ZYFG09 控制器模块实验指导书V0.1 - 副本

1 控制器模块介绍控制器模块介绍 太阳能控制器 太阳能控制器 1 功能 蓄电池过充 过放电保护 蓄电池开路保护 防反充电保护 太阳能电池反接保护 蓄电池反 接保护 MPPT Maximum Power Point Tracking 最大功率点跟踪 实验 2 参数 控制器保险丝 Fuse1 规格为 5A 蓄电池过放电压11V 蓄电池过充电压15V 太阳能电池板光控输出开断电压9V 3 输出模式 1 普通 除蓄电池过放情况外开启输出 2 光控 当光强变弱太阳能电池板输出电压小于 9V 并且蓄电池不过放时开启输 出 其它情况一 律断开输出 3 时控 除蓄电池过放情况外开启输出 有 4 种输出时长 时长 1 1 分钟 时长 2 5 分钟 时长 3 10 分钟 时长 4 30 分钟 4 LED 状态指示 电池电量指示灯工作 25 50 75 100 LED1 普通输出模式指示灯LED5 时长 4 设置为 30 分钟 时控下工作 LED2 光控输出模式指示灯LED8 5V 电源运行指示 LED3 时控输出模式指示灯LED9 电池板输出欠压指示 LED4 输出指示灯LED10 蓄电池过放指示 LED16 时长 1 设置为 1 分钟 时控下工作 LED11 蓄电池过充指示 LED7 时长 2 设置为 5 分钟 时控下工作 LED12 蓄电池充电指示 LED6 时长 3 设置为 10 分钟 时控下工作 LED17 电池板反接指示 5 液晶显示 主要显示太阳能电池板 蓄电池的电流 电压参数 控制器各单元电路如下 控制器各单元电路如下 1 反接保护电路 太阳能电池板反接后 反接指示会亮 无输出 正常连接时输出正常 2 DC 变换电路 将太阳能电池板的输出电压降低到一个合理的范围内 给 12V 的蓄电池充电 电池板 的输出电压最大不能超过 20V 本太阳能平台配备的电池板输出最大为 21V 所以基本不需要使用到降压电路 如果在实验中 使用到输出电压比较大的电池板给蓄电池充电前 需要使用到降压电路对电池板输出电压进行 降压 3 DC DC 电路 单片机产生 PWM 波形 PWM 控制 MOS 管给蓄电池充电 4 升压电路 用来作为自动跟踪控制电路 通过 MPPT 算法在线编程 实现最大功率点自动跟踪控制 5 充电电路 结合 DC DC 电路或升压电路 单片机对太阳能电池板输出电压进行采样 可判断电池板 是否欠压 单片机对蓄电池的充电电流 充电电压进行采样 可以采样出蓄电池当前电量 判断蓄电池是否处 于过充 过放 充电状态 当蓄电池过充时 PWM 置高 断开充电 当蓄电池过放时 断开输出 通过软件 编程 实现对控制器输出模式的控制 6 单片机 控制器模块正面单片机控制蓄电池充放电 检测 显示 模块反面单片机用来进行检测和实 现 MPPT 算法 7 USB 单元 通过 USB 实现程序下载 控制器模块单片机进行程序下载时注意 模块开关 1 S7 控 制 PCB 板正面单片机 U2 的电源 开关 2 S8 控制 PCB 板反面单片机的电源 若给正面单片机下载程序时 需要将开关 1 S7 打到 开 档 开关 S8 打到 关 档 若给反面单片机下载程序时 需要将开关 1 S7 打到 关 档 开关 S8 打到 开 档 模块配件模块配件 1 蓄电池 规格 12V 7 2Ah 充电电流 小于 2 16A 2 太阳能电池板 最大开路电压 21V 最大短路电流 0 72A 2 实验实验一一 电池板防反接实验电池板防反接实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解太阳能电池板输出防反接的原理 二 实验内容二 实验内容 1 电池板防反接保护实验 三 实验仪器三 实验仪器 1 太阳能电池组件逐日系统 一套 2 控制器模块 一套 3 2 台阶线 若干 4 3 台阶线 若干 四 实验原理四 实验原理 通常情况下直流电源输入防反接保护电路是利用二极管的单向导电性来实现防反接保护 这种接法简单可 靠 但当输入大电流的情况下功耗影响是非常大的 本模块中利用了 MOS 管的开关特性 控制电路的导通和断开来设计防反接保护电路 由于功率 MOS 管的 内阻很小 现在的 MOS 