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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。光伏发电最大功率点输出方案的设计-毕业设计(论文)光伏发电最大功率点输出方案的设计学号：Xxx姓名：Xxx专业：自动化系别：电子信息与控制工程系指导教师：XxxxXxxx二一二年六月-摘要人类对能源的需求日益增加，传统的化石能源正日趋枯竭，能源危机已展现在人类面前，太阳能因为其独特的优势而得到青睐。但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且光伏发电系统的投入较大，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制。本文着重对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析，光伏电池的主要特性
2、和基本电路设计。首先，对光伏发电系统的构成进行了分析，光伏发电系统主要包括光伏阵列、电力电子变换器、储能系统和负载等。并介绍了DC-DC转换电路的物理作用，根据光伏发电系统和电网的关系，还可以把它分为独立发电系统和并网发电系统。然后，本文对光伏电池的电气特性进行了分析，建立了光伏电池的等效模型。同时，本文对常用的最大功率点跟踪（MPPT）方法：电压回授法、功率回授法、微扰观察法进行了仔细的分析和研究，在最大功率点跟踪实现上采用了单级式系统的控制策略，并通过微扰观察法进行下一步的电路设计和程序的编写实现光伏发电最大功率点的输出。通过硬件的电路来实现，并通过仿真实验来验证它的可行性。关键词：太阳能
3、、光伏发电、DC-DC转换电路、单级式光伏发电系统、最大功率点(MPP)、最大功率点跟踪（MPPT）、微扰观察法ABSTRACTTheenergydemandisincreasingdaybyday,thetraditionalfossilenergysourcesdriedupwitheachpassingday,theenergycrisishasunfoldedinfrontofhumanity,solarenergybecauseofitsuniqueadvantageandgetthefavor.Butbecausetheoutputcharacteristicsofthephoto
4、voltaicbatterybytheexternalenvironmentalfactors,andphotovoltaicpowergenerationsysteminputislarge,fortheeffectiveuseofsolarenergyphotovoltaicpowergenerationsystem,theneedforeffectivecontrol.Thispaperfocusesonthephotovoltaicarraymaximumpowerpointtrackingcontroltechniquesareanalyzedindetail,thephotovol
5、taiccellmaincharacteristicsandbasiccircuitdesign.Firstofall,thephotovoltaicpowersystemstructureisanalyzed,photovoltaicpowergenerationsystemincludesaphotovoltaicarray,powerelectronicconverter,energystoragesystemandload.AndintroducedtheDC-DCconversioncircuitofphysicalrole,accordingtothephotovoltaicpow
6、ergenerationsystemandpowerrelations,alsocanbedividedintoindependentpowergenerationsystemandpowergenerationsystem.Then,basedonthephotovoltaicbatteryelectricalcharacteristicsareanalyzed,establishedaphotovoltaicbatteryequivalentcircuitmodel.Atthesametime,inthispaper,andthemaximumpowerpointtracking(MPPT
7、)methodvoltagefeedbackmethod,powerfeedbackmethod,perturbationandobservationmethodundertookcarefulanalysisandresearch,andthroughtheobservationforthenextstepofcircuitdesignandprogramrealizationofphotovoltaicmaximumpowerpointoftheoutputofeachonehashisgoodpoints.Furthermore,thephotovoltaicsystem,maximum
8、powerpointtrackingimplementationinthesinglestagetypecontrolsystem.Throughthehardwarecircuit,andthroughthesimulationexperimentstoproveitsfeasibilityKEYWORDS：Solarenergy、photovoltaicpowergeneration、DC-DCconversioncircuit、singlestagetypephotovoltaicsystem、maximumpowerpoint(MPP)、maximumpowerpointtrackin
9、g(MPPT)、Perturbationandobservationmethod目录摘要iiABSTRACTiii目录iv1绪论11.1人类所面临的能源问题11.2光伏发电的优势与特点11.3光伏发电系统最大功率点跟踪技术的背景和意义21.4本课题的目的32光伏发电系统概述42.1光伏发电系统的原理和基本组成42.2光伏电池63光伏发电系统的最大功率点跟踪问题研究83.1光伏电池输出特性83.2光伏电池工程数学模型93.3DC-DC转换电路和DC-DC转换电路的分类114最大功率(MPPT)跟踪的设计154.1电压回授法164.2功率回授法174.3微扰观察法185电路实验系统方案设计215.
