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太阳能功率优化器升压系统的研究与实现摘要近年来，我们现在正广泛使用的石油、天然气还有煤炭等这些不可再生资源的存储量正在逐渐减少并且使用这些资源所带来的环境污染现象日益严重。清洁的可再生的太阳能成为人们关注的焦点。但是，如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率成为一项重要挑战。最大功率点跟踪法，从本质上来讲就是在太阳能电池板和负载之间加入最大功率点跟踪器，就可以使太阳能电池板时刻保持最大功率输出。本文首先介绍了几种传统的MPPT算法，对这些算法的原理和特点进行了分析，进而提出了一个改进型扰动观察法，该算法不仅可以保留了传统扰动观察法的优点还可以有效的解决传统扰动观察法的缺陷，可以实现高效稳定的跟踪。本系统对升压式DC-DC变换器进行了改进，采用以2-ph交错式升压变换器为主电路，其后面所接的H桥LLC谐振级可以使电路中的初级和次级之间完全隔离。TMS320F28035微控制器通过脉宽调制（PWM）来改变占空比，从而使内外电路实现匹配，最终就可以使太阳能电池板输出的功率达到最大。关键词：MPPT 改进型扰动观察法 TMS320F28035 2-ph交错式升压变换器 IResearch and Implementation of the Solar Power Optimizer Booster SystemABSTRACTIn recent years, we are now widespread use of these non-renewable resources such as oil, natural gas and coal storage is gradually reduced, and the phenomenon of environmental pollution brought by the use of these resources is becoming more and more serious. Therefore, clean and renewable solar energy has become the focus of attention. However, how to improve the conversion efficiency of solar photovoltaic power generation system has become a major challenge. Maximum Power Point Tracking, essentially, that is between the solar panels and the load added maximum power point tracker, then you can make solar panels keep the maximum power output.This paper introduces several traditional MPPT algorithms, the principles and characteristics of these algorithms are analyzed, and then I put forward an improved Perturbation and Observation method, the algorithm can not only retain the advantages of the traditional Perturbation and Observation method, also can effectively solve the defects of the traditional method, so as to realize efficient and stable tracking. The boost DC-DC converter is improved in this system. The main circuit is 2-ph interleaved boost converter, and the H bridge LLC resonant stage after it is completely isolated between the primary and the secondary in the circuit. The TMS320F28035 microcontroller changes the duty cycle by the Pulse Width Modulation (PWM), so as to realize the matching between inner