管器件技术 Rds on 已经能够做到毫欧级 解决了现有采用二极管电源防反接方案存 在的压降和功耗过大的问题 具体电路如下图所示 1 J28 C ON1 1 J29 C ON1 R 44 R 45 G 1 D 2 S 3 Q2 D2 保保保保 C 14 R 46 R 47 1 J15 R 43 LED17 TP1 ANTENNA R 34 TX 1 J43 图 3 1 MOS 管型防反接保护电路 MOS 管通过 S 管脚和 D 管脚串接于电源和负载之间 MOS 管的 G 管脚通过 R45 接 MOS 管的 S 管脚 并通过 R44 接电源端 两个电阻为 MOS 管提供电压偏置 利用 MOS 管的开关特性控制电路的导通和断开 从 而防止电源反接给负载带来损坏 使用的功率 MOS 管的 Rds on 只有几百 m 实际损耗很小 不用外加散热 片 解决了采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 实验过程中严禁将蓄电池 极短路 六 实验步骤六 实验步骤 1 使用 3 台阶线将太阳能电池板 极分别连接到控制器模块的 J12 J11 然后使用 2 台阶线将 J4 J5 分别连接到 J28 J29 2 打开太阳光模拟灯 使用万用表测量 J28 J29 两点的电压 再测量 J15 到 J43 两点的 电压 3 将 J28 J29 反接 再测量 J15 到 J43 两点的电压 同时观察 LED17 的亮灭情况 七 思考题七 思考题 1 分析反接保护电路的工作原理 3 实验二实验二 控制器充电实验控制器充电实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解控制器的充电原理 二 实验内容二 实验内容 1 蓄电池充电 过放 过充 电池板欠压状态观察实验 2 蓄电池电量检测实验 3 蓄电池电压 电流测试实验 4 光伏型控制器充放电保护实验 三 实验仪器三 实验仪器 1 太阳能电池组件逐日系统 一套 2 控制器模块 一套 3 蓄电池模块 一套 4 2 台阶线 若干 5 3 台阶线 若干 四 实验原理四 实验原理 A A K K D4 C 17 R 51 R 48 R 37 G 1 D 2 S 3 Q3 B 2 C 3 E 1 Q4 R 36 E5 GK 1 J20 TP2 ANTENNA 1 J19 R 30 保保保保 1 J30 1 J31 1 J32 PWM0 图 3 3 DC DC 电路 R 49 R 52 F 1 5A 1 J21 1 J22 1 1 2 2 R 53 A A K K D5 保保保 1 1 2 2 D7 2 2 3 3 4 4 7 7 6 6 5 5 1 1 8 8 R ELAY1 R ELAY DPDT B 2 C 3 E 1 Q5 R 38 VC C 1 J23 1 J24 Vbat DLin 1 1 2 2 C 18 DY GF S 6 S W S PS T TP4 ANTENNA R 54 20K 保保保保 R 56 R ES 4 R 55 D6 TP7 ANTENNA GM TP5 ANTENNA TP6 ANTENNA 1 J35 1 J36保保保保 图 3 4 充电电路 将 DC DC 电路和充电电路结合进行实验时 单片机产生 PWM 波形 PWM 通过控制三极管 Q4 的基极 进而控制 MOS 管 Q3 栅极电压 控制 MOS 管的通断 给蓄电池充电 改变 PWM 方波的占空比 可调节蓄电 池的充电电压 进而控制蓄电池充电电流 单片机对 MOS 管前端输入电压进行采样 TP2 点 可判断电池板 是否欠压 单片机对蓄电池的充电电流 TP5 点 充电电压 TP4 点 进行采样 可以采样出蓄电池当前电量 判断蓄电池是否处于过充 过放 充电状态 当充电电流大于 0 时 处于充电状态 当蓄电池过充时 PWM 置 4 高 Q3 栅极电压被拉低 Q3 断开充电 当蓄电池过放时 单片机使 Q5 基极为高电平 继电器工作断开输出 通过软件编程 实现对控制器输出模式的控制 D4 二极管的作用为防蓄电池给电池板反向充电 D5 的作用在于防蓄电池反接 当蓄电池 极反接时 D5 和蓄电池构成回路 蓄电池回路电流很大将保险管烧断 