基于太阳能供电半导体制冷的新型空调系统研究.doc

摘 要摘 要由于当今能源短缺，太阳能的无限可利用价值使其成为全世界瞩目的焦点，但一直以来太阳能充电技术都没有突破性进展，光伏器件转换效率低，蓄电池价格昂贵，因此研究光伏充电技术是非常有意义的。本论文对太阳能充电技术进行了较为深入的研究，以充分保护蓄电池和最大限度地增大太阳能电池的转换效率为基本设计目标，采用PIC16F877进行智能控制，对太阳能最大功率跟踪技术和蓄电池的充电技术进行了系统的理论、仿真和试验研究，并对最大功率跟踪系统进行模糊控制，制作了基于模糊控制的太阳能最大功率跟踪充电控制器。主要内容如下：1、对太阳电池的数学模型和输出特性进行研究，分析外界环境温度和光照强度对输出特性的影响，在对光伏电池阵列数学模型进行充分分析抽象之后，建立光伏电池仿真模型。2、针对太阳能电池特性，在深入分析最大功率跟踪原理的基础上，通过分析最大功率跟踪的各种控制方案，提出了一种基于模糊控制的最大功率跟踪控制，以充分提高太阳能电池板的利用率，并对扰动观察法和模糊控制法分别进行了仿真建模，比较这两种控制方法的优劣，并用实验验证了模糊控制最大功率跟踪的充电可行性。3、对蓄电池的特性、工作原理及充电方法进行深入研究之后，结合系统整体的需要选用多阶段恒流技术充电，对蓄电池的充电过程进行保护，设计了安全控制电路，使充电控制器系统运行在稳定的状态，诸如防反接、过流、过压、EMI防护等。并对系统主电路所选用的参数进行分析与计算，选用Buck电路，对12V的蓄电池进行充电。关键词：太阳能；充电；最大功率点跟踪（MPPT）；模糊控制I吉林工程技术师范学院毕业论文ABSTRACTThe unlimited use value has become the focus of world attention as the shortage of solar energy.There is no breakthrough progress in solar charge technology.Not only is photovoltaic devices conversion efficiency low,but also is the battery more expensive.It is very significant to research photovoltaic battery charge technology.This paper did a deep reseach for solar charge technology.By enhancing photoelectric conversion efficiency of solar cells and protecting the lead-acid accumulator as the basic design objects,and using PIC16F877 to intelligent control.The solar energy maximum power point tracking(MPPT) technology and storage battery charging technology were researched and simulated in this paper. The solar energy MPPT charging controller is made based on the fuzzy control.The main content are as follows.1.The solar battery mathematical model and output characteristics were researched, and the outside temperature and the influence to output characteristic for illumination intensity were analysied in this paper.The photovoltaic battery simulation model was established after analysing the photovoltaic battery array mathematical model.2.This paper put forward a kind of MPPT basing on the fuzzy control by analysing many MPPT controlling strategy in order to enhance photoelectric conversion efficiency of solar cells.Then,the simulation models were designed by P&O and the fuzzy control separately and compared the two methods. Finally,the