10、1电路实验系统方案设计215.2MPPT控制系统硬件设计235.3系统软件设计256实验结果与分析26结论27致谢29参考文献30附录一32附录二40附录三491 绪论1.1 人类所面临的能源问题能源是人类社会生存和发展的动力源泉。然而，随着人类文明的发展日益迅速，人类对能源的需求也日益增加，传统的化石能源正日趋枯竭，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可开采量为39.9年，天然气可采量61年，煤炭可采量为227年，可见化石能源的可开采量已经是屈指可数了。全球资源专家们呼吁：煤炭、石油等可贵的化石资源应该是留给子孙后代的“化工原料”，而不应该在我们这
11、代人手中仅仅把它们作为燃料而消耗殆尽。化石能源的大量开发利用是造成地球环境污染和生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球环境和生态，已经成为一个全球性的重要问题。目前由于大量使用化石能源，全世界每天产生大约1亿吨温室效应气体，这导致全球气候变暖，两极冰川融化。观测资料表明，过去100年中，全球平均气温上升了0.30.6，全球海平面平均上升了1025cm，如果不加以控制，温室效应将融化两极冰川，海平面将上升几米，人类的生活空间将受到极大威胁。另外，燃烧也会产生大量有害气体，这对人身健康造成威胁，还会造成酸雨问题。针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以
12、实现可持续发展是人类必须采取的措施。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。1.2 光伏发电的优势与特点太阳能取之不尽、用之不竭，因此作为一种可再生利用的新能源，得到了广泛的应用。太阳能发电又分为光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式。光伏发电是当今太阳能发电的主流。与常规发电和其它绿色发电技术相比。太阳能光伏发电有以下的优势：(1)是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源；(2)利用的场合广泛和灵活，既
13、可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行；(3)可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源；(4)接近负载中心，减少电网的线损，减少输配网络的传输功率；(5)发电的效率不随发电规模的大小而变；(6)就地可取，无需运输。由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展很快。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源；从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电电源，和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。1.3 光伏发电系统最大功率点跟踪技术的背景和意义随着光伏技术的不断发展以及光伏组件成本
14、的不断下降，光伏技术的应用不再局限于为边远无电地区提供电力，而是逐步渗透到人们日常生产、生活的方方面面，小到太阳能庭院灯、太阳能路灯，太阳能喷泉，大至太阳能汽车、太阳能游艇以及太阳能制氢，无一不体现了光伏技术的高科技内涵和对生产力的促进作用。在这一系列系统中，光伏控制系统都是不可或缺的，因此，采用一种高效、可靠、安全的光伏控制系统，是整个系统得以持续、平稳、可靠的运行的关键。1.4 目前国外由于光伏技术的应用开展较早，在光伏发电系统的控制技术上，尤其是MPPT的控制技术已经取得了一定的成果，尤其是近些年来微机控制技术的快速发展，为MPPT的控制技术注入了新鲜血液，使其再度焕发出强大的生命力；国
