第一章 绪论
1.1 课题研究背景
环境污染、能源短缺是目前中国乃至全世界面临的主要问题。改善能源结构，提高能源利用率，大力开发利用清洁的可再生能源是解决问题的关键。至此人们将注意力由传统的化石能源转移到太阳能、水能、风能、生物质能、潮汐能等可再生能源。取之不尽用之不竭的太阳能具有无污染、分布广、建设周期短、安全无噪声等优点，作为公认的可替代能源得到了越来越广泛的应用，其中太阳能光伏发电成为主流。我国幅员辽阔，太阳能辐射资源十分丰富，总体分布呈现西部高于东部，北部高于南部的特点，太阳能发展潜力巨大。从长远来看，光伏发电将部分替代化石能源，成为重要的能源组成部分，并以分布式电源形态逐步进入电力市场；从近期来看，光伏发电又可以补充化石能源，满足边远无电地区居民的生活用电需求及解决特殊应用领域用电问题。此外，在能源战略和保护环境方面光伏发电都具有重要的意义。
美国、日本、德国是最早发展光伏发电的国家，全球光伏装机总量也在不断增加。中国是世界能源消费大国，改善能源结构、发展可再生能源尤为重要。紧跟世界步伐，中国逐步成为光伏产业发展最快的国家，图 1-1 为 2005-2015 年中国光伏新增装机容量示意图。至 2015 年我国光伏发电装机容量为 16.6MW 同比增长 29.69%，累计总装机容量 4318 万千瓦（43.18GW），居世界第一。预计到 2050 年，我国光伏发电装机容量将达 2000GW，年发电量占全国总发电量的 26%，达 2600TWh[1]。国家能源“十三五”规划起草控制煤炭消费、优化能源布局，光伏产业降补贴、降成本，提高全产业竞争力的方案，“十三五”时期实现产业升级将是光伏行业的一个重要使命。2015 年，大同 100 万千瓦的光伏领跑者示范基地的建设已经启动，同时已经在尝试建设更大规模的光伏示范基地。相信在不久的将来，光伏发电以其成熟的技术、清洁的来源在能源市场中将占有不可取代的地位[2]。
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1.2 光伏发电系统结构
光伏发电系统有并网发电系统、独立发电系统和分布式发电系统三种主要类型。不同发电系统结构和适用场合不同，但大体组成部分相同，主要有太阳能电池阵列、储能装置、功率变换器、控制器和负载等部分。其中：
（1）太阳能电池阵列，以光生伏特效应为原理，将太阳能转化成电能。（2）储能装置，当光伏系统除给负载供电外还有剩余时，储存能量；当光伏系统给负载供电不足时，储能装置放电补充不足能量。此外，还应当维持供电稳定性及保证供电质量。（3）功率变换器，通过 DC/AC 转换器和 DC/DC 转换器将电能转换为交、直流电供负载、控制及并网使用。（4）控制器，通过采集各部分电压电流值，利用电力电子器件及程序控制太阳能电池阵列输出电压电流（即最大功率点跟踪控制），控制 DC/AC 转换器和 DC/DC 转换器输出需要的交直流电压。（5）负载，即用电负荷，分交流负载和直流负载。
1.2.1 并网发电系统
并网发电系统是指光伏系统输出直流电后经过逆变器逆变成交流电输送给电网，由电网统一配送电给各用户使用，其中输送的交流电要符合国家并网要求。含有储能装置和不含储能装置是并网发电系统的两种形式。含有储能装置的并网发电系统由于含有备用电源可用于电网调度，根据需要并入或退出电网。并网发电系统通常用于居民建筑等小型光伏发电，成本低、规模小、建设快，因此得到国家政策的大力支持。图 1-3 所示为并网发电系统的结构框图。
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第二章 光伏发电充放电控制的基本原理
2.1 最大功率点跟踪控制
太阳能电池最大功率点跟踪的目的在于在有限条件下充分利用太阳能，使太阳能电池以最大能力输出功率。所以，要研究最大功率点跟踪（MPPT）控制方法就必须先了解太阳能电池的输出特性。
2.1.1 太阳能电池模型及输出特性
太阳能电池以“光生伏特效应”为基础，是一种将光能转换成电能的非线性元件。它的输出与光照强度、温度、外接负载大小以及电池面积等多种因素有关，可以等效为一个非恒定的直流电流源。
由上一小节可知，太阳能电池输出电压电流都会随着光照强度、温度和外接电路负载的变化而变化，直接影响输出功率的变化，是一种非恒定电源。但在外界自然环境一定的情况下，它的输出功率存在一个最大值。为了更加充分的利用资源，降低系统成本，提高系统效率，太阳能电池最大功率点跟踪（MPPT）控制这一概念应运而生。
