局部阴影下的光伏最大功率点跟踪控制研究

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万方数据浙江工业大学硕士学位论文局部阴影下的光伏最大功率点跟踪控制研究作者姓名：沈嘉棋指导教师：胥芳教授吴乐彬讲师浙江工业大学机械工程学院2014年11月 万方数据DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyfortheDegreeofMasterStudyonMaximumPowerPointTrackingofPartiallyShadedPhotovoltaicsystemCandidate：JiaqiShenAdvisor：ProfessorXuFangLecturer：LebinWuCollegeofMechanicalEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyNov2014 万方数据浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：多犯薷榱日期：勿忤，≯月堋学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书。／2．不保密吖(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：导师签名：旅亳楔日期：乃f4年、L月多≥日日期：加，牛年lL月≯z日 万方数据浙江工业大学硕士学位论文局部阴影下的光伏最大功率点跟踪控制研究摘要随着世界经济的飞速发展，传统能源的日益枯竭和环境污染等问题正日益变成制约社会发展的瓶颈。为了能够可持续发展，全社会越来越重视可再生能源的开发和利用。在新能源应用方面，太阳能作为无污染的绿色能源之一，更被作为基础能源对待。对太阳能发电的研究，更是细分成多个方向，快速发展。光伏发电系统在实际应用中，受到云团、建筑、树木、杂物等遮挡，会出现阴影效应。光伏系统处于阴影时，导致的热斑效应有可能烧毁电池板。旁路二极管的加入能有效的解决热斑效应，但同时也导致光伏系统输出特性改变，使得系统在阴影下的P-V特性曲线呈多峰性。多峰特性会使得传统的单峰MPPT(MaximumPowerPointTracking)算法效率低下甚至完全失效。本文首先研究了光伏电池的原理和其在不均匀光照下的输出特性，并在查阅大量文献的基础上，总结了目前阴影条件下光伏发电技术的研究现状，并设计了一种适用于局部阴影的最大功率点跟踪算法。使用Matlab／Simulink建立仿真模型，对该算法进行仿真研究和验证。设计和搭建了200W微型光伏实验硬件平台，并在该平台上完成了双峰最大功率点跟踪实验。本文介绍的最大功率点跟踪算法重点在于阴影产生时光伏系统的工作状态判断，在不同的状态下均能快速找到所有局部最大功率点，并找到全局最大功率点。结合传统的单峰最大功率点跟踪方法，实现快速稳定的全局最大功率点跟踪。并设计了离网的光伏实验平台，对该算法进行了一定的验证。关键词：光伏，局部阴影，多峰MPPT，扰动观察 万方数据ABSTRACTSTUDYoNMAXIMUMPOWERPoINTTRACKINGOFPARTIALLYSHADEDPHoTOVoLTAICSYSTEMWithfast．pacedevelopmentofsocialeconomy，theweaknessoftraditionalenergysourceisincreasinglyapparentlyfromenergycrisistoenvironmentalpollution．Fortheaimofsustainabledevelopment，theexploitationandapplicationofrenewableenergyresourcedrawmoreandmoreattentionallovertheworld．Inthisarea，solarpower,whichepitomizesthenon．pollutantenergy，formsthebasisenergy．Theresearchofsuchareaisspecializedandsoaring．PVsystemwillbeconcealedbycloud，buildingandotherobjectsinrealityandthereforecauseshadoweffect．Inshadow,PVsystemmaycauseHotspoteffectandbumthebattery．BypassdiodesisusedforsolvingHotspoteffectbutsinceitcouldchangetheoutputcharacterofPVsystem，multiplepeakswouldappearinP—Vcharacteristiccurves．SuchpeaksmayresultinthelowefficiencyorevendysfunctionofMPPT(MaximumPowerPointTracking)designedinsolepeakmodel．ThestudyismainlyfocusontheprincipleofPVbatteryandtheoutputcharacterinthenon．unifolrmedcondition．Combinedwithformerreference，thestudyalsosummarizesthecurrentstudiesofPVelectricitygenerationanddesignsanimprovedMPPTalgorithm．WeverifythealgorithminsimulationbasedonMatlab／Simulinkandthefinaldouble-peakMPPTalgorithmisfinishedin200WInterleavedflybackmicro-inverterbythehelpofTIDSEAssociatingwithtraditionalsole．peakMPPT．thenew．designedMPPTwhichfocusestheconditionaljudgmentinpartialshadedcouldgettheglobalMPPTfastandsteadily．ThewholealgorithmCanbeverifiedininterleavedflybackmicro-inverterwedesigned．Keywords：photovoltaic，partialshaded，multi-peakMPPT,P&O 万方数据浙江工业大学硕士学位论文目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IABSTRAcT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．II第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1课题的研究背景和意义．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1．2光伏发电系统简介⋯．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．3国内外研究动态⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71．3．1最大功率点跟踪技术的发展⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71．3．2微型逆变器的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。lO1．3．3光伏系统拓扑结构研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯101．3．4阴影效应研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．111．4本文内容安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．12第2章光伏电池阴影效应的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．132．1光伏电池原理及特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．132．1．1光伏电池板的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132．1．2光伏电池板的特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．152．2基于matlab／Simulink的光伏电池仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．152．3阴影对光伏电池的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯202．3．1热斑现象的产生及危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯202．3．