15、内由于起步晚，在这方面的研究处于初级阶段，在许多的实际系统中，MPPT的控制很多还是采用相对落后的恒电压跟踪的控制方式，与国外相比还有一定的差距，因此需要加大在这一技术领域内的研究力度，缩短与发达国家之间的技术差距，并利用所掌握的技术为广大人民群众的生活以及整个国民经济的发展服务。可以预见，在未来的几十年中，以光伏技术为代表的新能源产业必将迎来高速发展的阶段，因此，光伏充电系统将有着十分广阔的市场应用前景。本课题的目的本课题因光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，另外，光伏电池的效率低且价格昂贵，光伏发电系统的初期投入较大，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制，更有效的利用太阳
16、能。因此，本文着重对光伏阵列的最大功率点跟踪控制技术进行了详细的理论分析，建立了仿真模型，提出了相应的控制策略，并进行了实验验证。目前，国内外文献中提出许多光伏电池最大功率的控制算法，如电压回授法、功率回授法。这些算法在跟踪时间和稳定性方面都存在一定的局限性。因此，研究改进了微扰观察法用于光伏电池的最大功率点跟踪控制，设计了独立光伏仿真实验系统，实验系统以微控控制器为核心，由检测电路获得信号，通过驱动保护电路输出控制信号，控制MPPT变换器执行负载匹配调节，使它工作在最大功率点附近。同时对太阳能电池的输出特性仿真进行了分析，验证采用微控制器来实现最大功率点的跟踪控制，有效地提高了太阳能电池的输
17、出效率。2 光伏发电系统概述2.1 光伏发电系统的原理和基本组成光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池发电的原理是光生伏打效应。当太阳光(或其他光)照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光电子一空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样太阳的光能就直接变成了可以付诸使用的电能。光伏电源系统，是利用光伏电池方阵将太阳能转化为电能并储存到系统的蓄电池中或直接供负载使用的可再生能源装置。其工作原理是：白天，光伏
18、电池组件接收太阳光，输出电能，一部分供给直流或交流负载工作；另一部分通过防反充二极管给蓄电池组充电，夜晚或阴雨天，光伏电池组件无法工作，蓄电池组供电给直流或交流负载工作。光伏发电系统是将太阳能转换成电能的一种能源系统，光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行系统。独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。并网运行光伏发电系统是指与电网相连，可以给电网供电的光伏发电系统。所谓独立运行光伏发电系统是指光伏电池产生的电能直接供给负载，此系统不受其它系统的影响也不受他人影响，主要是用于山区或偏远地区等市电无法到达的地方。其设备的容量通常在数十到数百瓦之间，白天太阳能板产生电
19、能，供给负载及给蓄电池充电，晚上由蓄电池给负载供电。独立运行光伏发电系统组成与负载有关，直流负载和交流负载都包含光伏电池、蓄电池组、控制电路。独立系统的负载如果是直流负载不含逆变回路，可直接与蓄电池相连，对蓄电池负载。这类系统结构简单光伏供电系统的总体框图（如图1）所示，光伏阵列安装在户外接受太阳能，通过充电控制器给蓄电池充电，逆变电路将直流电转化为负载所需要的三相或单相的交流电。典型的独立光伏发电系统主要是由光伏阵列、电力电子变换器、储能装置、负载等组成。控制器直流-交流逆变器交流负载直流负载蓄电池图1典型的独立光伏系统结构图2.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成，如果把光伏电
20、池与蓄电池直接连接起来，由于光伏电池阵列的输出特性与日照强度和温度等因素有关，一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化，致使无法对光伏电池的输出进行调节，造成资源的浪费；另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化，不稳定的电压对蓄电池进行充电，只会影响蓄电池的寿命。因此需要在光伏电池和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节，它既可以跟踪光伏电池的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。带有最大功率跟踪功能的光伏电源系统框图如下图所示：DC/DC充电电压电流检测最大功率控制（MPPT）蓄电池。ORDC/DCORDC/AC放点电压电流检测放点控制电路负载光伏电池图2带