circuit and outer circuit, and eventually you can make the power output of solar panels is maximized.Key words：MPPT Improved P&O method TMS320F280352-ph interleaved boost converter III目录第1章 绪论11.1 现如今全球的能源状况11.2 太阳能的优点11.3 国内外太阳能光伏发电的发展现状21.4 太阳能光伏发电系统所面临的问题21.5 本文的研究目的和进度安排3第2章 太阳能光伏电池42.1 太阳能光伏电池的工作原理42.2 太阳能光伏电池的种类52.3 太阳能光伏电池的输出特性52.4 太阳能光伏发电系统的组成8本章小结8第3章 光伏阵列架构的分析93.1 集中式MPPT架构93.2 分布式MPPT架构103.3 接入功率优化器（MPPT）的光伏阵列架构11本章小结11第4章 DC-DC变换器124.1 DC-DC变换器的种类124.2 升压式 DC-DC变换器124.3 降压式 DC-DC变换器144.4 升/降压式 DC-DC变换器15本章小结17第5章 实现最大功率点跟踪的原理分析185.1 阻抗匹配的原理185.1.1 简单电路中阻抗匹配的原理185.1.2 升压式 DC-DC变换器实现阻抗匹配的原理195.1.3 降压式 DC-DC变换器实现阻抗匹配的原理205.2 MPPT算法的介绍215.2.1 恒定电压控制法215.2.2 扰动观察法225.2.3 导纳增量法24本章小结25第6章 TMS320F28035微控制器266.1 TMS320F28035的介绍和亮点266.2 TMS320F28035的引脚分配276.3 TMS320F28035的引脚功能28本章小结28第7章 系统设计297.1 DC-DC级的实施297.2 扰动观察算法的实现337.3 改进型扰动观察法35本章小结36总结与展望37致谢38参考文献39VI 第1章 绪论1.1 现如今全球的能源状况随着社会的发展和人们生活水平的提高，我们也增加了对能源的需求量。众所周知，我们现在正广泛使用的石油、天然气还有煤炭等这些不可再生资源的存储量正在逐渐减少。现在，如果我们不立即行动起来使能源问题得到妥善解决，势必将会大大的影响社会的发展和人们的日常生活。所以，解决能源问题将成为21世纪的一个重要举措和挑战。绝大数国家的能源主要是以不可再生资源为主，这也带来了许多的隐患。例如：全球的二氧化碳排放量大约为每年二百多亿吨，这一问题是全球变暖的主要导火索，我们都知道全球变暖将会导致海平面的升高，海水将会大量涌出，许多地区将会面临被淹没的危机，人们将会失去生命和财产甚至是家园。这正是因为这些燃料中含有硫氧化物在空气中燃烧后将会形成酸雨，导致全球的酸雨排放量增多，酸雨对于农业，畜牧业还有建筑业等都有非常严重的危害。再就是，燃料中的碳元素如果在氧气含量少的情况下形成不完全燃烧，将会产生一氧化碳，我们都知道过多的一氧化碳一旦与人体内的血红蛋白结合的话，这个时候，人体内血红蛋白的携氧能力相会变得很弱，人体一旦吸入的氧气含量少，就很有可能使人产生窒息。所以人们一旦吸入了过量的一氧化碳将会面临严重的生命危险。自从邓小平同志实行改革开发之后，我国的经济慢慢复苏，逐渐形成了一个快速发展的局面，但是却受到能源储存量的限制。我国的能源利用主要是以非常稀缺的不可再生资源为主。根据国土资源局的预测，我国的石油和天然气的储量将会在五十年左右枯竭，煤炭的储量也将会在二百年左右用光，所以我们要加快对新能源开发的步伐。随着“可持续发展”这一概念的深入人心，这要求我们必须要开发出取之不尽，无污染，成本低的新能源1。太阳能这一友好型能源成为全球人们关注的焦点。1.2 太阳能的优点现如今人们对太阳能的利用主要有两种方式：光电转换和光热转换。前者的转换方式具有无限潜力并发展迅速。它主要具有以下优点：（1）它是丰富的能源之一，不需要搭建传输电线，对于交通运输不便利的农村、孤岛还有边远山区来说，可以很方便的开发利用。（2）总所周知，太阳能是一种清洁的能源，再利用之后不会产生像废气、废水、噪音等污染，可以使环境得到很好的保护。（3）对于可靠性要求高的场所，太阳能光伏发电系统是首要选择，出故障的概率低，运行维修容易。（4）太阳能光伏发电系统安装简单，同时它是模块化安装，可以根据客户的实际需求来选择要安装的容量。太阳能及其开发系统有着无与伦比的优点，如果能够很好的利用太阳能，一定能够更好的造福于人类2。1.3 国内外太阳能光伏发电的发展现状太阳能光伏发电具有许许多多的优点。国外对太阳能光伏发电方面已经提出和实施了很多的计划方案。如“百万太阳能屋顶计划”“光伏建筑物计划”“1000太阳能屋顶计划”“新阳光计划”等。其发电技术伴随着科技的不断进步，从而应用的越来越普遍。