畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)輸出方案的設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)：Xxx姓名：Xxx專業(yè)：自動(dòng)化系別：電子信息與控制工程系指導(dǎo)教師：XxxxXxxx二○一二年六月摘要人類對(duì)能源的需求日益增加，傳統(tǒng)的化石能源正日趨枯竭，能源危機(jī)已展現(xiàn)在人類面前，太陽能因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)而得到青睞。但因?yàn)楣夥姵氐妮敵鎏匦允芡饨绛h(huán)境因素影響大，而且光伏發(fā)電系統(tǒng)的投入較大，為有效利用太陽能，需要對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)加以有效的控制。本文著重對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，光伏電池的主要特性和基本電路設(shè)計(jì)。首先，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、電力電子變換器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)載等。并介紹了DC-DC轉(zhuǎn)換電路的物理作用，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的關(guān)系，還可以把它分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。然后，本文對(duì)光伏電池的電氣特性進(jìn)行了分析，建立了光伏電池的等效模型。同時(shí)，本文對(duì)常用的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方法：電壓回授法、功率回授法、微擾觀察法進(jìn)行了仔細(xì)的分析和研究，在最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)上采用了單級(jí)式系統(tǒng)的控制策略，并通過微擾觀察法進(jìn)行下一步的電路設(shè)計(jì)和程序的編寫實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)的輸出。通過硬件的電路來實(shí)現(xiàn)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證它的可行性。關(guān)鍵詞：太陽能、光伏發(fā)電、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、單級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)、最大功率點(diǎn)(MPP)、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）、微擾觀察法ABSTRACTTheenergydemandisincreasingdaybyday,thetraditionalfossilenergysourcesdriedupwitheachpassingday,theenergycrisishasunfoldedinfrontofhumanity,solarenergybecauseofitsuniqueadvantageandgetthefavor.Butbecausetheoutputcharacteristicsofthephotovoltaicbatterybytheexternalenvironmentalfactors,andphotovoltaicpowergenerationsysteminputislarge,fortheeffectiveuseofsolarenergyphotovoltaicpowergenerationsystem,theneedforeffectivecontrol.Thispaperfocusesonthephotovoltaicarraymaximumpowerpointtrackingcontroltechniquesareanalyzedindetail,thephotovoltaiccellmaincharacteristicsandbasiccircuitdesign.Firstofall,thephotovoltaicpowersystemstructureisanalyzed,photovoltaicpowergenerationsystemincludesaphotovoltaicarray,powerelectronicconverter,energystoragesystemandload.AndintroducedtheDC-DCconversioncircuitofphysicalrole,accordingtothephotovoltaicpowergenerationsystemandpowerrelations,alsocanbedividedintoindependentpowergenerationsystemandpowergenerationsystem.Then,basedonthephotovoltaicbatteryelectricalcharacteristicsareanalyzed,establishedaphotovoltaicbatteryequivalentcircuitmodel.Atthesametime,inthispaper,andthemaximumpowerpointtracking(MPPT)methodvoltagefeedbackmethod,powerfeedbackmethod,perturbationandobservationmethodundertookcarefulanalysisandresearch,andthroughtheobservationforthenextstepofcircuitdesignandprogramrealizationofphotovoltaicmaximumpowerpointoftheoutputofeachonehashisgoodpoints.Furthermore,thephotovoltaicsystem,maximumpowerpointtrackingimplementationinthesinglestagetypecontrolsystem.Throughthehardwarecircuit,andthroughthesimulationexperimentstoproveitsfeasibilityKEYWORDS：Solarenergy、photovoltaicpowergeneration、DC-DCconversioncircuit、singlestagetypephotovoltaicsystem、maximumpowerpoint(MPP)、maximumpowerpointtracking(MPPT)、Perturbationandobservationmethod目錄TOC\o"1-3"\h\z摘要iiABSTRACTiii目錄iv1緒論11.1人類所面臨的能源問題11.2光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)11.3光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的背景和意義21.4本課題的目的32光伏發(fā)電系統(tǒng)概述42.