太陽能電池最大功率點跟蹤技術(shù)的研究之畢業(yè)論文

1、<p>　　太陽能電池最大功率點跟蹤技術(shù)的研究</p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　常規(guī)能源也叫傳統(tǒng)能源，英文名conventional energy ，是指已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛利用的能源。如煤炭、石油、天然氣、核能等都屬一次性非再生的常規(guī)能源。而水電則屬于再生能源，如葛洲壩水電站和三峽水電站，只要長江水不干涸，發(fā)電也就不會停止

2、。煤和石油天然氣則不然，它們在地殼中是經(jīng)千百萬年形成的(按現(xiàn)在的采用速率，石油可用幾十年，煤炭可用幾百年)，這些能源短期內(nèi)不可能再生，因而人們對此都有著不好的預(yù)感。</p><p>　　已能大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛利用的一次能源，又稱傳統(tǒng)能源，如煤炭、石油、天然氣、水力和核裂變能，是促進社會進步和文明的主要能源。在討論能源問題時，主要指的是常規(guī)能源。新能源是在新技術(shù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)地開發(fā)利用的能源，如太陽能、風能、海洋能、地熱

3、能等，與常規(guī)能源相比，新能源生產(chǎn)規(guī)模較小，使用范圍較窄。常規(guī)能源與新能源的劃分是相對的。以核裂變能為例，20世紀50年代初開始把它用來生產(chǎn)電力和作為動力使用時，被認為是一種新能源。到80年代世界上不少國家已把它列為常規(guī)能源。太陽能和風能被利用的歷史比核裂變能要早許多世紀，由于還需要通過系統(tǒng)研究和開發(fā)才能提高利用效率，擴大使用范圍，所以還是把它們列入新能源。但事實上，常規(guī)能源的儲藏是有限的。</p><p><

4、;b>　　當前能源形勢</b></p><p>　　目前全世界能源年總消費量約為134億噸標準煤，其中石油、天然氣、煤等化石能源占85%，大部分電力也是依賴化石能源生產(chǎn)的，核能、太陽能、水力、風力、波浪能、潮汐能、地熱等能源僅占15%。雖然發(fā)達國家遭受70年代兩次石油危機打擊后，千方百計想擺脫對石油的過度依賴，但是今后20多年里，石油仍然是最主要的能源，全球需求量將以年均1.9%的速度增長；煤仍

5、然是電力生產(chǎn)的主要燃料，全球需求量將以每年1.5%的速度增長。可見化石能源仍然是我們在這個星球上賴以生存和發(fā)展的能源基礎(chǔ)。有統(tǒng)計表明，2020年全世界能源消費量將是目前的3倍。特別值得關(guān)注的是，世界各國能源消費量與GDP的增長程度有密切的相關(guān)性。從發(fā)達國家走過的道路來看，人均GDP在1000至10000美元之間，人均能源消費量增長較快，GDP超過10000美元之后，人均能源消費量放緩。中國正處在人均能源消費量增長較快的起步階段，石油需求

6、增勢強勁，預(yù)計今年原油消費量為2.7億噸，2020年將達到4.0-4.5億噸；而我國是一個人均能源相對貧乏的國家，人均石油、天然氣、煤炭可采儲量分別占世界平均值的20.1%、5.1%和86.2%，尤其是原油，目前對</p><p>　　另一方面，化石能源枯竭問題和能源環(huán)境污染問題也時時困擾著人類。世界能源以化石能源為主的結(jié)構(gòu)特征，使得化石能源枯竭的日子離我們越來越近。因為作為能源主體的化石能源是不可再生能源，用一

7、點，就少一點，總有枯竭的那一天。日前《2004BP世界能源統(tǒng)計年鑒》測算世界石油總儲量為1.15萬億桶，以目前的開采速度計算，可供生產(chǎn)41年。作為世界石油龍頭的沙特阿拉伯，石油儲量達2500億桶，日產(chǎn)量800多萬桶，分別占世界石油總儲量和總需求量近1/4和近1/10。這個國家以“我們每天為世界提供石油”作為使命，在過去30多年間確實起到世界石油供應(yīng)穩(wěn)定器的作用。但是，沙特石油公司高級職員私下表示：“我不知道這種情況能夠持續(xù)多久。”因為沙