我国的太阳能光伏发电系统起步虽然晚了一些，但是却以较快的速度在发展。不仅解决了部分国内市场的需要同时也在人们的生活中起到了无可替代的作用。但是，与发展国家的差距还是很大的。所以我国面对的考验仍然较为严峻。2013年对于太阳能光伏发电是具有历史性的一年，全球的光伏发电系统装机容量累计达到了136.7GW，相对于2012年增长了35%。从世界范围的角度来说，光伏发电系统现在已经完成了对初期的开发阶段。总之，如果可以使太阳能这一可再生资源得到最大的利用率，这将成为具有非常重要意义的创举。1.4 太阳能光伏发电系统所面临的问题能源系统设计工程师面临的一个重大挑战是找到一个发电效率和成本效益俱佳的太阳能发电系统。太阳能电池板或者发电系统也存在着一系列的不匹配问题，如生产工艺，产品老化，污渍灰尘，光线被遮挡等。能够将太阳能电池板上的阴影问题得到解决，显得尤为重要。为什么这么说呢？太阳能电池板被阴影遮挡后将会停止光电转换，降低整串太阳能电池板的发电效率。同时，生活中有太多的可能产生阴影问题的因素：树荫遮挡，鸟粪坠落，云彩流动等等3。这些都将会引发光伏组件的失配问题。根据美国半导体实验室的实验数据得到太阳能光伏系统被不同大小的阴影所遮挡将导致的能量损失数据，如下表1-1：表1-1 太阳能光伏系统阴影遮挡面积所导致的能量损失从上表中可能看出，仅仅一小部分的阴影遮挡面积也将会导致较大的能量损失。在光子国际杂志中曾提到，如果阴影将屋顶光伏系统的光伏阵列遮挡了20%的面积，其输出的功率将会较少81%，可想而知，这时屋顶光伏系统将会变得没有任何作用4。太阳能光伏发电的主要应用有：光伏幕墙，太阳能农业大棚，太阳能路灯，太阳能车棚等。图1.1 太阳能光伏发电的主要应用1.5 本文的研究目的和进度安排在太阳能光伏发电系统的工作过程中，让每一块太阳能电板发挥它的最大功率。本文设计一种功率优化器，安装在每一块太阳能电板的背面，实现太阳能电板的最大功率点跟踪，即MPPT。使每一块太阳能电池都工作在最佳的工作点上，让整个太阳能光伏系统的发电量达到最优状态。第2章 太阳能光伏电池虽然本文研究的是太阳能功率优化器，但是光伏电池的基本特性会为本文奠定良好的理论基础，所以本章主要是介绍与光伏电池相关的理论。2.1 太阳能光伏电池的工作原理光伏电池的作用就是吸收太阳能的光能然后转化为我们所需要的电能5。太阳能光伏电池是利用半导体P-N结的光生伏打效应制成，光生伏打效应就是指一种物质在吸收了光能之后转化为电动势的结果，这种转化效率在半导体中转化的效率是最高的6。光伏电池从本质上来讲就是一个简单的P-N结。该材料一般是由硅原子构成，硅原子甚至任何一个原子都是由带正电的原子核和与原子核相反电性的带负电的电子所组成，硅原子有4个电子围绕在原子核周围，因为其稳定性较差，所以当受到一定大小的力的作用时，硅原子外的四个电子就会脱离轨道，成为自由移动的电子。又因为位置所发生了改变，就会在原来电子运动的位置上留下“空穴”。如果在硅晶体中掺入硼、嫁等元素，这样的元素会产生力的作用吸收硅原子外部的电子，硅就成了空穴型半导体，用符号P表示；如果在硅晶体中掺入磷、砷等元素，这样的元素的电子反而会受到硅的原子核的吸引力，这样混合所构成的物质就形成了电子型半导体，用符号N代表。若把这两种N型半导体和P型半导体结合，那么，一个P-N结就会在他们的交界面形成。如下图 2.1所示，当阳光照射在光伏电池上时，电子受到光照，获得了能量，便向N型区移动，从而N型区汇集了大量的电子，N型区就会带负电，与此同时P型区汇集了大量的“空穴”移动，P型区就会带正电。N型区和P型区形成电势差，两端便产生了电动势，也就是我们俗称的电压。我们称这种现象为“光生伏打效应”。如果这时分别在其两端接上金属导线，一定会有电流从中流过7。 图2.1 光生伏打效应简图2.2 太阳能光伏电池的种类目前广泛使用的太阳能光伏电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅，下表2-1介绍了这三种太阳能光伏电池的转化效率。表2-1 三种类别的太阳能光伏电池的转化效率这里我们所说的理论上的转化效率为：理论转化效率=（太阳能光伏电池输出的能量/实际太阳照射的能量）从上表可以看出单晶硅理论上的转化效率最高，但是使用单晶硅的成本也是最多的。每一种材料都有其各自的优点和缺点，所以我们在选择材料的时候，应该根据具体的实际情况进行选择。2.3 太阳能光伏电池的输出特性从下图2.2中我们可以看到，在太阳能电池内有一个P-N结，因此可将其视为一个二极管。流过P-N结的电流为，为光生电流，受到光照强度、环境温度、光照面积等因素影响8 9。 图2.2 太阳能电池的等效电路原理图当没有受到光照时，根据二极管的特性，对于有如下的表达式：（2.3-1） l 为电子电荷l 为玻尔兹曼常数l 为二极管因子，当正偏电压大时，A取1；当正偏电压小时，A取2l 为绝对温度l 为二极管的反向饱和电流，表达式为：（2.3-2）在这个表达式中： 为P-N结的面积 为导带和价带的有效密度 为电子和空穴的扩散系数 为电子和空穴的少子数目 为半导体材料的带隙根据上面所讨论的公式和图2.2，可以得到光伏电池输出的电流大小为：（2.3-3）我们考虑电路为理想情况，这个串联电阻阻值很小，这个并联电阻阻值很大。