起到防蓄电池反接烧坏后级电路的作用 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 实验过程中严禁将蓄电池 极短路 六 实验步骤六 实验步骤 使用说明 使用过程中根据情况来选择模拟光源的个数 同时如果太阳能电池板的输出电流过小时 可对使用说明 使用过程中根据情况来选择模拟光源的个数 同时如果太阳能电池板的输出电流过小时 可对 太阳能电池板进行并联使用 个数可选择 太阳能电池板进行并联使用 个数可选择 1 使用 3 台阶线将逐日系统中的太阳能电池板和外部蓄电池分别连接到控制器模块中 实验具体接线如 下表所示 太阳能电池板正极接 Solar J12 太阳能电池板负极接 Solar J11 控制器模块 J4 接反接保护电路 J28 控制器模块 J5 接反接保护电路 J29 反接保护电路 J15 接DC DC 电路 J20 反接保护电路 J43 接DC DC 电路 J19 DC DC 电路 J30 接充电电路 J35 DC DC 电路 J31 接充电电路 J36 DC DC 电路 PWM0 J32 接单片机 PWM0 J33 蓄电池正极接充电电路中蓄电池 J21 蓄电池负极接充电电路中蓄电池 J22 2 将开关 1 S7 打到 开 档 开关 2 S8 打到 关 档 钮子开关 S6 拨向右端 开 档 插上电源 线 将开关 S1 打到 开 档 使单片机及外围电路上电 3 打开太阳光模拟灯 观察液晶屏上太阳能电池板的输出电压值 调节电池板的输出电压到最大 J15 连 接 J35 观察充电指示灯的亮灭变化情况 同时观察液晶屏上蓄电池充电电流值 观察过放指示灯的亮 灭情况 欠压指示灯的亮灭情况 R9 为液晶屏灰度调节 4 断开 J15 与 J35 的连接 观察充电指示灯的亮灭情况 将钮子开关 S6 拨向左端 关 档 等待数秒 观察过放指示灯的亮灭情况 体会蓄电池过放指示的功能和原理 5 J15 连接 J35 将钮子开关 S6 拨向右端 关掉太阳能模拟灯 或拔掉 J28 J29 观察欠压指示灯的亮 灭情况 体会电池板欠压指示的功能和原理 6 打开太阳光模拟灯 保持钮子开关 S6 拨向右端 开 档 观察过充指示灯的亮灭情况 体会蓄电池过 充指示的功能和原理 见下面说明 7 保留蓄电池的连接导线 其它导线都拆除 钮子开关 S6 拨向左端 关 档 按下复位键 S2 观察蓄电 池电量指示情况 钮子开关 S6 拨向右端 开 档 按下复位键 S2 观察蓄电池电量指示情况 体会蓄 电池电量指示的功能和原理 程序中设定 5 分钟检测一次电量 按复位键可方便观察 8 使用示波器测量 DC DC 电路 J32 处波形 观察波形的频率和占空比 体会 PWM 充电的原理 说明 本控制器模块中 蓄电池过充电压设定为 15V 蓄电池过放电压设定为 11V J20 J19 间的电压 小于 15 7V 时太阳能电池板欠压 蓄电池过充这一状态观察起来不太方便 如果需要观察这一现象需要 提前将蓄电池的电压充至 15V 以上 所需的充电时间比较长 光敏电阻在此模块中 属于预留器件 做二次开发用 不使用太阳能电池板对蓄电池进行充电而采用其 他电源进行充电时 可感知外界光强 实现蓄电池光控输出 七 思考题七 思考题 1 蓄电池充电电流的大小和哪些因素有关 2 分析蓄电池容量和充电电流以及充电时长的关系 5 实验三实验三 控制器输出控制实验控制器输出控制实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解控制器输出方式的应用和原理 二 实验内容二 实验内容 1 掌握控制器普通 光控 时控三种输出模式的使用 2 控制电池电流流入 输出实验 3 控制器环境温度测量实验 三 实验仪器三 实验仪器 1 太阳能电池组件逐日系统 一套 2 控制器模块 一套 3 蓄电池模块 一套 4 应用模块 一套 5 2 台阶线 若干 6 3 台阶线 若干 四 实验原理四 实验原理 A A K K D4 C 17 R 51 R 48 R 37 G 1 D 2 S 3 Q3 B 2 C 3 E 1 Q4 R 36 E5 GK 1 J20 TP2 ANTENNA 1 J19 R 30 保保保保 1 J30 1 