【正文】 的附著在極板上，有的形成氣泡逸出，當(dāng)氫氣和氧氣附著在極板上時(shí)，產(chǎn)生氣體電極電位，形成附 加電動勢，使電壓又迅速上升，此后，當(dāng)電流全部用于電解水時(shí)，電動勢和電壓不再升高，充電過程就結(jié)束了。 VU /1 2 . 01 3 . 01 4 . 0abcdUEht / 圖 鉛蓄電池的充電電壓特性 充電初期（ ab 段），化學(xué)反應(yīng)先在極板孔隙內(nèi)進(jìn)行，硫酸鉛還原成鉛、二氧化鉛和硫酸 PbSOHP b OOHP b S O ???? 42224 222 （ ） 此時(shí)電解液濃度擴(kuò)散速度慢，孔隙內(nèi)電解液密度增加快，因此電動勢和電壓上升就快。一個(gè)單體電池，在電解液溫度為 20℃ 、以恒壓電流充電時(shí)，電流變化情況如圖 虛線所示。 鉛蓄電池充電特性主要是指充電電壓的變化規(guī)律。 鉛蓄電池的充電方法 鉛蓄電池充電方法按充電電流或電壓的數(shù)值變化情況不同，可分為恒流充電、恒壓充電和分段充電三種，其中以分段充電較為合理。 把公式（ ）的各關(guān)系代入公式（ ），整理得： 0)2()2( 22 ???? bat c o nPVbatbatbatbatc rPrerei ? （ ） 求解得： batPVc o nbatbatbatc r Preei 2 42 ????? （ ） 根據(jù)圖 所示 PV 陣列的戴維南等效模型和最大功率傳輸原理，當(dāng) 2/PVin eu ? 時(shí)，PV 陣列輸出功率為最大，即 PVPVPV reP /)2/( 2? （ ） 把公式（ ）代入公式（ ），則在 PV 陣列 MPPT 時(shí)的充電電流為 batbatPVc onPVbatbatbatbatPVPVc onbatbatbatcrrrereerrereei2)//(2/)2/(42222?????????? （ ） 上述最大功率點(diǎn)充電電流計(jì)算過程是建立在系統(tǒng)參數(shù)為時(shí)不變（或靜態(tài)）的基礎(chǔ)上的，但實(shí)際應(yīng)用中 PV 陣列對蓄電池充電過程是一個(gè) 動態(tài)的過程，即等效電壓電阻參數(shù)PVe 、 PVr 、 bate 、 batr 、 con? 要隨時(shí)間而變化。當(dāng) batPV ee ? 時(shí)， PV 陣列收集的電荷已不能存儲到蓄電池中，降低了系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。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 。但是，在較短的工作時(shí)間內(nèi)，由上 第二章節(jié) 的分析可知，當(dāng) PV 陣列的工作條件沒有出現(xiàn)大的變化時(shí)，認(rèn)為 PV 陣列的輸出電壓保持不變是合理的。通過對各種方法的所有缺點(diǎn)比較，選擇了電導(dǎo)增量法作為本設(shè)計(jì)的 MPPT 實(shí)現(xiàn)算法，并在原有電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng) 優(yōu)化 ，通過 PI 調(diào)節(jié)提高了反饋的精度，而且通過設(shè)定閥值有效減小了最大功率點(diǎn)附近的振蕩，使 MPPT 算法的實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)。 所以，在最大功率點(diǎn)處，可以引入新的判斷條件 ???????????|3||2||1|eUIdVdIedIedV （ ） 在條件成立時(shí)，即判定已經(jīng)達(dá)到了最大功率點(diǎn)，直接結(jié)束判定然后賦值，如圖 所示。而且其需要的計(jì)算量較大，對系統(tǒng)的性能要求較高。同時(shí)，通過比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器進(jìn)行電壓跟蹤，使實(shí)際電壓能夠快速準(zhǔn)確地穩(wěn)定在期望值上 ??? tp edtSeKU 00e x p （ ） 只有在電壓跟蹤實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行電壓電流的采樣和功率反饋，才能避免因采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而產(chǎn)生誤判，而通過恒壓跟蹤法可以很容易測試 PI 調(diào)節(jié)特性和實(shí)際電壓的跟蹤能力。這種方法比干擾觀察法好，因?yàn)樗谙乱粫r(shí)刻的變化方向完全取決于在該時(shí)刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時(shí)負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時(shí)刻的工作點(diǎn)電壓以及功率的大小無關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度地快速變化，其控制精度較高。 (3) 假設(shè)當(dāng)前光伏陣列的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)處 (附近 )，此時(shí)將有 0/ ?dUdP ，此時(shí)參考電壓將保持不變，也即光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)上。這種方法是通過比較輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時(shí)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(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，此時(shí)有 0/ ?dUdP 即 UIdUdI // ?? ，說明參考電壓應(yīng)向著增大的方向變化。