【正文】 ... 31 帶負(fù)載測(cè)試 ............................................................................................................. 33 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 本章小結(jié) ................................................................................................................. 34 7 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................ 35 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 36 致 謝 .................................................................................................................................. 38 附錄 A 系統(tǒng)原理圖 ................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 通過實(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。硬件上，系統(tǒng)使用單片機(jī)通過 PWM控制同步整流電路，并運(yùn)用閉環(huán)控制，精確采樣電壓值和電流值形成反饋。 本文實(shí)現(xiàn)了一種通過單片機(jī)控制開關(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) I 摘 要 光伏發(fā)電的研究是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)，因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)及應(yīng)用為目前人類面臨的許多問題如：能源危機(jī)、環(huán)境污染等提供了解決途徑。光伏發(fā)電有著非常廣泛的應(yīng)用前景，在人類越來越重視可持續(xù)發(fā)展的今天，太陽能擁有其他能源所沒有的各種優(yōu)點(diǎn)如：幾乎是取之不盡用之不竭的，清潔無污染等，這使它受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，成為最有希望替代傳統(tǒng)能源的新能源之一。軟件上，對(duì)現(xiàn)有的常用最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）算法進(jìn)行了研究和分析，并選用電導(dǎo)增量法對(duì)最大功率 點(diǎn)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工作的高效率。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。 關(guān)鍵詞： 最大功率跟蹤（ MPPT）； 脈寬調(diào)制（ PWM）； 同步整流 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) II Abstract Researching on gridconnected photovoltaic generators is a hot topic in today39。 附錄 B 系統(tǒng)實(shí)物照片 ............................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。在 2l 世紀(jì)的今天，隨著社會(huì)科技和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源問題作為困擾人類長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的一大因素?cái)[在了人們面前，而且越來越迫切，如何解決能源問題，是每個(gè)國(guó)家都必須面臨的問題，隨著不可再生能源如煤、石油、天然氣的不斷增加的大量消耗，不僅使人類面臨資源枯竭的壓力，同時(shí)也嚴(yán)重威脅著人類的生存環(huán)境，可再生能源的開發(fā)利用也就越來越顯得重要。 太陽能發(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)太陽能是取之不盡的可再生能源。 (2)太陽能清潔無污染。h，石油發(fā)電為 204g／ kWh，太陽能光伏發(fā)電為 55g／ kWh。 (3)太陽能資源分布廣泛。 (4)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少。 (5)太陽能光伏發(fā)電裝備安裝使用靈活，可根據(jù)需要，將集成化的模塊擴(kuò)增或減少以改變系統(tǒng)容量， 方便靈活。 (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。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 MPPT 技術(shù)的 國(guó)內(nèi)外 發(fā)展與現(xiàn)狀 光伏（ PV）電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT） 是 PV 系統(tǒng)最基本的必要方法，鑒于 MPPT 技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要性，短短十多年間， MPPT 方法被不斷地提出，如常用的 CVT 法、擾動(dòng)觀測(cè)法 (Pamp。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。 圖 1 顯示出從 MPPT 算法從文獻(xiàn)中最早出現(xiàn)開始，每年有關(guān) MPPT 的文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量。這種趨勢(shì)給人們一種 MPPT 技術(shù)沒有什么難點(diǎn)的錯(cuò)覺，而實(shí)際上，在 MPPT 實(shí)際運(yùn)用過程中卻存在許多問題難點(diǎn)。 圖 自 1968 以來，每年的 MPPT 論文總數(shù) 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文主要通過研究 MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤 )算法，設(shè)計(jì)一個(gè)儲(chǔ)能式光伏發(fā)電功率變換裝置。 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。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。