【正文】 電器，2011年，(14)1016．] 電導(dǎo)增量法實驗采用電導(dǎo)增量法作為最大功率點跟蹤方法，給出太陽能光伏電池特性曲線如圖31：圖31 光伏電池特性曲線Fig31 PV cell characteristic curve由太陽能電池特性曲線知，最大功率點在處，電導(dǎo)增量法根本控制思想就是要找到處的電壓，其方法是是通過比較的符號不斷的改變控制信號，直到找到的點。最大功率點處的光伏電池輸出功率與輸出電壓滿足條件 (31) (32)可得 (33)G為光電池輸出特性曲線的電導(dǎo)；dG為電導(dǎo)G的增量，增量，可以分別等效于，即有： (34) (35)基于公式(31)、(33)、(34)、(35)，推導(dǎo)得到系統(tǒng)最大功率點的三個判據(jù)： (36) (37) (38)由式(36)知，下一控制周期需要增大參考電壓；由式(37)知，下一控制周期需要減小參考電壓；由式(38)知，此時系統(tǒng)工作在最大功率點處，下控制一周期電壓增量保持為零。實際運用過程中，由于傳感器采樣出來的電壓電流信號會有誤差，即使實際上系統(tǒng)已經(jīng)運行在最大功率點處，但由于采樣誤差的存在，使得判據(jù)不等于零，那么系統(tǒng)就會繼續(xù)尋找，或增大電壓或減小電壓，這樣系統(tǒng)就會在最大功率點左右小幅度震動，偏離最大功率點，造成不必要的功率損耗。為此，根據(jù)實際應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)男薷呐袚?jù)，即設(shè)定一個允許范圍內(nèi)的絕對值誤差，當(dāng)，即時，認(rèn)定，此時系統(tǒng)已經(jīng)工作在最大功率點允許誤差范圍內(nèi)，電壓增量保持為零即可，此時系統(tǒng)可以平穩(wěn)的運行在最大功率點附近，不至于震動。本實驗太陽能電池板最大功率點處的工作電壓=，開路電壓=，太陽光輻射強度不同時，輸出功率的最大功率點也跟著變化，所以為了更快的找到最大功率點，減少尋找時間，在啟動系統(tǒng)的時候，首先調(diào)整升壓電路占空比，使得輸出電壓達(dá)到30v，然后再根據(jù)最大功率點判據(jù)進(jìn)一步調(diào)整。在調(diào)整的過程中，采用變步長增加或減小電壓，即還沒有到達(dá)最大功率點的時候，取大些，當(dāng)達(dá)到最大功率點時，取小些，變步長調(diào)整電壓，可一是系統(tǒng)快速尋找到最大功率點，且在最大功率點處波動小，穩(wěn)定運行。 電導(dǎo)增量法的優(yōu)點：能夠快速準(zhǔn)確地使系統(tǒng)工作在最大功率點處，并在最大功率點處穩(wěn)定運行，沒有震蕩。當(dāng)外界光照條件劇烈變化時，電導(dǎo)增量法根據(jù)判據(jù)符號做出判斷，也能很好地快速跟蹤，不會引起誤判，系統(tǒng)運行效果較好。電導(dǎo)增量法的缺點：電導(dǎo)增量算法對采樣精度和硬件電路要求非常高，單片機需要不斷反復(fù)進(jìn)行微分運算，系統(tǒng)的計算量較大，需要運行速度快的處理器，成本相對較高。 基于電導(dǎo)增量法的程序流程圖圖32 MPPT控制流程Fig32 The control flow charts of MPPT圖32中和分別為電壓、電流第n次采樣和第n1次采樣的差值，和為電導(dǎo)和電導(dǎo)增量，和分別為上一控制周期和當(dāng)前控制周期的電壓參考值。 最大功率跟蹤采用的硬件電路最大功率點跟蹤可以用Buck降壓電路或者Boost升壓電路實現(xiàn)，他們各有優(yōu)缺點，給出這兩種電路的實現(xiàn)原理圖和計算方法。論文結(jié)合Boost斬波升壓電路和Buck斬波降壓電路，提出利用BoostBuck升降壓電路實現(xiàn)MPPT的方法。 Buck 降壓電路及算法 圖33 Buck降壓電路Fig33 Buck chopper circuit圖33所示，輸出電壓為式 (39)： (39)D為控制MOS管的占空比， 為太陽能電池輸出電壓，經(jīng)過Buck后的輸出電壓。