光伏充电器设计论文.doc

Abstract 摘摘 要要 太阳能是清洁无污染的可再生能源，利用太阳能是世界能源发展战略的重 要内容之一，其中太阳能发电最受瞩目，而太阳能电池作为把太阳能转换为电 能的功能型材料和器件已被广泛应用。本文主要阐述了光伏充电系统的设计， 其中本设计中主电路采用BUCK变换器，控制电路核心采用的是TI公司电压型 PWM控制芯片TL494。BUCK变换器结构简单，动态性能比较好；TL494是典型 的固定频率脉宽控制集成电路，它包含了控制开关电源所需的全部功能，价格 便宜。本设计中最关键的部分就是光伏电池的MPPT的控制方式，通过各种方式 的优缺点比较，本课题中采用CVT（CVT：Constant Voltage Tracking）型最大功 率点跟踪算法实现光伏阵列最大功率点跟踪，CVT型控制算法具有结构简单、 良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。 关键词关键词：BUCK 变换器；TL494；MPPT；光伏电池 目 录 I 目目 录录 摘摘 要要.I 目目 录录.II 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 引言.1 1.2 光伏发电的国内外研究现状与趋势.1 1.2.1 世界的光伏发电现状与趋势.1 1.2.2 我国的光伏发电现状与趋势.2 1.2.3 光伏产业的发展趋势.3 1.3 本课题研究的主要的内容与目的.4 第二章第二章 光伏电池特性光伏电池特性.5 2.1 光伏电池特性介绍.5 2.3 硅光伏电池的原理及其特性.5 2.3.1 硅光伏电池的结构及工作原理.5 2.3.2 硅光伏电池的特性.6 2.3.3 硅光伏电池结温和日照强度对光伏电池输出特性的影响.8 第三章第三章 最大功率点跟踪原理最大功率点跟踪原理.11 3.1 常用的最大功率点跟踪原理.11 3.2 常用的最大功率点跟踪原理.11 3.2.1 最大功率点追踪算法.12 3.2.2 扰动观察法(爬山法)及其改进自适应算法.12 3.2.3 增量电导法.12 3.2.4 恒定电压法与短路电流法:.12 3.2.4 滞环比较法.13 第四章第四章 充电器电路设计充电器电路设计.15 4.1 控制芯片 TL494 简介.15 4.1.1 TL494 功能特性 .15 4.1.2 TL494 管脚配置及其功能 .15 4.1.3 TL494 的极限参数 .16 4.2 本设计光伏电池的 MPPT 控制方式 .16 4.3 光伏充电系统控制原理框图.17 4.4 光伏充电系统主电路设计.18 目录 II 4.4.1 光伏充电系统主电路结构.18 4.4.2 主电路参数设计.18 4.5 控制电路设计.19 第五章第五章 实验结果与实验装置实验结果与实验装置.23 5.1 充电系统实验结果及实验装置.23 5.1.1 工作点调节实验波形.23 5.1.2 实验装置.24 第六章第六章 总结与展望总结与展望.27 6.1 本课题的必要性.27 6.2 本课题所作的主要工作.27 6.3 结论.27 致致 谢谢.28 参考文献参考文献.29 附录附录 1 总电路图总电路图.30 附录附录 2 实物图实物图.31 目录 0 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 引言引言 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 能源成为当前人类面临的迫切课题。现有能源主要有 3 种，即火电、水电和核 电。 火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面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。另一 方面燃烧燃料将排出 CO2 和硫的氧化物，因此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。 1.21.2 光伏发电的国内外研究现状光伏发电的国内外研究现状与趋势与趋势 光伏发电的国内外是一种朝阳产业，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，已经引起了世界许多 国家的高度重视。 1.2.1 世界的光伏发电现状世界的光伏发电现状与趋势与趋势 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 3 000 Mw 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。当 2010 年欧洲风力 发电达到约 40 GW、光伏发电 3GW 和太阳能集热器 100 Mm 时，总计可提供 154 167 万个就业机会。日本已于 1992 年 4 月实现了太阳能发电系统同电力 公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从 1994 年开始以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的 制度。要求第一年有 1000 户家庭、2000 年时有 7 万户家庭装上太阳能发电设备。 据日本有关部门估计日本 2100 万户个人住宅中如果有 80装上太阳能发电设备， 便可满足全国总电力需要的 14，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能 第一章 绪论 1 发电，则太阳能发电将占全国电力的 3040。