基于滑模变结构控制MPPT的光伏发电系统研究开题报告

哈尔滨理工大学硕士学位论文开题报告学 院 电气与电子工程学院学 科、专 业 电力系统及其自动化导 师 颜景斌研 究 生 王美静入 学 时 间 2012.09 开题报告日期 2013.11 论 文 题 目 基于滑模变结构控制 MPPT 的光伏发电系统研究研 究 生 学 院说 明一、开题来源应包括下列主要内容1、 课题来源及研究的目的和意义；2、 国内外在该方向的研究现状及分析（文献综述） ；3、 主要研究内容；4、 研究方案及进度安排，预期达到的目标；5、 预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施；6、 主要参考文献（应在 30 篇以上，其中外文资料不少于三分之一，参考文献中近五年内发表的文献一般不少于三分之一，且必须有近二年内发表的文献资料） 。二、开题报告字数应不少于 5000 字三、开题报告时间最迟应于第三学期结束前完成四、若本次课题的开题报告未通过，需在一个月内再次进行开题报告。第二次学位论文开题报告仍未通过者，不能继续进行学位论文工作。五、开题报告结束后， 评议小组要填写 硕士学位论文开题报告评议结果报院研究生教学秘书备案。六、此表不够填写时，可另加附页。基于滑模变结构控制 MPPT的光伏发电系统研究1.课题研究的目的和意义1.1 课题来源自拟课题1.2 研究的目的太阳能作为一种分布广泛、取之不尽、用之不竭的绿色无污染清洁能源，是人类社会可持续发展的首选能源 [1]。光伏发电技术和产业在当今能源危机形势下，得到了快速发展。光伏发电系统运行的关键技术日益成熟，但是成本高，效率低等特点严重制约其广泛发展与应用。因此如何提高光伏发电系统的效率，从而降低开发成本，日渐成为国内外光伏专家研究的热点 [2]。目前， 学者及专家们已经研究出不同 MPPT 方案来提高光伏发电系统的效率， 这对光伏发电系统的广泛运用有着一定的促进作用。本文在原有的 MPPT 方案上，加以滑模变结构控制，缩短了最大功率点跟踪时间，提高光伏发电系统的效率。对光伏发电技术进一步研发提供良好平台，在一定程度上促进光伏发电技术的研究发展。1.3 研究的意义目前全球能源主要依赖于一次能源石油、天然气和煤炭等化石燃料。随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。 1973 年世界一次能源消费量仅 57.3 亿吨油当量， 2003 年已达到 97.4 亿吨油当量，能源增长率为 1.8。到 2020 年将达到 128.89 亿吨油当量， 2025 年达到136.5 亿吨油当量，年均增长率达到 1.2[3]。总体来说，能源消费量是不断增长的，但是世界上能源不是用之不竭取之不尽的，目前世界可开采资源储量为 1.8 万亿吨。根据油气资源评价，我国可开采的资源量为 150 亿吨 -200 亿吨，仅占世界可开采资源的 4.8，总的来说我国可开采资源还是比较缺乏的 [4] 。 目前， 石油和天然气资源将在 2050 年前被罄尽的看法已被公布； 又因为二氧化碳排放导致全球气温上升，破坏生态环境，煤炭的利用受到限制；甲烷水合物有相当的蕴含量，但是其开采技术尚有困难等这一系列资源储备、开采受限等问题迫切要求我们寻找新的清洁新能源，为了使人类社会健康发展，生活质量改善，太阳能的充分利用作为新能源开发和有效利用的一条好出路 [5]。面对巨大的经济压力和能源危机，世界上的许多国家都开始致力于光伏发电技术的研究与应用。中国作为世界上人口最多的国家，其庞大的能源需求量与消耗量已经引起了严重的能源供应安全问题。在过去几年里中国从法律、政策、和激励措施上都大力推动非水力发电可再生能源发展目标， 在这些目标中光伏发电技术是很有前景的。 太阳能充分利用能够很好的缓和 CO2 的排放，并对中国的当前和长远发展有着深刻的意义 [6-8] 。光伏发电技术中，利用滑模变结构控制能够快速的跟踪到太阳能最大功率点，充分利用太阳能发电，对光伏发电技术的发展和造福于人类都有着重要的意义。2. 国内外研究现状及发展趋势太阳能的转换利用的方式有光 -热转换、光 -电转换和光 -化学转换等三种方式。利用光生伏打效应原理制成的光伏电池，可以将太阳能直接转换成电能加以利用，称之为光 -电转换，即光伏发电。 “ 光伏发电 ” 是将太阳能光能直接转换成电能的一种发电方式。光伏电池发电原理如图 1 所示。