光伏最大功率点跟踪系统的设计-DCDC变换模块

光伏最大功率点跟踪系统的设计-DC/DC变换模块摘要本文是针对光伏发电系统中的DC/DC变换器而展开的研究，总结了光伏发电系统中DC/DC变换器的应用场合；探讨了应用软开关技术、三电平技术于系统中的必要性；详细分析了非对称结构ClassD升降压的DC/DC变换器电路以及双管正激组合式变换器。包含其的电路结构图、电路原理、工作模式等。关键词：光伏、最大功率跟踪、DC-DC变换器目录摘要IIIAbstractIV1绪论11.1课题的研究背景11.2课题的研究目的11.3课题研究的现状11.4课题研究的主要内容32基于DC/DC变换器最大功率点跟踪42.1光伏电池工作原理42.2MPPT研究的必要性52.3基于DC/DC变换器MPPT研究的必要性72.4基于DC/DC变换器MPPT实现原理及算法介绍93光伏发电系统中DC/DC变换器应用场合113.1蓄电池充电控制器113.2光伏水泵系统123.3联网逆变器144光伏发电系统中的DC/DC变换器184.1非对称的ClassD的升降压204.1.1电路器件的工作原理204.1.2PWM信号的产生214.1.3电路的工作模式224.1.4电路特性分析244.1.5恒电压DC/DC变换控制原理图254.2双管正激组合式变换器254.2.1主电路结构254.2.2主电路工作原理264.2.2基本理论分析27结论30参考文献31致谢331绪论1.1课题的研究背景从远古到现代，人类一直都在摸索如何更好的利用太阳能。古代有太阳灶，现代有太阳能热水器。虽然我们地球上接收到的太阳能只占太阳自身表面的二十亿分之一，但是这部分能量是整个地球所需要总能量的几万倍，对人类而言，这就是一笔取之不尽用之不竭的财富。太阳能与煤炭、石油等矿物燃料不一样，它不会导致“温室效应“，不会影响全球性的气候变化，更不会造成环境的污染。特别是最近10来年，因为石油可开采量的日益减少以及生态环境的逐渐恶化，太阳能这一完美的替代品受到越来越多的国家重视，各国也在积极开发各种新的光电技术以及新型光电材料，都是为了解决自身的能源危机，来扩大太阳能的利用领域。从发电、取暖、到各式各样的太阳能利用设备，它的应用非常广泛，甚至在某些领域，太阳能的使用已开始进入实用阶段，实现了基本大众化。1.2课题的研究目的电能是到现在为止使用上最便捷，应用上最广泛的能源，所以光电的转换在太阳能的应用领域占据着及其重要的地位，光伏电池(SolarCell)[1]就是一种经过太阳光的照射后，把光能转变成电能的一种转换元件。也有人称它为光伏电池((Photovoltaic，简称PV)。而现在光伏系统的最大问题是光伏电池的转换效率较低并且它的价格十分昂贵，所以如何在现在的光电元件转换技术基础上，再进一步提高光伏电池的转换效率，充分利用光伏阵列转换的能量，这是光伏系统现在所研究的重要方向。本课题从光伏电池的光伏特性这一基础出发，在如何提高光伏电池的能量转换效率的问题上，进行了深一步的探讨。1.3课题研究的现状由于光伏电池有着非线性的光伏特性，所以就算在相同的光照强度下，因为负载的不同而得到的输出功率也是不同的，将其直接与负载相连是很不正确的，一般来说我们都采用一个变换模块，这样使得太阳能的输出功率维持在其最大的输出状态，这样以后再让它向负载供电。现在光伏电池的输出功率控制上主要利用CVT(ConstantVoltageTracking)技术[2]。光伏电池的阵列具有如图1-1所示的伏安特性曲线，图1-1太阳电池阵列的伏安特性曲线图1-1中L是负载的特性的曲线，当温度保持在某一个的固定值时，在不同的光照强度下，伏安特性的曲线与负载特性的曲线L的交点为a、b、c、d、e。与之对应的是五个不同的工作点。而我们发现阵列可能提供的最大功率的那些点，如a'、b'、c'、d'、e’。