2旁路二极管的作用及影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．202．4阴影条件下光伏电池组件的仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯232．5本章小结⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯．．．⋯．．⋯．．25第3章阴影条件下船PT算法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．263．1光伏电池最大功率跟踪原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．263．2光伏电池单峰特性下常用最大功率跟踪方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273．2．1定电压跟踪法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．273．2．2扰动观察法⋯．．．⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯．．．273．2．3电导增量法．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．283．2．4复合控制方法．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．．293．2．5其它常用单峰最大功率跟踪算法⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯303．3局部阴影下传统算法的应用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．313．4双峰最大功率跟踪算法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．34 万方数据目录3．4．1阴影条件下光伏组件输出特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．343．4．2改进的双峰MPPT控制方法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．373．4．3多峰情况算法设计．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯393．5双峰最大功率跟踪算法仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．413．6本章小结⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．43第4章200W逆变器实验平台搭建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．444．1实验平台总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．444．2功率电路设计⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．2．1反激变压器匝数比确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．2．2磁化电感的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．2．3变压器原副边电流计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．2．4变压器线径及匝数计算．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．464．2．5功率MOS管选择⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．474．2．6逆变全桥的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯474．3辅助电路设计⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．484．3。1初级MOSFET驱动信号放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．484．3．2SCR驱动电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．484．3．3系统供电电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．494．4控制板及逆变功率板介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．504．5软件控制算法实现．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．534．5．1控制芯片TMS320F28335概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．534．5．2软件结构总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．544。5．3定时中断服务程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯544．5．4双峰算法程序实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．554．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯56第5章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．575．1全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．575．2研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．59致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62IV 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第1章绪论1．1课题的研究背景和意义能源是人类社会生存和发展的基础，在提高人民生活水平方面起着越来越重要的作用，在现代社会的发展中有着不可替代的作用。但是随着人口的增长和社会工业化水平的提高，人们也开始意识到传统能源的日益短缺以及环境污染的问题越来越严重，例如酸雨、温室效应、南北两极的冰水融化等【l】，这些问题极大威胁了人类的生存空间。太阳能是地球上最丰富的能源，太阳每个小时里辐射到地球表面的能量几乎和人类一年的能量消耗相同【2】。同时，太阳能的利用受到地域的限制较小，几乎可以在地球上任一个地区使用。利用太阳能的一种主要方式是光伏发电，目前，光伏发电量只占全世界发电总量的O．1％，但是光伏发电的前景受到世界各国的普遍看好。截止2009年，全世界累积的光伏装机容量已经超过了20GW。到2010年，美国、日本和欧洲分别规划了5GW、8GW和10GW的光伏安装量；到2020年的规划更是分别达到36GW、30GW和41GW。国际能源机构(IEA)预测，到2030年，光伏发电量将占全世界用电量的5％，这一数字更是将在2050年提升到11％13训。在我国广阔的土地上，大多数地区的年平均日辐射量高于4kWll／m2，西藏的平均日辐射量更是最高达7kWh／m2。我国有超过66％的地区年日照时间高于2000小时，相比相同纬度的其他国家和地区，我国的太阳能资源与美国相近，而比日本和欧洲则优越得多，按理论储量计算，我国每年的太阳能资源相当于17000亿吨标准煤”】。在世界光伏大市场的激励下，我国的光伏产业也得到了高速发展，尤其是在2004年后进入了快速发展的阶段，到2009年，中国光伏发电装机总量已达373万千瓦，成为世界光伏装机容量十强之一。光伏并网发电是目前各国利用太阳能的重要方式。并网逆变器在光伏上的应用按照方式和领域一般可以分为三类：一是作为大型电站应用的集中式逆变器，二是面向光伏组件的支路式逆变器，三是直接和光伏组件集成的交流模块。集中式光伏并网逆变器一般配套于大型光伏电站，多组串联的光伏阵列并联后接入逆变器的直流输入端，逆变器 万方数据第1章绪论将输入的光伏直流转换成交流电并入单相或者三相交流电网，这种集中式逆变器的功率等级通常为20．400kWN。支路式并网逆变器的概念首先是于1995年在欧洲市场建立起来的，将串联后的光伏组件接到并网逆变器的直流输入端，逆变器的输出连接低压电网，这种逆变器通常是单相的，功率等级一般在1Kw．3kW之间【9】9。这种结构的光伏发电系统非常适合城市分布式发电和建筑集成并网发电等应用，也是正在光伏市场上广泛应用的系统。使用多台支路式并网逆变器在交流侧并联，可以很容易的构成兆瓦级的大型光伏并网电站，这种示范工程在德国和中国已经建立。交流模块是直接将小型逆变器结合在光伏组件上，交流侧并联接入低压电网，这种模块的功率等级一般在50W-400W之间。