experimental results showed the feasibility of fuzzy control MPPT.3.After deep researching for the storage battery characteristics,working principle and charging method,it designed the safety control circuit by using Multi-Stage constant current charging technology.For example,protection for reverse polarity,over current,over voltage and EMI.It analysed and calculated for the system main parameters.The 12Vstorage battery is charged by Buck circuit.Key Words：Solar energy;Charge;MPPT;Fuzzy control目 录前言I第一章 绪 论11.1 课题背景11.2 国内外光伏发电产业的现状11.3 课题的研究意义2第二章 光伏电池与蓄电池介绍32.1 光伏电池工作原理及特性32.2 蓄电池的工作原理及其充电技术8第三章 最大功率点跟踪原理113.1 常用最大功率点跟踪原理113.2 伏阵列最大功率跟踪点控制算法12第四章 系统硬件电路设计154.1 系统总体设计方案154.2 Buck电路硬件设计164.3 控制器功能及工作原理184.4 保护电路设计254.5 辅助电源电路设计28第五章 系统软件设计305.1 太阳能充电器总体软件设计流程315.2 最大功率跟踪软件设计流程325.3各种保护电路作用的软件设计流程33总 结1致 谢I参考文献I附录I1前 言随着地球资源的不断减少，太阳能成为人们首选的新能源，具有可再生和无污染等优点，深受人们的关注，对太阳能的开发和利用是我们人类今后生存的主要手段。光伏发电作为太阳能一种有效的利用方式，也得到了迅速的发展。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3000Mw增加到2020年的70GW。光伏发电将解决非洲30、经济合作与发展组织(OECD)国家10的电力需求。和发达国家相比，中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象，即90的原材料依赖进口，而90的光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢，各种光伏材料的发展都相对落后。20世纪90年代以后，随着成本的降低，太阳电池产量迅速增长，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从2001年的23.5Mw迅速增长到2002年的45Mw，至2003年达到55Mw。本设计主要是针对手机电池太阳能电池板、控制器部分和蓄电池。主要研究控制器部分的设计，采用最大功率点跟踪定理(MPPT)为主导思想，对BUCK电路各元件参数选择和保护电路设计，重点解决最大功率跟踪如何实现，并且通过最大功率点跟踪定理(MPPT)实现最大功率输出，为电池充电。本设计要解决的另外一个问题是对电池的过充保护。铅酸蓄电池虽因其制造成本低，容量大，价格低廉而被广泛使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素有很多，过充就是其中之一，因此，采用正确的充电方式能有效延长蓄电池的使用寿命。第一章 绪 论1.1 课题背景随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类所面临的迫切课题。当今发电所需的能源主要有3种，即火电、水电和核电。火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。但是化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险，据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭，而且燃烧燃料将排出二氧化碳和硫的氧化物，会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是大阳能。1.2 国内外光伏发电产业的现状太阳能是一种朝阳产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50以上；德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，出口额占世界贸易额的80以上。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3000Mw增加到2020年的70Gw(w为峰瓦)，光伏发电将解决非洲30、经济合作与发展组织(OECD)国家10的电力需求。