江苏大学智能开关论文-开关电源最大功率的跟踪与实现.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 智能开关电源技术论文课题：开关电源最大功率的跟踪与实现 学院： 电气信息工程学院 班级： 学号： 姓名： 目录摘要21.什么是最大功率的跟踪21.1.影响输出功率的因素21.2.什么是最大功率的跟踪32.1.2.恒定电压法的特点42.2 三点登山法42.2.1三点登山法的原理42.2.2三点登山法的特点52.3.扰动观察法52.3.1.扰动观察法的原理52.3.2.扰动观察法的特点62.4 .导纳微增法62.4.1.导纳微增法的原理62.4.2.导纳微增法的特点72.5.间隙扫描跟踪法72.5.1.间隙扫描跟踪法的原理72.5.2.间隙扫描跟踪法的特点72.6.几种方法的优缺点的比较83.开关电源最大功率跟踪的实现93.1.系统实现93.1.1系统电路93.1.2.系统硬件的实现113.2.系统软件系统的实现124.小结13参加文献：13开关电源最大功率的跟踪与实现摘要 近几年，光伏发电系统一直就是个研究的热点，但是受各种因素的影响，其转换的效率都不高，为了提高光伏电池的利用率，需要对光伏电池最大功率点进行快速准确的跟踪控制。因此，最大功率点的跟踪是光伏发电中重要的问题。目前，国内外对最大功率点跟踪的方法很多，本文在对电池特性分析的基础上，阐述了几种常用的最大功率跟踪的方法，并总结分析其各方案的优缺点，指出选择某种方案时需要考虑的因素，然后在对最大功率跟踪方法的应用及应用领域做简单的介绍，最后提出最大功率跟踪的实现。关键词： MPPT 最大功率点 光伏系统 DC-DC变换 1.什么是最大功率的跟踪1.1.影响输出功率的因素在一个完整的电路中输出功率特性P-U曲线如图1所示，如图可以知道，P-U曲线为一个凸形曲线，当输出的电压值为某值U时，系统输出的功率P最大功率，即为曲线的最大功率点。在控制最大功率点时，系统中开路电压和短路电流会受环境和温度的影响，使系统的输出最大功率点漂浮不定。此外，串联对输出也有一定的影响，串联电阻会产生欧姆损失，从而降低了系统的效率。所以，要使系统在任何的条件下获得输出最大功率，我们必须实现最大功率点跟踪和控制。 图1 太阳电池的输出功率P-U曲线图1.2.什么是最大功率的跟踪 所谓最大功率跟踪就是一个自动寻优的过程，即通过控制端电压和其他物理量，使系统在各种不同的条件下智能化得达到输出最大化得功率Pm。其原理是，在光伏电池的伏安曲线中，光伏电池的输出特性曲线与负载特性曲线的交点即为光伏电池的工作点。如果工作点处于最大功率点处，系统就处于匹配状态，光伏电池所产生的电能被充分利用，反之，它所产生的电能就没有被充分利用。在光伏电池的伏安曲线上，在最大功率点作切线，该切线的斜率就是光伏电池在最大功率点处的动态等效电阻。在电池和负载之间配置一个功率变换器，如图2所示。该变换器在光伏电池和负载之间起电压适配作用，其输出电压与输入电压之比可以在一定范围内调节，还可以通过改变等效输入阻抗，使光伏电池达到最大功率。在工作过程中，控制功率变换器，就可以改变光伏电池的等效负载，实现系统的最大功率跟踪。 光伏电池通过DC-DC变换器与负载连接。设DC-DC变换器工作于电感电流连续状态。对于理想DC-DC变换器，其等效输入阻抗为： (1)式中：为功率开关管的占空比，；为实际负载阻抗。当DC-DC变换器的一定时，改变D，就可以改变，即可以改变光伏电池的等效负载，进而改变光伏电池的工作点和输出功率。按照一定规律控制D的变化过程，就可以使光伏电池工作于某一特定条件下的最大功率点处或其附近很小的变化范围之内，从而实现光伏发电系统的最大功率跟踪。2.几种常见的最大功率跟踪方法及特点2.1.恒定电压法2.1.1.恒定电压法的原理 图3为电池组的U-I曲线图，其中曲线L为负载的特征曲线，它与伏安特性曲线的交点分别是（a、b、c、d、e)是光伏阵列的工作点4，如果要最大限度的提高光伏阵列的工作效率，从电路的匹配角度看，就需要一个阻抗变阻器，为了实现这一阻抗变化，就可以设法将光伏阵列的工作点转移到光伏阵列的做大功率点上，对于大多数电源电池来说，温度保持不变 ，最大功率点总保持在垂线的两侧，这样就可以把一个最大功率追踪器当成一个稳压器，一般在开路电压的（78+2）%左右处，来实现最大功率点的跟踪。2.1.2.