图 1 光伏电池发电原理图P-N 结两侧的多数载流子（ N区域中的带负电的电子和 P 区域中带正点电的空穴）向对方区域扩散形成宽度很窄的空间电荷区 W，从而建立自建电场 Ei。 W 对于两边的多数载流子是势垒，阻挡着其继续向对方扩散。但是，当光伏电池收到太阳光 hv 照射，其太阳光子的冲击使得光伏电池内部产生大量处于非平衡状态的电子 -空穴对，其中的光生非平衡少数载流子可以被内建电场 Ei 牵引到对方区域，然后再在光伏电池中的 PN 结中形成光生电场 Eph 如图 1（ b）所示，当接通外电路，即可流出电流，有电能输出 [9-10] 。2.1 国外研究现状及发展趋势国际方面，在全球发展低碳、绿色经济的时代背景下，具有无污染、可持续、能源总量大等优点的太阳能光伏产业已逐渐登上世界能源舞台。 当前， 光伏发电正从补充能源向替代能源过渡。到 2050 年，太阳能发电将占有 20-25的供电份额 [11]。光伏发电始于 80 年代初，美国、日本、德国、意大利都为此做出了努力。并且为了提高光伏发电系统的效率研究出了多种措施。其中，通过跟踪太阳来提高太阳能光伏电池效率的太阳能跟踪系统是最为有效和直接的方法。从上个世纪 90 年代开始，世界各国为了提高效率降低成本，围绕太阳能跟踪器开展了广泛的研究 [12]。1991 印度贾达沃普尔大学 A. Konar 和 A.K. Mandal 提出采用定时多步法跟踪太阳方位角和定倾斜角的跟踪原理跟踪太阳位置，属于单轴跟踪。由于釆用时间进行跟踪，所以不受地理条件和环境参数的影响，跟踪效果与采用的步长相关 [13]。美国人在研究跟踪器方面也做出了较大贡献， 1997 年美国 Blackace 根据赤道坐标系下太阳运行的原理研制了单轴跟踪器，这种跟踪器完成了自东向西的自动跟踪工作，使热接收率提高了15，但是其南北方向需要手动调节来跟踪太阳光。 1998 年， Joel.H.Goodman 研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使得太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，进一步提高了太阳能效率。 2002 年， 美国亚利桑那大学推出一种新型的太阳能跟踪装置， 该装置利用电机控制完成跟踪，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域 [14]。2006 年马来西亚玛拉理工大学 Ahmad Maliki Omar 开发了一套名为 SolT2A 的太阳跟踪系统，该系统利用用感光传感器， 通过比较传感器的光强， 分析传感器光强的差值， 然后驱动直流电机，实现双轴跟踪。 S01T2A 采用的是闭环系统，能够自我校正，以达到收集最大太阳能，保证电池板最大发电量的目的。该系统比静态太阳能电池板开路电压高出 82[15]。2007 年日本大成建设公司开发出了一种由太阳自动跟踪型平面镜和多块反光镜组成的新产品 “T -Soldl ” ， T-Soleil 系统由马达驱动，可以随着阳光移动同步进行旋转 ， 自动跟踪到太阳能最大功率点 [16] 。2011 年斯洛文尼亚马里博大学 Sebastijan Seme 等人基于双轴跟踪系统基础上提出采用算法优化来确定跟踪轨迹。其中将跟踪器本身能耗最大化光伏系统的输出电能作为目标函数，将运行轨迹的高度角和方位角的确定视为隐式目标函数的非线性优化问题， 并应用差分进化的随即搜索算法进行求解。显然优化后的轨迹依赖于获得的太阳福照、电池效率、跟踪系统能耗和优化边界[17] 。2.2 国内研究现状及发展趋势国内方面，于 1958 年开始我国研制太阳能电池，到 20 世纪 80 年代后期引进了国外的太阳能电池生产线和技术， 20 世纪 90 年代我国光伏发电技术和产业已经逐步运用到通信、农村偏远地区发电、气象、交通等多个领域 [18]。在太阳能跟踪器的研究方面，国内的研究始于上世纪 90 年代。 1994 年，陆利生、张勇超设计了一种基于液压传动的单轴自动跟踪器 [19] ， 实现了东西方向的单轴跟踪。 而后国家气象计量所研制的 FST 型全自动太阳跟踪器， 这种跟踪器采用传感器定位和太阳运行轨迹定位结合， 通过广电转换器实时采样，计算机分析光强变化，从而驱动机械机构转动实现太阳能跟踪。该系统具有全自动、 精度高和全天候等优点 [20]。 