和发达国家相比，中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象，即90的原材料依赖进口，而90的光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢，各种光伏材料的发展都相对落后。1958年开始对太阳能光伏电池进行研究，并于1971年将光伏电池成功应用于东方红2号卫星；1973年开始太阳能光伏电池的地面应用研究；从20世纪70年代初到80年代末，由于成本高，太阳电池在地面的应用非常有限。20世纪90年代以后，随着成本的降低，太阳电池产量迅速增长，太阳电池开始向工业领域和农村电气化应用发展，市场稳步扩大，国家和地方政府开始制订光伏计划。2002年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从2001年的23.5Mw迅速增长到2002年的45Mw，至2003年达到55Mw。20032005年，受德国市场的巨大需求影响，国内光伏企业的产能迅速扩展，产量迅速增长。2005年，电池产量约150Mw，组件产量约284Mw，国内安装量约5Mw，累计安装量70Mw。1.3 课题的研究意义手机越来越多的普及到世界范围，而手机的电池储能总是十分有限的，几乎所有人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用，尤其是对于经常外出的工作人员来说，在电池耗尽的时候为通信带来了极大的麻烦。为了解决这一问题，本设计介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，并能够实现手机充电的智能化控制。光能是无处不在的，只要有光就有能量，这不仅仅是方便每一个人，更是在节约能源，实现可持续发展。第二章 光伏电池与蓄电池介绍太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏电池就是太阳能光伏发电的基础。2.1 光伏电池工作原理及特性太阳能光伏电池(简称光伏电池)用于把太阳的光能直接转化为电能。按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在。2.1.1 硅光伏电池的结构及工作原理图2-1 硅太阳能电池外形结构图单个硅太阳能电池外形结构如图2-1所示。这是一种N+/P型硅太阳能电池，它的基体材料为P型单晶硅，厚度在0.4mm以下，上表面层为N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个P-N结。在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率；另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到90以上。硅太阳能电池的工作原理：对于半导体材料而言，当其中的P-N结处于平衡状态的时候，在P-N结处会形成一个耗尽层，存在由N区指向P区的势垒电场。当每一个入射光子的能量大于禁带宽度(Eg)，即整个入射太阳光的能量大于硅禁带宽度的时候，太阳光子照射入半导体内，把电子从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生了一个电子-空穴对。因此，当能量大于禁带宽度的光子进入电池的N区、空间电荷区和P区中时，会激发产生光生电子-空穴对。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被势垒电场分离，光生电子被推向N区，光生空穴被推向P区。在N区和P区中产生的光生电子-空穴对会向P-N结交界面处扩散，当达到势垒电场边界时，立即受到势垒电场的作用，使光生电子留在N区，光生空穴留在P区。而在N区中的光生空穴由于内建电场的作用被推到P区，P区中的光生电子同样被推到N区。最后就形成了N区中积累了过剩的电子，P区中积累了过剩的空穴，而在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。这就是所谓的“光生伏打效应”。当接上负载后，电流就从P区经过负载流向N区，负载即获得功率。2.1.2 硅光伏电池的特性当有太阳光照射时，太阳能电池便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可将太阳能电池看作恒流电源。在太阳能电池中，存在着与漏泄电流相当的二极管并联电阻RSh，和串联电阻RS。此时的等效电路可根据图2-2来描述。图2-2 实际太阳能电池等效电路图其伏安特性可由下式给出： (2.1)式中：是取决于P-N结特性的常数，一般取该值近似于1。将式(2.1)给出的太阳能电池的输出特性用曲线图表示出来，则得到图2-3。太阳能电池的伏安特性曲线是系统分析最重要的技术数据之一。从图中可以看出，它具有强烈的非线性。