家用光伏控制器畢業(yè)設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGEPAGE45摘要太陽能作為一種新興的綠色能源，以其取之不竭、用之不盡、無污染等優(yōu)點(diǎn)，受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暋９夥l(fā)電是充分利用太陽能的一種有效方式。由于太陽能電池板所發(fā)出的電壓并不一定能夠適合負(fù)載或蓄電池所需的電壓范圍，所以DC-DC變換電路在光伏系統(tǒng)中有著非常重要的作用。本文在對(duì)目前廣泛采用的幾種DC-DC變換電路理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)BOOST升壓電路做了比較詳盡的研究。其次對(duì)光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤作了相應(yīng)的介紹，以期提高太陽能電池板的輸出功率，達(dá)到能量的充分利用。恒定電壓法具有實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，效率高，可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)物電路板中對(duì)其有一定的體現(xiàn)。關(guān)鍵詞：光伏電池；DC-DC轉(zhuǎn)換電路；最大功率跟蹤；恒定電壓法AbstractSolarpowerisanewgreenpower.Itisregardedasclean,pollution-free,andinexhaustible.Photovoltaicconversionisaneffectivewaytousesolarpower.Asthevoltageissuedbythesolarpanelscannotsuitablefortheloadorthebattery’snecessarilyrangerequire,therefore,DC-DCconvertercircuitplaysaveryimportantroleinthesolarsystem.Toimprovethepoweroutputofsolarpanels,andtomakefulluseofsolarenergy,thisarticlemakesamoredetailedstudyofBOOSTboostcircuit,basingonsomeofthewidelyusedtheoreticalanalysisofDC-DCconverteranddiscribsthetrackofmaximumpowerforPVsystemaccordingly.Theadvantageofconstantvoltagetrackingisefficient,reliablestableandthestructureissimple,whatexpressesinthekindcircuitboard.Keywords:Photovoltaiccell;DC-DCconverter;MPPT;ConstantVoltageTracking“目錄第一章緒論 31.1太陽能應(yīng)用的背景 31.2光伏發(fā)電應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀及研究的意義 31.2.1國內(nèi)光伏發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀 41.2.2國外光伏發(fā)電的發(fā)展及現(xiàn)狀 51.3本課題的目的和任務(wù) 6第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 72.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理 72.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成 72.3太陽能電池及其特性 82.3.1太陽能電池的種類 82.3.2太陽能電池方陣 92.3.3太陽能電池特性曲線 92.4光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC-DC轉(zhuǎn)換電路 122.4.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)常用DC-DC變換器及其特點(diǎn) 122.4.2BUCK電路 132.4.3B00ST電路 142.4.4BUCK-BOOST電路 152.4.5CUK電路 15第三章光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤（MPPT） 173.1最大功率跟蹤（MPPT）的概念 173.2最大功率點(diǎn)（MPP） 173.3MPPT原理 173.4MPPT算法 193.4.1恒定電壓法（CVT） 203.4.2功率回授法 203.4.3微擾觀察法(P&O) 213.4.4增量電導(dǎo)法(IncCond) 233.4.5直線近似法 243.4.6實(shí)際測(cè)量法 25第四章BOOST電路的設(shè)計(jì) 264.1BOOST電路原理 264.2電路的外特性分析 274.2.1電流連續(xù)狀態(tài)下的外特性分析 274.2.2電流斷續(xù)狀態(tài)下的外特性分析 294.3主電路器件的選擇 304.3.1BOOST電路電感參數(shù)的選擇 304.3.2濾波電容的估算 314.3.3功率開關(guān)管的選擇 314.3.4二極管的選擇 32第五章基于TMS320F2812光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 335.1控制系統(tǒng)硬件電路 335.1.1控制芯片TMS320F2812DSP簡(jiǎn)介 335.1.2TMS320F2812DSP實(shí)現(xiàn)的主要功能 345.2基于TMS320F2812DSP的控制系統(tǒng) 345.2.1輔助電路 355.2.2電壓采樣電路 355.2.3電流采樣電路 365.2.4驅(qū)動(dòng)電路 365.3軟件設(shè)計(jì) 36第六章DC-DC電路板的調(diào)試 386.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?386.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟 386.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 416.4實(shí)驗(yàn)總結(jié) 41致謝 43參考文獻(xiàn) 44第一章緒論1.1太陽能應(yīng)用的背景能源是人類不斷發(fā)展和進(jìn)步的動(dòng)力，人類不斷地從自然界探索和獲取能源以滿足其生存和發(fā)展的種種需要，能源的利用水平映射出人類文明發(fā)展程度。但在傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)中，人類主要利用的一次能源是石油、煤炭和天然氣等化石能源。這些化石能源經(jīng)過人類數(shù)千年的消耗，能源危機(jī)己經(jīng)展現(xiàn)在人類的面前。在21世紀(jì)初進(jìn)行的關(guān)于世界能源數(shù)據(jù)的調(diào)查顯示，石油的可開采量為39.9年，天然氣可采量為61年，煤炭的可采量為227年。可見能源問題的緊迫性。同時(shí)，從環(huán)境的角度看，大量化石能源的開發(fā)和利用，已經(jīng)對(duì)人類的生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的后果。二氧化碳是大氣中最主要的溫室氣體，而化石能源的燃燒是二氧化碳的主要排放源，全世界每天約產(chǎn)生1億噸溫室效應(yīng)氣體，如果不對(duì)溫室氣體采取減排措施，預(yù)計(jì)，全球平均氣溫每10年將升高0.2℃，到2100年全球平均氣溫將升高13.5℃，這將對(duì)人類生存空間帶來極大的威脅。鑒于以上原因，開發(fā)利用新能源和可再生能源勢(shì)在必行。太陽能因其分布廣泛、可以再生、不污染環(huán)境成為國際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)50年代，全球直接利用太陽能的比例將會(huì)發(fā)展到世界能源結(jié)構(gòu)中的13%~15%，而整個(gè)可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例將大于50%。太陽能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一。1.2光伏發(fā)電應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀及研究的意義太陽能是資源最為豐富的可再生能源之一，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開發(fā)利用潛力。按能量轉(zhuǎn)換的方式，太陽能利用主要在以下三個(gè)領(lǐng)域上進(jìn)行：光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域(太陽能熱水器、太陽灶、太陽房、海水蒸餾器、太陽能熱力發(fā)電等)、光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域(太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng))和光化學(xué)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域(太陽能制氫等)。