基于LPC1343单片机的光伏建筑论文

硕士学位论 文硕士李昭勇基于LPC1343单片机的光伏建筑发电系统设计2013基于LPC1343单片机的光伏建筑发电系统设计基于LPC1343单片机的光伏建筑发电系统设计摘 要人类对能源需求的日益扩大和能源短缺环境污染问题之间的矛盾，使得清洁可再生能源的开发利用成为世界各国关注的焦点。太阳能发电是一种新兴清洁可再生能源，是一种普遍、无害、巨大和永久的能源。另一方面，建筑能耗非常巨大，如何提高建筑能效是人们关注的问题。太阳能建筑一体化（BIPV）能很好的提高建筑能效，是太阳能应用的领域之一。世界上很多发达国家都对太阳能建筑一体化进行研究开发，也给与这项新产业很多的政策支持，使得太阳能建筑一体化应用得到较快的发展。对于常规电力无法送达的地区，独立式光伏发电系统就显得尤为重要，它可以解决人们的用电需求，所以研究独立式太阳能建筑一体化技术具有很大的应用价值。论文分两个部分，一部分介绍太阳能电池的参数特性，为后文的研究提供理论基础，另一部分重点研究太阳能发电控制系统，如最大功率点跟踪（MPPT），基于面积等效法的SPWM技术，交流电压采样算法，参数自调整的模糊PID技术等，目的是提高系统的发电效率和应对负载变化时能快速提供稳定的电压。论文结合太阳能电池电压参数特性，结合恒压法和电导增量法的优点，给出一个合理电压值作为最大功率点的初始电压值，使系统更快的跟踪到最大功率点。从电压和电阻值角度，分析了Boost斩波升压电路和Buck斩波降压电路实现最大功率跟踪的不足，提出基于Boost-Buck升降压电路实现最大功率点的方法，并给出具体的计算分析过程和详细的流程图。结合单片机技术和面积等效法计算出详细的正弦表，给出详尽的软件设计方法和SWPM实验输出波形。利用均方根算法进行交流采样，设计出采样电路图和采样保持电路，给出完整的采样算法实现过程。结合PID技术和模糊控制的优点，提出参数自调整模糊PID控制方法，用模糊控制的方法在线调整PID的比例系数和积分参数，使得系统具有更好的动静态响应过程，给出详细的设计方法和步骤，参数自调整模糊PID能更好的应对负载变化输出稳定的电压值。试验设计一台一千瓦的太阳能发电系统，给出主要的硬件电路图和软件设计，为实际应用提供参考价值。关键词：MPPT；SPWM；增量式PID；参数自调整模糊PID；单片机DESIGN OF PHOTOVOLTAIC BUILDING POWER GENERATION SYSTEM BASED ON LPC1343 SINGLECHIPABSTRACTThe contradiction between the growing demand for energy and energy shortage environmental pollution problems, make the development and utilization of clean renewable energy becoming the focus of the world. Solar energy is a new clean and renewable energy, is a common, harmless, large and permanent energy.On the other hand, building energy consumption is very great, how to improve building energy efficiency is a concern. Solar building integration (BIPV) can be very good to improve building energy, which is one field of the solar energy application. Many developed countries in the world are researching and developingthe solar building integration, and also give the new industry a lot of policy support, which making the application of solar building integration have a rapid development.For conventional power could not be delivered to the region, stand-alone photovoltaic power generation system is particularly important, it can solve the peoples demand for electricity, so the research of stand-alone solar building integration technology has great application value. The paper is divided into two parts, one part present the characteristic parameters of solar cells, whichprovide theoretical basis for the following study, the other part focus on solar power generation control system, such as the maximum power point