这五个点连起来差不多都落在同一条垂直线的附近，这就可以把最大功率点的轨迹运动曲线近似地看作是电压曲线U=cost的一条垂直线，也就是只要保持光伏的阵列的输出端的电压为常数，就可以从大体上保证光伏阵列输出是在这一温度下的最大功率，所以最大功率点的跟踪器也就简化成为为一个稳压器，这就是CVT控制方式的理论根据。CVT的控制方式具有操作简单，极高的可靠性，良好的稳定性，便于实现等优点，跟一般的光伏系统比较大概多了20%的电能，与不带CVT的系统比较要有利得多。但是这种跟踪方法忽视了温度对光伏电池开路的电压的影响。用单晶硅为材料的光伏电池为例，当周边环境温度升高1℃时，它的开路电压要有0.35%~0.45%下降幅度。这说明光伏电池最大功率跟踪点所对应的电压也伴随着外界环境温度的改变而变化。这对于日温差或季节温度差异比较大的地区，用CVT这种控制方式来跟踪最大功率不是一个完美的解决方案。伴随着微电子技术的发展以及电力电子技术的进步，以及微电子器件的降价，CVT这类控制方式已经显得不是很有竞争力。最大功率点跟踪MPPT[3]（MaximumPowerPointTracking）技术可以使光伏系统在任何温度以及光照强度下都能跟踪光伏电池的最大功率，这显示出了它的极具优势的技术特点。1.4课题研究的主要内容MPPT可以挽回由于温度的变化而导致系统的组件失配损失，特别是对于夏冬季节及昼夜温差较大的地区，更加有明显的经济以及技术意义。本课题的主要工作内容就是利用光伏电池的伏安特性曲线，通过调节光伏电池阵列的工作点，来自动跟踪光伏电池阵列的最大功率点，以获得电池的最大功率。本文的主要内容是研究光伏发电中用到的DC/DC变换器。课题的主要内容与基本要求：要求设计一个DC/DC的变换模块，作为光伏阵列与负载之间的适配器。设计中采用500W的光伏阵列，输入电压的范围为20~36V，负载要求的恒定电压为28V。2基于DC/DC变换器最大功率点跟踪2.1光伏电池工作原理在光伏电池的太阳能发电中，光伏电池是核心的元件，所以熟悉并掌握它的工作原理是一件必须的事情。光伏电池是一种能把光能量转化为电能量的电子器件，我们把它称为光伏器件。当来自外界的太阳光照射在实体上时，事物因为吸收了光能，它的能量电子从化学键中被释放出来，由此产生了电子-空穴对，就会有少量的电动势产生，此类现象我们称它为光生伏特效应。固体以及液体中也都会发生这种现象，但是仅仅在半导体中，才能获得比较高的光电转换率。所以光伏电池又经常被人们称之为半导体电池。所以市场上的光伏电池一般都是是硅电池，它的原理具体如下解释：一个硅原子的原子核外部有四个带负电的电子。当受热或受到外部能量冲击时，这部分带负电荷的电子就一定会挣脱硅原子的原子核给它的束缚力，而使之成为能够自由移动的电子，如此一来原来的原子就因为少个电子而带上一个单位正电，我们称之为“空穴”。对于纯的硅元素晶体来说，自由电子、空穴一般都是成双成对出现的，所以硅晶体还是呈电中性。但是如果在原本无杂质的硅晶体中掺杂了镓、硼等三价元素的话，让它取代了硅晶体中的硅原子核的位子，就形成变为空穴型的半导体，也就是P型半导体。在P型半导体中，空穴则为大多数，自由电子为少部分，主要还是空穴导电。而空穴则主要由杂质的原子提供，自由电子是由热激发而形成的。掺入的杂质元素越多，多数载流子（也就是空穴）的浓度也就会越高，其导电性能就更强；如果在原本无杂质的硅晶体中掺入砷、磷等五价元素的话，使=让它取代了晶体中硅原子核的位置，就形成了电子型的半导体，我们又称之为N型半导体。然而这些杂质提供了带负电荷的电子的载流子，我们称他们为主杂质或N型杂质。N型半导体中，自由的电子为大多数，而空穴为少数，主要是自由电子导电。而自由电子主要由杂质的原子所提供，空穴由热激发而形成。杂质掺入的元素越多，多子（自由电子）的浓度也就越高，导电性能就更强。如果把P型以及N型这两种半导体联合在一起，交界处就形成了一个PN结，如图2-1所示。当光伏电池受到太阳光的照射时，电子由于受到光能的激发，慢慢向Ｎ区移动，使Ｎ区带上负电，同时Ｐ区接受多余的空穴，使Ｐ区带正电。