光伏系統(tǒng)功率優(yōu)化研究第4章光伏電池仿真模型建立及MPPT算法仿真在關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)設(shè)和研討中，全面了解太陽(yáng)能電池的輸入和輸出特性將有助于提高工作效率并節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。該算法的后續(xù)理論研究將有助于驗(yàn)證光伏電池仿真模型，從而使研發(fā)工作更加有效。4.1太陽(yáng)能電池工作原理在1839年，由法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。貝克勒爾第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了在半導(dǎo)體的兩個(gè)部位中會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。在此之后科學(xué)家們研究了許多別的材料，他們發(fā)現(xiàn)所研究的材料中都能產(chǎn)生光電效應(yīng)，像硒，硅，氧化銅之類的半導(dǎo)體材料。大致的原理是光照在光伏電池上之后其內(nèi)部的電子由于移動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)部電壓，然后形成電流。光伏效應(yīng)的本質(zhì)就是利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)成為光伏電壓，可以為負(fù)載供電。如圖所示。圖10光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為PN結(jié)的電壓如上圖，最初的光電電池面向太陽(yáng)的是PN結(jié)的P面。可是范艾倫輻射區(qū)，這種結(jié)構(gòu)的光電元件可以很快達(dá)到由于輻射的影響而降低的狀態(tài)，為提高光電元件對(duì)其結(jié)構(gòu)輻照的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)用于對(duì)n層電極的太陽(yáng)照射。光電元件表面覆蓋低反射系數(shù)的保護(hù)膜，從而將反射損耗降低到5%以下。光電產(chǎn)業(yè)的需求越來(lái)越大，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用也越來(lái)越廣。由此也帶動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，各種先進(jìn)的新型材料也應(yīng)運(yùn)而生。也讓相應(yīng)的電池板的價(jià)格逐步下降。這樣光伏發(fā)電的總成本也隨之下降。為日后大面積推廣光電技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)和創(chuàng)造了優(yōu)良的先行條件。4.2光伏電池仿真模型建立首先采用工程近似法建立光伏電池等效電路的工程數(shù)學(xué)模型，然后用MATLAB仿真工具箱進(jìn)行仿真。4.2.1太陽(yáng)能電池等效電路只能第一步做出光伏電池的數(shù)學(xué)模型。并在其基礎(chǔ)上能得出光伏電池的每一個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化并找出其規(guī)律。這樣能詳盡地對(duì)光伏電池的內(nèi)部特性進(jìn)行探究，可以更好的和光伏控制系統(tǒng)配合。圖11能電池等效電路如上圖所示。太陽(yáng)能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致可以分為光伏電池，二極管和內(nèi)部的串并聯(lián)電阻。電池表面的油污和內(nèi)部半導(dǎo)體邊緣泄露產(chǎn)生了并聯(lián)電阻Rs?，電池的材料自身體電阻，金屬兩端的電極和電池片與其他片之間接觸電阻構(gòu)成了Rs。太陽(yáng)能電池組的RS低分析圖22太陽(yáng)能電池等效電路，可知I=公式(4.1)可變化為:I=I太陽(yáng)能電池?cái)?shù)學(xué)模型公式為式(4.2),式子(4.1)和式(4.2)中所有參數(shù)所代表含義如下表I太陽(yáng)能電池輸出電流,單位為AI內(nèi)部光空電流，單位為AIshPN結(jié)漏電流，單位為A；Id內(nèi)部PN結(jié)正向電流，單位為AU輸出電壓，單位為VIo反向飽和電流，單位為Aq電子電荷，約為1.602×10?19CA二極管品質(zhì)因子K波爾茲曼常數(shù)，約為1.381×10?23J/KT開(kāi)式溫度，單位為KRs等效串聯(lián)電阻，單位為QRsh等效并聯(lián)電阻，單位為Q4.2.2工程用光伏電池等效模型在本文前一部分中，分析了光伏電池的數(shù)學(xué)模型并獲得方程，如方程（4.2）。