tracking (MPPT), area equivalent method based on SPWM technology, the AC voltage sampling algorithm, parameter self-tuning fuzzy PID technology and so on, the purpose is to improve the efficiency of power generation and can quickly provide stable voltage when load changes. Based on the characteristics of solar battery voltage parameters, combined with the advantages of constant voltage method and incremental conductance method, giving a reasonable voltage value as the initial voltage of maximum power point value, the system can track the maximum power point more faster. From the angle of voltage and resistance value, analyzes the shortcomings of the Boost chopper circuit and Buck chopper circuit when use to track maximum power point, propose the method of maximum power point realization which based on the Boost-Buck circuit, and gives a specific analysis and detailed flow chart. Combining with single-chip technique and the equivalent area methodCalculate the sine table, gives the detailed software design method and SWPM test output waveform. Using root mean square algorithm for AC sampling, design a sampling circuit and a sampleholding circuit, gives the complete process of sampling algorithmrealization. Combining with the advantages of PID technology and fuzzy control, propose the parameter self-tuning fuzzy PID control method, using fuzzy method adjust the proportional and integral parameters on-line, which makes the system have better dynamic and static response process, gives the design method and the detailed steps, parameter self-tuning fuzzy PID can better deal with the load voltage variation and output stable value. Design a kilowatt solar power system, give the mainly hardware circuit and software design, which provide a reference value for practical application.KEY WORDS: MPPT； SPWM；incremental PID；parameter self-tuning fuzzy PID；MCU目录基于LPC1343单片机的光伏建筑发电系统设计I第1章绪论11.1论文选题的背景与意义11.2 建筑光伏发电系统国外研究状况41.2.1 国研究现状41.2.2 国外研究现状51.3课题研究的容6第2章太阳能电池82.1太阳能电池发电原理82.2太阳能电池种类92.2.1单晶硅电池性能92.2.2多晶硅电池性能102.2.3非晶硅电池的性能102.2.4几类电池性能比对102.3太阳能电池特性112.3.1温度特性112.3.2辐射强度特性122.3.3最大功率特性122.3.4 负载匹配特性132.4太阳能电池热斑效应132.5防反充（防逆流）和旁路二极管142.5.1防反充（防逆流）二极管142.5.2旁路二极管152.6太阳电池组件152.7太阳能光伏发电系统172.7.1离网运行系统182.7.2并网运行系统19第3章太阳能电池最大功率点跟踪203.1 试验用太阳能电池参数203.2 最大功率点跟踪方法203.2.1 恒电压控制法213.2.2干扰观测法213.2.3 电导增量法213.2.4 基于电导增量法的程序流程图233.4 最大功率跟踪采用的硬件电路243.4.1 Buck 降压电路与算法243.4.2 Boost 斩波升压电路与算法253.4.3 