儲(chǔ)能式光伏發(fā)電功率變換器MPPT控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能式光伏發(fā)電功率變換器MPPT控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)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(lèi)面臨的許多問(wèn)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(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。矚慫潤(rùn)厲釤瘞睞櫪廡賴。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。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。硬件上，系統(tǒng)使用單片機(jī)通過(guò)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。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。聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛(ài)氌譴凈。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。殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。關(guān)鍵詞：最大功率跟蹤（MPPT）；脈寬調(diào)制（PWM）；同步整流AbstractResearching on grid-connected photovoltaic generators is a hot topic in todays domestic and international research, because its implementation and application provide a solution to many problems humanity are currently facing, such as: energy crisis, environmental pollution and so on. Grid-connected photovoltaic generators has a very wide application prospects, as people are paying more and more attention to sustainable development today, solar energy has many advantages that other energy are not available, such as：almost inexhaustible, clean and no pollution, etc., this makes it get more and more attention from people, and become one of the most promising alternative new energy of traditional energy sources.釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。This article implements a way to use photovoltaic array to charge the battery by controlling switching power through MCU. As to software,the existing common maximum power point tracking (MPPT) algorithms are studied and analyzed, In this article, incremental conductance method(IncCond) is used to realize maximum power point tracking (MPPT), and a high efficiency of the system work is achieved. While in terms of hardware, the system controls synchronous rectification circuit by PWM, and uses the closed-loop control to precisely sample voltage and current values form the feedback. Meanwhile, the system is protected by both the software and hardware , so that, the security and reliability of the system operation are achieved.彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。The actual use of the system is given through experiment testing, the system power loss is analyzed, from the results we know that the system is working properly and achieves the prospective performance.謀蕎摶篋飆鐸懟類(lèi)蔣薔。Key word：Maximum power point tracking(MPPT)；Pulse Width Modulation(PWM)；Synchronous rectification廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。目錄1緒論1煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。1.1光伏發(fā)電課題研究的意義1鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。1.2MPPT技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀2籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容3預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。2光伏電池板的工作特性4滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。2.1太陽(yáng)能光伏板的基本工作原理4鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。2.2太陽(yáng)能光伏板的輸出特性5擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。3最大功率跟蹤（MPPT）算法研究9贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。3.1MPPT工作基本原理9壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。3.2常用MPPT算法10蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。3.2.1恒壓跟蹤法10買(mǎi)鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。3.2.2擾動(dòng)觀測(cè)法11綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。3.2.3電導(dǎo)增量法13驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。