论文总字数：15510字

摘 要

论述了课题研究背景、光伏产业未来的发展趋向、以及国内外有关光伏产业最新的研讨动态。介绍了太阳能电池、铅酸蓄电池、太阳能光伏系统充电控制器的基础知识。详细介绍了最大功率点的意义和原理。

介绍了铅酸蓄电池的分类还有铅酸蓄电池的充放电工作原理。

详细介绍了太阳能光伏充电控制器的组成、基本功能、技术要求和充电技术，包括恒流充电、恒压充电、两级和三级充电等传统充电方式和快速充电技术以及新一代智能充电技术。

分析几种MPPT跟踪方法各自的优缺点。并基于变步长的扰动观察法的算法逻辑设计了对应的程序，在模拟光照的条件下，改进的算法可以使跟踪时间缩短效率提高。

关键词：最大功率点跟踪，光伏发电，MPPT，铅酸蓄电池，光伏电池

Abstract

The research background of the project and the research and development trends of photovoltaic industry at home and abroad are described. The basic knowledge of solar cells and batteries is described. The paper reviews solar photovoltaic power generation and control technology and the operation of the controller at the maximum power point.

The classification of lead-acid batteries and the principle of charge-discharge operation of lead-acid batteries are introduced.

The composition, basic functions, technical requirements, and charging technologies of the solar photovoltaic charge controller are introduced in detail, including conventional charging methods such as constant current charging, constant voltage charging, two-level and three-level charging, and rapid charging technology and a new generation of intelligent charging technology.

The principle of MPPT maximum power tracking is discussed in detail, and the advantages and disadvantages of fixed voltage method, disturbance observation method and incremental conductance method are analyzed. The corresponding program is designed based on the business logic of the disturbance observation method. To test the working mechanism of the solar controller under load changes and changes in light intensity; and to study the controller's influence on solar energy utilization.

Key words: lead-acid battery; Charge and discharge protection; Mppt; Disturbance observation method; Solar energy controller

摘 要 2

1 绪论 1

1.1课题的提出与意义 1

1.2光伏产业发展及应用现状 1

1.3本文主要研究内容 2

2光伏照明系统基础知识 5

2.1太阳能光伏电池 5

2.1.1太阳能光伏电池工作原理 5

2.1.2硅型光伏电池的电特性 6

2.2铅酸蓄电池 8

2.2.1 蓄电池的分类 8

2.2.2 蓄电池的工作原理 8

2.2.3密封式铅酸蓄电池 9

3光伏充电控制器系统 10

3.1.1光伏充电控制器的主要功能 10

3.1.2光伏充电控制器的主要参数和指标 11

3.2.2铅酸蓄电池的快速充电技术 13

4最大功率点跟踪技术 16

4. 1光伏系统最大功率点跟踪的原理 16

4. 2常规的最大功率点跟踪算法 17

4. 2. 1 恒压最大功率点跟踪控制 17

4. 2. 2 带扰动的最大功率点跟踪控制及观测方法 19

4. 2. 3 变步长最大功率点跟踪控制的扰动观察法 19

4. 2 .4 增量电导最大功率点跟踪控制 20

4. 3 最大功率点跟踪算法设计与结论......................................................................................22

5结论与展望...............................................................................................................................25

第一章 绪论

1.1课题的提出与意义

当今社会，相对于经济的发展人们更多关心的是环境污染问题。如何既保护地球的环境又能够有效的利用能源已经成为科学家们关注的重点，如何走好可持续发展的道路成为政府和人民越来越关心的问题。太阳能与传统化石燃料相比更加环保和洁净，这也使得太阳能发电技术成为现代科学家研究的热点方向。

日本福岛大地震造成的核泄漏事故引发了各个国家政府和人民对新能源技术的思考。由于核安全技术的不确定与不成熟并且事故后果的严重性，我国暂停了核电站方面的审批和建设。

再结合我国的国情，我国占地面积九百多万平方公里，可谓地大物博。太阳能资源非常丰富，如果能够有效利用起这些资源，其中的经济效益相当可观。有统计表明，我国土地年太阳辐射总量有3100~9500mJ/m²，平均为6922 MJ/m²。其中辐射总量最丰富的地区是青藏高原，而且当地的经济相对落后，如果能够利用这些太阳能，还可以使当地经济得到发展。