Boost-Buck 升降压电路与算法26第4章光伏建筑发电系统的控制器与逆变实现284.1 逆变硬件电路与功能284.2逆变技术控制策略294.3 数字控制SPWM生成的几种方法304.3.1 自然采样法304.3.2 规则采样法314.3.3 面积等效法314.4 SPWM驱动电路324.4.1 IR2110驱动芯片部结构与自举原理334.4.2 IR2110驱动芯片时序344.5 单片机PWM输出规则344.6 基于面积等效法建立的正弦表364.7 单片机输出SPWM波形部分程序374.8 逆变输出波形394.8.1 单片机输出的SPWM波形394.8.2 经IR2110驱动后输出的波形40第5章交流采样电路与算法415.1 电压电流交流采样电路415.1.1 采样保持电路425.1.2 采样输出波形435.2常用交流采样算法445.2.1快速傅里叶采样算法445.2.2均方根算法445.2.3 均方根算法程序流程图455.3 单片机AD转换与算法实现455.3.1 单片机自带AD转换455.3.2 算法实现程序465.3.3 计算结果与误差分析47第6章逆变器闭环控制算法486.1 PID控制和纯模糊控制486.1.1 位置式PID原理486.1.2 增量式PID算法实现496.1.3 PID控制器中各个系数的作用496.1.4 PID控制器系数参数整定506.1.5纯模糊控制系统506.2 模糊理论数学基础知识516.2.1模糊化526.2.2 模糊推理526.2.3 解模糊536.3 模糊算法实现546.3.1 语言变量论域和系统比例因子的确定546.3.2 变量模糊化556.3.3 规则库的建立566.4参数自调整模糊PID控制的实现举例586.4.1 参数自调整模糊PI控制系统586.4.2 参数自调整模糊PID具体实现过程596.4.3 参数自调整模糊PID控制程序流程图616.5 逆变输出626.6 显示器62第7章总结65攻读学位期间发表论文情况66参考文献6768 / 77第1章 绪论1.1论文选题的背景与意义光伏建筑一体化（BIPV），即光伏产品与建筑相结合，将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术 龙文志太阳能光伏建筑一体化J中国建筑金属结构，2008年7月，36-44，这一概念在1991年被正式提出 谢晓峰，范星河燃料电池技术M：化学工业，2004年，71-88。光伏产品既有外围围护结构的功能，又可自主发电供建筑使用，是利用可再生太阳能清洁能源发电的绿色建筑技术。现代化社会中，人们对舒适的建筑热环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长，光伏建筑一体化需求酝酿产生。随着社会的发展和科技的进步，全球经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正逐步消耗。地球上主要能源构成，石油、天然气和煤炭所占比例分别为41%、23%和27% 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛等太阳能光伏发电与其应用M：科学，2005年，1-8，由目前已查明的能源储量和消费速度估算，这些能源资源大约可供世界人类消费170年，能源危机成为世界各国共同面临的问题。与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为制约社会经济发展甚至威胁人类生存的严重障碍。国际石油价格持续上涨和国煤炭价格上调压力的增大，我国能源供应正面临着严峻形势。地球环境由于大量燃烧矿物能源已遭到破坏，人类赖以生存的环境正在逐渐恶化。因此，减少传统常规能源的能耗、节能减排、保护环境、开发利用可再生新能源已引起世界各国与我国政府的高度重视新能源应用。太阳能资源是最丰富的可再生能源之一，它分布广泛，可再生，不污染环境，是国际上公认的理想替代能源 赵晶，赵争鸣，周德佳太阳能光伏发电技术现状与其发展电气应用J，2007年，26(10)：6-10。建筑能耗是各行业中的耗能大户，在我国已经接近占总能耗的30% 梁祥莹基于太阳能光伏技术的节能建筑系统的设计与研究J应用能源技术，2009年，134：6-9，如何有效地降低建筑能耗是目前人们关注的焦点之一。“开源节流”是解决能源安全问题的唯一选择，在大力节能的基础上如何使用可再生能源，降低建筑物传统能消耗量是近几年人们的努力方向。太阳能以其清洁、用之不竭的特性近几年再次引起人们的高度关注，比如太阳能光伏建筑发电产品的生产和销售平均每年都以超过30%的速度增长，太阳能光伏建筑发电和太阳能热利用将成为最普与的建筑物可再生能源利用形式 任新兵太阳能光伏发电工程技术M化学工业，2012年。 太阳能在建筑上的应用最为有效的方法之一是采用建筑光伏一体化(BIPV)，即光伏建筑，在建筑物上镶嵌太阳能光伏板发电为建筑物提供全部或部分电力。建筑（包括住宅，商用和公用建筑物）能耗通常占一个国家和地区全部能源消耗的30%以上(在地区高达50%多)，利用光伏建筑发电对于减少常规电力量，降低供电高峰负荷和保护地球环境具有重要意义。如果在房屋屋顶和外墙上安装太阳能光伏板，不仅可以利用太阳能发电，而且可以替代传统的玻璃幕墙、屋顶和墙面材料，降低房屋和太阳能项目的整体造价，还可以降低建筑物的冷负荷，达到建筑物能源的有效利用，降低建筑物能耗，为建筑物创宜人的生活环境。