3.2.4其他MPPT算法15貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。3.3MPPT算法的優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)15鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。3.4本章小結(jié)17構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。4蓄電池充電管理18輒嶧陽(yáng)檉籪癤網(wǎng)儂號(hào)澩。4.1鉛蓄電池的充電特性18堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅。4.2鉛蓄電池的充電方法19識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。5光伏發(fā)電功率變換器的硬件實(shí)現(xiàn)21凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。5.1電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)21恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。5.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)24鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫(kù)。5.3主回路的選擇與設(shè)計(jì)26碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。5.4電壓電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)27閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。5.5輸出濾波電路的設(shè)計(jì)28氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。5.5.1連續(xù)工作模式電感的設(shè)計(jì)28釷鵒資贏車(chē)贖孫滅獅贅。5.5.2輸出電容選擇與設(shè)計(jì)29慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫(huà)長(zhǎng)涼。5.6本章小結(jié)30諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類(lèi)。6實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果31嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。6.1功率損耗分析31熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫(kù)。6.2帶負(fù)載測(cè)試33鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。6.3本章小結(jié)34紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。7總結(jié)與展望35穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。參考文獻(xiàn)36濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。致謝38銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。附錄A系統(tǒng)原理圖39擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類(lèi)。附錄B系統(tǒng)實(shí)物照片40賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。IV1緒論1.1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。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(wèn)題作為困擾人類(lèi)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(lái)越迫切，如何解決能源問(wèn)題，是每個(gè)國(guó)家都必須面臨的問(wèn)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(lèi)面臨資源枯竭的壓力，同時(shí)也嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生存環(huán)境，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用也就越來(lái)越顯得重要。隨著可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，太陽(yáng)能已經(jīng)逐漸走入了人類(lèi)的生活，并且將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊(cè)庫(kù)。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。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。裊樣祕(mì)廬廂顫諺鍘羋藺。(2)太陽(yáng)能清潔無(wú)污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前各種發(fā)電方式的碳排放率(gkWh)如下：煤炭發(fā)電為275gkWh，石油發(fā)電為204gkWh，天然氣發(fā)電為181gkWh，太陽(yáng)能光伏發(fā)電為55gkWh，風(fēng)力發(fā)電為20gkWh。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。倉(cāng)嫗盤(pán)紲囑瓏詁鍬齊驁。(3)太陽(yáng)能資源分布廣泛。我國(guó)有23以上的地區(qū)太陽(yáng)能輻射總量高于且年日照時(shí)間超過(guò)2000h以上，尤其是在西部地區(qū)更為豐富，對(duì)于緩解當(dāng)?shù)仉娏T乏有著重要意義。綻萬(wàn)璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。(4)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少。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。驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。(5)太陽(yáng)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。(6)資源、發(fā)電、用電在同一地域，可以節(jié)省遠(yuǎn)距離輸電投資費(fèi)用。(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?，嶀暈R曖惲錕縞馭篩涼。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。鎦詩(shī)涇艷損樓紲鯗餳類(lèi)。1.2MPPT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(P&O)、導(dǎo)納增量法(INC)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neutral Network)、滑?？