恒定电压法的特点恒定电压跟踪法具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得20的电能，较之不带恒定电压跟踪的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。以单晶硅太阳电池为例，当环境温度每升高1时，其开路电压下降率为0.350.45。这表明太阳电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区，恒定电压跟踪方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。2.2 三点登山法2.2.1三点登山法的原理 三点法登山法是由三点比较法和可调步长电压登山法5-6综合得到的。三点比较法是指通过不断调整电压步长U对最大功率点进行判断和控制，最后利用阈值U判断是否达到最大功率点。具体是在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右依次取A、B、C三个点的电压和功率，然后用三个点的功率比较结果来调整，从而实现快速跟踪。而可调步长电压登山法是登山法是目前实现最大功率追踪的最常用的方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或减少电压，并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。在本系统的硬件环境下，通过实验验证,在登山法设定步长相同的电压情况下，最大功率点所工作的占空比越大，那么功率的波动幅度就会越大，即功率的损失越大。因此，步长值电压的设定应该随着占空比的增大而减小，这样就会使在最大功率点附近的功率损耗达到最低，从而实现了可调步长电压的登山算法。所以，通过以上对三点比较法与可调步长电压登山法的原理分析，提出了采用将三点比较法与可调步长电压的登山法相结合的方式，看在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右依次取A、B、C三个点的电压和功率进行跟踪，看它在A、B、C三点中那个点的功率消耗达到最低来进行最大功率点跟踪,此算法称为三点登山法。2.2.2三点登山法的特点由于三点登山法是三点比较法和可调步长电压登山法的综合得到的，所以它综合了两者的优缺点，首先，我们看三点比较法的特点：(一)、算法本身就能够准确快速地跟踪到最大功率点；(二)、避免了在最大功率点附近因扰动造成的功率损失，但是在三点比较过程中，由于每次比较均需要先采集三个点的电压和功率，而在采集期间系统并没有工作在最大功率点，造成了功率的损失，因此在找到了最大功率点后，应该间隔比较长的时间再进行三点比较；(三)、算法的复杂性决定了需要处理大量数据，对硬件系统的性能提出了较高要求；(四)、当光强发生突变时，不能盲目移动工作点，需待日照量稳定后再跟踪。而可调步长电压登山法的特点是：（一）、跟踪方法简单，实现容易；(二)、可调步长电压的登山法虽然也是在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，但是功率的损失已经尽可能地减小；(三)、对传感器精度要求不高。(四)、步长电压对跟踪精度和响应速度无法兼顾，步长大，跟踪速度快，但是在最大功率点附近功率输出摆动大，步长小则跟踪速度慢，但是输出能更好地靠近最大功率点；(五)、在特定情况下会出现判断错误。因此，三点爬山法的特点有以下几点：(一)、当检测到功率为零时，能自动搜索功率不为零的最大功率点；(二)、三点比较法能快速地找到最大功率点的大体位置，相当于粗调；(三)、登山法可以实时地进行最大功率点的跟踪，相当于微调；(四)、在功率变化过快的位置，将步长电压缩小；在功率变化过慢的位置，将步长电压放大，这种随功率变化而自动改变的步长更能准确地进行最大功率点的跟踪，并且能够在天气突然变化的情况下自动找回最大功率点，从而保证对最大功率点的跟踪不会丢失。2.3.扰动观察法2.3.1.