21、有最大功率跟踪功能的光伏电源系统框图光伏电池光伏电池板是由许多光伏电池单体经过串、并联连接后，加上增加机械强度的支撑基板、表面强化玻璃覆盖所构成。由于光伏电池会受到日照强度、温度以及制作材料等因素的影响而使它的输出有所变化，所以为了让光伏电池板发挥其最大的输出，必须控制其瞬时的输出功率，使其在不同的环境条件下都能输出最大功率（一）光伏电池的类型光伏电池极板上是由一种半导体材料所做成的光电转换元件，目前制作光伏电池的材料和方式有许多种，所制作出来的工作效率也不尽相同。常用的光伏电池主要是硅光伏电池。目前世界上有三种已经商品化的硅光伏电池：单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。单晶硅光伏
22、电池由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，致使材料的成本比较昂贵。单晶硅光伏电池的制造成本最高，但光电转化效率也最高。多晶硅光伏电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被结电场所分离，因为电荷对晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅光伏电池的效率比一般的单晶硅要稍低。但多晶硅光伏电池可用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅光伏电池低。非晶硅光伏电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，并在光照下衰降，目前多用于弱光性电源，如手表、计算器等。（二）光伏电池方阵光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的光伏电池将太阳能直接转换成电能的
23、。光伏电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般2cm2cm，15cm15cm不等，光伏电池单体的工作电压约为0.450.5V，工作电流2025mA/，一般不能单独作为电源使用。将光伏电池单体进行串并联封装后，就成为光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦到几百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。光伏电池组件再经过串联并装在支架上，就构成了光伏电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。（三）光伏阵列的保护在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的光伏电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的光伏电池组件所产生的能量。被遮蔽的光伏电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重破坏光伏电池，有光照的光伏电池所
24、产生的部分或者全部能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止光伏电池由于热斑效应而遭受破坏，需要在光伏电池组件的正、负极两端并联一个旁路二极管，实现电流的旁路，保护光伏阵列。为了避免由于光伏电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或者出现短路故障时，蓄电池组通过光伏电池方阵放电，这就需要在方阵中加入防反充二极管，又称为阻塞二极管。阻塞二极管串联在方阵的电路中，起单向导通的作用，它必须能承受足够大的电流，而且正向压降要小，反向饱和电流要小。一般选用合适的整流二极管作为阻塞二极管。除了电方面的保护，还要考虑机械方面的保护，如防风、防雨、防雹能力，另外，为了防止鸟粪沾污光伏电池表面引起热斑效应，还需要在方阵顶上