太阳能电池的额定功率定义条件为：当日照S=1000W/，太阳电池温度T=25，大气质量AM=1.5时，太阳能电池输出的最大功率便为它的额定功率，对应于图2-3中的M点。太阳能电池额定功率的单位是“峰瓦”，记作“WP”。曲线上的M点表示在相应日照强度下太阳能电池输出最大功率的位置，称“最大功率点(MPP)”。假定负载为纯电阻负载，和特性曲线相交于M点，根据公式RL=VM/IM可以画出负载线为一条直线，其斜率由负载的阻值决定。图2-3 太阳能电池的输出特性根据图中所示特性曲线，定义如下几个主要参数：短路电流Isc：当V=0时，对应的最大电流值；开路电压Voc：当I=0时，对应的最大电压值；工作点：负载线与伏安特性曲线的交点。特性曲线上任意一点均为太阳电池的工作点。每一点都对应着负载电阻从太阳能电池处获得的功率，即图中矩形“0-IM-M-VM-0”所围成的面积。当调节负载电阻的阻值RL时，总可以找到一点M，对应的IMVM为最大，此时，称M点为最佳功率点，也称为最大功率点(Maximum Power Point,简记为MPP)。这一点所对应的电流IM为最佳工作电流，电压VM为最佳工作电压，负载RM为最佳负载电阻，PM功率为最大输出功率。2.1.3 影响光伏电池特性的因素图2-3中的I-V曲线描述了光伏电池电压与电流的关系，而光伏电池电压电流之间的关系又是通过一系列参变量来表征的。比如和光伏电池表面的日照强度有关，和光伏电池温度及光线的光谱特性有关，但温度和日照强度是影响光伏电池特性的主要因素6-12。1.温度影响由式(2.1)和等效电路可知，日照强度和温度是影响光伏电池功率输出的主要参数，温度上升将使光伏电池开路电压降、短路电流微弱上升，总体效果会造成光伏电池的输出功率下降，如图2-4和2-5所示。图2-4 不同温度下的I-V曲线 图2-5 不同温度下的P-V曲线2.日照影响图2-6和图2-7为不同日照强度下光伏电池典型的I-V和P-V特性曲线，从图中可以看出，随着日照强度的增大，开路电压和短路电流都有一定程度增加，最大功率也相应增加，这些都可作为系统设计的参考依据5-9。图2-6 不同日照强度下的I-V曲线 图2-7 不同日照强度下的P-V曲线2.2 蓄电池的工作原理及其充电技术太阳能充电控制系统主要包括两个方面的内容，即太阳能的最大功率跟踪系统和蓄电池的充电控制。在光伏系统中蓄电池起着至关重要的作用：白天储能，夜晚它是负载的唯一能源。在系统的初期投资中一般占到1/41/2。蓄电池又是整个光伏系统中较薄弱的环节，是整个系统长期运行中最易更换的部分。其原因主要由于蓄电池达不到预定的理想使用寿命，而提前失效。为了解决这些问题，必须对蓄电池采用行之有效的充电管理方法。2.2.1 蓄电池的工作原理蓄电池是把化学能转变为低压直流电的电化学电源设备(既可储存能量也可释放能量)。当今国内外光伏系统中使用的蓄电池主要有：开口蓄电池、阀控铅酸蓄电池、镍钙、镍氢、镉镍等碱性电池。阀控铅酸蓄电池(VRLA)由于其容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、不存在福镍电池的“记忆效应”、寿命长、基本免维护等优越性，对于无人值守的独立光伏系统，特别适合使用。本文讨论的主要是VRLA蓄电池的特性。所谓“阀控”又俗称全密封免维护，就是利用电池加液口上的一个控制阀(盖)来控制电池内部的压力，尽量减少内部由于化学反应而造成的水分损失，以延长铅酸蓄电池的使用寿命。因为电池在化学反映中释放气体，使电池内部气压升高，如果这些被释放出的气体不能及时被内部重新吸收和化合，就将使外壳膨胀甚至裂开。这些气体是如何产生的，又如何控制气体的产生速度、如何控制电池内部的压力，这就牵涉到一个使用和维护问题，为了更好地做好上述工作，有必要了解一下电池的工作原理和工作情况。铅酸蓄电池的每个单元也分正极和负极。铅酸蓄电池的正极是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为储存电能的物质，正常为红褐色，负极是以海绵状的金属铅作为储存电能的物质，正常为灰色。正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。铅酸蓄电池用纯净的稀硫酸作为电解液，比重一般在1.21.3g/ml之间，电解液的主要作用是参加极板上的化学反应、导通离子和降低电池反应时的温度。蓄电池的正极和负极之间由隔板隔开，吸附式密封蓄电池的隔板是由超细玻璃丝绵制作的，这种隔板可以把电解液吸附在隔板内，吸附式密封蓄电池的名称也是由此而来。胶体蓄电池的隔板种类比较多，而且很多厂家还使用多种材料复合的隔板。在蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。2.2.2 铅酸蓄电池的充电技术对铅酸蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法。这里只介绍一下横流充电和恒压充电。1.恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65。