【正文】 感到困難。例如光照和溫度變化引起的系統(tǒng)振蕩，局部遮陰時所形成的局部最大功率點和系統(tǒng)真正最大功 率點的判別，再比如系統(tǒng)工作效率的提升，這都表明我們需要通過實際的硬件和軟件來實現(xiàn) MPPT 算法，并在此過程中對 MPPT 算法進(jìn)行研究。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 4 2 光伏電池板的工作特性 太陽能光伏板的基本工作原理 太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率相對較高。如果這時分別在 P 型層和 N 型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。 圖 光伏板輸出仿真 光伏模塊電器設(shè)定參數(shù)如圖 所示 圖 光伏模塊參數(shù)設(shè)定 太陽電池在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽電池的輸出電壓和電流之間有如下關(guān)系，如圖 所示。由圖 可見，短路電流 scI 線性地與日照強(qiáng)度成正比，而開路 電壓的變化很慢。 綜上所述，光伏電池的輸出功率與它所受的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。在一定的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時光伏陣列的工作點就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點 (maximum power point, MPP)。當(dāng)日照強(qiáng)度發(fā)生變化，即光伏陣列的輸出特性由曲線 1 上升為曲線 2。同樣，如果日照強(qiáng)度變化使得光伏陣列的輸出特 性由曲線 2 減至曲線 1，則相應(yīng)的工作點由 B點變化到 39。 圖 MPPT 方法示意圖 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 常用 MPPT 算法 恒壓跟蹤法 恒電壓跟蹤 (CVT)方法從嚴(yán)格的意義上來講并不是一種真正意義上的最大功率跟蹤方式，它屬于一種曲線擬合方式，其工作原理如圖 所示，忽略溫度效應(yīng)時，光伏陣列在不同日照強(qiáng)度下的最大功率輸出點 39。39。為了彌補(bǔ)阻抗失配帶來的功率損失，可以采用恒定電壓跟蹤方法，在光伏陣列和負(fù)載之間通過一定的阻抗變換，使得系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)壓器的功能，使陣列的工作點始終穩(wěn)定在 mU 附近。 024681_1I 2_1I 3_I 4_1I51 0 1 5 2 0 2 5)(VU2/8 00 mW 2/6 0 0 mW 2/1000 mW2/400 mWabcd 39。dLmaxPmU 圖 忽略溫度效應(yīng)時的光伏陣列輸出特性與負(fù)載匹配曲線 CVT 方式具有控制簡單，可靠性高，穩(wěn) 定性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，比一般光伏系統(tǒng)可望多獲得 20%的電能，較之不帶 CVT 的直接耦合要有利得多。對于四季溫差或日溫差比較大的地區(qū)， CVT 方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤到光伏陣列的最大功率點。 0 5 1 01 52 0 2 5MPPP AI/MPPU02468 圖 擾動觀察法 通過圖 我們可以看到，當(dāng)處在最大功率點左邊時功率隨著電壓的增大（減?。┒龃螅p?。?，當(dāng)處在最大功率點右邊時候功率隨電壓的增大（減?。┒鴾p?。ㄔ龃螅Ｒ环N解決這種矛盾的方法是運用變步長的方法，隨著功率點向最大功率點靠近，擾動步長也減小。不斷地調(diào)整參考電壓，因此，光伏陣列的工作點始終在最大功率點附近振蕩，無法穩(wěn)定工作在最大功率點上，從而也造成了一定的功率損失。 缺點為： 1． 在光伏陣列最大功率點附近振蕩運行導(dǎo)致一定功率損失； 2． 跟蹤步長的設(shè)定無法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度； 3． 在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤情況。若不相等，則要判斷 dUdP/ 或者 dUdI/ 是大于零或小于零。這種方法一般不會產(chǎn)生振蕩，同時避免了其它方法由于需要搜索而引起的功率損失。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場合等 選擇適合的 MPPT 技術(shù)。