光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究

分类号密级UDC硕士学位论文光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究学位申请人：闵江威学科专业：电力电子与电力传动指导教师：段善旭教授论文答辩日期2006.04.29学位授予日期答辩委员会主席林桦评阅人康勇张凯AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringStudyonMaximumPowerPointTrackingControlTechniquesinPVSystemCandidate:MinJiang-weiMajor:PowerElectronicsandElectricDriveSupervisor:Prof.DuanShan-xuHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaApril,2006独创性声明本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日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，即：学校有权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。本人授权华中科技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。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）II学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本文研究课题受到：台达电力电子科教发展基金重点项目——住宅PV发电系统（项目批准号为：DREK200501）的资助。谨致谢意！I摘要在绿色再生能源得到广泛应用的今天，太阳能因为其独特的优势而得到青睐。但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且，光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵，光伏发电系统的初期投入较大，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制。本文着重对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析，建立了MATLAB仿真模型，提出了相应的控制策略，并进行了实验验证。首先，本文对光伏发电系统的组成进行了分析，光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。根据光伏发电系统和电网的关系，还可以把它分为独立发电系统和并网发电系统。然后，本文对光伏电池的电气特性进行了分析，并建立了光伏电池的仿真模型。同时，本文对常用的最大功率点跟踪（MPPT）方法：恒定电压法（CVT）、导纳增量法（IncrementalConductance）、扰动观测法（P&O）进行了仔细的分析，并提出了几种改进的方法：开路电压法（OpenCircuit）、最优梯度法、三点重心比较法。这些方法各有千秋，在不同的应用场合各有所长。再者，对于不同形式的光伏发电系统，在最大功率点跟踪实现上采用了不同的控制策略。本文仔细分析了单级式系统和双级式系统的特点，对于不同形式的光伏发电系统分别提出了不同的最大功率点跟踪实现策略，并分别进行了仿真分析，仿真结果表明不同的控制策略都是可行的。最后，根据双级式系统的方案设计了一套硬件系统，从实践上验证了控制方案的可行性，实验结果表明，所设计的系统能够较好的完成最大功率点跟踪。关键词：太阳能、光伏发电系统、逆变器、单级式光伏发电系统、双级式光伏发电系统、最大功率点跟踪、IIAbstractWiththegreenandrenewableenergybewidelyused,solarenergyisacceptedcommonlybecauseofitsunusualadvantages.Buttheoutputofphotovoltaic(PV)arrayisinfluencedbytheenvironmentalfactors,andPVarrayhaverelativelylowconversionefficiencyandisexpensive.Inordertoreducetheoverallsystemcostandextractthemaximumpossiblesolarenergy,weshouldcontrolthePVsystemeffectively.ThispaperfocusesonMPPTcontroltechniquesofPVarray,analysesthetheoryparticularly,establishessimulationmodelwithMATLABsoftware,presentscontrolstrategiesrelevantly,andvalidatedbyexperimentalresults.Firstly,thispaperanalysesthecomposingofthePVsystem.ItiscomposedbyPVarray、powerelectronicsconverters、powerstoragesystemandloads.WecandividethePVsystemintotwotypes:stand-alonePVsystemandgrid-connectedPVsystembytherelationshipwiththegrid.Secondly,thispaperanalysestheelectricalcharacteristicsofPVcellandestablishessimulationmodel,andalsoanalysescommonlyusedMPPTmethods,suchasCVTmethod、IncrementalConductancemethod、P&Omethod.Andthenpresentsthreeimprovedmethods:OpenCircuitmethod、OptimalGradientmethod、Three-PointWeightComparisonmethod.Thesemethodseachhashisstrongpointandcanbeusedindifferentfield.Thirdly,fordifferentPVsystem,wecanusedifferentcontrolstrategies.Thispaperanalysesthecharacteristicsofsingle-stagesystemanddouble-stagesystem,andthenpresentsdifferentMPPTcontrolstrategies.Simulationresultsshowthatbothstrategiesarefeasible.Finally,ahardwaresystemisdesignedwithdouble-stagetovalidatethefeasibilityofthecontrolstrategies.Experimentalresultsshowthatthesystemcantractthemaximumpowerpoint.KeyWords:solarenergy、PVsystem、inverter、single-stagePVsystem、double-stagePVsystem、MPPTIII目录摘要……………………………………………………………..…..……..ⅠAbstract………………………….……….………………………..…….Ⅱ1绪论1.1人类所面临的能源问题…………………………....………..….……（1）1.2光伏发电的特点和优势…..………………….….…………...………（2）1.3光伏发电的广阔前景…………..……………………………….……（3）1.4本课题的目的..……………………………………….………..….…（5）2光伏发电系统的组成2.1光伏发电系统的构成.……..……………………….………….....…（6）2.2光伏阵列…………………………………………….………...….….（6）2.3电力电子变换器……………...………………………….....….….....（8）2.4储能装置………………………………………………..……….…..（8）2.5光伏发电系统的类型………………………………………..…..…..（8）3光伏发电系统的最大功率点跟踪问题研究3.1光伏电池的模型和特性………….………………...…...………….（15）3.2最大功率点跟踪方法………………..……………………..…....…（18）3.3本章小结………….….…………………………………..............…（29）4光伏发电系统最大功率点跟踪的控制策略4.1单级式光伏系统的最大功率点跟踪…………………………...….（30）4.2双级式光伏系统的最大功率点跟踪…..……………..............……（39）5光伏发电系统最大功率点跟踪的实现5.1推挽电路的特点…………………………………....……............….（46）5.2主电路的结构及参数的设计……….………………...……………（46）IV5.3控制电路的设计.…….……………………………….……..…...…（59）5.4实验结果与分析……………………………………………………（63）6全文总结及展望6.1本文总结………………………..…………………….…..…..…….（67）6.2工作展望…….…………….……………………………..…...….…（68）致谢………………..………………………………..……….…….....…（69）参考文献………………………….…………..……………....……..….（70）11绪论1.1人类所面临的能源问题1.1.1全球能源问题能源是人类社会生存和发展的动力源泉。从原始社会的钻木取火到近现代的化石能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应用无不闪现着人类的智慧之光。然而，随着人类文明的发展日益迅速，人类对能源的需求也日益增加，传统的化石能源正日趋枯竭，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可开采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年，可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数了[1]。全球资源专家们呼吁：煤炭、石油等可贵的化石资源应该是留给子孙后代的“化工原料”，而不应该在我们这代人手中仅仅把它们作为燃料而消耗殆尽[2]。1.1.2中国的能源问题中国的能源资源储量情况更是危机逼人。按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1％。中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8％，原油占3.4％，天然气占1.3％，水资源占36.5％。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年[3]。同时，由于中国人口众多、人均能源资源严重不足，人均能源资源探明储量只有135吨标准煤，仅相当于世界人均拥有量（264吨标准煤）的51％。其中煤炭人均探明储量为147吨，为世界人均值（208吨）的70％；石油人均探明储量2.9吨，为世界人均值的11％；天然气人均探明储量为世界人均值的4％；即使是水资源，按人口平均，也低于世界人均值[4]。另外，由于近年来中国经济发展迅速，国内对能源的需求飞速增长。从1993年起，中国已成为石油净进口国；从1996年起，中国已成为原油净进口国，到2000年，原油进口量已达6960万吨，而且，这种趋势仍在逐年增大。预计到2010年，中国的石油进口依存度（净进口量占消费量的比重）将达到3