FST 型太阳能跟踪器已成功应用于太阳能直接辐射测量和各种太阳能装置中。2007 刘四洋等设计了一套主动式双轴太阳能跟踪控制器，采用人工输入当地地理信息，并从时钟模块中读取时间信息，用于太阳方位角和高度角的计算。应用光敏二极管作为天气情况判断元件 [21]。 该系统在西藏羊八井国家可再生能源实验基地的实地运行中表现出了良好的性能， 与静态式光伏发电系统相比，发电量提高 30以上。2008 年重庆大学刘京诚基于 C8051F020 单片机设计了一个双模控制方式的太阳能跟踪系统。该系统具有晴天和阴天 2 种跟踪模式系统自动切换， 有效地克服了单一跟踪模式的缺点 [22]。 通过实验测试，该跟踪控制系统达到了预期的性能指标，对提高太阳能的利用率有重要的现实意义。2009 年华北电力大学新能源实验室与保定三伊方长有限责任公司合作开发了一套采用了光线跟踪和一种按仰角 太阳高度 和方位角 太阳方位 分别控制调节的太阳自动跟踪方法 [23]。2010 年苏州大学杜伟魏等研究一种基于图像传感器的太阳方位检测系统。 该系统利用 CMOS图像传感器 OV7620 作为光敏元件， 采集接收对应太阳方位的图像信号， 通过数字信号处理器 存储和处理，得到太阳方位坐标，实时检测太阳的运动 [24]。系统结构简单、使用方便。2011 年天威卓创公司采样用工业以太网进行群控研究出一种新型太阳能跟踪器。 该跟踪器采用天文跟踪技术，用计算机控制各个时间太阳位置，并用编码进行闭环反馈，进而进行跟踪 [25]。跟踪系统还采用多台跟踪器采取一个主站，若干个从站的群控跟踪方式，改变了以前多台设备同时运转时一致性差的缺点，具有安全、可靠、稳定，操作方便等特点。3. 本课题研究内容（ 1）研究国内外最大功率点跟踪光伏发电系统的研究现状及发展趋势国内外为了提高光伏发电效率，降低成本，研究了许多太阳能最大功率点跟踪控制方案，通过对别人的方案学习，了解最大功率点跟踪光伏发电系统的现状及发展趋势。（ 2）研究光伏发电系统的结构原理光伏发电系统分为独立式光伏发电系统和并网光伏发电系统， 本课题中主要研究独立式光伏发电系统。独立式光伏发电系统主要分为光伏阵列、升压控制（ DC/DC ） 、蓄电池、正玄波逆变器（ DC/AC ）和系统监控部分等组成。（ 3）研究 DC/DC 升压变换器主电路因为一般输出端电压都比光伏电池输出的电压高许多，所以需要 DC/DC 升压变换器，DC/DC 升压变换器属于光伏逆变的前级部分，是光伏发电系中必不可少的。 DC/DC 电路拓扑有许多，通过比较选择合适的电路作为本课题的升压变换器，鉴于稳定性及输入电流的连续性在本课题中选择的是 boost 电路作为 DC/DC 电路。（ 4）研究 MPPT 最大功率跟踪控制由于太阳光随时间、环境而变化，通常在光伏发电系统中采用最大功率点跟踪（ MPPT）来提高太阳能的利用效率及反应不同时刻太阳光的变化 [26]。 MPPT 方案有许多，本文介绍几种经典的 MPPT 方案， 最后通过比较得出自己改进的新的方案， 即利用滑模变结构控制来尽快达到太阳能最大功率点输出。（ 5）研究滑模变结构控制原理滑模变结构控制通常用于非线性系统控制系统中，具有较好的鲁棒性。在直流型模式的DC/DC 转换器中，运用滑模变结构实时跟踪控制电压输出是比较有前景的 [27] 。在本课题中研究滑模变结构控制原理，通过对 boost 电路的状态分析，设计出合理的状态切换方程 Sx，选择合适的控制律。实现滑模变结构控制的 MPPT 跟踪控制。（ 6） Matlab/Simulink 仿真研究利用 Matlab/Simulink 软件搭建光伏发电系统， 对光伏发电系统进行仿真研究， 对比滑模变结构控制 MPPT 的光伏发电系统与变步长干扰观察法控制 MPPT 光伏发电系统仿真分析， 理论上得出滑模变结构控制 MPPT 的光伏发电系统更快更稳定跟踪到太阳能最大功率点。4. 研究方案及进度安排，预期达到的目标4.1 研究方案（ 1）设计出整个独立光伏发电系统独立光伏发电系统又称为离网光伏发电系统，主要由太阳能电池阵列、升压控制器，逆变器、蓄电池等组成。太阳能电池阵列产生的电流为直流电，如果是直流负载直接将太阳能电池转换的电能升压后供给给负载； 如果是交流负载， 则需要经过交流逆变器逆变处理， 才能供给负载。独立的光伏发电系统工作原理图如图 2 所示。