J31 1 J32 PWM0 图 3 5 DC DC 电路 R 49 R 52 F 1 5A 1 J21 1 J22 1 1 2 2 R 53 A A K K D5 保保保 1 1 2 2 D7 2 2 3 3 4 4 7 7 6 6 5 5 1 1 8 8 R ELAY1 R ELAY DPDT B 2 C 3 E 1 Q5 R 38 VC C 1 J23 1 J24 Vbat DLin 1 1 2 2 C 18 DY GF S 6 S W S PS T TP4 ANTENNA R 54 20K 保保保保 R 56 R ES 4 R 55 D6 TP7 ANTENNA GM TP5 ANTENNA TP6 ANTENNA 1 J35 1 J36保保保保 图 3 6 充电电路 在不同的应用场合下 控制器的输出模式也是不相同的 一般情况下控制器工作于普通模式 在蓄电池不 过放的情况下输出一直开启 但如果是路灯型的控制器 其输出不仅由蓄电池的电量状况有关 还和外界光强 有关 外界光强比较强的时候 控制器是不需要给路灯提供输出的 当光强比较弱时 控制器的输出才需要开 启 路灯型控制器是通过太阳能电池板来感应外界光强的 当光强变小时 电池板输出电压变小 当光强小于 设定值时 输出电压也小于相应的电压值 单片机通过采集到电池板的电压 实现对控制器的光控输出 6 在有的情况下 控制器的输出时长需要被设定 所以就需要控制器工作在时控模式下 普通 光控 时控 三种模式工作的前提都是蓄电池不处于过放状态 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 实验过程中严禁将蓄电池 极短路 六 实验步骤六 实验步骤 1 使用 3 台阶线将逐日系统中的太阳能电池板和外部蓄电池分别连接到控制器模块中 实验具体接线如下表所示 太阳能电池板正极接 Solar J12 太阳能电池板负极接 Solar J11 控制器模块 J4 接反接保护电路 J28 控制器模块 J5 接反接保护电路 J29 反接保护电路 J15 接DC DC 电路 J20 反接保护电路 J43 接DC DC 电路 J19 DC DC 电路 J30 接充电电路 J35 DC DC 电路 J31 接充电电路 J36 DC DC 电路 PWM0 J32 接单片机 PWM0 J33 蓄电池正极接充电电路中蓄电池 J21 蓄电池负极接充电电路中蓄电池 J22 2 将开关 1 S7 打到 开 档 开关 2 S8 打到 关 档 使钮子开关 S6 拨向右端 开 档 插上电源线 打开开关 S1 使单片机及外围电路上电 3 J23 J24 连接应用模块的直流风扇或警示灯 打开太阳光模拟灯 按下显示模式控制 开关 S3 液晶屏显示 1 普通 2 光控 3 时控 并且箭头指向普通 模式指示灯 LED1 普通亮 观察过放指 示的亮灭情况 观察输出指示的亮灭情况 测量 J23 J24 的输出电压 观察直流风扇或警示灯的工作状态 断 开 J15 与 J20 的连接 将钮子开关 S6 拨向左端 观察过放指示的亮灭情况 观察输出指示的亮灭情况 测量 J23 J24 的输出电压 观察直流风扇或警示灯的工作状态 体会普通输出模式的功能和原理 观察有无输出 时 J23 J24 对应连接 J2 J1 观察 LED21 的亮灭情况 4 J23 J24 连接路灯红 黑插座 J15 连接 J20 将钮子开关 S6 拨向右端 在普通模式 下按下开关 S4 此时模式指示灯 LED2 光控亮 观察太阳能电池板的输出电压 观察过放指示的亮灭情况 观 察输出指示的亮灭情况 观察路灯亮灭情况 关掉太阳光模拟灯或拔掉 J28 J29 导线连接 观察太阳能电池板 的输出电压 观察过放指示的亮灭情况 观察输出指示的亮灭情况 观察路灯亮灭情况 再将钮子开关 S6 拨向 左端 观察过放指示的亮灭情况 观察输出指示的亮灭情况 观察路灯亮灭情况 太阳能电池板的输出电压测 量点为 TP1 5 将钮子开关 S6 拨向右端 在光控模式下按下开关 S4 此时模式指示灯 LED3 时控亮 观察过放指示的亮灭情况 观察输出指示的亮灭情况 长时间观察时长 1 指示灯的亮灭情况 观察有无输出时 J23 J24 可外接应用模块的路灯 6 