【正文】 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。 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。 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。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 。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 。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。 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 。 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。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。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。 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。 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。實(shí)際輸出波形如圖 所示。 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(zhuān)門(mén)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)。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。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。從充電特性曲線可見(jiàn)充電電壓也具有明顯的階段性。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。 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 。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。 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。 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。 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。 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。 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。 開(kāi) 始采 樣 U k 、 I k0?dUUIdUdI ?? 0?dIUIdUdI ??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YYYNNNNNYY 圖 電導(dǎo)增量法流程圖 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 其他 MPPT 算法 MPPT 還包含很多其他方法，其中間歇掃描法實(shí)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)。光伏電池輸出最大功率。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 MAXP1 2P / WU / V0 圖 擾動(dòng)觀測(cè)法示意圖 對(duì)干擾觀測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下： 1． 模塊化控制回路； 2． 跟蹤方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易； 3． 對(duì)傳感器精度要求不高。由于在尋優(yōu)過(guò)程中。 表 擾動(dòng)觀測(cè)法擾動(dòng)方向 擾動(dòng)方向 功率變化 下次擾動(dòng)方向 正方向 增大 正方向 正方向 減小 反方向 反方向 增大 反方向 反方向 減小 正方向 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 開(kāi) 始初值設(shè)定 pvUPVPV IU 和采樣KP計(jì)算1?? KK PP保 持 干 擾 方 向 改 變 干 擾 方 向KK PP ??1NY 圖 擾動(dòng)觀測(cè)法流程圖 在擾動(dòng)觀測(cè)法中，擾動(dòng)過(guò)程將會(huì)一直周期進(jìn)行，直到達(dá)到最大功率點(diǎn)，然后光伏電池的工作點(diǎn)將一直在最大功率點(diǎn)附近來(lái)回振蕩，并可以通過(guò)減小擾動(dòng)步長(zhǎng)來(lái)將震蕩減小，但同時(shí)也會(huì)減慢跟蹤速度。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。這表明光伏陣列最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓也將隨著環(huán)境溫度的變化而變化。c39。因而，在一定的條件下，恒定電壓跟蹤方法不但可以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（ MPPT）控制。顯然，如果采用直接匹配，其陣列的輸出功率比較小。39。AB39。為了繼續(xù)跟蹤最大功率點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)的負(fù)載特性由負(fù)載 1 變化至負(fù)載 2，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn) B。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)。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 最大功率跟蹤（ MPPT）算法研究 MPPT 工作基本原理 光伏陣列輸出特性具有非線性特征， 并且其輸出受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。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。 如圖 和圖 所示，改變?nèi)照諒?qiáng)度而保持其他條件不變，從 1_1I 到 4_1I 光照強(qiáng)度從 2/400 mW 以 200 為步長(zhǎng)上升到 2/1000 mW 得到一組不同日照量下的 IV和 PV特性曲線。 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。這種現(xiàn)象就是上面所說(shuō)的 “光生伏打效應(yīng) ”。這種效應(yīng)。 M C UP V 輸 入電 壓 電 流 檢 測(cè)濾 波 電 路 B U C K 同 步 整 流 輸 出 濾 波死 區(qū) 時(shí)間 控 制P W M驅(qū) 動(dòng) 電 路蓄 電 池保 護(hù) 電 路A / D電 流 檢 測(cè)電 壓 檢 測(cè) 圖 光伏電池板功率變換器結(jié) 構(gòu)框圖 硬件電路主要包括 BUCK 同步整流電路、電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)電路和濾波電路，并通過(guò)電壓反饋實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)控制 ，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。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)。這些方法包含了很多復(fù)雜的方方面面，例如傳感器的要求，運(yùn) 算速率，工作效率，硬件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用推廣，研發(fā)資金等等。 (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。 (4)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少。h。h，石油發(fā)電為 204g／ kW 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。 附錄 B 系統(tǒng)實(shí)物照片 ............................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。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。光伏發(fā)電有著非常廣泛的應(yīng)用前景，在人類(lèi)越來(lái)越重視可持續(xù)發(fā)展的今天，太陽(yáng)能擁有其他能源所沒(méi)有的各種優(yōu)點(diǎn)如：幾乎是取之不盡用之不竭的，清潔無(wú)污染等，這使它受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，成為最有希望替代傳統(tǒng)能源的新能源之一。 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。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，給出了系統(tǒng)實(shí)際使用結(jié)果，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功率損耗分析，由結(jié)果可知，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了預(yù)期的性能。 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(lèi)社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)能源的利用。據(jù)計(jì)算，一年內(nèi)輻射向地球的太陽(yáng)能總能量是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的 l萬(wàn)倍，太陽(yáng)的壽命有 50 億年，這意味著開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能是人類(lèi)解決能源匱乏最根本最有效的途徑。h，天然氣發(fā)電為 181g／ kW而且，在使用太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)程中 沒(méi)有廢氣、廢水、廢渣排出，不產(chǎn)生噪音，不危害人體。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。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的以上諸多優(yōu)點(diǎn)決定其成為未來(lái)發(fā)電的主導(dǎo)形式之一，有著巨大的經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)效益，并且其涉及交叉多個(gè)學(xué)科，如電化學(xué)、電子電路、現(xiàn)代電力電子、現(xiàn)代控技術(shù)、電力系統(tǒng)等，具有重要的研究?jī)r(jià)值。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)