摘 要

光伏发电是一种清洁的可再生能源，在光伏发电的储存和利用过程中，为了获得最大的发电效率，要对随时变化的光伏能量进行有效地跟踪和控制，从而提高光伏发电过程中的效率。最大功率点跟踪技术能够实时检测光伏电池的输出电压，并能够追踪最高电压电流值，据此来调节工作点的电压或者电流，从而使工作点向最大功率点靠拢。

针对提高光伏发电系统发电效率的需求，本文设计了一种基于反激变换电路的最大功率跟踪系统。本文分析了光伏电池的基本原理，论述了最大功率跟踪原理和常用的策略，设计了用反激变换器进行控制的最大功率跟踪系统，同时使用微处理器进行采样计算和对占空比的控制，达到最大功率跟踪的效果。该技术可以使光伏发电系统的效率维持在最高效率附近，不仅提高了光伏能量的利用效率，同时也便于人工操作，具有很好的实用性。

关键词：光伏发电；最大功率跟踪；反激变换电路

Abstract

Photovoltaic power generation is a clean and renewable energy source. In order to obtain the maximum power generation efficiency during the storage and utilization of photovoltaic power generation, it is necessary to effectively track and control the changing PV energy at any time to improve the efficiency of the photovoltaic power generation process. The maximum power tracking technology can detect the photovoltaic panel's power generation voltage and be able to track the maximum voltage and current values, thereby adjusting the operating point voltage or current, so that the working point can be moved closer to the maximum power point.

Aiming at the requirement of improving the efficiency of photovoltaic power generation system, this thesis presents the design of a maximum power tracking system based on flyback converter circuit. The basic principles of photovoltaic cells, commonly used strategies and maximum power tracking are analyzed and discussed. A microprocessor is employed to for sampling and controlling the duty cycle of the flyback converter to achieve the maximum power tracking effect. This technology allows the efficiency of photovoltaic power generation systems to be maintained at the highest efficiency, it not only improves the efficiency of photovoltaic energy utilization, but also easy to manual operation, with good practicality.

Key Words: Photovoltaic power system; MPPT; Flyback circuit

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和研究意义 1

1.2 国内外光伏发电现状 1

1.2.1 国内光伏发电产业的现状 1

1.2.2 世界光伏发电产业的现状 2

1.3 最大功率跟踪技术的研究现状 2

1.4 主要研究内容 3

第2章 光伏电池原理及建模 4

2.1 光伏电池的原理 4

2.2 光伏电池的数学模型 4

2.3 光伏电池的输出特性 5

2.4 本章小结 6

第3章 最大功率点跟踪技术 7

3.1 最大功率跟踪原理 7

3.2 MPPT控制的原理以及特点 7

3.3 扰动观察法 9

3.3.1 扰动观察法的框图 9

3.3.2 扰动观察法的原理 9

3.3.3 扰动观察法的优缺点 10

3.4 本章小结 10

第4章 光伏最大功率跟踪反激变换器设计 11

4.1 变换器电路总体设计 11

4.2 DC/DC反激变换电路的原理 11

4.3 PWM控制原理 13

4.4 最大功率跟踪系统设计 13

4.4.1 反激变换电路设计 13

4.4.2 采样电路的设计 14

4.4.3 MOSFET驱动电路设计 16

4.5 本章小结 17

第5章 充电电路设计 18

5.1 BUCK降压斩波电路原理 18

5.2 充电电路的设计 19

5.3 采样电路设计 20

5.3.1 霍尔传感器 20

5.3.2 霍尔电压采样电路 21

5.3.3 霍尔电流采样电路 21

5.4 驱动电路设计 22

5.5 本章小结 22

第6章 电路仿真设计 23

6.1 光伏电池仿真模型 23

6.2 MPPT控制部分仿真 24

6.3 最大功率跟踪仿真及结果 25

6.4 本章小结 28

第7章 结论 29

参考文献 30

附录 32

致谢 33

绪论

研究背景和研究意义

进入21世纪之后，由于人们对于电能的需求越来越大，在电能的生产过程中，人们通常都是将一次能源转化为电能来使用。常用的一次能源为煤、石油、天然气等，而根据目前地球所探明的储量和当前的需求量来计算，石油大约还可以使用40多年，天然气可以使用60多年，煤则可以使用200年左右^[1]。这些原始能源不仅库存有限，它们的价格还会随着储量的减少而增加，再加上它们对于环境的污染，因此新能源的开发显得更加重要，其中光伏能源不存在库存的问题，可以随时使用，并且其对于环境是友好的，使用光伏发电可以有效地减少运行和维护的成本，因此光伏能源成为了一个更有前途的选择^[2]。

虽然人们对于光伏发电需求的日益增加，但是目前的光伏发电系统却有很多缺点，比如电池转换效率低以及成本昂贵等，所以如何提高太阳能发电系统的转化效率成了现在人们急需解决的问题。最大功率点跟踪技术（MPPT）能够很好的解决上述问题，它能够实时检测太阳能板的发电电压，并且追踪电压电流值，从而据此调节工作点的电压或者电流，使工作点向最大功率点靠近，这样就可以使系统以最大功率输出向储能电池充电^[3-8]。

国内外光伏发电现状

1954年美国贝尔研究所的Pearson等3位科学家首次研制成功了可以实用的单晶硅太阳能电池，由此诞生了可以将太阳能转换为电能的太阳能光伏技术。到了2009年，全球新装的太阳能光伏发电的容量为7.2GW，而欧盟就占了5.8GW。随着发电成本的下降以及各国补贴政策的出台，全球光伏发电安装量不断攀升。我国的光伏发电安装量也在不断增加，随着其成本的不断降低，光伏发电技术最终会在全世界范围内普及。

国内光伏发电产业的现状

国内的光伏电池技术是从上世纪60年代研发用于外太空的太阳能电池开始起步的，地面上使用的光伏电池则是从上世纪70年代初开始的，虽然起步较晚，但发展很快。我国主要的光伏发电区域集中在中西部。自2007年起，我国的太阳能光伏电池的产量就稳居世界第一，是全球光伏电池的制造中心。由于光伏发电无污染，成本低的优点，预计今后我国的光伏发电产业还将持续增长。

世界光伏发电产业的现状

由于目前全球能源紧张的局势，世界各国都开始重视光伏发电技术。2012年全球的多晶硅的产量达到了23.4万吨，与前一年的24万吨相比有些下滑，其中用于电子级的多晶硅产量约为2.5万吨，剩下的多晶硅则被用于太阳能光伏产业。我国目前单晶硅的生产量位居全球首位，而美国位居第二，后面依次为韩国、德国和日本，其中日本更加侧重于电子级的多硅晶生产。从世界多晶硅生产的发展势头来看，光伏产业已逐渐形成中美韩德四国鼎力的局面。2012年，世界太阳能片产能已经超过了70GW（其中包括薄膜电池）。目前全球已经有多家生产商的产量超过了GW量级。在太阳能电池的种类上，单晶硅电池的产量占了33GW，薄膜电池的产量约为4GW。在全球太阳能电池生产区域分布上，中国大陆的产量为21GW居全球首位，台湾、日本和马来西亚分别是二三四位。