由式 2-4 得，当O iR R时，负载得到最大功率。这里太阳能电池内阻iR 是一个随外界光照强度、温度等因素变化而变化的量，因此最大功率点跟踪（MPPT）的是一个动态的目标。只要我们把电池外电路负载值调整到合适的阻抗值，就可以得到相应条件下的最大功率输出。DC/DC 电路可以实现电压的变换，同时达到电阻值变换的效果，即我们可以通过改变 DC/DC 电路开关管的占空比达到改变外电路负载值变换的目的[5]。
2.1.3 最大功率点跟踪电路
最大功率点跟踪控制通常采用 BOOST 和 BUCK 电路，根据太阳能电池板的特性，通过控制电路中功率开关管 IGBT 的通断，可以改变太阳能电池外电路等效负载，间接控制太阳能电池阵列输出电压、电流，最终达到控制功率的目的。因此，只要找到输出最大功率时对应阻抗，就可以使太阳能电池工作在该时刻的最大功率点。在本实验中，鉴于负载关系和太阳能电池阵列输出电压小于直流母线侧电压值，选用 BOOST 升压电路，完成光伏系统中的 MPPT 控制，如图 2-4 所示。
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2.2 蓄电池组的充放电控制
在光伏发电系统中，整个系统的最原始能量来源于太阳能电池阵列，负载是能量的最终归属，而蓄电池作为储能装置只是暂存能量，这样系统就有图 2-8 几个能量流动模型。
模型（a）为太阳能电池同时给负载和蓄电池供电模型。在有光照并较充足时，太阳能电池阵列向负荷供电，但此时输出功率大于负载消耗的功率，所以直流母线电压会升高。为维持母线电压稳定，在直流母线电压 PI 调节器的作用下对蓄电池进行充电控制。这里，模型中的蓄电池也属于太阳能电池的负载。
模型（b）为太阳能电池和蓄电池共同给负载供电模型。在有光照，但太阳能光伏阵列的输出能量不够负荷使用，这时直流母线电压会降低，同样为保证稳定供电，保持母线电压稳定，需要蓄电池组放电向负载提供不足部分能量，通过电压 PI 调节器控制实现。所以，此模型中蓄电池和太阳能电池一样作为系统电源。
模型（c）为太阳能电池仅向蓄电池充电模型。在有日照但没有负载或者说负载不需要电能的情况下，太阳能电池阵列输出的功率只能向蓄电池组充电，以此来储存能量，稳定母线电压。以太阳能电池为电源，通过电压 PI 调节器控制给蓄电池充电，系统能量流向单一，为蓄电池充电模型。
模型（d）为仅蓄电池放电给负载供电模型。晚上没有日照的情况下，太阳能电池无法通过“光生伏特效应”输出能量，如果此时负载需要电能，就只能由蓄电池向负载供电。这样，由直流母线电压 PI 调节器控制双向变换器达到蓄电池放电目的，为蓄电池放电模型。
太阳能光伏发电系统通常将蓄电池作为储能装置，约占整个系统投资的 20%～25%，但又是系统中的薄弱环节。所以如何控制蓄电池的充放电，提高系统的可靠性及系统效率和延长蓄电池使用寿命是设计蓄电池充放电控制器要解决的问题[15]。通常选用阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）作为光伏发电系统中的储能蓄电池，其主要充电方法有常规充电法（包括恒流充电法、恒压充电法、阶段充电法[16] -[17]）、脉冲充电法[18] -[20]和智能充电法等方法，这些方法各有其优缺点，实际应用中通常根据需要选用适当的方法对蓄电池进行充电控制。大规模的光伏发电系统通常采用万能控制芯片和庞大的充放电管理系统，而小型系统主要采用阶段充电法。常规充电无法遵循蓄电池的固有充电曲线，不能根据工作环境的变化做出调整，一旦产生极化现象，对电池极板损害大，能源利用率低。智能充电效果最佳，但控制方法复杂，应用成本高[21]。对于中小型光伏系统中的蓄电池管理，应该有一套实用简单、成本合理的控制方法。
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第三章 光伏发电系统的 MATLAB 仿真................................. 27
3.1 最大功率点跟踪控制的 MATLAB 仿真及其结果....................... 27
3.1.1 太阳能电池的仿真建模.................................... 27
第四章 光伏发电系统的硬件设计.................................. 41
4.1 光伏发电系统硬件结构框图................................. 41
