太阳能最大功率点跟踪控制研究
太阳能最大功率点跟踪控制研究[20200408101517]
摘要
在太阳能光伏发电系统中，在一定的温度和光照强度下，太阳能电池存在最大功率点，此时太阳能电池可输出最大功率。但由于受太阳辐射、外界环境温度等因素的影响，导致光伏阵列的电压和电流的改变，输出功率不能稳定在一个值，即最大功率点在不断地变化，从而使光伏系统效率降低。此外，太阳能电池的输出特性是非线性的，形式复杂，难以确定其数学模型，所以，它不能由最大功率的分析方法得到。因此，如何提高太阳能电池的转换效率，充分利用光伏阵列的能量进行转换，一直是太阳能光伏发电系统的一个重要的研究方向。为了充分利用太阳能，以获得最大的功率输出，最大功率点跟踪控制已成为一个重要的环节。
课题主要设计了以CN3722为核心的太阳能控制器和以XL6009为核心的升降压控制器，并对它们进行了分析和测试。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:输出特性最大功率点分析测试
目 录
第一章 引言 1
1.1 新能源的发展前景 1
1.2 最大功率点跟踪技术的研究意义 2
1.3 本课题的主要设计内容 3
第二章 最大功率点跟踪控制的研究 4
2.1 最大功率点跟踪控制策略 4
2.2 最大功率点跟踪控制简析 4
2.3 几种最大功率点跟踪控制方法的研究 5
第三章 最大功率点跟踪控制硬件设计 8
3.1 恒电压控制简析 8
3.2 太阳能控制器硬件设计 9
3.3 升降压控制器硬件设计 11
3.3.1 Buck-Boost变换器 12
3.3.2 Buck-Boost变换器工作原理 12
3.3.3 以XL6009为核心的硬件设计 13
3.4 SM3320芯片组 14
第四章 最大功率点跟踪测试 16
4.1 太阳能控制器的测试 16
4.1.1太阳能控制器测试结果及分析 16
4.2 升降压变换器的测试 18
4.2.1 升降压变换器测试结果及分析 19
4.3 硬件测试结果分析 21
总结 22
参考文献 23
致谢 24
第一章 引言
1.1 新能源的发展前景
随着常规能源的日益开发和建设，石油等传统能源的储备日益短缺，新能源的开发逐渐被各国提上了议程。很多国家都出台各项鼓励政策，支持新能源的研究及其发展。
最新的研究报告呈现出这样一种结果：新能源的使用和生产范围在不断的扩大。2012年的《京都协定书》到期后，为了进一步推进绿色经济和可持续发展，新的温室气体减排机制将要全面施行，新能源的发展将迎来一个崭新的黄金时代。
中国目前的能源与环境问题比较严重，越来越多的人开始对新能源的开发给予了较高的关注。一方面，新能源可以改善常规能源日益短缺的现状；另一方面，则可以降低能源消耗对环境所产生的污染。
尽管，我国的新能源和可再生能源的的开发利用起步比较晚，但是，近几年来，每一年都在以至少25%的速度增加着。2006年正式启用的《可再生能源法》以及之后政府逐渐推行的各种相关的行政规章等，都促使新能源的建设以一个平稳的速度在发展。
中国的新能源领域具有较大的投资商机，因此吸引了大批的投资者，一些大型的能源集团、合资企业等逐渐成立，新能源的发展前景较为乐观。在新能源和可再生能源的开发以及利用这个领域，中国已经获取了较大的成果，技术水平有了比较明显的提高，产业化在一定范围内较为完备。近年来，我国在海洋能、生物质能、地热能、核能等新能源的发展利用上取得了较大的发展。为了达到节能减排这一目标，汽车产业也有了新的改进，传统的燃油汽车消耗的能量较多，对环境也造成了一定的污染。因此，在未来，终将被新能源汽车所取代。
在可以开发利用的新能源中，太阳能因其来源广泛、清洁安全的优点逐渐被大家重视。我国大部分地区拥有很丰富的太阳能资源，有的地区终年受到阳光照射的能量较大，人员松散，适合建造大规模的光伏电站。此外，光伏发电技术目前已经日趋成熟，光伏阵列的光电转换效率也有了一定程度的提高。太阳能发电已经逐渐走进日常生活中。