可以得到在理想情况下光伏电池输出的电流为：（2.3-4）光伏电池输出的电压为： （2.3-5）也可以进一步得到光伏电池的开路电压为：（2.3-6）通过上述对公示进行的变换和大量的文献资料可以清晰的得出在有光照情况下和没有光照情况下太阳能光伏电池的电流与电压的关系曲线（暂时不考虑周围湿度和环境温度的影响），如下图。图2.3 有光照和没有光照的情况下太阳能光伏电池的电流与电压的关系曲线把上图2.3中有光照的情况下电流-电压曲线上下颠倒过来看，得到下图的电流-电压关系曲线，又因为太阳能电池的输出功率为输出电流乘以输出电压，可以得到：（2.3-7）由上述公式可以看出在光照情况下太阳能电池的功率与电压的曲线为单峰曲线：（2.3-8）可以得出在输出功率为最大值时，最佳电压点为： （2.3-9）最佳电流点为： （2.3-10）综上，可以得到下图2.4。 图2.4 有光照情况下太阳能光伏电池的逆电流与电压、功率与电压的对应关系曲线太阳能光伏电池的输出特性还与环境湿度、温度、辐射光强等诸多因素有关，因为本文研究光伏电池的输出功率与这些因素的影响没有太大联系，所以此处不再赘述。2.4 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统按照是否与常规电力系统相连可以分为独立运行系统与并网运行系统10。基本上是由光伏阵列、能量优化控制器、逆变器、存储器件、变压器这些部分组成。前三个部分是每一个太阳能光伏发电系统所必备的，后面两个部分要根据具体的场合还有用户的需求来决定是否一定安装11。这两种运行系统也都具有各自的优点与缺点，在实际选择的时候也要根据具体要求来决定。这两种运行系统都需要由微处理器通过MPPT算法控制DC-DC变换器开关的通断来调节太阳能光伏电池的输出，其主要目的就是调节负载的大小使其与太阳能电池板之间实现匹配，从而能让太阳能光伏发电系统工作在最优点，这样我们就可以得到最大能量的输出。本章小结本章主要介绍了太阳能光伏电池的工作原理和种类，还有光伏电池在有光照情况下的逆电流与电压、功率与电压的对应关系。主要是为了后续的MPPT算法做一个良好的铺垫。第3章 光伏阵列架构的分析如果一个大型的发电站想要得到更多的能量输出，那么从直观上来讲就需要安装更多的太阳能电池板，所付出的代价就是成本的增加。为了使两者兼顾，就必须要提高其中一部分甚至全部的太阳能电池板的发电效率，从而将会解决许多的供电问题。3.1 集中式MPPT架构假设终端用户需要一个350V、5000W的太阳能发电系统，根据能量守恒原理，则这个系统需要整合20个250W太阳能电池板。把十块35V的太阳能电池板串联在一起增大电压，构成一串350V、2500W的太阳能电池组。把二串2500W的电池组并联起来增大电流，可向中央逆变器输送350V、5000W的电能，如下图3.1所示。图3.1 5000W的太阳能发电系统的设计图这个架构的缺点显而易见：从图中可以看出中央逆变器对整个阵列执行MPPT优化，如果一个甚至是几个太阳能电池板受到阴影的影响，那么这些电池板的输出功率就会降低，这个时候单一的中央逆变器因为无法发现这些电池板输出功率降低了，也就无法从这个太阳能电池板阵列收集到最大的电能12。因此，每个太阳能电池板上都应该独立进行MPPT优化过程。太阳能板上的遮蔽物将会阻断太阳光线照射到太阳能板上，如果受到阴影影响的太阳能板是一串电池板中一个，那么该串太阳能板的输出功率都会下降。通过给每一个太阳能板上跨接一个旁通二极管，如图3.2所示，就可以降低阴影问题对输出功率的影响。在正常条件下，输出电流会经过这一串内的每一块太阳能电池板。当其中的一个电池板受到阴影的影响后，它的电流源将会变弱。将会导致整串电流流经电阻值很大的Rp，所以，受到阴影影响的太阳能板将变得过热。给板子并联一个旁通二极管，就可以绕开受阴影影响的太阳能板，也就有效地防止其出现热斑的情况。图3.2 降低阴影的负面影响，给受影响的太阳能板上跨接一个旁通二极管 图3.2的设计方案相对3.1的设计方案，太阳能光伏发电效率大大提高，但是这种解决方案还是不理想。3.2 分布式MPPT架构中国无锡太阳能电力有限公司申请的一项“带有分布式MPPT单元的光伏发电系统”的专利，这个专利里面涉及了太阳能光伏发电系统的分布式MPPT架构13，使每一条光伏发电板的线路中都串联一个MPPT单元。如下图3.3所示。图3.3 分布式MPPT架构这种分布式MPPT架构相对于集中式架构，在有阴影遮挡的情况下，太阳能光伏发电系统的输出效率有了大幅度的提高，但是当其中一个板子受到阴影遮挡时，仍然会影响本串所有光伏电池的发电效率。