第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及研究目的与意义
随着温室效应加剧，以及煤、石油等常规能源日益紧缺，发展绿色能源成为我国向低碳化社会转化的重大课题。太阳能作为一种可再生、清洁能源，正在成为人们研究与发展绿色能源的焦点。太阳能发电作为利用太阳能的一种重要手段，正在受到越来越多人的关注[1-2]。光伏发电由于发电过程无污染、取之不尽用之不竭、系统维护容易、分布广泛等优点，在整个发电系统所占的比重越来越大，正在成为世界能源的重要组成部分。但是由于目前技术所限，光伏发电还存在许多缺点，比如光伏发电系统能量密度低占地面积大、光伏电池造价高转换效率低等，这些缺点导致光伏系统的发电成本较高，与传统的化石能源相比还缺乏竞争力[3-5]。因此如何降低发电成本，高效的利用太阳能是光伏发电主要面临的问题。太阳光伏电池技术和光伏变换控制技术是光伏发电中两大支撑技术。光伏电池技术主要通过对材料与生产工艺的研究改善电池的光电转换效率，目前市场上大部分光伏电池的转换效率在 17%左右[6]，转化效率较低。光伏变换控制技术是将光伏电池发出的电能转换为实际可利用能源的电能变换技术。最大功率跟踪技术[7](Maximum Power Point Tracking method，MPPT)是其关键技术之一。MPPT 技术是光伏发电中的一个通用综合技术，涉及光伏阵列建模、优化设计、电力电子技术及现代控制技术等。MPPT 技术通过控制算法实现，不需要付出很高的硬件成本，因此其对提高系统效率降低发电成本具有很好的作用。提高最大功率跟踪技术的效率对于光伏发电的实际应用具有重要的理论意义与实际应用价值。
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1.2 光伏系统最大功率跟踪技术研究现状
目前，光伏电池的光电转换效率还处于较低的水平，最大功率跟踪可以使光伏电池在同等条件下输出更多的能量，对光伏系统的效率以及发电成本的控制具有显著的意义。光伏电池具有很强的非线性特征，在恒定的光照和温度下，光伏电池的输出特性如图 1-2 所示，光伏电池工作在在 M 点左边时表现为电流源特性，工作在M 点右边表现为电压源特性[9]。这种特性使得光伏电池的输出功率与电压呈现一条单峰曲线的关系，如图 1-3 所示，在 M 点时输出功率最大。光伏电池通过变换器为负载或者电网提供能量，如图 1-4 所示，变换器完成了光伏电池与负载之间能量传递过程。在能量传递过程中，将光伏电池看作是光伏系统的“源”，将变换器与负载看作是系统的“载”，改变变换器的工作状态可以使系统的“载”发生变化，“源”的输出状态也会跟着发生变化，通过对“源”输出状态的判断再改变“载”的状态，使系统逐步向最大功率点靠拢[10]。最大功率跟踪的实现方法多种多样，设计光伏系统时具体采用哪种算法需要根据控制要求和成本综合决定。根据 MPPT 算法的实现方式和具体实现机理，可以将MPPT 算法分为以下三类：基于标准数据的 MPPT 控制算法、基于采样数据的 MPPT直接控制方法、基于智能控制的 MPPT 方法。
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第 2 章 扰动观察法的优化设计
2.1 光伏电池的建模与仿真
在光照条件下，光伏电池能够直接将光能转化为电能，它的工作原理是基于半导体 PN 结在接受光照时的光生伏打效应。光生伏打效应是指 PN 结附近的原子受到光子的冲击会产生许多电子和空穴，而这些电子和空穴会在 PN 结电场作用下做漂移运动，形成了光生电场。当光伏电池外接负载时就会有产生直流电流[31-32]。由于单片光伏电池的输出电压和输出电流较低，在实际使用时为了得到更大的功率通常将一定规模的光伏电池串并联实用。常用的光伏电池等效电路如下图所示。从光伏电池的伏安特性曲线中可知光伏电池既非恒流源又非恒压源，是一种典型的非线性直流源。从电压功率输出特性曲线中可知光伏电池具有唯一的最大功率点，功率具有单峰特性，最大功率跟踪算法研究的内容就是通过改变光伏电池的工作状态使其工作在最大功率点处，因此分析光伏电池的输出特性模型具有重要的意义。但是式(2-4)中的参数与光伏电池自身特性和外界环境因素相关，光伏电池厂家很难提供相应的参数。
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2.2 扰动观察法的优化设计
