并網(wǎng)式太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

并網(wǎng)式太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以其諸多的優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。本文討論并網(wǎng)式太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的原理及組成，在介紹太陽能、升壓電路、逆變電路的特點(diǎn)根底上，詳細(xì)描述了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方案。這里根據(jù)太陽能控制器的要求與特點(diǎn)，提出了一種基于最大功率跟蹤控制系統(tǒng)即MPPT技術(shù)的太陽能智能控制的設(shè)計(jì)方法。全文分四大局部。第一局部,包括第一章，描述太陽能的利用和前景開展?fàn)顩r，系統(tǒng)總介紹。第二章，包括第二局部，描述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及工作原理。第三局部，包括第三章，介紹升壓電路及MPPT。第四章，包括第四局部，介紹逆變電路。這也是全面并網(wǎng)式太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的理論根底和必要前提。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;太陽能電池組件;升壓電路;逆變電路;MPPTTheincorporationtypesolarenergylightbendsdowntheelectricitygenerationcontrolsystemdesignAbstractThesolarenergylightbendsdownthegeneratingsystemtoreceivepeople'swidespreadattentionbyitsmanymerits.Thisarticlenarratestheincorporationtypesolarenergylighttobenddowntheelectricitygenerationcontrolsystemprincipleandthecomposition,intheintroductionsolarenergy,theboostedcircuit,inthecontravariantelectriccircuitcharacteristicfoundation,describedthesolarenergylighttobenddownindetailthegeneratingsystemprincipleofworkandthedesignproposal.Hereaccordingtothesolarenergycontrollertherequestandthecharacteristic,proposedonekindbasedonthemaximumworkratefollow-upcontrolsystemistheMPPTtechnologysolarenergyintelligencecontroldesignmethod.Fulltextminutefourmajorpart.Thefirstpart,includingthefirstchapter,thedescriptionsolarenergyuseandtheprospectdevelopmentcondition,thesystemalwaysintroduced.Secondchapter,includingthesecondpart,thedescriptionsolarenergylightbendsdownthegeneratingsystemcompositionandtheprincipleofwork.Thethirdpart,includingthethirdchapter,introducestheboostedcircuitandMPPT.Fourthchapter,includingfourthpart,introductioninversionelectriccircuit.Thisalsoisthecomprehensiveincorporationtypesolarenergyelectricitygenerationcontrolsystemrationaleandtheprerequisite.KeyWords：Thelightbendsdowntheelectricitygeneration;Solarcellmodule;Boostedcircuit;Contravariantelectriccircuit;MPPT目錄1緒論41.1太陽能光伏發(fā)電的概況及市場分析41.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及意義51.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62太陽能光伏發(fā)電組件的組成及原理72.1太陽能光伏陣列的輸入輸出特性72.1.1硅光電池的工作原理72.1.2光伏陣列72.1.3硅光伏電池的電特性82.2光伏電池的外特性113Boost電路及采用Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的控制133.1boost電路器件選擇及原理133.2Boost升壓結(jié)構(gòu)特性分析143.3采用Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的控制及器件的選擇16采用Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的控制16干擾觀測(cè)法跟蹤控制174逆變電路184.1逆變電路的根本工作原理18換流方式分類19結(jié)束語21參考文獻(xiàn)221緒論1.1太陽能光伏發(fā)電的概況及市場分析太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以其諸多的光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不管是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板〔組件〕、控制器和逆變器三大局部組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源可以無處不在。