当串联电路中光伏电板个数少，并联电路多的情况下，这种分布式MPPT架构是非常适用的。但是在相反情况下，还应该额外考虑其他方案。3.3 接入功率优化器（MPPT）的光伏阵列架构上面所提到的当串联电路中的光伏电板个数多的情况下，可以考虑此种架构模式。图3.4 接入功率优化器（MPPT）的光伏阵列架构上面所介绍的接入功率优化的光伏阵列架构，在每一个光伏电池后面都接入MPPT单元，这样每一个光伏电池都相当于独立的模块，当其中一个甚至几个太阳能电池板都受到阴影等因素的影响时，但是因为其余的光伏电板的功率都处于最大的情况，受到阴影等因素影响的太阳能电池板对没有受到影响的太阳能电池板是没有任何负作用的，这样就可以使整体的功率达到最大，所以转化效率非常明显。虽然，此种架构在阴影的影响下，其整体的转化效率很大，但是代价是随着功率优化器所安装的数量的增多，成本也大大增加。所以在选择安装系统的时候，也是要按照具体的情况，考虑各方面的因素，在两者之间选择最适合的平衡点。本章小结本章主要是介绍了三种光伏阵列的架构，接入功率优化器的光伏阵列架构对受阴影影响的情况下，仍然具有良好的转化效率，在不考虑成本的条件下，是一个非常不错的选择。本次设计中就是选择的这种光伏架构。第4章 DC-DC变换器上一章已经介绍了采用接入功率优化器的光伏阵列架构可以解决光伏阵列受到阴影的问题并且可以调整其工作在最大功率点上。而功率优化器就是由一个DC-DC变换器和具有最大功率点算法的数字控制电路构成。因为优化器的输入端与太阳能电池板的输出端相连，通过最大功率点跟踪算法可以调整DC-DC变换器的占空比D来调整太阳能电池板的输出端的工作电压点。所以我们首先了解主电路DC-DC变换器的结构、工作原理才能更好的设计出太阳能功率优化器系统。4.1 DC-DC变换器的种类在新兴的太阳能发电系统中DC-DC变换器被广泛的应用。DC-DC变换器14 15是连接在太阳能电池板的输出端和负载之间，通过调节控制开关的通断情况，从而实现达到可以实现匹配的电能参数。因为本电路在设计考虑时，在DC-DC变换器的后面连接了隔离式半桥LLC谐振转换器，所以此处只采用功耗小，效率高，体积小还有成本低的非隔离式DC-DC变换器。DC-DC变换器可以分为升压式变换器、降压式变换器、升/降压式变换器16。4.2 升压式 DC-DC变换器升压式DC-DC变换器也叫做Boost变换器17，主要是由开关，电感，电容，二极管组成。下图为升压式DC-DC变换器的原理图。4.1 升压式DC-DC变换器的原理图对开关Q的通断控制可以实现输出电压大于输入电压，从而，提供给负载使用。具体开关通断情况分析如下。当开关Q导通的时候，电路工作的情况为：4.2 升压式DC-DC变换器开关导通时电路工作情况此时，电源给电感充电，电感L上的能量越来越多，电流也就随之越来越大。当开关Q断开的时候，电路工作的情况为：4.3 升压式DC-DC变换器开关断开时电路工作情况此时电感L相当于一个电池，电流的流向为由左流向右，对于外部电路而言，电感的电动势发生了变化。又因为，从图中可以得到，电感L左端的电压大小为，从而给负载提供了更高的电压。我们会认为：开关导通时间越长，这样电感里面的能量就存储的越大，负载所获得的能量也就越多。但这种想法是错误的。因为开关导通的时间很长的话，在相同周期的情况下，给输出端供电的时间就会非常短暂，开关在断开时损失的能量也就越大，同时转换效率就会变低等诸多负面影响。所以，我们要选择适宜的占空比才可以。当开关Q导通的时候，二极管的阳极电位等同于的负极电位，所以二极管截止。电容C向负载R供电。电压向电感L充电，电感L开始存储能量，由电感中电流变化时对电压的影响：（4.2-1）设周期为，开关导通时间为，开关断开时间为，所以占空比。开关导通期间，电感电流增加了。由公式4.2-1可以得出：（4.2-2）当开关Q断开的时候，从图中可以很容易的看到负载两边的电压为电源电压加上电感两端的电压，此时电感两端是放电的，在开关断开期间，电感电流减少了。同理，由公式4.2-1可以得出：（4.2-3）为了使能量利用到最佳情况，所以我们设定在这两种开关情况下，电流增加的和减少的值一样大。所以从4.2-2和4.2-3中可以得到：（4.2-4）因为，所以，从这个公式可以很明了的看出，输出的电压值大于输入的电压值，Boost变换器实现了升压过程。4.3 降压式 DC-DC变换器降压式DC-DC变换器也叫做Buck变换器，与Boost变换器的组成原件相同，但是结构不同。顾名思义，此变换器的实现功能就是使输出的电压小于输入的电压，从而，提供给负载使用。下图为降压式DC-DC变换器的原理图。4.4 降压式DC-DC变换器的原理图具体的开关通断情况分析如下。当开关Q导通的时候，电路工作的情况为：4.5 降压式DC-DC变换器开关导通时电路工作情况此时因为二极管承受的是反向电压，所以截止。电源给电感充电，电感L上的能量越来越多，电流也就随之越来越大。