其中光伏發(fā)電是太陽能利用的主要形式[1]。接收或聚集太陽能使之轉(zhuǎn)換為熱能，是光——熱轉(zhuǎn)換的基本形式；光——化學(xué)轉(zhuǎn)換尚在研究試驗(yàn)階段，這種轉(zhuǎn)換技術(shù)包括光伏電池電極化水制成氫、利用氫氧化鈣和金屬氫化物熱分解儲(chǔ)能；光——電轉(zhuǎn)換是利用光生伏打效應(yīng)原理制成光伏電池，將光能直接轉(zhuǎn)換成電能加以利用。“光伏發(fā)電”是將太陽光的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。自從1839年法國物理學(xué)家貝克勒耳首次發(fā)現(xiàn)酸性溶液中貴金屬的光電效應(yīng)以來，太陽能的利用便成為人們廣泛關(guān)注的課題。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室兩位研究人員恰賓和皮爾松，首次研制成功實(shí)用的光電轉(zhuǎn)換效率為6%的單晶硅太陽能電池，人類從此進(jìn)入了將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏發(fā)電歷程[2][3]。1.2.1國內(nèi)光伏發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀我國于1958年開始對(duì)光伏電池的生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)行研究，1971年成功將其應(yīng)用到東方紅二號(hào)衛(wèi)星上。在1981年至1990年間，我國的光伏產(chǎn)業(yè)得到一定的鞏固與發(fā)展，并在一些應(yīng)用領(lǐng)域建立了示范工程。同時(shí)，國家也加大了對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)研究及生產(chǎn)的投入，先后從國外引進(jìn)了多條太陽能電池生產(chǎn)線，除了一條非晶硅電池生產(chǎn)線外，其余全部是單晶硅電池生產(chǎn)線，使我國太陽能光伏組件的價(jià)格由1978年的78美元/瓦，下降到2010年的2美元/瓦以下。中國光伏制造產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展得益于歐洲光伏市場(chǎng)的拉動(dòng)，中國的光伏產(chǎn)業(yè)在2004年之后經(jīng)歷了快速發(fā)展的過程，連續(xù)5年的年增長(zhǎng)率超過100%。2007年至今，中國已經(jīng)連續(xù)4年光伏電池產(chǎn)量居世界首位。2010年，中國光伏電池產(chǎn)量已超過全球總產(chǎn)量的50%。目前已有數(shù)十家光伏公司分別在海內(nèi)外上市，據(jù)估算，行業(yè)年產(chǎn)值超過3000億元人民幣，直接從業(yè)人數(shù)超過30萬人。盡管如此與世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，目前光伏應(yīng)用比較廣泛的國家如德國2009年光伏新增裝機(jī)容量已接近或達(dá)到3GW的規(guī)模。造成這種差距的原因，除了一些歷史因素外，主要原因應(yīng)包括如下幾個(gè)方面：光伏電池價(jià)格昂貴，國家相應(yīng)的政策支持力度不夠；基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)較為薄弱，光伏電池所必須的硅材料大量依靠進(jìn)口，從而使我國光伏成本居高不下；國內(nèi)生產(chǎn)廠家規(guī)模普遍較小，自動(dòng)化程度低也是導(dǎo)致光伏電池價(jià)格高的主要原因之一。所以總體來說國內(nèi)光伏電池的質(zhì)量不如國外產(chǎn)品，但價(jià)格卻高于國外。針對(duì)我國可再生能源的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，2005年2月28日《可再生能源法》在十屆全國人大常委會(huì)第十四次會(huì)議上獲表決通過，并于2006年1月1日起正式實(shí)施。該法明確了各類可再生能源開發(fā)利用主體的權(quán)利和義務(wù)，確立可再生能源發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃的法律地位，規(guī)定了可再生能源并網(wǎng)發(fā)電審批和全額收購制度、可再生能源上網(wǎng)電價(jià)與費(fèi)用分?jǐn)傊贫燃翱稍偕茉磳ｍ?xiàng)資金和稅收、信貸鼓勵(lì)政策。同年10月，在上海召開的“第十五屆國際光伏科學(xué)與工程大會(huì)”上，國外專家基本達(dá)成共識(shí)：太陽能光伏發(fā)電是目前已知發(fā)電方式中最清潔、最安全，潛力最大的新興發(fā)電方式，在未來15年左右的時(shí)間內(nèi)，光伏發(fā)電成本將持續(xù)降低到可與常規(guī)發(fā)電成本相競(jìng)爭(zhēng)的水平。這些政策的出臺(tái)和共識(shí)的達(dá)成無疑確立了可再生能源在國民發(fā)展中的重要地位，明確了可再生能源的發(fā)展方向，對(duì)可再生能源包括光伏發(fā)電的發(fā)展具有巨大的推進(jìn)作用。但到目前為止，我國光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備主要來自進(jìn)口，面對(duì)巨大的國內(nèi)需求，大力研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相應(yīng)高技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義和市場(chǎng)價(jià)值。對(duì)太陽能的轉(zhuǎn)換技術(shù)和應(yīng)用裝置的研究無疑成為光伏發(fā)電中最熱門的課題。1.2.2國外光伏發(fā)電的發(fā)展及現(xiàn)狀[4]由于早期光伏電池價(jià)格昂貴且光電轉(zhuǎn)換效率低，因此光伏電池的應(yīng)用主要局限于科學(xué)研究及航空、軍事等特殊領(lǐng)域。從70年代開始，各國政府都投入了很大的力量來支持太陽電池的發(fā)展。美國于1973年首先制定了光伏發(fā)展計(jì)劃，明確了近、中、遠(yuǎn)期的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。自80年代以來，其它發(fā)達(dá)國家，如德國、英國、法國、意大利、西班牙、瑞士、芬蘭等，也紛紛制定了光伏發(fā)展計(jì)劃，并投入了大量資金進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。80年代末至今，西方發(fā)達(dá)國家開始從能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，紛紛制定政策，支持和鼓勵(lì)光伏并網(wǎng)發(fā)電。日本政府在1974年石油危機(jī)期間制定了“陽光計(jì)劃”，作為延續(xù)，1993年又定了“新陽光計(jì)劃”，在“新陽光計(jì)劃”成功的基礎(chǔ)上，2001年制定了“先進(jìn)伏發(fā)電計(jì)劃”。PV制造業(yè)被日本工業(yè)界視為關(guān)鍵工業(yè)，他們提出日本不應(yīng)向中國和亞洲其它國家轉(zhuǎn)移。到2009年，受初裝補(bǔ)貼、富余電量?jī)?yōu)惠價(jià)格上網(wǎng)、新可再生能源發(fā)展目標(biāo)出臺(tái)刺激等因素影響，日本光伏市場(chǎng)全年新增容量將達(dá)到410MW左右。2010年，全國新增容量增長(zhǎng)30%左右，達(dá)到530MW。德國政府自1999年開始執(zhí)行“10萬屋頂光伏計(jì)劃”，同年出臺(tái)了新的可再生能源法，該法律同一系列補(bǔ)貼政策一起大大推動(dòng)了德國“10萬屋頂光伏計(jì)劃”的執(zhí)行和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2004年德國太陽能新裝容量的設(shè)備已居世界首位，該年度德國太陽能產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)20億歐元，比2003年提高了60%。2009年德國市場(chǎng)新增裝機(jī)容量達(dá)到3GW左右。美國1997年提出了“百萬屋頂光伏計(jì)劃”，以促進(jìn)戶用PV聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展;聯(lián)邦政府和許多州政府通過減免稅收等措施來促進(jìn)PV聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。然而，由于美國政治形勢(shì)(如退出京都議定書等)的變化使得政府對(duì)百萬屋頂計(jì)劃缺乏專門的預(yù)算支持，故該計(jì)劃對(duì)美國PV產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用不如日本顯著。美國也失去了保持多年的PV市場(chǎng)領(lǐng)先地位而落后于日本和歐洲。