【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 很大，但隨著蓄電池電壓的漸漸升高，電流逐漸減小。在充電末期只有很小的電流通過(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。相對(duì)恒流充電來(lái)說(shuō)，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá)80％，如充電電壓選擇適當(dāng)，可在8小時(shí)內(nèi)完成充電。此法的充電特性曲線(xiàn)如圖29所示，此法也有其不足之處：1)在充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過(guò)流而受到損傷；2)如果蓄電池電壓過(guò)低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適合串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電；3)蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方式，在光伏小系統(tǒng)中常采用，由于其充電電源來(lái)自太陽(yáng)能陣列，其功率不足以使蓄電池產(chǎn)生很大的電流，所以在這樣的系統(tǒng)中蓄電池組串聯(lián)不多。圖28 恒流充電曲線(xiàn) 圖29 恒壓充電曲43第三章 最大功率點(diǎn)跟蹤原理所謂最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，即是指控制器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池充電。光伏陣列是一種非線(xiàn)性的電源。其輸出特性可以視為由恒電流區(qū)域與恒電壓區(qū)域組成，這兩塊區(qū)域的交接點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)。因而在不同的光照強(qiáng)度下，光伏陣列都會(huì)存在著這樣的一個(gè)最大功率點(diǎn)，從功率角度上可以將它們視為當(dāng)前工作情況下的最優(yōu)點(diǎn)。由于光照強(qiáng)度與溫度的變化將會(huì)分別改變這些恒電流區(qū)域和恒電壓區(qū)域，所以最大功率點(diǎn)也是隨之變化的。 常用最大功率點(diǎn)跟蹤原理在人類(lèi)面臨嚴(yán)重能源問(wèn)題和環(huán)保壓力下，太陽(yáng)能的利用越來(lái)越受到人們的重視。光伏陣列輸出特性具有非線(xiàn)性特征，并且其輸出電壓受太陽(yáng)光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的影響。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(xiàn)的最高點(diǎn)，稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)。由于目前光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，為了有效利用光伏電池，對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行最大功率跟蹤顯得非常重要。目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)提出了多種跟蹤方法其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過(guò)程，即通過(guò)太陽(yáng)能電池端電壓來(lái)控制最大功率的輸出。太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率特性曲線(xiàn)如圖31所示。圖31 光伏電池輸出功率特性由圖可知，當(dāng)太陽(yáng)能電池工作于最大功率點(diǎn)Vmax左側(cè)時(shí)，其輸出功率隨電池端電壓的上升而增加；當(dāng)太陽(yáng)能電池工作與最大功率點(diǎn)電壓Vmax右側(cè)時(shí)，其輸出功率隨電池端電壓的上升而減少。此外，MPPT控制也可以先根據(jù)采集到的太陽(yáng)能電壓電流值以及功率值來(lái)判斷其運(yùn)行在那個(gè)工作區(qū)，然后根據(jù)不通的工作區(qū)采取不同的工作指令進(jìn)行跟蹤控制。 伏陣列最大功率跟蹤點(diǎn)控制算法光伏陣列的電壓和電流、功率和電壓都是非線(xiàn)性的關(guān)系，不同的光照強(qiáng)度、溫度都會(huì)影響光伏陣列的輸出功率。為了提高太陽(yáng)電池的利用效率，就需要控制光伏陣列的輸出功率，使之根據(jù)實(shí)際的需要工作在最大功率點(diǎn)處。目前太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)有多種控制方式，常用的有恒電壓跟蹤法(CVT)、擾動(dòng)觀察法(Pamp。O)、增量電導(dǎo)法等。隨著智能控制的發(fā)展，又有模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。下面對(duì)太陽(yáng)能最大功率跟蹤控制方法中的恒電壓跟蹤法(CVT)與擾動(dòng)觀察法(Pamp。O)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并加以分析。 定電壓跟蹤法(CVT)[13]如圖32，當(dāng)忽略溫度效應(yīng)時(shí)，光伏陣列在不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)a’、b’、c’、d’和e’總是近似在某一恒定的電壓值Um附近。