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理和基本組成42.2光伏電池63光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤問題研究83.1光伏電池輸出特性83.2光伏電池工程數(shù)學(xué)模型93.3DC-DC轉(zhuǎn)換電路和DC-DC轉(zhuǎn)換電路的分類114最大功率(MPPT)跟蹤的設(shè)計(jì)154.1電壓回授法164.2功率回授法174.3微擾觀察法185電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)215.1電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)215.2MPPT控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)235.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)256實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析26結(jié)論27致謝29參考文獻(xiàn)30附錄一32附錄二40附錄三49緒論人類所面臨的能源問題能源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的動(dòng)力源泉。然而，隨著人類文明的發(fā)展日益迅速，人類對(duì)能源的需求也日益增加，傳統(tǒng)的化石能源正日趨枯竭，能源危機(jī)已展現(xiàn)在人類面前。在21世紀(jì)初進(jìn)行的關(guān)于世界能源儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的調(diào)查顯示：石油可開采量為39.9年，天然氣可采量61年，煤炭可采量為227年，可見化石能源的可開采量已經(jīng)是屈指可數(shù)了。全球資源專家們呼吁：煤炭、石油等可貴的化石資源應(yīng)該是留給子孫后代的“化工原料”，而不應(yīng)該在我們這代人手中僅僅把它們作為燃料而消耗殆盡。化石能源的大量開發(fā)利用是造成地球環(huán)境污染和生態(tài)破壞的主要原因之一。如何在開發(fā)和使用能源的同時(shí)，保護(hù)好人類賴以生存的地球環(huán)境和生態(tài)，已經(jīng)成為一個(gè)全球性的重要問題。目前由于大量使用化石能源，全世界每天產(chǎn)生大約1億噸溫室效應(yīng)氣體，這導(dǎo)致全球氣候變暖，兩極冰川融化。觀測(cè)資料表明，過去100年中，全球平均氣溫上升了0.3～0.6℃，全球海平面平均上升了10～25cm，如果不加以控制，溫室效應(yīng)將融化兩極冰川，海平面將上升幾米，人類的生活空間將受到極大威脅。另外，燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，這對(duì)人身健康造成威脅，還會(huì)造成酸雨問題。針對(duì)以上情況，開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是人類必須采取的措施。從能源供應(yīng)的諸多因素考慮，太陽能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源。全球能源專家們認(rèn)定，太陽能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一。光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)太陽能取之不盡、用之不竭，因此作為一種可再生利用的新能源，得到了廣泛的應(yīng)用。太陽能發(fā)電又分為光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用光伏電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽光輻射能，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式。光伏發(fā)電是當(dāng)今太陽能發(fā)電的主流。與常規(guī)發(fā)電和其它綠色發(fā)電技術(shù)相比。太陽能光伏發(fā)電有以下的優(yōu)勢(shì)：(1)．是真正的無污染排放、不破壞環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源；(2)．利用的場(chǎng)合廣泛和靈活，既可以獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，也可以與電網(wǎng)并行運(yùn)行；(3)．可作為電力用戶供電可靠或提高電能質(zhì)量的不停電電源；(4)．接近負(fù)載中心，減少電網(wǎng)的線損，減少輸配網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率；(5)．發(fā)電的效率不隨發(fā)電規(guī)模的大小而變；(6)．就地可取，無需運(yùn)輸。由于太陽能存在上述的優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視，發(fā)展很快。從遠(yuǎn)期看，光伏發(fā)電將以分散式電源進(jìn)入電力市場(chǎng)，并部分取代常規(guī)能源；從近期看，光伏發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號(hào)電電源，和邊遠(yuǎn)無電地區(qū)民用生活用電需求，從環(huán)境保護(hù)及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的背景和意義隨著光伏技術(shù)的不斷發(fā)展以及光伏組件成本的不斷下降，光伏技術(shù)的應(yīng)用不再局限于為邊遠(yuǎn)無電地區(qū)提供電力，而是逐步滲透到人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的方方面面，小到太陽能庭院燈、太陽能路燈，太陽能噴泉，大至太陽能汽車、太陽能游艇以及太陽能制氫，無一不體現(xiàn)了光伏技術(shù)的高科技內(nèi)涵和對(duì)生產(chǎn)力的促進(jìn)作用。