当开关Q断开的时候，电路工作的情况为：4.6 降压式DC-DC变换器开关断开时电路工作情况此时电感L相当于一个电池，电流的流向为由左流向右，对于外部电路而言，电感的电动势发生了变化。电感L左端的电压大小降为0V，从而给负载提供的电压值降低。当开关Q导通的时候，此时的电容C不仅具有滤波的作用还可以稳定输出的电压，电感L开始存储能量，由电感中电流变化时对电压的影响：（4.3-1）设周期为，开关导通时间为，开关断开时间为，所以占空比。开关导通期间，电感电流增加了。由公式4.3-1可以得出：（4.3-2）当开关Q断开的时候，从图中可以很容易的看到负载两边的电压与电感两端的电压相反，此时电感两端是放电的，在开关断开期间，电感电流减少了。同理，由公式4.3-1可以得出：（4.3-3）为了使能量利用到最佳情况，所以我们设定在这两种开关情况下，电流增加的和减少的值一样大。所以从4.3-2和4.3-3中可以得到：（4.3-4）因为，所以，从这个公式可以很明了的看出，输出的电压值小于输入的电压值，Buck变换器实现了降压过程。4.4 升/降压式 DC-DC变换器升/降压式DC-DC变换器也叫做Buck-Boost变换器18，主要是将这两种变换器的结构组在了一起。输出电压可以大于、等于也可以小于输入电压。此处特别强调的是，输出电压与输入电压的极性是完全相反的。下图为升/降压式DC-DC变换器的原理图。4.7 升/降压式DC-DC变换器的原理图具体的开关通断情况分析如下。当开关Q导通的时候，电路工作的情况为：4.8 升/降压式DC-DC变换器开关导通时电路工作情况此时因为二极管承受的是反向电压，所以截止。电源给电感充电，电感L上的能量越来越多，电流也就随之越来越大。当开关Q断开的时候，电路工作的情况为：4.9 升/降压式DC-DC变换器开关断开时电路工作情况此时电感L相当于一个电池，提供给电容和负载能量。当开关Q导通的时候，电感L开始存储能量，由电感中电流变化时对电压的影响：（4.4-1）设周期为，开关导通时间为，开关断开时间为，所以占空比。开关导通期间，电感电流增加了。由公式4.4-1可以得出：（4.4-2）当开关Q断开的时候，从图中可以很容易的看到负载两边的电压与电感两端的电压相反，此时电感两端是放电的，在开关断开期间，电感电流减少了。同理，由公式4.4-1可以得出：（4.4-3）为了使能量利用到最佳情况，所以我们设定在这两种开关情况下，电流增加的和减少的值一样大。所以从4.4-2和4.4-3中可以得到：（4.4-4）从这个公式可以很明了的看出，调节占空比，就可使输出的电压值与输入的电压值的大小关系发生变法。Buck-Boost变换器实现了升压或者降压过程19。本章小结本章主要介绍了太阳能功率优化器升压系统中三种DC-DC变换器20，分别介绍了这三种DC-DC变换器的工作原理还有工作电路图21，通过调节相应的占空比，就可以调节电路两端的输出电压与输入电压的关系，为后面实现太阳能功率优化器的硬件部分提供了理论指导。第5章 实现最大功率点跟踪的原理分析5.1 阻抗匹配的原理5.1.1 简单电路中阻抗匹配的原理首先，简单介绍一下，最简单的电路中为了实现最大功率点跟踪时电路分析情况22 23。如下图5.1。5.1 最简单的电路中实现最大功率点跟踪时的电路分析图从上面这个电路中可以很清晰的得到负载上的功率大小为：（5.1.1-1）为了得出最大功率点，所以我们对上面的公式进行求导运算：（5.1.1-2）从这个公式可以得出当时，负载上的功率得到最大值。所以，我们可以得出在线性电路中，当电路中的负载电阻的阻值与电源内阻的阻值大小相等的情况下，负载上的功率值可以达到最大。这种情况我们一般称之为阻抗匹配原则。我们都知道太阳能电池和DC-DC变换器都是非线性的，但是在时间很短时，我们可以将其看成具有线性的电路。当同一个太阳能电池对应于不同的负载时，就会产生不匹配的情况，进而导致输出的功率很低。通过大量的查找资料得出解决这一问题的主要方法是在光伏电池与负载之间加入DC-DC变换器，由上一章可以看出通过调节DC-DC变换器的输出电压和输入电压，进而控制电池板内阻与外部电阻相等，这样就可以让光伏电池的输出功率达到最大值，也就达到了我们本次毕业设计的要求，实现太阳能输出达最大功率的目的。实现最大功率点跟踪的基本原理，如下。5.2 实现最大功率点跟踪时的基本原理由5.2所示，当太阳能电池的I-V特性曲线为图中的S2时，此时负载的I-V特性曲线为L1，可以看到此时正好工作在最大功率点上。当外界温度或者光强等因素变化时，太阳能电池的I-V特性曲线变为S1或者S3时，这个时候L1曲线分别与之相交点和，并没有工作在该情况下的最大功率点上，也就出现了阻抗不匹配的现象24。这个时候，通过MPPT算法来调节DC-DC变换器的等效电阻值的大小，实现匹配的情况，使之实现在不同情况达到最大功率点。为了更好的理解最大功率跟踪原理，我接下来分析DC-DC变换器实现阻抗匹配的具体过程。