【正文】 現(xiàn) MPPT 的核心思想是定時地掃描一段 (一般為 ~ 倍的開路電壓 )陣列電壓，同時記錄下不同電壓下對應(yīng)的陣列電流值，經(jīng)過比較不同點的太陽電池陣列的輸出功率就可以方便地得出最大功率點，而不需要一直處于搜尋狀態(tài)。 增量電導(dǎo)法則是根據(jù)光伏陣列 UP? 曲線為一條一階連續(xù)可導(dǎo)的 單峰曲線的 特點，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，即對 UIP? 求全導(dǎo)數(shù)，可得 UdIIdUdP ?? （ ） 兩邊同時除以 dU ，可得 dUU dIIdUdP // ?? （ ） 令 0/ ?dUdP ,可得 UIdUdI // ?? （ ） 式（ ）即為達到光伏陣列最大功率點所需滿足的條件。 雖 然電導(dǎo)增量法的理論推導(dǎo)是完滿的，但此法是以改變光伏電池的輸出電壓來達到最大功率點，若僅憑微分判斷式來調(diào)整電壓，在外在因素持續(xù)變化的情況下，在最大功率點處，由于傳感器精度原因， 0/ ?dVdP 很難準(zhǔn)確判斷，因此就需要不斷地調(diào)整參考電壓，光伏電池的工作點就會始終在最大功率點附近振蕩，會造成一定的功率損失。根據(jù)戴 維南定理，建立 PV陣列的線性等效模型，同理，也可以將蓄電池線性化，如圖 所示。按充電目的不同，又可分為初次充電、正常充電、補充充電和校驗性充電等多種。充電完成斷開充電電路，一方面由于附加電動勢消失，一方面由于硫酸的繼續(xù)擴散，電動勢逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 24 驅(qū)動電路設(shè)計 在本設(shè)計中，使用了 MC9S12XS128B 單片機的 PWM 模塊，內(nèi)部時鐘頻率最高可達 120M，單片機中集成了 8 路 8 位獨立 PWM 通道，通過相應(yīng)設(shè)置可變成 4 個 16 為PWM 通道，每個通道都有專門的計數(shù)器， PWM 輸出極性和對齊方式可選擇， 8 個通道分兩組，共有 4 個時鐘源控制，在本設(shè)計中，選用了左對齊方式，該方式下，脈沖計數(shù)器為循環(huán)遞增計數(shù)。 例如選用頻率為 40K 的驅(qū)動波形，其每個周期為 25us，當(dāng)加入 1us 死區(qū)時間時，不僅能起到保護作用而且不會對輸出精度造成影響。如圖 所示，左邊為采用 MOSFET 的同步整流變換器右邊 為采用二極管的非同步式整流變換器。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 29 輸出電容選擇與設(shè)計 如圖 所示的輸出濾波電路，由于 3C 、 4C 并非理想電容，它可以等效為寄生電阻 0R 和電感 0L 與其理想純電容 0C 的串聯(lián)，如圖 所示。當(dāng)考慮開關(guān)管的開關(guān)損耗以及電感的磁芯損耗是，電路開關(guān)損耗的計算將變得很復(fù)雜。同樣， 1Q 關(guān)斷 2Q 導(dǎo)通時，同上可得 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 32 ? ?? o ffT dcoo ffo ff VIIV dTTTP 0 6/1)( （ ） 而整個周期的平均功率為 )/)(6/( TTVI offdco 。 表 給蓄電池充電實驗數(shù)據(jù)比較 有 MPPT充電電壓(V ) 有 MPPT充電電流( A) 有 MPPT輸出功率（ W） 無 MPPT充電電壓(V ) 無 MPPT充電電流(A ) 無 MPPT輸出功率(W) 輸出功率提高百分比 % % % % % % 如表 所示為接上功率變換器后 ，整個系統(tǒng)的工作效率。 然而通過實驗測試，我發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)還存在一些需要改進的地方。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 35 7 總結(jié)與展望 本文在基于 MPPT 算法理論研究的基礎(chǔ)上，運用電壓閉環(huán)反饋，完成了光伏充電功率變換器硬件實現(xiàn)的工作。 圖 驅(qū)動電路輸出波形 圖 為所接穩(wěn)壓源為 32V 輸出時，功率變換器的輸出電壓電流波形，如圖可知輸出電壓穩(wěn)定為為 為電源電壓的一半。在 1Q 和 2Q 導(dǎo)通時間內(nèi)，其電流平均值 可近似為直流輸出電流 oI 。 通過一些 廠家的產(chǎn)品目錄可知，對于很大范圍內(nèi)不同等級不同容值的常用鋁電解電容，其 00CR 的值近似為常數(shù)，為 F?? 61080~50 。為了避免誤判，在軟件程序中使用 40K 的采樣頻率進行反饋采樣，并使用最高中斷優(yōu)先級，只有在采樣所得電壓已經(jīng)跟蹤上期望電壓值的情況下，程序才會執(zhí)行 MPPT 中斷程序 ，否則繼續(xù)執(zhí)行下一次采樣，直到得到正確采樣值時，進入算法中斷。 在選擇開關(guān)管時， MOSFET 在小功率場合具有很大的優(yōu)勢， P 溝道 MOSFET 的 導(dǎo)通電阻要比 N 溝道的大，損耗也會相應(yīng)更大．而且在實際使用過程中，驅(qū)動 P 溝道MOSFET 使用下拉關(guān)斷電阻時，有時候會得到與期望不相對應(yīng)的開關(guān)速度，所以，本文文選用 N 溝道 MOSFET： IRF1404。實際輸出波形如圖 所示。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。從充電特性曲線可見充電電壓也具有明顯的階段性。 根據(jù)圖 ，蓄電池電荷收集最大化就是：以光伏陣列和蓄電池的等效電 壓及內(nèi)阻參數(shù)為輸入變量，并考慮能量變換的物理實現(xiàn)條件，求解最優(yōu)能量變換輸出電壓 outu ，使充電電流 ci 最大，即 )ma x (a r g)ma x (a r g b a t b a to u tcc r euii ??? （ ） 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 19 約束條件為 lossbatPV PPP ?? （ ） 其中， PVinPV iuP ? 