毕业设计（论文）-开关电源最大功率的跟踪与实现.doc

本科毕业论文（设计）论文题目：开关电源最大功率的跟踪与实现作 者：曾以斌 学 号：2006121210学 院：物理与电子工程学院 年 级：2006级 专 业：物理学 指导教师：陶昌 职 称：日 期：2010年5月曲靖师范学院教务处制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 On the tracking and accomplishment of the maximum power of a switchAbstract: Recent years, photovoltaic generating system has always been a hot research. However subject to various factors, its transform, is not so effective. In order to improve the utilization of photovoltaic cells, rapid and accurate track and control to its maximum power point are accurate track and control to its maximum power point are required Therefore, the maximum power point tracking is an important issue in photovoltaic generation research. At present, there are a lot of methods on the maximum power point tracking both at home and abroad. The thesis lists several methods commonly used in the maximum power tracking based on the analysis of battery. Then the author summarizes and analyses each programs advantages and disadvantages to pint out factors needed to be considered while the program is chosen. Besides, the thesis gives a brief introduction to the application and relevant area of the maximum power tracking method. Finally, the thesis presents the accomplishment .of the maximum power tracking.Keywords: MPPT; Maximum power point ; PV systems; DC-DC transform 目录引言11.什么是最大功率的跟踪11.1.影响输出功率的因素11.2.什么是最大功率的跟踪22.1.2.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.最大功率跟踪方法的应用领域93.1最大功率跟踪在光伏系统中的应用93.1.1.DC-DC变换器93.1.2.最大功率跟踪的原理93.1.3.最大功率跟踪的算法103.2.最大功率跟踪在风力发电系统中的应用114.开关电源最大功率跟踪的实现124.1.系统实现124.1.1系统电路124.1.2.系统硬件的实现144.2.系统软件系统的实现155.小结16参加文献：17开关电源最大功率的跟踪与实现引言 能源是人类社会发展的重要基础资源。但由于世界能源资源产地与能源消费中心相距较远，特别是随着世界经济的发展以及世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量越来越大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重和环保压力加大。近几年我国出现的“油荒”、“煤荒”和“电荒”的现象也越来越明显，促使我们更加关注世界能源的供需现状和趋势，也更加关注能源供应问题。太阳能作为绿色能源，具有无污染，无噪音等优点，越来越受到人们的关注。由于光伏系统目前的主要问题是电池电源的转换效率低且价格昂贵，因此，如何进一步提高太阳电池电源的转换效率，如何充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。在太阳能光伏发电1-2系统的研究中,为降低整个系统造价并提高太阳能的利用率,最大输出功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking)是有效途径之一，使光伏电池工作在最大点附近，可有效地提高系统的输出功率及对太阳能的利用率，促进光伏发电系统的推广和应用3，目前，国内外关于最大功率点跟踪已经研究出很多方法，国内外最常用的跟踪方法有恒定电压跟踪法，扰动观察法，三点登山法，导纳微增法，间隙扫描跟踪法等。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p,则最佳功率点应在基准点的右边,且相隔较远,见图6(a)。 ,最佳功率点在基准点相隔较远的左侧,见图6(b)。 且,此时可以认定最佳功率点就在基准点的附近,见图6(b)。可以看出,三点比较法事实上是将风力机特性曲线通过三点大小关系分成了3个部分,需在每个部分进行如下的转速调整:当时,基准点应选择增加转速方向,对于下一个阶段,将=,=,=+。当时，基准点应选择减小转速方向,对于下一个阶段,将=b, =,=-。当且时,由于最佳功率点对应的转速与基准点对应的转速在之内,所以对于下一个阶段,将=-,=-,=,=+。本文用来调整步长。对于且这种情况,理论上基准点位于极小值附近,显然在风力机特性曲线里是不可能出现的,所以在首先判断后可以认定基准点已经落在了最大功率点的右边,处理情况与情况相同。判断, , 的大小关系是通过flag值来的, flag值是一个二进制数值,在2次判断功率大小关系后得到00, 01, 10, 11这4种取值,分别应搜索过程中的4种情况,然后依次做出调整。4.开关电源最大功率跟踪的实现4.1.系统实现4.1.1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。4.1.2.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。4.2.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变化。结论通过对比试验可以看出，采用此种方法进行寻优，从而实现开关电源最大功率的跟踪。5.小结在光伏系统中，由于光伏太阳电池是非线性的，受环境及温度的影响较大，使得光伏电池的跟踪复杂多样化，因此，在对其最大功率跟踪时，选择除了需要考虑各种方法本身的特点外,还需要考虑控制方法实现的难易程度、经济成本、传感器类型、跟踪速度与精度、应用领域等因素，本文介绍了五种常见的跟踪方法的原理及特点，并介绍了最大功率跟踪的应用领域，最后分析了最大功率跟踪方法在开关电源中的实现。参加文献：1 赵斌，许洪华.可再生能源发电J.太阳能，2001，（3）：2-4 2 赵争鸣，刘建政，孙晓英等.太阳能光伏发电及其应用J.北京科学出版社，2005，35（10）：5-73 张强，刘建政，李国杰.单相光伏并网逆变器瞬时电流与补偿控制J,2007,31(10):50-