5.1.2 升压式 DC-DC变换器实现阻抗匹配的原理对于加入升压式DC-DC变换器的电路的等效电路图，如下。5.3 升压式 DC-DC电路的等效变换电路图太阳能电池板外部的等效电阻为，。根据电路中的能量守恒原则（假定电路为理想电路，不散热，不消耗能量）可以得到：（5.1.2-1）由公式4.2-4，还有5.1.2-1可以推导出：（5.1.2-2）由此可以看出升压式DC-DC变换器与负载的电阻等效与占空比D有关。这个时候负载R所获得的功率大小为：（5.1.2-3）（5.1.2-4）所以MPPT算法就是要找到合适的占空比D实现，从而保证太阳能电池输出的功率达到最大值。 5.1.3 降压式 DC-DC变换器实现阻抗匹配的原理对于加入降压式DC-DC变换器的电路的等效电路图，如下。5.4 降压式 DC-DC电路的等效变换电路图太阳能电池板外部的等效电阻为，。根据电路中的能量守恒原则（假定电路为理想电路，不散热，不消耗能量）可以得到：（5.1.3-1）由公式4.3-4，还有5.1.3-1可以推导出：（5.1.3-2）通过上面的一系列公式可以推导出：（5.1.3-3）所以MPPT算法就是要找到合适的占空比D，保证太阳能电池输出的功率达到最大值。因为升/降压式 DC-DC变换器对太阳能电池输出功率的影响较为复杂，本次毕业设计也不采用这种变换器，所以此处不再赘述升/降压式 DC-DC变换器实现阻抗匹配的原理。占空比的改变可以通过改变或者来实现，在直流变换电路中有以下两种工作方式：l 脉冲频率调制也称之为PFM，不变，改变。因为这种方式是周期的改变，谐波的频率等于周期的倒数，所以谐波的频率也就会发生改变，这个时候谐波干扰的现象将会非常严重，为了避免谐波干扰，就会设计比较负载的滤波器。所以在大多数的情况下都不会采用。l 脉宽调制也称之为PWM，不变，改变。因为这种方式周期不改变，所以谐波的频率也就不改变，滤波器的设计较为容易。所以本次论文采用PWM方式。5.2 MPPT算法的介绍通过MPPT算法来寻找实现最大功率输出时的占空比D。每一种MPPT算法都有各自的优点与缺点，只有对每一种算法都进行深入的了解才能更好的运用，同时根据具体的环境还有客户需求来对算法进行优化改进或者使用多种算法整合的方式，才能使太阳能光伏电池系统输出的功率达到最大。5.2.1 恒定电压控制法恒定电压控制法的跟踪原理25可以通过下图5.5太阳能光伏电池的P-V特性曲线中得出。在温度变化不大的时候，我们假定为25度，太阳能光伏电池输出的最大功率点都差不多分布在一条竖直的直线附近，这条直线对应的电压值就看成是最佳工作点电压值。5.5 温度相同受到太阳辐射强度变化时太阳能光伏电池的P-V特性曲线恒定电压控制法的优缺点分析26： 控制方式简单并且容易实现； 控制方法适应性差，当外界的环境突然变化或者是昼夜温差变化大或者是四季分明的地区很难进行最大功率的输出； 这种控制方法相对来说比较稳定，选定好了最佳的工作电压点之后，不会受到外界环境的突变而引起震荡； 控制精度差，控制精度主要是受到电压值选择是否合理的影响。当环境温度不同，辐射强度相同时，太阳能光伏电池的P-V特性曲线，如下图。5.6 太阳辐射强度相同受到环境温度变化时太阳能光伏电池的P-V特性曲线在这种情况下，如果仍然工作在恒定电压时，太阳光伏电池的输出功率将会损失较大。所以恒定电压法有其优点，但是缺点也是较为明显的。5.2.2 扰动观察法扰动观察法的跟踪原理27可以通过下图5.7太阳能光伏电池的P-V特性曲线中得出。5.7 太阳能光伏电池的P-V特性曲线为了实现最大功率点跟踪的常用方法便是扰动观察法 28。它的跟踪过程就是自寻优的过程。当工作在电压点时，太阳光伏电池输出的功率为。当其增加或者减小电压值时对应于的工作电压点为，功率点为。如果输出的功率大于，那么继续增加电压值，直至功率值小于前一刻小电压值时对应的功率值，这个时候前一个小电压值对应的功率值为最大功率点。当输出的功率小于，那么过程相反。扰动观察法的实际过程可以概括为舍小取大，再检测，再比较，周而复始的执行。最后使其工作在最大功率点上29。扰动观察法的优缺点分析30： 控制的思路简单，具有逻辑性； 通过动态跟踪最大功率点，这样可以几乎时刻使太阳能光伏电池输出的功率接近最大值； 在追踪最大功率点时，因为在最大功率点附近判断方向，就会产生跟踪震荡，这将会导致一定的功率损失。当太阳的辐射强度发生改变时，太阳能光伏电池的P-V特性曲线也会发生改变31 32，如下图。5.8 太阳的辐射强度发生改变时太阳能光伏电池的P-V特性曲线当太阳能的辐射强度为时，工作在电压点，对应的输出功率为，采用扰动观察法之后，增加电压至，对应的输出功率原本要比大，但是环境突变，太阳能的辐射强度降为，这时太阳光伏电池输出的功率降为。采用的扰动观察法会误以为增加电压后功率下降，所以会采取减少电压的方式33 34，使输出的功率不断的下降，最后会导致跟踪失败。