為 PV 陣列提供功率； coutbat iuP ? ，為蓄電池充電功率； )1( conPVloss PP ??? ，為充電控制電路的損耗，由控制電路的變換效率 con? 確定 。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 17 開 始采 樣 U k 、 I k|1| edU ?|3| eUIdUdI ?? |2| edI ?UIdUdI ??UUU ??? e x pe x p UUU ??? e x pe x p UUU ??? e x pe x p UU ??? e x pe x p0?dI11????KKKKIIUU結(jié) 束Y YYY YNNNNN 圖 改進的電導(dǎo)增量法流程圖 本章小結(jié) 本章中主要研究了 MPPT 的常用算法，并根據(jù)算法 給出了相關(guān)的程序流程圖。 電導(dǎo)增量法控制流程圖如圖 所示，圖中 kU 、 kI 為檢測到光伏陣列當(dāng)前電壓、電流值， 1?kU 、 1?kI 為上一控制周期的采樣值。 綜上所述，這些方法在復(fù)雜性，是否需要傳感器、收斂速度、成本、效率、硬件實現(xiàn)、廣泛性等方面都有所不同，難以分出孰優(yōu)孰劣。光伏電池輸出最大功率。由于在尋優(yōu)過程中。在光伏電池板接功率變換器的情況下，可以通過向功率變換器給擾動來調(diào)節(jié)電池板輸出電壓。c39。顯然，如果采用直接匹配，其陣列的輸出功率比較小。AB39。假定圖中曲線 1 和曲線 2 為兩不同日照強度下光伏陣列的輸出特性曲線， A 點和 B 點分別為相應(yīng)的最大功率輸出點；并假定某一時刻，系統(tǒng)運行在 A 點。為了提高光伏系統(tǒng)的利用效率，負(fù)載要及時跟蹤光伏組件輸出的最大功率點電壓，這就要求系統(tǒng)要能實現(xiàn)最大功率點跟蹤。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 5 太陽能光伏板的輸出特性 針對光伏板的輸出特性，運用 PSIM 仿真軟件中的 Solar Module 模塊進行光伏板輸出仿真，如圖 所示。這種效應(yīng)。這種趨勢給人們一種 MPPT 技術(shù)沒有什么難點的錯覺，而實際上，在 MPPT 實際運用過程中卻存在許多問題難點。 (7)光伏建筑集成 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)的推廣應(yīng)用可以節(jié)省建立發(fā)電基地使用的土地面積和費用。h。 太陽能發(fā)電與傳統(tǒng)的火力發(fā)電、水力發(fā)電以 及利用風(fēng)能、核能、生物質(zhì)能等，新能源發(fā)電相比較有以下優(yōu)勢： (1)太陽能是取之不盡的可再生能源。同時，軟件和硬件都對系統(tǒng)進行了保護，實現(xiàn)了系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。 本文實現(xiàn)了一種通過單片機控制開關(guān)電源使光伏電池給蓄電池充電的設(shè)計方案。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 1 1 緒論 光伏發(fā)電 課題研究的意義 人類社會的發(fā)展離不開能源的利用。h，天然氣發(fā)電為 181g／ kW太陽能光伏發(fā)電直接將太陽能輻射能轉(zhuǎn)換為電能，在各種可再生能源的利用形式中，太陽能光伏發(fā)電對能源的利用最直接。實際上，如此多方法的提出反而讓我們?yōu)?PV 系統(tǒng)尋找一種最適合的算法時感到困難。 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。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。由圖 可見，短路電流 scI 線性地與日照強度成正比，而開路 電壓的變化很慢。在一定的日照強度和環(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到最大值，這時光伏陣列的工作點就達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)。同樣，如果日照強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。39。 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。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。一種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。 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。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。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。而且其需要的計算量較大，對系統(tǒng)的性能要求較高。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 。 鉛蓄電池充電特性主要是指充電電壓的變化規(guī)律。 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。脈寬調(diào)制電路電路如圖 所示。 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)。 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。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。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。 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 TTVVVTTIVIIVIVPPPPsdcoutoutsodcoooutooutacde3/13/00?????????? （ ） 以輸入 22V，輸