發(fā)達(dá)國家非常重視光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，目前美國、歐洲和日本等制訂的中長(zhǎng)期光伏發(fā)展目標(biāo)如表1.1所示。按照這一計(jì)劃，到2010年全球光伏裝機(jī)容量將達(dá)到28GW，是2008年累計(jì)裝機(jī)18.25GW的1.53倍，相當(dāng)于需求年增4.87GW；2020年將達(dá)到200GW，是2008年的10.95倍，相當(dāng)于在這個(gè)10年里需求年增17.2GW；2030年將達(dá)到1850GW，是2008年的99.72倍，相當(dāng)于在這個(gè)10年里需求年增16.5GW。隨著技術(shù)的進(jìn)步，或許未來的實(shí)際進(jìn)程將超出這一規(guī)劃。德國、美國、日本三個(gè)國家是主要的利用太陽能的國家，西班牙則發(fā)展迅速。德國太陽能裝機(jī)容量在2007年達(dá)到1328MW，占世界新增容量的47%。是目前全球最大的太陽能發(fā)電市場(chǎng)，而西班牙是增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一，2007年新增太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量640MW，同比增長(zhǎng)480%，成為全球新的第二大市場(chǎng)。美國市場(chǎng)新增220MW,同比增長(zhǎng)57%，只有日本在政府取消了一定的政策補(bǔ)貼后增速下降了22%。表1.1主要國家光伏發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃累計(jì)裝機(jī)容量（GW）年份日本歐洲美國中國其他201081050.254.7520203041361.689.820302052002005011951.3本課題的目的和任務(wù)光伏發(fā)電系統(tǒng)受日照強(qiáng)度的影響較大。當(dāng)白天太陽光照充足的時(shí)候，蓄電池將多余的能量?jī)?chǔ)存起來，當(dāng)夜晚或白天太陽光照不足的時(shí)候，光伏陣列不能夠?yàn)樨?fù)載提供足夠的能量，可以通過蓄電池向負(fù)載提供能量以保證電能的穩(wěn)定。因此控制器環(huán)節(jié)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其中包括光伏陣列輸出電壓和輸出電流的檢測(cè)、蓄電池的充電管理和放電管理、系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)、故障診斷定位和運(yùn)行狀態(tài)指示等。本課題的主要目的：制作DC—DC變換器，為蓄電池的充電做前期的準(zhǔn)備，并對(duì)光伏陣列進(jìn)行電壓電流采樣，進(jìn)行最大功率跟蹤。本課題的主要內(nèi)容：根據(jù)太陽能電池的容量及相關(guān)參數(shù)對(duì)DC-DC變換器中的電感電容等參數(shù)進(jìn)行選擇，并搭建實(shí)物電路板；通過DSP2812輸出的PWM波形控制電路的占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行調(diào)試，得出比較滿意的輸出波形。第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)概述光伏發(fā)電是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換方式，包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電等。光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的直接發(fā)電形式。2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是太陽能電池。太陽能電池發(fā)電原理是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)太陽光(或其他光)照射到太陽能電池上時(shí)[5]，電池吸收光能，產(chǎn)生光電子―空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸使用的電能。光伏電源系統(tǒng)，是利用太陽能電池方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存到系統(tǒng)的蓄電池中或直接供負(fù)載使用的可再生能源裝置。其工作原理是：白天太陽能電池組件接收太陽光，輸出電能，一部分供給直流或交流負(fù)載工作；另一部分通過防反充二極管給蓄電池組充電，夜晚或陰雨天，太陽能電池組件無法工作，蓄電池組供電給直流或交流負(fù)載工作。2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能以便使用的一種能源系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)相連可以分為獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)與并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指與電網(wǎng)相連，可以給電網(wǎng)供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指太陽能電池產(chǎn)生的電能直接供給負(fù)載，此系統(tǒng)不受其它系統(tǒng)的影響也不受他人影響，主要是用于山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)等市電無法到達(dá)的地方。其設(shè)備的容量通常在數(shù)十到數(shù)百瓦之間，白天太陽能電池產(chǎn)生電能，供給負(fù)載及給蓄電池充電，晚上由蓄電池給負(fù)載供電。獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)組成與負(fù)載有關(guān)，直流負(fù)載和交流負(fù)載都包含太陽能電池、蓄電池組、控制電路。獨(dú)立系統(tǒng)的負(fù)載如果是直流負(fù)載，可直接與蓄電池相連，對(duì)蓄電池的輸出電壓進(jìn)行升(降)壓后提供給負(fù)載。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。由于負(fù)載直流電壓的不同(如12V，24V等)，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是生活用電，負(fù)載主要為交流，而且直流系統(tǒng)也很難實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。因此，交流光伏逆變電源正在逐漸取代直流光伏電源。交流光伏逆變電源系統(tǒng)與直流光伏電源系統(tǒng)的主要差別是在負(fù)載和蓄電池之間加入了逆變器，逆變器承擔(dān)了將直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電壓的功能。光伏供電系統(tǒng)的總體框圖如圖2.1所示[6]，光伏陣列安裝在戶外接受太陽能，通過充電控制器給蓄電池充電，逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需要的三相或單相的交流電。圖2.1光伏供電系統(tǒng)的總體框圖2.3太陽能電池及其特性太陽能電池(SolarCell)是一種經(jīng)由太陽光照射后，把光的能量轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換元件。有人稱之為光伏電池(Photovoltaic，簡(jiǎn)稱PV)。太陽能電池是由許多太陽能電池單體經(jīng)過串、并聯(lián)連接后，加上增加機(jī)械強(qiáng)度的支撐基板、表面強(qiáng)化玻璃覆蓋所構(gòu)成。由于太陽能電池會(huì)受到日照強(qiáng)度、溫度以及制作材料等因素的影響而使它的輸出有所變化，所以為了讓太陽能電池發(fā)揮其最大的輸出，必須控制其瞬時(shí)的輸出功率，使其在不同的環(huán)境條件下都能輸出最大功率。2.3.1太陽能電池的種類太陽能電池是由一種半導(dǎo)體材料所做成的光電轉(zhuǎn)換元件，目前制作太陽能電池的材料和方式有許多種，所制作出來的工作效率也不盡相同。常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。目前世界上有三種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池：?jiǎn)尉Ч杼柲茈姵?、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池由于所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，致使材料的成本比較昂貴。單晶硅太陽能電池的制造成本最高，但光電轉(zhuǎn)化效率也最高。多晶硅太陽能電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對(duì)并不能全部被PN結(jié)電場(chǎng)所分離，因?yàn)殡姾蓪?duì)晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶硅太陽能電池的效率比一般的單晶硅要稍低。