交流模块这种微型光伏发电系统被认为是并网逆变器未来的重要发展方向之一，但这种模块面临一个重要的挑战，即如何实现低价与高可靠性的统一。目前集中式光伏并网发电系统存在不少问题：1．可靠性：在集中式光伏并网发电系统中，最关键的部分是逆变器，但它也是整个系统中的薄弱环节，单台逆变器的故障也可能会引起整个系统崩溃，并且逆变器在维护期间也将损失掉光伏阵列产生的能量。2．最大功率点跟踪效率：在最大功率点跟踪效率上，集中式光伏逆变器生产商基本上宣称其产品能做到99％，但在实际情况中，由于其MPPT针对的是整个光伏阵列，而不能兼顾到每个光伏组件。整个阵列的光伏组件由于模块匹配、局部阴影等因素，实际阵列的输出呈多峰值特性【lo】。当系统处于光照不均匀情况时，最大功率跟踪的结果很可能只让阵列工作在局部最优点。集中式光伏阵列中，通常每个光伏电池组件都会并联旁路二极管，用于将处于阴影情况下的光伏组件旁路。3．系统结构的可扩展性：集中式光伏并网系统其阵列的配置要求限制了其系统的可扩展性。应用交流模块的并网系统能有效解决集中式光伏发电结构中集中式逆变器因可靠性问题带给系统的隐患。该方案将微型逆变器集成在光伏电池上，形成一个独立的模块，电网侧支持热插拔，数量及安装上完全可根据用户需求定制，也最彻底的解决了集中式并网系统所存在问题。作为该方案的核心部件，微型逆变器也成为目前光伏并网装置研究的热点之一。本文将主要展开的是基于DSP的交错反激微型逆变器的研究。这种方案结构简单，使用元器件少，节省了元器件成本；工作在断续模式，功率单级控制，控制简单，不需’ 万方数据浙江工业大学硕士学位论文要高性能的MCU；只有一级高频开关环节，减少了开关损耗，且两组高频链交错互补，达到了降低成本成本的同时又能保持很高的效率，且输出电能质量较好。1．2光伏发电系统简介光伏发电系统主要是将太阳辐射能转化为电能，系统的构成主要包括光伏电池组件、直流转交流功率变换器、控制器和负载等。典型的光伏发电系统组成结构如下图1．1所示。图1．1光伏发电系统典型的组成结构光伏电池组件是光伏发电系统的主要核心部件，这种组件的主要作用是转换太阳能变成可利用的电能，供直流负载使用或利用储能元件储存。通常情况下电池单元的输出电压和电流很小，需要将单体进行串并联组成电池组件，组件再通过串并联构成合适的电池阵列。对光伏电池作充分的了解是很有意义的，本文将在下一章节对光伏电池进行适当的研究。直流转交流功率变换器将来自光伏电池的直流输出转变为与电网等幅、同频、同相的交流电。控制器负责控制变换器实现光伏电池最大功率跟踪和并网输出控制。变换器在系统中实现光伏电能和电网之间的能量转化，在系统中有很重要的地位，其转换效率、可靠性、安全性、生产成本等因数对整个光伏系统影响很大，是光伏发电系统的核心单元，因此高效逆变器的研究有重要的意义【11】。集中式光伏并网系统【12】是将大型光伏阵列通过一个大功率的并网逆变器连接到电 万方数据第1章绪论网。首先通过串联光伏组件将电压提高，并通过并联提高阵列的功率，在每个电池组件上并联旁路二极管，避免因阴影或电池故障导致过热损坏，最后通过大功率逆变器与网侧连接。这种结构简单，逆变效率高，但也存在局限性，如高压直流母线，集中式MPPT效率低，易产生局部热斑，系统设计灵活性差等。如下图1．2b所示是组串式结构，每个组串配一个并网逆变器[13-14】。每个组串可以是高压直接逆变并网。在欧洲系统中，其开路电压可达到700V，考虑到一定的安全裕量，逆变器需要900V的开关管，然而，当逆变器进入正常工作后，工作电压降至525V以内，此时高电压的管子效率和性价比均偏低。多串式结构相比集中式结构，组串中不需要串联阻塞二极管，同时对每个组串分别做最大功率跟踪，对比集中式的MPPT，多串式结构具有更高的效率，且系统设计也更加灵活。图1．2c所示为多串式结构，多串式结构每个组串由一定数量电池组件串联，并配备一个DC．DC变换器进行最大功率跟踪，然后通过大功率逆变器并网【15-16】。多串式结构相比集中式结构，由于其每串独立进行最大功率跟踪，适合安装在建筑物上，但也有与集中式结构类似的问题：最大功率点跟踪很难做到每个组件最优跟踪；电池组件参数差异和局部阴影对系统的影响较大，多串式逆变器可靠性对并网影响大。图1．2d所示是交流模块结构，这种结构为每个光伏组件配备一个微型逆变器模块，利用逆变器完成光伏电池的最大功率跟踪与逆变，直接将光伏组件的电能汇入电网或供本地交流负载使用。多个微型逆变器直接并联接入电网，每个逆变器模块之间互不影响，单个模块失效也不影响系统正常工作。其主要优点是能让每个光伏电池组件均工作在最大功率点上，也具有较强的抗局部阴影能力，同时能有效解决热斑，降低阴影带来的效率影响，支持热插拔，方便扩展与维护。微型逆变器一般选用小型高功率密度的高频隔离拓扑，适用于建筑集成式光伏发电系统等的应用需求，对光伏组件安装角度和方位适应广。独立的最大功率跟踪很好了提高了光伏系统的利用率。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文集中式结构组串式结构多支路组串式结构abcd图1-2光伏并网发电系统结构的发展表1．1不同并网结构性能对比集中式、组串式、多支路组串式结构的光伏系统中，最大功率跟踪是针对整串进行的，无法确保各个组件均工作在最大功率点，也无法监测每个电池组件的信息；各组件也会因安装角度或阴影遮蔽等因素导致发电效率各不相同。集中式的逆变无法避免光伏电能的损失。集中式逆变阴影效率实测结果如图1．3所示，数据显示当遮盖面积为3％时，光伏能量损失为25％。 万方数据第1章绪论阴影百分比％功率损失％13％44％11％47％54％6．5％44％25％图1．3集中式光伏系统阴影遮盖时的能量损失对比光伏电池板部分组件因树叶、杂物等遮挡时，输出电流小于正常组件，被遮挡的组件会产生较大的电压降，导致系统发电效率降低，同时还会产生热斑效应，导致系统损坏。常用的解决方法是为每个光伏组件并联旁路二极管，保护处于阴影条件下的电池组件。图1．4给出了英伟力(Involar)集中式光伏逆变系统和微型光伏系统在多云天气时的发电量对比，传统集中式、支路式光伏系统中非阴影区域的组件也受阴影组件的影响而未工作在自身模块最大功率点，降低了光电转化效率。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文CentralizedInverter$stem圈震嬲InvolarMicroinverterSystem黑IlIl、‘l，l：lr：、licr¨in、‘crters!：!：!!，．，，，——，。，，‘—一／一一／．．．j—／．纩(cn‘r爿‘‘，ctl1n、cr‘ers’～‘cnlIltl～图1．4阴影遮盖时集中式逆变器与微型逆变器发电量对比1．3国内外研究动态Time／h1．3．1最大功率点跟踪技术的发展由于光伏电池的输出特性会随着环境因素的改变而变化，因此光伏电池类似于非线性的直流电源。光伏电池的功率输出主要受光照强度、电池温度以及负载变化的影响，但在恒定的光照强度和温度下，它的最大输出功率值是唯一确定的，即存在一个唯一的最大功率点(MaximumPowerPoint，MPP)。随着控制理论、微机控制技术以及电力电子技术的不断发展，有关光伏发电系统的最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)技术的方法也得到了迅速的发展，取得了较多的研究成果【17081。早期研究的MPPT技术的主要有恒定电压法(CVT)、光伏阵列组合法及实际测量法。但是这类方法由于存在明显的缺点而逐步遭到淘汰。发展到计算机仿真技术时，以建立优化的数学模型为出发点来研究MPPT控制方法，该方案主要建立光伏阵列输出特性曲线并研究求解方法来得到光伏最大功率输出点，所 万方数据第1章绪论以该类方法对光伏发电系统的等效电路模型及各个参数的正确性有很严格的要求。现在MPPT技术常用的方法有开路电压比例系数法【191、短路电流比例系数法【20】和电流扫描法【2¨。开路电压比例系数法不会在最大功率点附近产生振荡，而且控制方法简单，可以用廉价的模拟电路来实现，但光伏系统并没有工作在真正的最大功率点上，同时在测量开路电压时需要断开负载，所以会出现瞬时的功率损失；短路电流比例系数法和开路电压比例系数法是类似的原理，也存在同样的问题，而且短路这个方法对系统的寿命会产生影响；电流扫描法通过连续改变输入电流得到光伏阵列的I．U特性曲线，对MPPT具有较高的准确性，但相比于其他方法，该方法存在跟踪速度慢的缺点。目前研究最广，应用最普遍的控制方法是基于扰动自寻优的MPPT控制方法，这类方法直接测量光伏控制器输入端的电压和电流等信息，通过逐次比较的方式进行最大功率跟踪，而对于其它外部因素则忽略不测。常见的有扰动观察法(PerturbandObserveAlgorithm，P&O)、电导增量法(ImprovedIncondMethod)及纹波控制法。扰动观察法也称爬山法，是目前研究最广，也最常用的方法。该方法基本原理是周期性的扰动光伏输出电压，比较当前输出功率与上一个周期的输出功率大小，如功率增加，则下一周期继续向同一方向扰动，否则向另一个方向扰动。该方法结构简单，容易实现，是一种真正意义上的最大功率点跟踪，但是存在最大功率点附近震荡，步长设计难，光照变化时易发生误判的缺点。目前，研究扰动观察法的文献很多，也不不少文献提出了针对上述缺点的一些改进和优化方法。文献[22】研究了采用模糊控制等方法对振动步长进行优化，文献【23】采用3点加权比较的方法来避免系统对外部环境突变造成的误判，文献[24]采用基于占空比的扰动观察法来追踪光伏电池的最大功率点。