8、特老油田已經(jīng)接近產(chǎn)油高峰期，而開采新油田的難度非常大。世界各大產(chǎn)油國也都大致如此，阿曼目前的產(chǎn)量僅是其高峰時的1/5，美國石油開采量每年下降3%，傳統(tǒng)的石油出口國印度尼西亞甚至一度需要進口石油應(yīng)急。全球再找到大型油田的可能性非常小，只能寄希望于西伯利亞永久凍土帶、加拿大油砂和幾處深海大陸架。這種狀況加劇了人們對不可再生能源走向枯竭的危機感。近年來國際市場油價持續(xù)走高，很大程度是</p><p>　　再者，化石能源

9、除了必將枯竭和環(huán)境污染這兩個老問題受到全人類的特別關(guān)注以外，近些年世界石油市場結(jié)構(gòu)新一輪大調(diào)整也格外引人注目。 世界石油工業(yè)歷經(jīng)近150年的發(fā)展，到20世紀末形成了從西北非經(jīng)中東、里海、中亞、西伯利亞到遠東的石油儲產(chǎn)區(qū)域和以北美、西歐、東亞為主的世界石油消費區(qū)域，兩者供需關(guān)系嚴重錯位和失衡，導致以最大石油消費國美國為首的發(fā)達國家與以世界最大石油輸出國沙特阿拉伯為首的中東產(chǎn)油國家的控制與反控制的矛盾突出，“強強抗衡”成為上世紀后

10、30年石油地緣政治的主旋律。以往歷次世界石油市場結(jié)構(gòu)大調(diào)整，都是石油地質(zhì)大發(fā)現(xiàn)帶動的，美國油田、巴庫油田、中東油田、北海和墨西哥灣油田的相繼發(fā)現(xiàn)，都使世界石油地緣政治格局為之一變，世界石油市場結(jié)構(gòu)隨之做出相應(yīng)的大調(diào)整；然而進入本世紀，特別是伊拉克戰(zhàn)爭之后，世界石油地緣政治“多元化”初露端倪，并引發(fā)世界石油市場結(jié)構(gòu)的大調(diào)整。這次世界石油市場結(jié)構(gòu)大調(diào)整涉及需求結(jié)構(gòu)調(diào)整、供應(yīng)結(jié)構(gòu)調(diào)整、資本結(jié)構(gòu)調(diào)整和新石油儲產(chǎn)中心開辟等石油領(lǐng)域的方方面面，其時

11、間持續(xù)之長，波及范圍之廣，影響之深遠，是前所未有的。主要表現(xiàn)在： 石油需求多元化。雖然發(fā)達國家石油</p><p>　　如今，依然困擾人類的以化石能源為主的世界能源結(jié)構(gòu)帶來的化石能源枯竭和能源環(huán)境污染問題以及隨著世界石油地緣政治格局呈多元化態(tài)勢和世界石油市場結(jié)構(gòu)大調(diào)整的展開，使能源問題已經(jīng)上升為一個國家能否安全、全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展其社會經(jīng)濟的重大戰(zhàn)略問題,各國都從安全和發(fā)展兩個方面制定了國家能源戰(zhàn)略。

12、 首先，各國將石油保障納入國家安全戰(zhàn)略。美國等發(fā)達國家為了減輕對歐佩克石油的依賴，轉(zhuǎn)而開辟西非、中亞和俄羅斯等地區(qū)和國家的新油源；中國、印度、東盟、韓國、巴西等經(jīng)濟發(fā)展較快的國家和地區(qū)集團積極尋求多渠道石油來源；沙特阿拉伯、俄羅斯等老、新產(chǎn)油國都把石油作為本國經(jīng)濟騰飛的“金鑰匙”，紛紛制定了“石油興國”、“石油強國”的戰(zhàn)略；世界各國都對石油運輸保障和戰(zhàn)略儲備予以高度重視，例如中國、俄羅斯、哈薩克斯坦、日本、美國等國都在建設(shè)長距離

13、輸油管線，馬來西亞、新加坡和印度尼西亞聯(lián)合維護馬六甲海峽安全，中國和印度籌建石油戰(zhàn)略儲備設(shè)施，等等。 其次，世界各國都制定能源發(fā)展戰(zhàn)略，將合理利用和節(jié)約常規(guī)能源、研發(fā)清潔的新能源和切實保護生態(tài)環(huán)境作為基本國策，以實現(xiàn)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、社會全面進步、資源有效利用、環(huán)境不</p><p>　　當今能源發(fā)展趨勢 高新技術(shù)成果在能源工業(yè)迅速推廣應(yīng)用。能源工業(yè)正在由低技術(shù)向高技術(shù)過渡，新技術(shù)已迅速地滲透到能源勘

