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1、摘要编号 河南机电高等专科学校毕业设计（论文）基于PLC的光伏控制系统系 部: 自动控制系 专 业: 电气自动化技术 班 级: 自104班 姓 名: 郝亚磊 学 号: 101415426 指导老师: 张雷 二零一三年四月二十五日i摘 要随着能源和环境问题的日益严重，太阳能等新能源的开发、利用越来越受到社会的关注，太阳能是一种理想的清洁绿色能源，但转换和利用率不高，造成了太阳能利用的局限性很大。如何提高太阳能的转换和利用率、降低发电系统建造成本是研究太阳能发电系统的两大难题。本系统基于西门子PLC等自动化产品设计一种结构简单、成本低廉且精度高的太阳能自动追踪系统，以提高太阳能的利用率。本系统利用
2、安装在太阳能电池组件的不同方位光敏传感器检测太阳与电池组件相对位置，检测结果传输给PLC，PLC通过变频器驱动三相低速同步电机动作，实现水平角控制。系统首先通过雨水传感器检测天气情况，如是雨天则自动停止在原位不工作；非雨天情况下系统自动追踪太阳，以使太阳能电池组件的辐照最大化。由于时间及作者目前的知识限制，跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪，有较大误差，今后如有机会再进行改进。关键词：PLC ；变频器 ；太阳能 ；追踪ABSTRACTAs the increasingly serious energy and environmental problems, solar and other new
3、energy development and utilization of more and more get the attention of society, is a kind of ideal clean green energy, solar energy conversion and utilization is not high, cause the limitations of the solar energy utilization is very large. How to improve the solar energy conversion and utilizatio
4、n, reduce construction cost power generation system are two big problem in the study of solar power generation system. This system based on Siemens PLC and other automation products, design a simple structure, low cost and high precision automatic solar tracking system, in order to improve the utili
5、zation of solar energy. Using this system installed in different position of the solar energy battery components solar battery components and relative positions, photosensitive sensor detection results transmitted to PLC, PLC by the movements of the inverter drive three-phase synchronous motor at lo
6、w speed, Angle control implementation level. System first by weather conditions, rain sensor, rainy days dont work automatically stop in situ; Is not the rainy day, system automatically identify further and cloudy weather, the cloudy system automatically track the sun, to maximize the solar cell com
7、ponent of irradiation. Manual mode, the user can be manually adjusted according to demand level Angle and elevation Angle of the solar cell component. System has a bad weather self protection function at the same time, such as strong wind weather, system will automatically keep the solar cell compon
