【正文】 utsodcoooutooutacde3/13/00?????????? （ ） 以輸入 22V，輸出 12V，開(kāi)關(guān)頻率 )25(40 sTKHZ ?? 為例，若不考慮開(kāi)關(guān)損耗，且設(shè)開(kāi)關(guān)時(shí)間 sTs ?? ，根據(jù)公式 ()有 % ????? out outV V? （ ） 若考慮最理想情況下的開(kāi)關(guān)損耗，則由公式 ()有 %)253/( 12 ??????? （ ） 由此可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也是必須要考慮因素。由最大功率傳輸定理我們可知， 當(dāng)負(fù)載電阻與含源一端口的輸入電阻相等時(shí)獲得最大輸出功率，在此次試驗(yàn)中輸出電壓為電源電壓一半，滿(mǎn)足了最大功率傳輸定理。由表 可知， 當(dāng)?shù)碗娏鬟\(yùn)行時(shí)， 功率變換器的工作效率 就 能達(dá)到 80%以上，且當(dāng)電流升到 2A 以上時(shí)，工作效率將達(dá)到 85%，符合設(shè)計(jì)要求。其中主 電路涉及到高端 MOSFET 驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜，而且由于采用同步整流，且輸出端為電池類(lèi)負(fù)載，需要多路帶死區(qū)時(shí)間的 PWM輸出來(lái)控制，控制方式相當(dāng)復(fù)雜。首先，初始搜尋最大功率點(diǎn)耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，在環(huán)境溫度或日照量發(fā)生短時(shí)劇烈變化的情況下，仍然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)振蕩的影響；其次，在最大功率點(diǎn)處， 由于測(cè)量精度限制，不能準(zhǔn)確的判斷。 在本設(shè)計(jì)中，為了提高功率變換器的整體性能，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)電導(dǎo)增量法中的一些判定條件都進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母纳疲热?，通過(guò)限定 電壓跟蹤精度來(lái)保證準(zhǔn)確反饋，通過(guò)設(shè)定閥值來(lái)改善最大功率點(diǎn)附近的振蕩，這些設(shè)計(jì)都無(wú)疑使電導(dǎo)增量法 得到了有力的改善。因?yàn)楣β首儞Q器的輸出還要給電源模塊、 PWM 電路、液晶顯示模塊供電，而且電源模塊所用的 MC34063 芯 片效率不高，功率損耗較大，使得實(shí)際帶負(fù)載測(cè)試所得的效率偏小。由表 可知，當(dāng)使用功率變換器進(jìn)行 MPPT 時(shí)，可以顯著提高光伏電池板的輸出功率。實(shí)驗(yàn)時(shí)由穩(wěn)壓電源供電，帶電阻性負(fù)載對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測(cè)試，如圖 所示為驅(qū)動(dòng)電路輸出波形，如圖可知，驅(qū)動(dòng)波形穩(wěn)定。 1Q 電流從零上升到 0I 的同時(shí)， 1Q 電壓從最大值 dcV 下降到零，導(dǎo)通期間平均功率為 ? ?? onT dcoonon VIIV d TTTP 0 6/1)( () 而整個(gè)周期的平均功率為 )/)(6/( 0 TTVI ondc 。 當(dāng)忽略二次效應(yīng)和交流開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，導(dǎo)通損耗非常容易計(jì)算。導(dǎo)通損耗與平均直流電流有關(guān)，因此相對(duì)容易計(jì)算。 C335V/1000uC4104/CBBC535V/1000uC6104/CBBQ1IRF1404Q2IRF1404L1100uH/12APVVout 圖 輸出濾波電路 C0Q1Q2L1PVR0L0VoutGND 圖 輸出電容 C 及其寄生元件 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 由于輸出電容 0C 為大電解電容，因此在開(kāi)關(guān)頻率處，由 0C 產(chǎn)生的紋波電壓分量小于由 0R 產(chǎn)生的紋波電壓分量，因此在中頻段，對(duì)于一階系統(tǒng)，輸出紋波接近于等于串聯(lián)電感 1L 的交流紋波電流乘以 0R 。 將電感的選擇為保證直流輸出，電流波動(dòng)小于最大輸出電流的 10%，且電感電流保持連續(xù)，若設(shè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)輸出電流為 onI ，則有最小連續(xù)電流 onO II (min) ? ，斜坡電流為 onIdI ? ，由此可得有 LTVVLTVdI onoutdconL /)(/ ??? （ ） 式中 dcV 為開(kāi)關(guān)管輸出電壓， outV 為系統(tǒng)輸出電壓，所以 ononoutdconoutdc I TVVdI TVVL )()( ???? （ ） 式中， dcouton VTVT /? ，且 dcV 和 onI 是設(shè)計(jì)中確定的額定值，則 ondcoutoutdc IV TVVVL )(5 ?? （ ） 設(shè)最大輸出電流為 10A 輸出電壓為 12~，開(kāi)關(guān)管最大輸出電壓為 22V，開(kāi)關(guān)頻率為 40KHZ，因此， L 由公式 ()計(jì)算可得 HL ?8240 0001022 12)1222(5 ??? ?? （ ） 而在本設(shè)計(jì)中，選擇了 H?100 的電感，足夠保持電流連續(xù)，且電感輸出電流紋波AIdI on ?? 。 