目前，我们国家的人民，还有很多的在偏远地区都没有用上电，有的县还面临严重缺电的问题，光伏产业的兴起可以有效缓解这些问题。在2010年之前，中国建造的光伏发电系统大部分为独立的发电系统。但是，到了2020年，这种情况将会有很大的改变，并网发电系统将逐步取代独立发电系统，成为未来光伏发电的主流。
1.2 最大功率点跟踪技术的研究意义
目前，我国的不可再生资源（石油、煤炭、天然气等），尤其是以煤炭为主的矿物燃料在不断的消耗。随着这些资源的不断消耗，能源的潜在危机将会成为社会可持续发展的制约因素。
在这种情况下，煤炭发电已不再可取，可再生能源在发电系统中的地位日趋提升。利用太阳能技术发电具有清洁，无污染，来源广且可持续的特点被大家广泛关注。
目前，太阳能光伏发电主要存在以下两个问题：①受外界环境的影响较大，温度和光照辐射强度的变化都会使太阳能的输出特性发生改变②太阳能电池初期投入大，电池转换效率不高并且价格昂贵。因此，太阳能发电系统中能够充分利用太阳能电池所产生的能量是它的基本要求。在光伏系统的工作中，一般都想使光伏阵列的输出功率始终在最大位置，这就需要系统可以时刻检测并跟踪光伏阵列最大功率点的位置。
最大功率点的跟踪技术在光伏系统发电中有比较多的应用，运用控制输出电压或者电流的策略，以此来使得系统可以一直工作在最大功率点。
在现实生活中，由于光伏阵列总是受到室外环境因素的影响，如太阳辐射，太阳能面板的温度往往会随着时间发生变化，使光伏阵列不能始终工作在最大功率点处。这降低了光伏发电系统的光电转换效率，光伏发电机到电网或负载功率也因此减少。
为适应周围的环境，资源利用得到最大化，许多专家在阵列和负载功率之间推荐安装电子变换器，由它来检测光伏阵列的输出的最大功率点。然后，对最大功率点的跟踪策略，设计了相应的算法。
新型的太阳能控制器是利用最大功率点跟踪技术制成的，相比于传统的太阳能控制器，前者可以实时跟踪光伏阵列的最大功率的输出，有效提高电池的使用效率。而后者不可以，太阳能电池利用率较低，能源有一定的浪费。因此，最大功率点的跟踪技术的研究具有一定的战略意义。
1.3 本课题的主要设计内容
课题的设计内容包括两部分，一部分是对太阳能控制器整体的设计与分析，另一部分是对太阳能最大功率点跟踪中的升降压模块进行研究和分析。
在太阳能控制器的设计中，对CN3722所采用的最大功率点跟踪方法进行分析，研究具有同样功能的美国半导体公司生产的SM3320芯片组。
升降压变换器的设计是以XL6009芯片为核心的，具体研究它的升降压原理及其特性。
最后将设计完成的实物进行实验，通过实验来分析它们的工作情况和体现的效果。
第二章 最大功率点跟踪控制的研究
2.1 最大功率点跟踪控制策略
最大功率点跟踪控制（maximum power point tracking, MPPT）策略可以时刻观测光伏电池阵列的输出功率，利用一定的控制算法和最大功率点跟踪所得到的数据，对下一个时间段的最大功率输出进行变化，通过改变阻抗的方法来实现最大功率点的输出。所以，即使光伏阵列的输出功率因为本身温度变化等原因对输出功率有一定的影响，系统仍然可以运行在最佳工作状态。
如图2.1所示，假定图中曲线1和曲线2为两种不同光照强度下光伏阵列输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。 当光照强度发生变化，光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2处，此时如果保持负载1不变，系统将运行在A’点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点[1]。为了使系统继续工作在最大功率点，需要通过改变负载特性，将负载1变化到负载2。 此刻，系统可以运行在新的最大功率点B处。同样，在光照强度发生变化，光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线1时，相应的工作点由点B变化到点B’处，此时，需要将负载2调整至负载1，使系统在光照强度减小的情况下运行在最大功率点A处[1]。
摘要