8、ent level, to reduce the windward side. Due to time limit and the authors current knowledge, Angle tracking system is only for rough tracking, a greater error, if there is any chance to improve in the future. Key words: PLC; Frequency converter; Servo; Solar energy; trackin目录目录第1章 绪论11.1 能源与环保11.1.1
9、 能源紧缺11.1.2 环境污染11.2 系统研究背景11.2.1系统研究目的21.2.2系统研究现状21.2.3系统拟研究内容31.3本章总结3第2章 跟踪系统的要求及方案42.1跟踪系统的要求42.2 跟踪系统的方案42.3本章小结5第3章 跟踪系统的硬件组成63.1跟踪系统机械组成63.1.1 机械传动机构工作原理73.2 跟踪系统电气系统硬件73.2.1 光伏模块73.2.2信号采集模块和处理模块73.2.3驱动模块83.2.4 控制器单元93.3储存装置103.4计时模块103.5硬件之间的连接123.6本章小结13第4章 跟踪系统的软件设计144.1 PLC的编程144.2 模拟量
10、编程144.3本章小结15第5章 电气控制技术165.1光伏跟踪系统最大功率跟踪概述165.2 MPPT控制基本原理165.2.1 扰动观察法(Perturbation and ObservationP&0)185.2.2 MPPT技术的硬件电路支持205.3电流采样电路205.4 电压采样电路215.5本章小结23第6章 总结及展望246.1 总结246. 2展望24参考文献26致谢27基于PLC的光伏控制系统第1章 绪论1.1 能源与环保随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经
11、亿万年的演化积累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因，世界能源问题日益严峻，表现在如下方面：1.1.1 能源紧缺世界上大部分国家能源供应不足，据统计近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增加了近20倍，预计今后十年化石燃料的用量将翻一番，但全球己探明的石油储量只能用到2050年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。1.1.2 环境污染由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土。1.2 系统研究背景太阳能是已知的最
12、原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布范围广，具有非常广阔的利用前景。但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题，太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了太阳能的利用效率。太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广,我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，不能充分利用
13、太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。根据据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 %左右。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。1.2.1系统研究目的太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前，提高太阳能利用率的研究主要集中在两方面：一方面是提高太阳能装置的能量转换率，另一方面是提高太阳能的集热率；前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。无论哪种太阳能利用
14、设备，如果它的采光装置能自动追踪太阳并始终保持与太阳光垂直，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。太阳能电池发电原理：利用光伏发电，即通过一对有光响应的器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角器件将光能转换成电能。太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。采用自动追光系统转换率可提高40%。因此在这样一个大前提下，我们需要制作一套全自动太阳能追光系统，实现了最大限度地使用太阳能，相信在不久的将来，它可以真正用到实处，用到人们的日常生活中去1.2.2系统研究现状太阳辐照追踪装置