刂?Slide Mode Contr01)、最優(yōu)梯度法、RCC(Ripple Correlation Contr01)，基于狀態(tài)的MPPT(State-based MPPT)，線性電流控制法，負(fù)載電壓或電流最大化法等。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。實(shí)際上，如此多方法的提出反而讓我們?yōu)镻V系統(tǒng)尋找一種最適合的算法時(shí)感到困難。櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。圖1顯示出從MPPT算法從文獻(xiàn)中最早出現(xiàn)開(kāi)始，每年有關(guān)MPPT的文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量。近十年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量還是在快速增長(zhǎng)，然而，最近的文章大部分都只是通過(guò)仿真總結(jié)或者直接復(fù)制原來(lái)文獻(xiàn)中已經(jīng)提出的方法。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)。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(guò)實(shí)際的硬件和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT算法，并在此過(guò)程中對(duì)MPPT算法進(jìn)行研究。轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。圖1.1 自1968以來(lái)，每年的MPPT論文總數(shù)1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文主要通過(guò)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。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(cè)試，功率變換器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示。峴揚(yáng)斕滾澗輻灄興渙藺。圖1.2 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。詩(shī)叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。422光伏電池板的工作特性2.1太陽(yáng)能光伏板的基本工作原理太陽(yáng)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。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。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。這種效應(yīng)。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率相對(duì)較高。則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。圖2.1 光生伏打效應(yīng)簡(jiǎn)圖光伏電池實(shí)際上是一個(gè)P-N結(jié)，如圖2.1所示，當(dāng)光伏電池受到陽(yáng)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。這樣，在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，也就是通常所說(shuō)的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說(shuō)的“光生伏打效應(yīng)”。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(guò)，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(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。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(lèi)也很多。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。鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。2.2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2.2所示。稟虛嬪賑維嚌妝擴(kuò)踴糶。圖2.2 光伏板輸出仿真光伏模塊電器設(shè)定參數(shù)如圖2.3所示圖2.3光伏模塊參數(shù)設(shè)定太陽(yáng)電池在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)電池的輸出電壓和電流之間有如下關(guān)系，如圖2.4所示。圖2.4 光伏電池輸出特性曲線太陽(yáng)電池的I-V特性曲線表明太陽(yáng)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。陽(yáng)簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。根據(jù)特性曲線可以定義出太陽(yáng)電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)：(1)短路電流()：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電流；(2)開(kāi)路電壓()：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()：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()：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()：在給定溫度日照下所能輸出的最大功率為。如圖2.5和圖2.6所示，改變?nèi)照諒?qiáng)度而保持其他條件不變，從到光照強(qiáng)度從以200為步長(zhǎng)上升到得到一組不同日照量下的I-V和P-V特性曲線。由圖2.5可見(jiàn)，短路電流線性地與日照強(qiáng)度成正比，而開(kāi)路電壓的變化很慢。溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。圖2.5 日照對(duì)太陽(yáng)電池的影響圖2.6 不同日照下PV特性曲線當(dāng)電池溫度發(fā)生變化時(shí)，由圖2.7可見(jiàn)，開(kāi)路電壓線性地隨電池溫度變化，而短路電流略微變化。這里指的是太陽(yáng)電池溫度的變化，而不是環(huán)境溫度鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團(tuán)藺。圖2.7 溫度對(duì)太陽(yáng)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(yáng)電池的輸出功率具有最大值，而太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)電池的輸出電壓有影響。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。懨俠劑鈍觸樂(lè)鷴燼觶騮。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。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。