毕业论文--光伏发电系统充电控制器的研与设计.doc

HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目 光伏发电系统充电控制器的研 究与设计 学生姓名学生学号专业班级 电子信息工程三班学院名称 电气与信息工程学院指导老师 学院院长 2015 年5 月 日摘要随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，大规模可再生能源的开发和利用已成为未来各国能源战略中的重要组成部分，太阳能作为一种可再生的绿色能源具有其他能源所不能比拟的优点。光伏发电是利用太阳能组件的光伏特效应，将光能转换为电能，并储存在蓄电池中供负载使用。它是集光伏发电技术和蓄电池技术于一体的新兴技术。因此，光伏发电研究成为了国内外研究的热点。光伏发电主要由太阳能电池阵列、蓄电池和控制器组成。由于太阳能电池的输出电能很大程度受光照与温度等环境条件的影响，存在着最大功率点问题。光伏充电控制器作为光伏发电系统中重要的组成部分，较多存在充电效率不高，充电方法不够智能，最大功率跟踪不够准确，充电控制不合适的情况。针对这些问题，本次设计分为三个部分对此进行了研究，分别是对最大功率跟踪点算法进行仿真设计与实现；根据技术指标与性能对光伏充电控制器控制电路进行设计和光伏充电器进行智能化的设计与实现。abstractWith the growing energy shortages and increasing environmental pressures , large-scale renewable energy development and utilization has become an important part of future national energy strategy.Solar energy, as a renewable green energy, is incomparable to others.Photovoltaic power generation modules using photovoltaic effect, converting light into electrical energy and it was stored in the battery load. It is an emerging one which is a combination of photovoltaic technology and battery technology.Thus, PV research has become a hot topic for scientists.PV is mainly composed of solar arrays, batteries and controller. Since output power of solar cell is heavily effected by the light, temperature and other environmental conditions, there exists a maximum power point,which can be used to promote efficiency. As an important part of photovoltaic systems, there are lots of problem with hotovoltaic controller, which mainly are the relatively low charging efficiency, also not smart enough with charging method, and deviation of MPP when the working condition suddenly changes. To solve these problems, this design is divided into three parts,which may solve even a little bit problems above, namely the design and implementation of simulation maximum power point tracking algorithm; the design which based on technical indicators and performance for photovoltaic charge controller circuit and the design and implementation of smart PV charger method.