15、要对应于昼夜、阴晴更替。太阳落山时，追踪装置朝向西边，然后停止工作，并能够复位；当遇到乌云遮住太阳时，追踪装置传感单元无法反应出太阳光线的变化，当乌云过后太阳可能偏离较大的角度，这种情况下就要求追踪装置传感探测单元能够在较大的范围内反应出太阳光线的变化。现有用于太阳观测科学研究的太阳追踪装置虽然追踪准确但是价格太昂贵，如国家气象计量站研制的FST型全自动太阳跟踪器采用传感器定位和太阳运行轨迹定位相结合的设计弥补了赤道架型太阳跟踪器的缺点，具有全自动、全天候、跟踪精度高等优点。这种大型精密仪器由于价格昂贵，通用性和性价比不高。普通民用太阳追踪装置比如1997年美国Blackace研制的单轴太阳跟
16、踪器，完成了东西方向的白动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率仅提高了15% 。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，该装置在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使热接收率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。这些普通民用太阳追踪装置，普遍存在的问题是精度差。市场急需一种追踪范围广、精度高，原理结构简单、方便使用的太阳追踪装置，并尽快将一技术转化为生产力，从而推动太阳能的普及利用，拓宽太阳能的利用领域。1.
17、2.3系统拟研究内容本系统尝试利用如下产品：PLC、变频器、同步电机等设计、制造一种简单、经济、高效并能实现单轴控制的太阳能电池组件辐照追踪系统。1.3本章总结本章简单介绍太阳能电池组件辐照追踪系统的研制背景、目的、现状及拟研究内容。3第2章 跟踪系统的要求及方案2.1跟踪系统的要求本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。对太阳能的利用一般都是采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用，在本研究中，确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能。对太阳能进行电能转换的时候，由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的，如果采用固定式的太阳能接收装置，此装置的位置无法随太阳改变，只能
18、在固定时段有效的吸收太阳能，在其他时段的吸收效率就十分低下，因此，要使太阳能的吸收效率提高，采用太阳跟踪系统对太阳进行实时跟踪是可行和有效的。在本课题中采用的是单轴跟踪的方法对太阳进行即时跟踪，使太阳能接收装置能够始终正对太阳，从而提高吸收效率。本系统的整体研发要求是经济、结构简单、性能可靠。根据本系统的整体要求，装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件，充分考虑其经济性.在结构设计中，要使系统机构尽量简洁，避免过于复杂和昂贵，要便于安装和维护。在控制部分的设计中，要考虑到系统的全天候性要求，选用耐用和抗干扰性强的执行元件，避免频繁发生系统故障。2.2 跟踪系统的方案利用光敏电
19、阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。另外，基于MPPT技术的最大功率跟踪方法将使跟踪系统实现功率最大化。本装置经由太阳能电池板上两端的电阻得到比较出的信号，传递给PLC，PLC在已编程序上对信号处理然后发出指令传递给变频器，变频器控制电机的转动，从而实现对太阳的跟踪，而后两电阻会对修正后的位置上的太阳能进行比较
20、，然后形成比较，经由反馈电路传递给控制系统，实现闭环调节。另外，在MPPT理论中的扰动控制方法，可定期向控制系统发出信号，以确保系统不会失控。图2-1自动跟踪系统控制框图2.3本章小结本章对太阳能电池组件辐照追踪控制系统的方案的要求做了介绍，并且对于本系统的大体实现方式及远离进行了概述。第3章 跟踪系统的硬件组成3.1跟踪系统机械组成能实现单轴运动的太阳能电池组件辐照追踪控制系统机械结构主要由3部分组成，分别是底座，圆盘，太阳能电池支架。图3-1系统机械装配图图3-2 系统实物图3.1.1 机械传动机构工作原理本系统单轴追踪主要有圆盘的转动实现追踪装置的水平转动。圆盘的转动,用三相同步电机经过