14、探、開發(fā)、加工、轉(zhuǎn)換、輸送、利用的各個環(huán)節(jié)，例如自動化生產(chǎn)設(shè)備使煤礦開采效率成倍提高，新工藝和新技術(shù)促進了深海油田的開發(fā)。 化石燃料正在向高效節(jié)能、潔凈環(huán)保的方向發(fā)展。全球范圍的節(jié)能技術(shù)革命已經(jīng)展開，各國都在通過節(jié)約能源和提高能效來降低能源需求量，發(fā)達國家的能源消耗下降了30%以上，機動車的燃油效能提高了近一倍。清潔能源技術(shù)迅速提高，各國紛紛推進清潔煤計劃。</p><p>　　各種新能源的開發(fā)利用引人矚

15、目。太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質(zhì)能等可再生能源的研發(fā)迅速展開，尤其是美、日、中等國都在大力開發(fā)氫燃料電池技術(shù)，使用氫燃料電池的汽車樣機已經(jīng)上路，2008年北京奧運會期間將出現(xiàn)氫燃料電池的公共汽車。到本世紀中期，人類有望進入“新能源時代”。</p><p>　　綜上所知，開發(fā)新能源是當今世界的必然趨勢，而太陽能電池就是主要的新能源之一，因此太陽能充分開發(fā)及利用的研究就在此趨勢下興起了。太陽能電池就是將照射在

16、電池表面上的太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它在可預(yù)見的時間內(nèi)是不會枯竭的，而且它無大氣和放射性污染，因而受到國內(nèi)外的普遍重視。</p><p>　　太陽能電池最大功率點的由來</p><p>　　根據(jù)太陽能電池的工作原理，當光照強度、溫度等自然條件變化時，太陽能電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點亦相應(yīng)改變。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的照射強度及大氣的透光率處于動態(tài)變化中，這就給光

17、伏系統(tǒng)的高效應(yīng)用帶來了困難。理論上講，事物的利用都是要講究高效率的。因此，太陽能充分開發(fā)及利用的一面就體現(xiàn)在對太陽能電池最大功率點跟蹤的研究上。</p><p>　　下圖就是太陽能電池輸出隨溫度變化的情況：從圖一a可以看到在常溫下250W/m*m日照，太陽能電池的最大功率發(fā)生在電壓為180v處，而日照為150W/m*m時，太陽能電池的最大功率點發(fā)生在150v處。從圖一b可以看到，在同一日照下，溫度為125攝氏度時

18、，太陽能電池最大功率點發(fā)生在100v電壓處，而溫度為28攝氏度時，太陽能電池最大功率點發(fā)生在電壓為150v電壓處。那么如何避免系統(tǒng)資源的大量浪費呢？這就是太陽能電池最大功率點跟蹤技術(shù)所要解決的問題，為了得到最佳的能量利用率，必須使電池電池輸出的最大功率能自動跟隨氣候的變化而變化。</p><p><b>　　控制策略</b></p><p>　　理論上講，太陽能電池最

19、大功率點是可以根據(jù)其規(guī)律然后通過某些控制策略來使其穩(wěn)定已達到太陽能電池充分利用的目的的。在以前的光伏系統(tǒng)控制上，由于CVT（恒定電壓跟蹤器）的設(shè)計相對簡單成本較低，許多產(chǎn)品仍然采用這種工作方式以代替相對復(fù)雜一些的MPPT（最大功率跟蹤），但這種方式并非真正的最大功率的跟蹤，它所帶來的功率損失相比于近代微電子技術(shù)的迅速發(fā)展及微電子器件的大幅度降價，已經(jīng)顯得很不經(jīng)濟。眾所周知，微電子技術(shù)是現(xiàn)代電子信息技術(shù)的直接基礎(chǔ)。美國貝爾研究所的三位科學

20、家因研制成功第一個結(jié)晶體三極管，獲得1956年諾貝爾物理學獎。晶體管成為集成電路技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，現(xiàn)代微電子技術(shù)就是建立在以集成電路為核心的各種半導體器件基礎(chǔ)上的高新電子技術(shù)。集成電路的生產(chǎn)始于1959年，其特點是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快。衡量微電子技術(shù)進步的標志要在三個方面：一是縮小芯片中器件結(jié)構(gòu)的尺寸，即縮小加工線條的寬度；二是增加芯片中所包含的元器件的數(shù)量，即擴大集成規(guī)模；三是開拓有針對性的設(shè)計應(yīng)用。 大規(guī)模集成電路指每