在倡导低碳经济的大环境下，太阳能发电有可能成为新一代的发电技术。对于太阳能企业而言，不断创新和提高产品的效率则是重中之重。

1.2光伏产业发展及应用现状

近年来，我国的光伏产业也在蓬勃发展，我国的太阳能电池产量和出口量都在世界前列，可以说是全世界最大的太阳能电池生产国。虽然我国的光伏产业相比那些西方国家开始的比较晚，但其产业链也比较完善具有一定规模，在无锡，常州，常熟等地也出现了一批太阳能产业的有名企业。就现在而言，光伏发电产业成本还是比较高，这就需要政府投入更多的研发资金，日本，西班牙，德国等国政府都大力支持本国的太阳能产业，所以他们的太阳能发电行业也是最先进和大规模的。

不过，这背后也隐隐暴露出一些问题，其中之一就是产能的过剩，这些企业生产的太阳能电池板大部分都是销往海外，而国内由于没有完整的应用体系所以需求较少，再加上上次金融危机，各国纷纷推行贸易保护措施减少了对这些太阳能电池的进口，所以处境不容乐观。其二就是生产太阳能电池板对环境造成的污染还是客观存在，我们应该大力发展太阳能产业链的上游的部分，而不是发展这些高污染的下游产业。而在整个太阳能光伏产业链之中，技术含量最低，竞争优势最小的环节就是太阳能电池的制造环节，而太阳能电池板的制作需要纯度较高的硅，而我国的硅提纯技术在世界上还处于相对落后的位置。

所以，想要真正发展太阳能光伏产业链关键还是在于关键零部件的研发以及成本的控制，只有掌握了核心科技，防止不良的产业竞争，加大国内产业链的建设，提高国内的需求，光伏产业才有可能成为我国的能源支柱产业。

然而，太阳能光伏发电技术是成熟的技术之一，但其原有的高成本和低成本技术还没有完全吸引电力用户的选择。因此，利用阵列的最大可用太阳能并在其最高能量转换输出处操作PV阵列是至关重要的。所以保证太阳能光伏发电系统在最大功率输出点运行是十分必要的。因为最大功率点随辐射和温度的变化而变化，所以必须保持最佳功率。在所有辐射水平下操作。多年来，许多MPPT技术得到了提倡、开发和实施。这些方法在复杂性、所需传感器数量、收敛速度、成本、效率、硬件实现方便等方面有着广泛的应用。虽然不同的研究小组已经开发出了不同的方法，但是文献很少。与不同MPPT技术/方法的能量捕获相比，效率、响应时间和可靠性都不同。

1.3本文主要研究内容

1. 简要介绍了太阳能控制系统中太阳能电池和电池的基本知识。
2. 简单分析了国内外太阳能光伏发电的最新发展和未来发展趋势。

（3）光伏电池的伏安特性是高度非线性的。当日照强度变化时，输出功率和最大功率点将发生变化。因此，一个好的控制器可以帮助光伏系统更有效地利用太阳能。介绍了最大功率点跟踪技术和常规跟踪方法:恒压跟踪法、扰动观察法和增量电导法的原理，并比较了它们的优缺点。

（4）控制器控制光伏系统中光伏电池对蓄电池的充放电策略以及对蓄电池的保护；控制器还需要负责输出稳定的直流电压给直流负载或者经过逆变器将稳定的直流电转化成交流电供交流负载使用。

第二章 光伏照明系统基础知识

2.1太阳能光伏电池

太阳能光伏电池的一个重要组成部分就是半导体器件，当光照射到半导体器件上，其价带上的电子数量会减少，也可能是让原本没有电子的空带上出现电子成为导带，从而能够导电储能。现在市面上主流的太阳能光伏电池有硒光电池、硅光电池、硫化物电池等不同种类，它们已经被广泛的使用在遥测，遥控，人造地球卫星等领域。光伏电池大多是由半导体制成，利用光电导效应把可见光甚至不可见的红外光或者紫外光变换成直流电，由此可以预测在未来太阳能产业中，光伏电池会是一个十分关键的部分，发挥十分重要的作用。