但方程中參數(shù)A，Rs和Rsh都是其內(nèi)部等效參數(shù)。參數(shù)大小不光由電池本身性質(zhì)，例如開(kāi)路電壓，短路電流，最大功率點(diǎn)電壓，最大功率點(diǎn)電流和外部環(huán)境例如，光強(qiáng)和溫度是相關(guān)，因此根據(jù)光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，很難對(duì)其進(jìn)行仿真和建模。為了方便仿真和方便于建模將等式（4.2）近似如下：第一，通常來(lái)說(shuō)光伏電池的Rs?都是幾千歐。由于分母很大（U+Rsl）/Rs?很小，能忽略。第二，Rs比二極管正向電阻還要小很多，所以Ip?^Isco在標(biāo)準(zhǔn)條件下與制造商組合（S=1000W/I=Isc在最大功率點(diǎn)處有：Im=(4.5)在一般情況下有expUm(4.5)C1在開(kāi)路狀態(tài)下有I=0時(shí)，U=Uoc,0=Isc{1?1?同樣exp1C2?1C2將光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為上述模型后，我們只需獲取制造商提供四個(gè)參數(shù)Uoc，Isc，U,和Im，即可計(jì)算出參數(shù)C1和C2，并將其值可以將C1從前述可以看出，光伏電池IU輸出特性曲線與外部環(huán)境光強(qiáng)度（S）和溫度（T）有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，光強(qiáng)S的范圍；0W/m2?1000W/m2，同時(shí)溫度范圍是10℃?70℃。標(biāo)準(zhǔn)情況下，S=1000W/m2且設(shè)T為在任何光照強(qiáng)度S和任何環(huán)境溫度Tair下電池溫度，然后T=T一般情況下，K=0.03(℃?m在標(biāo)準(zhǔn)情況下，與坐標(biāo)U，I關(guān)系如下：dT=T?TrefdI=αSdU=?βdT?RsI=I+dI (4.12)U'=U?dU其中，a是參考光強(qiáng)度下當(dāng)前溫度系數(shù)A/℃;β是參考光強(qiáng)度下電壓溫度系數(shù)，V/℃;Tnf是標(biāo)準(zhǔn)電池溫度；S根據(jù)本節(jié)中公式（4.3）,(4.5）,(4.7）和（4.9）,(4.13），可以建立工程光伏電池等效仿真模型。4.4本章總結(jié)本章首先對(duì)光伏電池進(jìn)行仿真，然后在光伏電池仿真模型基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)攝動(dòng)觀測(cè)方法和改進(jìn)攝動(dòng)觀測(cè)方法進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析，以驗(yàn)證所提出方法。改進(jìn)攝動(dòng)觀測(cè)方法優(yōu)于傳統(tǒng)攝動(dòng)觀測(cè)方法，解決傳統(tǒng)攝動(dòng)觀測(cè)方法難以選擇攝動(dòng)步長(zhǎng)問(wèn)題。第5章功率優(yōu)化器總體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析5.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)這次的設(shè)計(jì)，即MPPT系統(tǒng)，主要構(gòu)成有兩個(gè)。第一是電源電路。主要是向直流負(fù)載端供電。先是進(jìn)行“直流-直流”的轉(zhuǎn)換來(lái)變換光伏電池的輸出電壓，后用控制電路來(lái)使直流電路功率開(kāi)關(guān)的占空比實(shí)現(xiàn)光伏電池動(dòng)態(tài)阻抗匹配。而光伏電池和負(fù)載以及“直流-直流”轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成了功率電路部分第二就是控制電路部分。也就是控制電路模塊。主要是采集光伏電池輸出的電壓電流，再用合適的MPPT算法輸出占空比可變的PWM波到DC-DC電路，通過(guò)該電路的功率開(kāi)關(guān)器件讓DC-DC電路匹配光伏電池的阻抗實(shí)現(xiàn)最大功率的追蹤又因?yàn)楣β孰娐泛涂刂齐娐贩謩e屬于強(qiáng)電和弱點(diǎn)，所以再兩個(gè)電路的連接部分嘗試使用光耦隔離，保護(hù)控制電路免受功率電路的干擾甚至破壞本文的光伏電池的MPPT控制系統(tǒng)大體上的框圖如下圖。