通過調(diào)整占空比D的大小，即可調(diào)節(jié)輸出電壓，實現(xiàn)最大功率跟蹤。從電壓角度研究：由于Buck降壓電路只能降低輸出電池電壓，當(dāng)需要輸出高于太陽能電池電壓才能實現(xiàn)電池最大功率輸出時，Buck降壓電路跟蹤失效。從電路電阻的角度研究：Buck變換器和輸出負(fù)載電阻可等效為，根據(jù)電路理論知道，當(dāng)外部負(fù)載電阻等于電池內(nèi)部電阻時，電池的輸出功率最大。這里定義電池內(nèi)阻為，外部等效負(fù)載為，即當(dāng)時，電池輸出功率最大。Buck電路電阻和負(fù)載電阻構(gòu)成的等效電阻[[] 朱湘臨，廖志凌，劉國海．太陽能電池MPPT方法的初值問題及其實驗研究[J]．電力電子技術(shù)，2010年，44(2)：79．]如式(310)： (310)通過調(diào)節(jié)占空比D的大小，調(diào)節(jié)等效電阻，使之等于，實現(xiàn)最大功率跟蹤，但由于D的大小在0到1之間取值，的值只能往大的方向調(diào)節(jié)，當(dāng)時，最小，如果此時的比太陽能電池內(nèi)部電阻還大，就不能跟蹤到最大功率點了。 Boost 斬波升壓電路及算法斬波升壓電路圖圖34 Boost斬波升壓電路Fig34 Boost chopper circuit根據(jù)圖34所示，電壓輸出與輸入之間的關(guān)系(311)： (311) 為太陽能電池輸出電壓，經(jīng)過Boost升壓電路后輸出的電壓，D為控制MOS管的占空比。從電壓角度分析：由于Boost升壓電路只能升高輸出電池的電壓，當(dāng)需要輸出的電壓低于太陽能電池電壓才能實現(xiàn)電池最大功率輸出時，Boost升壓電路跟蹤失效。從電阻的角度分析：電路電阻和負(fù)載電阻構(gòu)成的等效電阻如式(312)。 (312) 通過調(diào)節(jié)占空比D的大小，調(diào)節(jié)等效電阻，使之等于，實現(xiàn)最大功率跟蹤，但由于D的大小在0到1之間取值，的值只能往小的方向調(diào)節(jié)，當(dāng)時，最大，如果此時的比太陽能電池內(nèi)部電阻還小，就不能跟蹤到最大功率點了。 BoostBuck 升降壓電路及算法BoostBuck 升降壓電路如圖35：圖35 BoostBuck升降壓電路Fig35 The BoostBuck chopper circuit由電力電子知識可知，輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為式 (313)。 (313)時，輸出電壓等于輸入電壓，電路工作于降壓狀態(tài)，輸出電壓小于輸入電壓；當(dāng)，電路工作于升壓狀態(tài)，輸出電壓大于輸入電壓。電池輸出功率為： (314)負(fù)載功率等于： (315)忽略升降壓電路功率的損耗，則有： (316) (317)由圖35可得： (318) (319)聯(lián)立式(313)、式(318)和式(319)，可解得升降壓電路的阻值和外部負(fù)載阻值構(gòu)成的等效電阻： (320)從內(nèi)外電阻的角度分析：調(diào)節(jié)占空比D的大小，即可以調(diào)節(jié)的大小，使之等于，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。由等效電阻公式可以看出，D=，=，時，增大，時，減小，只要一個合適的占空比，總能調(diào)整的大小，使之等于，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤。提出基于BoostBuck 升降壓電路實現(xiàn)最大功率跟蹤，無論負(fù)載在什么條件下，調(diào)整占空比大小總能使得內(nèi)外電阻相同，從而實現(xiàn)最大功率點跟蹤，比起單一的Boost斬波升壓電路和Buck斬波降壓電路具有更廣泛的使用范圍。