扰动观察法的原理扰动观察法由于实现简单，是最常用的方法，其原理是在开关电源电压工作前，测定其开路的电源电压，我们一般把电源电压值调节在开路电压的（78+2）%左右处作为跟踪电压U，这样电源电压开始工作在最大功率点附近，当电源电压工作点稳定后，给系统一个电压扰动U,此时电源电压输出的功率为P，根据P-U曲线图如图2所示可知，当P/U=O时，系统运行在最大功率点，当P/UO时，系统运行在最大功率点的左侧，当P/U0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若p0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，则工作点位于图2中最大功率点左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，则工作点位于最大功率点右侧，需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于的左侧，需增大参考电压；若输出功率增大，则工作点位于的右侧，需继续减小参考电压。但是由于在寻优过程中不断地调整参考电压，因此，太阳电池的工作点始终在最大功率点附近振荡，无法稳定工作在最大功率点上。同时，当日照强度快速变化时，参考电压调整方向可能发生错误。2.4 .导纳微增法2.4.1.导纳微增法的原理 图4 太阳电池的PU特性曲线图导纳微分法是基于P-U曲线特征图7的一个自动功率寻优的过程，通过当前的输出电压与电流的关系，得到当前的输出功率，把它记录下来，然后在用下一时刻的输出电压与电流的关系，得到下一时刻的输出功率，把两个功率进行比较，舍小取大，在进行记录下一时刻的电压与电流值，同理得到输出的功率，进行比较，如此不断的周而复始，就可以得到电源电压动态的工作在最大功率点。2.4.2.导纳微增法的特点从图4可以看出，在任何的情况下，只要保持输出的电压为U，都能够保持在最大功率点时所对应的电压值，当检测到负载特性与伏安特曲线的交点在最大功率点所对应的电压的左边时，导纳微分法的作用就是将交点处的电压升高，当检测到负载特性与伏安特性曲线的交点在最大功率点所对应的电压的右边时，导纳微分法的作用就是将交点处的电压降低，这样就可以保证在任何时刻都处于输出功率最大。2.5.间隙扫描跟踪法2.5.1.间隙扫描跟踪法的原理间隙扫描跟踪法是定时地扫描系统的输出的电压（一般为开路电压的0.5-0.9倍左右），同时记录不同电压下所对应的电流值，经过比较不同点的输出功率，就可以方便地得出最大功率点8。2.5.2.间隙扫描跟踪法的特点间隙扫描跟踪测定最大功率点的时间随着微处理器性能不同而有所变化，所以定时扫描的范围可以放宽到秒级，通过扫描可以快速计算出在该条件下最大功率点所对应的电压值，通过闭环恒定电压值，使系统工作于该电上，这种方法稳定可靠，而且可以避免其他各方案由于搜索振荡而引起的功率损失，所以，这种方法具有较高的适用价值。但是此方法在连续输出的系统中无法应用，比如工作水泵，不可调试的光伏井网系统中无法应用，同时，此方法需要具有较大的储存空间和较大的运算能力的CPU.并且不能及时同步跟踪最大功率点。2.6.几种方法的优缺点的比较 最大功率跟踪方法恒定电压跟踪法操作简单，但是受环境温度的影响比较大，曾用于早期的光伏系统。这种方法基本能够跟踪到最大功率点，但是随着微电子技术的不断发展和微电子产品的大幅度降价，这种方法也显得不太经济9。而三点登山法是由三点比较法和登山法的综合原来得到的，它是一种较新的跟踪方法，它动搜索功率不为零的最大功率点，并且在追踪过程中它可以根据三点比较法能够较快地进行最大功率点的跟踪大体位置，别外，它还可以根据登山法可以实时地进行最大功率点的跟踪，这样就能在较短的时间内精确地找到最大功率点，还有，它还能在功率变化过快的位置,将步长缩小；在功率变化过慢的位置，将步长放大，这种随功率变化而自动改变的步长更能准确地进行最大功率点的跟踪，并且能够在天气突然变化的情况下自动找回最大功率点，从而保证对最大功率点的跟踪不会丢失。所以它是一种很好的追踪方法。扰动观察法，导纳微增法，间隙扫描跟踪法的原理都是根据P-U曲线的特性，所不同的只是软件上的实现方法。扰动观察法的算法简单，检测的参数较少，应用也比较的普遍，但在环境温度变化不大的条件下，由于传感器精度等原因，也就是在改变电源的输出电压以很难检测到输出功率的变化，这样就使得追踪最大功率点相对的困难，甚至整个系统变得不够稳定。所以当功率小到一定程度使检测变得困难时，我们还是采用恒定电压跟踪法。导纳微增法虽然可以在动态上实现最大功率点的追踪，但是在温度变化时，跟踪的速度就会比较慢，造成充电时间过长。另外，在自动寻优的过程中需要不断的调整参考电压，电源的工作点始终在最大功率点振动，造成一定的能量损失，当温度变化大时，在加上硬件的精确度也是有限的，所以不可避免的会产生误差。