但多晶硅太陽能電池可用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅太陽能電池低。非晶硅太陽能電池屬于薄膜電池，造價(jià)低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，并在光照下衰降，目前多用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等。2.3.2太陽能電池方陣光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的。太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般2cm×2cm到15cm×15cm不等，太陽能電池單體的工作電壓約為0.45～0.5V，工作電流20～25mA/cm2[7]，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦到幾百瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率。圖2.2太陽能電池單體、組件及方陣2.3.3太陽能電池特性曲線太陽能電池起著能源轉(zhuǎn)換的作用，它將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)太陽能電池組件短路時(shí)，即V=0時(shí)，此時(shí)的電流為短路電流Isc；當(dāng)電路開路時(shí)，即I=0，此時(shí)的電壓為開路電壓Voc；當(dāng)太陽能電池兩端的電壓從零上升時(shí)，例如逐漸增加負(fù)載電阻或組件的電壓從零(短路條件下)開始增加時(shí)，在光輻射恒定的條件下，開始太陽能電池的輸出電流幾乎不變，輸出功率不斷增加。當(dāng)電池電壓增加到一定值時(shí)，輸出電流開始變小，輸出功率達(dá)到一個(gè)最大值Pm，即最大功率點(diǎn)，之后隨著電池電壓的升高，輸出電流和功率都不斷變小，最后輸出電流減為零，輸出電壓達(dá)到最大值即開路電壓Voc。最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓為最大功率點(diǎn)電壓Vm（又稱最大功率電壓)，對(duì)應(yīng)的電流為最大功率點(diǎn)電流Im(又稱最大功率電流)。太陽能電池的特性曲線：圖2.3太陽能電池I-V特性隨溫度變化曲線圖2.4太陽能電池I-V特性隨日照強(qiáng)度變化曲線圖2.5太陽能電池P-V特性隨溫度變化曲線圖2.6太陽能電池P-V特性隨日照強(qiáng)度變化曲線圖2.3，圖2.4是在確定的日照強(qiáng)度或溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系，簡(jiǎn)稱I-V特性。從I-V特性可以看出，太陽能電池既非恒壓源，又非恒流源，也不可能為負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性電源，其輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開路電壓時(shí)，電流下降率很大。由圖2.5，圖2.6分析可知，太陽能電池的輸出由多種因素決定，如日照情況、溫度等，在不同的環(huán)境中，太陽能電池的輸出曲線是不同的，相應(yīng)的最大功率也不同。日照越強(qiáng)，太陽能電池能夠輸出的功率也就越大，而最大功率所對(duì)應(yīng)的電壓、電流值就越高，而溫度則正好相反，隨著溫度的上升，開路電壓減小，太陽能電池能夠輸出的功率就越小。圖2.3，圖2.5是日照強(qiáng)度不變時(shí)，不同溫度下的太陽能電池的特性曲線。由圖可以看出，在固定的日照強(qiáng)度下，當(dāng)溫度升高時(shí)太陽能電池開路電壓會(huì)降低，但其短路電流卻幾乎不變，整體而言當(dāng)溫度升高時(shí)太陽能電池的額定輸出功率會(huì)略微下降，由此可見工作環(huán)境溫度的高低對(duì)太陽能電池的最大輸出功率會(huì)有直接影響。圖2.4，圖2.6是溫度不變時(shí)，不同日照強(qiáng)度下的太陽能電池的特性曲線。當(dāng)日照強(qiáng)度改變時(shí)，對(duì)太陽能電池的開路電壓并不會(huì)有太大的影響，但其所能提供的最大電流值有著相當(dāng)大的變化。日照強(qiáng)度增加時(shí)，短路電流增加，最大功率點(diǎn)有所升高。所以日照強(qiáng)度的強(qiáng)弱是影響太陽能電池輸出功率大小的重要因素。2.4光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC-DC轉(zhuǎn)換電路電力電子電路的基本作用是進(jìn)行電能的變換與控制，即將一定的電能變換成另一種形式的電能輸出，從而滿足不同負(fù)載的要求。電能的形式有直流和交流之分，根據(jù)輸入和輸出的不同形式，可將電力電子電路分為四類，即AC-DC變換器、DC-AC變換器、DC-DC變換器、AC-AC變換器[9]。本文主要進(jìn)行DC-DC變換器的設(shè)計(jì)。DC-DC轉(zhuǎn)換電路(也稱為斬波電路或斬波器)在直流電源和負(fù)載之間，通過控制電壓的方法將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路，被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、逆變系統(tǒng)和用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備中。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤(MPPT)。DC-DC轉(zhuǎn)換電路主要由主回路和控制回路兩部分組成，而主回路是核心。如果按照輸入、輸出電壓的大小分，DC-DC電路可分為：(1)降壓型變換器：輸出電壓低于輸入電壓，即U0<Ud，也稱為Buck型變換器。(2)升壓型變換器：輸出電壓高于輸入電壓，即U0>Ud，也稱為Boost型變換器。(3)升降壓型變換器：輸出電壓可低于也可高于輸入電壓，通常是前兩種電路的串聯(lián)，也稱為Buck-Boost型變換器。本文中采用Boost變換器接入太陽能電池的輸出回路，通過PWM脈沖調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器中開關(guān)管的占空比來控制太陽能電池的輸出電壓，從而使太陽能電池輸出最大功率。2.4.1獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)常用DC-DC變換器及其特點(diǎn)目前，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的DC-DC變換電路主要有BUCK電路，BOOST電路，BUCK-BOOST電路以及CUK電路。它們的電路拓?fù)浞謩e如圖2.7(a)-(d)所示。（a）BUCK電路拓?fù)鋱D（b）BOOST電路拓?fù)鋱D（c）BUCK-BOOST電路拓?fù)鋱D(d）CUK電路拓?fù)鋱D圖2.7太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的DC—DC變換電路拓?fù)鋱D2.4.2BUCK電路[13]BUCK電路輸入端工作在斷續(xù)狀態(tài)，如果直接將BUCK電路接在太陽能電池陣列上將造成太陽能電池陣列輸出電流不連續(xù)，太陽能電池陣列不能工作于最佳工作狀態(tài)，因此需要在太陽能電池陣列輸出端并聯(lián)儲(chǔ)能電容以保證太陽能電池陣列輸出電流的連續(xù)，如圖2.8中的Cin。當(dāng)功率器件關(guān)斷時(shí)，太陽能電池陣列對(duì)儲(chǔ)能電容充電，使太陽能電池陣列始終處于發(fā)電狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)BUCK電路的占空比D實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)太陽能電池陣列輸出平均功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池陣列的MPPT功能。典型的連接太陽能電池陣列的BUCK電路拓?fù)淙鐖D2.8所示，BUCK電路輸出連接阻性負(fù)載或蓄電池。用BUCK電路實(shí)現(xiàn)太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)，必須在BUCK電路并聯(lián)一儲(chǔ)能電容，在大功率情況下，由于儲(chǔ)能電容始終處于大電流充放電狀態(tài)，對(duì)其可靠工作不利；同時(shí)由于儲(chǔ)能電容通常為電解電容，使BUCK電路無法工作在較高的頻率下，使得BUCK電路裝置的體積和重量增加；而且BUCK電路只能用于降壓變換。用BUCK電路實(shí)現(xiàn)太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制易于實(shí)現(xiàn)，功率開關(guān)管輸入電流小，線路損耗小，使得BUCK電路裝置轉(zhuǎn)化效率較高。圖2.8連接太陽能電池陣列的BUCK電路拓?fù)鋱D2.4.3B00ST電路[14]BOOST電路以電感電流源方式向負(fù)載放電實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓升高的目的。