21、减速器，带动圆盘转动。圆盘转动的范围在水平位置内180度转动，在最西边和最东边有限位开关，当触碰到最西限位角，装置立即回到初始位置，就是最东边垂直位置，当触碰到最东限位角装置就停止运动。当第二天太阳再次升起的时候装置重新启动，追踪太阳。3.2 跟踪系统电气系统硬件3.2.1 光伏模块太阳能电池板选用中国太阳能电池板选用中国光伏集团东营光伏太阳能有限公司生产的CNPV-180M型号的光伏组件，有72块单晶硅太阳能电池片组成，其技术参数主要峰值功率Pm：180W，最佳工作电压33V这些参数是在标准的试验条件下测试的（太阳光强度1000W/m，太阳板温度25，空气质量1.5）。3.2.2信号采集模块
22、和处理模块光敏电阻传感器是光伏发电跟踪系统的光信号采集装置，它的使用原理是光照强度不同，两块电池板所产生功率不同太阳光线与圆弧传感器的垂直方向有夹角时，光照多的那个电池板功率大，从而产生变化的电流信号，电流信号传递给PLC模拟模块进行处理。3.2.3驱动模块驱动模块主要就是变频器控制电机实现系统的跟踪。下面介绍一下所选用的型号及功能。一：变频器。变频器方面，我选用了与200PLC比较匹配的西门子MM440，这样做就是为了变频器与PLC的连接及通讯更加方便。MM440的主电路由电源端输入单相或三相恒压恒频的标准正弦交流电压,经整流电路将其转换成恒定的直流电压,供给逆变电路。在微控制器的控制下,逆
23、变电路将恒定的直流电压逆变成电压和频率均可调节的三相交流电供给电动机负载。因为其直流环节是使用电容进行滤波的,所以MM440属于电压型的交一直一交变频器。图3-3通用变频器基本结构框图如图3-3所示为MM440变频器的内部功能方框图.其控制电路贞CPU、模拟输入/输出、数字输入/输出、操作面板等部分组成。该变频器共有20个控制端子，分为4类：输入信号端子、频率模拟设定输入端子、监视信号输出端子和通信端子。二：电动机。东西水平方向上，机械系统的基本要求是能够随太阳东升西落的过程转动180度，此过程历经大约10小时，这一过程就必须要求电机能够低速运行，同步电机的转速n=60f/p(f:电源频率p:
24、磁极对数)，磁极对数一般不能变动，本文选用小型90TYD-L三相低速同步电机。3.2.4 控制器单元控制单元是整个系统的重要部分，一般选用单片机和PLC（工控机）。这个系统我选用了PLC。具体型号根据系统要求及功能实现加上价格因素等，选用了西门子S7-200系列。 S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种整体式小型可编程控制器。S7-200系列PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选则的扩展模块，可以十分方便的组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLCPLC网络和微机PLC网络，从而完成规模更大的工程。因此本人选用的是德国S
25、IEMENS公司的S7-200型号的可编程序控制器产品。S7-200的STEP7-Micro/WIN32编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控、使得PLC的编程更加方便、快捷。即S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。图3-4PLC结构图PLC的硬件组成：PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。如图3-4所示。在太阳跟踪系统中，我们用到了一个模拟量某块用以采集转轴角度位置。我们选用了4输入的EM231模块，用于采集角度数据。其分辨率为12位，能满足精度要求。后面将详细讲解模拟量模块在采集中的
26、编程。3.3储存装置在光伏独立发电系统中，储能装置是必不可少的。因为太阳能电池的输出特性随电池的温度和日照强度的变化而变化，当外部环境发生变化时就有可能导致太阳能电池不能输出足够的功率，为了能满足负载功率的要求，就必须要有储能装置。当没有充足的光照时，太阳能电池不能输出足够的能量，这就需要储能装置给负载提供电能；在阳光充足时太阳能电池发出的电能对于负载又有可能是富裕的，这时候就需要把多余的电能储存起来。现在可选的储能方法有很多，如电容器储能、飞轮储能、超导储能等等，但基于方便，可靠，价格等综合因素考虑，多数光伏发电系统都采用蓄电池作为储能元件。在本设计中，选用了型号为INT6FM12的密封式铅
27、酸蓄电池作为储能设备。3.4计时模块本系统设计要求能够对时间进行记录，并且PLC能读取到程序设定的即时时刻，因此要选用一款计时芯片为系统提供时间的提取和记录。在本跟踪系统中，选用的是8563计时芯片。8563是Philips公司推出的内含I2C总线接口功能并具有极低功耗得多功能日历时钟芯片。8563得多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能及中断输出功能，能满足各种复杂的定时服务需求，甚至可提供“看门狗”功能。内部始终电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路（1.0V）及两线制I2C总线通信方式，不但使外围电路极其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。每次读写数据后，8563内嵌的字地址寄存器会自动产生