当前阻碍太阳能发电普及的 最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的 3 千瓦发电系统，需 600 万至 700 万日元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到 100 万到 200 万日元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高 变换效率和降低成本。 不久前，美国德州仪器公司和 SCE 公司宣布，它们开发出一种新的太阳电 池，每一单元是直径不到 1 毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝 箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约 50 平方厘米的面积上便分布有 1，700 个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变换效率只有 810%，但 价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，挂 在向阳处便可发电，非常方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的 设备只要 15 至 2 美元，而且每发一度电的费用也可降到 14 美分左右，完全可 以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁 上，每年就可获得一二千度的电力。 世界能源组织对太阳能光伏发电的未来发展做出如下预测：2020 年世界光 伏发电的发电量占总发电量的 1%，2040 年占总发电量的 20%。欧洲光伏工业协 会(EPIA)对光伏发电的预测为：2020 年世界太阳能光伏组件年产量将达到 40GWp，光伏发电总装机容量 195GWp，发电量 274TWh，占全球发电量的 1，太阳电池的组件成本下降到 1 美元 IWp；2040 年光伏发电量 7368TWh， 占全球发电量的 21%。2020 年世界的光伏发电累计装机容量将达到 200GWpa。 其中美、日、欧安装总量超过世界总量的 50%。随着光伏市场和产业的快速发 展，光伏发电的成本也随之下降并逐步接近和达到常规发电成本水平。近年来 光伏发电发展速度比以前任何时候预测的要快得多，因此光伏发电成本的下降 速度也比以前预测的要快，尽管近年来多晶硅材料短缺减缓了成本的下降速度。 如预测的那样，随着常规发电成本的不断提高，到 2020 年左右光伏发电与常规 发电相比，完全具有竞争能力。 综上所述，世界各种权威机构对可再生能源替代速度和光伏发电未来前景 的预测具有高度一致性。我们有理由相信这些预测结果具有很高的科学性和可 信度，因而具有重要的参考价值。这些预测充分说明可再生能源替代化石燃料 的紧迫性和必然性，说明光伏发电未来的重要战略地位。 1.2.2 我国的光伏发电现状与趋势我国的光伏发电现状与趋势 我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤。太阳能资 源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在 5000 公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均 日辐射量在每平方米千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米千瓦时。年 目录 2 日照时数大于 2000 小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日 本优越得多，因而有巨大的开发潜能。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各 国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国作为世界能源 消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于 发达国家 10-15 年，甚至明显落后于印度。但是，我国光伏产业正以每年 30%的 速度增长，2006 年底国内光伏电池生产能力已达 450MW 以上。在国家各部委 立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达 21%，可商业化光伏组件效 率达 14-15%，一般商业化电池效率 10-13%。目前我国太阳能光伏电池生产成本 已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从 2000 年的 40 元/瓦降到 2003 年的 33 元/ 瓦，2004 年已经降到 27 元/瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决 定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。 1.2.3 光伏产业的发展趋势光伏产业的发展趋势 技术进步是降低光伏发电成本、促进光伏产业和市场发展的重要因素。几 十年来围绕着降低成本的各种研发工作取得了显著成就，表现在电池效率不断 提高、硅片厚度持续降低、产业化技术不断改进等方面，对降低光伏发电成本 起到了决定性的作用。 商业化电池效率不断提高。