在太阳能光伏发电系统中，在一定的温度和光照强度下，太阳能电池存在最大功率点，此时太阳能电池可输出最大功率。但由于受太阳辐射、外界环境温度等因素的影响，导致光伏阵列的电压和电流的改变，输出功率不能稳定在一个值，即最大功率点在不断地变化，从而使光伏系统效率降低。此外，太阳能电池的输出特性是非线性的，形式复杂，难以确定其数学模型，所以，它不能由最大功率的分析方法得到。因此，如何提高太阳能电池的转换效率，充分利用光伏阵列的能量进行转换，一直是太阳能光伏发电系统的一个重要的研究方向。为了充分利用太阳能，以获得最大的功率输出，最大功率点跟踪控制已成为一个重要的环节。
课题主要设计了以CN3722为核心的太阳能控制器和以XL6009为核心的升降压控制器，并对它们进行了分析和测试。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:输出特性最大功率点分析测试
目 录
第一章 引言 1
1.1 新能源的发展前景 1
1.2 最大功率点跟踪技术的研究意义 2
1.3 本课题的主要设计内容 3
第二章 最大功率点跟踪控制的研究 4
2.1 最大功率点跟踪控制策略 4
2.2 最大功率点跟踪控制简析 4
2.3 几种最大功率点跟踪控制方法的研究 5
第三章 最大功率点跟踪控制硬件设计 8
3.1 恒电压控制简析 8
3.2 太阳能控制器硬件设计 9
3.3 升降压控制器硬件设计 11
3.3.1 Buck-Boost变换器 12
3.3.2 Buck-Boost变换器工作原理 12
3.3.3 以XL6009为核心的硬件设计 13
3.4 SM3320芯片组 14
第四章 最大功率点跟踪测试 16
4.1 太阳能控制器的测试 16
4.1.1太阳能控制器测试结果及分析 16
4.2 升降压变换器的测试 18
4.2.1 升降压变换器测试结果及分析 19
4.3 硬件测试结果分析 21
总结 22
参考文献 23
致谢 24
第一章 引言
1.1 新能源的发展前景
随着常规能源的日益开发和建设，石油等传统能源的储备日益短缺，新能源的开发逐渐被各国提上了议程。很多国家都出台各项鼓励政策，支持新能源的研究及其发展。
最新的研究报告呈现出这样一种结果：新能源的使用和生产范围在不断的扩大。2012年的《京都协定书》到期后，为了进一步推进绿色经济和可持续发展，新的温室气体减排机制将要全面施行，新能源的发展将迎来一个崭新的黄金时代。
中国目前的能源与环境问题比较严重，越来越多的人开始对新能源的开发给予了较高的关注。一方面，新能源可以改善常规能源日益短缺的现状；另一方面，则可以降低能源消耗对环境所产生的污染。
尽管，我国的新能源和可再生能源的的开发利用起步比较晚，但是，近几年来，每一年都在以至少25%的速度增加着。2006年正式启用的《可再生能源法》以及之后政府逐渐推行的各种相关的行政规章等，都促使新能源的建设以一个平稳的速度在发展。
中国的新能源领域具有较大的投资商机，因此吸引了大批的投资者，一些大型的能源集团、合资企业等逐渐成立，新能源的发展前景较为乐观。在新能源和可再生能源的开发以及利用这个领域，中国已经获取了较大的成果，技术水平有了比较明显的提高，产业化在一定范围内较为完备。近年来，我国在海洋能、生物质能、地热能、核能等新能源的发展利用上取得了较大的发展。为了达到节能减排这一目标，汽车产业也有了新的改进，传统的燃油汽车消耗的能量较多，对环境也造成了一定的污染。因此，在未来，终将被新能源汽车所取代。
在可以开发利用的新能源中，太阳能因其来源广泛、清洁安全的优点逐渐被大家重视。我国大部分地区拥有很丰富的太阳能资源，有的地区终年受到阳光照射的能量较大，人员松散，适合建造大规模的光伏电站。此外，光伏发电技术目前已经日趋成熟，光伏阵列的光电转换效率也有了一定程度的提高。太阳能发电已经逐渐走进日常生活中。
目前，我们国家的人民，还有很多的在偏远地区都没有用上电，有的县还面临严重缺电的问题，光伏产业的兴起可以有效缓解这些问题。在2010年之前，中国建造的光伏发电系统大部分为独立的发电系统。但是，到了2020年，这种情况将会有很大的改变，并网发电系统将逐步取代独立发电系统，成为未来光伏发电的主流。
