第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
步入21世纪，科学技术已经进入新的水平。然而，在人类享受着科技给生活带来的方便的同时，地球的能源短缺问题和持续的环境恶化问题日益突出。人们不得不开始寻求解决办，其中一个重要的解决途径就是用可再生能源代替传统的煤、石油等化石燃料[1]。太阳能，作为一种绿色、新型、可再生的能源日渐进入人们的生活当中，近年来得到了极大的推广。世界各国研究的重点也都集中在了光伏产业上面，纷纷推出各自的计划。美国的加利福尼亚州曾提出过“百万屋顶规划”，欧盟也曾出台过可再生能源新计划，德国也有设置过太阳能上网补助计划[2-4]。在中国，新能源发展配额目标也写在了第十二个五年计划中。然而，反观另一方面，从能源消耗的结构出发可以很容易得出这样的结论：人类对自身更加方便、舒适的生活造成了极大的浪费。有数据显示，建筑能耗占全球总能耗的30%左右，这对能源工业乃至全球生产力都造成了极大的制约[5]。因此，我们对自己提出了这样的问题：能不能在保证自己舒适生活的前提下，找到可行的“节流”手段？建筑光伏，作为一种新兴的光伏形式，不但可以改善能源结构，而且可以减少建筑能耗，还从一定程度上降低发电成本，同时，它的存在也减少了长距离输电的电能损耗[5]。在美国、日本这些发达国家，光伏与建筑结合在一起早已不是新鲜事物，光伏设备与屋顶、幕墙的结合，是人类对建筑能耗思考的一大创举，也是一种艺术的体现[6,7]。建筑光伏发电形式作为一种新型发电模式，它的空间成本较低，输变电成本也较低，综合安装成本与其他发电技术相比较也能保持较低的水平。我国拟将此模式作为太阳能应用的重点发展方向，因此，这种模式的发展前景必将一片光明。
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1.2 建筑光伏系统概述
光伏发电模块与建筑物有机结合在一起，这种组成方式称之为建筑光伏(Building Mounted Photovoltaic)，简称BMPV。建筑光伏构成主要有平屋顶、斜屋顶、遮阳板、幕墙、天棚这五种形式[8]。（1）平屋顶。图 1.1 为平屋顶形式的建筑光伏结构和案例，平屋顶 BMPV具有以下优点：①这种安装可以使之以最佳角度出现，而最佳角度对应其可以达到它最大的发电量；②平屋顶形式的光伏建筑能采用标准光伏组件，因此可以展现他的最佳性能；③这种安装方式不影响建筑物的功能。（2）斜屋顶。图1.2为斜屋顶的结构与案例图示，南向斜屋顶BMPV具有以下几个有点：①它安装的角度能够基本达到最佳，从而使得光伏的发电量达到最高；②这种光伏设计方式可以采用标准光伏组件，从性能和成本方面来讲均具有良好表现；③这种安装方式不影响建筑物的功能；④平屋顶式构成形式具有最低的发电成本，也属于光伏系统优选的安装方案之一。（3）遮阳板。结构与案例如图1.3，遮阳板光伏形式分为跟踪和不跟踪两种，无论哪种形式均可以采用标准组件或者特制组件，有着与斜屋顶形似的经济性。
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第二章 建筑光伏系统结构及前级变换器研究
光伏发电系统经过了长时间的修改和演变，都具有自己独特的形式，从一般意义上而言，独立式和并网式为光伏发电系统的两种主要形式。在光伏系统中，光伏电池、控制系统和电能变换器三个组份为最基本、最重要的部分，因此，这三个组分也出现在独立式和并网式这两种形式中。我国具有人口众多、分布密集的特点，在一般的建筑光伏系统中，并网式光伏系统最为常见，是大多数建筑光伏系统的选择。基于这个原因，本文结合理论研究，更着重实际应用，对并网式建筑光伏发电系统进行了详细的研究和结构的分析。在本章的内容中，对建筑光伏系统的不同能量变换拓扑结构进行了比对和评价，在此基础上确定本文选取的建筑光伏系统拓扑结构为并联直流模块式。除此之外，文章也讨论了直流模块式结构对前级变换器的要求，重点研究分析了几种常见的变换器拓扑结构及对箝位电路，为了解决软开关和开关损耗较大的问题，文章提出了一种低边有源箝位反激变换器。同时，也描述了它的基本工作原理和软开关的实现。
2.1 建筑光伏系统能量变换结构研究
建筑光伏系统的能量变换结构是由光伏组件和电能变换装置构成，其主要任务是将不能直接使用的太阳能转化为电能，产生的电能可以御用建筑物使用也可以参与并网。在本节中，分析介绍了几种常用的能量变换结构，然后对模块式和集中式两种结构进行了详细的比对和分析，同时能量损失和效率方面也进行了一定的评价。综合评价的结果，最终确定在建筑光伏系统中使用并联直流模块式结构，同时也着重剖析了这个结构的优越性。传统的集中式系统结构是应用非常广泛的能量变换结构。结构图如图 2.1所示。从图中可以看出，集中式系统结构先将若干数量的光伏组件串联到一起，达到所需要的电压等级，满足逆变电压的要求，然后再将串联到一起的光伏组件进行并联，达到所需要的容量等级，再将这些并联的光伏组件接入变换器，完成最大功率点的跟踪控制和电压提升，最后接逆变器，将直流电转换为供交流负载或者电网使用的交流电[19]。有的集中式系统结构省去了直流变换器的环节，因此这种结构对电压等级的要求较高，而且最大功率点的跟踪控制也需要由逆变器来实现。
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2.2 DC/DC 变换器拓扑结构比较分析