第 2 页湖南大学毕业设计(论文)目录第一章 绪论11.1课题背景及目的11.2太阳能光伏发电产业的基本概况11.2.2太阳能光伏发电产业的前景21.3课题研究的主要内容3第2章 光伏发电系统及充电控制器的基本概况42.1光伏发电系统42.1.1光伏发电系统的工作原理和构成42.1.2光伏发电系统的分类52.2太阳能电池72.2.1太阳能电池的工作原理82.2.2太阳能电池的输出特性82.3铅酸蓄电池122.3.1阀控式铅酸蓄电池132.3.2铅酸蓄电池的充电方法132.4本章小结14第3章 光伏充电控制器的硬件技术基础153.1光伏充电控制器充电控制电路153.1.1 Buck 电路工作原理163.1.2 Buck电路元件参数的选取163.2 MOSFET 驱动电路173.3本章小结18第4章 光伏充电控制器的软件设计与实现194.1光伏发电系统的智能充电技术194.1.1智能充电程序设计204.2最大功率跟踪算法（MPPT）214.2.1常用最大功率点跟踪算法分析224.2.2改进的最大功率点跟踪算法254.3最大功率跟踪算法的仿真274.4本章小结28结论29参考文献30致谢32附录A33附录B34第 35 页湖南大学毕业设计(论文)第一章 绪论1.1课题背景及目的近年来经济形势在欧洲，美国和日本这些发达地区呈下滑趋势，特别是金融危机爆发以后。因此新能源被引入国家的重要性战略政策中，想利用开发新能源的契机争取第三次工业革命的主动权。新能源不再只是一种人们追求绿色低碳生活的方式，也成为推动经济持续发展的关键性突破口。传统的供电方式多采用集中供电，这些电站大多数都是燃烧大量的化石燃料、水能和核反应堆进行发电的。然而这种以消费环境为代价的发电方式逐渐被越来越多的国家所摒弃，取而代之的是以新能源、清洁能源作为原料的新型发电方式。在过去近40年时间里，太阳能电池的价格下降了约100倍。光伏发电就是其中一种最为便捷、成本较为低廉的发电方式。显而易见的是，对提高光伏发电技术的研究，不论是对于经济或是环境问题，都有着极为重要的意义。1.2太阳能光伏发电产业的基本概况太阳能作为一种不需要燃料，没有污染且可获取电能的绿色清洁能源，已经得到了巨大的发展。光伏发电技术是该能源最有潜力也极为重要的一种技术，尤其面对当今世界能源严重短缺的现状，各国都加快了发展光伏技术的脚步。1.2.1太阳能光伏发电产业的现状光伏产业的发展目前处于乐观的状态，但同时也存在一些不确定性。虽然由于硅的短缺该行业整体的增长速度在2006年增速有所放缓，但代替短缺的其他技术已经介入并填补了空白，因此整体增速有望再次增加。发展光伏发电最早起步于美国。1997年又提出百万屋顶计划。法国、瑞士、西班牙、意大利等国，也制定光伏发展计划，鼓励技术开发、加速工业化进程。在发展初期，发达国家大力扶持光伏产业，给予巨大的补助，因此国外光伏发电迅猛增长。但近年来，美国、英国、德国等发达国家正在降低光伏发电的补助，从而这些国家的光伏装机明显下降。有关数据显示，2013年全球光伏发电装机容量达到35GW-42GW，主要市场从欧洲转到了亚洲地区，尤其是日本和中国。自2001年起，中国的光伏产业进入快速发展时期 。特别是自2003年以来，光伏产业的发展以巨大的增速增长，2005年太阳能电池产量达到145.7MWp，比2004年增长了近3倍。同时，也形成了较为完整的光伏产业链。图1 2005-2013世界太阳能电池产量分布图相比欧洲（新能源产量下降42%)和美国（新能源产量下降8%），亚洲地区新能源产量增势强劲，中国和日本成为带动全球能能源发展的中坚力量。1.2.2太阳能光伏发电产业的前景随着国内光伏产业规模的扩大，竞争会愈演愈烈。企业在政府的扶持下会不断地更新技术、加大产量。对于开端强劲的中国市场，光伏发电成本必然会呈现下降趋势，随之而来的是未来的光伏容量将会迅猛增长。中国新能源产业不再单一只是一项普通的能源技术，它上升到国家战略产业的高度，并且在未来10年政府正在加大对太阳能等新能源产业的投资力度，从而减少传统发电技术对环境所带来的危害。未来光伏市场的发展，存在着一种十分流行的说法，即“互联网+光伏=能源互联网”的概念。关于能源互联网，首当其冲的就是要让不同的能源能在最恰当的时间得到利用和发展。就在近日，网上出现了名为“马云布局光伏电站，首张互联网售电牌照箭在弦上”的新闻。相关人员表示“光伏电站已成为收益相对稳定的一种投资方式，从互联网融资将成为未来融资的关键渠道，如果成功并加以普及，互联网融资模式将会对光伏电站起到颠覆性的改变”。