为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏蓄电池。充电过程中电压、电流变化关系如图2-8所示。2.恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法的充电特性曲线如图2-9所示，此法也有其不足之处：1)在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤；2)如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电；3)蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。图2-8 恒流充电曲线 图2-9 恒压充电曲43第三章 最大功率点跟踪原理所谓最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，即是指控制器能够实时检测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。光伏阵列是一种非线性的电源。其输出特性可以视为由恒电流区域与恒电压区域组成，这两块区域的交接点即为最大功率点。因而在不同的光照强度下，光伏阵列都会存在着这样的一个最大功率点，从功率角度上可以将它们视为当前工作情况下的最优点。由于光照强度与温度的变化将会分别改变这些恒电流区域和恒电压区域，所以最大功率点也是随之变化的。3.1 常用最大功率点跟踪原理在人类面临严重能源问题和环保压力下，太阳能的利用越来越受到人们的重视。光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出电压受太阳光照强度、环境温度的影响。只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。由于目前光伏电池的光电转换效率比较低，为了有效利用光伏电池，对光伏发电进行最大功率跟踪显得非常重要。目前，国内外文献提出了多种跟踪方法其实质上是一个寻优过程，即通过太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。太阳能电池阵列的输出功率特性曲线如图3-1所示。图3-1 光伏电池输出功率特性由图可知，当太阳能电池工作于最大功率点Vmax左侧时，其输出功率随电池端电压的上升而增加；当太阳能电池工作与最大功率点电压Vmax右侧时，其输出功率随电池端电压的上升而减少。此外，MPPT控制也可以先根据采集到的太阳能电压电流值以及功率值来判断其运行在那个工作区，然后根据不通的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制。3.2 伏阵列最大功率跟踪点控制算法光伏阵列的电压和电流、功率和电压都是非线性的关系，不同的光照强度、温度都会影响光伏阵列的输出功率。为了提高太阳电池的利用效率，就需要控制光伏阵列的输出功率，使之根据实际的需要工作在最大功率点处。目前太阳能最大功率点跟踪(MPPT)技术有多种控制方式，常用的有恒电压跟踪法(CVT)、扰动观察法(P&O)、增量电导法等。随着智能控制的发展，又有模糊控制法、神经网络法等。下面对太阳能最大功率跟踪控制方法中的恒电压跟踪法(CVT)与扰动观察法(P&O)进行简要介绍，并加以分析。3.2.1 定电压跟踪法(CVT)13如图3-2，当忽略温度效应时，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率点a、b、c、d和e总是近似在某一恒定的电压值Um附近。若曲线L为负载特性曲线，a、b、c、d和e为相应光照强度下直接匹配时的工作点。可以看出，若直接匹配，则阵列输出功率较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失，采用CVT控制策略，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使系统成为一个稳压器，从而阵列的工作点总稳定在Um附近。图3-2 恒压跟踪法原理图CVT法简单可靠，在最大功率点附近不存在振荡现象，可得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪控制。但一般硅型光伏阵列的Uoc都会受到结温度的影响，在同样的光照强度下，最大功率点还会受到温度的影响。在光伏阵列的输出功率将偏离最大功率输出点，产生比较大的功率损失。定电压法属于早期的控制算法。但由于定电压跟踪方法实现简单,稳定可靠,因此可在此基础上进行改善,或与其它方法进行混合控制以达到良好的控制效果。可将多重判据法与常压法的优点相结合，形成混成MPPT法。直接以P,V和I的正负为判据的多重判据法，取消了除法运算，不仅节约MPU的资源，而且保证使用定点MPU就能获得预期的控制效果。仅用P和V作为判据时，控制特性与ICT法的理想特性相同，而新增的I则能帮助判断光照强度的变化，改善了系统的响应特性。