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(duì)輸出功率加以控制使其輸出最大功率。謾飽兗爭(zhēng)詣繚鮐癩別瀘。3最大功率跟蹤（MPPT）算法研究3.1MPPT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。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，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(guò)程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。咼鉉們歟謙鴣餃競(jìng)蕩賺。為便于說(shuō)明，現(xiàn)將光伏陣列的輸出特性重新繪制如圖 3.1所示。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)。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。此時(shí)如果保持負(fù)載1不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在點(diǎn)，這樣就偏離了相應(yīng)日照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。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。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。瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴(yán)減。圖3.1 MPPT方法示意圖3.2常用MPPT算法3.2.1恒壓跟蹤法恒電壓跟蹤(CVT)方法從嚴(yán)格的意義上來(lái)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3.2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)總是近似在某一個(gè)恒定的電壓值附近。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)。顯然，如果采用直接匹配，其陣列的輸出功率比較小。為了彌補(bǔ)阻抗失配帶來(lái)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(guò)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)定在附近。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。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與曲線之間的面積。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。麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。圖3.2 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(jiǎn)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。但是，這種跟蹤方式忽略了溫度對(duì)光伏陣列開(kāi)路電壓的影響。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(kāi)路電壓下降率為0.35% -0.45%。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。對(duì)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)。納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。3.2.2擾動(dòng)觀測(cè)法擾動(dòng)觀察法(P&O)通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)達(dá)到光伏電池板的最大功率輸出點(diǎn)。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。風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。圖3.3 擾動(dòng)觀察法通過(guò)圖3.3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小），當(dāng)處在最大功率點(diǎn)右邊時(shí)候功率隨電壓的增大（減?。┒鴾p?。ㄔ龃螅?。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3.1所示，算法流程圖如圖3.4所示。由表3.1可知，只要在每個(gè)開(kāi)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。滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。表3.1 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圖3.4 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。一種解決這種矛盾的方法是運(yùn)用變步長(zhǎng)的方法，隨著功率點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近，擾動(dòng)步長(zhǎng)也減小?？蓪⒆畲蠊β矢櫡謨蓚€(gè)階段，在開(kāi)始階段加快跟蹤速度，而在穩(wěn)定階段優(yōu)化跟蹤精度。鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。給定參考電壓變化的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)功率尋優(yōu)的過(guò)程。由于在尋優(yōu)過(guò)程中。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(wú)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。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。以圖3.5為例說(shuō)明：假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，光伏陣列工作電壓在 點(diǎn)左右波動(dòng)，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(huì)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(dòng)至位置2，導(dǎo)致工作點(diǎn)進(jìn)一步遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)。攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。圖3.5 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。 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(zhǎng)的設(shè)定無(wú)法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度； 3 在特定情況下會(huì)出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤情況。