扰动观察法(P&O）由于其控制原理简单，硬件实现容易在实际中得到了广泛的应用。扰动观察法可分为占空比扰动法[39-40]和电压扰动法[41-42]，电压扰动法扰动的是光伏电池的输出电压，占空比扰动法扰动的是变换器的占空比。它们都存在两个明显的缺点，首先稳态时工作点在最大功率点左右振荡，造成部分功率损失；其次在快速变化的光照条件下跟踪算法可能发生误判，使工作点偏离最大功率点处。下面以占空比扰动法为例，分析扰动观察法中参数选择的依据。在使用占空比扰动法时，需要选取两个重要的参数，即扰动步长 Δd 和扰动时间间隔 Ta。选择较小的扰动步长 Δd 能够减小稳态时系统在 MPP 点处振荡引起的功率损失，但是在光照变化时系统的跟踪速度会变慢，阴天时整个系统的效率较低。另外为了使 MPPT 算法更稳定以及减少稳态时系统的振荡次数需要选取较大的扰动时间间隔 Ta，实际中如果扰动时间间隔选择太小，系统会在上一次扰动到达稳态前进行下一次扰动，系统可能会因为扰动间的暂态响应而出现较大幅度的振荡。每次扰动后系统的响应过程与变换器的动态模型相关，因此如何选取扰动时间间隔需要对系统变换器的动态响应过程进行分析，将在 2.2.1 中进行讨论。扰动步长的优化选择将在 2.2.2 中进行分析。
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第 3 章 等效阻抗匹配法的原理与优化设计.......23
3.1 等效阻抗匹配法的原理..........23
3.2 基于 EIM 算法的单闭环控制系统设计.......24
3.3 基于 EIM 算法的双闭环控制系统设计.......28
3.4 等效阻抗匹配法的仿真分析 ........35
3.5 本章小结 .....39
第 4 章 MPPT 系统的软硬件设计..........40
4.1 变换器主电路设计....40
4.2 控制电路设计.....43
4.2.1 采样电路设计 .....43
4.2.2 驱动电路设计 .....44
4.3 辅助电源设计 ....44
4.4 系统软件设计.....45
4.5 本章小结......47
第 5 章 系统实验分析........48
5.1 实验结果分析.....48
5.2 实验比较分析.....53
5.3 本章小结......54
第 5 章 系统实验分析
在完成了系统的理论分析后，本章主要对前几章的内容进行实验验证，分析文中理论设计的可行性。第三章中提出了双环控制的 EIM 系统，在该系统中引入了电压环，电压环控制变换器输入电压的稳定，本章首先对电压环设计的可行性进行实验验证，并比较分别采用 PI 与 PID 调节器设计时的性能；其次，对第二章中提出的扰动观察法的优化设计方法进行验证，分别采用占空比扰动法与电压扰动法进行实验；最后，对双环控制的 EIM 算法进行验证，将其与扰动观察法对比分析其跟踪性能的好坏。本设计中电压环控制的是变换器输入电压，即光伏电池输出电压。如果在电压环作用下能够保证光伏电池输出电压快速的跟踪给定值，则系统在跟踪最大功率时就能得到更好的动态和稳态性能。本文根据第三章第三节中电压环的设计方法，分别设计了 PI 和 PID 调节器对系统进行实验。设电压给定 Vref为 100V。系统的实验波形如下图所示。
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结 论
本文对常用的扰动观察法进行了优化设计，为扰动步长与扰动时间间隔的选择提供了理论依据。对等效阻抗匹配法进行了深入的研究，提出了双环控制的 EIM 算法，建立了占空比到变换器输入电压的传递函数，求出了系统的阻抗模型，并根据相应模型设计了电压环与阻抗环的调节器。根据理论分析搭建了系统实验平台，对系统进行实验与仿真得出以下结论：
(1) 通过对电压环的仿真和实验可知，光伏电池的输出电压能够很好的跟踪给定电压，验证了占空比到变换器输入电压的传递函数的正确性。电压环的引入在使光伏电池输出电压稳态特性得到提高的同时，减小了变换器参数对最大功率跟踪算法的影响，提高了整个系统的鲁棒性。
(2) 同属于扰动观察法的电压扰动法比占空比扰动法有跟好的跟踪特性，同一变化器参数下，电压扰动法可以选择更小的扰动时间间隔，并且由于电压环的引入其也可以选择较小的扰动步长，因此电压扰动法与占空比扰动法相比可以获得更快的跟踪速度和更好的稳态特性。
(3) 根据实验结果可知，本文提出的双环 EIM 控制方法与电压扰动法相比，在动态与稳态特性上都有了较大的提高，其跟踪速度快，最大功率点处几乎无波动，系统效率得到了很大的提高。并且该算法的抗干扰能力较好，系统发生负载突变时能够快速的回到最大功率点处。
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参考文献（略）