圖12PT控制系統(tǒng)總體框圖如上圖。光伏電池，DC負(fù)載，采樣電路，驅(qū)動(dòng)電路和FPGA主控制電路大致組成了整個(gè)系統(tǒng)。光伏電池參數(shù)如下表：開(kāi)路電壓Uoc18.0V短路電流Isc4.0A最大功率點(diǎn)電壓Um14.0V最大功率點(diǎn)電流Im3.6A最大輸出功率Pm50.0W芯片中的算法電路來(lái)處理采集到的光伏電池輸出電壓和電流信號(hào)Upv，Ipv。處理電壓電流信號(hào)之后會(huì)輸出適當(dāng)占空比PWM波對(duì)Boost電路中的MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)達(dá)到動(dòng)態(tài)阻抗匹配以及跟蹤最大功率點(diǎn)。在本研究中，我們使用模擬器來(lái)模擬光伏電池的輸出。MPPT系統(tǒng)將輸出信號(hào)跟蹤到最大功率點(diǎn)，然后與PC機(jī)通信，最后在PC機(jī)上顯示工作點(diǎn)和最大功率點(diǎn)的相對(duì)位置。5.2MPPT控制電路設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果分析5.2.1FPGA概述因?yàn)锳SIC的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，靈活性差以及對(duì)修訂版進(jìn)行大量投資等諸多不利因素，我們想要一種更靈活的設(shè)計(jì)。使其不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室里面就能進(jìn)行，并且可以對(duì)某些專門(mén)的用途制作出特殊的ASIC來(lái)及時(shí)運(yùn)用到生產(chǎn)當(dāng)中。某一些FPGA當(dāng)中包含了CPU或DSP，這樣只用一塊芯片就能同時(shí)完成協(xié)同軟件和硬件共同設(shè)計(jì)。FPGA是一種數(shù)字集成電路，它可以通過(guò)軟件來(lái)改變和配置器件中的邏輯單元和連接結(jié)構(gòu)，完成整組設(shè)計(jì)功能。由于FPGA容量和功能的不斷擴(kuò)展，F(xiàn)PGA在系統(tǒng)中的作用也在逐漸改變。系統(tǒng)中的連接邏輯器件已逐漸發(fā)展成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心器件。近年來(lái)，可編程邏輯器件廠商紛紛推出低成本的FPGA系列產(chǎn)品搶占市場(chǎng)。在機(jī)遇和競(jìng)爭(zhēng)中，F(xiàn)PGA比ASIC更快、更安全、更能適應(yīng)市場(chǎng)的變化。由于FPGA器件的上述優(yōu)點(diǎn)，基于FPGA的可編程邏輯成為近年來(lái)迅速發(fā)展的產(chǎn)品?；贔PGA的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)將成為FPGA的一個(gè)重要發(fā)展方向。5.2.2基于FPGAMPPT控制電路設(shè)計(jì)5.2.2.1基于FPGAMPPT控制電路整體框架設(shè)計(jì)MPPT控制電路模塊主要是信號(hào)采集，MPPT算法實(shí)現(xiàn)和PWM波輸出三個(gè)功能。組成模塊是兩路A/D接口模塊、功率計(jì)算模塊、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊等模塊組成。圖13MPPT控制電路的總體框圖上圖的兩個(gè)A/D接口用于接收數(shù)字電流和電壓信號(hào)，該信號(hào)是A/D芯片采集的。功率計(jì)算模塊根據(jù)該信號(hào)計(jì)算功率值。根據(jù)前文提出一種參考電壓產(chǎn)生模塊。改進(jìn)后的觀測(cè)方法能連續(xù)確定和調(diào)整輸出基準(zhǔn)電壓。三角波產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)來(lái)與參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較。PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊用于比較參考電壓信號(hào)和三角波信號(hào)，從而產(chǎn)生占空比隨參考電壓值變化的PWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)。