25、特别安装驱鸟器。3 光伏发电系统的最大功率点跟踪问题研究所有光伏系统都希望光伏电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，这也就在理论上和实践上提出了太阳电池阵列的最大功率点跟踪(MPPTMaximumPowerPointTracking)问题。太阳能光伏应用的日益普及、太阳电池的高度非线性和价格仍相对昂贵更加速了人们对这一问题的研究。3.1 光伏电池输出特性太阳能电池输出特性是非线性的，受外界多种因素影响，主要因素是光照强度和环境温度。太阳能电池伏安特性曲线如图3所示。从图3(a)可以看出，当环境温度为25时，太阳能电池的输出电流和电压随着光照强度的增大而增大；而当日照强度不发生变化
26、时，太阳能电池的输出电压会随着温度的升高而降低。图4是太阳能电池伏瓦特性曲线。可以看出，环境温度一定时，光照强度越大，太阳能电池输出的功率也越大；相反光照强度不变时，环境温度越高，太阳能电池输出的功率越小。我们可以得到结论：在不同的环境下，太阳能电池输出曲线是不同的，最大功率点随着光照强度和温度的变化而变化。因此为了提高太阳能电池的发电效率，就要对太阳能电池最大功率点进行跟踪。(a)相同温度不同光照(b)相同光照不同温度图3太阳能电池U-I特性曲线(a)相同光照不同温度(b)相同光照不同温度图4太阳能电池P-U特性曲线3.2 光伏电池工程数学模型由不同温度不同日照强度下太阳能电池I-V曲线可见
27、，温度主要影响太阳能电池的输出电压，而日照强度主要影响输出电流。在不同的日照强度和环境温度下，其输出特性曲线不同，且均为非线性。当太阳能辐射度和电池温度变化时，光伏电池输出电压和输出电流呈非线性关系变化，其输出功率也随之改变，如图4所示。可以看出，每一个环境状态下，系统都有一个最大功率点，且此最大功率点随环境状态变化而相应变化。为了使光伏电池在不同温度、不同辐照度条件下始终工作于该外界条件下的最佳工作点，当最大功率点发生漂移时，采用一定的方法使光伏电池始终工作于最大功率点处，称之为最大功率跟踪技术，即MPPT技术。+Ir(a)光伏电池和负载的等效模DC-DCr+I光伏电池等效负载(b)光伏电池
28、量大功率跟踪示意图图5光伏电池等效图太阳能电池和负载可简化为如图5所示的线性系统电路图，经计算消耗在上的功率为(3-1)式(3-1)两边对求导可得：(3-2)由式(3-2)可得，当r=时，=0，取最大值，即当光伏电池负载阻抗与内部阻抗相匹配时，光伏电池的输出功率最大。实际中光伏电池的内部阻抗随外界条件的变化而变化。为了跟踪其最大功率点常在光伏电池与负载之间并联一个DC-DC变换器(如图5所示)，通过改变该DC-DC变换器的占空比，达到调节光伏电池负载的等效输出阻抗动态跟踪光伏电池输出阻抗的目的，使光伏电池重新工作在最大功率点处。将该DC-DC变换器称为光伏电池最大功率点跟踪器。3.3 DC-D
29、C转换电路及其分类电力电子电路的基本作用是进行电能的变换与控制，即将一定的电能变换成另一种形式的电能输出，从而满足不同负载的要求。电能的形式有直流和交流之分，根据输入和输出的不同形式，可将电力电子电路分为四类，AC-DC变换器、DC-AC变换器、DC-DC变换器、AC-AC变换器。在本设计中主要介绍DC-DC变换器。DC-DC转换电路(也称为斩波电路或斩波器)在直流电源和负载之间，通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。用DC-DC变换器可以实现最大功率点的跟踪(MPPT)。本文DC-DC变换器接入光伏电池板的输入回路，并将对DC-DC变换器的输入、输出电压和电流测
30、量结果通过微处理器的分析运算，由微处理器输出PWM脉冲调节DC-DC转换器内部开关管的占空比来控制光伏电池的输出电流，从而使蓄电池电压保持恒定。同时通过控制开关管的占空比也可调节光伏电池输出。(Buck/Boost)降升压式DC-DC转换电路，Buck/Boost变换器是输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，其主电路与Buck和Boost变换器的元器件相同，也由开关管、二极管、电感和电容等构成，原理图如图6所示。与Buck和Boost变换器不同的是，其输出电压的极性与输入电压相反。图7为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图：图6升降压DC-DC转换电路的原理图(a)开关管导