4.2 TMS320F2812DSP.......................................... 42
第五章 光伏系统的软件设计.................................... 53
5.1 程序设计思路........................................... 54
5.2 子程序设计........................................... 55
第六章 实验结果
前几章对光伏发电系统的各个部分做了详细介绍，从原理、仿真、硬件设计和软件设计等方面为实验平台的搭建与调试做好了准备。结合硬件电路与软件编程，针对将太阳能电池最大功率点跟踪（MPPT）控制与蓄电池充放电控制相结合的控制方法进行了实验，通过对电路设计的不断改进和程序编写的不断调试，得到实验结果。实验台控制电路如图 6-1 所示。
实验波形是通过数字信号处理器 TMS320F2812DSP 的 D/A 输出。实验使用的TMS320F2812DSP开发板中外扩了一个12位分辨率、4路输出±10V范围的DAC7724，利用 DAC 产生各种电压、电流、功率等需要的波形。
6.1 缓冲电路实验
由于硬件电路中用到了功率开关管 IGBT，且电压较高，就必须给电路中的 IGBT设计缓冲电路。从图 6-2 可以看出，没有加缓冲电路时，DSP 输出的 PWM 驱动脉冲毛刺很大，特别是在脉冲上升沿和下降沿中，即功率开关管 IGBT 开通与关断的瞬间。而且此时光伏发电系统的输出功率只有 400W，还没有达到最高功率 760W，如果功率为760W，不仅没办法正常运行，还会烧坏功率开关管 IGBT，甚至会威胁到 DSP 的安全。
图 6-3 的 PWM 波形是加上缓冲电路后的波形，毛刺明显要比图 6-2 的少。说明缓冲电路可以有效地降低电路中的过压、过流、和过大的du dt 、di dt，对保护 IGBT 和控制电路起到重要作用。
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总结与展望
随着能源短缺和环境污染的日益严重，太阳能作为清洁能源受到世界各国的重视，光伏发电技术也日趋成熟。光伏产业在国家的大力扶持下，一步一步走向正规，但其目前成本仍然偏高竞争力较弱，所以提高系统效率，降低系统成本是光伏发电系统需要继续发展与进步的方向。本文针对光伏系统中的储能环节做了详细的研究，将太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）与蓄电池三阶段充电法相结合实现对储能环节的控制，主要工作内容如下：
1、简单介绍了国内外光伏发电的背景、现状与发展趋势。分析了目前光伏发电系统的几种主要类型，针对小型光伏系统中的储能环节查阅了大量文献资料和书籍，对现有的几种储能装置也做了简单介绍，最后选用蓄电池作为本系统的储能装置。
2、对光伏发电系统的原理做了一些了解。对太阳能电池输出特性、升/降压电路原理进行了研究，为太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）控制打下基础。通过对比目前现有的几种 MPPT 控制方法的优缺点，最后将电导增量法做了变步长控制的改进作为本文所采用的最大功率点跟踪控制法。蓄电池是光伏系统中的薄弱环节，研究了蓄电池充放电特性与原理后，为保护蓄电池、减少析气、延长使用寿命、缩短充电时间，本论文采用了三阶段充电法作为蓄电池的充电控制方法。同时将太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）控制与蓄电池充放电控制方法相结合，提出控制策略。最后阐述了光伏系统中蓄电池容量的配置方法。
3、在 MATLAB/Simulink 中搭建了光伏发电系统的仿真模型，分别对太阳能电池最大功率点跟踪（MPPT）控制方法和蓄电池充放电控制方法做了相应的验证。在环境变化的条件下，太阳能电池可以以最大功率输出，通过储能装置的调节，直流母线电压在预设范围内波动保持稳定。只有在光照充足，但蓄电池无法接受剩余能量时，太阳能电池才会脱离最大功率点跟踪状态，进入恒功率输出状态。仿真结果与理论分析一致，控制方法可行。
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参考文献（略）
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参考文献（略）