該電路通過(guò)驅(qū)動(dòng)升壓電路的電源開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓。5.2.2.2A/D接口設(shè)計(jì)圖14AD采樣芯片時(shí)序圖ADS7812PB芯片擁有十二位的串行輸出，并且可以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。這次設(shè)計(jì)選擇其來(lái)采集MPPT控制電路電流電壓信號(hào)。采集的電壓合適范圍是-10V-10V，采樣精度誤差為±2.44mV。上圖是此芯片的時(shí)序圖。DATACLK信號(hào)主要的作用是串行數(shù)據(jù)輸出同步時(shí)鐘。即是AD芯片輸出伴隨時(shí)鐘信號(hào)。從上圖能夠得出結(jié)論，當(dāng)DATACLK信號(hào)電平高時(shí)，串行數(shù)據(jù)一直不變的輸出低電平時(shí)串行數(shù)據(jù)變化，所以能夠在DATACLK高電平期間采樣串行數(shù)據(jù)信號(hào)；nBUSY是芯片忙信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換的過(guò)程中一直恒定是低電平。nCONV信號(hào)是作為起始信號(hào)。當(dāng)其信號(hào)是低電平輸出的時(shí)侯，AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。這一章用的兩個(gè)狀態(tài)機(jī)完成AD接口模塊。主狀態(tài)機(jī)再對(duì)AD芯片轉(zhuǎn)換狀態(tài)進(jìn)行管控，而從狀態(tài)機(jī)控制12位串行數(shù)據(jù)接收。設(shè)計(jì)的AD接口模塊內(nèi)部視圖如下圖。圖15AD接口模塊頂層視圖如上圖所示，CLK表示的是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。RSTn是低電平復(fù)位信號(hào)；Startsig和Donesig信號(hào)是與其他模塊握手連接信號(hào)。該模塊將接收到12位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送到其他模塊進(jìn)行相應(yīng)處理。圖16AD接口模塊仿真圖設(shè)計(jì)代碼功能和時(shí)序仿真可以在Modelsim環(huán)境中執(zhí)行，分為預(yù)仿真和后仿真。為模擬設(shè)計(jì)AD接口模塊，在AD采樣期間，DATA接收到數(shù)據(jù)（前高位在后，低位在后）與DATA_out總線輸出數(shù)據(jù)一致，表明設(shè)計(jì)AD接口模塊正常工作。5.2.3MPPT控制電路整體仿真至此，大體上就完成了MPPT控制電路的設(shè)計(jì)，下圖是MPPT控制電路RTL級(jí)視圖。圖17MPPT控制系統(tǒng)RTL級(jí)視圖圖47為MPPT控制系統(tǒng)在Modelsim環(huán)境下時(shí)序（后）仿真圖。圖18MPPT控制系統(tǒng)后仿真圖圖47顯示后仿真圖，該仿真圖使用ModelSim仿真環(huán)境通過(guò)創(chuàng)建兩個(gè)虛擬A/D將電流和電壓數(shù)字信號(hào)輸入到MPPT電路。在圖中，nCONV信號(hào)是兩個(gè)A/D芯片起始信號(hào)?？刂艱C/DC電源開(kāi)關(guān)設(shè)備PWM信號(hào)是Dout信號(hào)，Doutl信號(hào)是Dout信號(hào)反相信號(hào)，Pmax是兩次比較最大功率值。從圖中可以看出，隨著虛擬AD輸入電流和電壓數(shù)字信號(hào)變化，PWM波占空比也隨之變化。5.3最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)是AlteraCycloneII系列中的EP2C8Q208CN芯片，再加上采樣電路，AD轉(zhuǎn)換電路等等其他的外圍電路，共同構(gòu)成MPPT控制系統(tǒng)，如下圖。在與MPPT之間建立連接之后，MPPT控制系統(tǒng)處理后的信號(hào)再傳輸?shù)絇C端，經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)算與分析得出真實(shí)的輸出功率并且根據(jù)模擬器使用上位機(jī)繪制出光伏電池模擬圖形，并計(jì)算MPPT效率。如圖所示，實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)部含有一個(gè)模擬器來(lái)對(duì)光伏電池進(jìn)行模擬，還有一個(gè)示波器來(lái)顯示電池的輸出。