切换 S5 到其他时长 观察时长指示 输出指示的亮灭情况 说明 时控输出有 4 种时长 程序中设置时长 1 为 1 分钟 时长 2 为 5 分钟 时长 3 为 10 分钟 时长 4 为 30 分钟 光控模式下 电池板输出电压小于 9V 并且蓄电池不过放时开启输出 其它情况断开输出 S3 开关的作用为电池板 蓄电池电流电压参数和控制器输出模式相关参数的切换显示 七 思考题七 思考题 1 结合一下实际分析控制器应用的不同场合 7 实验四实验四 光伏控制器光伏控制器 MPPT 实验实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉光伏控制器 MPPT 原理 2 熟悉光伏控制器算法设计原理 3 掌握光伏控制器算法设计方法 二 实验内容二 实验内容 1 光伏控制器扰动观察法实验 2 光伏控制器电导增量法实验 3 手动最大功率点跟踪实验 三 实验仪器三 实验仪器 1 太阳能电池组件逐日系统 一套 2 控制器模块 一套 3 蓄电池模块 一套 4 示波器 一台 5 2 台阶线 若干 6 3 台阶线 若干 四 实验原理四 实验原理 光伏电池板提供光伏发电系统中的电能 由于光伏系统主要问题是电池的转换效率低 且价格昂贵 因此 如何进一步提高太阳能电池的转换效率 如何充分利用光伏阵列转换 的能量 一直是光伏发电系统研究的主要方向 太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪 MPPT Maximum Power Point Tracking 就是其中一个重要的研究方向 1 最大功率点跟踪原理 在最大功率点跟踪控制系统中 为了使负载获得最大的输出功率 当且仅当负载匹配 时 此时负载上的功率可满足要求 简单的线性电路图如下图所示 Ui Ri RLUL 电源 图 3 8 简单的线性电路图 其中 Ri为电压源内阻 Ui为电源电压 RL为负载电阻 根据图可得负载上消耗的功 率 PRL为 3 1 2 2 L i RLL iL U PI RR RR 式中 Ri Ui都为常数 对 RL进行求导 可以得到 3 2 令 即有 Ri RL时 PRL可取得最大值 0 RL L dP dR 2 3 L R iL i LiL dP RR U dRRR 8 在供电系统中 如果内阻不变 只须让外阻与内阻相等就可以得到最大输出功率 这 种方法比较简单 但在实际光伏系统中 光伏电池的内阻容易受到负载 环境温度和日照 强度的变化而不断变化 因此 根据以上方法不可能获取最大输出功率 最大功率跟踪的 意义是将光伏电池产生的电能尽可能多地输出 从而尽可能地提高系统能量利用率 在供 电系统中 通过负载调节实现最大功率的输出通常比较困难 这就需要通过最大功率点的 跟踪控制来实时地获得最大输出功率 常用的实现方法是在光伏阵列和负载之间串联最大 功率点跟踪 MPPT Maximum Power Point Tracking 电路 DC DC 转换电路 也称为斩波电路或斩波器 是接在直流电源和负载之间 通过控制电 压将不可控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路 它被广泛应用于直流开关电 源 逆变系统 通信领域 地铁 无轨电车等直流电动机的驱动设备中 从工作方式的角 度 DC DC 转换电路可分为升压 降压 升降压和丘克四种 其中升压式和降压式电路是 基本的类型 后面二者可以从前面二者派生出来 而降压 升压和升降压式 DC DC 转换电 路是比较常用的类型 在实际使用中用 DC DC 变换器实现最大功率点跟踪有不同的方法 如控制谐振频率的谐振法 控制 DC DC 变换器中开关管输入脉冲的占空比等方法 谐振 法是利用开关型电压逆变器的输出电压 通过电感 L 电容 C 产生谐振 L 上的电压再通 过变压器和桥式整流向蓄电池充电 该方法可以通过改变工作频率来调节输出电压和电流 实现最大功率点跟踪 但线路较复杂 需用中间变压器 将 DC DC 变换器接入太阳能电 池的输入回路 并对 DC DC 变换器的输入 输出电压和电流测量结果通过单片机的分析 运算 由单片机输出 PWM 脉冲调节 DC DC 转换器内部开关管的占空比来控制太阳能电池 