這種效應(yīng)。 ++電 流日 光日 光日 光后 極 電（ + ）P 型 硅 （ B ）N 型 硅（ P + ）防 反 射 層前 極 電 （ ） 圖 光生伏打效應(yīng)簡(jiǎn)圖 光伏電池實(shí)際上是一個(gè) PN 結(jié)，如圖 所示，當(dāng)光伏電池受到陽光照射時(shí)，電子接受光能，向 N 型區(qū)移動(dòng)，使 N 型區(qū)帶負(fù)電，同時(shí)空穴向 P 型區(qū)移動(dòng)，使 P 型區(qū)帶正電。這種現(xiàn)象就是上面所說的 “光生伏打效應(yīng) ”。 制造光伏電池的半導(dǎo)體材料己知的有十幾種，因此光伏電池的種類也很多。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 太陽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。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 0024681 051 0 1 5 2 0 2 52 03 04 06 08 02/1 0 0 0 MW最 大 功 率 點(diǎn)SCIM P PI M P PPAI / WP /M P PU 圖 光伏電池 輸出 特性曲線 太陽電池的 IV 特性曲線表明太陽電池既非恒壓源，也非恒流源，而是一種非線性直流電源，其輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當(dāng)恒定，但電壓升高到 一個(gè)足夠高的電壓之后，電壓迅速下降至零。 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) 7 024681_1I 2_1I 3_I 4_1I5 1 0 1 5 2 0 2 5)(VU日 照 降 低 電 流 減 小0 圖 日照對(duì)太陽電池的影響 P o _ 1 P o _ 1 P o _ 1 P o _ 18 06 04 02 001 0 05 1 02 0 2 51 5日 照 降 低 輸出 功 率 減 小0 圖 不同日照下 P—V 特性曲線 當(dāng)電池溫度發(fā)生變化時(shí)，由圖 可見，開路電壓 ocV 線性地隨電池溫度變化，而短路電流 scI 略微變化。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。在不同外部環(huán)境情況下，光伏電池的輸出功率會(huì)有較大的變化。 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。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。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)。此時(shí)如果保持負(fù)載 1 不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在 39。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。B 點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的減小負(fù)載 2 至負(fù)載 1 以保證系統(tǒng)在日照強(qiáng)度減小的情況下仍然運(yùn)行在最大功率點(diǎn) A。AB39。39。39。 edcba 和、 總是近似在某一個(gè)恒定的電壓值 mU 附近。顯然，如果采用直接匹配，其陣列的輸出功率比較小。這樣不但簡(jiǎn)化了整個(gè)控制系統(tǒng)，還可以保證它的輸出功率接近最大輸出功率，如中所示。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，還可以用來簡(jiǎn)化和近似最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）控制。a39。c39。但是，這種跟蹤方式忽略了溫度對(duì)光伏陣列開路電壓的影響。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。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 擾動(dòng)觀測(cè)法 擾動(dòng)觀察法 (Pamp。在光伏電池板 接功率變換器的情況下，可以通過向功率變換器給擾動(dòng)來調(diào)節(jié)電池板輸出電壓。因此在擾動(dòng)作用下，如果輸出功率變大，這擾動(dòng)方向不變，反之，功率減小擾動(dòng)方向要反向 ,運(yùn)算規(guī)則如表 所示，算法流程圖如圖 所示。 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 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)附近來回振蕩，并可以通過減小擾動(dòng)步長(zhǎng)來將震蕩減小，但同時(shí)也會(huì)減慢跟蹤速度。可將最大功率跟蹤分兩個(gè)階段，在開始階段加快跟蹤速度，而在穩(wěn)定階 段優(yōu)化跟蹤精度。由于在尋優(yōu)過程中。同時(shí)，當(dāng)日照強(qiáng)度快速變化時(shí)，參考電壓調(diào)整方向可能發(fā)生錯(cuò)誤。 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。 電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法（ IncCond）運(yùn)用了光伏板功率曲線的斜率在最大功率點(diǎn)處為零的原理，在最大 功率點(diǎn)左邊，斜率為正，右邊為負(fù)。光伏電池輸出最大功率。電導(dǎo)增量法流程圖如圖 所示武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 此跟蹤方法最大的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)太陽電池上的照度產(chǎn)生變化時(shí)，其輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，其電壓晃動(dòng)較擾動(dòng)觀察法小。 開 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)過比較不同點(diǎn)的太陽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)。這種方案的最大缺點(diǎn)是在需要有連續(xù)輸出 的光伏系統(tǒng)中無法應(yīng)用，同時(shí)該方法需要有較大的存儲(chǔ)空間和運(yùn)算能力。 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。 MPPT算法的 優(yōu)化 及實(shí)現(xiàn) 在本設(shè)計(jì)中，使用了電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn) M