【正文】 現(xiàn) MPPT 的核心思想是定時(shí)地掃描一段 (一般為 ~ 倍的開(kāi)路電壓 )陣列電壓，同時(shí)記錄下不同電壓下對(duì)應(yīng)的陣列電流值，經(jīng)過(guò)比較不同點(diǎn)的太陽(yáng)電池陣列的輸出功率就可以方便地得出最大功率點(diǎn)，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(diǎn)，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，即對(duì) UIP? 求全導(dǎo)數(shù)，可得 UdIIdUdP ?? （ ） 兩邊同時(shí)除以 dU ，可得 dUU dIIdUdP // ?? （ ） 令 0/ ?dUdP ,可得 UIdUdI // ?? （ ） 式（ ）即為達(dá)到光伏陣列最大功率點(diǎn)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(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)，若僅憑微分判斷式來(lái)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(diǎn)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(diǎn)就會(huì)始終在最大功率點(diǎn)附近振蕩，會(huì)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(bǔ)充充電和校驗(yàn)性充電等多種。充電完成斷開(kāi)充電電路，一方面由于附加電動(dòng)勢(shì)消失，一方面由于硫酸的繼續(xù)擴(kuò)散，電動(dòng)勢(shì)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(jì) 24 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，使用了 MC9S12XS128B 單片機(jī)的 PWM 模塊，內(nèi)部時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 120M，單片機(jī)中集成了 8 路 8 位獨(dú)立 PWM 通道，通過(guò)相應(yīng)設(shè)置可變成 4 個(gè) 16 為PWM 通道，每個(gè)通道都有專門的計(jì)數(shù)器， PWM 輸出極性和對(duì)齊方式可選擇， 8 個(gè)通道分兩組，共有 4 個(gè)時(shí)鐘源控制，在本設(shè)計(jì)中，選用了左對(duì)齊方式，該方式下，脈沖計(jì)數(shù)器為循環(huán)遞增計(jì)數(shù)。 例如選用頻率為 40K 的驅(qū)動(dòng)波形，其每個(gè)周期為 25us，當(dāng)加入 1us 死區(qū)時(shí)間時(shí)，不僅能起到保護(hù)作用而且不會(huì)對(duì)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(jì) 29 輸出電容選擇與設(shè)計(jì) 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(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗以及電感的磁芯損耗是，電路開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算將變得很復(fù)雜。同樣， 1Q 關(guān)斷 2Q 導(dǎo)通時(shí)，同上可得 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 ? ?? o ffT dcoo ffo ff VIIV dTTTP 0 6/1)( （ ） 而整個(gè)周期的平均功率為 )/)(6/( TTVI offdco 。 表 給蓄電池充電實(shí)驗(yàn)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(wú) MPPT充電電壓(V ) 無(wú) MPPT充電電流(A ) 無(wú) 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(gè)系統(tǒng)的工作效率。 然而通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)還存在一些需要改進(jìn)的地方。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(yùn)用電壓閉環(huán)反饋，完成了光伏充電功率變換器硬件實(shí)現(xiàn)的工作。 圖 驅(qū)動(dòng)電路輸出波形 圖 為所接穩(wěn)壓源為 32V 輸出時(shí)，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(shí)間內(nèi)，其電流平均值 可近似為直流輸出電流 oI 。 通過(guò)一些 廠家的產(chǎn)品目錄可知，對(duì)于很大范圍內(nèi)不同等級(jí)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(jìn)行反饋采樣，并使用最高中斷優(yōu)先級(jí)，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(huì)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(shí)，進(jìn)入算法中斷。 在選擇開(kāi)關(guān)管時(shí)， MOSFET 在小功率場(chǎng)合具有很大的優(yōu)勢(shì)， P 溝道 MOSFET 的 導(dǎo)通電阻要比 N 溝道的大，損耗也會(huì)相應(yīng)更大．而且在實(shí)際使用過(guò)程中，驅(qū)動(dòng) P 溝道MOSFET 使用下拉關(guān)斷電阻時(shí)，有時(shí)候會(huì)得到與期望不相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)速度，所以，本文文選用 N 溝道 MOSFET： IRF1404。實(shí)際輸出波形如圖 所示。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開(kāi)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(jiàn)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(shí)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(jì) 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(jì) 17 開(kāi) 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(jìn)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(cè)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(shí)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(guò)程中。