電壓則可通過(guò)運(yùn)算放大電路來(lái)檢測(cè)（見(jiàn)圖 ），通過(guò)圖 可列式 1 5 01 7 0201 7 0??? ??? PVPVPVVout （ ） 化簡(jiǎn)可得 ? ??? ?? PVPVVout 152 （ ） 通過(guò)將實(shí)際電壓衰減 倍，然后將檢測(cè)電壓傳給單片機(jī)來(lái)檢測(cè)電壓 +5V567B84U11BTL082PR24150kR2520kGNDR23150kR2220k+15V15VAD1PVPV+D61N5819D71N5819GND 圖 電壓檢測(cè)電路 在電壓電流檢測(cè)過(guò)程中，為了避免電壓紋波和擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算產(chǎn)生影響，在軟件上，只有當(dāng)電壓 跟蹤實(shí)現(xiàn)后單片機(jī)才能進(jìn)行電壓電流的采樣和功率反饋，避免因采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而產(chǎn)生誤判。用同步整流就不用擔(dān)心工作模式的改變（模式改變不利于變換器的穩(wěn)定），或者最小電感取多少，才能保證變換器工作于電流連續(xù)模式。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 主回路的選擇與設(shè)計(jì) 在目前很多應(yīng)用中，變換器的效率比總是要比成本更加重要，而當(dāng)效率很重要時(shí)，自然可以考慮同步整流，即輸出整流部分的功能用有源開(kāi)關(guān)來(lái)完成，而整流毫無(wú)例外地選用 MOSFET。 aabbt? t? t? 圖 不加死區(qū)的 PWM 輸出波型 所以在控制信號(hào)中必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間 t? ，以保證在一只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，另一只開(kāi)關(guān)管才能導(dǎo)通， 在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，一般設(shè)定死區(qū)時(shí)間為 500ns 至 1us（如圖 ） 。其輸出端口HO 和 LO 的輸出為互補(bǔ)的 PWM 波形，便可以用于驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管。 但是芯片 MC34063 效率并不高，其的極性反轉(zhuǎn)效率最高 65%，升壓效率最高 90%，降壓效率最高 80%，變換效率和工作 頻率濾波電容等成正比，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。片內(nèi)包含有溫度補(bǔ) 償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)，能輸出 的開(kāi)關(guān)電流。 充電后期（ cd 段），剩下的硫酸鉛已經(jīng)不多，而且一般都難以還原，輸入的電能逐步用來(lái)電解水，正極產(chǎn)生氧氣，負(fù)極產(chǎn)生氫氣，有的附著在極板上，有的形成氣泡逸出，當(dāng)氫氣和氧氣附著在極板上時(shí)，產(chǎn)生氣體電極電位，形成附加電動(dòng) 勢(shì)，使電壓又迅速上升，此后，當(dāng)電流全部用于電解水時(shí)，電動(dòng)勢(shì)和電壓不再升高，充電過(guò)程就結(jié)束了。一個(gè)單體電池，在電解液溫度為 20℃ 、以恒壓電流充電時(shí)，電流變化情況如圖 虛線(xiàn)所示。 鉛蓄電池的充電方法 鉛蓄電池充電方法按充電電流或電壓的數(shù)值變化情況不同，可分為恒流充電、恒壓充電和分段充電三種，其中以分段充電較為合理。當(dāng) batPV ee ? 時(shí)， PV 陣列收集的電荷已不能存儲(chǔ)到蓄電池中，降低了系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。但是，在較短的工作時(shí)間內(nèi)，由上 第二章節(jié) 的分析可知，當(dāng) PV 陣列的工作條件沒(méi)有出現(xiàn)大的變化時(shí)，認(rèn)為 PV 陣列的輸出電壓保持不變是合理的。 所以，在最大功率點(diǎn)處，可以引入新的判斷條件 ???????????|3||2||1|eUIdVdIedIedV （ ） 在條件成立時(shí)，即判定已經(jīng)達(dá)到了最大功率點(diǎn)，直接結(jié)束判定然后賦值，如圖 所示。同時(shí)，通過(guò)比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器進(jìn)行電壓跟蹤，使實(shí)際電壓能夠快速準(zhǔn)確地穩(wěn)定在期望值上 ??? tp edtSeKU 00exp （ ） 只有在電壓跟蹤實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行電壓電流的采樣和功率反饋，才能避免因采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而產(chǎn)生誤判，而通過(guò)恒壓跟蹤法可以很容易測(cè)試 PI 調(diào)節(jié)特性和實(shí)際電壓的跟蹤能力。 (3) 假設(shè)當(dāng)前光伏陣列的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)處 (附近 )，此時(shí)將有 0/ ?dUdP ，此時(shí)參考電壓將保持不變，也即光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)上。電導(dǎo)增量法只需要采樣太陽(yáng)能電池電壓和電流，最多計(jì)算一次電導(dǎo)增量，它在下一時(shí)刻的變化方向完全取決于在該時(shí)刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時(shí)負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時(shí)刻的工作點(diǎn)電壓以及功率的大小無(wú)關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度地快速變化，相對(duì)于常用的恒壓跟蹤法和擾動(dòng)觀測(cè)法，其控制精度更高。 除此之外還有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Neutral Network)、線(xiàn)性電流控制法、最優(yōu)梯度法、 RCC(Ripple Correlation Control)，基于狀態(tài)的 MPPT(Statebased MPPT)，滑模控制(Slide Mode Control)，負(fù)載電壓或電流最大化方法等。