相关资料提到，从上个世纪90年代初，我国逐渐对太阳能建筑一体化应用进行研究和发展 由世俊，娄承芝，华君等建筑物用光伏集成系统在中国应用的前景J太阳能学报2000，21(4)：434438- 郭斌独立光伏发电系统在节能型建筑中的应用DXX大学硕士学位论文2006:6-7 刘京华，庄向东，景丹阳太阳光伏与建筑集成化与发展前景(综述) J河北省科学院学报 2000，17 (1)：62-64。光伏建筑一体化(BIPV)以无污染、可再生的太阳能为能源，开发和应用发电技术以提高建筑物能效，解决能源危机和环境污染问题，已得到全世界的关注和重视。以美国、日本、德国和英国为首的国家，已制定了一系列政策来支持扶持BIPV技术的研究开发和实际应用 蔡宣三太阳能光伏发电发展现状与趋势J电力电子20072：3-6- Zahedi，ASolar photovoltaic(PV)energy;latest developments in the building Integrated and hybrid PV systemsJRenewable Enegry2006，31:711-718 G.C.Bakosa，M.Soursosb，N.F.Tsagas.Technoeconomic assessment of a building-integrated PV system for electrical energy saving in residential sectorJ.Enegry and Bulidings.2003,35(2003):758-762 M.Castro,A.Delgado,F.J.Argul,A.Colmenar,et al.Grid-connected PV buildings analysis of future scenarios with an example of Southern SpainJ.Solar Energy.2004:85-96 海涛，林波，何江太阳能建筑一体化技术应用M科学，2012年，此外西班牙、瑞士、法国、意大利荷兰等国也制定了各自的光伏发展计划，并投资巨资进行技术开发加速工业化进展步伐。二十一世纪世界能源的紧缺为太阳能发电的发展提供了良好的机遇。我国也正致力于开发和利用新能源。太阳能光伏建筑一体化设计(BIPV) 即可有效地利用屋顶和围护结构表面，节约了外饰材料又可缓解电力需求，满足了环境与居住舒适度的要求，是一种新型的生态能源建筑。太阳能一体化建筑通常利用钢化玻璃和铝合金框架构成太阳电池组件，本身即具有建材的功能，可直接代替建材使用。但为了便于维护，光伏建材型太阳电池的寿命要与周围的建材相匹配。BIPV技术就是指将光伏发电系统与建筑物有机集成在一起的技术，具体表现为在建筑物外表面上铺设光伏阵列提供电能。其中的光伏阵列既可以发电又可以充当建筑材料，可大大降低光伏发电系统的成本，缩短能量的回收期，提高建筑物能效，同时发出的电能可就地使用，减小了电能的传输损耗。这是近些年来光伏发电应用领域的一个重要研究方向。综上，BIPV技术的研究对解决能源危机、环境问题和提高建筑物的能效有着重要的意义。在建筑设计中，既要考虑发电量，又要兼顾美观、防水、通风、保温隔热和价格等因素，使得太阳能电池与建筑完美结合建筑节能与低碳排放已倍受人们的关注，而降低建筑能耗、减少建筑耗能给环境带来的污染亦成为当前的焦点。太阳能因其清洁环保、资源丰富的优点，作为新能源被世界各国开发和利用。建筑物具有大量的迎光面积并没有产生经济效益，将太阳能发电系统与建筑物相结合，既可以降低太阳能发电系统的成本，又可以降低系统在远距离电力传输过程中的电能损耗。随着科技的飞速发展，太阳能光伏建筑必将成为新能源和建筑节能的有效途径之一。太阳能光伏建筑一体化（BIPV）系统按照光伏组件在建筑物上的安装位置可分为两种方式，即光伏屋顶结构（PV ROOF）和光伏墙结构（PV WALL） 龙文志太阳能光伏建筑一体化J建筑技术，2009，40(9):835-839 YOO Seung-Ho,LEE Eun-Taek,Efficiency characteristic of building integrated Photovoltaics as a shading deviceJ.Building and Environment,2002,37(6)：615-623 太阳能光伏发电协会 太阳能光伏发电系统的设计与施工M科学 2006年。光伏屋顶结构如图1-1所示，它是光伏系统与建筑进行简单的结合，即把封装好的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，光伏组件即是太阳电池瓦，其大小、形状与铺设方法和普通建筑用瓦一样，可以替代屋顶上的普通瓦。电池瓦再配合逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置组成一个发电系统；电池组件不需要特殊的制作，只是与建筑的简单结合，应用到幕墙和屋顶上时，不具备绝热保温、透光等效果。此光伏发电成本高、效率低，难以和传统发电形式竞争。要大规模利用光伏系统发电技术，必须进一步降低光伏成本、提高发电效率 黄护林，韩东，孔令宾光伏建材型太阳电池板自然通风冷却的研究J太阳能学报，2006年，27(3)：209-313。图1-1光伏屋顶结构图1-2 光伏幕墙结构Fig1-1 Photovoltaic roof structureFig1-2 Photovoltaic curtain wall structure光伏幕墙是用光伏电池组件替代屋顶、窗户和外墙作为建筑材料，形成光伏与建筑材料集成产品，既可以做建材作为装饰护墙窗户，透过太，进行室照明，又可作为太阳能电池发电。该电池组件符合节能保温、坚固耐用等建筑要求，能够实现与建筑完美结合。光伏幕墙方式是太阳能建筑一体化的趋势，将更多的应用于各建筑物上，光伏幕墙如图1-2所示。