31、通时的等效原理图：(b)开关管关断时的等效原理图图7升降压DC-DC转换电路的等效原理图从图7可以看出，在开关管导通时，电源给储能元件电感充电，上的电流逐渐增大，而在开关管截止时电感放电，上的电流逐渐减小。图8显示了电感上电流的变换波形和电压波形。图8升降压DC-DC转换电路的输出波形在t=0时，开关管Q导通，电源电压全部加到升压电感上，电感电流线性增长。二极管D截止，负载由滤波电容供电。（4-1）当时，到最大值。在开关管Q导通期间，增长量为：=(4-2)在t=时刻，开关管Q关断，通过二极管D续流，电感的储能向负载和电容转移，给充电。此时加在上的电压为，故线性减小。(4-3)当t=时，达到最小
32、值。在开关管Q截止期间，的减小量为：(4-4)在t=时，开关管Q又导通，开始下一个开关周期。由此可见，电感，用于存储和转换能量，开关管Q导通时，电感出能，负载由电容供电；开关管Q关断时，电感向负载供电。稳态工作时，开关管Q导通期间电感电流的增长量等于它在开关管Q截止期间的减小量，可得到：(4-5)从上式可以看出：当时，=0.5；若0.5时，则。即Buck/Boost变换器的输出电压既可低于也可高于输入电压。降压式和升压式DC-DC转换电路是两种基本类型电路，升降压式DC-DC转换电路可以从前两者派生出来。将降压式和升压式两种电路级联，即将降压式的输出端作为升压式的输入端，就可以得到升降压式DC
33、-DC转换电路，如图9所示：图9升降压式DC-DC转换电路此电路中的电容并不影响直流工作情况，可以去掉；而两个电感和可以简化为一个电感，由于要实现升降压调节，需要两个开关管同时导通或截止，可以将两个开关简化为一个开关管。这样一来，电路就可简化为升降压电路的形式了。由此可见升降压式DC-DC转换电路就可以看成是降压式和升压式级联的一种特殊情况，即=0，并且由于输出电压极性的倒置，使得开关管少了一个。4 最大功率(MPPT)跟踪的设计最大功率就是使光伏电池始终保持最大功率输出。由于光伏电池的光电转换效率比较低，光伏电池的输出功率受日照强度以及温度影响的特点，为了在限定的条件下有效利用光伏电池，就要
34、进行最大功率跟踪(MPPT-MaxPowerPointTracking)。最大功率点(MPP)，光伏电池的输出与日照强度和环境的温度有很大的关系，为了使光伏电池在任意的日照和温度下，都能有最大的功率输出，即光伏电池始终工作在最大功率点处，首先要确定最大功率点在光伏电池伏安特性曲线上的位置。图3、4分别表示了同一温度、不同的日照强度下和不同的温度、同一日照强度下光伏电池的特性曲线，其拐点就是最大功率点的位置，把这些点依次连形成曲线，便是的最大功率点轨迹曲线。由光伏电池特性曲线可知，它表明光伏电池既非恒流源也非恒压源，而是一种非线性直流电源。实现使光伏电池始终工作在逼近曲线的过程，即为光伏电池最大
35、功率点跟踪。从理论上讲，只要将光伏电池与负载完全匹配、直接耦合(如被充电的蓄电池类负载)，光伏电池就能处于高效状态，负载的伏安特性曲线与最大功率点轨迹曲线即可重合或渐进重合，即光伏电池实现了最大功率点跟踪。但是日常应用中，很难满足负载与光伏电池的直接耦合条件。这时往往需要增加一个MPPT(最大功率跟踪器)，来实现负载与光伏电池间达到最佳匹配。光伏电池最大功率点跟踪方法，图10为光伏阵列的输出功率特性P-V曲线，由图可知当光伏阵列的工作电压小于最大功率点电压时，光伏阵列的输出功率随阵列端电压上升而增加；当阵列的工作电压大于最大功率点电压时，阵列的输出功率随端电压上升而减小。MPPT的实现实质上是
36、一个自寻优过程，即通过控制端电压，使光伏阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化的输出最大功率。图10光伏阵列的输出功率特性P-V曲线光伏阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受日照强度和温度的影响，系统工作点也会因此飘忽不定，这必然导致系统效率的降低。为此，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。本文针对于常用的MPPT实现方法：电压回授法、功率回授法、微扰动观测法等进行了仔细的分析。4.1 电压回授法电压回授法是最简单的一种最大功率跟踪法，即CVT(ConstantVoltageTracking)，经由事先的测试，得知光伏阵列在某一日照信号和温度下至