這種方法是通過比較輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時電導(dǎo)值的大小來決定參考電壓變化的方向，下面就幾種情況加以分析： (1) 假設(shè)當(dāng)前的光伏陣列的工作點位于最大功率點的左側(cè)時，此時有 0/ ?dUdP 即 UIdUdI // ?? ，說明參考電壓應(yīng)向著增大的方向變化。這種方法比干擾觀察法好，因為它在下一時刻的變化方向完全取決于在該時刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時刻的工作點電壓以及功率的大小無關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度地快速變化，其控制精度較高。而且其需要的計算量較大，對系統(tǒng)的性能要求較高。通過對各種方法的所有缺點比較，選擇了電導(dǎo)增量法作為本設(shè)計的 MPPT 實現(xiàn)算法，并在原有電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng) 優(yōu)化 ，通過 PI 調(diào)節(jié)提高了反饋的精度，而且通過設(shè)定閥值有效減小了最大功率點附近的振蕩，使 MPPT 算法的實現(xiàn)更加精準(zhǔn)。該模型由 PV 陣列等效電壓源、蓄電池等效電壓源和充電控制電路 3 個部分組成，其中， PV 陣列的等效電壓為 PVe ，等效電阻為 PVr ；蓄電池的等效電壓為 bate ，等效電阻 batr ；充電控制電路的輸入電壓為 inu ；輸出電壓為 outu 。 把公式（ ）的各關(guān)系代入公式（ ），整理得： 0)2()2( 22 ???? bat c o nPVbatbatbatbatc rPrerei ? （ ） 求解得： batPVc o nbatbatbatc r Preei 2 42 ????? （ ） 根據(jù)圖 所示 PV 陣列的戴維南等效模型和最大功率傳輸原理，當(dāng) 2/PVin eu ? 時，PV 陣列輸出功率為最大，即 PVPVPV reP /)2/( 2? （ ） 把公式（ ）代入公式（ ），則在 PV 陣列 MPPT 時的充電電流為 batbatPVc onPVbatbatbatbatPVPVc onbatbatbatcrrrereerrereei2)//(2/)2/(42222?????????? （ ） 上述最大功率點充電電流計算過程是建立在系統(tǒng)參數(shù)為時不變（或靜態(tài)）的基礎(chǔ)上的，但實際應(yīng)用中 PV 陣列對蓄電池充電過程是一個 動態(tài)的過程，即等效電壓電阻參數(shù)PVe 、 PVr 、 bate 、 batr 、 con? 要隨時間而變化。 鉛蓄電池充電特性主要是指充電電壓的變化規(guī)律。 VU /1 2 . 01 3 . 01 4 . 0abcdUEht / 圖 鉛蓄電池的充電電壓特性 充電初期（ ab 段），化學(xué)反應(yīng)先在極板孔隙內(nèi)進(jìn)行，硫酸鉛還原成鉛、二氧化鉛和硫酸 PbSOHP b OOHP b S O ???? 42224 222 （ ） 此時電解液濃度擴(kuò)散速度慢，孔隙內(nèi)電解液密度增加快，因此電動勢和電壓上升就快。 在此階段，使用浮充充電，可將其電壓設(shè)定為 或充電電流小于 AhmA/10 自動轉(zhuǎn)入浮充。其 MC34063 引腳圖及原理框圖如圖 所示 123487651 . 2 5 V r e f參 考 電 源+比 較 器C T 振 蕩 器ET 2T 1QSRDBAC開 關(guān) 管 集 電 極開 關(guān) 管 發(fā) 射 極定 時 電 容地驅(qū) 動 管 集 電 極電 流 檢 測V +比 較 器 反 向 輸 入 圖 MC34063 引腳圖及原理框圖 MC34063 芯片特點： （ 1）能在 的輸入電壓下工作 （ 2） 短路電流限制 （ 3） 低靜態(tài)電流 （ 4） 輸出開關(guān)電流可達(dá) （無外接三極管） （ 5） 輸出電壓可調(diào) （ 6） 工作振蕩頻率從 100HZ 到 100KHZ 如圖 為 MC34063 的升壓電路， 4 端接地， 芯片內(nèi)為 參考電壓， 4 端和 5 端由運放的虛短虛斷可知， 5 端電壓為 ，由此可以算出輸出電壓 221 )( R RRVou t ?? （ ） 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 22 R4180RR3D11N5819C2221GNDR1R212345678UMC34063C1VinVoutC3GNDL1 圖 MC34063 升壓電路 如圖 為 MC34063 的反向變換電路，此時由于電容 3 