太阳能光伏与建筑一体优点 李芳，沈辉，许家瑞等光伏建筑一体化的现状与发展J电源技术，2007年，31(8):659-662 C.Roecker.P.Affolter,J.Bonvin,J.B.Gay.PV Building elementsJ.Solar Energy Materials and Solar Cells.2008,(36):381：1、太阳能光伏板可以作为建筑材料，用作围护(安装在屋顶和墙面)，可有效地利用屋顶和围护结构表面，节约了外饰材料又可缓解电力需求，满足了环境与居住舒适度的要求，是一种新型的生态能源建筑无需额外用地或加建其他设施，节省了土地资源，又可降低建筑材料能耗，对于土地稀缺人口密集城市更为实用； 2、就地发电、就地使用，降低电网送电线路费用和损耗；3、夏季是用户用电高峰期，而太阳能辐射强度也是最强时期，太阳能建筑光伏发电系统能提供最大电量，除保证自身建筑用电外，还能将多余的电量向电网输送，缓解高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，有较好的经济效益；4、光伏电池板安装在屋顶和墙面上，并直接吸收太阳辐射能量，还具有很好的隔热性能，减少墙体和屋顶温度 季杰，何伟 光伏墙体年发电性能与年得热动态预测J 太阳能学报，2001 ，22 (3) :311 - 316，减少冬季的采暖损耗和夏季的空调损耗使得室温度冬暖夏凉，有利于降低空调负荷 杨洪兴，季节BIPV对建筑墙体得热影响的研究J太阳能学报，1999(3)：270-273；5、太阳能建筑光伏发电清洁环保，是可持续能源，利用太阳能， 可减少石油等燃料引起严重的空气污染，有利于环境的保护；6、把光伏电池阵列作为建筑物的玻璃幕墙，应具有建材所要求的特性：耐用坚固、绝热保温、电气绝缘、防水防潮、强刚度；若作为窗户天窗材料，需要有一定程度的透光性能；7、对于偏远山区，电网无法覆盖的无电村落或用户，光伏建筑发电解决人们用电需求，给生活带来极大便利。目前BIPV主要应用领域有大楼帷幕墙或外墙、大楼、停车场遮阴棚、大楼天井。斜顶式屋顶之瓦屋、大型建筑物屋顶隔音墙等，个人住宅、商业大楼、学校、医院楼、机场、地铁站台、公交车站以与大型工厂车间等都适合安装使用BIPV技术。尽管目前光伏建筑造价较高，但随着人们节能环保意识增强，国家政策的大力支持，科技的飞速发展，光伏建筑必将成为新能源和建筑节能的有效途径之一，并且会持续快熟成长。1.2 建筑光伏发电系统国外研究状况1.2.1 国研究现状BIPV技术就是指将光伏发电系统与建筑物有机集成在一起的技术BIPV技术的研究对解决源危机、环境问题和提高建筑物的能效有着重要的意义，据有关资料报导，我国已在光电领域取得突破性进展第一幢光电幕墙建筑已在建成，设计峰值发电功率为10.3kW；已建成6座6kW-8kW光伏示电站，电站的建成，解决了当地居民的生活用电问题。2008年京奥运会将会建成一座太阳能奥运村，规划中的奥运村将容纳8000名运动员，在楼顶和的楼面铺设太阳电池板采集能源，为运动员们的照明、家电和热水器提供能源。虽然太阳能光电系统，由于前期投人的经费非常昂贵，根据我国目前的经济状况来看还不具备大规模的推广价值，但随着科技的发展和发电效率的进一步提高，在国家大形势带动下，依托于相关政策的倾斜，可以想象我国太阳能光电技术的利用前景将是一片光明。我国是能源需求大国，积极发展新能源领域技术，在2006年中国太阳能电池产量达到369.5MWp，超过美国，仅次于日本和德国，成为世界第三大光伏电池生产国。2007年光伏电池产量达到1088MW，成为世界最大的太阳能电池生产国。中国光伏发电市场主要在通信、工业应用、农村和边远地区。光伏建筑一体化的研究开发也取得很大的发展，在、等地建成光伏屋顶系统，联合国能源机构调查显示，BIPV将成为21世纪城市建筑节能的市场热点，太阳能建筑一体化将是21世纪最重要的新能源利用之一，光伏产品和建筑结合是光伏产业发展的未来趋势，中国目前太阳能建筑一体化和并网系统的技术科技攻关和工程示。为推动节能环保型社会，国家推出了一系列的相关扶持政策措施，如2006年的民用建筑节能管理规定、绿色建筑评价标准、2007年可再生能源中长期发展规划、可再生能源与新能源国际科技合作计划、2008年可再生能源发展“十一五”规划：启动光伏发电城市应用工程，在太阳能资源较好的开展光伏屋顶、照明等光伏发电系统应用等措施。在奥运会，世博会，亚运会的主要标志性建筑物上安装光伏发电系统。2013年4月，滨海供电分公司受理了首例居民自发电并网申请后，紧接着又受理了首例个人卖电业务。滨海新区居民上网卖电价格暂执行地区脱硫燃煤机组标杆上网电价，统一标准为每千瓦时(度)0.4118元，略高于发电厂电价。安装了太阳能光伏发电设备和风能发电设备，除自家使用外，余下的电可向相关部门申请并网。这一事例证明个人发电并网有较好的适应性，随着智能电网的推广，个人发电并网有望在更多地区实现。1.2.2 国外研究现状国外光伏发电逐步由初期开发示阶段走向规模应用发展，各国致力于通过改进工艺、扩大规模、开拓市场等措施，努力降低光伏电池的制造成本，提高发电效率。国际能源组织分别于1991年和1997年启动建筑光伏集成计划，多国家纷纷制定太阳能建筑发展计划。如美国1997宣布“百万屋顶光伏计划”，装机容量3025MWp，可减少二氧化碳排量35亿吨。98年美国政府增加光伏研究经费30%，用于降低发电成本，保持光伏产业的领先地位。德国在98年提出“10万光伏屋顶计划”，总装机容量可达500MW。目前德国与2004年建成世界上最大的屋顶光伏并网系统“德国波茨坦太阳能屋顶电站”容量为5MW，每年能够发电4200MWh。日本也很重视光伏建筑一体化发展，曾与1997年宣布执行“七万屋顶计划。