在光伏電池板接功率變換器的情況下，可以通過(guò)向功率變換器給擾動(dòng)來(lái)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(qiáng)度下光伏陣列的輸出特性曲線， A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)分別為相應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)；并假定某一時(shí)刻，系統(tǒng)運(yùn)行在 A 點(diǎn)。為了提高光伏系統(tǒng)的利用效率，負(fù)載要及時(shí)跟蹤光伏組件輸出的最大功率點(diǎn)電壓，這就要求系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 太陽(yáng)能光伏板的輸出特性 針對(duì)光伏板的輸出特性，運(yùn)用 PSIM 仿真軟件中的 Solar Module 模塊進(jìn)行光伏板輸出仿真，如圖 所示。這種效應(yīng)。這種趨勢(shì)給人們一種 MPPT 技術(shù)沒(méi)有什么難點(diǎn)的錯(cuò)覺(jué)，而實(shí)際上，在 MPPT 實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中卻存在許多問(wèn)題難點(diǎn)。 (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(fèi)用。h。 太陽(yáng)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(shì)： (1)太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源。同時(shí)，軟件和硬件都對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。 本文實(shí)現(xiàn)了一種通過(guò)單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源使光伏電池給蓄電池充電的設(shè)計(jì)方案。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 光伏發(fā)電 課題研究的意義 人類社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)能源的利用。h，天然氣發(fā)電為 181g／ kW太陽(yáng)能光伏發(fā)電直接將太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電對(duì)能源的利用最直接。實(shí)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(shí)感到困難。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 光伏電池板的工作特性 太陽(yáng)能光伏板的基本工作原理 太陽(yáng)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(shí)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(guò)，如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。由圖 可見(jiàn)，短路電流 scI 線性地與日照強(qiáng)度成正比，而開(kāi)路 電壓的變化很慢。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(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏陣列的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn) (maximum power point, MPP)。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(diǎn)由 B點(diǎn)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(duì)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(diǎn)。一種解決這種矛盾的方法是運(yùn)用變步長(zhǎng)的方法，隨著功率點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近，擾動(dòng)步長(zhǎng)也減小。 缺點(diǎn)為： 1． 在光伏陣列最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行導(dǎo)致一定功率損失； 2． 跟蹤步長(zhǎng)的設(shè)定無(wú)法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度； 3． 在特定情況下會(huì)出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤情況。這種方法一般不會(huì)產(chǎn)生振蕩，同時(shí)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(guò)比較輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時(shí)電導(dǎo)值的大小來(lái)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(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，此時(shí)有 0/ ?dUdP 即 UIdUdI // ?? ，說(shuō)明參考電壓應(yīng)向著增大的方向變化。而且其需要的計(jì)算量較大，對(duì)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(gè)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(dòng)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(shí)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(jì) 27 電壓電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 可以通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)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(hào) U0 可以間接反映出被測(cè)電流 I1 的大小，即： I1∝ B1∝ U0。一般來(lái)說(shuō)，在我們考 慮串聯(lián)電感 1L （如圖 所示）的紋波電流幅值時(shí)，我們總希望這個(gè)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(kāi)通和關(guān)斷瞬間， 1Q 和 2Q 的開(kāi)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(kāi) 通 關(guān) 斷TonT offT0I dcV 圖 開(kāi)關(guān)管理想開(kāi)關(guān)波形 如果設(shè) soffon TTT ?? ，其中 sT 為 開(kāi)關(guān)時(shí)間，則總損耗為 TTIVP sodcac 3/)(? （ ） 而效率為 TTVVVTTIVIIVIVPPPPsdcoutoutsodcoooutooutacde3/13/00?????????? （ ） 以輸入 22V，輸