电导增量法的原理是通过比较光伏电池瞬时电导和电导变化量来实现最大功率点跟踪。理论上该方法具有较高的精度，也能够在日照强度快速变化的环境下工作，但是该方法要求有较高的输入电压和输入电流等参数的采样精度，这明显提高了硬件成本，且计算过程也相对复杂，而且选择步长和阈值也存在不少的困难。纹波控制法(RCC)是一种与扰动观察法类似的方法。纹波控制法的基本原理为：将光伏电池输出端连接变换器，利用变换器开关管的导通和关断造成对光伏电池电压和电流的扰动。该方法主要利用光伏系统自身固有的扰动，与传统的扰动观察法的区别在于不用主动给电压和电流施加扰动信号，也不用预先设定或获取光伏阵列的参数，在实现上也只需采用相对简单和廉价的电路。但是采用纹波控制法需要变换器工作在连续电流模式。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文近些年来，人工智能控制方法也逐渐应用到了光伏最大功率点跟踪控制方法中，典型的方法如神经网络、模糊控制等。针对光伏电池的非线性特性，一些最新的非线性控制策略也被研究人员加入到光伏最大功率点跟踪控制方法中，如单周控制，滑模控制等。模糊控制的最大特点是其控制规则来自于专家经验和知识库，利用这些规则去控制系统。模糊逻辑的优势很明显，具体体现为快速的跟踪特性，同时到达最大功率点后波动很小，即具有较好的动态和稳态性能。但也正是模糊算法依赖专家经验，所以在定义模糊集、确定隶属函数以及制定规则表等关键内容的设计上，需要研究人员有更好的直觉和经验。神经网络是一种新型的信息处理技术，在神经网络中各个节点之间都有一个权重增益，选择恰当的权重可以将输入的任意连续函数转换为任意的期望函数来输出，光伏系统可从任意状态快速达到最大功率点工作状态。但是为了确定权重，必须通过训练神经网络，而这种训练周期却很长，可能将花费数月甚至数年来完成，对于光伏发电应用来说，这是一个很大的劣势。不过一旦训练结束后，通过该神经网络算法，不仅可以实现输入输出的训练样本完全匹配，而且内插的和一定数量的外插输入输出模式也能达到一定的匹配，这是简单的查表功能所不能实现的，这也是神经网络法的一大优势。文献1251介绍了基于单周控制的光伏电池最大功率点跟踪控制的方法。单周控制方法避免了传统光伏系统中的两级功率转换，只需要一种功率变换电路就能实现两种功能：最大功率点跟踪和直流／交流转换，但这种方法实现的并不是真正的最大功率点跟踪。滑模控制【26】利用了离散控制的不连续性，依靠其高频转换特性强制闭环系统到达并稳定在所设计的滑动面上。该方法可以明显改善光伏系统的跟踪速度，但是开关器件调制的步长变化选择会影响系统跟踪的动态和稳态特性。随着微处理器、半导体功率器件及微控制器的迅速发展，人们将MPPT算法与DC／DC变换器统一起来以整个光伏系统为出发点进行最大功率点的跟踪控制，提出了更多有效的MPPT控制方法。如负载电流／电压最大法、直流侧电压下降控制法、极值周期控制法。虽然MPPT方法有很多，但是所有方法都存在一定的缺点或局限性，每个方法都按照特定的系统而设计，因此对其进行改进又要在可行性和成本上付出不小的代价，因此借鉴各个方法，充分发挥各种方法的优点。文献[27]采用了结合开路电压相关系数法和扰动观察法的方式，并给出了仿真和实验结果。文献[28]介绍了结合短路电流比例系数法和扰动观察法的方式。但是以上两种方法都是在光伏电池温度恒定的前提下设计的，9 万方数据第1章绪论也未对光照强度、电池温度发生突变的情况做深入研究。1．3．2微型逆变器的发展微型逆变器的概念源于上世纪70年代，在每个光伏组件安装一个变流器，直接将光伏直流转换成交流并直接并网，多个模组与电网并联构成光伏并网发电系统【291。但是当时的设计由于受到功率器件、微控制器等的限制，设计只是基于传统的线性调节器，效率不高。直到80年代末，ISET开始研究基于现代电子技术的微型逆变器。直到20世纪80年代，学者开始研究将现代高频开关电源技术应用于微型逆变器上。当时的微型逆变器被称为模块整合变换器(moduleintegratedconverters)。在以后的几年里，不同的厂商陆续研发了几款低频和高频的微型逆变器。1997年，AES公司研发了首台投放市场的微型逆变器。直到2008年，Enphase公司推出M175首次成功实现微型逆变器的商业化，并在两年内相继上市了M190和M215，迅速占领了13％的市场份额。受到Enphase公司成功的影响，自2009年以来，从欧洲到中国的几家公司，也纷纷推出自己的微型逆变器产品。目前德国、英国的逆变器处于领先水平，美国和日本等国家也紧随其后，其中以德国公司艾斯码(SMA)技术处在行业领先。世界光伏产业和市场从1995年后开始飞速发展，光伏技术也受到各国政府的支持与重视【30】。随着国际分布式发电的推进，国内也正在逐步重视微型逆变器。2012年，国家五部委以财政资金补贴为基础推进分布式发电往规模化发展，这在一定程度上解决电网与光伏系统电站之间的矛盾，也可以局部降低电网负载。国内微型逆变器的发展较晚，上海英伟力新能源科技有限公司于2010年推出其第一代产品MAC250，浙江昱能光伏科技集成有限公司于2011年推出YC200，并于次年5月推出新品YC500。总的来讲，自2008年开始，微型逆变器在国际市场上取得了巨大成功，但国内由于起步较晚，发展不如国际市场，但随着各种政策的出台和市场的扩大，微型逆变器正逐步受到更多的青睐。1．3．3光伏系统拓扑结构研究现状针对光伏电池的热斑效应问题，传统的方法是采用并联旁路二极管来解决。但是这种断开光伏电池板的方法带来不少的能量损失。近来有学者提出采用级联转换器替换二10 万方数据浙江工业大学硕士学位论文极管的方法，文献[31]提出了一种光伏组件级联DC．DC变换器的光伏系统结构，美国国家半导体开发的一款电源优化--器：(SMO)，用于替代旁路二极管，其结构如下图1．5所示。装有SMO的电池组件在阴影遮挡时可有效减少功率损失，但是SMO的加入使整个系统更加复杂，稳定性降低，同时大大增加成本。光伏电池组件3图1．5电源优化器方案示意图文献[32】对比了并联光伏系统拓扑结构与其它结构，指出并联拓扑结构中的光伏系统存在直流总线电压偏低的问题。文献【33】经过分析、仿真及实验，提出了局部阴影下的光伏阵列最大功率点跟踪简化算法，并提出一种以环境、天气为主的阴影、光照模型，根据计算结果适配光伏电池串并联数量，但这种方法没有本质上改变局部阴影下光伏系统的能量损失。1．3．4阴影效应研究现状阴影遮挡是引起光伏电池输出功率损失的重要原因，阴影还会因热斑效应产生安全问题，因此在商业应用中，阴影遮挡所带来的性能和安全问题是必须考虑的方面。一般有两类方法解决阴影效应：带旁路二极管和不带旁路二极管。旁路二极管会使阴影下的光伏面板处于断路状态，影响其输出特性。国内外己对带旁路二极管的光伏组件的阴影输出特性作了很多研究。文献[34．35]在通用光伏电池模型上增加了旁路二极管，并建立了适用于阴影条件的电池仿真模型。文献[36．37]研究了阴影条件下光伏电池组件和阵列的V-I和V-P特性曲线。文献[38．391中研究了云层移动产生的阴影对并网光伏系统输出 万方数据第1章绪论功率的影响及光照强度快速变化时光伏系统的输出特性变化。1．4本文内容安排本文首先介绍了光伏发电的基本背景内容，介绍了国内外在最大功率点跟踪技术、微型逆变器、光伏系统拓扑和阴影效应等问题的研究现状。第二章对光伏电池的原理进行阐述，分析了阴影遮挡对其产生的影响和危害，并利用仿真工具研究光伏电池的特性，也建立了带旁路二极管的光伏电池模型，研究其在阴影条件下的特性。第三章主要对局部阴影下的MPPT算法做了研究，介绍光伏电池最大功率点跟踪原理和一些常用的最大功率点跟踪技术，并针对局部阴影这个条件做了传统算法的应用分析。然后对局部阴影条件下光伏电池输出特性做了分析，并基于快速MPPT扫描法设计了一个改进的多峰最大功率点跟踪算法。分别介绍了其在双峰情况和多峰情况下的处理过程，并利用Matlab／Simulink工具对该算法在双峰情况下做了软件仿真。最后本文设计了一个200W微型逆变器硬件实验平台。介绍了平台总的模块框图、功率电路设计和辅助电路设计。并介绍了本文最大功率点算法在DSP上的软件设计流程。第五章对全文做了总结，也做了未来的研究展望。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第2章光伏电池阴影效应的研究2．1光伏电池原理及特性太阳能是一种辐射能，在常规应用中要将它转换成可利用的电能，必须要依靠光伏电池。2．1．1光伏电池板的原理光伏电池的最小单元是光伏电池单体，它是一种利用光生伏打效应转换光能为电能的装置。法国科学家贝克勒在1839年发现了这种现象，并且在半导体PN结上非常明显。大部分光伏电池采用硅半导体作为材料，在硅中掺入五价元素将多出一个电子而形成N型半导休。在硅中掺入三价元素则产生空穴而形成P型半导体。当P,N两种半导体结合在一起时，扩散运动(如图2．1)使用两者接触表面形成PN结，PN结稳定后，PN结处存在一个电场，由N区指向P区，如下图2．2所示：ee|。分兮岜砒与．。℃SeB芎曹猢勺o·oege扼卿．。℃oP区N区图2—1P区N区中空穴和电子扩散运动 万方数据第2章光伏电池阴影效应的研究空间电荷区●书守时e0oo．。℃弓时时e0·④·o·oe6e①o．。B．。P区图2-2平衡状态下的PN结N区当太阳光照射光伏电池时，一部分被反射，一部分穿透，一部分被吸收变成热能，余下的光子冲击P区和N区中原子的价电子，使得价电子获得能量挣脱共价键激发半导体产生电子一空穴对。