37、最大功率点的电压大小，再调整光伏阵列的端电压，使其能与实现测试的电压相符，来达到最大功率点跟踪的效果。此控制方法的最大缺点是当环境条件大幅度改变时，系统不能自动的跟踪到光伏电池的另一最大功率点，因此造成能量的浪费。负载转换电路光伏电池VREF控制电路比较器(a)光伏电池转换电路负载比较器控制电路最大功率追踪(b)图11电压回授法方块图(a)固定参考电压法方块图：(b)可变参考电压方块图4.2 功率回授法4.3 由于电压回授法无法随环境条件的改变自动跟踪到最大功率点，因此功率回授法加入了输出功率对电压变化率的判断，以便能适应天气的变化而达到最大功率点跟踪，也就是改变输出功率判断此时是否dPdV=
38、0，当dPdV=0时即是为操作在最大功率点。配合控制流程即可动态地追踪光伏电池板在不同日强度及温度下的最大功率点。相对于电压回授法而言，此方法虽然较为复杂且需较多的运算过程，但其在减少能量损耗以及提升整体效率的效果却是非常显著的。光伏电池转换器负载dP/dV比较器图12功率回授法方块图微扰观察法微扰观察法(PerturbationandObservationMethod，简称P&O法)由于其结构简单，且需测量的参数较少，所以它被普遍应用在光伏电池板的最大功率点跟踪。就是要引入一个小的变化，然后进行观察，并与前一个状态进行比较，根据比较的结果调节光伏电池的工作点。通过改变光伏电池的输出电压，并实
39、时地采样光伏电池的输出电压和电流，计算出功率，然后于上一次计算的功率进行比较，如果小于上一次的值，则说明本次控制使功率输出降低了，应控制使光伏电池输出电压按原来相反的方向变化，如果大于则维持原来增大或减小的方向，这样就保证了使太阳能输出向增大的方向变化，如此反复的扰动、观察与比较，使光伏电池板达到其最大功率点。实现最大功率的输出。但是在达到最大功率点附近后，其扰动并不停止，而会在最大功率点左右振荡，而造成能量损失并降低光伏电池板的效率。在此引入一个参考电压，在得出比较结果后，调节参考电压，使它逐渐接近最大功率点电压，在调节光伏电池工作点时，根据这个参考电压进行调节。光伏电池转换器负载检测电路控
40、制器IV图13微扰观察法方块图开始测量计算/YesYesYesNoNoNoYes图14微扰观察法流程图图中、是上一次测量和计算出的值。从图中可以看出：在功率比较之后，经过判断电压的变化，对参考电压(减)一个调整电压，然后再进行测量、比较，进入下一个循环。这就是微扰观察法。这种方法简单易懂，实现起来比较容易，只要进行简单的运算和比较即可，因此是一种较为常用的方法。电压的变化量的选择影响到跟踪的速度与准确度，能否准确的实现MPPT功能。设置偏大，跟踪速度快，会导致跟踪的精度不够，在最大功率点附近功率输出摆动大；设置偏小则跟踪速度慢，浪费电能，但输出能更好地靠近最大功率点。这种方法简单易懂，实现起来
41、也比较容易，但是此种方法较盲目，如果的初始值设置的离最大功率点电压相差较大，加上设置的不合理，可能会花费很长的时间才到达最大功率点，甚至会导致远离最大功率点。本文的确定是采用变化的，根据每次测量和计算的结果不断调整它。当工作点离最大功率点较远时，增大，使工作点电压变化的快一些；当工作点离最大功率点较近时，减小，使工作点不会跨过最大功率点而远离它。5 电路实验系统方案设计5.1 电路实验系统方案设计本系统采用硬件电路模拟独立光伏系统，为验证MPPT方法提供实验平台。结合独立光伏系统的设计，并增加实际应用系统中必不可少的储能系统，设计的硬件电路实验系统如图15所示。系统主要包含以下五部分：模拟光伏