3.2.3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)。所給出的趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。 （3.1）由于 （3.2）由公式（3.1）可寫(xiě)成 （3.3）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)。光伏電池輸出最大功率。若不相等，則要判斷或者是大于零或小于零。電導(dǎo)增量法流程圖如圖3.6所示此跟蹤方法最大的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)太陽(yáng)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。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(huì)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。夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。圖3.6 電導(dǎo)增量法流程圖3.2.4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0.50.8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)。這種方法一般不會(huì)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。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(wú)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。視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。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(State-based MPPT)，滑?？刂?Slide Mode Control)，負(fù)載電壓或電流最大化方法等。偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。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。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)合等選擇適合的MPPT技術(shù)。緦徑銚膾齲轎級(jí)鏜撟廟。3.3MPPT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)MPPT。電導(dǎo)增量法只需要采樣太陽(yáng)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(wú)關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度地快速變化，相對(duì)于常用的恒壓跟蹤法和擾動(dòng)觀測(cè)法，其控制精度更高。騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。增量電導(dǎo)法則是根據(jù)光伏陣列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)求全導(dǎo)數(shù)，可得 （3.4）兩邊同時(shí)除以，可得 （3.5）令,可得 （3.6）式（3.6）即為達(dá)到光伏陣列最大功率點(diǎn)所需滿足的條件。這種方法是通過(guò)比較輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時(shí)電導(dǎo)值的大小來(lái)決定參考電壓變化的方向，下面就幾種情況加以分析：癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。(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)有即 ，說(shuō)明參考電壓應(yīng)向著增大的方向變化。 鏃鋝過(guò)潤(rùn)啟婭澗駱讕瀘。(2) 同理，假設(shè)當(dāng)前的光伏陣列的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的右側(cè)時(shí)，此時(shí)有，說(shuō)明參考電壓應(yīng)向著減小的方向變化。 榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。(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，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。邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。電導(dǎo)增量法控制流程圖如圖 3.6所示，圖中、為檢測(cè)到光伏陣列當(dāng)前電壓、電流值，、為上一控制周期的采樣值。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(wú)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。嶁硤貪塒廩袞憫倉(cāng)華糲。在程序中，定義一個(gè)期望輸出電壓值，通過(guò)如圖3.6所示的流程向給擾動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)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)定在期望值上該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。 （3.7）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(guò)恒壓跟蹤法可以很容易測(cè)試PI調(diào)節(jié)特性和實(shí)際電壓的跟蹤能力。劇妝諢貰攖蘋(píng)塒呂侖廟。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，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。而且其需要的計(jì)算量較大，對(duì)系統(tǒng)的性能要求較高。因此，在對(duì)此算法的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)判斷式設(shè)定一個(gè)適合的閾值，可以使系統(tǒng)能在最大功率點(diǎn)附近的某個(gè)區(qū)域內(nèi)保持穩(wěn)定，而不是來(lái)回持續(xù)變動(dòng)，也就是說(shuō)適當(dāng)?shù)囊腴y值可以在不影響精度的情況下增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性并減少計(jì)算量。臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。所以，在最大功率點(diǎn)處，可以引入新的判斷條件 （3.8）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3.7所示。圖3.7 改進(jìn)的電導(dǎo)增量法流程圖3.4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。通過(guò)對(duì)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(guò)PI調(diào)節(jié)提高了反饋的精度，而且通過(guò)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)。