與BUCK電路相比，BOOST電路的電感在電路的輸入端，因此只要輸入電感足夠大，BOOST電路可以始終工作于輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中，只需在BOOST電路并聯(lián)容量較小的無感電容甚至可以不加電容，如圖2.9中虛線Cin所示，這樣就可避免加電容帶來的種種弊端。同時(shí)BOOST結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單，并且功率開關(guān)管一端接地，使得開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。BOOST電路的不足之處在于其輸入端電壓較低，在同樣的功率下，輸入電流較大，因而電路損耗較大，與BUCK電路，BOOST電路轉(zhuǎn)化效率略低一些;而且BOOST電路只能進(jìn)行升壓變換。典型的連接太陽能電池陣列的BOOST電路拓?fù)淙鐖D2.9所示，BOOST電路輸出連接阻性負(fù)載或蓄電池。圖2.9連接太陽能電池陣列的BOOST電路拓?fù)鋱D2.4.4BUCK-BOOST電路同BUCK電路一樣，BUCK-BOOST電路輸入端工作在斷續(xù)狀態(tài)，如果直將BUCK電路接在太陽能電池陣列上將造成太陽能電池陣列輸出電流不連續(xù)，太陽能電池陣列不能工作于最佳工作狀態(tài)，因此需要在太陽能電池陣列輸出端并聯(lián)儲(chǔ)能電容以保證太陽能電池陣列輸出電流的連續(xù)，如圖2.10中的Cin。當(dāng)功率器件關(guān)斷時(shí)，太陽能電池陣列對(duì)儲(chǔ)能電容充電，使太陽能電池陣列始終處于發(fā)電狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)BUCK-BOOST電路的占空比D實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)太陽能電池陣列輸出平均功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池陣列的MPPT功能。典型的連接太陽能電池陣列的BUCK-BOOST電路拓?fù)淙鐖D2.10所示，BUCK-BOOST電路輸出連接阻性負(fù)載或蓄電池。BUCK-BOOST電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓可以在很寬的范圍工作，調(diào)節(jié)功率開關(guān)管占空比可得到高于或低于輸入電壓的輸出電壓；不足之處如同BUCK電路一樣，必須在輸入端并聯(lián)一儲(chǔ)能電容，這將使電路的體積和重量增加。圖2.10連接太陽能電池陣列的BUCK—BOOST電路拓?fù)鋱D2.4.5CUK電路典型的連接太陽能電池陣列的CUK電路拓?fù)淙鐖D2.11所示，CUK電路輸出連接阻性負(fù)載或蓄電池。CUK電路可看成BOOST電路和BUCK電路的組合，因此CUK電路具有BOOST電路的特點(diǎn)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中，在其輸入端只需并聯(lián)容量較小的圖2.11連接太陽能電池陣列的CUK電路拓?fù)鋱D無感電容甚至可以不加電容；CUK電路輸出端電感也可減小輸出電流脈動(dòng)；CUK電路還具有BUCK-BOOST電路的特性，既能實(shí)現(xiàn)升壓又能實(shí)現(xiàn)降壓輸出，可滿足負(fù)載電壓在寬范圍內(nèi)變化的需要；CUK電路功率開關(guān)一端接地從而簡(jiǎn)化了功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。與上述三種電路相比，CUK電路電器元器件較多，且電容Cl值一般較大，使得電路重量增加，線路損耗增加。第三章光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤（MPPT）3.1最大功率跟蹤（MPPT）的概念[8]最大功率跟蹤（MPPT-MaxPowerPointTracking）就是使太陽能電池始終保持最大功率輸出。由于太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，太陽能電池的輸出功率受日照強(qiáng)度以及溫度的影響，為了在限定的條件下有效利用太陽能電池，就要進(jìn)行最大功率跟蹤。3.2最大功率點(diǎn)（MPP）太陽能電池的輸出與日照強(qiáng)度和環(huán)境的溫度有很大的關(guān)系，為了使太陽能電池在任意的日照強(qiáng)度和溫度下，都能有最大的功率輸出，即太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)處，首先要確定最大功率點(diǎn)在太陽能電池伏安特性曲線上的位置。實(shí)現(xiàn)使太陽能電池始終工作在逼近最大功率點(diǎn)位置的過程，即為太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤。從理論上講，只要將太陽能電池與負(fù)載完全匹配、直接耦合(如被充電的蓄電池類負(fù)載)，太陽能電池就能處于高效狀態(tài)，即工作在最大功率點(diǎn)處，則太陽能電池實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。但是日常應(yīng)用中，很難滿足負(fù)載與太陽能電池的直接耦合條件。這時(shí)，往往需要增加一個(gè)MPPT(最大功率跟蹤器)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載與太陽能電池間達(dá)到最佳匹配。圖3.1為本設(shè)計(jì)所采用的增加了MPPT功能的光伏電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：圖3.1增加MPPT的光伏電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.3MPPT原理對(duì)于圖3.2所示的線性電路，負(fù)載上的功率為： （3.1）方程式兩邊對(duì)求導(dǎo)，因?yàn)?，都是常?shù)，所以可得： （3.2）當(dāng)式中時(shí)，有最大值。對(duì)于線性電路來說，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)電源有最大功率輸出。雖然太陽能電池和DC-DC轉(zhuǎn)換電路都是強(qiáng)非線性的，然而在極短的時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它始終等于太陽能電池的內(nèi)阻，就可以實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大輸出，也就實(shí)現(xiàn)了太陽能電池的MPPT。從圖3.2可以看出：當(dāng)時(shí)，兩端的電壓為/2。這表明：若兩端的電壓等于/2，同樣也是最大值。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)太陽能電池的MPPT，其原理如圖3.3。圖中，實(shí)直線為負(fù)載電阻線；虛曲線為等功率線；為太陽能電池的短路電流；為太陽能電池的開路電壓；為太陽能電池的最大功率點(diǎn)。圖3.2簡(jiǎn)單的線性電路原理圖將太陽能電池與負(fù)載直接相連，太陽能電池的工作點(diǎn)由負(fù)載電阻限定，工作在A點(diǎn)。從圖3.3可以看出，太陽能電池在A點(diǎn)的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在最大功率點(diǎn)的輸出功率。通過調(diào)節(jié)輸出電壓的方法，將負(fù)載電壓調(diào)節(jié)到處，使負(fù)載上的功率從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。由于B點(diǎn)與太陽能電池的最大功率點(diǎn)在同一條等功率線上，因此太陽能電池此時(shí)有最大功率輸出。圖3.3調(diào)節(jié)負(fù)載電壓實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤3.4MPPT算法太陽能電池的電壓與電流是非線性的關(guān)系，并且在不同的工作環(huán)境下，由于環(huán)境溫度與日照強(qiáng)度的不同工作曲線有所不同，但是每一條工作曲線只有一個(gè)最大功率點(diǎn)，此最大功率點(diǎn)即為太陽能電池的最佳工作點(diǎn)。因此為了提高太陽能電池的工作效率，需要控制太陽能電池的輸出，使太陽能電池隨時(shí)都工作在最大功率點(diǎn)。最大功率點(diǎn)跟蹤的算法有很多種，常用的有：恒定電壓法、功率回授法、微擾觀察法、增量電導(dǎo)法、直線近似法、實(shí)際測(cè)量法等[6][7][8][11]。在實(shí)現(xiàn)過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)所依據(jù)的變量有依據(jù)電壓的，也有依據(jù)功率的。所謂依據(jù)電壓是指：在調(diào)節(jié)的過程中，不斷地測(cè)量太陽能電池的特性，計(jì)算出太陽能電池的最大功率點(diǎn)，然后調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點(diǎn)，使工作點(diǎn)電壓盡量接近最大功率點(diǎn)電壓，并且跟隨著最大功率點(diǎn)電壓的變化而變化。這樣做較為復(fù)雜，而且計(jì)算最大功率點(diǎn)需要時(shí)間，如果在天氣情況變化較快時(shí)，也許計(jì)算出來的最大功率點(diǎn)與當(dāng)時(shí)的最大功率已經(jīng)相差較大了，因此這種方法用的較少。