这些空穴一电子对将产生回复到平衡状态的趋势，在P-N结的作用下，部分载流子将漂移到另一区域，这样就形成了光生电场。光伏电池的P．N结基本可以表示为一个恒流源与一个理想二极管的组合，并添加串联电阻与并联电阻模拟P-N结材料特性。因光伏电池内含有P．N结结构，因此其具有与二极管相似的反向特性和雪崩击穿现象。针对不同的应用，常用的光伏电池反向模型有Hartman模型，LopezPineda模型和Bishop模型等[40-41】。本文采用Bishop模型，如下图2—3所示，图中Iph为光伏电池在一定光照条件下的短路电流，Id为P．N结扩散电流，经二极管流回恒流源，Rsh和Rs分别为P-N结的并联损耗和串联损耗，输出电流IL对负载作功，为光伏电池的实际输出电流。厶hRs№●__．．_-一>5z厶由R。h≤≥觚hI图2-3光伏电池Bishop模型等效电路 万方数据浙江工业大学硕士学位论文2．1．2光伏电池板的特性光伏电池是基于P-N结的半导体器件，具有与二极管相似的电气特性。但是PV电池的输出会因其尺寸，连接负载的类型，光照强度和环境温度的不同而有所不同。PV电池的特性通过连续改变负载所得到的电流和电压关系来描述。电池输出开路时所测得的电压为开路电压，这是特定光照和温度条件下电池所能达到的最大输出电压。当在光伏电池两输出端接入负载，并逐渐增大负载，光伏电池输出端的电压和电流会相应变化。当输出短路时，测得的电流为短路电流。图2．4是两组常规的光伏电池VI特性曲线，左图a表示不同光照下的VI输出曲线，右图表示不同光照下的VI输出曲线。对比两图可知，光照的减弱或者温度的升高都会降低光伏电池的输出功率，且光照对输出的影响比温度的影响大得多。(a)光照对VI的影响(a)温度对VI的影响图2．4光照、温度对光伏电池特性曲线的影响2．2基于matlab／Simulink的光伏电池仿真研究本文光伏电池单体参考Bishop模型，其等效电路如下图2-5所示，G丁厶h尺s一＼z厶F{／一U图2-5光伏电池Bishop模型等效电路Iph为光生电流Id为暗电流Rsh为并联电阻Rs为串联电阻～～ 万方数据第2章光伏电池阴影效应的研究光伏电池的基本方程如F：I=Ip_『l—Id—Is^(2-1)Iph为光伏电池在太阳光照射下产生的电流：Ip^=【Iscr+KI(T—Tr)】昙(2-2)其中Isc，为参考条件(指定的光照强度Tr和电池板温度Gr)下的短路电流，KI为温度系数，T和G为光伏电池板当前温度和当前光照强度。此外在二极管中将产生一个反向饱和电流Io，公式表达如下：-。=Ior㈤3exp降皓一书】(2引其中Ior对应参考条件下的饱和电流，q为电子电荷，A为二极管品质因子，k为波尔兹曼常数。Ia为流过二极管的电流：Id=I。(exp喙(u+IRs)卜1)(2-4)Ish为流过等效并联电阻的电流：k=尝(2-5)将等式(2—4)和(2．5)代入(2—1)可得光伏电池输出电流方程式为：I=Iph--I。{exp喙(u+IRs)卜1)一晋(2-6)其中凡和风h分别是光伏电池板的等效串联电阻和并联电阻。公式(2．6)考虑了光伏电池板的主要参数和数学关系，是目前普遍应用的模型。通常情况下，凡在十分之一欧姆至一欧姆以内，而风h则在千欧姆级别，因此公式(2-6)又可进一步简化为：卜‰_Io(exp哧(u3,．IRs)卜1)(2-7)在分析光伏电池特性时，还有两个十分重要的数学关系，即开路电压模型和短路电流。当负载处于短路状态时，输出电压为零，可以推导出短路电流的表达式：L盯=‰_10[exp㈢一1卜尝(2-8)同样的，考虑到并联电阻在数千欧级别而串联电阻在一欧以内，并且此时反向饱和电流亦很小，因此：Lcr≈易h2[Lcr+坼(7’一弓)]瓦G(2—9)从公式(2．9)可知，短路电流为光照强度T和电池温度G的二元非线性函数，但由 万方数据浙江工业大学硕士学位论文于电池温度存在一个初始偏置丁r，且T一耳相对于弓而言较小，因此电池板温度对电流的影响要弱一些；而光照强度则是直接正比例相关，因此影响更为显著。当电路处于开路状态，输出电流为零，从而得到：Ip九=I。[exp＼q脚Uoc)一1]+篆(2—10)整理可得到开路电压％c的表达式：％c≈等2n(竭IoI(2-11)以上各式中变量描述如表2．1：表2．1各公式变量描述利用Matlab／Simulink工具，建立光伏电池仿真模型如下： 万方数据第2章光伏电池阴影效应的研究图2-6光伏电池Matlab／Simulink模型总图VOuI图2．7光伏电池Matlab／Simulink子模块模型18 万方数据浙江工业大学硕士学位论文a．V．I输出特性曲线图2．8光伏电池相同温度(25℃)下不同光照强度下的输出特性a．V-I输出特性曲线图2-9光伏电池相同光照强度(1000w／m2)下不同温度同的输出特性从图2．8和图2-9分析可以看出，光伏系统的输出特性随着外部光照、温度和负载的变化而变化，短路电流基本与光照强度成正比，光照也一定程度上影响光伏电池的开路电压。相同光照条件下，温度主要对光伏电池的开路电压产生影响，当然，通过图2．8b和图2．9b中光照、温度对V-P输出特性的比较图可以看出，强的光照和低的温度是光伏电池提供更大功率的必要条件。同时，也可以看出不管何种光照或温度条件下，电池板的输出最大功率点只有一个。但这个最大功率点也因光伏电池模型复杂的非线性输出特性，数学模型难以确定，难以通过一般的解析法获得最大功率点。因此利用太阳能发电时必须进行最大功率点跟踪控制。19 万方数据第2章光伏电池阴影效应的研究2．3阴影对光伏电池的影响2．3．1热斑现象的产生及危害光伏电池将太阳能转换成电能的效率低，相对成本高，而且太阳能电池组件本身设计就有不完善性。因此，提高光伏电池的使用寿命就显得龙为重要【421。热斑现象是指处于正常工作状态的光伏组件，其中某个单体电池因被遮挡而无法接收光照，导致此单体电池所能产生的电流变小。单体电池内部具有类似二极管的P-N结结构，因此也具有反向雪崩击穿特性，根据基尔霍夫电流与电压定律，当被遮挡的单体电池所能产生的最大电流小于电路的工作电流时，该单体电池带负压，成为电路中的负载，工作状态如图2．10所示，负载以热的形式释放，当这种热量积累到一定程度后就会烧毁光伏电池及封装材料，使整个光伏电池失效，造成永久损坏。热斑现象主要是光伏电池被遮挡造成的，在实际生活中，以建筑光伏遭遇阴影的现象最为普遍，常规的安装在屋顶的光伏面板更容易被其它建筑物、电线杆及树木等障碍物随着季节、天气、时间变化产生的阴影遮挡。大规模电池阵列在遭遇云团经过时也会处于阴影发电状态，其它如一些可移动的发电设备也可能在使用过程中遭遇阴影。，、lVI：■，．／／‘A7’／未邂挡曲IIsc图2—10光伏电池单体负压工作状态图2．3．2旁路二极管的作用及影响当光伏电池处于阴影状态时，会产生热斑现象，产生的危害是很大的，有可能对光 万方数据浙江工业大学硕士学位论文伏电池产生不可恢复的操作，严重时甚至会引发火灾危害，造成严重的经济损失。因此，防止热斑现象是一个必须要解决的问题。解决这个问题通常的作法是在串联支路中加入旁路二极管，在并联支路中加入阻塞二极管。阴影中的电池模块因凡和凡h会产生压降，如图2．11a所示，当在此电池模块中加入旁路二极管，如图2．1lb所示，产生的压降会使旁路二极管导通。二极管导通后，一般会有O．7V的压降。这也限制了光伏电池组件的压降，从而有效的解决了电池过热导致的热斑现象。然而，每个光伏电池都增加一个旁路二极管价格昂贵也不现实，通常的做法是每18～20个电池单体增加一个旁路二极管。这种方式会引出一个新的问题，如果一个太阳能电池有故障，同一个旁路二极管串中的其它电池也会被旁路掉，造成大量功率损失。别外一个问题，并联结构中，某一支路被部分旁路后，这一支路的电压将比其余并联的支路低，会吸收高电压支路的电流，如图2．11c所示。所以在每个支路的正极端串上阻塞二极管，如图2．11d所示，可以防止阴影中的电池组损坏，也可以防止并联串间的电流损耗。所以，通常的电池组件中也会采用类似的方案，电池单体分组后每一组并入旁路电阻，在每一个电池串上串入阻塞二极管，如图2．12所示。保证电池组件在部分电池单体处于阴影时或某一支路多数处于阴影时光伏电池模块能不至于损坏或严重损失功率输出。％=-俾。+R∥，Vc=一D．7Va，跚1=12+13．÷圈曰曰豳臼臼囱臼自豳臼朗审臼臼bcd图2．11旁路、阻塞二极管示意图 万方数据第2章光伏电池阴影效应的研究图2．12光伏电池组件旁路、阻塞二极管结构示意图旁路二极管的加入有效的解决了热斑效应问题，更重要的是它的加入会使V-I和V．P输出特性改变，具体的表现为V_I特性曲线将由原来的单膝型变成多膝型，V-P特性曲线也将不再呈单峰性，而是出现多个局部最大功率点。首先本文将从理论方面分析V-I的多膝及V-P的多峰性，然后在下一节中通过光伏仿真模型来验证其输出特性。为了简化理论分析，采用两组带旁路二极管的模块串联作为目标进行研究。其等效电路图如下图2．13所示，图中D2和D4分别为光伏电池组件l和2的旁路二极管，假设两个光伏电池内部各参数相同，当两组件接受同样光照时，旁路二极管D2，D4处于关断状态，两个组件具有相同的工作电流，整体V-I曲线为单膝型，V-P曲线只有一个峰值点。当两个组件受到的光照强度变化时，光照强度弱的组件其旁路二极管有可能导通。随着旁路二极管工作状态的变化，整体组件所表现出来的V．I和V-P特性曲线也会发生变化。图2．13光伏电池组件串联等效电路图 万方数据浙江工业大学硕士学位论文假设组件1受到阴影影响，那么组件产生的电流Iph2>Iphl，当外界负载功耗较大，输出电流I>Iphl时，旁路二极管D2两端会形成正向电压，使得D2导通，如果忽略D2导通压降，此时的组件1既不输出功率，也不消耗电流。