板的输出电流 从而控制蓄电池的充电电流 使蓄电池电压保持恒定 本模块的控制器是采用 STC12C5A60S2 单片机作为主控器件 该器件内置 2 路 PWM 通道 8 路 10 位 ADC 通道 工作频率可达 250KHZ 充电电路采用 DC DC 升压变换电 路 Boost 通过软件实现充放电的控制策略 从而最终达到提高效率 节能的目的 升压 电路由电感 L1 功率 MOSFET 管 Q6 和二极管 D1 组成 如图 3 9 所示 当 J37 J38 接 电源 E 时 J40 J41 间接负载 Q6 处于通态时 电源向电感 L1 充电 充电电流基本恒定 为 I1 同时电容 E2 上的电压向负载供电 若 C 值很大 基本保持输出电压 U0 为恒值 设 Q6 通态的时间为 ton 此阶段电感上积蓄的能量为 EI1ton 当 Q6 处于断态时 E 和 L 共同向 电容充电 并向负载提供能量 设 Q6 处于断态的时间为 toff 则在此期间电感释放的能量 为 U0 E I1toff 当电路工作于稳态时 一个周期 T 中电感积蓄的能量与释放的能量相等 即 3 3 101 onoff EI tUE I t 化简得 3 4 0 onoff offoff tt T UEE tt 上式中的 输出电压高于电源电压 故称该电路为升压斩波电路 也称 1 off T t Boost 变换器 Boost Converter 式 3 4 中表示升压比 调节其大小 即可改变输出电压 U0的大小 将升压比的 off T t 倒 数记作 即 为导通占空比 简称占空比或导通比 则和的关系为 off tT 3 5 1 因此 式 3 4 可表示为 3 6 0 11 1 UEE 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压 关键有两个原因 一是电感储能之 后具有使电压泵升的作用 二是电容可将输出电压保持住 本模块中由于升压电路用来给蓄电池进行充放电控制 当蓄电池接入后 升压电路的 输出被嵌位在蓄电池电压 基本保持不变 因此当改变加在 MOSFET 控制栅极的脉冲宽 9 度 脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation PWM 时可以改变太阳能电池板的输出电压 通过检测太阳能电池板的输出电压 蓄电池的电压和电流 判断蓄电池的电量状态 对蓄 电池进行充放电控制 通过 MPPT 控制算法使太阳能电池板给蓄电池充电时利用率最大 当蓄电池电压超过一定电压后 关断 Q6 防止蓄电池过充电 升压电路原理图如下图所示 i1 L1 G 1 D 2 S 3 Q6 12 D1 PWM E2 1 J37 1 J38 R 27 R 28 TP3 ANTENNA C 8 GK 1 J41 1 J40 1 J39 U0 i0 图 3 9 升压电路原理图 2 扰动观察法原理 1 扰动观察法原理 在进行 MPPT 控制时 扰动观察法 Perturb Observe Algorithms P O 是目前常用的一 种 MPPT 实现方法 其工作原理为先周期性的给前一时刻光伏阵列输出电压 UK 1加一扰动 量 U 来改变当前时刻太阳能电池的输出功率 图 3 10 扰动观察法原理图 系统通过检测当前阵列输出电压及电流来获取当前功率值 如果在某一时刻测得的功 率值比前一时刻测得的功率值大 则表明给予的扰动方向正确 将输出电压继续朝同一方 向改变 反之 则需要将输出电压朝相反方向扰动 如此反复的扰动 观察及比较 使阵 列工作在最大功率点附近 扰动观察法流程图如下图所示 10 测量UK IK 计算PK PK PK 1 UREF UREF U N N 开始 PK PK 1 PK PK 1 PK PK 1 UREF UREF UUREF UREF UUREF UREF U Y Y YYNN 图 3 11 扰动观察法流程图 2 扰动观察法的优缺点分析 扰动观察法的优点有 简单易懂 实现也较容易 只需要进行简单的运算和比较 即 可实现对最大功率点的跟踪 提高系统的利用效率 缺点为 其缺点是控制器中占空比增 量 D 为一个确定的值 很难兼顾系统的动态特性和稳态性能 导致光伏电池的功率输出 