间隙扫描法现在原扫描的基础上进行了改进，确实有效地提高了跟踪的精确度，但在记录比较不同电压下所对应的输出功率值，仍需要针对不同型号的电源电压建立电压所对应的输出电流和输出功率建立数学模型，导出最大功率的数学表达式，在实现过程中需要对温度，环境等进行采样，需要精度很高的传感器，这样就大大增加了控制器的成本。3. 开关电源最大功率跟踪的实现3.1系统实现3.1.1系统电路图7 系统框图 系统主要由PWM信号电路，DC-DC变换电路、电流检测回路、电压检测回路、脉宽调节电路组成，电流、电压检测回路是反馈回路，主要功能是向脉宽调节回路输入差值控制信号，由脉宽调节回路调节PWM信号的脉宽，起到控制输出电流、电压的目的，以此达到跟踪保持P的目的。 图8 系统原理图系统由PWM提供开关信号，DC-DC变换由4只开关功率元件组成全桥拓扑结构，于输出端外接电压、电流检测回路以监测输出的电流、电压值。PWM输出、脉宽调节、A/D采样部分由单片机完成，通过比较n 时刻和n -1时刻的P(n)和P(n-1)，当P(n) P(n-1)时，因为本系统采用的是10bit的A/D通道，UI按照1023位进行脉宽调节。如果U的调节范围是20V，那么脉宽的调节精度就是0.0196V，电流按照同样的方法进行调节，调节精度为（A），这样循环往复不断对反馈信号进行采样，从而完成最大功率的跟踪控制。 P(n)参考值的确定本系统的问题是：在系统设计之初，必须给定P（n）的参考值。如果P（n）无从确定，那就无法比较P(n) 和P(n-1)。这需要在程序控制时进行设计，最好的方法是进行动态比较，即当UI在调节范围（0-1024级）时，无论P(n) P(n-1)或是P(n-1) P(n)，脉宽都进行调宽动作，当UI其中之一参量超过最大范围即停止调节，这样系统不用设定最初的P（n），可以非常方便的进行系统的移植应用，提高了系统的兼容性。3.1.2.系统硬件的实现系统的控制电路（PWM信号发生电路、PWM调节电路、A/D采样电路）采用PIC16F876单片机。PIC16F876单片机如图9所示：图9 PIC16F876单片机图PIC16F876是MIRCOCHIP 生产的高性能的8 位单片机。该单片机采用精简指令集、哈佛总线结构、带有FIALH程序存储器、有10 位A/D 采样、可实现最大分辨率为 10位的PWM输出，具有简单、实用、低价、低功耗等优点。系统采用霍尔传感器检测太阳电池的输出电流提供给单片机A/D采样。续流二极管采用高速、通态压降低的肖特基二极管。开关管的驱动采用带光电隔离功能的TL250。为提高充电效率可采用多只MOSFET 并联运行， 当外界环境变化，开关电源的输出电压也随之连续变化。因此可以改变开关管的占空比来跟踪开关电源的最大功率点。对于开关管的开关频率的选取须考虑系统的效率、造价以及重量等因素。当开关管的开关频率高时，所选电感量就小，但开关管上的损耗会增加；当开关频率低时，所选电感量就大，增加了系统的体积与重量，但开关管上的损耗会减少。因此对于开关频率的选取须考虑到上述因素取一适当的折中量。由于输出电感必须在直流磁化占主要的情况下工作，在电感磁芯需加入气隙以防止电感的磁芯饱和。对于电感的绕制须考虑到气隙、绕组匝数与电感量之间的关系：当气隙过小，电感量会增加，但电感中所允许通过的直流电流就较小，磁芯在很小的安匝下就会饱和，使得匝数不能多绕；若气隙过大，可通过较大的直流分量，但电感量又较小。由此可见，输出电感的气隙，要在电感量、匝数、电流之间找出一个最佳值。3.2.系统软件系统的实现 图10 软件流程图 图11 自动寻优图系统软件如图10所示，其实现思想，采用自寻优方法实现开关电源最大功率点的跟踪功能。由于开关电源的输出功率P与开关电源输出电流I之间的关系是一非线性的单峰函数，可以利用寻优的方法找到最大功率点。在实际的寻优过程中，输出电流I受到占空比的控制，因此通过调节PWM实现最大功率的跟踪功能。寻优过程如图11所示，通过改变PWM信号，寻优出最大功率点 所对应的PWM的调节量，然后采样开关电源的输出电流与输出电压得到当前的输出功率。用此次检测到的输出功率 与上一次的输出功率 Pn-1相比较，如果当前输出功率大于上一次的输出功率Pn-1，则加大PWM信号，如果当前的输出功率小于上次的输出功率Pn-1是，则减小PWM信号，一直调到PWM到找到最大功率点时菜停止调节。在系统中，由于采用单片机，系统运行速度很快，所示的一个循环周期所用时间是毫秒级的。但环境温度与变化相对来说较慢，所以系统能够很快地跟踪上太阳电池阵列的最大功率点的