缺點(diǎn)為算法較復(fù)雜而且在調(diào)節(jié)工作點(diǎn)電壓的電導(dǎo)增量法中，當(dāng)光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，調(diào)節(jié)方法會(huì)出現(xiàn) “誤判 ”的情況，理 論上該方法跟蹤精度高，但由于傳感器的精密度等因素，此法在實(shí)際應(yīng)用中仍有誤差存在。所給出的 ????????點(diǎn)右邊點(diǎn)左邊點(diǎn)M P P ,0/M P P ,0/M P P ,0/dPdUdPdUdPdU （ ） 由于 dUU d IIdUU d IIdIUddUP //U/)(/d ????? （ ） 由公式（ ）可寫(xiě)成 ???????????點(diǎn)右邊點(diǎn)左邊點(diǎn)M P P ,//M P P ,//M P P ,//UIdUdIUIdUdIUIdUdI （ ） 因此當(dāng)輸出電導(dǎo)的 變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)。以圖 為例說(shuō)明：假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，光伏陣列工作電壓在 maxP 點(diǎn)左右波動(dòng)，當(dāng)日照強(qiáng)度突然增加時(shí)，光伏陣列輸出功率增加，這時(shí)如果參考電壓偏移到 1的位置，則系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為此 時(shí)參考電壓調(diào)整的方向與功率變化的方向相同，而繼續(xù)增大參考電壓使工作點(diǎn)移動(dòng)至位置 2，導(dǎo)致工作點(diǎn)進(jìn)一步遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)。 給定參考電壓變化的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)功率尋優(yōu)的過(guò)程。由表 可知，只要在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)只發(fā)生一次采樣，當(dāng)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)不是平均值而是瞬時(shí)電壓值和瞬時(shí)電流值時(shí)規(guī)則一樣成立。O)通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)達(dá)到光伏電池板的最大功率輸出點(diǎn)。以單晶硅光伏陣列為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高 1℃ 時(shí)，其開(kāi)路電壓下降率為 % %。b39。采用恒定電壓跟蹤恒壓控制與直接匹配的功率差值在圖中可以視為曲線(xiàn) L 與曲線(xiàn) mUU?之間的面積。假如曲線(xiàn) L 為負(fù)載特性曲線(xiàn)， a、 b、 c、 d 和 e 為相應(yīng)關(guān)照強(qiáng)度下直接匹配時(shí)的工作點(diǎn)。39。 負(fù) 載 2負(fù) 載 1曲 線(xiàn) 1曲 線(xiàn) 20IU39。A 點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)日照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。 為便于說(shuō)明，現(xiàn)將光伏陣列的輸出特性重新繪制如圖 所 示。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)必須采用相關(guān)電路和控制方法對(duì)輸出功率加以控制使其輸出最大功率。這里指的是太陽(yáng)電池溫度的變化，而不是環(huán)境溫度 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 溫 度 升 高 ， I s c 略 有 增 加)(AI)(VU溫 度 升 高 ， V o c 減 小 圖 溫度對(duì)太陽(yáng)電池的影響 由以上圖示可以得出以下結(jié)論：在一定溫度、日照條件下，太陽(yáng)電池的輸出功率具有最大值， 而太陽(yáng)電池一天中的最大功率點(diǎn)軌跡接近于某一恒壓，溫度變化對(duì)太陽(yáng)電池的輸出電壓有影響。 根據(jù)特性曲線(xiàn)可以定義出太陽(yáng)電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)： (1)短路電流 ( scI )：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電流； (2)開(kāi)路電壓 ( ocV )：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電壓； (3)最大功率點(diǎn)電流 ( mI )：在給定溫度日照條 件下最大功率點(diǎn)上的電流； (4)最大功率點(diǎn)電壓 ( mV )：在給定溫度日照條件下最大功率點(diǎn)上的電壓； (5)最大功率點(diǎn)功率 ( mP )：在給定溫度日照下所能輸出的最大功率為 mmm VIP ?? 。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的光伏電池要算硅光伏電池。這樣，在 PN 結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，也就是通常所說(shuō)的電壓。光伏電池是以光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。采用 Buck 同步整流變換器和微控制器實(shí)現(xiàn)光伏電池 MPPT 控制及蓄電池的能量管理，最后完成原型樣機(jī)參數(shù)分析與計(jì)算、元器件的選型及功能性測(cè)試，功率變換器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。近十年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量還是在快速增長(zhǎng)，然而，最近的文章大