21、一單晶硅片上可以集成制作一千個以上的元器件。集成度在一萬至十萬以上元器件的為超大規(guī)模集成電路。國際</p><p>　　控制太陽能電池陣列的串并聯(lián)數(shù)</p><p>　　當負載固定時，改變太陽能電池陣列內(nèi)部的串并聯(lián)數(shù)，可實現(xiàn)最佳匹配。太陽點的輸出阻抗隨著太陽光強而變化，光強越大輸出阻抗越小。當光強大于200w/m*m時，太陽能電池的輸出電壓變化最小。根據(jù)硅太陽能電池的短路電流與入射光強、光

22、照面積成正比，假設(shè)太陽能電池陣列的輸出阻抗只隨電流而變化，而輸出電流又近似與光強成正比。故陣列輸出功率最大時，內(nèi)部的串并聯(lián)數(shù)只取決于光強。光強強時，串聯(lián)數(shù)較多并聯(lián)數(shù)較少；光強弱時，串聯(lián)數(shù)較少并聯(lián)數(shù)較多。</p><p>　　太陽能電池陣列設(shè)計實例</p><p>　　首先，數(shù)據(jù)采集儀器應(yīng)采用低功能耗的?！　∑浯?，選擇的太陽能發(fā)電板和蓄電池應(yīng)是經(jīng)濟、可靠性的。既要防止太陽能發(fā)電板在陰雨期容

23、量不夠，達不到測量目的，又要避免容量過大，造成浪費。　　一、關(guān)于硅太陽能發(fā)電板容量　　硅太陽能發(fā)電板容量是指平板式太陽能板發(fā)電功率WP。太陽能發(fā)電功率量值取決于負載24h所能消耗的電力 H(WH)，由負載額定電源與負載24h所消耗的電力，決定了負載24h消耗的容量P(AH)，再考慮到平均每天日照時數(shù)及陰雨天造成的影響，計算出太陽能電池陣列工作電流IP(A)?！　∮韶撦d額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯(lián)個

24、數(shù)及蓄電池浮充電壓VF (V)，再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓VT (v)及反充二極管P-N結(jié)的壓降VD(V)所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓VP(V)，由太陽電池陣列工作電源IP(A)與工作電壓VP(V)，便可決定平板式太陽能板發(fā)電功率WPW，從而設(shè)計出太陽能板容量，由設(shè)計出的容量WP與太陽能電池陣列工作電壓VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數(shù)與并聯(lián)組數(shù)。　　太陽能電池陣列的具體設(shè)計步驟如下：　?。?計&l

25、t;/p><p>　　1.測站的主要參數(shù)：　　每隔5min發(fā)射一次數(shù)據(jù)，發(fā)射時間2Sec；　　發(fā)射機輸入電壓DC13.8V，輸出電流5A；　　當?shù)厝照諘r數(shù)7～8h?！　?2.測站蓄電池容量經(jīng)計算得出為38AH?！　?3.測站太陽能電池容量陣列輸出功率WP W為25～35w。 太陽能電源安裝使用中注意的問題　　 1.陣列板選擇安裝在周圍無高大建筑物、樹木、電線桿等無遮擋太陽光和避風

26、處。　　 2.太陽能電池陣列板配套的蓄電池在第一次使用時，要先充電到額定容量，不可過充或過放?！　?3 .注意定期的維護工作。此電源系統(tǒng)經(jīng)濟可靠，安裝方便，利于維護，在實踐中取得了滿意的效果。</p><p>　　太陽能電池組件支架    傾角設(shè)計    為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。&

27、#160;   關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。本次路燈使用地區(qū)為廣州地區(qū)，依據(jù)本次設(shè)計參考相關(guān)文獻中的資料[1]，選定太陽能電池組件支架傾角為16o。    抗風設(shè)計    在太陽能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個需要非常重視的問題就是抗風設(shè)計?？癸L設(shè)計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設(shè)計，二為燈桿的抗風設(shè)計。下面按以上兩塊分別做分析。&

28、#160;   ⑴  太陽能電池組件支架的抗風設(shè)計    依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數(shù)選定為27m/s（相當于十級臺風），根據(jù)非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以，設(shè)計中關(guān)鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。</p><p>　　總

29、的來說，運用改變太陽能電池陣列內(nèi)部的串并聯(lián)數(shù)來使太陽能電池陣列達到并保持在最大功率點進而輸出穩(wěn)定的電流的過程是得考慮到全局的。理論上講這種方法是可行的，但是，這種方法需要多組開關(guān)的控制電路，控制比較復(fù)雜。</p><p>　　CVT即恒定電壓跟蹤控制</p><p>　　硅太陽能電池陣列具有如圖所示的伏安特性，在不同的日照強度下它與負載特性L的交點A、B、C、D、E等為系統(tǒng)當前的工作點?？?/p>