由此可见光伏产业在我国有着巨大的发展潜力。1.3课题研究的主要内容本文的主要内容和结构安排如下：第1章 绪论。主要论述了课题的研究背景及意义，简单介绍了世界光伏发电产业的现状及未来发展趋势，阐述了光伏发电系统充电控制器设计的重要性。第2章 光伏发电系统及充电控制器的基本概况。简单介绍了太阳能发电系统的概况及PV电池的工作原理，等效电路及其I-V、P-V输出特性，阐述了光伏发电系统的原理和构成。对有关铅酸蓄电池的基础知识和常用充电方法进行了描述。第3章 光伏充电控制器的硬件技术基础。分析了 Buck电路 的工作 原理，电路几个 元器件 参数的计 算方法 和选择 原则。第4章 光伏充电控制器的软件设计与实现。对常用的最大功率点跟踪点控制算法进行了简单介绍，并比较、分析了各个方法的优缺点，提出了合理的改进算法。第2章 光伏发电系统及充电控制器的基本概况2.1光伏发电系统太阳能光伏发电系统，顾名思义是把太阳能转换成供使用的电能的发电系统。由于太阳能资源分散，且随处可得，因此该系统非常适合作为独立供电系统来使用。太阳能光伏系统主要包括三部分：太阳能组件电力电子设备：诸如充逆变器，放电控制装置，计算机控制和测试仪表;电池或其他储能装置及辅助发电设备，如下图。逆变器（a）直流系统太阳能电池矩阵直流负载蓄压器组件（b）交流系统太阳能电池矩阵交流负载蓄压器组件控制器开关二极管控制器 开关二极管 图2.12.1.1光伏发电系统的工作原理和构成光伏发电系统，顾名思义是将光伏电池所产生的不稳定的电能合理利用控制器，进而将这些电能直接转化为稳定、交流电能的系统。光伏发电系统在可再生能源中存在着巨大的优势，但它的实际利用率却不是很高。光伏发电系统的工作原理很简单，即将太阳能组件产生的电力直接向由控制器控制的电池负载进行供电。如果阳光不足或是夜晚的情况下，由控制器控制的电池直接向直流负载充电。在交流的情况下，光伏发电系统需要用到转换器把交流电转化成直流电再进行利用。如图2.2所示，该系统连接到电力公司电网上，利用功率调节器和升压变压器将直流电流转变为商业上使用的交流电流。如果处于发电容量较高的情况下，太阳能电池将被连接到高压电网上。 升压变压器 功率调节光伏电池组件 开关装置电力公司图2.2 太阳能电池2.1.2光伏发电系统的分类光伏发电系统的分类，主要是以是否与连接到常规电力系统为原则进而划分的。根据运行方式，该系统主要划分为三类：即离网（独立）型光伏发电系统，并网型光伏系统以及混合式光伏发电系统。图2.3 独立光伏发电系统 图 2.4 并网光伏发电系统图 2.5 混合式光伏发电系统2.2太阳能电池太阳能电池，即光伏（PV）电池，可直接将阳光转换成电能。光伏电池将光（photons）转换成电（voltage），因此称之为光伏（PV）效应。光伏效应被发现于1954年，科学家发现当硅暴露在阳光下时会产生电荷。之后，PV电池被用于动力太空卫星、计算器以及手表这类低 功耗的物品上。如今，成千上万的家庭和企业用小型的太阳能 发电系统为他们提供电力。用于小型企业的发电系统通常 由40个PV电池组合而成。一个普通家庭使用的则是约10至20个PV电池组合而成的太阳能电池板来提供家庭用电。该面板被安装在一个固定朝南的角度，或是通过安装在面板上的定位设备来最总太阳，从而使他们能够最大程度的捕捉阳光。太阳能 电池阵列 系统是由确定个数的太阳能电池板组合在一起共同创建。对于大型电力公司或工业应用，通过数百个太阳能电池阵列的相互连接，从而可以形成一个大型的光伏系统。传统的太阳能电池由硅制成，通常是平板，并且是较为有效的。第二代PV电池是所谓的薄膜 太阳 能电池，它们多数是 由不定形 硅或非硅材料，例如碲 化镉制成。薄膜 太阳能电池 所用到的半导体材料只有几微米厚的层。由于它们的灵活性，薄膜太阳能电池可以兼作屋顶瓦和砖，建筑外墙，或玻璃窗天窗。第三代PV电池正在尝试除硅以外的各种新型材料，包括印刷机使用的太阳能油墨，太阳能染料，以及导电塑料等。一些新的太阳能电池使用塑料透镜或反射镜，将阳光集中到到一块非常小的且高效率的光伏材料上。光伏材料的成本更高，因此为节约成本适当减小材料的尺寸是十分必要的，这些改进将用于公用事业和工业用途上。然而，因为镜片必须暴露在阳光下，使得聚光集热器的应用仅限于阳光最充足的地区。2.2.1太阳能电池的工作原理在独立系统中，由太阳能 电池 板产生的电能通常用来给铅酸蓄电池充电。虽然如镍-镉电池等其他类型的电池仍在应用范围，但铅酸蓄电池的优越性能使它仍然是目前最佳的选择。一个太阳能电池是由若干个太阳能电电池单体组成的，在铅 酸蓄 电池中，每个单体产生约2伏的直流电压，由此可得一个约12伏的PV电池需要由6个PV电池的单体组成。