依據(jù)功率是指：在調(diào)節(jié)的過程中，測(cè)量蓄電池的充電功率，依據(jù)它來調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點(diǎn)，使蓄電池能夠保持最大的充電功率。但是，這樣做似乎并不能保證太陽能電池有最大功率輸出，而只是保證蓄電池有最大功率輸入。這里可以從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，對(duì)太陽能電池經(jīng)最大功率跟蹤的目的是希望負(fù)載獲得最大功率。假如僅僅實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大功率輸出，而蓄電池不能獲得最大功率充電，那么做也沒什么意義；另外如果DC-DC轉(zhuǎn)換電路的效率足夠高，可以近似地認(rèn)為蓄電池獲得最大功率充電時(shí)，太陽能電池輸出的功率也是最大。3.4.1恒定電壓法（CVT）恒定電壓法是最簡(jiǎn)單的一種最大功率跟蹤法，即CVT(ConstantVoltageTracking)。在一定的范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度變化時(shí)，太陽電池的最佳工作電壓變化不太大。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以在光伏方陣和負(fù)載之間通過一定的阻抗變換，使得系統(tǒng)成為一個(gè)穩(wěn)壓器，即光伏方陣的工作電壓始終保持在附近，這樣就使得方陣的輸出功率保持接近于最大功率點(diǎn)。采用CVT代替MPPT控制，由于其良好的可靠性和穩(wěn)定性，目前在光伏系統(tǒng)中仍被較多使用[7]。由于光伏陣列的工作電壓也是隨著溫度變化的，如果采用恒電壓跟蹤方法，在太陽能電池的表面溫度變化時(shí)，方陣的輸出功率將偏離最大功率點(diǎn)，產(chǎn)生較大的功率損失。特別是在有些情況下，光伏陣列的溫度上升較多時(shí)，可能導(dǎo)致光伏陣列的伏安特性曲線與系統(tǒng)設(shè)定的工作電壓不存在交點(diǎn)，這樣系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生震蕩，以致影響系統(tǒng)的正常工作[8]。為了克服適用場(chǎng)合季節(jié)、早晚時(shí)間以及天氣情況和環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)造成的影響，在CVT算法的基礎(chǔ)上可以采取以下幾種折衷解決方法[7]：手工調(diào)節(jié)：通過手工調(diào)節(jié)電位器按季節(jié)給定不同的，這種方法使用較少，需人工維護(hù)。根據(jù)溫度查表調(diào)節(jié)：事先將特定光伏陣列在不同溫度下測(cè)得的最大功率點(diǎn)電壓值儲(chǔ)存在控制器中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，控制器根據(jù)檢測(cè)光伏陣列的溫度，通過或查表選取合適的值。參考電池方法：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中增加一塊與光伏陣列相同特性的較小的光伏電池模塊，檢測(cè)其開路電壓，按照固定系數(shù)計(jì)算得到當(dāng)前最大功率電電壓，這種方法可以在近似CVT的控制成本下得到近似MPPT的控制效果。3.4.2功率回授法由于恒定電壓法無法隨環(huán)境條件的改變自動(dòng)跟蹤到最大功率點(diǎn)，因此功率回授法加入了輸出功率對(duì)電壓變化率的判斷，以便能適應(yīng)天氣的變化而達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤，也就是改變輸出功率判斷此時(shí)是否dP/dV=0，當(dāng)dP/dV=0時(shí)即是為操作在最大功率點(diǎn)。配合控制流程即可動(dòng)態(tài)地追蹤太陽能電池在不同日照強(qiáng)度及溫度下的最大功率點(diǎn)。3.4.3微擾觀察法(P&O)微擾觀察法(PerturbationandObservationMethod，簡(jiǎn)稱P&O法)就是要引入一個(gè)小的電壓變化，然后進(jìn)行觀察，并與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點(diǎn)。通過改變太陽能電池的輸出電壓，并實(shí)時(shí)地采樣太陽能電池的輸出電壓和電流，計(jì)算出功率，然后與上一次計(jì)算的功率進(jìn)行比較，如果小于上一次的值，則說明本次控制使功率輸出降低了，應(yīng)控制使太陽能電池輸出電壓按原來相反的方向變化，如果大于則維持原來增大或減小的方向，這樣就保證了使太陽能輸出向增大的方向變化，如此反復(fù)的擾動(dòng)、觀察與比較，使太陽能電池達(dá)到其最大功率點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出。微擾觀察法方塊圖如圖3.4所示：圖3.4微擾觀察法方塊圖圖3.5微擾觀察法流程圖圖中Vk，Ik，Pk是本次測(cè)量的電壓值和電流值以及根據(jù)測(cè)量的電壓和電流值計(jì)算出的功率值，V(k-1)，P(k-1)是上一次測(cè)量的電壓值和根據(jù)上次的電壓和電流值計(jì)算出的功率值。MPPT調(diào)節(jié)過程如圖3.6所示。前文已提到太陽能電池的輸出與日照、溫度有關(guān)。日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度不變時(shí)的調(diào)節(jié)過程如圖3.6(a)所示。假設(shè)系統(tǒng)開始時(shí)運(yùn)行于A點(diǎn)，有小擾動(dòng)使得在下一個(gè)固定時(shí)間間隔中檢測(cè)到負(fù)載功率比這一次有變化，系統(tǒng)判斷后將占空比向功率增加的方向移動(dòng)，系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)移動(dòng)到了B點(diǎn)。這樣，電路的占空比發(fā)生改變，直到運(yùn)行于E-F-G區(qū)間。如果系統(tǒng)開始時(shí)運(yùn)行于M點(diǎn)，跟蹤控制過程與上面類似。圖3.6(b)所示為在系統(tǒng)到達(dá)最大功率點(diǎn)后日照強(qiáng)度或環(huán)境溫度變化后的調(diào)節(jié)過程。環(huán)境變化時(shí)太陽能電池的功率輸出如圖3.6(b)上從曲線1變?yōu)榍€2，此時(shí)系統(tǒng)從運(yùn)行于點(diǎn)A變?yōu)檫\(yùn)行于其占空比與曲線2的交點(diǎn)W，MPPT系統(tǒng)動(dòng)作，與上面相似的調(diào)節(jié)過程，使得太陽能電池運(yùn)行于E-B-F區(qū)間。（a）電壓改變導(dǎo)致功率的改變(b)日照強(qiáng)度改變導(dǎo)致功率改變圖3.6調(diào)節(jié)過程示意圖3.4.4增量電導(dǎo)法(IncCond)增量電導(dǎo)法(IncrementalConductanceMethod，簡(jiǎn)稱IncCond)是通過調(diào)整工作點(diǎn)的電壓，使之逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。而增量電導(dǎo)法避免了微擾觀察法的盲目性，它能夠判斷出工作點(diǎn)電壓于最大功率點(diǎn)電壓之間的關(guān)系。對(duì)于功率P有： （3.3)對(duì)式（3.3）求導(dǎo)，并將I作為V的函數(shù)，可得：（3.4）由P-U曲線可知，>0時(shí)，V小于最大功率點(diǎn)電壓；當(dāng)<0時(shí)，V大于最大功率點(diǎn)電壓；=0時(shí)，V等于最大功率點(diǎn)電壓；將上述三種情況代入(3.4)式可得：當(dāng)時(shí)，>當(dāng)時(shí)，<當(dāng)時(shí)，=這樣就可以根據(jù)與之間的關(guān)系來調(diào)整工作點(diǎn)電壓而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。3.4.5直線近似法直線近似法在眾多的最大功率跟蹤法中算是比較新的一種方法，基本理念為利用dP/dI=0這個(gè)邏輯判斷，利用一直線來近似在某一溫度下各種不同日照強(qiáng)度的最大功率點(diǎn)，只要控制輸出電流在此直線上即可輕易地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤[10]。圖3.7所示為太陽能電池的P-I曲線，由圖中可以看出針對(duì)不同的日照度，最大功率點(diǎn)的變化幾乎接近一直線，因此取一直線來近似是非常合理的，此最大功率追蹤法不但簡(jiǎn)單亦具有一定的準(zhǔn)確度。但由于此法是以數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)為出發(fā)點(diǎn)來求出最大功率點(diǎn)的近似直線，因此等效模型以及太陽能電池的各項(xiàng)參數(shù)的正確性，是以此法來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)所注意的地方。