42、阵列，MPPT控制系统，MPPT用变换器，蓄电池充放电变换器，蓄电池组以及直流阻性负载。可知，系统至少包含两大变换电路：其一，在光伏阵列输出端串接MPPT用变换器(前级变换器)，通过调节变换器中开关管的占空比来实现对光伏阵列的输出功率的最大值跟踪。其二，由于系统配置了蓄电池，在对蓄电池进行充放电控制时需要直流变换器(后级变换器)进行电压、电流调节。通过对两个变换器的恰当控制，即可实现对光伏阵列的最大功率点跟踪，又可以进行光伏阵列及蓄电池间灵活的电能管理控制。模拟光伏电池MPPT用变换器直流负载充放电变换器MPPT控制器蓄电池组图15硬件电路实验系统方块图（一）光伏电池的模拟实现光伏电池在工作时
43、，随着日照强度、环境温度的不同，其端电压和电流将发生变化，使输出功率也产生很大变化，故光伏电池本身是一种既不稳定的电源，这类似于一个内阻随日照强度和环境温度变化的电源。结合光伏电池的等效电路，可将光伏电池的模拟实现为一个内阻可变的电压源，如图15所示。在进行模拟实验中，可通过改变内阻，来模仿外部环境中日照变化或环境温度变化对光伏电产生的影响，当外部负载电阻与模拟电池的内阻相匹配时，电源输出到负载端的功率最大。这对应于光伏电池达到最大功率点处。+r光伏电池+US-图16模拟光伏电池模型（二）变换器的方案选择在电路实验系统设计中仍然采用BOOST变换器作为MPPT用变换器。下面在介绍一下蓄电池充放
44、电变换器的方案设计。光伏充放电控制器是光伏发电系统中配合蓄电池特性，对蓄电池实施充电与放电控制的设备。为了最大限度延长蓄电池使用寿命，充放电控制器应对蓄电池进行有效的充电、防止过度充电或过度放电。由于光伏发电系统中广泛使用的是无记忆特性的铅酸蓄电池，但如果铅酸蓄电池充/放电不当，则很容易造成损坏，要有较好的充放电控制器予以配合。充电控制器主要分为并联型、串联型充电控制器和PWM控制器等几种类型,本文使用双向BUCK-BOOST直流变换器作为蓄电池的充放电变换器。（三）缓冲电路设计开关管的开通和关断过程并非是理论上的瞬间完成的，开关管关断过程中电流下降时间和电压上升时间总有重叠部分，重叠部分造成
45、开关管在关断时会有较大的关断损耗。此外，由于开关管开关速度快，开通时电流迅速上升，很大，关断时很大，开关管开闭造成的电压和电流尖峰将对开关管造成极大的损害。为了使开关管关断过程电压电流能够得到有效的抑制并减小关断损耗，通常都需要给开关管主电路设置关断缓冲电路。缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的过电压、或者过电流和，减小器件的开关损耗。常分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。如无特别说明，通常缓冲电路专指关断缓冲电路。图17给出了有缓冲电路。对缓冲电路的要求：尽量减小主电路的电感；电容应采用低感吸收电容，高频特性较好，且具有耐高压性能；二极管应选用快开通和快速恢复二极管，以免产生开通过
46、电压和反向恢复引起较大的振荡过电压；电阻的选型应满足缓冲电路的功率损耗，防止电阻过度发热而损坏。CSRSDST图17缓冲器电路结构图5.2 MPPT控制系统硬件设计MPPT控制系统主要实现三个功能，一是信号的测量，二是控制算法计算，三是输出控制信号。此外，为方便实验观察，往往需要一些辅助功能，如显示等。除了供电部分，主要包括控制器部分，信号测量部分，驱动保护部分三大部分。其中信号测量部分作为控制系统的测量模块。驱动保护部分是控制系统的输出模块。主控制器经过控制算法计算后输出PWM信号到驱动保护部分，驱动保护部分提高开关管控制信号的驱动能力，并对开关管进行过流保护。控制器部分是控制系统的核心，定
47、时从各个测量仪表获取测量值，根据测量值进行MPPT控制规律运算，计算所得PWM控制信号输出到驱动保护部分。主控制器通过对两路PWM发生模块输出信号控制开关管。（一）MOS管驱动电路MC9S08QG8使用PTB6和PTB7作为2个MOSEFT开关管的栅极控制信号，来控制开关管Q1和Q2。以Q1为例，当PTB6输出高电平时，三极管Q3导通，Q1栅极被拉为低电平，Q1截止；反之PTB6为低电平时，Q1导通。驱动电路如图18。图18MOS开关管驱动电路（二）电压检测电路控制器使用成本低廉的高精度差动放大器作为电压检测器件组成电压检测电路，如图19所示。R2VB42R1V-1ViR53V+R3R4图19电压检测电路5.3 系统软件设计参考本节图14总体结构示意图可知，按照MPPT控制算法设计软件程序，根据检测值运算求解当前控制输出值，设定PWM占空比。关于频率和占空比的确定，对于6M晶振，假定PWM输出频率为1K