電導(dǎo)增量法只需要采樣太陽能電池電壓和電流，最多計(jì)算一次電導(dǎo)增量，它在下一時(shí)刻的變化方向完全取決于在該時(shí)刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時(shí)負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時(shí)刻的工作點(diǎn)電壓以及功率的大小無關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度地快速變化，相對于常用的恒壓跟蹤法和擾動觀測法，其控制精度更高。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場合等 選擇適合的 MPPT 技術(shù)。 除此之外還有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Neutral Network)、線性電流控制法、最優(yōu)梯度法、 RCC(Ripple Correlation Control)，基于狀態(tài)的 MPPT(Statebased MPPT)，滑?？刂?Slide Mode Control)，負(fù)載電壓或電流最大化方法等。這種方法一般不會產(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。缺點(diǎn)為算法較復(fù)雜而且在調(diào)節(jié)工作點(diǎn)電壓的電導(dǎo)增量法中，當(dāng)光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，調(diào)節(jié)方法會出現(xiàn) “誤判 ”的情 況，理論上該方法跟蹤精度高，但由于傳感器的精密度等因素，此法在實(shí)際應(yīng)用中仍有誤差存在。若不相等，則要判斷 dUdP/ 或者 dUdI/ 是大于零或小于零。所給出的 ????????點(diǎn)右邊點(diǎn)左邊點(diǎn)M P P ,0/M P P ,0/M P P ,0/dPdUdPdUdPdU （ ） 由于 dUU dIIdUU dIIdIUddUP //U/)(/d ????? （ ） 由公式（ ）可寫成 ???????????點(diǎn)右邊點(diǎn)左邊點(diǎn)M P P ,//M P P ,//M P P ,//UIdUdIUIdUdIUIdUdI （ ） 因此當(dāng)輸出 電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)。 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(cuò)誤情況。以圖 為例說明：假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，光伏陣列工作電壓在 maxP 點(diǎn)左右波動，當(dāng)日照強(qiáng)度突然增加時(shí)，光伏陣列輸出功率增加，這時(shí)如果參考電壓偏移到 1的位置，則系統(tǒng)會 認(rèn)為此時(shí)參考電壓調(diào)整的方向與功率變化的方向相同，而繼續(xù)增大參考電壓使工作點(diǎn)移動至位置 2，導(dǎo)致工作點(diǎn)進(jìn)一步遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)。不斷地調(diào)整參考電壓，因此，光伏陣列的工作點(diǎn)始終在最大功率點(diǎn)附近振蕩，無法穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)上，從而也造成了一定的功率損失。 給定參考電壓變化的過程實(shí)際上是一個(gè)功率尋優(yōu)的過程。一種解決這種矛盾的方法是運(yùn)用變步長的方法，隨著功率點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近，擾動步長也減小。由表 可知，只要在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)只發(fā)生一次采樣，當(dāng)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)不是平均值而是瞬時(shí)電壓值和瞬時(shí)電流值時(shí)規(guī)則一樣成立。 0 5 1 01 52 0 2 5MPPP AI/MPPU02468 圖 擾動觀察法 通過圖 我們可以看到，當(dāng)處在最大功率點(diǎn)左邊時(shí)功率隨著電壓的增大（減?。┒龃螅p?。?，當(dāng)處在最大功率點(diǎn)右邊時(shí)候功率隨電壓的增大（減小）而減?。ㄔ龃螅)通過調(diào)節(jié)輸出電壓來達(dá)到光伏電池板的最大功率輸出點(diǎn)。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(diǎn)。以單晶硅光伏陣列為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高 1℃ 時(shí)，其開路電壓下降率為 % %。dLmaxPmU 圖 忽略溫度效應(yīng)時(shí)的光伏陣列輸出特性與負(fù)載匹配曲線 CVT 方式具有控制簡單，可靠性高，穩(wěn) 定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，比一般光伏系統(tǒng)可望多獲得 20%的電能，較之不帶 CVT 的直接耦合要有利得多。b39。 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。采用恒定電壓跟蹤恒壓控制與直接匹配的功率差值在圖中可以視為曲線 L 與曲線 mUU?之間的面積。