并联直流模块中前级变换器的研究至关重要，它在完成升压的同时还需实现最大功率跟踪，因此它是本文研究的重点。本节首先分析直流模块式系统结构对直流变换器的要求，然后通过对几种常见的变换器拓扑结构及箝位电路进行研究分析，最后采用低边有源箝位反激变换器。本文所研究的光伏组件最大功率时电压为 37.2V，最大功率为 180W。光伏组件最大功率时电压一般在 20~50V 之间，最大功率一般在 100~300W 之间，直流母线电压一般为 400V，为了达到直流母线电压的等级，减小系统能量损失，提高能量转换率，必须要为建筑光伏系统直流模块选择一种高增益、高效率的 DC/DC 变换器。因此，适应于建筑光伏系统直流模块的 DC/DC 变换器必须满足以下要求：
（1）应有较高的转换效率。建筑光伏系统的整体效率需要得到保障，因此，变换器的转换效率必须达到需要的程度，转换效率的提高能带来巨大的经济价值。
（2）要求高电压增益。变换器应具有从几十伏到几百伏的高升压比，而且考虑到安全性，应采用隔离型变换器。
（3）电压或电流纹波应尽量小。变换器的利用效率很容易受到电压或电流纹波的影响，因此维持二者较低的水平非常有必要。
（4）变换器体积应尽量小。较小的体积有利于光伏组件与其集成直流模块，因此电路中应包含较少的器件。
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第三章 建筑光伏系统最大功率跟踪技术的研究....23
3.1 光伏电池及其特性.......... 23
3.2 最大功率跟踪控制概述...........31
3.3 适用于建筑光伏系统的新型变步长组合法.......36
3.3.1 新型变步长组合法的工作原理..........36
3.3.2 新型变步长组合法的流程图......38
3.3.3 新型变步长组合法的优点.........39
3.4 本章小结....40
第四章 直流模块的硬件设计与软件实现.........41
4.1 直流模块硬件电路设计..........41
4.2 控制系统软件实现....47
4.2.1 主程序流程图的设计..........47
4.2.2 中断子程序流程图的设计.........47
4.3 本章小结....48
第五章 仿真与结果分析........49
5.1 直流变换器的仿真及仿真波形分析....49
5.1.1 主电路的仿真.......49
5.1.2 仿真波形分析.......50
5.2 控制算法的仿真分析.......51
5.3 本章小结....54
第五章 仿真与结果分析
本章首先用 Matlab/simulink 仿真软件对前面研究的直流变换器的主电路进行仿真，接着对其波形进行分析。然后对控制算法进行仿真建模，仿真几种传统的算法以及本文采用的新型变步长组合法，并对其跟踪速度和跟踪效果进行比较分析。
5.1 直流变换器的仿真及仿真波形分析
恒定电压法的 Vpv-t 曲线及 P-t 曲线如图 5.4 所示。由图可知，光伏电池的最大输出功率约为 180W，输出电压大约维持在 37V，符合光伏电池的特性。该算法达到最大功率点的速度较快，比较稳定。扰动观察法的 Vpv-t 曲线及 P-t 曲线如图 5.5 所示。由图可知，扰动观察法的跟踪效果要比恒定电压法更精确，但是跟踪速度比恒定电压法慢。本文所采用的新型变步长组合法的 Vpv-t 曲线及 P-t 曲线如图 5.7 所示。该算法是将恒定电压法与变步长扰动观察法相结合，既具备恒定电压法跟踪速度快、稳定的优点，又具备变步长扰动观察法结构简单、成本低、变步长跟踪的优点。
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总结
本文选取建筑光伏这一热点课题，针对建筑光伏系统的特殊性，从能量变换结构、前级变换器拓扑结构以及最大功率点跟踪等方面进行研究，通过仿真分析验证了方案的可行性，本文的主要工作总结如下：
（1）采用了直流模块式作为建筑光伏系统的能量拓扑结构。分析比较了传统的能量变换拓扑结构的优缺点，针对建筑光伏的特殊性，采用了直流模块式，每个光伏组件都集成一个变换器，能够减少光伏组件之间的失配现象，提高光伏组件的转换效率。
（2）确定了直流变换器的电路拓扑结构。先从结构上对各类 DC/DC 变换拓扑进行比较；根据 BMPV 系统对 DC/DC 变换器的要求，提出一种基于软开关技术的低边有源箝位反激电路作为直流变换器的主电路拓扑，详细介绍这种拓扑结构的换流过程和软开关实现条件。这种拓扑结构提高了变换器的转换效率、开关管的工作频率，减小了变换器的体积，降低了成本。
（3）提出新型变步长组合法作为直流模块的控制算法。先构建光伏电池数学模型，对其输出特性进行仿真分析，对几种常用的 MPPT 控制算法进行优缺点分析，并根据直流模块式 BMPV 系统的特点，在恒定电压法与扰动观察法的基础上提出新型变步长组合法作为建筑光伏系统的 MPPT 控制算法，并研究了该算法的实现流程图。该算法既能解决跟踪步长选择和局部最大功率点的问题，又能提高跟踪速度及跟踪精度。
（4）设计了变换器的硬件及软件。先对主电路中的的各元件参数进行详细计算，对辅助电路中的采样电路、驱动电路以及辅助电源进行设计。然后对控制芯片进行简单介绍，对主程序和 MPPT 中断子程序的软件流程图进行设计。
（5）仿真分析。在 Matlab 环境下对变换器以及最大功率跟踪算法进行仿真，并对仿真结果进行分析。
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参考文献(略)