30、以看出，這些工作點并不正好落在陣提供最大功率的那些點，如A’、B’、C’、D’、E’上，這就不能充分利用當前光照強的下陣列所能提供的最大功率，被浪費的能量如圖中所示的面積。如果把在不同日照下陣列所能提供的最大功率點連接起來，就構(gòu)成了圖中所示的最大功率點軌跡線，任何時候都應(yīng)使系統(tǒng)的工作點落在這一軌跡線上，從電路的匹配角度看，這就需要一個阻抗轉(zhuǎn)換器。為了實現(xiàn)這一阻抗變化，即把A、B、C、D、E點轉(zhuǎn)換到A’、B’、C’、D’、E’上，人們發(fā)現(xiàn)

31、當溫度保持固定值時，后面一些點幾乎落在同一根垂直線的領(lǐng)近兩側(cè)，這就有可能把最大功率點的軌跡線近似的看作電壓U=Const的一根垂直線，亦即只要保持陣列的出端電壓為常數(shù)且等于某一日照強度下相應(yīng)于最大功率點的電壓，就可以大致保持陣列輸出在該一溫度下的最大功率，把最大功率點跟蹤器簡化為一個穩(wěn)壓器，這就是CVT跟蹤的理論依據(jù)。</p><p>　　給定電壓和實際電壓比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果與三角波比較得到PWM脈沖，

32、驅(qū)動功率器件，從而調(diào)節(jié)太陽電池的負載阻抗。不同的PWM脈寬對應(yīng)不同的負載阻抗。CVT方式具有控制簡單，可靠性高，穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，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太陽電池開路電壓的影響。以單晶硅太陽電池為例，當環(huán)境溫度每升高1℃時，其開路電壓下降率為0.35％～0.45％。這表明太陽電池最大功率點對應(yīng)的電壓也隨環(huán)境溫度的變化而變化。對于四季溫差或日溫差比較大

33、的地區(qū),CVT方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤最大功率。 </p><p>　　鑒于CVT方式的局限性，它只能是一定溫度條件下的最大功率跟蹤，在不同溫度條件下仍有功率損失。真正的MPPT是指系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽電池的最大功率。目前，最常用的控制方法主要是擾動觀察法和電導增量法.擾動觀察法由于實現(xiàn)簡單，是最常用的方法。它通過對太陽電池輸出電壓、電流的檢測，得到電池當前的輸出功率，再將它與前一

34、時刻的記憶功率相比較，從而確定給定參考電壓調(diào)整的方向。若Δp>0，說明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向調(diào)整；若Δp<0，說明參考電壓調(diào)整的方向錯誤，需要改變調(diào)整的方向。當給定參考電壓增大時，若輸出功率也增大，則工作點位于圖4中最大功率點pmax左側(cè)，需繼續(xù)增大參考電壓；若輸出功率減小，則工作點位于最大功率點pmax右側(cè)，需要減小參考電壓。當給定參考電壓減小時，若輸出功率也減小，則工作點位于pmax的左側(cè)，需增大參

35、考電壓；若輸出功率增大，則工作點位于pmax的右側(cè)，需繼續(xù)減小參考電壓。 </p><p>　　圖4    p－u特性曲線 </p><p>　　給定參考電壓變化的過程實際上是一個功率尋優(yōu)的過程。由于在尋優(yōu)過程中不斷地調(diào)整參考電壓，因此，太陽電池的工作點始終在最大功率點附近振蕩，無法穩(wěn)定工作在最大功率點上。同時，當日照強度快速變化時，參考電壓調(diào)整方向可能發(fā)生錯

36、誤。 電導增量法的原理是：在最大功率點處，有dp/du=0，即滿足di/du=－i/u。理論上它比擾動觀察法好，能適應(yīng)日照強度快速變化，但由于傳感器的精密度等因素，電導增量法往往難以實現(xiàn)。由于太陽電池特性的i=f（u）關(guān)系是一個單值函數(shù)，因此，只要保證太陽電池的輸出電壓在任何日照及溫度下都能實時地保持為與該條件相對應(yīng)的Um值，就一定可以保證電池在任何瞬間都輸出其最大功率。 </p><p>　　CVT控制結(jié)構(gòu)如圖

37、5所示,它將太陽電池工作電壓作為反饋，達到穩(wěn)定電池工作點電壓的目的。圖中i=f1(u)與負載特性有關(guān)。 </p><p>　　圖5    CVT控制框圖  </p><p>　　TMPPT的實質(zhì)是在CVT的基礎(chǔ)上，實時的改變太陽電池的工作點電壓，使得工作點電壓始終等于最大功率點處的電壓，從而實現(xiàn)最大功率點跟蹤。它的內(nèi)環(huán)就是CVT。TMPPT的控制框圖