只能在最大功率点附近振荡 导致部分功率损失 同时 初始值及跟踪步长的给定对跟踪 精度和速度有较大影响 另外 在外界环境快速变化的情况下 P O 法可能会引起控制器 的 误判 导致系统工作点远离太阳能电池的最大功率点 3 扰动观察法产生误判的原因分析 太阳电池阵列的输出特性 P U 曲线随着日照强度变化而不断变化 当利用扰动观察法 进行最大功率点跟踪时 如图 3 12 所示 假设系统工作在最大功率点附近 且工作电压和 输出功率分别为 Ua和 Pa 当电压向右扰动到 Ub时 若日照强度不变 则光伏阵列的输出 功率为 Pb 此时 Pb Pa 表明电压的扰动方向是正确的 若日照强度降低 则 Ub对应的输 出功率为 Pc 此时 Pc Pa 没有达到向右扰动而增加功率的效果 说明此时系统发生了误 判 若日照强度不断降低 系统重复误判 电压扰动方向持续左移 造成光伏系统输出功 率连续下降 从而使发电系统的效率大大降低 再次证明了在变化迅速的环境中不适合使 用扰动观察法 图 3 12 扰动观察法发生误判的示意图 3 电导增量法 1 电导增量法工作原理 电导增量法 Incremental Conductance Algorithm 的基本原理是通过比较光伏阵列电导瞬 时值和其变化量来实现最大功率跟踪 也是 MPPT 的常用方法之一 由图 3 10 可知 在最 11 大功率点处有 dP dU 0 其中 U P 分别为光伏阵列的输出电压和功率 因此可以认为 若系统工作于最大功率点的右侧时 dP dU 0 对于光伏电池有 3 7 PUI 3 8 0 dPdI IU dUdU 3 9 dII dUU 3 10 1kk dIII 3 11 1kk dUUU 3 12 111KKKKKK dPPPU IUI 式 3 9 中 为达到最大功率点的条件 即当输出电导的变化量等于输出电导的负值 时 阵列工作于最大功率点 若不相等 则要判断 dP dU 是大于零或是小于零 该控制方 法的程序流程如图 3 13 所示 其中 UK IK分别为新检测到的电压 电流值 UK l IK l分 别为存储器中前一时刻的值 DK为当前功率开关管的占空比 DK l为前一时刻功率开关管 的占空比 Step 为跟踪步长 程序读进新值后先计算当前电压值与前一时刻电压值之差 并判断该差值是否为零 若为零则再判断电流差值是否为零 若都为零则表示阻抗一致 D 不变 若电压差值为零 电流差值不为零 则表示光照强度有变化 电流差值大于零则 D 减小 反之 D 增加 当电压差值不为零时 若式 3 9 成立 则表示功率曲线斜率为零 达到最大功率点 D 不变 若电导变化量大于负电导值 功率曲线斜率为正 D 将减少 反之 D 将增加 采样UK IK dU 0 DK DK 1 D YN 计算当前功率PK 计算dU dI dP dI 0 dI 0 dI dU I U dI dU I U DK DK 1 DDK DK 1 DDK DK 1 D 更新UK IK UK 1 UK IK 1 IK N YN N NY Y Y 开始 图 3 13 电导增量法流程图 2 电导增量法的优缺点分析 分析电导增量法的控制思想可以看出 电导增量法是依据光伏电池的物理特性曲线来 进行判断 特性曲线的属性不会因为外界环境条件和时间的变化而变化 故采用电导增量 法原理性误差小 而外部电路对光伏电池最大功率点的判断影响比较小 这样减少了误判 现象 此外 该方法在达到系统的最大功率点后不会继续扰动 在稳态时功率波动小 稳 12 定度较高 电导增量法适用于需要高性能的控制场合 如对控制系统稳定性 精度 动态 响应要求很高的大容量光伏并网系统 但是 电导增量法中较多的微分判断增大了计算量 而系统各部分均要求较快的响应速度 因此对系统硬件特别是传感器的精度和速度要求比 较高 控制起来相对比较困难 此外 电导增量法在选择占空比初始值和步长时有一定的 困难 占空比初始值太小系统将无法达到稳定 最后还会使其在一定范围内振荡 跟踪速 度与步长的大小有关 步长较大时 系统反应迅速 但未达到最大功率点 五 实验注意事项五 实验注意事项 1 实验过程中严禁将蓄电池 极短路 2 程序设计实验需谨慎 需自行准备程序下载串口线 3 为了保证控制器下次能正常实验 还原为出厂