圖3.7直線近似法3.4.6實(shí)際測(cè)量法實(shí)際測(cè)量法主要是利用一片額外的太陽能電池，每隔一段時(shí)間實(shí)際測(cè)量此太陽能電池的開路電壓與短路電流，以建立太陽能電池在此日照強(qiáng)度及溫度下的參考模型，并求出在此條件下的最大功率點(diǎn)的電壓和電流，配合控制電路使太陽能電池工作在此電壓或電流下，即可達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤。此方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其由實(shí)際測(cè)量來建立參考模型，因此可避免因太陽能電池及元件老化而導(dǎo)致參考模型失去準(zhǔn)確度的問題。此外，由于此法需要額外的太陽能電池及一些檢測(cè)電路，因此較適用于較大功率的太陽能供電系統(tǒng)，對(duì)其他小功率系統(tǒng)而言，或許不能符合成本上的需求。第四章BOOST電路的設(shè)計(jì)4.1BOOST電路原理[15]升壓式(BOOST)轉(zhuǎn)換電路是一種輸出電壓大于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。原理圖如圖4.1所示。從圖4.1可看出，電路的主要元件有：開關(guān)管Q、二極管D、電感L和電容C。Ud為電壓電源，R為負(fù)載電阻，U0為輸出電壓。在工作狀態(tài)下，開關(guān)管反復(fù)的導(dǎo)通和截止，兩種不同狀態(tài)的切換，將直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖形式的電壓，再經(jīng)過C的穩(wěn)壓、濾波，形成直流電壓輸出。圖4.1BOOST電路原理圖下圖為開關(guān)管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的等效原理圖：（a）開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效原理圖（b）開關(guān)管截止時(shí)的等效原理圖圖4.2開關(guān)管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的等效原理圖從圖4.2可以看出，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給儲(chǔ)能元件電感充電，電感L上的電流逐漸增大，而在開關(guān)管截止時(shí)電感經(jīng)二極管D放電，電感L上的電流逐漸減小。電容起濾波、穩(wěn)壓作用，使負(fù)載上的電壓的紋波減小。4.2電路的外特性分析[10]為了簡(jiǎn)化分析，設(shè)電路無直流內(nèi)阻，即=04.2.1電流連續(xù)狀態(tài)下的外特性分析所謂電流連續(xù)是指輸入電感L中的電流保持連續(xù)，即的最小值>0。忽略器件和輸入電感的內(nèi)阻，因此L端電壓在一個(gè)周期中的平均值為零，于是（-）T=DT即===（4.2.1）或Av==（4.2.2） 式中，：電源電壓；：負(fù)載端電壓；D：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，即脈沖發(fā)生器高電平時(shí)間；：開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，即脈沖發(fā)生器低電平時(shí)間；：開關(guān)管的導(dǎo)通占空比。上式表明，在=0的CCM工況中，輸出電壓的平均值僅取決于占空比D和直流電壓，且電壓增益Av>1，改變D值即可調(diào)節(jié)輸出電壓,由式（4.2.1）還可以看到，當(dāng)占空比D值趨近1時(shí)，將趨于無窮大，即電路失控。其物理解釋是：在=0的條件下，DT越長(zhǎng)，T便越短，為了保持伏秒平衡，Q關(guān)斷期中的值便越高（即越高）只有如此才能將L中儲(chǔ)能更快地傳輸?shù)截?fù)載（電流更快下降）。由于=0，即電路無內(nèi)耗，CCM狀態(tài)下的電流增益==（4.2.3）上式表明，輸入端電流平均值與負(fù)載電流有關(guān)。的最小值可表示為=-=-（4.2.4）上式表明，與、、DT和有關(guān)，例如在其他條件不變時(shí)，將隨著的減小而減小，當(dāng)?shù)偷揭欢ǔ潭缺銜?huì)出現(xiàn)=0，此時(shí)輸入電流便處于臨界連續(xù)狀態(tài)，由式（4.2.4）有==（4.2.5）式中，是的連續(xù)臨界值。由式（4.2.3），輸出電流的連續(xù)臨界值可表示為。=（1-D）=（4.2.6）當(dāng)D=0.5時(shí)，有最大值且可表示為=（4.2.7）負(fù)載電流的平均值為： (4.2.8）由式（4.2.1）可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值為，若減小占空比，則輸出到負(fù)載的電壓平均值隨之增大；若增加占空比，則輸出到負(fù)載的電壓平均值隨之減小。因此，可以通過變來改變負(fù)載的平均電壓，也就是說可以通過改變來改變負(fù)載的平均電壓。在太陽能電源系統(tǒng)中，可以采用這種方法，來使太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)處。在理想條件下，轉(zhuǎn)換器的輸入功率與輸出功率相等，即 = （4.2.9）由式(4.1)可知，>,故由式(4.3)可得<。4.2.2電流斷續(xù)狀態(tài)下的外特性分析當(dāng)繼續(xù)減小，且有<時(shí)，電感電流便進(jìn)入斷續(xù)狀態(tài)，當(dāng)在DCM狀態(tài)下，T=T=T（4.2.10）=（4.2.11）式中，為的最大值；T為二極管VD的導(dǎo)通時(shí)間，由波形可得=D（4.2.12）由的波形有==（4.2.13）將式（4.2.12）和式（4.2.13）代入式（4.2.11）并整理得=（4.2.14）其中<由式（4.2.14）可知，當(dāng)=0時(shí)，對(duì)任意D值，均有=0。4.3主電路器件的選擇4.3.1BOOST電路電感參數(shù)的選擇實(shí)驗(yàn)采用的為無錫尚德生產(chǎn)、型號(hào)為STP175S-24/AC的太陽能電池板，輸出的最大功率點(diǎn)電壓為35V，電流為5A，DC-DC變換器輸出電壓為48V，輸出額定電流為3.6A，開關(guān)管的開關(guān)頻率為10kHz,電感電流工作在連續(xù)模式。電感的紋波電流： （4.3.1）假設(shè)一周期內(nèi)無功率損耗：（4.3.2）為太陽能電池輸出的平均電流，為負(fù)載的平均電流，為電感的平均電流，=。因此，式（4.3.2）可改為：（4.3.3）定義，(4.3.4)由式（4.3.1），（4.3.3），（4.3.4）可得： （4.3.5）其中為輸出負(fù)載功率。當(dāng)時(shí)，式（4.3.5）有最大輸出值： (4.3.6)功率管的開關(guān)的頻率高，則輸出諧波含量少，便于濾波，但開關(guān)頻率過高會(huì)導(dǎo)致功率管過熱。本設(shè)計(jì)所選用的功率管的開關(guān)頻率推薦值為10kHz。為中間直流電壓為48V，輸出功率為175W，紋波取25%，則由式（4.3.6）可得： 在實(shí)物中，適當(dāng)?shù)姆糯罅穗姼辛康娜≈?，取?mH。4.3.2濾波電容的估算據(jù)參考文獻(xiàn)[16]可知：C=又因由式（4.2.1），D=1-其中取為4.8,則由上述參數(shù)可得：==21uF為了使輸出電壓紋波小于4.8V，濾波電容必須大于21uF，可取35uF，濾波電容的耐壓值應(yīng)較大。在實(shí)物中，選取的電容為35uF/100V。4.3.3功率開關(guān)管的選擇通過功率開關(guān)管的最大電流與通過電感的最大電流相等，取太陽能電池板的最小輸入電壓為30V，變換器的效率為0.75，則流過電感的電流最大，為==7.8A則，通過開關(guān)管的最大電流為7.8A。又因電池板的開路電壓為45V，則功率管承受的最大反向電壓為2=90V?？紤]到功率開關(guān)管的設(shè)計(jì)裕量，額定電流應(yīng)大于開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)流過的峰值電流的2倍。在實(shí)物中，為了便于實(shí)物的購買和調(diào)試過程中的安全，適當(dāng)?shù)姆糯罅斯茏拥哪土髦?，選取的MOSFET型號(hào)為IRF540。其額定耐壓值=100V，額定電流為,導(dǎo)通電阻。4.3.4二極管的選擇通過二極管的最大電流與通過電感的最大電流相等，為7.8A，功率開關(guān)管承受的最大反向電壓為48V?？紤]到二極管電壓和電流的設(shè)計(jì)裕量，BOOST電路中二極管選取FCH30A06二極管，其最大反向耐壓為60V，最大整流電流為30A，反向恢復(fù)時(shí)間為65ns。第五章基于TMS320F2812光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的是DSP2812開發(fā)板作為主控電路，其快速的運(yùn)算能力、豐富的外設(shè)資源能為整個(gè)控制系統(tǒng)提供一個(gè)良好的平臺(tái)。DSP是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它接收采樣電路送來的模擬信號(hào)，按照控制算法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，然后產(chǎn)生所需要的PWM波形，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后控制主電路功率開關(guān)管的通斷。