整体模块V-I输出方程式即为组件2的V-I输出方程：I=Iph2-ld{exPL‘q‘yA+k。T尺s^’1J一1】(2—12)等式(2．12)经变换得到：V=Ln哗+1)×丁ART—IRs易，11<，≤易，12(2—13)当负载变化，导致模块输出电流减小直到I一——≤≥>虻圃L—v-—◆厂蓊习j．K铲Y咂巫卫自由图3．3电导增量法原理流程图由于存在达到最大功率点的唯一性判据，因此当判断条件符合时工作电压将停留在最大功率点电压，从而实现静态平衡，从这点上讲电导增量法比扰动观察法要更加平衡一些，即在最大功率点附近损失的功率要少一些。然而，该方法的缺点是存在求导和乘除运算，增加了微处理器的运算负担，此外微分运算对采样精度较为敏感，容易受干扰影响而产生误判。3．2．4复合控制方法复合控制方法的基本思想是将前馈控制和反馈控制进行组合，在前馈控制的作用下 万方数据第3章阴影条件下MPPT算法研究可以迅速获得一个基本的控制量，从而减少系统跟踪的调整时间并降低反馈控制的调整量，在反馈控制的作用下可以使控制结果更加精确，并能更好的适应参数随时间变化带来的影响。在光伏电池最大功率点跟踪算法中，CVT可以认为是一类基于简化模型的前馈控制，其模型根据公式(3．1)而定。由于采用了基于模型的前馈，因此响应速度快且超调量小，只要测得当前U㈣即可获得对应条件下Um的参考值，对该Um参考值进行跟踪即可获得近似最大功率；而各类算法中，扰动观察法是比较典型的反馈控制，其反馈内容是输出功率，根据功率的增量符号和绝对值大小进行扰动量和扰动方向的调整。由于反馈作用的存在，因此理论上可以跟踪到无限接近于最佳功率点的电压值，但反馈控制参数的调整比较复杂，容易出现超调、振荡等各种问题。将复合控制思想应用在最大功率点跟踪算法设计，可以兼顾前馈控制的快速响应和反馈控制的高精度。例如，CVT+P&O的做法，该方法的思路如图3．4所示，在启动控制算法后，CVT和P&O可并行两路分别独立执行，然后将各自的输出结果叠加即可。图3．4复合控制法原理流程图该方法的优点是采用简化的Um模型获得前馈控制量，降低了P&O的扰动步长且保证了达到最大功率点的速度；而小步长P&O法则可进一步提高最大功率跟踪精度，降低了在平衡点附近的功率损失。3．2．5其它常用单峰最大功率跟踪算法前面介绍的几种最大功率点跟踪方法是比较常用的方法，近年来也有其它的跟踪方 万方数据浙江工业大学硕士学位论文法被提出，比如：最优梯度法【431、模糊控制法、神经网络法【44】等。本文所介绍的这些最大功率跟踪算法，简单或复杂，每种都有自己的优点和固有的缺点。这些跟踪算法虽然仅适用于光伏电池单峰P．V特性情况，但是为处于光照不均匀情况下的光伏电池提供了多峰最大功率跟踪算法的必要参考。下面将介绍适用于阴影条件下的双峰最大功率点跟踪算法。3．3局部阴影下传统算法的应用分析目前，已经有不少文献提出了光伏电池在阴影条件下的最大功率点跟踪方法。文献[451提到光伏功率在最大功率点附近会随着一定的趋势持续增加，直到到达最大功率点后开始减小。文献【46]采用在线测量电流和周期的中断来处理日照和阴影变化带来的影响，并提出了基于功率的一阶和二阶导数来修正占空比的方法。文献【47]提出了一种用于检测最大功率点的智能P．I曲线扫描法。文献[48】介绍了DC．DC变换器利用可变直流信号作为控制输入来跟踪最大功率点，并配合扰动观察法(P&0)来快速响应最大功率点的变化。文献[49]提出了一种集成于PV模块的转换器，其中包含的Cuk双向DC—DC用于旁路转换，终端Cuk．boost作为整个系统的功率调节器。该系统比常规旁路二极管结构提高了发电效率。文献[50】定周期对P．V曲线完成所有最大功率点扫描序列，但这种方法需要一个比较长的扫描周期，所以也会减少光伏发电的总输出。文献【47儿51】分别采用基于PV阵列开路电压，光照强度或短路电流的方法来跟踪最大功率点。以上的所有方法可大概的分为两类：1．对常规的PV曲线进行全局或部分扫描【451，然后利用复杂的数学方法计算最大功率点，这种方法的缺点是无法得知光伏组件是否工作在阴影模式下。同时，由于扫描全局最大功率点的不确定性，转换器在跟踪过程中大部分时间处于低功率点，所以能量浪费相对较多。2．文献[47]【51】采用了如光照传感器之类的特殊方法来计算PV组件的工作状态并模拟输出特性曲线。这种方法也能较好的减弱阴影造成的影响。但是，因为电池组件的特性由许多因素决定(光强、温度、老化、灰尘、局部遮光等)，所以这种基于环境特性的仿真结果与实际结果有很大的差别，同时也增加了商业应用的成本。 万方数据第3章阴影条件下MPPT算法研究阵列输出功盎≤M1M4abcd图3—54种不同的局部阴影模式阵列输出电压(Ⅵ图3-6均匀光照下P—V输出特性曲线阵列输出电流>本文设计了4个模块串联的PV阵列，如上图3．5，其在1000W／m2均匀光照下的P．V和I．V曲线如图3-6所示。传统的MPPT方法能够跟踪到最大值并保持动态稳定。例如扰动观察法，在每个采样周期改变一次光伏输入电压并计算输入功率的变化。根据图3-6所示假设前一次光伏工作点为A，加入从A点到B点的工作电压扰动，可观察到 万方数据浙江工业大学硕士学位论文光伏输出功率PB>PA，这表示工作点B比A更接近最大功率点，并继续按此方向扰动电压。如果工作点从D向E偏移，那么输出功率减小，此时新的工作点更远离最大功率点，电压扰动也应变为由D向C。通过这种持续的扰动和观察，电压工作点将会在最大功率点附近来回波动实现动态平衡。但在实际情况中，并不是整一串的电池板都处于相同光照下，最常见的如建筑物、树木、云团、灰尘等带来的阴影就导致各组件光照不均匀，图3．5b，3．5c，3．5d列举了几种不同的阴影遮挡状态。PV模块并联旁路二极管能避免处于阴影下的模块带来的额外压降和能量损失，但同时也导致了多峰问题的出现。图3．5b所示阴影下光伏阵列多峰的P．V曲线如下图3．7所示，其中3个面板光照强度均为1000W／m2，阴影处的面板光照强度为400W佃2。从图中可知，因旁路二极管的影响，P．V曲线上出现了2个峰值功率点，其中A点是GMPP(GlobalMaximumPowerPoint)，B点是LMPP(LocalMaximumPowerPoint)。随着阴影的不断改变，图3．5中C，d状态下的P．V曲线变化如图3．8和图3-9所示。传统的算法在这种情况下只能跟踪到其中的一个MPP点，也不能辨别该功率点是否为全局最大功率点。接下来继续以扰动观察法为例，如果工作点稳定在LMPP，那么输出功率明显将低于GMPP点。因此，有学者也提出了采用全局扫描的方法来获得P．V曲线，并通过算法来计算全局最大功率点。这种方法虽然能得到全局最大功率点，但也存在阴影状态判断困难和能量浪费的问题。下一小节介绍一种阴影下全局最大功率点的跟踪方法。阵列输出功塞≤图3．7模式b的P．V输出特性曲线阵列输出电流> 万方数据第3章阴影条件下MPPT算法研究阵列输出功率≤、．／阵列输出功率≤、-／阵列输出电压(V)图3-8模式C的P．V输出特性曲线阵列输出电压(Ⅵ图3-9模式d的P．V输出特性曲线阵列输出电流>阵列输出电流>3．4双峰最大功率跟踪算法设计3．4．1阴影条件下光伏组件输出特性分析全局最大功率点扫描会导致输出能量的损失，而解决这个问题的方法是设计一种光伏阴影状态预判方法。分析图3．5a，当串联支路中4个组件都处于相同光照时，每个电池组件都具有相同的输出电流、电压和输出功率。当阴影加入后，光伏面板状态以图3—5c 万方数据浙江工业大学硕士学位论文为例，4个光伏组件平均分成两份，分别接受的光照强度为1000W／m2和400W／m2。此时，处于不同光照下的光伏电池组件其输出电压也完全不同，为了便于分析，把电池串的输出P．V曲线以两个峰值交接处为界，分别定义为P1和P2两部分，如图3．8所示。P1为包含D．A．C的左半峰，P2为包含C．B．E的右半峰。Pl部分的光伏电流IPv明显大于处于阴影中的组件M3，M4能输出的最大电流，因此电流将从M3、M4这两个组件的旁路二极管流过，此时只有组件M1和M2向外输出功率。光伏电池模块输出电压曲线与阵列输出功率曲线如下图3．10所示。M1，M2模块阵列输出功率≤组件输出电压(ⅥM3，M4模块图3一10组件电压与总输出功率特性图 万方数据第3章阴影条件下MPPT算法研究模块M3，M4在P1部分因二极管压降分别产生一个负O．7V的电压，因此可以利用旁路二极管导通时产生的压降来有效的检测光伏组件是否处于局部阴影条件下。在P2部分中，光伏串最大输出电流为阴影状态下的M3，M4模块输出电流，因此4个光伏电池组件都在对外输出功率。但这4个模块的输出状态也存在区别，处于不同光照下的光伏电池组件具有不同的输出电压：P2中正常光照下的模块M1，M2输出电压(大于26．5V)明显要高于阴影状态下的模块M3和M4的输出电压(小于26．5V)。把图3．10中两部分模块图合并成同一张图，如图3．1l，当系统处于P2输出状态下，也可以通过比较模块输出电压明显的观察到阴影现象。阵列输出功率≤＼-／图3．11阴影现象判别示意图根据以上分析，可以观察到如下现象：1．处于局部阴影时PV阵列的I．V曲线具有多膝性，P．V曲线具有多峰性。2．光伏阵列输出曲线的峰值数量与光伏阵列中接受的不同光照等级的数量有关，并且每一个峰值都可能是全局最大功率点。3．不同光照下的PV模块其输出电压不相同。4．阴影下被旁路的光伏组件，其输出电压与并联的旁路二极管正向导通压降相反。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文3．4．