28、增量，为芯片的读写操作提供方便。因而，8563是一款性价比极高的时钟日历芯片。8563的内部组成包括：一个可自动产生增量的地址寄存器，一个内置的32.768kHz的振荡器（带有一个内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400kHz的I2C总线接口。8563有16个寄存器。16个寄存器被设计成可寻址得8位并行寄存器：两个控制、状态寄存器得地址是00H和01H；秒-年寄存器的地址事02H-08H；报警寄存器的地址是09H-0CH，用于定义报警条件；地址是0DH的寄存器用于控制CLKOUT引脚的输出频率；定时器
29、控制寄存器的地址是0EH；定时寄存器的地址是0FH。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器的编码格式为BCD，星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。表3-1 控制/状态寄存器1各位的定义和功能Bit定义功能7TEST1TEST1=0，普通模式；TEST1=1，EXT_CLK测试模式5STOPSTOP=0，芯片时钟运行；STOP=1，所有芯片分频器异步逻辑0，芯片时钟停止运行（CLOCK在32768Hz时可用）3TESTCTESTC=0，电源复位功能失效；TESTC=1，电源复位功能有效（普通模式逻辑0）6,4,2,1,00默认值为逻辑0表3-2 控制/状态寄存器2各位的
30、定义和功能Bit定义功能7,6,50默认值为逻辑04TI/IPTI/IP=0，当TF有效时INT有效（取决于TIE的状态）；TI/IP=1，INT脉冲有效（取决于TIE的状态）。AF和AIE都有效时，则INT一直有效3AF当警报发生时，AF被置逻辑1，当定时器倒计数结束时，TF被置逻辑1，在被软件重写前一直保持原值；若有定时器和报警中断请求时，中断源由AF和TF决定；若要清除一个标志位而防止另一个标志位被重写，应使用逻辑指令AND2TF1AIE标志位AIE和TIE决定一个中断请求的有效或无效；当AF或TF有一个为1时，中断是AIE和TIE都必须置1时的逻辑或。AIE=0，报警中断无效，AIE=
31、1，报警中断有效；TIE=0，定时器中断无效，TIE=1，定时器中断有效0TIE表3-3 秒寄存器各位的定义和功能HR定义功能7VLVL=0，保证准确的时钟日历数据，VL=1，不保证准确的时钟日历数据6-0秒代表BCD格式的当前秒数值表3-4 分钟寄存器各位的定义和功能HR定义功能7-无效6-0分代表BCD格式的当前分钟数值表3-5 小时寄存器各位的定义和功能HR定义功能7-6-无效5-0时代表BCD格式的当前小时数值8563采用SO8或DIP8封装形式，其引脚定义如图3-6所示。（1）OSCI和OSCO：振荡器输入输出引脚（2）：中断信号输出引脚（3）VDD 和VSS：正电源与地（4）SDA
32、：串行数据线（5）SCL：串行时钟信号线（6）CLKOUT：时钟信号输出引脚图3-6 8563引脚图3.5硬件之间的连接几个电气元件之间的电路连接比较简单，就是把信息处理电路的输出端接入PLC的模拟信号扩展模块，从而实现之间的信号传递，而，变频器、PLC、电机之间的线路连接就是简单的根据之间的线路接口进行项链就可以了。大致图形和图3-7类似。而光板和触电设备的连接则需要用到BUCK电路，下面的电气控制章节中会介绍。图3-7电气连接图 3.6本章小结本章对太阳能电池组件辐照追踪控制系统的中所用到的机械结构及电气元件的选择及功能进行了介绍。并对各部分硬件间的连接简单的概述。基本上把跟踪系统所需的硬
33、件内容概述了进去。第4章 跟踪系统的软件设计4.1 PLC的编程要想实现整个控制系统实现的功能，PLC必须下载相应的程序来实现。S7-200系列的PLC编程软件选用的是STEP7-MicroWin4.0。 编程软件支持STL(指令表)、LAD(梯形图)、FBD(逻辑功能块图)三种编程方式。另外，我们选用USB-PPI编程电缆进行通讯。具体其他方面的在这里不多做介绍。另外前面已经介绍过，这个设计系统需要在PLC上加入模拟量模块来接受传感器的信号兵处理。我选用了EM231系列的模拟量控制模块，输入端接入传感器的信号进行比较，输出端接入变频器来控制变频器的运作，实现系统功能。PLC I/O端口的分配
34、：表4-1 PLC I/O口的分配名称地址编号启动开关I0.0停止开关I0.1东限位器I0.2西限位器I0.3计时器I0.4电机正转控制Q0.0电极反转控制Q0.1传感器1AIW0传感器2AIW1变频器输入电压信号AQW04.2 模拟量编程图4-1 模拟量模块实例中采用了4输入的EM231模拟量输入模块。下面将以EM231为例，讲解在模拟量编程中需要注意的问题。图3.15为模拟量模块EM231的硬件图。图3.15为模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。对于某一模块，只能将输入端