先进技术不断向产业注入，使商业化电池技术 不断得到提升。目前商业化晶硅电池的效率达到 15%20%（单晶硅电池 16%20%，多晶硅 15%18%） ；商业化单结非晶硅电池效率 5%7%，双结非晶 硅电池效率 6%8%，非晶硅微晶硅迭层电池效率 8%10%，而且稳定性不断 提高。电池效率的提高是光伏发电成本下降的重要因素之一。 商业化电池硅片厚度持续降低。降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶 硅太阳电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面。30 多年来，太 阳电池硅片厚度从 1970 年的 450500m 降低到目前的 180200m，降低了一 半以上。硅材料用量的大幅度降低是技术进步促进成本降低的重要范例之一。 产业化规模不断扩大。生产规模不断扩大和自动化程度持续提高是太阳电 池生产成本降低的重要因素。太阳电池单厂生产规模已经从上世纪 80 年代的 15MWp/年发展到 90 年代的 530MWp/年，2006 年 25500MWp年，2007 年 251000MWp年。对于太阳电池来说，30 年统计的结果，是所有可再生能源 发电技术中最大的，是现代集约化经济的最佳体现者之一。 光伏组件成本和发电大幅度降低。光伏组件成本 30 年来降低了 2 个多数量 级。2003 年世界重要厂商的成本为 22.3 美元/Wp，售价 2.5-3 美元/Wp，2004 年以后因材料紧缺价格有所回升。其中技术的革新是促使产品成本降低的主要 原因。 第一章 绪论 3 光伏工业专用设备制造业的发展。30 年来光伏产业专用设备制造业的技术 提升是光伏工业发展的重要标志之一，它对光伏工业发展和光伏发电成本降低 起到举足轻重的作用。 1.3 本课题研究的主要的内容与目的本课题研究的主要的内容与目的 本课题共分为五章节，首先第二章针对光伏电池的特性进行系统性分析， 对光伏电池的原理、负载特性和输出特性曲线等深入掌握和了解，在以上基础 上确定光伏充电器的系统结构，本设计即主电路采用 BUCK 变换器，控制电路 核心采用的是 TI 公司电压型 PWM 控制芯片 TL494；其次第三章是对 TL494 的 功能特点、引脚功能及数据、等方面的论述；进而第四章是对各种 MPPT 控制 方式的优缺点和使用中的问题分析和原理性介绍；最后第五章是电路的总体性 设计，包括主电路和控制电路。本设计的目的是根据太阳能光伏电池组件的 P-V 特性曲线，设计出一台太阳能光伏充电器，本充电器可实现太阳能电池组件最 大功率点跟踪，使太阳电池组件输出功率最大。 光伏充电系统的原理图如图 2.4 所示，主电路采用 BUCK 变换器，控制电 路核心采用的是 TI 公司电压型 PWM 控制芯片 TL494。BUCK 变换器结构简单， 动态性能比较好；TL494 是典型的固定频率脉宽控制集成电路，它包含了控制 开关电源所需的全部功能，价格便宜。 VT L C BATTERIES D 电压检测 电流检测 MPPT控制器 SPX SPg If电流检测 Ig 光伏组件 图 1-1 光伏充电系统原理 目录 4 第二章第二章 光伏电池特性光伏电池特性 2.1 光伏电池特性介绍光伏电池特性介绍 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。目 前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多 晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶 硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。 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 输出的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.为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能，其制造工艺、 组合安装，以及在设计配套的控制系统时，都要考虑改善光伏电池外特性的问 题。 2.3 硅光伏电池的原理及其特性硅光伏电池的原理及其特性 2.3.1 硅光伏电池的结构及工作原理硅光伏电池的结构及工作原理 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。 图2-1 硅太阳能电池外形结构图 第二章 光伏电池特性 5 硅太阳能电池的工作原理为：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。 2.3.2 硅光伏电池的特性硅光伏电池的特性 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。太阳能电池为 PN 结型二极管, 因为在光的照射下产生正向偏压，所以在 PN 结为理想状态的 情况下，可根据图 2.2 表示的等效电路来考虑。 图2-2 理想状态的太阳能电池等效电路图 使用这种等效电路时，加给负载的电压 V 和流过负载的电流 I 之间的关系， 可由下式给出： (2.1) P R PVSPV T PVSPV oLPV IRV 1) V IRV exp(III 式中：IF，IL 是流过二极管的正向电流和光电流；q 是载流子的电荷；k 是 玻耳兹曼常数；T 是温度K；I0是二极管的饱和电流。 