2改进的双峰MPPT控制方法设计图3．12展示了局部阴影下的GMPPT改进算法。该MPPT算法从主函数(main)开始，首先设定参考电压‰厂为85％的开路电压嘣模块1)，并根据开路电压计算出PV组件的数量N，如果光伏阵列处于均匀光照下，光伏输出特性只有一个最大功率点，经典的控制算法P&O也能够满足阵列的最大功率输出。当某个时刻光伏面板有部分处于阴影时，持续调用的电压电流检测和扰动观察算法仍然会跟踪最大功率输出点(模块2，3)。当跟踪到任意一个最大功率点时，将该最大功率点的阵列工作电压和输出功率保存下来，作为“最近一次”最大功率点信息P—las，和‰挑r(模块4)。在找到最大功率点后，根据一定的定时周期来确定是否进行阴影状态扫描(模块5)。在扫描过程时，不改变参考电压，让光伏电池仍工作在当前最大功率点状态，检测每个电池板的电压，如果其中有两个电池板电压差值较大d所>vii)，那么可确定光伏阵列已处于局部阴影状态中。这个电压差的阈值是一个预先指定的常量，用于消除采样偏差、微弱的光照区别和老化、灰法等其它因素带来的影响。当判定阴影后，主函数调用“GMPP跟踪子函数”(模块7)。GMPPT跟踪到新的最大功率点后，将将的工作状态返回到主函数，使系统工作在新的最大功率点并保持动态稳定。GMPPT子函数首先根据各光伏组件的电压来判断前次最大功率点在P．V特性曲线上的位置(模块8)，分为两种情况：1．当从左到右检测到其中一个组件的电压小于0V时(陬0)，则表示前次最大功率点处于P．V曲线的左半峰(P1部分)，此时将参考电压设置为开路电压的80％(模块9，Vr已，=0．8×vo。)，并调用传统的MPPT算法，本文所采用的是P&O方法(模块10，11)。2．当模块8中所有电压都不小于0V时，表示前次MPP处于曲线右边(P2部分)的峰值。此时，把所有PV模块根据他们的电压分成两组，并计算低电压组的数量M模块12)，这M个模块即为处于阴影条件下的模块，因此这M个组件在左半峰工作状态时(P1部分)将会被旁路而不向外输出功率，所以左半峰特性曲线的参考电压大约为80％×(1一M／N)XVoc，(模块13)。之后，采用单峰算法进行局部最大功率点跟踪(模块14，15)。以上两种情况中任意一种完成最大功率点跟踪后，将此时的MPP信息保存为P一胎w和‰～，并与调用GMMPT子函数前的那个MPP输出功率(P—last)作对比，使用输出功率高的参考电压作为系统的工作参考点电压，然后程序返回到主函数执行新工作点下的最大功率点跟踪。直到下一次执行阴影判断的中断到来，如此循环。 万方数据第3章阴影条件下MPPT算法研究图3—12阴影下的双峰MPPT算法流程图38 万方数据浙江工业大学硕士学位论文为了更好的理解该方法，本文以图3．5c所示状态举例，该状态P．V输出特性为图3．8。算法开始后，根据85％的开路电压作为参考电压，并配合P&O算法，局部最大功率点B将被跟踪到。跟踪到该最大功率点后，B点的信息将被保存下来(P一妇t=84．2W，％一伽尸47．ov)，同时该时刻VI=V2=13．3V，V3=V,，=10．2V，这样很明显可看到所>玢，就会调用GMPPT子程序。在GMPPT子程序中，不会检测到小于OV的光伏组件，所以4个光伏组件会根据电压分配到2个组，其中V1，V2一组，V3，V4为另一组，并且M=2。根据公式Ke，=o．8×(1一渤XVoc，设置此时的参考电压为21．6V，调用P&o算法进行最大功率点A的跟踪。跟踪到最大功率点A后，保存点A的功率和电压信息：岛婀删，=91．5W，％肿w=21．3V。此时n蛾一>‰甜／asr，确定点A为全局最大功率点。3．4．3多峰情况算法设计通常情况下，局部阴影的产生只会使光伏阵列处于2种光照强度下，但也可能出现多种光照强度的情况。光照强度(W／m2)JDDDI／＼MV800＼nM2＼／卯D、厂、M3＼／400、／、M4V阼列输⋯秘3塞，、≤b图3．13串联阵列多光照条件下输出特性曲线图3．13模拟了串联光伏阵列中4个光伏电池组件分别接受4种不同的光照强度的39 万方数据第3章阴影条件下MPPT算法研究情况。对于这种情况，上面小节提出的算法将不再适用，但可以借鉴该算法的思想，只需要对GMPPT算法进行适当的修改即可：主程序用于初始化参考电压和进行定点MPP跟踪，并不需要做修改即可继续使用。改进后的GMPPT算法流程如图3．14所示：图3．14适合于多光种光照等级的GMPPT算法流程图为了判定光照等级的数量，该算法从阵列输出曲线最右边的峰值点开始扫描。如果没有光伏组件电压小于0V，那么上一个最大功率点肯定是最右边的那个峰值(模块2)。否则，最右边的最大功率点必须要先被找到。然后把以上两种情况中得到的最右边的最大功率点的信息存入如甜0和Vm“模块3。6)。然后把PV模块按照他们的输出电压以一定的规则分成口组，各组分另以电压为标准从低到高排列，最低为GJ，最高为Gg伶J0．241(cm4)，该磁芯可用。根据电感确定变压器原边匝数：％=警=而瓦丙22寻*0．5而=3．965(匝)(4-10)ABAP·口O．096×1．68×10一4×17Z×10葛、7这里考虑到实际漏感和损耗等因素，取值Np25，则副边匝数M=n‘％=15X5=75(匝)4．2．5功率MOS管选择在光伏设备功率器件选择中，通常以IGBT居多。IGBT的导通压降在大电流情况下依然保持较低的状态，这保证设备在大功率输出时依然能保持较高的效率。但IGBT在轻载时导通压降相对较大。而MOSFET高频特性较好，其导通压降也较线性，因此为小功率应用时，MOSFET比IGBT具有更大的优势。选择MOS管一般考虑如下几个问题：击穿电压，连续电流，峰值电流，散热性能。在反激电路中，最大击穿电压按下式计算：虼s=K7t+昨e，￡ectPd+Ke口kage(4-11)其中：Kn，表示输入电压，范围为22V～45V；睇P，fect鲥，表示变压器输出电压对初始线圈的电压反射；Ke口七口gP，表示变压器漏感电压，在满负载情况下，该变压器漏感峰值为30V到35V。本逆变器变压器的输出峰值为311V，反射电压％e厂fec。ed=鼍严=詈=20．73(V)数据代入式(4一11)可得出最大击穿电压％s=45+20．73+35=100．7(y)在MOSFET选型中，低压大电流的MOS管一般具有更小的导通电阻和更好的高频特性，本设计选用了IR公司MOS管的IRFS4321。该MOS管最高正向耐压150V，具有小于15毫欧的导通电阻，连续工作电流59A．83A，典型71nC的门极开关电容也符合172kHz的开关频率应用。4．2．6逆变全桥的设计全桥电路可以根据不同的设计分为高频全桥和低频全桥。高频全桥一般由4个高频47 万方数据第4章200W逆变器实验平台搭建开关管构成，可根据开关时序直接将恒压直流转换成交流正弦波。但全桥方案对全桥的信号控制具有较高的要求，同时也增加了开关损耗。在微型反激逆变应用中，前级反激电路直接输出正弦半波，而全桥只需在正弦波零点做换向即可。所以在本方案中，采用4个SCR管作为全桥电路的桥臂，开关频率为2倍的正弦输出频率。4．3辅助电路设计4．3．1初级MOSFET驱动信号放大电路本逆变器设计中，MOS管采用12V电压驱动，DSP输出的SPWM信号为3．3V。驱动芯片选用MCPl4E4，设计电路图如图4．2所示。U20PvGNDENBB0UTAVDD0UTB图4．2初级MOSFET驱动信号放大电路PvGNDPWMlH是DSP输出的脉冲信号，栅极驱动是的二极管D15用于快速关断MOS管，降低开关损耗。4．3．2SCR驱动电路用于正弦半波换向的SCR全桥电路中，交错的上、下桥臂可以同时控制，为了在两对交错桥臂换向时能加入死区保护，所以4个桥臂采用2个信号来控制，分别控制正弦的正半周和负半周。电路原理及参数如图4．3所示： 万方数据浙江工业大学硕士学位论文U2MOC3052USlJ-13-F图4—3SCR驱动电路4-3．3系统供电电路光伏逆变器的输入电压为22V至45V，系统电源的设计方案要求具有宽的电压输入和高的输出效率，所以选用宽压输入的开关电源芯片。TI公司的LM5008具有9．5V至95V的输入电压范围，最低85％的输出效率，极少的外围元件和可调的输出电压，因此作用本系统的主供电方案。该方案原理图如图4．4所示：s1DRVSUPPLYL’一／-T220uHPV+：R1。10KDRVSUPPLYU2一一T—C1C2一-‰，：SWVmI7．R3：R2l∞：．．．．．}‰：l麓上宁恐BSTVCC。If似i’％=一】L01，．^~-．3RCLRT／SD，lluFO’uF5816IR6169K4RTNFBv．100Y．1∞v一上v—L：。—L：’上5M4，82k=—T-uF一下。lm图4-4主电源供电电路开关S1用于调试时控制系统驱动电路的供电。系统的5V供电同样采用开关电源芯片方案，选用的是MCPl6301，该芯片输入电压具有4V至30V的宽压范围，输出电压范围为2．15V，500kHz的开关频率和高达96％的典型输出效率。其电路原理图如图4．5所示：49 万方数据第4章200W逆变器实验平台搭建DR图4．55V电源供电电路GNDPV考虑到系统3．3V供电的输入输出压降比较小，所以选用了一片低压差的稳压模拟电源芯片MCPl700，数字3．3V和模拟3．3V之间采用电感降噪，数字地和模拟地之间使用0欧电阻单点相连。3．3V电源供电电路原理图如图4-6所示：+5VANA+3．3V一ANA+3．3王’DU4_-2．、～3L3．，一、，_、，．n·VinVout，±—止，、．o一』=IC20l=1uF厂一GND_一，、10IIF小：．。，10uFO．．1McPl700T．3302E，MB16VR13．16V．