三重判据所构成的MPPT算法利用低成本定点MPU很容易实现。还可将扰动观察法与CVT法结合起来：前期使用扰动观察法尽快找到系统的最大功率输出点，进入稳定阶段后采用CVT法限制纹波，可达到更好的控制效率和精度。3.2.2 干扰观测法(P&O)15-16干扰观测法是目前实现MPPT最常用的方法之一，又叫做爬山法。它通过对太阳能光伏系统的工作点不断施加扰动来寻找最大功率点的方向，施加扰动的对象可以是光伏阵列的输出电压或电流。其原理是先扰动输出电压(电流)值，然后测其功率变化，与扰动之前的功率值相比，如果功率值增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向扰动；如果扰动后功率值小于扰动前的值，则往相反的方向扰动。在光伏并网发电系统中，绝大多数都具有PWM型的DC/DC和DC/AC变换器，即还可以通过调整PWM信号的占空比使光伏系统输出功率与负载匹配。其原理与对电压、电流施加扰动的方法相同。文献14提出对占空比进行优化设计，使其可以避免在稳定状态的振荡。扰动观察法的优点：跟踪方法简单可靠，对传感器精度要求不高，容易实现。扰动观察法的缺点：跟踪响应速度慢，不能适用于光照强度变化较快的场合；跟踪步长选择困难；光伏阵列的工作点在稳态情况下会在最大功率点附近小幅振荡，造成一定的功率损失；在光照强度变化较快的情况下，跟踪算法可能会失效从而得到错误的跟踪方向。第四章 系统硬件电路设计太阳能充电器的硬件设计主要包括Buck主电路的元件参数计算与选择，控制电路的设计，以及保护电路的设计。4.1 系统总体设计方案图4-1 太阳能充电控制器总体结构示意图太阳能充电控制系统的组成原理如图4-1所示，主要包括光伏电池阵列、铅酸电池、控制器三个主要部分以及备用电源一个辅助部分。其中备用电源由开关电源将220V交流市电变换成低压直流电提供给系统即可，设计时只需要系统预留一个低压直流电输入接口。如图4-1所示，太阳能充电控制器主要由以上几部分组成。光伏电池阵列发出的功率经过DC/DC变换器对蓄电池进行充电。控制回路依据4路采样信号，即光伏电池阵列的输出电压；光伏电池阵列输出端电流；铅酸电池的充电电压；铅酸电池的充电电流。这4路采样信号均是变化的直流信号，经过电平转换送入PIC16F877的AD端口。4.2 Buck电路硬件设计Buck电路是系统的主电路，电路原理图如图4-2所示。Buck电路有两个方面的功能：一是对铅酸电池进行充电控制，二是实现光伏电池阵列的最大功率跟踪。电路设计主要是对功率开关管T、输出滤波电感L和电容C进行选择。(1)电路拓扑Buck电路属于串联型开关变换器，又称为降压变换器，由电压源、串联开关、电感器、电容器和二极管构成，其示意图如图4-2所示。图4-2 Buck变换器拓扑图(2)工作原理Buck变换器工作原理是通过斩波形式将平均输出电压予以降低，可以将输入接在光伏电池输出端，通过调节其输出电压来达到调节负载之目的，以保持光伏阵列输出电压在最大功率点的电压和电流处。Buck变换器的控制过程为：当开关管T导通时，光伏电源通过电感线圈L向负载和电容供电，其等效电路如图4-3(a)所示。在电感线圈未饱和前，电感电流线性增加，电感储能，在负载R上流过电流为上升的电流，负载两端输出为上升的电压，极性上正下负，电容处于充电状态，这时二极管D1承受反向电压；当开关管T关断时，由于电感线圈的续流作用，其电流由最初的不变而逐渐下降，负载R两端电压仍是上正下负，电容C处于放电状态，有利于维持负载电流和电压不变，这时Buck电路的等效电路如图4-3(b)所示。这时二极管承受正向偏压，构成电流通路，故称D1为续流二极管。由于变换器输出电压Uo小于电源电压Us，故称为降压变换器。在开关管T接通时电流i0,开关管断开时电流i=0，故电流i是脉动的。但光伏阵列输出电流is是连续的，输出电流Io连续和平稳的，只是略有波动。降压变压器输出表达式为: (4-1)式中，Ts为开关频率控制周期，ton为每个控制周期内开关的持续导通时间，D为开关管T的导通占空比。(a) 开关管T导通时电路 (b) 开关管T断开时电路图4-3 Buck变换器电路工作过程(3)光伏阵列最大功率点控制和蓄电池充电控制典型的Buck电路是连续向负载供电，间断从电源取电的，如果直接将Buck电路接在光伏电池板上会造成光伏电池板输出电流不连续而损失其发电功率，因此需要在光伏电池板输出端并联电容器以保证光伏阵列输出电流的连续，如图4-2中的C1。通过调节Buck电路的开通占空比D达到调节负载电压的功效，进而达到调节光伏阵列输出平均功率的目的，实现对光伏阵列最大功率点控制。这里控制目标是光伏阵列输出功率为最大，调节手段是改变开关管的开通占空比。由于光伏阵列的软特性，并不是简单的增大开关管占空比就能增大光伏阵列输出功率。当Buck电路负载为铅酸电池时，其构成了铅酸电池充电电路，将铅酸电池直接接在Buck电路的输出端，通过调节铅酸电池的端电压实现铅酸电池的充电控制，使用单片机智能控制方法，可以实现铅酸电池的智能化充电控制和充放电能量管理。