意大利、印度、瑞士、荷兰和西班牙都有相关的政策支持光伏建筑一体化的发展”2005年京都协议书生效，在国际上推动新能源的发展，各个国家相应制定新能源发展规划，如日本的可再生能源比例标准，德国的可再生能源法、，美国2005年出台联邦能源政策法案、加利福尼亚光伏太阳能产业发展预案、总统太阳能美国计划，意大利的Conto Energia。1.3课题研究的容光电建筑一体化涉与到方方面面的知识，本论文分为7章，主要从太阳能电池特性参数和电气控制的角度去撰写，具体每章的主要容介绍如下：第1章：绪论，介绍了课题研究的背景与意义、国外的研究情况，提出课题研究的主要容。第2章：分析了太阳能电池发电原理，对比分析了单晶硅、多晶硅、非晶硅的电池特性，给出不同外部环境条件下的电池特性曲线图形，如温度特性、辐射强度特性、最大功率特性。描述热斑效应产生原因以与解决办法，介绍离网并网系统。第3章：建筑光伏发电系统最大功率点跟踪，介绍了几种最大功率跟踪方法，采用电导增量法作为最大功率跟踪方法，对比了Boost 斩波升压电路和Buck斩波降压电路作为最大功率跟踪的不足之处，提出基于Boost-Buck斩波升降压电路作为最大功率点跟踪，详细介绍实现过程和该方法的优劣，给出详细的设计过程。第4章：建筑光伏发电系统逆变实现，介绍对比了几种采样方法，采用面积等效法作为SPWM输出方法，计算出正弦表，给出详细的单片机输出SPWM波形程序与实验输出波形，驱动电路的控制时序与驱动原理，设计出逆变电路。第5章：交流采样电路与算法，介绍几种交流采样算法，采用均方根算法作为逆变电压交流采样方法，给出详细的硬件采样电路与采样输出波形、采样保持电路、软件采样实现算法，结合单片机自带的AD功能转换计算电流电压值。第6章：逆变器闭环控制算法，介绍了经典PID算法，包括位置式和增量式，各个系数参数对系统性能的影响。简单介绍了模糊控制数学基础知识、纯模糊控制算法，与其优缺点，重点设计了模糊参数自调整PID控制系统，详细列出各个隶属度函数以与控制输出规则表，重心法解模糊，整体控制流程图。第7章：总结分析，分析了前面六章所用各方法的优劣，根据实验结果总结了基于Boost-Buck升降压电路实现最大功率点跟踪技术、基于面积等效法数字软件生成SPWM技术、基于均方根算法的交流采样电路、对比了PID控制和论文提出的参数自调整模糊PID控制的优劣。第2章 太阳能电池2.1太阳能电池发电原理法国物理学家贝克雷尔(Becqurel)于1839年发现光伏电池的光生伏特效应 (美)汉斯S劳申巴赫， 太阳电池阵设计手册光电转换原理与其应用M，张金熹等译， ：宇航，1987，简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaic effect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量，电压形成。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理是利用半导体PN结的光生伏打效应，当导体受到光照时，其的电荷分布状态发生变化，进而产生电动势和电流的。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制且还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电与建设同期短的优点。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V，一般不作为直接应用，将电池单元按照需要的输出电压功率再进行串联、并联，并封装成光伏组件，再将光伏组件按不同功率电压需要进行串并联，组成光伏阵列。太阳能等效电路如图2-1 周德佳，赵争鸣，吴理博基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析J清华大学学报：自然科学版 2007，47(7):1109-1112 Gow J A,Manning C D.Development of a photovoltaic array model for use in power-electronics simulation studiesJ.IEE Processing Electronics Power Applioations,1999,146(2):193-200.：图2-1 太阳能电池等效电路Fig2-1 Solar battery equivalent circuit由等效电路可得：(2-1)式(2-1)中各参数意义：输出负载电流；：正比与日照强度的光生电流；：流过二极管的电流；：太阳能电池漏电流。太阳能电池板三个很重要的参数，一个是短路电流，一个是开路电压，一个是最大功率点处的电压，下面给出短路电流和开路电压的数学表达式，为最大功率点提供依据。太阳能电池在短路时，忽略不计二极管电流和并联等效电阻电流 Xiao W,Dunford W G,Capel A.A novel modeling method for photovoltaic cellsC.2004 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004,3:1950-1956.，得出短路电流在任意光照条件下的数学表达式(2-2)： (2-2)式(2-2)中个参数表示意义：光照强度；：温度参考值，温度值；：光照强度参考值，。