nDGNDPVGTPl421uF●=一GND二ANAGND—D1G图4-63．3V电源供电电路4．4控制板及逆变功率板介绍本实验采用的DSP控制板为市场采购的TMS320F28335最小系统板。其基本外扩功能如下：5V供电接口；1路RS232接口；2路CAN2．0B收发电路；2个按键；2个LED灯；所有IO口引出。该系统板完全能满足本实验平台的控制需求。控制板实物如图4．7所示： 万方数据浙江工业大学硕士学位论文图4．7TMS320F28335控制板实物图图4．8和4-9是本实现平台的PCB设计图和硬件实物图：图4-8功率板PCB图图4-9功率板实物图51 万方数据第4章200W逆变器实验平台搭建图4．10逆变器控制信号图4．1l逆变器交错高频开关信号52 万方数据浙江工业大学硕士学位论文上图4．10是本逆变器的4路驱动信号时序图，测量证实全桥换向信号为50Hz，图4．1l是2路交错反激驱动信号，测量证实信号频率为172kHz，相位差接近180度，下图4．12为逆变器离网模式下输出波型：DSO-X20匝AM佰1362440：■Jul1822：41：042014图4．12离网输出测试波形4．5软件控制算法实现4．5．1控制芯片TMS320F28335概述本文逆变器实验平台所采用的控制器是TI公司生产的DSP，型号为TMS320F28335，以下简称F28335。F28335属TI公司C2000系列微控制器，该系列主要针对控制领域做了优化，高度的外设集成和低谦的成本为数字化控制提供了较好的解决方案，并得到广泛应用。F28335较TMS320F28X系列其它型号在性能上有很大的提高，主要特色有：(1)C28X核心和FPU(Floating—pointUnit浮点处理单元)，可并行执行定点和浮点运算指令。(2)采用高性能的CMOS技术，具有高达150MHz的主频和300MFLOPS浮点处理性能，CPU内置硬件乘法器可快速完成16x16和32x32位的定点运算。(3)软件支持完善，开发环境集成度高，通过GEL实时观察所有寄存器和内存，开发效率高。 万方数据第4章200W逆变器实验平台搭建(4)16路12位高精度AD转换器，经优化过的内部ADC设计使F28335的AD性能比同系列的F2812有很大提高。4．5．2软件结构总体设计TI的C2000系列DSP属于微控制器(MCU)级别，TMS320F28335属于C2000系列，它可以运行DSP／BIOS，uC／OS等实时操作系统。本文实验的控制软件更多采用中断的方式进行任务切换，所以并未使用实时操作系统，采用了经典的循环扫描配合中断的程序结构。本实验平台采用的是微型光伏逆变器的硬件平台，为了便于更直观的进行局部阴影下的GMPPT实验。放弃了光伏并网所需的半波反激变换、全桥换向、电网锁相、电流输出控制等高级功能，只配置成反激DC．DC形式，工作在离网驱动阻性负载模式。程序主要实现的功能流程已在第三章的图3．12中介绍。DSP在上电后，程序执行各种模块的初始化：1．ADC模块初始化2个输入电压通道和2个反激电路的原边电流检测通道。2．ePWM模块初始化2组PWM输出通道，这2组通道是相位错开180。的PWM信号，其频率为172kHz。3．全桥驱动电路设置为单对开通状态。4．配置lOOms周期的定时器中断。5．初始化电压闭环的PI控制器。初始化完成后，程序进入主函数运行。两个子函数分别用于GMPPT快速扫描和执行扰动观察算法。4．5．3定时中断服务程序设计在进行算法验证实验时，程序首先进行初始化，此后AD数据采集与PWM信号生成主要由后台AD中断和ePWM硬件模块完成，而定时器产生的O．1秒中断作为主程序的算法周期。在0．1秒周期的定时中断服务函数中，主要流程如下：1．根据后台运行的ADC模块采集并滤波处理后得到的阵列电压、电流值，计算阵列当前的输入功率。2．调用一次扰动观察法子函数，返回的信息为最大功率点跟踪完成状态。气4 万方数据浙江工业大学硕士学位论文3．如果第二步返回的状态为最大功率点跟踪完成，则执行接下去的步骤；如果第二步返回的状态为未完成，退出中断。4．此时某一个最大功率点已经找到，将该最大功率点信息存储为如甜／as，和Pm／as，。5．分别比较此时(最大功率点情况下)两个光伏电池模块输入电压差值，如果差值的绝对值大于1．5V，那么执行双峰MPPT扫描函数；如果差值的绝对值不大于1．5V，那么退出该中断函数。本中断函数的主要作用在于稳定跟踪某一个最大功率点，并且在跟踪的过程中根据一定的条件判断是否有局部阴影的产生，并调用双峰最大功率点扫描函数，该阴影判断方法为简单的模块输入电压差值比较。4．5．4双峰算法程序实现局部阴影下的光伏最大功率点快速跟踪算法是本文的重点，在主程序检测到局部阴影状态后(两个电池板的输出电压差值大于1．sv)，将程序切换到该子函数，执行如下流程：1．根据后台运行的ADC模块采集并滤波处理后得到的2个电池板的电压，判断是否有电池组件的输出电压小于0V。如果其中一个值小于0，那么执行接下去的语句2；如果2个电池组件的电压均大于0V，那么跳过语句2，执行语句3。2．出现光伏电池组件电压小于0V的情况，说明此时的光伏最大功率点为左半峰点，需要扫描右半峰的最大功率点，则设定输入参考电压为开路电压的80％，执行语句4。3．光伏系统处于阴影状态，而2个电池组件电压均大于0V，说明此时光伏系统工作在右半峰值点。需要扫描左半峰的最大功率点，则设定输入参考电压为开路电压的40％，执行语句4。4．获得一次当前MPPT的输入电压和电流值，并调用一次扰动观察法子函数。5．此时该子程序进入死循环，等待下一个O．1s周期的标志位产生。6．0．1s定时时间到后，调用一次扰动观察法，如果返回信息表明最大功率点已经找到，那么跳出该循环，并执行接下去的语句7；否则，继续执行等待命令，语句5。7．存储此时的局部最大功率点信息，包括功率信息尸m甜船w和电压值P川。。w。8．判断新的功率点如积肥w与执行阴影扫描算法前的最大功率点尸舢。lam并将数气气 万方数据第4章200W逆变器实验平台搭建值更高的功率点所对应的工作电压设定为系统的参考电压，并返回到主函数执行该点的动态跟踪和局部阴影状态监控。4．6本章小结本章首先确定了实现平台的总体框架，制定了实验平台的设计参数。介绍了反激逆变拓扑结构在小功率应用下的优势。然后按照从核心元件到辅助电路的顺序，依次介绍了变压器的设计，功率MOS管的选型，逆变全桥方案的设计，MOS管、SCR驱动电路设计和系统电源的设计，利用AltiumDesigner设计了实验平台的PCB图并制作了该微型逆变器实物，完成了基本控制信号的实现，最后介绍了该实验软件实现的几个关键流程。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第5章总结与展望5．1全文总结本文首先对光伏电池的原理进行阐述，分析了阴影遮蔽对其产生的影响和危害，并利用仿真工具研究光伏电池的特性，也建立了带旁路二极管的光伏电池模型，研究其在阴影条件下的特性。接着介绍了光伏电池最大功率点跟踪原理，介绍了国内外一些常用的最大功率点跟踪技术，并针对局部阴影这个条件做了传统算法的应用分析。然后对局部阴影条件下光伏电池输出特性做了分析，并基于快速MPPT扫描法设计了一个改进的多峰最大功率点跟踪算法。该算法结合了传统的扰动观察法，在本文第三章中对其流程做了详细介绍，也分别介绍了其在双峰情况和多峰情况下的处理过程，并利用Matlab／Simulink工具对该算法在双峰情况下做了软件仿真，同时与普通的全局扫描法和快速MPPT扫描法做了仿真对比实验。并通过比较所提方法与传统方法，说明本文所提的方法具有更高的效率，能够精准地找到光伏电池的最大功率点。最后本文设计了一个200W微型逆变器硬件实验平台。介绍了平台总的模块框图、功率电路设计和辅助电路设计，内容包括反激变压器匝数比、原副边电流、变压器线径等的计算，MOS、SCR驱动电路设计和系统供电部分设计。并完成了该硬件平台的PCB设计和硬件实物的制作。在DSP上实现了硬件的基本控制要求，包括2路相位差为180度、频率为172kHz的交错反激正弦调制信号和1对50Hz带死区的互补全桥换向控制信号。并介绍了本文的多峰最大功率点算法在DSP上的软件实现流程，包括O．1秒的中断处理流程和双峰算法子函数软件流程。本文设计的多峰最大功率点跟踪算法重点在于对局部阴影产生时的状态判断，结合传统的单峰最大功率跟踪方法，实现快速稳定的全局最大功率点跟踪。并通过仿真验证了该算法的可行性，对过对比说明该算法具有一定的优势。 万方数据第5章总结与展望5．2研究展望1．本文通过仿真验证了所提到的局部阴影下的MPPT算法，下一步需要通过硬件实验来验证所提算法的正确性。2．本文仿真所验证的算法只是针对双峰情况下MPPT的研究，针对更复杂情况例如多峰下的MPPT控制算法，需要进行更深一步的研究。 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万方数据致谢在硕士学习结束之际，作者向导师胥芳教授致以崇高的敬意和衷心的感谢。本人在硕士学习期间，得到胥芳教授的悉心指导，胥芳教授勇于创新的精神、渊博的学识、敏锐而严密的思维、民主而严谨的作风，都是我事业和人生的崇高榜样。还要衷心感谢吴乐彬老师一直以来的支持和信任，在本人硕士学习期间给与了悉心的指导和帮助，并提出了很多宝贵的意见，在此深深的表示感激。感谢蒋建东、艾青林、张洪涛、谭大鹏、鲍官军、潘国兵、陈教料、占洪武、蔡世波、胡雄心等老师给予的热情指点。感谢张奔奔、陈培余、杨象爽、张任、吴芳德等研究生在工作过程中提供的无私帮助。感谢浙江工业大学机械工程学院各位老师给予的关照。62