35、同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率，也就是说，不能同时测量电流量和电压量，如果电压量程不一样也不能用同一模块采集；同时为了避免共模电压，需要将M端与所有信号负端连接。 图4-2 模拟量模块下面通过一个模拟量编程实例来解释如何获得待测物理值。本例的CPU是CPU224，仅有一个EM231CN模拟量输入模块，该模块的第一个通道连接一个倾角传感器，其输出量程为0-5V，该倾角传感器的量程为090。角度采集程序如下图。4.3本章小结本章对太阳能电池组件辐照追踪控制系统的中跟踪系统的软件做了一些介绍，包括PLC的程序编、写I/O口的分配。通讯。另外对扩展模块的驱动程序也做了一定的概述。第
36、5章 电气控制技术5.1光伏跟踪系统最大功率跟踪概述光伏发电最大功率跟踪系统由光伏组件、直流斩波电路、电压电流测量器件和控制回路组成。在电路中负载与电源内阻相等时，负载可以获取最大功率。但是光伏电池内阻受到日照强度，环境温度的影响，会随外界环境变化而变化，所以我们不能确定最佳负载大小。通过在光伏电池和负载之间增加一个直流斩波电路，调节斩波电路的占空比，就可以调整等效负载大小，控制光伏电池工作在最大功率点实现最大功率跟踪控制。图5-1光伏发电最大功率跟踪系统框图光伏发电最大功率跟踪系统框图如图5-1所示，光伏阵列经过直流斩波电路向负载供电，控制器周期性采样光伏阵列输出电压、电流，经过最大功率跟踪
37、控制算法判断系统是否工作在最大功率点，并对产生的PWM信号占空比进行调整，间接调整光伏阵列的工作电压，使光伏发电系统工作在最大功率点处。5.2 MPPT控制基本原理在这里我们使用大家普遍使用并且比较好的 MPPT控制技术中的扰动观察法。由于光伏器件的输出功率随外部环境变化而变化，因此光伏发电系统普遍采用MPPT电路和相应的控制方法提高对光伏器件的利用效率。假定电池的结温不变光伏器件结温不变，光伏器件的特性曲线如图5-1所示。图5-2 MPPT工作原理示意图图中曲线一、二分别对应不同日照情况下光伏器件的IV特性曲线，A、B分别为不同日照情况下光伏器件的最大输出功率点，负载1、负载2为两条负载曲线
38、。当光伏器件工作在A点时，日照突然加强，由于负载没有改变，光伏器件的工作点转移到A点。从图中可以看出，为了使光伏器件在特性曲线I仍能输出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲线I上的B点，也就是说必须对光伏器件的外部电路进行控制使其负载特性变为负载曲线2实现与光伏器件的功率匹配，从而使光伏器件输出最大功率。为了使太阳能电池阵列带任意电阻负载时，太阳能电池阵列都能工作在最大功率点，必须在负载和太阳能电池阵列之间加入一个阻抗变换器，如图5-3所示。图5-3带阻抗变换器时的等效电路设变比K=VinV。，阻抗变换器的效率为l，则RL=K2RL，调节变比K便可使RL=Req从而使太阳能电池阵列工作于最大功
39、率点，实现最大功率输出。阻抗变换器一般使用DC-DC变换器来实现，通过调节变换器开关管的实现调节变比K，从而实现太阳能电池阵列的最大功率点跟踪。5.2.1 扰动观察法(Perturbation and ObservationP&0)扰动观察法，是一种基于实时控制的MPPT控制方法，它通过对电路施加扰动，改变太阳能光伏电池的工作状态，并且实时观察和计算光伏电池板输出功率的大小，将计算结果与前一时间点进行比较，以此为依据或维持或改变控制下一步扰动的方向，从而使得太阳能光伏电池板的输出最终稳定在最大功率点附近。算法可以简述如下：光伏控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列输出，改变步长是一定的，
40、方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”：然后通过比较扰动周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续扰动，相反，如果输出功率减小，则改变“扰动”方向。扰动观察法的算法流程图如图5-4所示。图5-4 扰动观察法流程图扰动观察法的扰动变量根据实际情况和条件的不同，可以采用输出电压、输入电压、输出电路的占空比等等。其中以输出电压作为扰动变量的MPPT算法主要是通过控制充电回路中功率开关管的导通和关断来改变太阳能光伏电池输出压的大小。因为在这种控制方法下，功率的变化路径从图上看起来好像爬山一样，所以这种控制策略又被称为爬