若曲線(xiàn)L為負(fù)載特性曲線(xiàn)，a、b、c、d和e為相應(yīng)光照強(qiáng)度下直接匹配時(shí)的工作點(diǎn)?？梢钥闯?，若直接匹配，則陣列輸出功率較小。為了彌補(bǔ)阻抗失配帶來(lái)的功率損失，采用CVT控制策略，在光伏陣列和負(fù)載之間通過(guò)一定的阻抗變換，使系統(tǒng)成為一個(gè)穩(wěn)壓器，從而陣列的工作點(diǎn)總穩(wěn)定在Um附近。圖32 恒壓跟蹤法原理圖CVT法簡(jiǎn)單可靠，在最大功率點(diǎn)附近不存在振蕩現(xiàn)象，可得到比直接匹配更高的功率輸出，還可以用來(lái)簡(jiǎn)化和近似最大功率點(diǎn)跟蹤控制。但一般硅型光伏陣列的Uoc都會(huì)受到結(jié)溫度的影響，在同樣的光照強(qiáng)度下，最大功率點(diǎn)還會(huì)受到溫度的影響。在光伏陣列的輸出功率將偏離最大功率輸出點(diǎn)，產(chǎn)生比較大的功率損失。定電壓法屬于早期的控制算法。但由于定電壓跟蹤方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定可靠,因此可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改善,或與其它方法進(jìn)行混合控制以達(dá)到良好的控制效果?？蓪⒍嘀嘏袚?jù)法與常壓法的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，形成混成MPPT法。直接以△P,△V和△I的正負(fù)為判據(jù)的多重判據(jù)法，取消了除法運(yùn)算，不僅節(jié)約MPU的資源，而且保證使用定點(diǎn)MPU就能獲得預(yù)期的控制效果。僅用△P和△V作為判據(jù)時(shí)，控制特性與ICT法的理想特性相同，而新增的I則能幫助判斷光照強(qiáng)度的變化，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)特性。三重判據(jù)所構(gòu)成的MPPT算法利用低成本定點(diǎn)MPU很容易實(shí)現(xiàn)。還可將擾動(dòng)觀察法與CVT法結(jié)合起來(lái)：前期使用擾動(dòng)觀察法盡快找到系統(tǒng)的最大功率輸出點(diǎn)，進(jìn)入穩(wěn)定階段后采用CVT法限制紋波，可達(dá)到更好的控制效率和精度。 干擾觀測(cè)法(Pamp。O)[1516]干擾觀測(cè)法是目前實(shí)現(xiàn)MPPT最常用的方法之一，又叫做爬山法。它通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)不斷施加擾動(dòng)來(lái)尋找最大功率點(diǎn)的方向，施加擾動(dòng)的對(duì)象可以是光伏陣列的輸出電壓或電流。其原理是先擾動(dòng)輸出電壓(電流)值，然后測(cè)其功率變化，與擾動(dòng)之前的功率值相比，如果功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng)；如果擾動(dòng)后功率值小于擾動(dòng)前的值，則往相反的方向擾動(dòng)。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)都具有PWM型的DC/DC和DC/AC變換器，即還可以通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比使光伏系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載匹配。其原理與對(duì)電壓、電流施加擾動(dòng)的方法相同。文獻(xiàn)[14]提出對(duì)占空比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其可以避免在穩(wěn)定狀態(tài)的振蕩。擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)：跟蹤方法簡(jiǎn)單可靠，對(duì)傳感器精度要求不高，容易實(shí)現(xiàn)。擾動(dòng)觀察法的缺點(diǎn)：跟蹤響應(yīng)速度慢，不能適用于光照強(qiáng)度變化較快的場(chǎng)合；跟蹤步長(zhǎng)選擇困難；光伏陣列的工作點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)情況下會(huì)在最大功率點(diǎn)附近小幅振蕩，造成一定的功率損失；在光照強(qiáng)度變化較快的情況下，跟蹤算法可能會(huì)失效從而得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)太陽(yáng)能充電器的硬件設(shè)計(jì)主要包括Buck主電路的元件參數(shù)計(jì)算與選擇，控制電路的設(shè)計(jì)，以及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖41 太陽(yáng)能充電控制器總體結(jié)構(gòu)示意圖太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)的組成原理如圖41所示，主要包括光伏電池陣列、鉛酸電池、控制器三個(gè)主要部分以及備用電源一個(gè)輔助部分。其中備用電源由開(kāi)關(guān)電源將220V交流市電變換成低壓直流電提供給系統(tǒng)即可，設(shè)計(jì)時(shí)只需要系統(tǒng)預(yù)留一個(gè)低壓直流電輸入接口。如圖41所示，太陽(yáng)能充電控制器主要由以上幾部分組成。光伏電池陣列發(fā)出的功率經(jīng)過(guò)DC/DC變換器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電?？刂苹芈芬罁?jù)4路采樣信號(hào)，即光伏電池陣列的輸出電壓；光伏電池陣列輸出端電流；鉛酸電池的充電電壓；鉛酸電池的充電電流。