DC/DC控制电路 DC/AC逆变电路直流负载交流负载太阳能电池阵列MPPT蓄电池直流充电放电直流 交流直流反馈跟踪太阳光图 2 独立光伏发电系统太阳能电池阵列将太阳光直接转换成电能存储在蓄电池中，当负载需要电时，蓄电池中的电能将被合理地分配到各个负载上。太阳能产生的直流电可直接供直流负载使用，也可以用交流逆变器将器转换为交流电，供交流负载使用。在控制系统中加入 MPPT控制，将大大提高太阳能的发电效率，使太阳能得到有效的利用。太阳能发的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来，在需要时使用 [28]。（ 2）选择 DC/DC 控制电路DC/DC 电路拓扑结构有十几种，其中运用到光伏系统的 DC/DC 电路可分为直流斩波型和开关型。开关型 DC/DC 电路主要应用在光伏输出电线路，负载电压匹配等，在完成本课题任务中从直流斩波型电路中进行选择。基本的直流斩波型 DC/DC 电路有四种 Buck 电路、 Boost电路、Buck-Boost 电路和 Cuk电路 [29]。 Buck电路的输入电流是脉冲型的， 会引起对输入电池的电磁干扰，以及其稳态电压比小于 1，即只能降压不能升压。从升压、结构简单、高效率、易于控制等需求出发，在本课题选择 Boost电路作为 DC/DC 升压控制电路 [30]。（ 3）选择最大功率点跟踪控制算法在本课题中重点研究最大功率点跟踪控制，最大功率点跟踪控制的方法有很多，例如恒电压跟踪法（ CVT ） 、爬山法、电导增量法、干扰观测观察法、滑模变结构控制法、模糊控制法、神经网络控制法等等。在本系统中主要设计一种改进的滑模变结构方法来实现控制。设计滑模变结构控制主要分为三步第一步是列出控制电路合理的状态方程；第二步是设计出满足滑模变结构三要素的切换函数 S（ x） ；第三步是设计出符合状态方程的合理的控制函数 u（ x） 。（ 4）利用 Matlab/Simulink 仿真分析利用 Matlab/Simulink 仿真软件对设计出的滑模变结构控制的光伏发电系统进行仿真，并且与经典的干扰观测法控制的光伏发电系统仿真数据进行对比，观察得出本设计的可行性及优越性。4.2 预期目标及科研条件掌握本课题中所涉及到的最大功率点跟踪控制的光伏发电系统的各方面的知识，完成一个性能可靠、快速高效的基于滑模变结构控制 MPPT的光伏发电系统的设计。使改进的滑模变结构控制比原有的干扰观察控制缩短 0.005s时间跟踪到太阳能的最大功率点， 从而提高光伏发电系统效率。 该课题在导师的指导下， 依托计算机和仿真软件进行。4.3 进度安排2013 年 09 月 2013 年 12 月查阅与课题相关的大量国内外文献资料，书写开题报告和文献综述；确立本课题的研究内容与方向。2014 年 01 月 2014 年 05 月 确立光伏发电系统原理结构； 搭建光伏电池版的仿真图； DC/DC升压电路和 DC/AC 逆变电路的设计和仿真分析；搭建变步长干扰观察法控制的光伏发电系统并仿真分析。2014 年 05 月 2014 年 10 月学习滑模变结构控制理论；设计一种滑模变结构控制器并且进行仿真分析。2014 年 11 月 2014 年 12 月进一步总结、完善前期的工作，撰写毕业论文。2015 年 02 月 2015 年 03 月准备毕业答辩。5. 可能遇见的困难问题及解决措施可能遇着的困难光伏电池， Boost 电路，全桥逆变电路及基于扰动观察法的 MPPT 模型建立时遇到的参数选择问题；滑模变结构理论学习、怎样实现滑模变结构、并且在原有的滑模变结构控制算法上怎样改进或是设计一种更适合的算法来提高跟踪速率所面临的许多选择设计的问题； 以及怎样把设计的滑模变结构控制器实现到怎个系统中的问题。解决措施查阅相关资料及别人的论文，不断试验、修正，最终完成本题的系统设计研究 。6. 参考文献[1] 才利存，常忠廷．太阳能并网发电系统的 MPPT 及孤岛检测技术 [J] ．电力系统保护与控制，2012， 40（ 4） 119-120．[2] 王丹．光伏发电系统效率优化问题的研究 [D] ．北京交通大学硕士论文， 2009 5-6．[3] 唐炼．世界能源供需现状与发展趋势 [J]．国际石油经济， 2005， 151 30-31．[4] 徐孝纯．对中国能源的展望 [J]．未来与发展， 2008， 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