為了彌補(bǔ)阻抗失配帶來的功率損失，可以采用恒定電壓跟蹤方法，在光伏陣列和負(fù)載之間通過一定的阻抗變換，使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器的功能，使陣列的工作點(diǎn)始終穩(wěn)定在 mU 附近。假如曲線 L 為負(fù)載特性曲線， a、 b、 c、 d 和 e 為相應(yīng)關(guān)照強(qiáng)度下直接匹配時(shí)的工作點(diǎn)。39。39。 圖 MPPT 方法示意圖 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 常用 MPPT 算法 恒壓跟蹤法 恒電壓跟蹤 (CVT)方法從嚴(yán)格的意義上來講并不是一種真正意義上的最大功率跟蹤方式，它屬于一種曲線擬合方式，其工作原理如圖 所示，忽略溫度效應(yīng)時(shí)，光伏陣列在不同日照強(qiáng)度下的最大功率輸出點(diǎn) 39。 負(fù) 載 2負(fù) 載 1曲 線 1曲 線 20IU39。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。A 點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)日照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。當(dāng)日照強(qiáng)度發(fā)生變化，即光伏陣列的輸出特性由曲線 1 上升為曲線 2。 為便于說明，現(xiàn)將光伏陣列的輸出特性重新繪制如圖 所示。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)。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)必須采用相關(guān)電路和控制方法對輸出功率加以控制使其輸出最大功率。 綜上所述，光伏電池的輸出功率與它所受的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。這里指的是太陽電池溫度的變化，而不是環(huán)境溫度 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 溫 度 升 高 ， I s c 略 有 增 加)(AI)(VU溫 度 升 高 ， V o c 減 小 圖 溫度對太陽電池的影響 由以上圖示可以得出以下結(jié)論：在一定溫度、日照條件下，太陽電池的輸出功率具有最 大值，而太陽電池一天中的最大功率點(diǎn)軌跡接近于某一恒壓，溫度變化對太陽電池的輸出電壓有影響。由圖 可見，短路電流 scI 線性地與日照強(qiáng)度成正比，而開路 電壓的變化很慢。 根據(jù)特性曲線可以定義出太陽電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)： (1)短路電流 ( scI )：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電流； (2)開路電壓 ( ocV )：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電壓； (3)最大功率點(diǎn)電流 ( mI )：在給定溫度 日照條件下最大功率點(diǎn)上的電流； (4)最大功率點(diǎn)電壓 ( mV )：在給定溫度日照條件下最大功率點(diǎn)上的電壓； (5)最大功率點(diǎn)功率 ( mP )：在給定溫度日照下所能輸出的最大功率為 mmm VIP ?? 。 圖 光伏板輸出仿真 光伏模塊電器設(shè)定參數(shù)如圖 所示 圖 光伏模塊參數(shù)設(shè)定 太陽電池在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽電池的輸出電壓和電流之間有如下關(guān)系，如圖 所示。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價(jià)值的光伏電池要算硅光伏電 池。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，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，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。這樣，在 PN 結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的電壓。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率相對較高。光伏電池是以光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。 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。采用 Buck 同步整流變換器和微控制器實(shí)現(xiàn)光伏電池 MPPT 控制及蓄電池的能量管理，最后完成原型樣機(jī)參數(shù)分析與計(jì)算、元器件的選型及功能性測試，功率變換器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。例如光照和溫度變化引起的系統(tǒng)振蕩，局部遮陰時(shí)所形成的局部最大功率點(diǎn)和系統(tǒng)真正最大功 率點(diǎn)的判別，再比如系統(tǒng)工作效率的提升，這都表明我們需要通過實(shí)際的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn) MPPT 算法，并在此過程中對 MPPT 算法進(jìn)行研究。近十年來相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量還是在快速增長，然而，最近的文章大部分都只是通過仿真總結(jié)或者直接復(fù)制原來文獻(xiàn)中已經(jīng)提出的方