太阳能电池在开路时，二极管的电压即为开路电压，即，开路电压值仅与电池温度有关 Rauschenbach H S.Solar cell array design handbookM.New York:Van Nostrand Reinhold,1980. Hu Chenming,White Richard M.Solar CellsM.New York:McGrow-Hill,1983. M.Castro,A.Delgado,F.J.Argul,A.Colmenar,et al.Grid-connected PV buildings analysis of future scenarios with an example of Southern Spain.Solar Energy.2004:85-96.，开路电压数学表达式如式(2-3)：(2-3)短路电流和开路电压是太阳能电池很很重要的两个参数，根据这两个参数值可以了解电池的性能，对控制系统的设计提供帮助。2.2太阳能电池种类硅太阳电池是目前使用最广泛的太阳电池，按照硅材料的晶体结构区分，有单晶、多晶和非晶硅太阳电池三种。单晶硅和多晶硅太阳电池称为晶体硅太阳电池，目前占世界太阳电池的大部分市场。2.2.1单晶硅电池性能单晶硅太阳电池的主要性能：目前国产单晶硅太阳电池的光电转换效率通常为16%18%。研究和试验表明，太阳电池工作温度升高时，短路电流也会跟随少量升高，而开路电压则降低。2.2.2多晶硅电池性能多晶硅太阳电池是以多晶硅为基体材料的太阳电池。多晶硅材料以浇铸取代单晶硅的拉制过程，减少了生产的时间和生产成本，是一种较单晶硅廉价的太阳电池。多晶硅太阳电池按材料的厚度分，可分为体电池和薄膜电池，多晶硅体太阳电池一般称为多晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池的性能基本与单晶硅一样，近几年世界上多晶硅电池的效率和产量在迅速提高，国达到17%，工业化生产转换效率达到16%左右。工业化生产多晶硅太阳电池转换效率与国产单晶硅太阳电池效率的差距已很小。晶体硅太阳电池的其他特性与单晶硅太阳电池类似，如温度特性，太阳电池性能随入射光强的变化等。2.2.3非晶硅电池的性能非晶硅太阳电池的电性能:目前非晶硅太阳电池的实验室效率达15%，稳定效率为13%。商品化非晶硅太阳电池的效率一般为6%7.5%。非晶硅太阳电池的温度变化情况与晶体硅太阳电池不同，温度的升高，对其效率的影响比晶体硅太阳电池要小。非晶硅太阳电池，由于价格比单晶硅电池便宜，在小功率应用市场上已占有较大的份额。但性能不够稳定，尚没有广泛作为大功率电源，主要用于计算器、电子表、收音机等弱光和微功率器件。2.2.4几类电池性能比对从转化效率、制造能耗、成本等角度，列出几个不同类型的太阳能电池的特点，如表2-1所示：表2-1 不同种类电池特点Tab2-1 the characteristics of different types battery类型转化效率制造能耗成本资源可靠性公害单晶硅13-20%高高中高小多晶硅10-18%中中中中小非晶硅8-12%低低丰富中小砷化镓18-22%高很高稀少高大2.3太阳能电池特性太阳电池组件电性能测试在规定光源的光谱、光强以与一定的电池温度条件下，测试开路电压、短路电流、伏安特性曲线、填充因数和最大输出功率等，地面用太阳电池组件的标准测试条件为：太谱AMl.5，太阳辐照度，温度25。组件的测试在专用的组件测试仪上进行。2.3.1温度特性单晶硅太阳电池组件电性能随温度和入射光强的变化情况如图2-2。图2-2 单晶硅电池性能随温度变化曲线 Fig2-2 The performance of single crystal silicon cell changes with temperature curve温度对太阳能电池电压电流功率与效率的影响：太阳电池组件的电池温度较高时，工作效率低。随着组件温度上升，工作电压下降，最大功率点也随同降低。图2-3 太阳能电池在不同温度同一光照强度下的曲线Fig2-3 The solar cell curve that under the same light intensity but different temperature温度每升高1每片单体电池的电压大约减少5mV，对于太阳电池组件，温度每升高1，则最大功率减少0.4%。单晶硅太阳电池组件电性能随温度的变化见图2-3。2.3.2辐射强度特性太阳电池组件的输出功率与太阳辐射强度成正比，日照增强时组件输出功率也随之增加。日照强度变化对组件影响的曲线见图2-4。日照对组件影响的曲线见图2-5，从曲线分析，随着日照强度的变化，太阳电池组件的输出电压变化不大，但输出电流上升很大，最大功率点也随同上升。图2-4 太阳能电池在不同光照强度图2-5 太阳能电池随光照强一样温度下曲线 度变化线Fig2-4 The solar cell curve that under the Fig2-5 The solar cell curve that same temperature but different light intensitywith the variation of light intensity2.3.3最大功率特性太阳电池组件的性能主要指电流电压特性，称为太阳电池组件的曲线，标准测试条件下测得曲线，反映出输出电流与输出电压关系。该曲线上有三个重要的参数，即最大功率点，开路电压，短路电流，曲线如图2-6所示：图2-6 太阳能电池典型曲线Fig2-6 The typical curve of solar cell 太阳电池组件主要参数包括最大功率、开路电压、短路电流、最大工作电压、最大工作电流、光电转换效率等，其具体容如下： 1、最大功率：在一定负载条件下，太阳电池组件输出的最大功率。