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無電場合提供電源，主要為廣闊無電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源等，另外，還包括一些移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在興旺國家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。我國并網(wǎng)發(fā)電還未起步，不過，2002年北京“綠色奧運(yùn)〞局部用電以由太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供。據(jù)可靠資料，2007年全球太陽能電池產(chǎn)量已到達(dá)3436MW，較2006年增長了56%，中國廠商市場占有率由2006年的20%提升至35%。為配合西部大開發(fā)，我國政府實(shí)施了“陽光方案〞、“乘風(fēng)方案〞和“光明工程〞等，利用太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為解決西部廣闊無電地區(qū)農(nóng)牧民生活生產(chǎn)用電，這一工程配套資金20多億人民幣。我國光伏發(fā)電產(chǎn)品的市場主要在西部，另有局部產(chǎn)品出日，如組件、小系統(tǒng)和日用太陽能電子產(chǎn)品等。近幾年，中國的光伏產(chǎn)業(yè)迅速崛起，涌現(xiàn)了一大批優(yōu)秀企業(yè)。但是國內(nèi)太陽能電池晶片產(chǎn)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，許多廠家進(jìn)日大量電池片封裝組件。目前，中國已是世界太陽能光伏電池三大生產(chǎn)國之一，但90％的光伏產(chǎn)品都出口到國外。國內(nèi)太陽能光伏的應(yīng)用也主要集中在農(nóng)村電氣化和離網(wǎng)型太陽能光伏產(chǎn)品，真正并網(wǎng)型的太陽能光伏市場遠(yuǎn)未形成。雖然太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)受制于發(fā)電本錢高需光照要求復(fù)雜，選擇地日光輻射情況適當(dāng)，轉(zhuǎn)化率很低等因素，但太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長迅速，不僅因?yàn)樗蔷哂性S多優(yōu)點(diǎn)的清潔能源，一個(gè)更誘人的動(dòng)因是，在太陽能與建筑一體化的過程中，太陽電池組件比太陽能熱水器與建筑更有親合力。太陽電池組件不僅可以作為能源設(shè)備，還可作為屋面和墻面材料，既供電節(jié)能，又節(jié)省了建材，國外己有非常好的案例。因此，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與建筑結(jié)合方面，將具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，前途無限。1.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及意義太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量〔約為3.75×1026W〕的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。下列圖是地球上的能流圖。從圖上可以看出，地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及局部潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料〔如煤、石油、天然氣等〕從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能那么限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。人類對(duì)太陽能的利用有著悠久的歷史。我國早在兩千多年前的戰(zhàn)國時(shí)期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點(diǎn)火；利用太陽能來枯燥農(nóng)副產(chǎn)品。開展到現(xiàn)代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學(xué)利用等。而隨著世界上煤、油、氣的儲(chǔ)量日益減少，能源危機(jī)已日益增長，環(huán)境污染的危機(jī)已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題已提到人類的面前。有人預(yù)測(cè)：二十一世紀(jì)太陽能將由輔助能源上升為主要能源。國外現(xiàn)狀世界各國，尤其興旺國家對(duì)21世紀(jì)的能源問題都特別關(guān)注。1973年，美國制定了政府級(jí)陽光發(fā)電方案；1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計(jì)投資達(dá)8億多美元；1994年度的財(cái)政預(yù)算中，光伏發(fā)電的預(yù)算達(dá)7800多萬美元，比1993年增加了23．