Buck电路广泛应用于光伏阵列最大功率点跟踪，铅酸电池充电和光伏直流电机控制等，优点是结构简单、效率高、控制易于实现，缺点是只能用于降压输出控制。4.3 控制器功能及工作原理本系统设计的太阳能充电控制器对铅酸电池进行充电，设计控制器具有如下功能：(1)支持多阶段恒流限压充电技术；(2)能对光伏电池阵列的输出进行MPPT控制；(3)能检测蓄电池工作温度并对铅酸电池的充电过程进行温度补偿；(4)具有防过充电欠压保护、过压保护、过流保护、铅酸电池反充保护以及对EMI问题的防护4.3.1 控制器的工作原理如图4-4所示，太阳能充电控制器主要由光伏电池阵列作为主电源，通过采样光伏电池输出电流和电压进行模数转换利用合适的最大功率控制算法产生控制MOSFET的PWM脉冲，调节Buck电路占空比，以此来对光伏阵列进行最大功率跟踪，使得光伏阵列效率得到最大发挥；采样铅酸电池充电电流和电压从而判断铅酸电池的荷电状态(SOC)进而对铅酸电池进行充电控制。其中温度传感器用于检测铅酸电池的充电状态温度，对铅酸电池进行温度补偿；Di是肖特基二极管，用来实现防反充保护，同时也可以防止在太阳光照不足时，铅酸电池对光伏阵列进行误放电。图4-4 太阳能充电控制器总体功能图4.3.2 MPPT控制电路硬件设计在控制系统设计上，由于采用瞬时值控制策略，所以控制器选用的控制芯片一定要具有快速性和高效性，以便在此基础上完成计算和控制任务，而且在本实验中，算法的实现及数字控制既要求控制器有强大的I/O控制功能，又要求控制器多路A/D转换能力以及PWM波输出能力。因此要求处理器具有高速处理能力和丰富的附加功能，美国Microchip公司8位单片机PIC16F877芯片拥有良好的计算处理性能和丰富的外设资源，8位单片机PIC16F877完全满足本次设计的需求，本系统选择该款单片机作为控制系统的核心处理芯片。最小系统即能够使单片机工作的最少元器件组成的系统，包括单片机、电源和复位电路。其PIC16F877最小系统如图4-5所示。图4-5 单片机最小系统主要将采样电路的电压、电流以及温度参数输入单片机PIC16F877最小系统，单片机通过内部算法进行运算得出结果，然后通过I/0口产生信号用于控制充电电路中功率开关管的开通及关断，通过CCP模块输出PWM用于Buck电路的PWM调制及MOSFET驱动。对控制系统总体图将分为驱动模块，采样模块，温度模块分别对各个模块进行设计。4.3.3 MOSFET驱动电路设计MOSFET由于开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点已成为开关电源最常用的功率开关器件之一。而驱动电路的好坏直接影响开关电源工作的可靠性及性能指标。如图4-6所示，本系统MOSFET驱动电路采用有隔离变压器的互补驱动电路，Q2、Q3为互补工作，电容C31起隔离直流的作用，为保证导通期间GS电压稳定，C31值可稍取大些，C31取4.7uF，T1为隔离变压器。Z2为稳压二极管，此时副边绕组负电压值较大，Z2的稳压值为所需的负向电压值12V，超过部分电压降在电容C32上。图4-6 MOSFET驱动电路该电路具有以下优点：(1)电路结构较简单可靠,具有电气隔离作用。当脉宽变化时,驱动的关断能力不会随着变化。(2)该电路只需一个电源，即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压，从而加速了功率管的关断，且有较高的抗干扰能力。4.3.4 信号采集电路本设计有4路采样信号：a)光伏电池阵列的输出电流；b)光伏电池阵列的输出电压；C)铅酸电池的充电电流；d)铅酸电池的充电电压。对于采样信号的设计，要求精度较高，线性度较好，响应快，能如实反映检测值。1、电流检测电路如图4-7所示，功率开关管BTS6133D可以起到开关作用，并且可以检测电流输出，这对该充电电路的保护实现具有很大意义。通过检测IS端(引脚4)的电压，可以相应计算出其负载电流。图4-7 电流检测电路2、电压检测电路如图4-8所示，考虑到设计成本问题，电压检测电路采用精度为0.1的精密电阻组成的电阻分压网来实现，并在分压网络的输出端并联漏电流很小的精密电容，从而减小电流泄露对测量精度的影响。对Upv以及Vp+，换句话说是Buck电路的输入输出电压的检测，是通过电阻分压作为单片机的AD值，根据计算，当Upv为16V时，Upv_AD为5.48V，经过稳压管D12的钳位，接到单片机的A值为+5V，此时，系统便认为有过电压，立即进行相应的过压保护。Vp+的电压采集也是同样道理。 图4-8 电压检测电路温度检测电路如图4-9所示，为保证铅酸电池能够更高效的充电，特在铅酸电池表面安装热电偶，热电偶采用负温度系数的NTC，随着温度的升高，其阻值下降，对应的接到单片机的A/D值变大，调整PMW占空比使之变小，输出电压降低，具体参数如表4-1。图4-9 温度检测电路表4-1 热电偶参数温度（）电压（V）NTC阻值（k）-1014.1911014.016.21013.834203.652.53013.471.754013.291.15013.110.74.4 保护电路设计如图4-10所示，对电源端、电池端有Up、Ub电压监测，Ip、Ib电流监测以及串联在电源端、电池端的功率开关管TP、TB的导通关断，实现了对充电器电路的保护。