鰻順褸悅漚縫囅屜鴨騫。4蓄電池充電管理4.1鉛蓄電池的充電特性蓄電池儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，PV陣列和蓄電池是典型的非線性電源和負(fù)載。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(méi)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。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4.1所示。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，等效電阻為；蓄電池的等效電壓為，等效電阻；充電控制電路的輸入電壓為；輸出電壓為。穡釓虛綹滟鰻絲懷紓濼。圖4.1PV陣列向蓄電池充電等效圖如果采用基于二極管保護(hù)的直接充電方式，只有當(dāng)時(shí)，PV陣列才對(duì)蓄電池充電，而且與電壓差越大，充電電流就越大，此時(shí)消耗在PV陣列和蓄電池內(nèi)阻上的功率也越大，將引起PV陣列和蓄電池溫度升高，導(dǎo)致PV陣列的溫度效應(yīng)越突出，充電電流隨之減小，充電效率反而會(huì)降低。當(dāng)時(shí)，PV陣列收集的電荷已不能存儲(chǔ)到蓄電池中，降低了系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。根據(jù)圖4.1，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，使充電電流最大，即浹繢膩叢著駕驃構(gòu)碭湊。 （4.1）約束條件為 （4.2）其中，為PV陣列提供功率；，為蓄電池充電功率；，為充電控制電路的損耗，由控制電路的變換效率確定。把公式（4.2）的各關(guān)系代入公式（4.1），整理得： （4.3）求解得： （4.4）根據(jù)圖4.2所示PV陣列的戴維南等效模型和最大功率傳輸原理，當(dāng)時(shí)，PV陣列輸出功率為最大，即 （4.5）把公式（4.7）代入公式（4.6），則在PV陣列MPPT時(shí)的充電電流為 （4.6）上述最大功率點(diǎn)充電電流計(jì)算過(guò)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(duì)蓄電池充電過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，即等效電壓電阻參數(shù)、要隨時(shí)間而變化。因此，在功率變換器中應(yīng)該引入微處理器，用于實(shí)時(shí)更新參數(shù)取值和反饋，使其達(dá)到最大電流輸出，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。鈀燭罰櫝箋礱颼畢韞糲。4.2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。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。愜執(zhí)緝蘿紳頎陽(yáng)灣熗鍵。鉛蓄電池充電特性主要是指充電電壓的變化規(guī)律。充電電壓（U）等于電動(dòng)勢(shì)（E）和內(nèi)壓降（）之和，即 （4.7）充電電流恒定時(shí)，充電電壓的變化主要取決于電動(dòng)勢(shì)的變化，即取決于電解液的擴(kuò)散速度。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4.2虛線所示。從充電特性曲線可見(jiàn)充電電壓也具有明顯的階段性。貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵鎦龐。圖4.2 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 （4.8）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(dòng)勢(shì)和電壓上升就快。充電中期（bc段），擴(kuò)散速度加快，孔隙內(nèi)外電解液密度一起增加，電動(dòng)勢(shì)和電壓也就緩慢上升，此時(shí)應(yīng)該使用均充，一般為10小時(shí)。嚌鯖級(jí)廚脹鑲銦礦毀蘄。充電后期（cd段），剩下的硫酸鉛已經(jīng)不多，而且一般都難以還原，輸入的電能逐步用來(lái)電解水，正極產(chǎn)生氧氣，負(fù)極產(chǎn)生氫氣，有的附著在極板上，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(dòng)勢(shì)，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(dòng)勢(shì)和電壓不再升高，充電過(guò)程就結(jié)束了。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。在此階段，使用浮充充電，可將其電壓設(shè)定為13.5V或充電電流小于自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充。薊鑌豎牘熒浹醬籬鈴騫。5光伏發(fā)電功率變換器的硬件實(shí)現(xiàn)5.1電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)，能輸出1.5A的開(kāi)關(guān)電流。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。其MC34063引腳圖及原理框圖如圖5.1所示齡踐硯語(yǔ)蝸鑄轉(zhuǎn)絹攤濼。圖5.1 MC34063引腳圖及原理框圖MC34063芯片特點(diǎn)： （1）能在3.0-40V的輸入電壓下工作 （2） 短路電流限制 （3） 低靜態(tài)電流 （4） 輸出開(kāi)關(guān)電流可達(dá)1.5A（無(wú)外接三極管） （5） 輸出電壓可調(diào) （6） 工作振蕩頻率從100HZ到100KHZ 如圖5.2為MC34063的升壓電路，4端接地，芯片內(nèi)為1.25V參考電壓，4端和5端由運(yùn)放的虛短虛斷可知，5端電壓為1.25V，由此可以算出輸出電壓紳藪瘡顴訝標(biāo)販繯轅賽。 （5.1）圖5.2 MC34063升壓電路如圖5.3為MC34063的反向變換電路，此時(shí)由于電容3使電壓反向，端口5的參考電壓為-1.25V，于是得到輸出電壓飪籮獰屬諾釙誣苧徑凜。 （5.2）圖5.3 MC34063反向變換器考慮到運(yùn)算放大器芯片需要的供電電流在幾十毫安以內(nèi)，只需要常見(jiàn)的穩(wěn)壓芯片78L15和79L15就可以滿足設(shè)計(jì)要求了，設(shè)計(jì)電路圖如圖，由公式(5.1)和公式(5.2)可以求得升壓電路部分輸出電壓為烴斃潛籬賢擔(dān)視蠶賁粵。 （5.3）反向變換器的輸出電壓為 （5.4）再經(jīng)過(guò)芯片79L15和78L15穩(wěn)壓和LC電路濾波，則可以得到穩(wěn)定的電壓,如圖5.4所示。圖5.4 電源系統(tǒng)電路圖這是一種用于DCDC電源變換的集成電路，應(yīng)用比較廣泛，通用廉價(jià)易購(gòu)。但是芯片MC34063效率并不高，其的極性反轉(zhuǎn)效率最高65%，升壓效率最高90%，降壓效率最高80%，變換效率和工作頻率濾波電容等成正比，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。鋝豈濤軌躍輪蒔講嫗鍵。5.2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)。脈寬調(diào)制電路電路如圖5.5所示。擷偽氫鱧轍冪聹諛詼龐。圖5.5 PWM驅(qū)動(dòng)電路IR2104芯片可以驅(qū)動(dòng)10到600伏特的N溝道MOSFET管或IGBT管。其輸出端口HO和LO的輸出為互補(bǔ)的PWM波形，便可以用于驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管。