电池 容量的度 量单位是安 培小时（AH）。如图2.5所示，是一个典型的具有PN结的光伏电池由半导体材料（如硅）。阳光照射到晶格上提高了电子的晶格能并将它们从原子核中得到释放。PN结中的电场将电子趋向N区，将正电荷趋向P区。表面 上的金属栅格收集电子，而金属背板收集正 电荷。图2.5 太阳能电池的工作原理2.2.2太阳能电池的输出特性1.太阳能电池模型前面介绍了PV电池多数由半导体 制成。其本质是存在在半导体薄层中的P-N结。太阳能的电磁 辐射可以通过光伏 效应，直接 转换成电能。光照充足时，半导体中能量大于带 隙能的光 子会被吸收，并产生 电子-空 穴对。由于PN结内部电场的影响，这些电子将被分开，并产生与日照辐射量称正比的光电流。光伏系统绘制出的的是非线性IV和PV曲线，它随这辐 射的强 度和环 境温度的变化而变化。（2.1）一般等效模型由光电流，二极管，一个并联 电阻，以及一个描述内部电阻 电流的串联 电阻组成，V、I分别代表PV电池的输出电压和输出电流。如图2.6（a）。 其中，是光生电流或光电流， 是暗电流，q是单个电子的电荷量，K玻耳兹曼常数，是PV电池的工作温度，A是二极管曲线因子， 是一个分流 电阻，为串联 电阻。光电流主要取决于光照强度和工作环境的温度。（2.2）分流 电阻与漏 电流成反比。在一般情况下，光伏效率对变化的影响是可以忽略的，假定接近无穷大，而不到地的漏电流。另一方面，微小的变化将会明显影响的输出 功率。光伏电池改进模型如图2.6（b）。对于理想的PV电池，没有串联损耗和漏电流，即当=0和=时，上述光伏太阳能电池的电路可以简化为图2.6（c），式（2.1）可简化为（2.3） 图2.6（a）等效模型 图2.6（b）改进模型 图2.6（c）理想模型 图2.6 太阳能电池等效电路模型2.太阳能电池组件和阵列模型（2.4）由于典型的PV电池在0.5V下产生的电量约小于2W，因此为产生足够高的功率，应该在电池上配置一个串-并联连接模块上。一光伏 阵列由若干个光伏组件所组成，它们串联或并联于电路中从而产生所需的电流和电压。并联NP和串联NS的太阳能 模块等效 电路如图2.7（a）。该阵列终端的电压和电流计算公式为然而，微小的变化即可显著影响光伏效率，但的变化却对光伏效率没有明显的影响。对于光伏模型或阵列，串联电阻变得十分重要，并且分流下拉电阻会接近无穷大。在大多数商业光伏产品中，光伏电池一般都是串联配置的，从而形成一个光伏组件，并以此来获得足够的工作电压。 为达到期望的输出功率，可将光伏组件配置成串-并 联（2.5）结构。PV电池、组件和太阳能阵列的等效 电路如图2.6（ b）所示。光伏电池中NS = NP=1， PV电池的广义模型为: （2.6）简化的广义模型如图2.7（c）所示。该等效电路可表示如下： 图2.7（a）通用模型 图2.7（b）广义模型 图2.7（c）简化模型图2.7 广义太阳能电池等效电路模型3.模型参数的确定（2.7）所有模型的参数可以通过相关光伏产品的规格来确定。用于广泛描述电池性能最重要的依据是开路电压和短路电流。前面所述的方程是不精确且非线性的。因此，在特定的温度和光照强度下，一组模型参数很难有一个准确的分析解决方案。正常情况下，且忽略二极管和对地的漏电流，短路电流约等于光电流，即（2.8）假设输出 电流为零可算出的参数。鉴于在参考温度下的光伏开路电压并忽略分流漏电流，反向饱和电流约为：（2.9）最大功率可表示为：其中，和为太阳能阵列在最大功率点的终端电压与输出电流，为衡量单个太阳能电池的品质因子。光伏组件包括几个颇为复杂性的环节：光电流源的温度独立性，二极管的饱和电流，和一系列基于肖克莱二极管方程的电阻。对于所有被用来设计和分析最大功率点跟踪器的光伏电池，组件和阵列来说，建立一个合适的广义模型是很重要的。为了说明和验证光伏组件广义光伏模型的非线性和I-V、P-V输出特性，可以利用Matlab中的Simulink搭建简单的模型实现仿真。PV电池的理想I-V特性曲线，其开电路电压和短路电流分别为=0.596和=2.0。此外，PV电池的=1。图2.8-图2.9为广义光伏模型的I-V和P-V输出特性曲线。在图中可见，PV电池的非线性特性是十分显著的，即输出 电流与PV电池的功率取决于电池的工作电压以及工作温度。从图2.8（a）和2.8（b）中可以看出，随工作温度的升高，PV电池的短路电流有所增加，最大输出功率降低。由于输出电流的增量远远低于电压的减少量，因此在高温下净功率会下降。另一方面，观察图2.9（a）和图2.9（b），由于开路电压与太阳辐射呈对数关系，而短路电流正比于光照强度，因此光照强度增加，PV模型的短路 电流也随之增加，且最大输出 功率增也会变大。 