第4章 光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)的控制器與逆變實現(xiàn)生活中大部分負(fù)載都使用交流電源，逆變器(inverter)是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉(zhuǎn)變成交流電(一般為220v50HZ正弦或方波)。通俗的講，逆變器是一種將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為交流電(AC)的裝置。它由逆變橋、SPWM驅(qū)動電路和濾波電路組成。根據(jù)設(shè)計電路不同，正弦波逆變器可分為工頻模式和高頻模式，在高頻模式下，功率電源為一組高壓直流，若要輸出220的交流電壓，輸入的直流電源電壓須在330V450V之間，直流側(cè)電源可使用高頻變壓器經(jīng)過DCDC升壓得到。在工頻模式下，功率電源為一組低壓直流電源，通常低于60V，可采用太陽能電池組或者其他蓄電池直接供電，經(jīng)過逆變器后輸出的交流電小于60V，需要經(jīng)過工頻變壓器放大至工頻電壓。通常情況下高頻模式的效率要高于工頻模式，但高頻模式在輸出功率達(dá)到額定功率時，效率才是最高的，自身能耗較高，工頻模式在輸出功率較小時，效率就很高，且自身能耗較低，能承受更高的負(fù)載功率沖擊。實驗中逆變器選用工頻模式。 逆變硬件電路及功能實驗設(shè)計逆變器為單相，采用工頻模式，功率管選用IRF840，單項逆變器的主電路如圖41。逆變器除了具有將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷墓δ芤酝?，為了更安全穩(wěn)定的運行，一般還需要具備以下功能。直流側(cè)電壓檢測功能：檢測直流側(cè)輸入電壓，直流側(cè)過高或者過低的電壓會對逆變系統(tǒng)本身或蓄電池造成損壞，當(dāng)直流電壓過高或過低時逆變器停止工作。直流側(cè)電壓過高時，當(dāng)超出逆變器承受范圍，可能會對逆變器本身造成永久性損壞。直流側(cè)電壓過低時，往往是由于蓄電池儲能不足引起的，蓄電池長時間工作在欠壓狀態(tài)會導(dǎo)致其使用壽命大大縮短，為避免這種情況發(fā)生，在檢測到蓄電池電壓過低時停止工作。直流側(cè)過電流保護功能：檢測直流側(cè)的輸入電流，當(dāng)直流電流過大時，有可能是因為逆變器本身短路引起，有可能是因為負(fù)載過大遠(yuǎn)超出額定范圍，應(yīng)盡快切斷逆變器的工作，因為過大的電流可能燒毀逆變器和蓄電池，引起嚴(yán)重短路故障。因此逆變器對直流的過電流狀態(tài)必須具有保護切斷的功能。直流電源反接保護功能：檢測到逆變器直流側(cè)正、負(fù)極性反接時，逆變器自動保護，不工作，并有相關(guān)的報警提示。交流側(cè)輸出過載功能：為了適應(yīng)需要大電流啟動的電器，如電冰箱、洗衣機、電動機等，使電機可以正常啟動工作，逆變器應(yīng)該具備在短時間內(nèi)輸出較大的過載能力。圖41 逆變器主電路Fig41 The main circuit of inverter交流側(cè)輸出短路保護功能：當(dāng)檢測交流側(cè)發(fā)生短路事故時，逆變器應(yīng)該具備自動停機功能，防止逆變器燒毀，引起嚴(yán)重故障。自動恢復(fù)保護功能：逆變器在發(fā)生各種異常狀態(tài)保護性停機時，在故障消除后可以自動重新投入運行，一般在再次啟動幾次后，歷史故障還存在，逆變器徹底停機，需要人工才能啟動，防止逆變器一直工作在故障狀態(tài)和故障消失時不會自動恢復(fù)現(xiàn)象。其他保護功能：逆變器還應(yīng)該具備過熱、雷擊、輸出異常、內(nèi)部故障等保護或報警功能。PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制，把通訊技術(shù)領(lǐng)域中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，開創(chuàng)了DCAC技術(shù)研究的新篇章。