这样一来，在PN结两端就有了一定的电动势，这就是所说的“光生伏特效应”。如果在P型以及N型两端加上导线的话，再在外围连接上负载组成一个回路，那么就能产生电压以及电流，从而达到光生电的实际效果。图2-1光伏电池的发电原理光伏电池主要是由P型和N型的半导体构成。因此在没有太阳光照射时，光伏电池的基本特性跟二极管类似。接下来我先介绍一下半导体二极管的一些相关特性，饱和电流I0和另一反向暗电流Id是二极管的两个最基本的重要参数。当给一个正电压在PN结上时，它的内部的势垒层遭到减弱,自由电子由N区扩散到P区，则暗电流Id从P型的半导体流向Ｎ型的半导体。反之在PN结上加上一个反电压，其内部势垒层变宽得到加强，自由电子从PN结的P区漂移到N区，则I0的电流方向是从N区指向P区。又因为P型半导体中的空穴比较多，电子为少数载流子，所以只要它没有被反向电压所击穿，I0就比Id要小得多，一般只有Ｌ的10-10这一数量级，PN结还具有二极管的单向导电性这一基本特性。用来描述饱和电流I0、暗电流Id、二极管偏压V的克莱方程如下所示：（2-1）其中：q=1.6*10-19C，q是电子电量；k=1.38*10-23J/K，k是波尔兹曼常数；T是热力学温度；A为二极管等效冈子。等效电路如图2-2所示：图2-2太阳能电池等效电路现在，市场上经常能看到的硅类光伏的电池一般有三种：非品硅、多类晶硅以及单晶硅的光伏电池，转换的效率的差距也是很大。单品硅的光伏的电池的材料最是昂贵，因为制造成本是最高的，然而它的光电的转化效率也是最高的。在现在全球范围内，单晶硅的光伏电池平都转换的效率为15%，在良好环境下的单晶硅的转换效率比较高的是在澳大利亚一个叫新南威尔士大学的地方，他们所测得的转换效率能达24.4%。多晶硅的光伏电池内部晶体结构具有没有规则性，PN里的电荷不能使其完全地分离，所以一部分电荷会由于晶体的这种不规则性而损失掉，所以多晶硅电池的转换率一般要比单晶硅的稍低。它的光电转换效率也可达14%，其在实验室内能达到的最大转换效率为19.8%。但由于生产多晶硅的光伏电池的可用方法很多，所以多品硅的成本自然要比单品硅的低。而非晶硅的光伏电池是薄膜电池的其中一种，价格非常便宜，但光电转换效率很低，实验室最大转换效率也才12%，我们把它常用于计算器、电子手表等弱光性电源中。2.2MPPT的必要性在整个光伏发电系统中，光伏电池在不同的光照强度下，且当输出为最大功率时，两端的电压值并不是恒定的，而且光伏电池工作的温度发生变化时，相对应于同一辐照度的最大功率以及电压值也会发生变化。图2-3是光伏电池I(P)-V关系曲线，它表明在一定的太阳照度以及温度下，电池传送的电流I(功率P)与电压V的关系，曲线1、2都表明光伏电池具有很鲜明非线性的特征。曲线1—电流-电压曲线2—功率-电压曲线图2-3光伏电池电流（功率）—电压的关系曲线上图中，功率曲线2相当于为一条抛物线，即光伏太阳能的电池在输出为最大功率Pm(=ImVm)时，最大的功率点的电压(也就是最大的工作电压)Vm比开路电压Voc小，最大功率点的电流(也就是最大工作电流)Im比短路电流Isc小。而且电池的电压在0~Vm间变化时，功率曲线是一个递增函数，电池电压处于Vm~Voc之间时，功率曲线是一个递减函数。据研究显示，它的输出功率是由太阳光照度、太阳光谱分布以及它的工作温度决定的。图2-4(a)、(b)是光伏电池在不同温度下得I-V,P-V的特性曲线，从图中可得，随着工作温度的升高，短路电流Isc稍微升高，开路电压Voc以及最大功率点的电压Vm下降，光伏电池输出最大功率Pm下降。(a)不同温度下得I-V曲线图（b）不同温度下P-V曲线图图2-4不同温度下的光伏电池的特性曲线图2-5(a)、(b)是不同辐照度下的I-V、P-V特性曲线。如图可知，同一块电池，Isc值与太阳光照度成正比；输出最大功率Pm也随着太阳光照度的增加而增加。（a）不同辐照度下的I-V曲线（b）不同辐照度下的P-V曲线图2-5不同照度下的光伏