5.1控制系統(tǒng)硬件電路5.1.1控制芯片TMS320F2812DSP簡(jiǎn)介TMS320F2812DSP是TI公司推出的最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它既有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。此DSP開發(fā)板的特點(diǎn)如下：（1）采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，I/O供電電壓及FLASH編程電壓為3.3V，內(nèi)核供電電壓降為1.8V(135MHz)或1.9V(150MHz)，減少了控制器的功耗。（2）JTAG邊界掃描功能。（3）高性能32位CPU（TMS320C28x），采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有16×16位雙通道MAC（乘累加運(yùn)算），可進(jìn)行16×16位和32×32位MAC操作，而且不占用CPU時(shí)間，具有統(tǒng)一的存儲(chǔ)模式，可快速響應(yīng)中斷及中斷處理。（4）片內(nèi)高達(dá)128K×16位的Flash存儲(chǔ)器，包括4個(gè)8K×16位和6個(gè)16K×16位的程序存儲(chǔ)器、1K×16位的一次編程存儲(chǔ)器（OTPROM）、M0和M1兩個(gè)1K×16的存儲(chǔ)器（SARAM）、L0和L1兩個(gè)4K×16的存儲(chǔ)器（SARAM）、H0一個(gè)8K×16的存儲(chǔ)器（SARAM）。（5）4K×16位的引導(dǎo)ROM具有軟件引導(dǎo)模式和保存了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)函數(shù)表。（6）外部接口高達(dá)1M的存儲(chǔ)容量，有編程等待狀態(tài)、讀/寫信號(hào)選通時(shí)序可編程及3個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)。（7）片內(nèi)晶體振蕩器，基于自動(dòng)鎖相環(huán)技術(shù)的時(shí)鐘發(fā)生器，程序監(jiān)視器。（8）3個(gè)外部中斷，外設(shè)中斷允許（PIE）模塊，支持45個(gè)外設(shè)中斷。（9）128位代碼安全密碼保護(hù)Flash/OTP以及L0/L1SARAM，防止軟硬件方法逆向獲取代碼。（10）3個(gè)32位的CPU定時(shí)器。（11）兩個(gè)時(shí)間管理器（EVA、EVB）可進(jìn)行電機(jī)控制，并且與F240x兼容。（12）包含串行外設(shè)接口（SPI）、兩個(gè)串行通信端口（SCIs）即標(biāo)準(zhǔn)的UART、增強(qiáng)的區(qū)域網(wǎng)控制器（eCAN）及多通道緩沖串口（Mcbsp）。（13）16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即2個(gè)8通道的多路輸入、兩個(gè)采樣保持器，最高轉(zhuǎn)換頻率為：80ns/12.5MSPS（每秒百萬次采樣）。多達(dá)56個(gè)獨(dú)立可編程復(fù)用的通用I/O引腳（GPIO）。（14）先進(jìn)的仿真性能，分析和斷點(diǎn)功能，可以通過硬件實(shí)時(shí)調(diào)試。（15）開發(fā)工具包括ANSIC/C++編譯器/匯編器/鏈接器，通用的開發(fā)環(huán)境CCS。(16)低電壓低功耗工作模式，支持IDLE（空閑）、STANDBY（標(biāo)準(zhǔn)）及HALT（停止）模式，可單獨(dú)停止各個(gè)外設(shè)模塊的時(shí)鐘。5.1.2TMS320F2812DSP實(shí)現(xiàn)的主要功能TMS320F2812DSP是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其在太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制中主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)轉(zhuǎn)換采樣電路的模擬信號(hào)，計(jì)算出太陽能電池陣列的輸出電壓、輸出電流以及輸出功率，再將數(shù)據(jù)輸出給顯示電路。(2)根據(jù)太陽能電池陣列的輸出電壓調(diào)整太陽能電池陣列的工作狀態(tài)使其穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)。(3)根據(jù)采樣到的蓄電池的電壓和充電電流，對(duì)其實(shí)現(xiàn)恒壓限流充電以及實(shí)現(xiàn)過充過放保護(hù)。(4)根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的切換。即當(dāng)有日照時(shí)，使太陽能電池陣列向負(fù)載供電，多余的電能傳輸給蓄電池，將能量?jī)?chǔ)存起來;如太陽能電池陣列不足以向負(fù)載供電時(shí)，使蓄電池和太陽能電池陣列同時(shí)向負(fù)載供電。5.2基于TMS320F2812DSP的控制系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)基于TMS320F2812DSP的控制系統(tǒng)框圖如圖5.1所示。實(shí)驗(yàn)所用到的控制系統(tǒng)包括DSP芯片、輔助電路、采樣保持電路及驅(qū)動(dòng)電路。圖5.1基于TMS320F2812DSP的控制系統(tǒng)框圖5.2.1輔助電路輔助電路主要包括DSP電源電路和時(shí)鐘源電路。DSP電源電路采用的電源管理芯片為TPS767D318。TPS767D318電源芯片屬于線性低壓降型電壓調(diào)節(jié)器，其可以由5V電壓產(chǎn)生3.3V和1.8V的電壓輸出，其最大輸出電流為1A，可以滿足一片DSP和小量外圍器件的供電需要。時(shí)鐘源電路是采用高精密石英晶體振蕩器產(chǎn)生，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘振蕩輸入。5.2.2電壓采樣電路電壓傳感器采用電阻串聯(lián)分壓原理制成，原理圖如圖5.2所示。圖5.2電壓采樣原理圖LM358內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，將其輸出電壓全部反饋到反向輸入端，構(gòu)成電壓跟隨器。電壓跟隨器的特點(diǎn)是輸入電壓與輸出電壓相等，即放大倍數(shù)為1，輸入阻抗很高而輸出阻抗很低，對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開路，對(duì)后級(jí)電路相當(dāng)于穩(wěn)壓源，起到隔離前后級(jí)之間影響的作用。5.2.3電流采樣電路電流采樣電路采用的是TBC10SY/SYW型號(hào)的傳感器，額定的輸入電流為10A，測(cè)量的電流范圍為0~20A，輸出的電壓范圍為V。該傳感器的初、次級(jí)之間是絕緣的，具有超強(qiáng)的抗干擾能力。5.2.4驅(qū)動(dòng)電路MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路如圖5.3所示。采用東芝公司的專用集成功率驅(qū)動(dòng)模塊TLP250，該芯片包含一個(gè)GaAlAs光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè)器，適用于IGBT或功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路，為8腳雙列封裝，引腳1和4無效，引腳2和3輸入信號(hào)，引腳5接地，引腳6、7輸出，引腳8電源。輸入閾值電流=5mA，電源電壓10-35V，開關(guān)時(shí)間0.5μs，輸出最大電流±1.5A，最大絕緣電壓630V。推薦輸入電流值為8mA，查表可知發(fā)光二極管兩端電壓=1.6V左右，DSP的輸出信號(hào)電壓為5V。輸入電阻：Ω，選擇470歐姆。在MOSFET的柵極串入一只低值電阻以減小寄生振蕩，柵極輸入電阻與導(dǎo)線電感與MOSFET輸入電容構(gòu)成一個(gè)3階震蕩系統(tǒng)，當(dāng)較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓峰值較高，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，振蕩嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)無法正常工作，但是阻值過大會(huì)降低驅(qū)動(dòng)波形的前后沿陡度，加大了導(dǎo)通損耗。因此柵極電阻不能太大，只要抑制正當(dāng)就行，從根本上應(yīng)當(dāng)盡量縮短?hào)艠O與驅(qū)動(dòng)的連接距離。本設(shè)計(jì)中柵極電阻選擇47Ω。圖5.3MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路5.3軟件設(shè)計(jì)CVT算法的原理在第三章已闡述，在CVT方法中，首先是檢測(cè)太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，當(dāng)檢測(cè)到的電壓大于設(shè)定的參考電壓時(shí)，增加占空比使得負(fù)載電流增加，從而減小太陽能電池的輸出電壓，當(dāng)檢測(cè)到的電壓小于設(shè)定的參考電壓時(shí)，減小占空