4％；1997年美國和歐洲相繼宣布"百萬屋頂光伏方案"，美國方案到2023年安裝1000～3000MW太陽電池。日本不甘落后，1997年補(bǔ)貼"屋頂光伏方案"的經(jīng)費(fèi)高達(dá)9200萬美元，安裝目標(biāo)是7600Mw。據(jù)權(quán)威專家估計(jì)，如果實(shí)施強(qiáng)化可再生能源的開展戰(zhàn)略，到下世紀(jì)中葉，可再生能源可占世界電力市場的3/5，燃料市場的2/5。在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中，太陽能處于突出位置。美國的馬奇蒂博士對(duì)世界一次能源替代趨勢(shì)的研究結(jié)果說明，太陽能將在21世紀(jì)初進(jìn)入一個(gè)快速開展階段，并在2050年左右到達(dá)30%的比例，次于核能居第二位，21世紀(jì)末太陽能將取代核能居第一位。殼牌石油公司經(jīng)過長期研究得出結(jié)論，下一世紀(jì)的主要能源是太陽能；日本經(jīng)濟(jì)企劃廳和三洋公司合作研究后那么更樂觀地估計(jì)，到2030年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽能。正如世界觀察研究所的一期報(bào)告所指出：正在興起的“太陽經(jīng)濟(jì)〞將成為未來全球能源的主流。國內(nèi)現(xiàn)狀，煤炭巨量消費(fèi)已成為我國大氣污染的主要來源。我國具有豐富的太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿刃履茉春涂稍偕茉促Y源，開發(fā)利用前景廣闊。太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用始于70年代，真正快速開展是在80年代。在1983年一1987年短短的幾年內(nèi)先后從美國、加拿大等國引進(jìn)了七條太陽電池生產(chǎn)線，使我國太陽電池的生產(chǎn)能力從1984年以前的年產(chǎn)200千瓦躍到1988年的4．5兆瓦。目前太陽電池主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)和遙遠(yuǎn)無電縣、無電鄉(xiāng)村、無電島嶼等遙遠(yuǎn)偏辟無電地區(qū)，年銷售約1.1兆瓦，成效顯著。1.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1由上圖可知，整個(gè)系統(tǒng)包含太陽能光伏打效應(yīng)轉(zhuǎn)換，直流升壓及MPPT最大功率跟蹤技術(shù)，直交流逆變?nèi)齻€(gè)主要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)主要工作過程如下：太陽能電池陣列組件接收太陽光能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸出400V電壓，由24塊輸出為17.2V的硅光電池板串聯(lián)而成，升壓電路將400V電壓升至直流800V，再由逆變器將直流800V電壓轉(zhuǎn)化為交流220V交流電壓。本文將講述以上過程及原理。2太陽能光伏發(fā)電組件的組成及原理2.1太陽能光伏陣列的輸入輸出特性2.1.1硅光電池的工作原理導(dǎo)體PN結(jié)在受到光照射時(shí)能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)，叫光伏打效應(yīng)。硅光電池就是利用光伏打效應(yīng)將光能直接換成電能的半導(dǎo)體器件。硅光電池等效于一個(gè)PN結(jié)，在不通的光照條件下可以在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。硅光電池的結(jié)構(gòu)很簡單，核心局部是一個(gè)大面積的PN結(jié)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流也大得多。例如，國產(chǎn)2CR型硅光電池在100mW/cm2的入射光強(qiáng)下，開路電壓(需用高內(nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量)為450～600mV，短路電流為16～30mA，轉(zhuǎn)換效率為6％～12％。光照可以使薄薄的P型區(qū)產(chǎn)生大量的光生載流子。這些光生電子和空穴，會(huì)向PN結(jié)方向擴(kuò)散。擴(kuò)散過程中，一局部電子和空穴復(fù)合消失，大局部擴(kuò)散到PN結(jié)邊緣。在結(jié)電場的作用下，大局部光生空穴被電場推回P型區(qū)而不能穿越PN結(jié)；大局部光生電阻卻受到結(jié)電場的加速作用穿越PN結(jié)，到達(dá)N型區(qū)。隨著光生電子在N型區(qū)的積累及光生空穴在P型區(qū)的積累，會(huì)在PN對(duì)的兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電位差，這就是光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)光電池兩端接有負(fù)載時(shí)，將有電流流過負(fù)載，起著電池的作用。2.1.2光伏陣列圖2.1.2在實(shí)際運(yùn)行中，按照所需要的功率等級(jí)和電壓等級(jí)可以將假設(shè)干單個(gè)光伏電池串并聯(lián)組成光伏陣列?？紤]整個(gè)光伏陣列的模型時(shí)對(duì)實(shí)際情況加以簡化，如圖〔b〕所示串聯(lián)光伏電池的等效電路模型。其輸出電壓為單個(gè)光伏電池的輸出電壓的N倍〔N為光伏陣列中串聯(lián)的電池的個(gè)數(shù)〕，輸出功率亦為單個(gè)光伏電池的輸出功率的N倍。