電池工作點(diǎn)如上圖所標(biāo)。上圖顯示出其接近工作最大功率點(diǎn)，由此可見(jiàn)設(shè)計(jì)MPPT控制系統(tǒng)能夠精確跟蹤光伏電池模擬器的最大功率點(diǎn)5.4本章小結(jié)這一章節(jié)先簡(jiǎn)介了MPPT總體硬件設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)其總體框圖。其次又詳細(xì)介紹了對(duì)MPPT控制電路功能模塊的設(shè)計(jì)，和對(duì)所設(shè)計(jì)功能模塊代碼進(jìn)行仿真分析。最后結(jié)果說(shuō)明設(shè)計(jì)MPPT控制系統(tǒng)追蹤光伏電池最大功率點(diǎn)較為精確。第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)先對(duì)分布式電源優(yōu)化器光伏陣列研究其工作原理，且把它與傳統(tǒng)集中式MPPT光伏陣列進(jìn)行比較。能夠得出結(jié)論，即分布式電源優(yōu)化器陣列更適合集中在陰暗環(huán)境中?？梢缘贸鯩PPT體系結(jié)構(gòu)能夠?qū)Πl(fā)電的效率有顯著提高的結(jié)論。又盡可能詳盡地對(duì)功率優(yōu)化器中幾種能追蹤最大功率電壓點(diǎn)的算法進(jìn)行討論并且分析了各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并且在對(duì)傳統(tǒng)的方式的優(yōu)劣進(jìn)行探討之后提出一種改進(jìn)型的方法，即改進(jìn)型的擾動(dòng)觀察法。然后對(duì)光伏電池的內(nèi)部電路進(jìn)行等效。為了驗(yàn)證模型是否準(zhǔn)確，我們使用MATLAB對(duì)它建模。并且在其仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)方法和改進(jìn)擾動(dòng)觀測(cè)方法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，改進(jìn)擾動(dòng)觀測(cè)方法解決傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)方法存在問(wèn)題。難以選擇干擾步長(zhǎng)。最后，簡(jiǎn)介電源優(yōu)化器外部硬件結(jié)構(gòu)，把功率優(yōu)化器軟件部分劃成模塊。VerilogHDL語(yǔ)言用于在RTL級(jí)別對(duì)模塊的每個(gè)成分建模與仿真。在ALTERACycloneII系列EP2C8Q208CN芯片平臺(tái)上，使用太陽(yáng)能電池模擬器來(lái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)功率優(yōu)化器。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到的結(jié)論可以說(shuō)明設(shè)計(jì)功率優(yōu)化器能夠較好的完成追蹤最大功率點(diǎn)的任務(wù)。6.2展望本次研究是對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)的追蹤，用MPPT進(jìn)行。雖然來(lái)說(shuō)用MPPT操作簡(jiǎn)單，使用起來(lái)也比較方便，可是也有明顯不足的地方。但是如果用更智能的MPPT算法，比如改變步長(zhǎng)大小擾動(dòng)方法能更快速計(jì)算來(lái)提高效率，不過(guò)這樣做會(huì)需要更復(fù)雜的控制芯片還有內(nèi)部電路。這次在載波通信實(shí)驗(yàn)中，要連到外部總線設(shè)備和通用控制平臺(tái)。該部分的具體電路尚未詳細(xì)研究。以后可能需要再次分析這部分電路，來(lái)完成整個(gè)通信過(guò)程。

參考文獻(xiàn)張衛(wèi)平等.開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制.北京:中國(guó)電力出版社，2006,

01夏天豪等.太陽(yáng)能電池的原理、發(fā)展及測(cè)量及參數(shù):上海計(jì)量測(cè)試，

2011

年第二席珍強(qiáng)等太陽(yáng)能電池發(fā)展現(xiàn)狀及期望:新能源，2000

年12期.劉輝等.太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤技術(shù)研究。武漢:武漢