图 2.8（a）IV特性曲线 图2.8（b）PV特性曲线图2.8 太阳能电池在不同温度下的输出特性曲线 图2.9（a）IV特性曲线 图2.9（b）PV特性曲线图2.9 太阳能电池在不同光照强度下的输出特性曲线2.3铅酸蓄电池在光伏 发电系统中，作为不可或缺的储能模块，蓄电池对系统的正常工作有着根本意义上的作用。铅酸电池的阴极为二氧化铅，阳极为海绵金属铅，电解质为硫酸溶液。这个金属元素有毒，如果不妥善处置，会对环境造成很大的危害。铅酸蓄 电池有两种基本的类型。一种是开口式铅酸蓄电池（VLA），其稀硫酸电解质是液体形式的。另一种是阀控式铅酸蓄电池（VRLA）。它有一个压力安全阀，其功能是当电池内压高于正常压力时释放气体从而保持压力正常并，阻止氧气进入。本系统采用的就是阀控式铅酸蓄电池。电池组电池是一种电化 学装置。放电的过程是所存储的化学能转化为用于驱动电器负载的电能。充电过程则是相反的，它是从外部源电流中转换而形成的电能被存储为化学能。2.3.1阀控式铅酸蓄电池阀控式铅酸蓄电池又包含两大类，超细玻璃纤维电池和胶体电池。控式铅酸蓄电池有一个压力安全阀，这种结构的目的是为了防止通过蒸发，泄漏和放气而导致电解质损失，某种程度上也延长了电池的寿命，并简化维护。阀控式密封铅酸蓄电池高压阀门只有在极端条件下才会打开，让气体逸出，而不仅仅是添加简单的通风盖。2.3.2铅酸蓄电池的充电方法按应用分类 主电源电路 辅助电源电路恒压充电恒流充电二阶段充电三阶段充电 图2.10 常规铅酸蓄电池充电方法的分类1.主电源电路（1）恒压充电这种方法是在端子之间加入恒定电压进行充电。在20至25的室温下，当电池被施加2.45V的电压并持续充稳定电三小时时充电完成。阀控式铅酸蓄电池可以不在恒压下完成充电。当电池过度充电时，通过电解电解液中的水可以产生比更多的氧气。电解质改变为氧气和氢气，并从电池系统流失。由于电解质的减少，充放电的化学反应效率降低，电池性能很大程度上被削弱。因此，准确的控制电压、控制适当的充电时间，对于恒压充电十分重要，同时也有利于延长电池的寿命，降低成本。（2）恒流充电恒流充电是以适当的电流完成的充电方法。在整个充电 过程中，检测到的蓄电池电压的变化应对电流实时进行调整，并使之恒定不变。这种充电的方法，尤其适用在多个串联的蓄电池组上，最好用小电流进行长时间充电。 图2.11 恒流/恒压充电方法特性曲线2.辅助电源电路（1）二阶段充电两阶段恒压充电方法是用两个恒压装置来控制电压。在初始阶段中，电池是由第一 恒压装置来充电的，该装 置具有较高的电压 设置（设 置为循环 充电电压）。当充电电流降低到预设值（它的值由电流检测电路检出）时，设备切换到低电压（设置为涓流充电电压）设置的第二阶段。二阶段充电方法，其优点是能够较快完成充电并为接下来的充电进程做准备。（2）三阶段充电在此充电系统中，电池与负载断开，在交流供电的情况下，用于补偿自放电而保持以小电流充电。在发生电源故障时，电池会自动连接到负载并切换到直流供电。该系统通常作为备用电源，充当应急设备。在使用中，如果需要放电之后的电池快速恢复，可先用较大电流进行充电，然后接着进行涓流充电。电池的类型和容量由备份时间和停电时的负载（电流消耗）测定，一些备用电源应考虑到诸如环境温度，充电器性力和放电深度等情况。2.4本章小结本章主要介绍了光伏发电系统以及充电控制器的技术基础，首先论述了光伏发电系统的原理和基本组成结构，简单介绍了有关太阳能电池的基础知识，如工作原理、光伏阵列模型、等效电路等，详细解释了PV电池的输出特性；其次，阐述了铅酸蓄电池的相关知识，简单对几种针对常规铅酸蓄电池的充电方法进行了讲解，为后文涉及到的充电控制器进行了简单的铺垫。第3章 光伏充电控制器的硬件技术基础由电路基本理论可知，只有在负载阻抗与电源内阻相匹配时，整个电路才会输出最大功率。而太阳能电池的阻抗会受到外界环境的影响，因此为实现阻抗匹配，负载阻抗也要随之变化。由于对于太阳能电池来说，它的阻抗就是铅酸蓄电池，因此需要在二者之间加入一个阻抗变换电路，即通过DC/DC变换电路来实现。太阳能发电系统被连接到有变换器的电网上。为了实现PV发电系统的最大功率点跟踪，通常可以用转换器来控制光伏端子的信号，从而控制电压（或电流）。3.1光伏充电控制器充电控制电路在光伏发电系 统中，较为常见的 DC/DC 变换电路 主要包括Cuk 电路，Boost 电路，Buck 电路 以及Buck-Boost 电路等，独立光伏 发电系统 中电能的 调控和 MPPT控制 的实现都 依赖于 DC/DC变换器,所 以直流 变换器 在整个系 统设计中 是非常 重要的 一个环 节。