但當(dāng)光伏陣列串聯(lián)電池個(gè)數(shù)大于2時(shí)，光伏陣列的參數(shù)與單個(gè)光伏電池關(guān)系將不是倍數(shù)關(guān)系，其值發(fā)生了相應(yīng)的變化。2.1.3硅光伏電池的電特性〔1〕等效電路光伏電池之等效電路的理想形式和實(shí)際形式分別如圖圖光伏電池之等效電路的理想形式和實(shí)際形式其中，為光生電流。值正比于光伏電池的面積和入射光的輻射度。1光伏電池的值均為16～30mA。環(huán)境溫度的升高，值也會(huì)略有上升，一般來講溫度每升高1℃，值上升78。為暗電流。無光照下的硅型光伏電池的根本行為特性就類似于一個(gè)普通二極管。所謂暗電流指的是光伏電池在無光照下，光伏電池結(jié)自身所能產(chǎn)生的總擴(kuò)散電流的變化情況。為光伏電池輸出的負(fù)載電流。為電池的開路電壓。所謂輸出電壓，是把光伏電池置于100mW/的光源照射下，且光伏電池輸出兩端開路〔〕時(shí)所測(cè)得的輸出電壓值。光伏電池的開路電壓與入射光輻照度的對(duì)數(shù)成正比，與環(huán)境溫度成反比，與電池面積的大小無關(guān)。溫度每上升1℃，值約下降2～3mV。該值一般用高內(nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量。單晶硅光伏電池的開路電壓一般為500mV左右，最高可達(dá)690mV。為電池的外負(fù)載電阻。為串聯(lián)電阻。一般小于1。它主要有電池的體電阻、外表電阻、電極導(dǎo)體電阻、電極與硅外表間接觸電阻和金屬導(dǎo)體電阻等組成。為旁路電阻。一般為幾千歐姆。它主要是由電池外表污濁和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的漏電流所對(duì)應(yīng)的結(jié)泄漏電阻和電池邊緣的漏電阻等組成。和均為硅型光伏電池本身固有電阻，相當(dāng)于光伏電池的內(nèi)阻。一個(gè)理想的光伏電池，因串聯(lián)的很小、并聯(lián)的很大，所以進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)，它們都可忽略不計(jì)。致使理想的等效電路只相當(dāng)于一個(gè)電流為的恒流源與一個(gè)二極管并聯(lián)〔如下圖2.1.3a〕。此外硅型光伏電池等效電路還應(yīng)包括由結(jié)形成的結(jié)電容和其他分布電容。由于光伏電池是直流設(shè)備，通常沒有高頻交流分量，因此這些電容也可以忽略不計(jì)。由上述定義，可列出光伏電池等效電路中各變量的方程式如下：=〔2.1〕=－－=－－〔2.2〕=〔2.3〕=〔2.4〕其中，光伏電池內(nèi)部等效二極管的結(jié)反向飽和電流。它與該電池材料自身性能有關(guān)，反映了光伏電池對(duì)光生載流子最大的復(fù)合能力。一般它是常數(shù)，不會(huì)受光照強(qiáng)度的影響。為電池的短路電流。所謂短路電流是指將光伏電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出短路(=0)時(shí)流過光伏電池兩端的電流。測(cè)量短路電流的方法是，用內(nèi)阻小于1歐的電流表接到光伏電池的兩端進(jìn)行測(cè)量。為等效二極管的端電壓。q為電子電荷，。為玻爾茲曼常量，。T為絕對(duì)溫度。A為結(jié)的曲線常數(shù)。弱光條件下，因遠(yuǎn)小于，使得=；而強(qiáng)光條件下，因因遠(yuǎn)大于，又使得=。由此可見，當(dāng)太陽光較弱時(shí)，硅型光伏電池的開路電壓隨光的強(qiáng)度呈近似線性的變化，而當(dāng)太陽光較強(qiáng)時(shí)，那么隨光的強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化。硅型光伏電池的開路電壓一般在0.5～0.58V之間理想形式下〔；〕的等效電路的方程為=－－－〔2.5〕〔2〕光伏電池的伏安特性曲線圖光伏電池的伏安特性曲線通過曲線圖可以看到，光伏電池在光照下的輸出電流和輸出電壓均與太陽輻射的通量密度成正比的關(guān)系。也就是說，不同的光照強(qiáng)度條件下可得到不同的特性曲線。光伏電池輸出伏安特性曲線與電流軸的交點(diǎn)為短路電流；與電壓軸的交點(diǎn)為開路電壓。在較高電壓區(qū)域內(nèi)，該電源具有低內(nèi)阻特性，可以視為一系列不同等級(jí)的電壓源；而在較低電壓區(qū)域內(nèi)，該電源又具有高電阻特性，可以視為一系列不同等級(jí)的電流源。在光照強(qiáng)度不變的情況下，它的功率輸出具有極大值，出現(xiàn)在電壓源與電流源的交點(diǎn)處，并且如果假設(shè)電池溫度不變，這個(gè)極大值將隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)或降低而增加或降低。在這個(gè)極大值點(diǎn)的兩側(cè)，光伏電池的功率輸出都在零與極大值之間連續(xù)變化。換言之，對(duì)于同樣的功率輸出，電源可以用作電壓源，接電壓型的負(fù)載，也可以用作電流源，接電流型的負(fù)載?！?〕輸出功率根據(jù)功率定義式P=UI，設(shè)定P為不同的常數(shù)，代入U(xiǎn)和I，便可在光伏電池輸出伏安特性曲線圖上做出一系列的等功率曲線，如下圖，圖中右上角的三條曲線〔例如〕。在實(shí)際中，必有唯一的一條功率曲線與光伏電池輸出伏安特性曲線相切，該功率曲線便代表著光伏電池在當(dāng)前當(dāng)照強(qiáng)度下的最大輸出功率，該切點(diǎn)稱為最正確工作點(diǎn)M。