高光伏发电系统整体效率。在太阳能功率输出控制中主要有下面几种方法 恒压跟踪法、扰动观察法、电导增量法等[29]，现在还出现了神经网络算法等。2.3.5蓄电池太阳能独立光伏发电系统能够直接为负载提供电力，为了能够有持续的能量 必须使用储能装置[30]。目前世界上蓄电池主要分为开口铅酸蓄电池、阀控铅酸蓄电池以及镍钙蓄电池等[31]。太阳能光伏发电系统的对蓄电池有以下基本的要求满足长年的使用寿命、 山东理工大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统 16 电池的深放电能力很强、电池充放电效率要高、使用过程中基本不用维护、能适应很宽的工作温度范围、成本低廉等。为了满足以上条件，我国在光伏发电系统中应用最广泛的是阀控式密封铅酸蓄电池VRLA。本文在第四章详细介绍。2.4本章小结 本章介绍了太阳能光伏发电系统的基本原理和组成部分，研究了单向DC/DC变换器拓扑结构，确立了用单向DC/DC变换器实现最大功率点跟踪的方法。 山东理工大学硕士学位论文第三章双向DC/DC变换器的研究 17 第三章第三章第三章第三章双向双向双向双向DC/DC变换器的研究变换器的研究变换器的研究变换器的研究3.1双向DC/DC变换器原理及拓朴结构3.1.1双向DC/DC变换器原理 双向DC/DC变换器实际上可以看成是两个单向DC/DC变换器的结合。它的输入输出电压极性不变，但是输入输出电流的极性不同，因此，能够进行双象限运行。功率方向既可从输入端流向输出端，也可从输出端流出输入端，从而实现能量双向流动。双向DC/DC变换器的结构图，如图3-1所示[32-33]，其中，V 1、V2分别是输入、输出的直流电压源，I1，I2分别是输入、输出电流。因此，根据功率流向的不同，双向DC/DC变换器分为正向工作模式和反向工作模式两种。 图3-1双向DC/DC变换器的结构图双向DC/DC变换器工作在正向模式时，能量从Vl传到V2，电流01 I，如图3-2所示。 图3-2双向DC/DC变换器正向工作模式双向DC/DC变换器工作在反向模式时，能量从V2传到V1，电流01 I，电流02 I，如图3-3所示。 山东理工大学硕士学位论文第三章双向DC/DC变换器的研究