在实际的太阳能电池中，存在着与漏泄电流相当的二极管并联电阻 Rsh，和 目录 6 串联电阻 Rs。此时的等效电路可根据图2.4来描述: 图 2-3 实际太阳能电池等效电路图 其伏安特性可由下式给出： (2.2) sh oLFL R IRV akT IRVq IIIII 55 1exp 式中： 是取决于 PN 结特性的常数，一般取该值近似于1。 将式(2.2)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2.5。 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/m2，太阳电池温度 T=25，大气质量 AM=1.5时，太阳电池输出的最大功率便为它的额定功率，对 应于图2.5中的 M 点。太阳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 2-4 太阳电池的输出特性 第二章 光伏电池特性 7 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(short circuit current)：当 V=0时，对应的最大电流值； 开路电压 Voc(open circuit voltage)：当 I=0时，对应的最大电压值； 工作点(working point)：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 太阳电池处获得的功率，即图中矩形0IMMVM0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。 2.3.3 硅光伏电池结温和日照强度对光伏电池输出特性的影响硅光伏电池结温和日照强度对光伏电池输出特性的影响 由式(2.2)和等效电路可知日照强度和电池结温是影响太阳能电池阵列功率输 出的最重要的参数，温度上升将使太阳能电池开路电压 Voc 下降，短路电流 Isc 则略微增大，如图2.5所示；总体效果会造成太阳能电池的输出功率下降，如图 2.6所示。注意这里是指太阳能电池结温的变化，而不是指环境温度。太阳能电 池结温和环境温度的关系依赖于日照强度，如图2.7所示。 图2-5 不同温度下的 I-V 曲线 图2-6 不同温度下的 P-V 曲线 图2-7太阳电池温度和日照强度之间的关系曲线 目录 8 日照强度在极大的程度上影响太阳能电池阵列的输出电流。图2.8和图2.9给 出了不同日照强度下典型的 I-V 和 P-V 特性。 图2-8不同日照强度下的 I-V 曲线 图2-9不同日照强度下的 P-V 曲线 由图2.8和图2.9中光伏电池在标准温度及标准光强下的 P-V 特性可以看出， 光伏电池的输出特性受环境变化影响很大，其中光照强度主要影响光伏电池电 流，而光伏电池电压主要受温度影响，因此简单的 CVT 控制技术是不能满足光 伏电池最大功率输出要求的，从而使得 MPPT 控制技术更加适用。 第三章 最大功率点跟踪原理 9 目录 10 第三章第三章 最大功率点跟踪原理最大功率点跟踪原理 “最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）简称“MPPT”， 所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦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。 3.13.1 常用的最大功率点跟踪原理常用的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，并且其输出受太阳辐照度、环境温 度负载情况影响。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 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. 3.23.2 常用的最大功率点跟踪原理常用的最大功率点跟踪原理 最大功率点跟踪分为自寻优和非自寻优方法两大类型。其中，自寻优方法 主要包括扰动观察法（爬山法） 、增量电导法、恒定电压法或短路电流法以及基 于爬或扰动观测法的改进自适应算法。非自寻优方法则主要包括曲线拟合法等。 第三章 最大功率点跟踪原理 11 3.2.13.2.1 最大功率点追踪算法最大功率点追踪算法 由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，因此可以采用搜索算法进行最 大功率点跟踪。其搜索算法可分为非自寻优和自寻优两别。所谓非自寻优算法 是根据外界环境因素(如光照和温度)的变化，利用数学型或表方法确定最大功率 点。该方法在实际中很少采用，本文不进行详述。自寻优算是不直接检测外界 环境因素的变化，而是通过直接测量得到的电信号，判断最大率 点的位置，从而进行追踪。目前文献己提出的自寻优算法主要包括扰动观 察法增量电导法、恒定电压法、短路电流法以及基于爬山法或扰动观测法的改 进自适应算法。 3.2.23.2.2 扰动观察法扰动观察法( (爬山法爬山法) )及其改进自适应算法及其改进自适应算法 扰动观察法是目前常用的最大功率跟踪方法，它通过不断扰动太阳能光伏 系统的工作点来寻找最大功率点的方向。其原理是先扰动输出电压值，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。扰动观察法的优点是简单可靠，容易实现，缺点是难以选择合适的步 长：步长过小，跟踪时间拉长而影响系统的动态响应特性；步长过大，输出功 率波动加大，其均值大大小于最大值，稳态误差变大。