從原點(diǎn)引出的交于M點(diǎn)的直線為最正確負(fù)載線，=；M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值為最正確輸出電流，對(duì)應(yīng)的電壓值為最正確輸出電壓；由和得到的矩形幾何面積也是該特性曲線所能包攬的最大面積，成為光伏電池的最正確輸出功率或最大輸出功率,圖功率特性曲線2.2光伏電池的外特性光伏電池工作環(huán)境的多種外部因素，如光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、粒子輻射等都會(huì)對(duì)電池的性能指標(biāo)帶來影響，而且溫度的影響和光照強(qiáng)度的影響還同時(shí)存在?！?〕光譜響應(yīng)分析光伏電池的光譜響應(yīng)，通常是討論它的相對(duì)光譜響應(yīng)，其定義是，當(dāng)各種波長以一定等量的輻射光子束入射到光伏電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其中最大短路電流相比擬，按波長的分布求其比值變化曲線即為相對(duì)光譜響應(yīng)。而絕對(duì)光譜響應(yīng)指的是，當(dāng)各種波長的單位輻射光能或?qū)?yīng)的光子入射到光伏電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流。對(duì)于不同波長的入射太陽光之不同波長光分量，硅型光伏電池有不同的靈敏度，能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的太陽輻射波長范圍一般在0.4～1.2左右的范圍內(nèi)，不管是波長小于0.4太陽光分量輻射，還是波長大于1.2的太陽光分量輻射，都不能使硅型光伏電池產(chǎn)生光生電流；而硅型光伏電池光譜響應(yīng)最大靈敏度在0.8～0.95之間。〔2〕溫度特性和光照特性研究和實(shí)驗(yàn)說明，太陽能電池工作溫度的升高會(huì)引起短路電流的少量增加，并引起開路電壓發(fā)生嚴(yán)重降低。溫度變化對(duì)于開路電壓的影響之所以大，是因?yàn)殚_路電壓直接同制造電池的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度有關(guān)，而禁帶寬度會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生變化。對(duì)于硅材料，開路電壓變化率約為℃。也就是說，電池的工作溫度每升高1℃，開路電壓約下降2。隨著溫度的升高，電池的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，開路電壓隨光照強(qiáng)度的升高呈對(duì)數(shù)比例增加；短路電流和輸出功率均與光照強(qiáng)度成正比。溫度特性光照特性曲線〔3〕負(fù)載特性在圖〔a〕中列出了無外加偏壓的光伏電池電路在不同光照強(qiáng)度〔和〕下的兩條伏安特性曲線。有圖可見，對(duì)于同一負(fù)載，在不同的入射光照下，輸出可以是恒流的〔點(diǎn)〕，也可以是恒壓的〔點(diǎn)〕。而在同一光照強(qiáng)度下，改變負(fù)載大小，也可使輸出改成恒流形式或恒壓形式。對(duì)于負(fù)載的變化，可通過光伏發(fā)電控制系統(tǒng)來完成。圖(a)負(fù)載特性曲線圖(b)負(fù)載特性曲線由上所述，光伏電池的輸出電壓和輸出電流都和負(fù)載電阻大小有關(guān)。圖〔b〕中列出了光伏電池各個(gè)電參數(shù)和負(fù)載之間的關(guān)系曲線。如下圖，光伏電池的輸出電流與輸出電壓和負(fù)載電阻之間都不是線性關(guān)系，輸出電流隨負(fù)載電阻的增大而減小，輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而增大。只有在負(fù)載匹配的情況下=，才能獲得最大的輸出功率，這時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率也最高。〔4〕溫度特性溫度的變化會(huì)顯著改變太陽能電池的輸出性能。由半導(dǎo)體物理理論可知，載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而稍有增大，因此，光生電流也隨溫度的升高有所增加。但光伏電池輸出的負(fù)載電流隨溫度的升高是指數(shù)增加，因而開路電壓隨溫度的升高急劇下降。光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而下降。3Boost電路及采用Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的控制3.1boost電路器件選擇及原理下面分析開關(guān)閉合和斷開的情況下與輸出電壓的關(guān)系以及電感電流連續(xù)狀態(tài)下器件的選擇。圖3.1Boost電路圖為輸入電壓，為輸出電壓，為負(fù)載電流，電感量為L，開關(guān)頻率為48KHz，開關(guān)周期為，導(dǎo)通時(shí)間為=,斷開時(shí)間為=。為導(dǎo)通時(shí)間占空比，為斷開時(shí)間占空比，它們各自小于1，連續(xù)狀態(tài)時(shí)+=1。在輸入輸出電壓不變前提下分析，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流線性上升，其電流增量為=〔3.1〕當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電感電流線性下降，其增量為=〔3.2〕由于穩(wěn)態(tài)時(shí)這兩個(gè)電流變化量絕對(duì)值相等=||，所以=〔3.3〕簡化得電壓增益M===〔3.4〕可知電壓增益總是大于1。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間占空比越大時(shí)，電壓增益越大，當(dāng)值趨近于1時(shí)，輸出電壓將趨于無窮大，即電路失控。