由于 独立光伏发 电系统 中，蓄电 池和 负载的 电压都 低于PV电池板在 最大功率点 的输出电压, DC/DC变 换器需 要实现电 压的降低, 本文光伏 充电控制 器的应用 场合，电压 等级不高， 功率较小， 且输入光 伏阵列 的输出电压，高 于蓄电池 组充电 电压，因此 本系统 采用 Buck 变换的 改进型 拓扑结构。为了提高 光伏发 电系统的 转换效率，系统 采用了 最大功率 跟踪算法来控制最 大功率。为了降低 系统损耗，系统 采用同步 整流电路，用功 率 MOS 管代替 普通的 续流二极 管，从而 大大 降低了开 关损耗，提 高充电 控制器 的充电转 换效率。充 电控制 器主电 路见附录。3.1.1 Buck 电路工作原理Buck电路（降压变换器）是由续流二极管 D1、功率开关器件S1、滤波电容 C2和滤波电感 L1构成，其电路拓扑结构如上图所示。降压转换器在输出端有一个滤波电感，这使得它为负载提供了一个平滑且连续的输出电流。开关S1直接与输入端相图3.1 Buck电路拓扑结构连，而输入端的电流是波动极大的，从而导致整个系统噪声的增加。必须采用一个合适的去耦方法来减小这个噪声，因此加入了电容器C1。其基本 原理是：在功率开关 管S1 的控制 端施加 一个周 期为 T的方 波控制 信号,低电 平时间 为,高电平 时间为, 控制信号 会使得 功率 关管周期 性地导通 和关断, 储能电感 L则会 周期性 地储存 和释放 磁场能 量,给负 载提供 电能,滤波 电容C2 可以降 低输出 电压的 波动, 使负载 电压 尽量维 持稳定。 Buck电 路有两 种基本 工作模 式：一 种是电感电 流连续的 工作模式 ，另 一种是电感电流 断续的工作 模式 。3.1.2 Buck电路元件参数的选取为使电路稳 定高效 运行, buck电路 中各个 元器件 参数的 选择也 是非常 重要的。1.滤波电容 2.电感（3.3）为了保证 电路安全 可靠的工 作，电感 量取临 界点的 1.2 倍，所 以电感 量取值L=Lc*1.2 330uH。3.功率开关器件功率开关 管在 PWM信号 下不断 导通与 关断, 由于工 作频 率高,因 此需 要开关 管有很 高的开 关速度。 目前使 用较多 的是 绝缘 栅型 双极型 晶体管 (IGBT)和 功率场效 应管(MOSFET) 。本系 统功率 较小，因此选用 MOSFET 作为 Buck 变换器 的功率 开关管。 MOSFET具有 优良的 开关特 性,具有体积 小、驱动 电路简 单、开关 速度 快等优点,并且工作 电流可 达几安培 到几十 安培, 耐压范围广， 可从几 十 伏到上 千伏,应用 场合非 常广泛。3.2 MOSFET 驱动电路主功率开关管驱动电路 的设计直 接影响 到 整个直流 变换电 路的可 靠性。 设计功 率管的驱 动电路 时,应 考虑以 下几个方 面:(l)功率管关闭瞬间 , 驱动电 路需要提 供一个低阻抗通 路,使得 栅源间的电压能 快速得到泄 放,避 免直通 现象,以此保证 功率管可以迅速 关断。(2)功 率管 开通 时,尽可能使栅源电压保持稳定的值。(3)驱动 电流要 足够大 ,能保 证栅源 电压上 升到需 要值, 使得开 关管迅速开 通,并 且消除 上升沿 的高频 振荡。(4) 为避 免电 磁干扰, 驱动电路应 靠近所控 制的功率 管,减小驱 动线的使用, 确保电 路的稳定 工作。图3.2 MOSFET驱动电路本系统的 MOSFET 驱动电 路采用 HCPL-3120 做驱动芯片， 其具有 2A 的峰值 电流，30V的 输出电 压， 15KV 绝缘耐压， 500nS 最大 开关时 间，PWM 控制信 号经过 HCPL -3120 隔离放大， 确保系 统获得足 够的 驱动能 力及 驱动速 率，来 保证 变换器正常的 运行。MOSFET 管栅 源极之 间的电容 电压泄 放回路由 三极管 Q12 与 电阻 RG8 组成， 当驱动 信号 关闭时，会形 成一 个低阻 抗通路。3.3本章小结本章主要 介绍了充 电控制 器的充 电控制 电路，简单 分析了 Buck电路 的工作 原理，电路几个 元器件 参数的计 算方法 和选择 原则。第4章 光伏充电控制器的软件设计与实现4.1光伏发电系统的智能充电技术从前文介绍的光伏发电系统的特殊性质可知，一些常规的充电方法存在不足之处，它不能很好地保护电池的寿命，从而增加了系统的成本。结合上述PV电池的输出特点和铅酸蓄电池的充电特性，特别针对独立光伏系统提出了智能充电控制技术。从上述分析可知，太阳能电池输出特性与外部环境密切相关，并在一定范围内存在最大功率输出点。为有效地利用光伏系统转换的电能，在光伏发电系统的充电控制器中加入了MPPT技术。