使電壓反向，端口 5 的參考電壓為 ，于是得到輸出電壓 221 ) R RRVout ??? （ （ ） 12345678UMC34063L1GNDC1GNDR3D11N5819R1C2221R2C3VoutVin 圖 MC34063 反向變換器 考慮到運算放大器芯片需要的供電電流在幾十毫安以內(nèi)，只需要常見的穩(wěn)壓芯片78L15 和 79L15 就可以滿足設(shè)計要求了，設(shè)計電路圖如圖，由公式 ()和公式 ()可以求得升壓電路部分輸出電壓為 )( ???outV （ ） 反向變換器的輸出電壓為 )(* ?????outV （ ） 再經(jīng)過芯片 79L15 和 78L15 穩(wěn)壓和 LC 電路濾波，則可以得到穩(wěn)定的 V15? 電壓 ,如圖 所示。脈寬調(diào)制電路電路如圖 所示。 圖 實際 PWM 波形圖 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 25 由于主電路運用了同步整流拓?fù)洌?MOSFET 管可以雙向?qū)?，所?Q1 和 Q2 不能同時導(dǎo)通，不然光伏板輸出端會出現(xiàn)短路。 abba 圖 帶死區(qū)的 PWM 輸出波形 功率變換器的輸出電壓由 TTVV ondcout /? 決定，與導(dǎo)通時間和工作頻率有關(guān)。 同時使用同步整流還有另外一個更深層次的原因，即同步整流能夠把斷續(xù)模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)模式來工作。 Q2IRF1404Q1IRF1404L1C1VCCGNDVoutQ2IRF1404L1C1VCCGNDVout 圖 采用 MOSFET 的同步整流變換器 (左 ) 采用二極管的非同步式整流變換器 (右 ) 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 27 電壓電流檢測電路的設(shè)計 可以通過霍爾傳感器檢測電流，由于磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓訊號 U0 可以間接反映出被測電流 I1 的大小，即： I1∝ B1∝ U0。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 28 輸出濾波電路的設(shè)計 連續(xù)工作模式電感的設(shè)計 對于 BUCK 工作電路，不連續(xù)工作模式不是必須重點考慮的問題，但是對于本設(shè)計，需要通過電感的設(shè)計使電流保持連續(xù)。一般來說，在我們考 慮串聯(lián)電感 1L （如圖 所示）的紋波電流幅值時，我們總希望這個紋波電流的大部分分量流入輸出電容 0C ，因此輸出電壓的紋波由輸出濾波電容 0C 、電阻 0R 和電感 0L 決定。若串聯(lián)電感 1L 的輸出電流紋波 AdI 2? ，要保證輸出紋波電壓峰峰值 mVVrr 50? ，如果假設(shè)輸出紋波電壓的大部分分量由電阻 0R產(chǎn)生，則可以選擇電容器使得 0R 滿足紋波電壓要求 ???? 0 2 () 由上式可得 FC ?2 0 0 00 2 ??? ? () 本章小結(jié) 對于直流功率變換器來說，硬件設(shè)計的重難點就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、 PWM 和濾波電路的設(shè)計，在本章中，主要針這三個難點，通過分析確定了主電路的拓?fù)溥x擇和PWM 電路的設(shè)計， 并對輸出濾波電路的電感電容進(jìn)行了精確的計算。在開通和關(guān)斷瞬間， 1Q 和 2Q 的開關(guān)損耗是由電流和電壓的交疊產(chǎn)生的，而電感 1L 的電流紋波在磁芯材料上產(chǎn)生磁滯和渦流損耗。由于在很寬的范圍內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通壓降均為 1V，所以導(dǎo)通損耗可表達(dá)為 oof foonode ITTITTIQLQLP ????? 11)()( 21 （ ） 若忽略開關(guān)損耗，則與導(dǎo)通相關(guān)的效率為 10 0 ?????? o u to u too u to u t oo u tde V VIIV IVPP P? （ ） 而交流開關(guān)損耗可以根據(jù)某時 間段內(nèi)電壓電流動態(tài)曲線按照上升電流和下降電壓的斜率計算。 電壓1Q 電流1Q 開 通 關(guān) 斷TonT offT0I dcV 圖 開關(guān)管理想開關(guān)波形 如果設(shè) soffon TTT ?? ，其中 sT 為 開關(guān)時間，則總損耗為 TTIVP sodcac 3/)(? （ ） 而效率為 TTVVVTTIVIIVIVPPP