摘 要

传统化石燃料储量的急剧减少和生存环境的恶化，人类迫切地需要开发利用各种清洁高效的可再生能源。光伏发电因清洁无污染、使用过程中无噪声、资源易获得、能量转换环节少以及能源可再生等优点引起了人们的广泛关注和迅速的发展，已经逐渐发展成为了一种主要的新能源利用形式。船舶对能源需求很大，特别是大型船舶柴油机燃用重油会产生含油污水和有毒液体，尾气中含有Nox、SOx和CO等有害物，带来环境污染。因此，造船和航运界迫切寻求新能源，如光伏发电推广应用于船舶，替代或部分替代传统能源，改善海洋环境。在船用光伏发电系统里，光伏控制器作为其中极其重要一环，一方面对储能蓄电池进行充放电控制，另一方面，在外界环境不断变化时，通过实时监测和调整光伏电池阵列输出电压，完成对光伏电池板最大功率点追踪。

本文利用MATLAB/Simulink搭建光伏电池工程用数学模型，分析不同环境参数下所对应太阳能电池输出电源特性；并在此基础上建立了基于Buck电路的光伏控制器仿真模型，而且对几种常用最大功率跟踪（MPPT）控制算法进行了研究和对比；最后完成了控制器电路原理设计、各元器件的选型以及几个主要软件程序的编写。其主要工作如下：

1、构建光伏电池数学模型，并根据相关思想对该模型进行适当简化，得到工程实用模型，再以英利YL275C-30b型单晶硅光伏电池组件为对象搭建模型，分析在不同环境参数下的U-I和U-P输出特性；

2、详细介绍了MPPT技术的基本概念和追踪原理，简要介绍了几种比较常用的MPPT算法，并比较分析了各自优缺点。对储能蓄电池的充电特性和方法作了简单介绍和分析，选择了适合于该设计的蓄电池，并与光伏电池特性结合起来，详述了分四个阶段充电的方法。

3、基于MATLAB/Simulink软件，搭建了光伏控制器数学模型；完成了船用光伏控制器电路原理设计，元器件选型，其中包含单片机控制单元中主控芯片、辅助电源电路、采样电路、驱动电路以及电压电流调理电路的选型设计，Buck功率单元中电感值L和电容值C的计算；开展了光伏控制器的软件设计，编写了MPPT主控程序和PI调节程序。

关键词：船舶海洋；太阳能光伏发电；MATLAB/Simulink；MPPT光伏控制器

Abstract

With the reduction of traditional fossil fuel reserves and the deterioration of the living environment, mankind urgently needs to develop and utilize various clean and renewable energy sources. Due to clean and pollution-free, the use of no noise, easy access to resources, less energy conversion links and energy renewable and other advantages, photovoltaic power generation have aroused widespread concern and rapidly development, it has become one of the major forms of new energy utilization.

Energy is largely demanded in ship, it is easy to cause pollution and waste, the ship exhaust gas containing NOx, SOx, CO and other harmful substances, the use of marine diesel engine will produce oily sewage and toxic liquids and other pollutants. Therefore, it is necessary to promote the use of photovoltaic power generation on the ship, to supplement the need of ship's traditional energy and improve the marine environment. The PV controller as an important part of the marine photovoltaic power generation system, on the one hand, it controls the charging and discharging of energy storage system, on the other hand, through real-time conversion of solar cell array output voltage, to achieve the maximum power solar panels tracking and improve the power generation efficiency of photovoltaic power.

This project uses MATLAB/Simulink software to set up photovoltaic mathematical model, analyzes the photovoltaic cell output power characteristics of different environment parameters, based on this, a simulation model of PV controller based on BUCK circuit is established, and several commonly used maximum power tracking (MPPT) control algorithms are studied and simulated, completes the marine photovoltaic controller hardware circuit and software design.The main researches include:

1. Set up the photovoltaic cell mathemmatical model, simplify it and deduce the practical engineering model. And then model the Yingli YL275C-30b single crystal silicon photovoltaic cell module to analyze the U-I and U-P output characteristic under different temperature and linght intensity.