這4路采樣信號(hào)均是變化的直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換送入PIC16F877的AD端口。 Buck電路硬件設(shè)計(jì)Buck電路是系統(tǒng)的主電路，電路原理圖如圖42所示。Buck電路有兩個(gè)方面的功能：一是對(duì)鉛酸電池進(jìn)行充電控制，二是實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列的最大功率跟蹤。電路設(shè)計(jì)主要是對(duì)功率開(kāi)關(guān)管T、輸出濾波電感L和電容C進(jìn)行選擇。(1)電路拓?fù)銪uck電路屬于串聯(lián)型開(kāi)關(guān)變換器，又稱(chēng)為降壓變換器，由電壓源、串聯(lián)開(kāi)關(guān)、電感器、電容器和二極管構(gòu)成，其示意圖如圖42所示。圖42 Buck變換器拓?fù)鋱D(2)工作原理Buck變換器工作原理是通過(guò)斬波形式將平均輸出電壓予以降低，可以將輸入接在光伏電池輸出端，通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出電壓來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載之目的，以保持光伏陣列輸出電壓在最大功率點(diǎn)的電壓和電流處。Buck變換器的控制過(guò)程為：當(dāng)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，光伏電源通過(guò)電感線(xiàn)圈L向負(fù)載和電容供電，其等效電路如圖43(a)所示。在電感線(xiàn)圈未飽和前，電感電流線(xiàn)性增加，電感儲(chǔ)能，在負(fù)載R上流過(guò)電流為上升的電流，負(fù)載兩端輸出為上升的電壓，極性上正下負(fù)，電容處于充電狀態(tài)，這時(shí)二極管D1承受反向電壓；當(dāng)開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，由于電感線(xiàn)圈的續(xù)流作用，其電流由最初的不變而逐漸下降，負(fù)載R兩端電壓仍是上正下負(fù)，電容C處于放電狀態(tài)，有利于維持負(fù)載電流和電壓不變，這時(shí)Buck電路的等效電路如圖43(b)所示。這時(shí)二極管承受正向偏壓，構(gòu)成電流通路，故稱(chēng)D1為續(xù)流二極管。由于變換器輸出電壓Uo小于電源電壓Us，故稱(chēng)為降壓變換器。在開(kāi)關(guān)管T接通時(shí)電流i0,開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)電流i=0，故電流i是脈動(dòng)的。但光伏陣列輸出電流is是連續(xù)的，輸出電流Io連續(xù)和平穩(wěn)的，只是略有波動(dòng)。降壓變壓器輸出表達(dá)式為: (41)式中，Ts為開(kāi)關(guān)頻率控制周期，ton為每個(gè)控制周期內(nèi)開(kāi)關(guān)的持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間，D為開(kāi)關(guān)管T的導(dǎo)通占空比。(a) 開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)電路 (b) 開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)電路圖43 Buck變換器電路工作過(guò)程(3)光伏陣列最大功率點(diǎn)控制和蓄電池充電控制典型的Buck電路是連續(xù)向負(fù)載供電，間斷從電源取電的，如果直接將Buck電路接在光伏電池板上會(huì)造成光伏電池板輸出電流不連續(xù)而損失其發(fā)電功率，因此需要在光伏電池板輸出端并聯(lián)電容器以保證光伏陣列輸出電流的連續(xù)，如圖42中的C1。通過(guò)調(diào)節(jié)Buck電路的開(kāi)通占空比D達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的功效，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)光伏陣列輸出平均功率的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)控制。這里控制目標(biāo)是光伏陣列輸出功率為最大，調(diào)節(jié)手段是改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通占空比。由于光伏陣列的軟特性，并不是簡(jiǎn)單的增大開(kāi)關(guān)管占空比就能增大光伏陣列輸出功率。當(dāng)Buck電路負(fù)載為鉛酸電池時(shí)，其構(gòu)成了鉛酸電池充電電路，將鉛酸電池直接接在Buck電路的輸出端，通過(guò)調(diào)節(jié)鉛酸電池的端電壓實(shí)現(xiàn)鉛酸電池的充電控制，使用單片機(jī)智能控制方法，可以實(shí)現(xiàn)鉛酸電池的智能化充電控制和充放電能量管理。Buck電路廣泛應(yīng)用于光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤，鉛酸電池充電和光伏直流電機(jī)控制等，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、控制易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是只能用于降壓輸出控制。 控制器功能及工作原理本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能充電控制器對(duì)鉛酸電池進(jìn)行充電，設(shè)計(jì)控制器