2.1.1太阳能光伏电池工作原理

光伏电池是通过pn结附近的由于太阳光子所激发的电子向n区漂移空穴少数载流子向p区漂移从而形成电势差。从外部电路的观点来看，p区是正的，而n区是负的。如果负载被连接，则n区中的电子将通过外部电路负载流到p区以形成电子流，电子流将在进入p区后与空穴结合。而电流的方向是电子运动的反方向，所以在接入负载后，电流的方向便是从p区经过负载回到n区。

单个硅光电池的输出电压很低，只有0.5V左右。光伏电池光电管通常串联或并联连接，以输出足够高的电压和一定的电流。最后，将光电池封装在保护壳中，组装太阳能电池组件，其外观如图2-1所示。

图2-1 太阳能电池组件外观图

2.1.2硅型光伏电池的电特性

光生电流一般用iph表示指的是是光伏电池输出的电流，该值与电池的面积和太阳光辐的照度呈正相关，往往单位平方厘米的太阳能光伏电池的Iph约为16ma到25ma之间。

光生电流会随着环境温度的变化而变化，实验数据表明温度每次提高1℃，光生电流就会增加约80μA。在没有可见光的条件下，单纯在外电压的作用下光伏电池中pn结单向流通的电流称为暗电流，光伏电池在没有光照的情况下其各方面性质和普通的半导体二极管无异，Rs代表内阻，主要由电路内各种元器件的内置电阻组成，这个值一般不大于1Ω。Rsh代表旁路电阻，这部分电阻不是电路本身带有的，而是由于半导体的晶格缺陷造成的泄漏还有光伏电池的表面污垢所造成的电阻，这个电阻通常在千到万这两个数量级之间，光伏电池的内阻则是由Rs和Rsh串联所共同组成，但是在实际中Rs的阻值要远小于Rsh,所以在进行电路的分析还有计算的时候往往忽略Rs的电阻。综上，我们可以把半导体光伏电池的等效电路简化为一个和半导体二极管并联的恒流源然后其输出电流为光生电流。

图2-3硅型光伏电池等效电路图

硅光伏电池的开路电压为Uoc。光伏电池放置在100MW\/CM2的光下。光伏电池的输出电压为RL至580MV。表面积大小或是入射光照度都不会影响到硅光伏电池的开路电压只与辐照度的对数与环境温度成正比。环境温度提高了1℃，UOC值下降2～3MV。由于可用的电压和电流非常小，所以它们通常不被用作光伏电源。通常，多个光伏电池被串联和并联，太阳能电池组件被用作光伏电源的基本单元，其功率通常从几瓦到几十瓦。然后将太阳能模块串联和并联连接以形成光伏阵列，以满足光伏系统所需的输出功率。

图2-4是光伏电池的输出特性曲线。当光强度恒定时，光伏电池的输出功率具有最大值。在最大点的两侧，PV电池的输出在零和最大之间变化。

图2-4 光伏电池的输出特性曲线

2.2铅酸蓄电池

现在常用的储能装置非蓄电池莫属了，蓄电池在充电时将发电装置所发出的电能变换为化学能而后贮存起来，放电时则反过来将储存的化学能转化成电能并将其输出给用电器使用。蓄电池有很多优点，比如供电电势稳定、充电方便、然后轻便灵活便于移动，但它最方便的特点就是它可以重复使用。现在蓄电池已经被人们大量的在各种场合使用，铅酸蓄电池便是其中应用最广的一种蓄电池，它是由二氧化铅作为正极，柱状铅作为负极，稀硫酸作为电解液所制成。

2.2.1 蓄电池的分类

(1)碱性蓄电池的种类有碱性镐镍蓄电池和袋装蓄电池等。

(2)固定铅酸蓄电池包括开式、耐酸型和耐酸隔爆型

(3)阀控式密封铅酸蓄电池，包括移动和固定两大类，^[5]固定型铅蓄电池按池槽结构分为半密封式及密封式。半密封式又有防酸式及消氧式蓄电池。^[5]

2.2.2 蓄电池的反应机理

^[6]充 电：(电解池) (1)

阳 极：(2)

阴 极： (3)

放电：(原电池) (4)

负 极：(5)

正 极：^[6] (6)