2. Introduce the concept and tracing principle of MPPT technology, analyze and emulate several commonly used MPPT tracking algorithms. Analyze the charging characteristics and methods of the battery, combined with the characteristics of the photovoltaic cell, the four - stage charging method is described in detail.

3. Based on MATLAB / Simulink software, establish the mathematical model of photovoltaic cell controller. Complete the design of the hardware circuit of marine photovoltaic controller. Including selection and design of the single-chip control unit in the master chip, power supply circuit, sampling circuit, drive circuit, voltage and current conditioning circuit, calculation of inductance L and capacitance value C in BUCK power unit, and the selection of IGBT (insulated gate bipolar transistor)．Complete the entire PV controller software design，compile the MPPT master program and PI adjustment procedures according to the specific requirements and principles of the design，and two procedures were briefly introduced.

Key Word: Ship ocean；Solar photovoltaic power generation；MATLAB/Simulink；MPPT photovoltaic controller

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1 研究背景和意义 2

1.2 光伏发电的概念及特点 2

1.3 国内外船用光伏发电技术现状 3

1.4 MPPT技术的研究现状 5

1.5 本文研究内容和主要工作 6

第2章 光伏发电系统和储能器特性 7

2.1 光伏发电系统概述 7

2.1.1 光伏发电系统的分类 7

2.1.2 光伏发电系统组成 8

2.2 光伏电池数学模型及输出特性 9

2.2.1 光电转换原理 9

2.2.2 光伏电池等效模型 9

2.2.3 光伏电池数学模型 10

2.2.4 基于MATLAB/Simulink的建模和仿真 12

2.2.5 光伏电池输出特性 14

2.3 储能蓄电池的选型及特性分析 16

2.3.1 储能蓄电池的工作原理 16

2.3.2 储能蓄电池的充电方法 16

第3章 MPPT追踪控制策略及DC/DC实现电路的研究 18

3.1 MPPT追踪原理 18

3.2 几种常用的MPPT算法分析 18

3.2.1 恒定电压法（CVT） 19

3.2.2 扰动观察法（Pamp;O） 19

3.2.3 电导增量法（INC） 20

3.3基于Buck电路的MPPT仿真分析 21

第4章 光伏控制器设计 25

4.1 光伏控制器硬件设计 25

4.1.1 主控芯片选取 25

4.1.2 辅助电源电路 26

4.1.3 电流电压采样电路 29

4.1.4 驱动电路 30

4.1.5 Buck电路设计 31

4.2 光伏控制器软件设计 33

4.2.1 MPPT主控程序设计 33

4.2.2 PI调节程序设计 33

第5章 总结与展望 35

5.1 课题总结 35

5.2 工作展望 35

参考文献 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着人口数目的不断增多和工业科技的发展进步，能源消耗量增大，能源短缺的问题已呈现在我们面前。根据英国BP公司2016年统计年鉴显示：截至到2016年初，全球煤炭、石油和天然气的剩余探明可采储量分别是8915.31亿吨、2394亿吨和186.91万亿立方米，折合成标准煤共计1.2万亿吨，按照目前世界平均开采强度，全球煤炭、石油和天然气分别可开采114年、50.9年和52.8年。在此次报告中，中国的煤炭、石油以及天然气三项能源的储量分别为1145亿吨、25亿吨和3.8万亿立方米，分别可开采31年、11.7年和27.8年。传统化石能源的过度使用不仅造成了大范围的环境污染，也刺激了其开采量的增长，导致储量急剧减少，影响着各行各业的发展。

针对目前的能源危机和环境污染问题，大力开发各类清洁高效的新能源和可再生能源已成为当前全球关注的焦点。太阳能因其自身清洁无污染、使用中无噪声和废气等杂物的产生、适用范围广、能量来源免费等优点，无疑成为了最具有前景的可再生能源。随着科技的飞速进步，光伏发电技术在日常生活和工程实用中所占比例越来越大。