在标准测试条件下，太阳电池组件所输出的最大功率称为峰值功率。与最大功率点相对应的负载，称为最佳负载。通过最大输出功率点电压乘电流可以得到最大输出功率点的功率值。随着电压下降输出功率减少。超过最大功率点后，大多数组件随着电压的增加，输出电流或输出功率将减少，给出最大功率点的具体说明，为本论文后续MPPT方法的提供理论依据。2、开路电压：太阳电池组件电路开路，即时的电压。是当无电流从组件汲取时，可能达到的最大电压。3、短路电流：太阳电池组件电路短路，即时的电流。是组件在回路阻抗等于零时能够输出的最大电流。4、最大工作电压：输出最大功率时的电压。5、最大工作电流：输出最大功率时的电流。6、光电转换效率：指在外部电路连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，它的定义是太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池上的太的功率之比，通常用百分数表示。2.3.4 负载匹配特性负载阻抗对电池输出功率有着较大的影响，如果负载阻抗与组件的曲线匹配得好，组件可以输出最高效率。当负载阻抗增加时，组件将运行在高于最大功率点的电压上，这时组件效率和输出电流均会减少。当组件运行在低于最大功率点的电压时，组件运行效率同样会降低。2.4太阳能电池热斑效应当太阳能电池组件或某一单体电池被覆盖（如鸟粪、树叶、阴影）的时候，而其他电池组件没有被覆盖仍然正常提供电能，这时候被覆盖部分不但不能发电，还被当成负载消耗其它有辐射的电池组件所提供的能量，引起局部发热，这种现象称为热斑效应。热斑效应能严重地破坏太阳能电池，由于局部过热，严重的可能会使焊点熔化、封装材料破坏，使整个组件效率严重下降，甚至失效。个别劣质的电池片混入电池组件，电极焊片虚焊、电池片隐裂或破损、电池片性能变坏等因素，都会引起热斑效应，需要引起注意。2.5防反充（防逆流）和旁路二极管在太阳能电池方阵中，二极管是很重要的构成部件，硅整流二极管较为常用，在选择时要注意各类参数值，并留有余量，防止反向击穿损坏。一般选取反向峰值击穿电压和最大工作电流是正常工作时对应电压和电流的两倍。二极管在太阳能光伏发电系统中主要作用分为两类，一类用作防逆流二极管，一类用作旁路二极管。串联二极管作为防逆流二极管，并联二极管作为旁路二极管，如图2-7所示：图2-7 太阳能电池二极管的串并联Fig2-7 Series-parallel solar diodes2.5.1防反充（防逆流）二极管防反充二极管在太阳能能电池中有两个作用：一是防止蓄电池电流在太阳能电池组件或方阵在不发电时反过来向组件或方阵充电，形成逆流，不仅消耗能量，还会使组件或方阵发热甚至损坏；二是防止电池方阵各支路之间的电流倒送。并联的各支路方阵电压不可能绝对相等，各支路电压总有高低，各方阵不接串联防反充二极管时，高电压支路的电流就会流向低电压支路，不但降低方阵总体电压输出，还会对方阵造成严重破坏。即使各个支路电压相当，但当某一支路因为故障、阴影遮蔽等原因，使该支路的输出电压降低，同样会产生电流由高压方阵流向低压方阵。在独立光伏发电系统中，防反充二极管有时在光伏控制器中连接，此时电池组件、方阵输出就没必要再接二极管了。因为防反充二极管存在正向导通压降，一般使用的硅整流二极管管压降为0.7V左右，大功率二极管可达1-2V。肖特基二极管虽然正向导通压降较低，压降在0.2-0.3V之间，但其耐压值和功率都较小，只适合在小功率场合使用。不管怎样，二极管串联在电路中都会有一定的功率损耗。2.5.2旁路二极管由太阳能电池组件串联组成电池方阵支路或电池方阵时，需要在每块电池板的正负极输出端反向并联二极管，该二极管称为旁路二极管。旁路二极管的作用是当方阵串中某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障而停止发电时，在该组件旁路二极管两端会形成正向压差使二极管导通，电池组串的工作电流经旁路二极管旁流过，绕过故障组件，既不影响其他正常组件的发电，同时也保护被旁路组件，使之避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。旁路二极管一般都直接安装在组件接线盒，根据组件功率大小和电池组件串的多少，安装1-3个二极管，旁路二极管接法如图2-8所示：图2-8 带旁路二极管接法示意图Fig2-8 the schematic diagram of connection with bypass diode当组件单独使用或并联使用时，是不需要接旁路二极管的，因为单独使用时，如果有阴影或故障，没有别的电池电流流过故障电池，并联使用时，也不存在别的组件电池电流流经故障电池现象。对于组件串联数量不多且工作环境较好的场合，也可以考虑不用接旁路二极管。2.6太阳电池组件单个晶体太阳能电池没有什么实际效用，一般根据实际电压电流功率大小的需要，由多个单体太阳能电池进行串并联，组成太阳能电池组件，满足需要参数值。性能相似的太阳能电池串联时，电压将增加，电流不变。性能相似的太阳能电池并联时，电流值增加，电压值不变。太阳电池组件串/并联，为获得所需要的电压电流功率值，可将太阳电池组件进行串/并联混合组合。 太阳能组件串/并联应注意的问题：性能相似的组件串联到一起时，电流保持不变，电压将加倍。然而，当两个性能不同的组件串联到一起时，电压仍叠加，而电流将被限制在串联组中电流最小的组件电流值，因此，串联时各个组件应是工作电流一样的组件，并为每个组件并接旁路二极管。当两个一样的组件并联到一起时，电压保持不变，电流将加倍。然而，性能不同的组件并联到一起时，电流将增加，但总的输出电压又被钳制在组件中电压最小的组件电压值，所以，并联