正极失去电子负极得到电子就是铅蓄电池的放电过程，而当铅酸蓄电池进行充电时，与放电过程相反，电池的负极被氧化，正极被还原。蓄电池能够反复充放电使用都是依靠了这点。还有一种状态即开路状态，正极和负极同时发生氧化还原反应并且反应会保持在一个平衡的点上，在这个点上正极和负极之间的电势保持不变达到一种动态平衡。

2.2.3密封式铅酸蓄电池发展过程

上世纪初期，经过一系列的改良和研发，传统的开口铅酸蓄电池在性能上比如可靠性，使用寿命，放电倍率等方面都有了长足的改良和提升，但是，还是有几个问题困扰我们无法得到解决，其一就是加料阶段结束后，水会被电解成氢气和氧气然后跑出电池，这加重了我们的维护任务，需要我们不断的往池中补充水和酸。其二就是气体析出的时候还会带出酸，酸具有腐蚀性会对周围的机器造成伤害，对环境也会产生一定的污染。科学家们为了解决这两个问题都将目光转向了研发新型的密封铅酸电池，以减少使用时对环境的污染和后期维护的成本。

上世纪七十年代初期，阀控密封铅酸蓄电池被研发了出来，其结构完全封闭，电解液不会泄漏对环境造成污染，维护起来也十分方便，所以大受好批。密封铅酸蓄电池还有完善的泄气系统，保证了电池内部不会因为气体压强过大造成的爆炸；采用了复合系统可以将电解出的氢气和氧气再转化成水循环使用；由于是密封结构，所以在摆放上面也可以更加灵活适应各种地形条件；在使用寿命和稳定性上依然继承了传统铅酸蓄电池的优势。

经过很多年的改良和发展，我国太阳能光伏电池的生产技术已经十分成熟，生产的在产品在能量转化的效率，制造成本，还有产品的寿命都能够满足光伏系统设计的基本指标要求。在光伏系统的设计和研发当中选择合适的蓄电池是十分关键的也是十分必要的。

第三章 光伏充电控制器系统

3光伏充电控制器系统

在前面的论文中我们简要介绍了太阳能光伏系统的各个基础组成部分，在这一节我们将着重介绍和研究光伏系统中的另一个重要零部件——光伏充电控制器的性能要求和具体质量标准以及其总体的设计方案。

光伏阵列、充电控制器、逆变器、蓄电池是一个光伏发电系统必不可缺的几个组成部分。太阳能通过光伏阵列会被转化为电能，充电控制器接收光伏阵列输出的DC在进行最大功率点跟踪之后可以对蓄电池进行充电也可以将直流电输出到逆变器转化为交流电给外部交流负载使用。离网型的光伏逆变器系统的结构如下图。

蓄电池组

光伏阵列

充电控制器

控制器

逆变器

交流负载

直流负载

图3.1离网光伏发电系统的典型结构

3.1.1光伏充电控制器的主要功能

光伏充电控制器作为光伏发电系统的一个重要组成环节，也是连接光伏电池板和蓄电池的中间环节，必须和发电系统以及蓄电池的各项参数适配，并且还应具备以下功能才能够有效提高效率：

众所周知，大气环境无时无刻不在变化之中，而想要最有效的利用太阳能，提升光伏阵列接收到的太阳能量，从而输出更多的电能，我们就必须保证光伏阵列时刻运行在最大功率点上，而充电控制器需要完成的就是跟踪并确定此时光伏阵列的最大功率点。

在实际应用中，光伏系统往往会由于输入功率不稳定导致有时输入功率过低满足不了负载的需求，此时控制器控制蓄电池进行放电，给负载补充电能，而反之，当输入功率过大的时候为了保护负载，控制器就需要将多余的电能输入给蓄电池即对蓄电池进行充电，所以蓄电池会处于一个连续的充放电状态，在充电过程中，控制器系统还得依据电池的放电速率和电池容量选择合适的充电方法提升充电效率降低充电的时间。

控制器系统通过分析电池的状态，选择合适的充电速度，减少过度充电和过度放电发生的可能性，再利用浮动充电的技术及时修复，从而可以保护蓄电池、延长蓄电池的使用寿命。

充电控制器能够与光伏发电系统的主控制器通信，获取当前的充电状态、电流大小，电压大小，蓄电池的容量，通过反馈得到的信息控制输出功率以及制定合适的工作状态。

3.2.1蓄电池的三种基本充电技术

1.恒压充电

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