图4-10 充电器框图1.欠压保护众所周知，蓄电池不宜处在长期过放或过充的状态，即蓄电池端电压既不能长时间低于某一值也不能高于某一值，否则会极大缩短蓄电池的使用寿命。为了保护蓄电池，设置蓄电池的欠压保护点和过压保护点。当电源端电压低于10V，关断功率开关管TP，系统其他元器件的供电电源暂时通过蓄电池来维持，这样对于应对电源端暂时掉电然后又电力恢复起到保护作用。但若电源端长时间掉电，电池端电压降到5V，关断功率开关管TB，保护蓄电池所剩的能量不再被消耗，同时整个充电器系统停止工作。值得一提的是，一旦蓄电池电压低于10V就应该立即停止充电以保护蓄电池。但如果监控点只是设为某一定值，则系统容易产生振荡。振荡原因是：在系统运行时电源端电压会有所下降，这时如果检测直流侧电压为10V而停止充电，电源端电压就会再上升到10V以上，系统又充电，结果就出现停止-运行-停止这种振荡。为了避免产生振荡现象，本文在程序中加入了滞环处理，当电池电压低于10V，即到达欠压保护点就停止充电，而停止以后电压又要恢复，设置了一个启动蓄电池工作的电压点，即欠压恢复点，当电池电压高于13.6V，就启动系统重新开始工作，这种保护方式也称为滞环保护。通过这种滞环方式的欠压保护策略，就可以很好的实现蓄电池的过放电保护，而且避免了震荡现象的产生。2.过压保护在本文中，蓄电池在正常工作范围内是按照最大功率点跟踪方式来工作的，而不是分段式充电。当蓄电池端电压达到过压保护点时，如果不进行保护，那么蓄电池的极化现象将极其严重。当电源端电压达到16V，系统认为充电电压以及达到危害蓄电池寿命的阀值，故关断功率开关管TP，实现过压保护，系统其他元器件的供电电源同样暂时由蓄电池来维持。3.过流保护蓄电池处于强充阶段时，充电电流是不允许超过该蓄电池的初期电流2.88A，当系统检测到充电电流达到2.88A时，会关断功率开关管TB，实现对蓄电池的过流保护。4.蓄电池反充保护靠近电池充电端的正极装有10A熔断丝，在端子之间安装二极管，若操作不当，将蓄电池反接，则只是熔断丝开路，保护后面电路。5.充电端EMC保护靠近电池充电端的正极安装对地的TVS，对于雷击浪涌起到抑制作用。另外，对于电池充电电流Ib的监测，可以用于判断蓄电池的充电状态的，是否正在充电还是充电完成，这样就可以用LED指示灯来告诉用户蓄电池是否已经充满。4.5 辅助电源电路设计单片机PIC16F877的额定供电电压为5V，而系统中唯一的稳定电源铅酸蓄电池的额定电压为12V，因此需要使用辅助电源将12V转换并稳压输出在+5V。图4-11 辅助电源电路如图4-11所示，是本设计系统的辅助电源电路图。MAX663是一种低饱和压降、低功耗的集成稳压器，当管脚6(Uset)置为低电平，可为控制电路提供+5V的稳定电压。D11采用4.7V稳压二极管(BZX84C4V7)，钳位输出+5V电压，同时，在靠近电压输出端口并接电容C7，C6，串接L3，都是为了使输出+5V电压更加平滑、稳定。同时，在充电电路中，比较器LM324是需要+12V电源的，故对VP_CHARGE，也即Buck电路输出电压，通过电感L2，作为+12V电源。第五章 系统软件设计由于C语言开发单片机系统软件有编写代码率高、软件调试直观、维护升级方便和代码重复利用率高等优点，因此在本系统针对PIC单片机的软件开发采用C语言实现。对于写单片机的C程序需要对单片机的体系结构和硬件资源有着详尽的了解，而Microchip公司自己并没有针对中低档系列PIC单片机的C语言编译器，因此本文使用HITECH公司的PICC编译器挂接在MPLAB-IDE集成开发平台下，实现一体化的编译连接和源代码调试。MPLAB-IDE作为PIC单片机集成开发平台，它提供了环境配置、源文件编译、程序调试、跟踪和分析，可以帮助用户在一个软件环境下完成编辑、编译连接和调试工作。利用其中MPLABSIM软件模拟器用于调试应用代码，在源代码中设置断点观察变量，而配合硬件MPLABICD2可以完成在线编制和实时调试。在编写系统功能程序之前，需要首先对单片机PIC16F877进行初始化操作：即对单片机寄存器进行初始化并赋值，定时器赋值，初始化中断。初始化程序主要包括以下几个步骤：(1)初始化SFR特殊寄存器；(2)初始化看门狗；(3)全局中断允许；(4)初始化所有I/O口；(5)对于一些定义变量进行初始化赋值；(6)两个CCP模块初始化，使其工作与PWM方式并分别初始化赋值其工作周期和占空比；(7)初始化所有定时器并赋值定时器1，使其10ms中断。5.1 太阳能充电器总体软件设计流程 充电控制横流赋初值蓄电池电流横流值(2.88A)?减小光伏电池输出功率YES蓄电池电流过充限压值(14.9V)?NONOYES横流值设为补充电流最大功率跟踪控制温度检测YESNO减小充电横流值蓄电池温度25?温度补偿(-5mV/cell)温度补偿(-2mV/cell)图5-1 系统总体软件设计流程如图5-1是光伏充电总体软件流程图。当蓄电池的充电电流大于要求的恒流值时就需要减