41、坡法。扰动观察法是目前MPPT算法中使用最广的一个算法，这个算法的主要优点是原理简单，实现方便，而且跟踪精度高，其最大功率点的跟踪精度可以达到90以上。然而，扰动观察法也有其固有的缺点，即在最大功率点附近存在不可避免的振荡从而导致额外的功率损耗，再者就是当外界环境剧烈变化时可能产生电压崩溃现象。其中，振荡是扰动观察法固有的一种现象，它是因为扰动观察法对控制变量的不停扰动产生的。最大功率点附近的振荡过程从图5中也可以看出，最终系统将在23432附近振荡。虽然说减小扰动步长可以减小最大功率点附近的振动幅度，但是同时也将会增大最大功率点的跟踪时间，并且不可能真正地消除振荡。所以说，振荡在扰动观察法中
42、是不可避免的。 图5-5变量为电压的扰动观察法示意图 图5-6 扰动观察法误判示意图此法最大的优点在于其结构简单，被测参数少，能比较普遍的适用于光伏系统的最大功率跟踪。但是，在系统已经跟踪到最大功率点附近时，扰动仍然没有停止，这样系统在最大功率点附近振荡，会损失一部分功率，而且初始值和步长的选取对跟踪的速度和精度都有较大的影响。另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中，会出现误判现象，如图5所示，假设系统已经工作在MPP附近，在II光强下，当前工作点电压记为V1，阵列输出功率记为P1。当电压扰动方增加电压至V2，如果光强不发生变化，阵列输出功率
43、为P2P1，控制系统工作正确。但如果光强下降至I，则对应V2的输出功率可能为P3P1，系统会误判电压扰动方向错误，从而控制工作电压往左移回V1点。如果日照持续下降，则有可能出现控制系统不断误判使工作点电压在V1和V2之间来回移动振荡，而无法跟踪到阵列的最大功率点。由以前可以归纳扰动观测法的优缺点，优点有：控制回路简单；跟踪算法简明，容易实现。缺点有：在阵列最大功率点附近振荡，导致部分功率损失；初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响；会出现“误判”现象。5.2.2 MPPT技术的硬件电路支持用DCDC变换器可以实现最大功率点的跟踪。DCDC变换电路(也称为斩波电路或斩波器)是接在光伏阵
44、列和负载之间，通过控制电压将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。它被广泛应用于直流开关电源、逆变系统、通信领域、地铁、无轨电车等直流电动机的驱动设备中。为了提高光伏电池的光电转换效率，使光伏电池始终保持最大功率输出，就要进行最大功率跟踪(简称MPPT)。本文采用BUCK电路来实现最大功率跟踪，其电路组成如图5-7。 图5-7 BUCK电路BUCK电路中开关管导通的占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发生了变化，输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性。从而一定的输出阻抗对应一个输出电压值和输出电流值。而MPPT技术即是通过调节BUCK电路的占空比而改变光伏阵列的输出阻抗，从而
45、寻求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。由BUCK电路实现MPPT技术时，光伏阵列的输出电压高于蓄电池的端电压时，才能实现较好的调节。当光伏阵列的输出电压低于蓄电池端电压时，BUCK电路的控制失去作用。5.3电流采样电路电流信号的采样采用康铜丝电阻，此系列电阻选用高精密合会丝并经过特殊工艺处理，使其阻值低，精度高，温度系数低，具有无电感，高过载能力。可广泛用于通讯系统，电子整机，自动化控制的电源等回路作限流，均流或取样检测电路连接等。本设计通过康铜丝电阻采样的电压信号经过集成运放LM358的放大，输入到单片机中，进行数据的处理和控制,如下图5-8所示。图5-8 电流采样电路本电路中，考
46、虑到康铜丝电阻的特点，用其作为采样电阻。回路电流在康铜丝电阻上产生的压降输入到集成运算放大器的反向输入端。其U5=U6=0V 由于Ui0，故经过康铜丝电阻的采样和运算放大器的放大，将采样的电流变化转变成电压信号的变化，将其送入PLC进行处理。本设计采用10毫欧的康铜丝，若回路电流为3A时，Ui=-0.30.01=-0.03V，U7=10x0.03=0.3V。若回路电流为16A(短路电流)时，Ui=-160.01=-0.16V，U7=10xO.16=1.6V。在软件设计中，只用到比较两个采样时刻的电流的大小，结合采样电压的大小对功率值进行计算。5.4 电压采样电路 如图14所示，太阳能板电压采样电路采用电阻分压采样，C13为电源滤波，Uo=Ui2.449.4=0.049Ui本设计中采用额定电压为17.2V的两个太阳能光伏阵列串行连接，若某一时刻输出为额定电压值34.4V，则Uo为1.88V。若某一时刻输出电压值为2V(白天转黑夜的判断电压值)，则Uo为0.097V，AD转换后的值为56。若某一时刻(开路电压)电压值为21.7V，则Uo为1.97V。图5-9 太阳能板电压采样电路D1为防反充二极管。又称阻塞二极管。其作用是避免由于太阳能电池在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路