38、如圖6所示。 </p><p>　　圖6    TMPPT的控制框圖 </p><p>　　采用TMPPT實現(xiàn)太陽電池的最大功率跟蹤，通過在太陽能模擬器上進行實驗可得如圖7所示的結(jié)果，圖中的＊就是太陽電池的工作點。它表明太陽電池工作在最大功率點處，TMPPT有良好的跟蹤效果。 </p><p>　　圖7   

39、; TMPPT的實驗結(jié)果 </p><p><b>　　脈寬調(diào)制法</b></p><p>　　它本質(zhì)上是一個作為功率調(diào)節(jié)的DC/DC變換器。它利用晶體管開關(guān)工作在開關(guān)狀態(tài)，將太陽能電池陣列的直流輸出信號變換成一個有可變占空比的方波信號來改變太陽能電池陣列的等效負載。DC/DC中的開關(guān)調(diào)節(jié)通常采用脈寬調(diào)制，它與太陽能電池板串聯(lián)，通過改變PWM波的占空比來控制充電電壓，

40、實現(xiàn)最大功率跟蹤。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。 </p>

41、;<p>　　PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以

42、非常接近正弦波 </p><p>　　PWM變頻電路具有以下特點</p><p>　　1. 可以得到相當接近正弦波的輸出電壓 </p><p>　　2. 整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù) </p><p>　　3. 電路結(jié)構(gòu)簡單 </p><p>　　4. 通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過

43、程的動態(tài)響應(yīng) </p><p>　　現(xiàn)在通用變頻器基本都再用PWM控制方式，所以介紹一下PWM控制的原理 </p><p><b>　　PWM基本原理</b></p><p><b>　　[1][2] </b></p><p>　　脈寬調(diào)制（PWM）。控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使

44、輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 </p><p>　　在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說

45、的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。 </p><p>　　根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。 </p><p>　　例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 ∏/

46、n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 </p>

47、<p>　　在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。 </p><p>　　根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通

48、斷，就可以得到所需要的PWM波形 </p><p>　　PWM技術(shù)的具體應(yīng)用</p><p>　　PWM軟件法控制充電電流</p><p>　　本方法的基本思想就是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整單片機的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。本方法所要求的單片機必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必須條

49、件，另外ADC的位數(shù)盡量高，單片機的工作速度盡量快。在調(diào)整充電電流前，單片機先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較，若實際電流偏小則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM 的占空比；若實際電流偏大則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。在軟件PWM的調(diào)整過程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。軟件PWM法具有以下優(yōu)缺點。 </p><

50、;p><b>　　優(yōu)點： </b></p><p>　　簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。利用軟件PWM不用外部的硬件PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續(xù)流磁芯、儲能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。 </p><p>　　可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中,單片機可實時檢測ADC端口上充電電流的大小，并根據(jù)充電電流大小與設(shè)定的涓流進行比

51、較，以決定PWM占空比的調(diào)整方向。 </p><p>　　電池喚醒充電。單片機利用ADC端口與PWM的寄存器可以任意設(shè)定充電電流的大小，所以，對于電池電壓比較低的電池，在上電后，可以采取小電流充一段時間的方式進行充電喚醒，并且在小電流的情況下可以近似認為恒流，對電池的沖擊破壞也較小。 </p><p><b>　　缺點： </b></p><p&g

52、t;　　電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過電流采樣電阻來實現(xiàn)的，采樣電阻上的壓降傳到單片機的ADC輸入端口，單片機讀取本端口的電壓就可以知道充電電流的大小。若設(shè)定采樣電阻為Rsample（單位為Ω），采樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對應(yīng)的電壓值為 5000mV/1024≈5mV。一個5mV的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電流值就是50mA，所以軟件PWM電流控制精度最大為50mA

53、。若想增加軟件PWM的電流控制精度，可以設(shè)法降低ADC的參考電壓或采用10位以上ADC的單片機。 </p><p>　　PWM采用軟啟動的方式。在進行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動的過程中，由于磁芯上的反電動勢的存在，所以在重新充電時必須降低PWM的有效占空比,以克服由于軟件調(diào)整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。 </p><p>　　充電效率不是很高。在快速