實(shí)際輸出波形如圖5.6所示。蹤飯夢(mèng)摻釣貞綾賁發(fā)蘄。圖5.6 實(shí)際PWM波形圖由于主電路運(yùn)用了同步整流拓?fù)?，MOSFET管可以雙向?qū)?，所以Q1和Q2不能同時(shí)導(dǎo)通，不然光伏板輸出端會(huì)出現(xiàn)短路。通常由于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷總需要一定的時(shí)間，因此為確保MOSFET管Q1和Q2不發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通的情況，如圖5.7所示，在時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)MOSFET管可能同時(shí)導(dǎo)通。婭鑠機(jī)職銦夾簣軒蝕騫。圖5.7 不加死區(qū)的PWM輸出波型所以在控制信號(hào)中必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，以保證在一只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，另一只開(kāi)關(guān)管才能導(dǎo)通，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，一般設(shè)定死區(qū)時(shí)間為500ns至1us（如圖5.8）。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。譽(yù)諶摻鉺錠試監(jiān)鄺儕瀉。圖5.8 帶死區(qū)的PWM輸出波形功率變換器的輸出電壓由決定，與導(dǎo)通時(shí)間和工作頻率有關(guān)。在設(shè)計(jì)電路時(shí)我們要首先考慮盡量選擇提高頻率以減小濾波器件電容和電感的體積，但是過(guò)高的頻率會(huì)導(dǎo)致電路交流損耗增加，因此，需要在兩者之間折中選擇。儔聹執(zhí)償閏號(hào)燴鈿膽賾。5.3主回路的選擇與設(shè)計(jì)在目前很多應(yīng)用中，變換器的效率比總是要比成本更加重要，而當(dāng)效率很重要時(shí)，自然可以考慮同步整流，即輸出整流部分的功能用有源開(kāi)關(guān)來(lái)完成，而整流毫無(wú)例外地選用MOSFET?？b電悵淺靚蠐淺錒鵬凜。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。驥擯幟褸饜兗椏長(zhǎng)絳粵。同時(shí)使用同步整流還有另外一個(gè)更深層次的原因，即同步整流能夠把斷續(xù)模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)模式來(lái)工作。即使是空載工作，電流能以正反兩個(gè)方向流過(guò)電感。用同步整流就不用擔(dān)心工作模式的改變（模式改變不利于變換器的穩(wěn)定），或者最小電感取多少，才能保證變換器工作于電流連續(xù)模式。如圖5.9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。癱噴導(dǎo)閽騁艷搗靨驄鍵。圖5.9 采用MOSFET的同步整流變換器(左)采用二極管的非同步式整流變換器(右)5.4電壓電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)可以通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)電流，由于磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓訊號(hào)U0可以間接反映出被測(cè)電流I1的大小，即：I1B1U0。我們把U0定標(biāo)為當(dāng)被測(cè)電流I1為額定值時(shí)，U0等于50mV或100mV，這樣就可以通過(guò)霍爾直接檢測(cè)電流傳感器檢測(cè)電壓了。鑣鴿奪圓鯢齙慫餞離龐。電壓則可通過(guò)運(yùn)算放大電路來(lái)檢測(cè)（見(jiàn)圖5.10），通過(guò)圖5.10可列式 （5.5）化簡(jiǎn)可得 （5.6）通過(guò)將實(shí)際電壓衰減7.5倍，然后將檢測(cè)電壓傳給單片機(jī)來(lái)檢測(cè)電壓圖5.10 電壓檢測(cè)電路在電壓電流檢測(cè)過(guò)程中，為了避免電壓紋波和擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算產(chǎn)生影響，在軟件上，只有當(dāng)電壓跟蹤實(shí)現(xiàn)后單片機(jī)才能進(jìn)行電壓電流的采樣和功率反饋，避免因采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而產(chǎn)生誤判。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。欖閾團(tuán)皺鵬緦壽驏頦蘊(yùn)。5.5輸出濾波電路的設(shè)計(jì)5.5.1連續(xù)工作模式電感的設(shè)計(jì)對(duì)于BUCK工作電路，不連續(xù)工作模式不是必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，但是對(duì)于本設(shè)計(jì)，需要通過(guò)電感的設(shè)計(jì)使電流保持連續(xù)。因?yàn)樵谕秸麟娐分?，MOSFET管可以雙向?qū)?，如果電感過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致充電電池反向放電，降低輸出效率。遜輸吳貝義鰈國(guó)鳩猶騸。將電感的選擇為保證直流輸出，電流波動(dòng)小于最大輸出電流的10%，且電感電流保持連續(xù)，若設(shè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)輸出電流為，則有最小連續(xù)電流幘覘匱駭儺紅鹵齡鐮瀉。，斜坡電流為，由此可得有 （5.7）式中為開(kāi)關(guān)管輸出電壓，為系統(tǒng)輸出電壓，所以 （5.8）式中，且和是設(shè)計(jì)中確定的額定值，則 （5.9）設(shè)最大輸出電流為10A輸出電壓為1214.5V，開(kāi)關(guān)管最大輸出電壓為22V，開(kāi)關(guān)頻率為40KHZ，因此，L由公式(5.9)計(jì)算可得誦終決懷區(qū)馱倆側(cè)澩賾。 （5.10）而在本設(shè)計(jì)中，選擇了的電感，足夠保持電流連續(xù)，且電感輸出電流紋波。5.5.2輸出電容選擇與設(shè)計(jì)如圖5.11所示的輸出濾波電路，由于、并非理想電容，它可以等效為寄生電阻和電感與其理想純電容的串聯(lián)，如圖5.12所示。一般來(lái)說(shuō)，在我們考慮串聯(lián)電感（如圖5.11所示）的紋波電流幅值時(shí)，我們總希望這個(gè)紋波電流的大部分分量流入輸出電容，因此輸出電壓的紋波由輸出濾波電容、電阻和電感決定。而對(duì)于低頻紋波電流，可以忽略，輸出紋波主要由和決定。醫(yī)滌侶綃噲睞齒辦銩凜。圖5.11 輸出濾波電路圖5.12 輸出電容C及其寄生元件由于輸出電容為大電解電容，因此在開(kāi)關(guān)頻率處，由產(chǎn)生的紋波電壓分量小于由產(chǎn)生的紋波電壓分量，因此在中頻段，對(duì)于一階系統(tǒng)，輸出紋波接近于等于串聯(lián)電感的交流紋波電流乘以。艫當(dāng)為遙頭韙鰭噦暈糞。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，其的值近似為常數(shù)，為。若串聯(lián)電感的輸出電流紋波，要保證輸出紋波電壓峰峰值，如果假設(shè)輸出紋波電壓的大部分分量由電阻產(chǎn)生，則可以選擇電容器使得滿足紋波電壓要求鴣湊鸛齏嶇燭罵獎(jiǎng)選鋸。 (5.11)由上式可得 (5.12)5.6本章小結(jié)對(duì)于直流功率變換器來(lái)說(shuō)，硬件設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、PWM