1.2 最大功率点跟踪技术的研究意义
目前，我国的不可再生资源（石油、煤炭、天然气等），尤其是以煤炭为主的矿物燃料在不断的消耗。随着这些资源的不断消耗，能源的潜在危机将会成为社会可持续发展的制约因素。
在这种情况下，煤炭发电已不再可取，可再生能源在发电系统中的地位日趋提升。利用太阳能技术发电具有清洁，无污染，来源广且可持续的特点被大家广泛关注。
目前，太阳能光伏发电主要存在以下两个问题：①受外界环境的影响较大，温度和光照辐射强度的变化都会使太阳能的输出特性发生改变②太阳能电池初期投入大，电池转换效率不高并且价格昂贵。因此，太阳能发电系统中能够充分利用太阳能电池所产生的能量是它的基本要求。在光伏系统的工作中，一般都想使光伏阵列的输出功率始终在最大位置，这就需要系统可以时刻检测并跟踪光伏阵列最大功率点的位置。
最大功率点的跟踪技术在光伏系统发电中有比较多的应用，运用控制输出电压或者电流的策略，以此来使得系统可以一直工作在最大功率点。
在现实生活中，由于光伏阵列总是受到室外环境因素的影响，如太阳辐射，太阳能面板的温度往往会随着时间发生变化，使光伏阵列不能始终工作在最大功率点处。这降低了光伏发电系统的光电转换效率，光伏发电机到电网或负载功率也因此减少。
为适应周围的环境，资源利用得到最大化，许多专家在阵列和负载功率之间推荐安装电子变换器，由它来检测光伏阵列的输出的最大功率点。然后，对最大功率点的跟踪策略，设计了相应的算法。
新型的太阳能控制器是利用最大功率点跟踪技术制成的，相比于传统的太阳能控制器，前者可以实时跟踪光伏阵列的最大功率的输出，有效提高电池的使用效率。而后者不可以，太阳能电池利用率较低，能源有一定的浪费。因此，最大功率点的跟踪技术的研究具有一定的战略意义。
1.3 本课题的主要设计内容
课题的设计内容包括两部分，一部分是对太阳能控制器整体的设计与分析，另一部分是对太阳能最大功率点跟踪中的升降压模块进行研究和分析。
在太阳能控制器的设计中，对CN3722所采用的最大功率点跟踪方法进行分析，研究具有同样功能的美国半导体公司生产的SM3320芯片组。
升降压变换器的设计是以XL6009芯片为核心的，具体研究它的升降压原理及其特性。
最后将设计完成的实物进行实验，通过实验来分析它们的工作情况和体现的效果。
第二章 最大功率点跟踪控制的研究
2.1 最大功率点跟踪控制策略
最大功率点跟踪控制（maximum power point tracking, MPPT）策略可以时刻观测光伏电池阵列的输出功率，利用一定的控制算法和最大功率点跟踪所得到的数据，对下一个时间段的最大功率输出进行变化，通过改变阻抗的方法来实现最大功率点的输出。所以，即使光伏阵列的输出功率因为本身温度变化等原因对输出功率有一定的影响，系统仍然可以运行在最佳工作状态。
如图2.1所示，假定图中曲线1和曲线2为两种不同光照强度下光伏阵列输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。 当光照强度发生变化，光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2处，此时如果保持负载1不变，系统将运行在A’点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点[1]。为了使系统继续工作在最大功率点，需要通过改变负载特性，将负载1变化到负载2。 此刻，系统可以运行在新的最大功率点B处。同样，在光照强度发生变化，光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线1时，相应的工作点由点B变化到点B’处，此时，需要将负载2调整至负载1，使系统在光照强度减小的情况下运行在最大功率点A处[1]。
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