据此，文献6提出了一 种改进自适应算法，通过加入步长 a 的自动在线调整器使问题得到解决，同时 保证系统的动、稳态性能。 3.2.33.2.3 增量电导法增量电导法 增量电导法也是 MPPT 控制常用的算法，它能够判断出工作点电压与最大 功率点电压之间的关系，对于功率 P 有下式：P=IV （1）将式（1）两端对 V 求导，并将 I 作为 V 的函数，可得：dPdV= d(IV)dV=1+V dIdV（2）从式 （2）可知，当 dPdV0 时，V 小于最大功率点电压；当 dPdV0 时，V 大于最 大功率点电压；当 dPdV=0 时，V 即为最大功率点电压。增量电导法的最大优 点是，当外界日照强度发生迅速变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其 变化，从而保证最大功率的输出。 3.2.43.2.4 恒定电压法与短路电流法恒定电压法与短路电流法: : 相对于电池板温度变化引起的光伏阵列输出功率的变化而言，辐照度的变 化对光伏阵列输出功率的影响更大。而不同辐照度下最大功率点对应的输出电 压 Vopt 变化不大。实验表明同一辐照度下的 Vopt 与开路电压 Vopen 的比值只 与光伏组件的参数有关，而对环境温度的变化不敏感，可近似认为是一常数。 因此，基于以上特性设计的最大功率追踪算法被称为恒压法。短路电流法是根 据同一辐照度下最大功率点对应的输出电流 Iopt 与短路电流 Ishort 的比值近似 目录 12 等于 0.91 而设计的算法。该算法的实施需要不断将光伏阵列短接，以测量阵列 的短路电流。因此，短路电流法与恒定电压法的原理实质是一致的。 3.2.4 滞环比较法 在外界环境并不时常快速变化的系统中，常用滞环比较法16代替爬山法实 现太阳能电池的 MPPT，它能避免一旦外界环境快速变化时，爬山法可能会引起 控制器的“误判”现象。滞环比较法控制原理在于使系统的工作点不随外界环 境快速改变而变化，而是等其变化缓慢后再跟踪太阳能电池的最大功率。滞环 比较法原理详述如下： 从太阳能电池的输出功率 P 与 DC/DC 变换器占空比 D 的特性曲线 P-D 中 (图 3-2 所示)可知，如果在曲线最大功率点处任意选取三个不同的位置 A，B，C(对应占空比依次增大)，则曲线段可分为五种形式，如图 2.19 所示。 在分析如何改变 DC/DC 变换器占空比变化的方向以实现太阳能电池的 MPPT 之 前，程序设定了一个符号运算变量 F，其初始值为 0。F 赋值原则为：当 A 点输 出功率小于 B 点的时，F=F+1，否则 F=F1；同时当 C 点输出功率小于 B 点的 时，F=F1，否则 F=F+1。比较完毕后，如果 F=2，则判断 DC/DC 变换器的占 空比 D 需增加一个增量 ； F=2 则认为 D 需减小一个 a；F=0，则认为系统当 前工作在最大工作点而保持当前 D 不变。在 A，B，C 三点功率检测上，控制器 先默认当前工作点为 B 点并读取其输出功率，然后控制 D 增加一倍 以读取 C 点的功率，最后再减小两倍 以读取 A 点的功率。连续检测三点功率后再比较 计算出变量 F 的值来判断占空比改变的方向。 图 3-2 最大功率点附近 P-D 曲线的五种形式 以上是基于系统外界环境变化缓慢场合的分析，当由于一些因素使得外界 环境快速变化时，最大功率点附近的 P-D 曲线除图 3-2 所示的五种形式外还存 在三种形式，如图 3-3 所示。而根据以上的滞环比较法原理，图 3-3 中的三种形 式中 F 均为 0，系统并不跟随外界环境的变化而变化 DC/DC 变换器的占空比， 这避免了爬山法带来的“误判”现象。 图 3-3 外界环境快速变化时工作点附近 P-D 曲线 第三章 最大功率点跟踪原理 13 滞环比较法控制流程如图 3-4 所示。图中，D、 为系统中 DC/DC 变换器的 占空比和占空比增量；F 为符号运算变量，其值在 0、2、2 间选择； VA、IA、PA、DA； 图 3-4 滞环比较法控制流程图 VB、IB、PB、DB； Vc、Ic、Pc、Dc 分别代表 A、B、C 三点的电压、电 流、功率和 DC/DC 变换器的占空比。 滞环比较法消除了爬山法的“误判”问题，但在外界环境快速变化过程中，无 法实现 MPPT 而导致能量损失，因此此种方法只适应于外界环境并不时常快速 变化的系统中。另外，滞环比较法同样面临了爬山法中占空比增量 和采样时 间选取的问题。 以上的分析可知，由于太阳光辐射度的不确定性、太阳能电池工作温度的 变化、负载的变化以及太阳能电池输出特性强烈的非线性特征，均使得系统的 最大功率点随外界环境和负载的变化而时刻变化的。针对这样的非线性特征， 采用模糊逻辑控制法(Fuzzy Logic Control- FLC)实现光伏系统中的 MPPT 控制， 可克服常规算法带来的采样时间选取和 的问题，当通过微控制器执行时，能 够获得比较理想的效果。 淮安信息职业技术学院 14 第四章第四章 充电器电路设计充电器电路设计 4.14.1 控制芯片控制芯片 TL494TL494 简介简介 4.1.1 TL494 功能特性功能特性 TL494 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部 功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494 有 SO-16 和 PDIP-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下： 1.集成了全部的脉宽调制电路。 2.