54、充電時，因為采用了充電軟啟動，再加上單片機的PWM調(diào)整速度比較慢，所以實際上停止充電或小電流慢速上升充電的時間是比較大的。 </p><p>　　為了克服2和3缺點帶來的充電效率低的問題，我們可以采用充電時間比較長，而停止充電時間比較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動時的電流慢速啟動折合成的停止充電時間，設(shè)定為50ms，則實際充電效率為（2000ms－100ms）/2000ms=95%，這樣也可以保

55、證充電效率在90%以上。 </p><p>　　純硬件PWM法控制充電電流</p><p>　　由于單片機的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機產(chǎn)生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機用ADC方式讀取充電電流需要的時間，因此用軟件PWM的方式調(diào)整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法來控制充電電流?，F(xiàn)在智能充電器中采用的PWM控制芯片主要有TL49

56、4等,本PWM控制芯片的工作頻率可以達到300kHz以上，外加阻容元件就可以實現(xiàn)對電池充電過程中的恒流限壓作用，單片機只須用一個普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。采用純硬件PWM具有以下優(yōu)缺點。 </p><p><b>　　優(yōu)點： </b></p><p>　　電流精度高。充電電流的控制精度只

57、與電流采樣電阻的精度有關(guān)，與單片機沒有關(guān)系。不受軟件PWM的調(diào)整速度和ADC的精度限制。 </p><p>　　充電效率高。不存在軟件PWM的慢啟動問題，所以在相同的恒流充電和相同的充電時間內(nèi)，充到電池中的能量高。 </p><p>　　對電池損害小。由于充電時的電流比較穩(wěn)定，波動幅度很小，所以對電池的沖擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護電池。 </p>&

58、lt;p><b>　　缺點： </b></p><p>　　硬件的價格比較貴。TL494的使用在帶來以上優(yōu)點的同時，增加了產(chǎn)品的成本，可以采用LM358或LM393的方式進行克服。 </p><p>　　涓流控制簡單，并且是脈動的。電池充電結(jié)束后，一般采用涓流充電的方式對電池維護充電，以克服電池的自放電效應(yīng)帶來的容量損耗。單片機的普通I/O控制端口無法實現(xiàn)PWM

59、端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實現(xiàn)簡單的PWM功能，但由于單片機工作的實時性要求，其軟件模擬的PWM頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電的方式，例如在10%的時間是充電的，在另外90%時間內(nèi)不進行充電。這樣對充滿電的電池的沖擊較小。 </p><p>　　單片機 PWM控制端口與硬件PWM融合 </p><p>　　對于單純硬件PWM的涓流充電的脈動問題，可以采用具有PWM端口的

60、單片機，再結(jié)合外部PWM芯片即可解決涓流的脈動性。 </p><p>　　在充電過程中可以這樣控制充電電流：采用恒流大電流快速充電時，可以把單片機的PWM輸出全部為高電平（PWM控制芯片高電平使能）或低電平（PWM控制芯片低電平使能）；當進行涓流充電時，可以把單片機的PWM控制端口輸出PWM信號，然后通過測試電流采樣電阻上的壓降來調(diào)整PWM的占空比，直到符合要求為止。由此可見，用脈寬調(diào)制法來使太陽能電池達到并保持

61、在最大功率且輸出穩(wěn)定電流是一種較為可行的方法，可優(yōu)先選擇。</p><p>　　各種控制策略的比較</p><p>　　國內(nèi)外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動觀測法/爬山法、電導增量法等。恒定電壓法（CVT）就是將光伏電壓固定在最大功率點附近，該控制方法簡單容易實現(xiàn)，初期投入少，系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性，但是跟蹤精度差，忽略了溫度對光伏電池開路電壓的影響，測量開路

62、電壓要求光伏陣列斷開負載后再測量，對外界條件的適應(yīng)性差，環(huán)境變化時不能自動跟蹤到MPP，造成了能量損失。擾動觀測法（P&O）和爬山法（Hill Climbing）都是通過不斷擾動光伏系統(tǒng)的工作點來尋找最大功率點的方向，該控制方法控制思路簡單，實現(xiàn)較為方便，跟蹤效率高，提高太陽能的利用效率，但是擾動觀測法或爬山法的步長是固定的，如果步長過小，就會導致光伏陣列長時間地停滯在低功率輸出區(qū)，如果步長過大，就會導致系統(tǒng)振蕩加劇，并且在日照

63、強度變化時會產(chǎn)生誤判現(xiàn)象。電導增量法是通過調(diào)整工作點的電壓，使之逐步接近最大功率點電壓來實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點電壓的相對位置，能夠快速地跟蹤光強迅速變化引起的最大功率點變化，控制效果好，穩(wěn)定度高，但是該控制算法較復(fù)雜，對控制系統(tǒng)性能和傳感器精度要求較高，硬件實現(xiàn)難</p><p>　　表1 MPPT控制方法比較</p><p><b>　　3 改