综合考虑上述因素，本文的系统拟采用一种改进的三阶段充电方法，即整个充电环节有三个过程：最大功率充电，过充电和浮充电。1.最大功率充电技术2.过充电3.浮充电在这一阶段电池已达到了满容量的状态，为降低电池自放电对蓄电池容量的影响，该系统变为由小电流对电池进行补充充电。浮充电阶段，电池容量 是一个动态平衡的过 程中，能有效地防止 电池欠充电对蓄 电池容量和 蓄电池寿命的影响。4.1.1智能充电程序设计图4.1智能充电程序4.2最大功率跟踪算法（MPPT）太阳能电池是组成光伏发电系统最组基础的组成部分，要提高光伏发电系统的效率势必要提高PV电池的转换效率。由第二章节可知，光伏电池的效率随着温度和光照强度的变化有所变化。因此，为提高输出效率，就要对最大功率点进行跟踪。光伏发电系统的主要缺点是与常规的发电系统，或是相对于其他可再生能源（如风力发电）发电系统相比，产生相同电能它的生产成本会相对较高。因此，通过跟踪最大功率点从而最大限度地提高发电功率，增加输出的效率成为衡量一个光伏发电系统好坏的关键。最大功率点追踪（MPPT）技术是通过连接到电网的逆变器，太阳能电池充电器及类似设备，以一个或多个光伏模块实现最大功率输出的技术。光伏太阳能电池与光照强度（W /平方米），工作环境温度和阻抗等有着十分复杂的关系。对于具体的环境条件，都存在着对应最大输出功率的点，这一点被称为最大功率点（MPP），它会根据光照强度和工作环境的温度产生的变化而变化。为从光伏阵列中获得最大输出功率，通常使用最大功率点跟踪（MPPT）技术。4.2.1常用最大功率点跟踪算法分析1.定电压法 恒压（ CV ）原则的方法很简单，由恒定的电压为光伏系统提供支持，其中温度和太光照强度对整个系统的影响可以忽略不计。参考电压可以从最大功率跟踪点的P-V特性中直接得出。下图中研究的光伏系统 MPP电压约为16.3V。图所示是基于定电压法的工作流程和部分重要代码：开始测量V与Vref 图4.2 定电压法定电压法仅需要测量光伏电压。Matlab的嵌入式功能以1千赫兹的频率进行评估。然而定电压法不能有效地将环境温度和太阳的光照强度计入影响范围。因此，定电压法存在一些改进方案：开路电压法是基于定电压法的改进方案，它使最大功率点的电压总是在开路电压的75左右。该技术主要考虑到了温度的影响。但需要一个特殊的程序来测量开路电压。另外，这项技术可能加速阵列模型的老化。另一种对于定电压法的改进方案是有关温度：这种情况下开路电压与温度呈线性相关。应用温度传感器，不再需要对开电压进行测量，它的值可以直接从温度值中读取。2.电导增量法（4.1）电导增量法是根据比较光伏阵列电导瞬时值和电导增量值的大小，来判断参考电压，进而实现最大功率跟踪。从第二章所述可知，光伏阵列的P-V曲线只有一个极大值，在这个峰值处有dP/dV=0，也就是最大功率点，其中P为系统的输出功率，V为系统的输出电压。P与V的关系可表示为：对上式进行变换，有（4.2）（4.3）因此可得（4.4）有这个方法同样可以改进，当电压是恒定的时候，是不确定的。因此可以将第一种和第二种方法结合起来。流程图见图4.2。 3.扰动观察法 扰动观察法是一种相对简单而有效的算法 。该算法是用迭代的方法来实现最大功率点跟踪的（萨拉斯，2006年）。扰动观察法的第一步是测量光伏系统实时输出的电压和电流，并使用这些值来计算由光伏面板输出的功率。然后，该算法的当前功率与已被存储在存储器中的前一迭代功率结果进行比较。如果当前刚好第一次迭代，那么当前功率将与默认的常用参数值进行比较。预先设置的参数将会直接影响系统的比较结果。为确保找到光伏面板的最大功率点 ，这个常数在所述算法中一般是默认好的，占空周期会保持不变，直到外界条件的变化足以改变最大功率点的位置。如果此步骤中不包括该算法将不断改变占空比，导致面板的工作点不断在最大功率点周围移动。这样的移动会破坏功率流，也可能会造成工作点一直不在最大功率点上，从测量,开始图4.2 改进电导增量法而造成不必要的损失。该算法中的下一个步骤是确定目前的功率是否大于或小于以前电源的功率。显而易见，接下来将对两次迭代的结果进行比较。比较的结果将会得出当前工作点在最大功率点的什么位置，从而允许算法来调整正确的占空比。该方法的最后一步是实际改变输出到转换器的占空比，并再下一次进城开始之前等待转换器稳定下来。其算法流程图如下图所示。优化扰动观察算法有很多种方法。第一个也是最重要的是要谨慎选择系统的常量。第一个常数（流程图中）反映了最大功率点是否发生了变化。它需要足够大到一旦发现最大功率点，就要立即停止振荡效应；但又要足够小到即使最大功率点出现微小的变动，也要准确的将工作点移动到最大功率点出。优化的另一个重要的常数是由每个扰动量所引起的占空比的变化量（）。