亦可推證臨界電感=〔3.5〕本設(shè)計(jì)中以24塊并聯(lián)的額定電壓為17.2V額定電流為4.2A的太陽能電池作為輸入，陣列輸出400V，采用Boost電路進(jìn)行升壓控制，要求Boost電路工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)。3.2Boost升壓結(jié)構(gòu)特性分析Boost升壓電路，可以工作在電流斷續(xù)工作模式(DCM)和電流連續(xù)工作模式(CCM)。CCM工作模式適合大功率輸出電路，考慮到負(fù)載到達(dá)10%上時(shí)，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)，因此，按CCM工作模式來進(jìn)行特性分析。Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓電路根本波形如下圖。圖Boos升壓電路根本波形時(shí)，開關(guān)管S為導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)，流經(jīng)電感L和開關(guān)管的電流逐漸增大，電感L兩端的電壓為，考慮到開關(guān)管S漏極對(duì)公共端的導(dǎo)通壓降即為，。時(shí)通過L的電流增加局部滿足式(3.13)?！?.13〕式中：為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降和電流取樣電阻上的壓降之和。時(shí)，開關(guān)管S截止，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲(chǔ)存在電感L中的能量提供應(yīng)輸出，流經(jīng)電感L和二極管D的電流處于減少狀態(tài)，設(shè)二極管D的正向電壓為，時(shí)，電感L兩端的電壓為，電流的減少局部滿足式(3.14)。(3.14)式中：為整流二極管正向壓降，快恢復(fù)二極管約0.8V，肖特基二極管約0.5V。在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，即從電流連續(xù)后到最大輸出時(shí)，=，由式(3.13)和(3.14)可得〔3.15〕因占空比D=，即最大占空比，=〔3.16〕如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即〔3.17〕由式(3.16)和式(3.17)得電感器平均電流(3.18)同時(shí)由式(3.13)得電感器電流紋波〔3.19〕式中：f為開關(guān)頻率。為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足(3.20)考慮到式(3.18)、式(3.19)和式(3.20)，可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為L(3.21)另外，由Boost升壓電路結(jié)構(gòu)可知，開關(guān)管電流峰值為二極管電流峰值為電感器電流峰值，(3.22)開關(guān)管耐壓(3.23)儲(chǔ)能電感根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(3.16)得3.3采用Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的控制及器件的選擇3.3.1采用Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的控制為了提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，使光伏電池始終保持最大功率輸出，就要進(jìn)行最大功率跟蹤〔MPPT：MaxPowerPointTracking〕。本文采用Boost電路來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，其電路組成如圖Boost電路及其驅(qū)動(dòng)Boost電路中占空比的不同，對(duì)光伏陣列而言表現(xiàn)為其輸出阻抗發(fā)生了變化，輸出阻抗的變化將影響光伏陣列的輸出特性。從而一定的輸出阻抗對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出電壓值和輸出電流值。而MPPT技術(shù)既是通過調(diào)節(jié)Boost電路的占空比，而改變光伏陣列的輸出阻抗，即可尋求輸出電流與輸出電壓的乘積即輸出功率的最大值。由Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)時(shí)，光伏陣列的輸出電壓低于蓄電池的端電壓，才能實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)。當(dāng)光伏陣列的輸出電壓高于蓄電池端電壓時(shí)，Boost電路需停止工作，光伏陣列對(duì)蓄電池直接充電Boost電路可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，那么電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流。另外，Boost電路電路非常簡單，因?yàn)楣β书_關(guān)管一端接地，其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更為方便圖電流采樣電路本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F330控制，輸出WM信號(hào)，根據(jù)采樣的電路中電流電壓的值來進(jìn)行調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比。采樣電壓由光伏陣列輸出電壓分壓得到，其采樣值應(yīng)小于5V，以防燒壞單片機(jī)的I/O口。采樣電流由圖電路完