片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅一个电阻和一个电容。 3.内置误差放大器。 4.内止 5V 参考基准电压源。 5.可调整死区时间。 6.内置功率晶体管可提供 500mA 的驱动能力。 7.推或拉两种输出方式。 4.1.24.1.2 TL494TL494 管脚配置及其功能管脚配置及其功能 图 4-1 TL494 管脚图 TL494 的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两 个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图 4-1 是它的管脚图，其 中 1、2 脚是误差放大器 I 的同相和反相输入端；3 脚是相位校正和增益控制；4 脚为间歇期调理，其上加 03.3V 电压时可使截止时间从 2%线怀变化到 100%；5、6 脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7 脚为接地端；8、9 脚和 11、10 脚分别为 TL494 内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12 脚为电源 供电端；13 脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接 14 脚时为推 第四章 充电器电路设计 15 挽输出方式；14 脚为 5V 基准电压输出端，最大输出电流 10mA；15、16 脚是 误差放大器 II 的反相和同相输入端。 4.1.34.1.3 TL494TL494 的极限参数的极限参数 表 4-1 TL494 的极限参数 名称代号极限值单位 工作电压Vcc42V 集电极输出电 压 Vc1,Vc242V 集电极输出电 流 Ic1,Ic2500mA 放大器输入电 压范围 VIR-0.3V+42V 功耗PD1000mW 热阻RJA80 /W 工作结温TJ125 工作环境温度 TL494B TL494C TL494I NCV494B -40+125 0+70 -40+85- 40+125 额定环境温度TA40 4.24.2 本设计光伏电池的本设计光伏电池的 MPPTMPPT 控制方式控制方式 光伏阵列是一种非线性电源。其输出特性曲线可以视为由恒电流区域与恒 电压区域组成，这两块区域的交界点即为最大功率点。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，从功率的角度上可以将他们 视为当前工况下的最优点。由于光照强度与温度的变化将会分别改变这些恒电 流与恒电压区域，所以最大功率点跟踪也是随之变化的。 由前面的分析可知，当忽略温度效应时，硅型光伏组件的输出特性如图 2.5 所示，光伏组件在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在某一个恒定的 电压值 Um 附近。假如曲线 L 为负载特性曲线，a、b、c、d 和 e 为相应光照强 度下直接匹配时工作点。显然如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。 为了弥补阻抗失配带来的功率损失，采用恒定电压（CVT：Constant Voltage Tracking）控制策略，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成 为一个稳压器，即整列的工作点稳定在 Um 附近。保证光伏阵列的输出功率接 近最大功率点输出点。 淮安信息职业技术学院 16 在 CVT 型 MPPT 中,可以把不同日照下的最大功率点处理为一根近似的直线 Um=const，也就是说，只要使系统在运行过程中光伏阵列一直保持其工作电压 为 Um=const，就可以保证光伏阵列始终具有在当前日照下的最大功率输出。 本文采用 CVT 型最大功率点跟踪算法实现光伏阵列最大功率点跟踪，CVT 型控制算法具有结构简单、良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较 多使用。 图 4-2 光伏组件输出特性与负载匹配曲线 4.34.3 光伏充电系统控制原理框图光伏充电系统控制原理框图 PI调节器1 - Ki Ku USP* USP 蓄电池 负载 PI调节器2 Ig* If PWM PI调节器3 Ubat Ug* Ug 图 4-3 光伏充电系统控制原理框图 CVT 型 MPPT 控制方式采用了典型的电压、电流双闭环控制，如图 2.6 所 示。电压环为外环，电流环为内环，动态调节速度非常快，完全可以满足系统 调节的快速性要求。对光伏独立发电系统来说，其最大功率跟踪部分主要体现 第四章 充电器电路设计 17 在光伏阵列对蓄电池的充电环节。因此，结合蓄电池的充电特性，本控制方式 采用电压外环为复合控制结构，可实现蓄电池的过充保护和恒压涓流充电功能。 在图 4-3 中，USP*为给定光伏阵列的 CVT 工作电压,，其值是根据经验再加上实 测获得，USP 为实时检测出的光伏阵列实际电压值，Ug*为给定蓄电池的过充电 压，Ug 为实时检测出的蓄电池实际电压值。 4.44.4 光伏充电系统主电路设计光伏充电系统主电路设计 4 4.4.1.4.1 光伏充电系统主电路结构光伏充电系统主电路结构 VT L C BATTERIES D 光伏电池 图 4-4 充电系统主电路结构 本文设计的光伏充电系统的主电路采用 BUCK 电路拓扑，主要由光伏电池、 功率器件、滤波电感、电容、续流二极管、蓄电池组成