通过合理的选择这个参量可以避免当最大功率点发生变化而引起的振荡。同时也会影响该参量的选取，也就是占空比的变化量与第一测量,计算返回图4.3 扰动观察法个常量有关。该方法控制简单，需要测量的参数少且硬件的实现更加容易。然而正是由于扰动观察法容易实，它的缺点也与之有关。因为系统的工作点在最大功率点附近不断移动，从而导致系统在最大功 率点工作时 出现振荡现象。而振荡的程度与步长的选区有关。小步长可以减小振动，但跟踪过程中会因速度过慢而较小功率；相对较大的步长可以增加追踪的速度，但在MPP处又会造成较大的振荡。另一个主要的缺点是，如果外部环境不断变化，该算法可能会错误判断导致工作点的偏移。因此，为了提高跟踪速度，同时为了减少了振动，改进了传统的扰动观察法是十分必要的。4.2.2改进的最大功率点跟踪算法小的步长可以减小振荡的幅度，功率损失也会减小。然而，如果系统的照明强度突然变化，那么系统的工作速度也会下降。因此，扰动步长必须合理地根据工作点进行调整。由于光伏阵列的非线性特性，线性控制无法实现变步长。目前模糊逻辑控制法和中性网络控制法都可以通过改变步长来达到提高MPPT效率的目的，但这些方法都太复杂，本文将采用一种更简单的方法来实现这个目标。图4.4如图4.4所示，为正值，当的值迅速下降时，则可知光伏组件工作在最大功率点附近。在传统的扰动观察法中，步长是保持不变的，在这种情况下光伏组件工作状态迅速从区变为区。理论上讲光伏组件应缓慢的将工作点移至最大功率点以减少振动，因此补偿应调整为一个相对较小的值。为准确调整步长，本文采用改进的扰动观察法。从上图可看出在区最大功率点附近，光伏组件的电流发生了较大的变化，步长的调整可以以电流的变化来确定。流程图如下图所示。J=-1-J=00开始采集电流电压YYYNNNNYN图4.4 改进的扰动观察法 （4.5）在区，电流的变化与占空比有关，因此上述关于补偿的调整不适用于这个情况。从式4.5可看出，当光伏系统工作在区和区时，工作点附近的两个的乘积是正数，而当工作点穿过最大功率点时乘积为负数。工作点从区穿过区时步长减小。这个乘积可以作为调整补偿的标准。（4.6）1.J与均大于0：工作点工作在区并远离最大功率点。光强迅速变化时，需要一个较大的步长使工作点快速移动到最大功率点。当迅速减小，即工作点在MPP附近，可适当减小步长使工作点缓慢接近MPP并减小振荡。当迅速增加时，即工作点离MPP较远时（区），适当增大步长使工作点迅速回到MPP处。2.J小于0：存在两种情况，一种是工作点从区穿过区或从区回到区。另一种情况是工作点在区但的值小于给定的值。在这种情况下，工作点工作于最大功率点，可选取一个较小的步长来减小振荡。3.J大于0，小于0：工作点工作在区且远离MPP。此时光强较稳定且小于给定的值。步长同样选择一个较小的值来减小振荡。4.3最大功率跟踪算法的仿真使用Matlab / Simulink对上述最大功率跟踪算法进行了仿真，电路图如下图所示。 这里的电压和电流输入感测所示来计算功率。一个饱和度限制设置监测的增加或减少的电压，以避免在振荡MPP的。图4.5最大功率跟踪算法仿真电路图 （a）电压-时间 无MPPT T=25 光照 1,000 W/m2 （b）电压-时间 无MPPT T=25 光照 600 W/m2图4.6 不采用MPPT算法仿真波形 （a）电压-时间 MPPT T=25 光照 1,000 W/m2 （b）电压-时间 无MPPT T=25 光照 600 W/m2图4.7采用MPPT算法仿真波形4.4本章小结本章主要介绍了智能充电程序和MPPT算法程序，分别对两种算法进行了详细的说明。对最大功率跟踪算法提出了改进方案，实现了MPPT的仿真。结论1.本文主要 研究工作 总结如下：(1)阐明了 课题的 研究背景 及意义， 国内外 光伏发 电产业 的现状及 未来的 趋势， 以及对光 伏发电 系统充 电控制器 设计与研究 的重要 性。(2) 介绍了 光伏发电 系统的 概况。 简单描述 了PV 电池的工 作原理 与特性 ，和独立光 伏发电系 统的原理与构 成。对太阳能 电池的工作 原理，等效电 路及其I-V、 P-V输出 特性，对 铅酸蓄电池 的基础知识 、常用充电 方法进行 了研究。(3) 介绍了 充 电 控制 器 的充 电控制 电路，分析 了 Buck 电路 的工作 原理，电 路 元器件 参数的计 算方法 和 选择 原则 。(4) 阐述了智能 充电技术， 对MPPT 控制算法 进行了简 单介绍， 并比较 、分析了 各个方法 的优缺点 ，提出了 合理的改进 算法。 2.未来 工作的 展望 为了优 化系统 的各项指 标，还需 要进一步的 完善工作 ：（1