把正弦信號作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，經(jīng)過調(diào)制得到PWM波，由于調(diào)制信號為正弦信號，所以此時的PWM波也叫做SPWM（正弦脈寬調(diào)制）波。通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比和基波頻率就可以很方便的調(diào)節(jié)輸出信號的幅度和頻率[[] Holtz Modulationa Survey[J].IEEE Transactions on Industrial ,39(5):410415．]。PWM可以由硬件模擬電路生成，也可以由數(shù)字技術(shù)生成。純模擬電路的方法產(chǎn)生的SPWM波形，具有輸出波形紋波小，動態(tài)響應(yīng)快等特點。但是由于采用分立元件多，設(shè)計復(fù)雜，且容易受到外部環(huán)境干擾，不適合智能化算法的實現(xiàn)與控制。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和微處理器的性能飛速提高，成本價格不斷下降，使得開關(guān)型電力變換裝置的全數(shù)字化控制日益增多。數(shù)字控制有著諸多優(yōu)點，本論文采取數(shù)字SPWM技術(shù)作為逆變控制方法。模擬控制與數(shù)字控制的比較[[] 彭力．基于狀態(tài)空間理論的PWM逆變電源控制技術(shù)研究 [D] ．武漢：華中科技大學(xué)，2004．]：數(shù)字軟件控制設(shè)計靈活方便，易于實現(xiàn)復(fù)雜控制算法?？刂瞥绦蛐薷氖址奖?，通用性極強，易于實現(xiàn)升級換代。就噪聲和漂移效應(yīng)而言，數(shù)字軟件控制器比相應(yīng)的模擬控制器優(yōu)越得多，能快速計算復(fù)雜算法，且很少受到外部器件環(huán)境干擾，抗干擾能力極強。數(shù)字軟件控制器具有重復(fù)控制、無差拍控制等特有特性，模擬控制方式無法實現(xiàn)。具有較強的通訊監(jiān)控功能，易于管理維護； 數(shù)字控制SPWM生成的幾種方法SPWM（Sinusoidal PWM）控制技術(shù)是電力電子逆變器研究和應(yīng)用領(lǐng)域非常關(guān)鍵的技術(shù)，在逆變器中生成PWM波形常用的方法有調(diào)制法、計算法、規(guī)則采樣法、跟蹤控制法和空間電壓矢量法等［[] 李鵬飛，施金良，劉顯榮等．電力電子技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2012．］。SPWM可以由模擬硬件和數(shù)字軟件生成，其中數(shù)字軟件生成的SPWM波形主要有自然采樣法、規(guī)則采樣法、面積等效法等。經(jīng)過理論分析知自然采樣法和面積等效法相對于規(guī)則采樣法來說諧波較小，自然采樣法的實現(xiàn)需要占用單片機較多的運算時間及大量的內(nèi)存，采用等效面積法產(chǎn)生的SPWM波形具有精度高、輸出波形諧波小，對稱性好等優(yōu)點[[] 王曉峰．基于單片機控制的逆變電源研究 [D] ．成都：電子科技大學(xué)，2008．－][[] 熊軍華，王亭嶺，陳建明等．三種SPWM波形生成算法的分析與實現(xiàn)[J]．微計算機信息，2008年，24(7):307309．]，故本設(shè)計采用面積等效法作為SPWM波形輸出理論方法。 自然采樣法以正弦波為調(diào)制波，三角波為載波，用一個模擬比較器對這兩個輸入波形進(jìn)行比較而得到的SPWM波形，叫自然采樣法[[] Christiansen C F,Herrada J L,Martinez N H．Further improvements in a th