5.2.3 导纳增量法我们通过太阳能光伏电池的P-V特性35，可以看出是一条开口朝下的单峰曲线，这个时候寻找最大功率点可以转化为在一定的区间内计算最值的问题。（5.2.3-1）（5.2.3-2） 当时，斜率为正，电压值小于最大功率点对应的电压值；当时，斜率为负，电压值大于最大功率点对应的电压值；当时，斜率为零，电压值等于最大功率点对应的电压值。进一步推出：当时，电压值小于最大功率点对应的电压值；当时，电压值大于最大功率点对应的电压值；当时，电压值等于最大功率点对应的电压值。所以可以通过调节和之间的关系，就可以来调整电压值，实现最大功率点的跟踪36。导纳增量法的优缺点分析： 控制效果明显具有优势； 稳定度高，当外界环境发生变化时，理论上可以快速的实现对最大功率点的跟踪，不会发生误判的情况； 对处理器的运算性能要求较高，控制算法复杂，加大了开发人员的难度； 最大功率点的满足条件对采样的精度要求较高，否则这个条件难以达到。可以实现光伏阵列的最大功率点跟踪的方法，除了上述几种常用的MPPT方法，还包括模糊逻辑控制法、神经元网络控制法、滞环比较法等等，他们为了实现MPPT控制的核心思想都是类似的，方法略有差别，都具有各自的优点各自的缺点，要根据实际情况来选择。本章小结MPPT算法的选择不仅影响到太阳能功率优化器的转换效率也影响光伏发电系统的输出功率。这一章主要介绍了几种常用的MPPT算法，还有每种算法的优缺点，我们根据自己的实际情况可以来具体的进行比较选择，也为了本系统的设计中选择的MPPT算法提供了很大的指导作用。第6章 TMS320F28035微控制器6.1 TMS320F28035的介绍和亮点2009年著名的TI公司推出了一款新的数字信号处理器（DSP），也就是此次将要介绍的TMS320F28035，它主要是专门面向一些成本比较敏感的设备，例如电机控制、数字电源等37。与其他的数字信号处理器相比，它在很多方面都有很大的改进，主要优点是：集成度高，并具有能够为系统带来巨大好处的先进集成外设模块。它的内部结构如下图6.1所示。图6.1 TMS320F28035内部结构图单一电源轨被内部的电压稳压器所允许后，然后就可以运行了。 通过对 HRPWM 这一模块进行了改进之后，就可以提供双边缘控制 （调频）。 它又增加了模拟比较器，该模拟比较器内部具有 10 位基准，PWM就是被模拟比较器进行直接的路由控制后输出的。 ADC 的转换操作是可以在固定全标度范围内（也就是 0V 至 3.3V）进行。 ADC 接口在低开销/低延迟方面进行了优化。TMS320F28035微控制器的亮点如下：6.2 TMS320F28035的引脚分配 图6.2显示 80 引脚 PN 薄型四方扁平封装 (LQFP) 引脚分配。图6.2 28035 80引脚（顶视图） 6.3 TMS320F28035的引脚功能对于该芯片每一个管脚的作用、信号说明、功能概述、外设、器件支持、电气规范等具体的说明，请参考相关数据手册38，里面有详细的介绍，此处就不再赘述。本章小结本章简单介绍了TMS320F28035微处理器，因为该处理器较为复杂，对于每一个管脚的作用，还请参考数据手册（参考文献38）。该处理器在本次毕业设计中的作用是为了产生最适合的PWM波，从而使太阳能光伏发电系统输出最大功率。第7章 系统设计7.1 DC-DC级的实施基于太阳能光伏发电系统提供了一个友好的电源39，我们已经了解到这个系统的一个关键特性就是转换效率40。针对所有光照情况的太阳能光伏发电系统输出的最大功率点跟踪可减少安装成本并大大增加电池板的功率输出。因此，一个采用某些MPPT算法的DC-DC变换器通常被用作一个前端转换器来高效地提取光伏发电系统输出功率并将输出的电压转换为一个高压DC总线。我设计了一个如下图7.1中所示的隔离式DC-DC级，它包含了2个DC-DC级：其中一个是2-ph交错升压式变换器，另外一个是隔离半桥LLC谐振转换器。7.1 隔离式DC-DC变换器方框图此DC-DC变换器从太阳能电池板汲取dc电流，这样，此电池板运行在其最大功率传输点上。这要求将太阳能电池板输出，也就是DC-DC变换器输入保持在一个由MPPT算法决定的电平上，这个过程在2-ph交错升压式变换器内执行。隔离式半桥LLC谐振转换器仅仅为DC-DC级提供高频隔离的作用。一个具有片载PWM、模拟数字转换器和模拟比较器模块的TMS320F28035微控制器能够执行这样一个MPPT DC-DC系统的完全数字控制。下图7.2图示了一个基于TMS320F28035的MPPT DC-DC变换器控制系统，太阳能电池板输出的电压为，被施加到了2-ph交错升压级。 7.2 基于TMS320F28035的MPPT DC-DC变换器控制系统 电感L1、MOSFET Q1和二极管D1一起组成升压级中的一个，电感L2、MOSFET Q2和二极管D2组成了另外的一个升压级。升压变换器输出上的一个电容器C2作为一个储能器并为谐振LLC级提供升压电压。本次设