64、進爬山法研究</b></p><p>　　考慮到爬山法有較好的跟蹤效率，且實現(xiàn)簡單等顯著優(yōu)點，本文采用一種改進爬山法，該方法采用CVT啟動及變步長的控制策略。CVT啟動方法是以0.78倍的開路電壓作為爬山法的運行初值，能較好地克服爬山法在啟動時產(chǎn)生的采樣誤差的缺點，能提高跟蹤速度。變步長控制法的思想是：當距最大功率點比較遠時，步長取較大，跟蹤速度加快;當距最大功率點比較近時，步長取較小，慢慢接近最大功

65、率點;當非常接近最大功率點時，穩(wěn)定在該點工作。該變步長法能克服爬山法在最大功率點附近振蕩的缺點。改進爬山法控制流程圖如圖3所示。</p><p>　　4 改進爬山法仿真分析</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤器采用BooST</p><p>　　圖3 改進爬山法控制流程圖</p><p>　　DC/DC變換電路來實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)PW

66、M波的占空比控制功率的輸出。在Boost變換器的電路中串入MPPT控制系統(tǒng)，利用Matlab/simulink搭建仿真模型，編寫S函數(shù)作為MPPT的控制模塊，對光伏電池的最大功率點進行追蹤，MPPT仿真模型如圖4所示。</p><p>　　圖4 MPPT仿真模型</p><p>　　對短路電流3.2 A、開路電壓22 V、最大功率點電流2.94 A和最大功率點電壓17 V的光伏電池模塊組成

67、17伊1的光伏電池陣列進行仿真，即其短路電流和光伏電池陣列的開路電壓分別為3.2 V和374 V，光伏電池陣列最大功率點電流和最大功率點電壓分別為2.94 A和289 V。光伏陣列輸入光強為1 000 W/m2，溫度為25 益。為了形成對比，對不加MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)、加爬山法MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)和加改進爬山法MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)分別進行仿真實驗，仿真結(jié)果如圖5所示。</p><p>　　

68、圖5 MPPT仿真圖形</p><p>　　由圖5可見，未加MPPT控制的光伏電池輸出功率振蕩范圍很大，輸出功率很不穩(wěn)定。爬山法MPPT控制系統(tǒng)能較好地跟蹤到最大功率點，但是在最大功率點處還有一定振蕩。改進爬山法的MPPT控制系統(tǒng)有效地改善了爬山法的缺點，在最大功率點附近振蕩小，跟蹤速度也比較快，提高最大功率跟蹤的效率。</p><p>　　綜上所述，通過對幾種常見的MPPT控制方法的比較

69、研究，可以看出，恒定電壓法控制簡單且易實現(xiàn)，但跟蹤精度差，在外界環(huán)境變化時，會產(chǎn)生較大誤差;爬山法簡單實用、跟蹤效率高，但在最大功率點附近會發(fā)生振蕩，存在誤差;電導增量法雖然跟蹤快速穩(wěn)定，但由于實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中電壓和電流的檢測所依賴的傳感器精度的有限性，采用電導增量法很難達到預(yù)期的最大功率跟蹤效果。所以本文采用一種改進爬山法，并對其進行仿真實驗，仿真實驗證明基于變步長的改進爬山法能夠克服爬山法存在的振蕩現(xiàn)象和能量的損失，并且結(jié)合CV

70、T啟動能夠更加快速地實現(xiàn)最大功率點跟蹤。因此改進爬山法克服了常規(guī)跟蹤算法中存在的效率低、能量損失大、不穩(wěn)定等的缺點，可以很好地適應(yīng)各種場合對光伏系統(tǒng)MPPT控制的要求，是一種較理想的MPPT控制方案。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　歐陽名三等，采用單片機的太陽能電池最大功率點跟蹤控制器件|j|.電子科技.2002、（12）：49-5

71、1.</p><p>　　余世杰等，光伏水泵系統(tǒng)中CVT及MPPT的控制比較|j|.太陽能學報，1998,（19）：94-98.</p><p>　　王東翔等，TDB-100硅太陽能電池仿真及P-V特性研究|j|.太陽能學報，1994.（3）：268-273.</p><p>　　趙劍飛等，太陽能發(fā)動車最大功率點跟蹤器的設(shè)計|j|.系統(tǒng)仿真學報，2003.（5）：7