在這一系列系統(tǒng)中，光伏控制系統(tǒng)都是不可或缺的，因此，采用一種高效、可靠、安全的光伏控制系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)得以持續(xù)、平穩(wěn)、可靠的運(yùn)行的關(guān)鍵。目前國(guó)外由于光伏技術(shù)的應(yīng)用開展較早，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)上，尤其是MPPT的控制技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成果，尤其是近些年來微機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，為MPPT的控制技術(shù)注入了新鮮血液，使其再度煥發(fā)出強(qiáng)大的生命力；國(guó)內(nèi)由于起步晚，在這方面的研究處于初級(jí)階段，在許多的實(shí)際系統(tǒng)中，MPPT的控制很多還是采用相對(duì)落后的恒電壓跟蹤的控制方式，與國(guó)外相比還有一定的差距，因此需要加大在這一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的研究力度，縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的技術(shù)差距，并利用所掌握的技術(shù)為廣大人民群眾的生活以及整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展服務(wù)。可以預(yù)見，在未來的幾十年中，以光伏技術(shù)為代表的新能源產(chǎn)業(yè)必將迎來高速發(fā)展的階段，因此，光伏充電系統(tǒng)將有著十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。本課題的目的本課題因光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境因素影響大，另外，光伏電池的效率低且價(jià)格昂貴，光伏發(fā)電系統(tǒng)的初期投入較大，為有效利用太陽能，需要對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)加以有效的控制，更有效的利用太陽能。因此，本文著重對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，建立了仿真模型，提出了相應(yīng)的控制策略，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中提出許多光伏電池最大功率的控制算法，如電壓回授法、功率回授法。這些算法在跟蹤時(shí)間和穩(wěn)定性方面都存在一定的局限性。因此，研究改進(jìn)了微擾觀察法用于光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，設(shè)計(jì)了獨(dú)立光伏仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以微控控制器為核心，由檢測(cè)電路獲得信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路輸出控制信號(hào)，控制MPPT變換器執(zhí)行負(fù)載匹配調(diào)節(jié)，使它工作在最大功率點(diǎn)附近。同時(shí)對(duì)太陽能電池的輸出特性仿真進(jìn)行了分析，驗(yàn)證采用微控制器來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制，有效地提高了太陽能電池的輸出效率。光伏發(fā)電系統(tǒng)概述光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理和基本組成光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是太陽能電池，又叫光伏電池。光伏電池發(fā)電的原理是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)太陽光(或其他光)照射到太陽電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光電子一空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣太陽的光能就直接變成了可以付諸使用的電能。光伏電源系統(tǒng)，是利用光伏電池方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存到系統(tǒng)的蓄電池中或直接供負(fù)載使用的可再生能源裝置。其工作原理是：白天，光伏電池組件接收太陽光，輸出電能，一部分供給直流或交流負(fù)載工作；另一部分通過防反充二極管給蓄電池組充電，夜晚或陰雨天，光伏電池組件無法工作，蓄電池組供電給直流或交流負(fù)載工作。光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的一種能源系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)相連可以分為獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)與并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指與電網(wǎng)相連，可以給電網(wǎng)供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。所謂獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)是指光伏電池產(chǎn)生的電能直接供給負(fù)載，此系統(tǒng)不受其它系統(tǒng)的影響也不受他人影響，主要是用于山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)等市電無法到達(dá)的地方。其設(shè)備的容量通常在數(shù)十到數(shù)百瓦之間，白天太陽能板產(chǎn)生電能，供給負(fù)載及給蓄電池充電，晚上由蓄電池給負(fù)載供電。獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)組成與負(fù)載有關(guān)，直流負(fù)載和交流負(fù)載都包含光伏電池、蓄電池組、控制電路。獨(dú)立系統(tǒng)的負(fù)載如果是直流負(fù)載不含逆變回路，可直接與蓄電池相連，對(duì)蓄電池負(fù)載。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單光伏供電系統(tǒng)的總體框圖（如圖1）所示，光伏陣列安裝在戶外接受太陽能，通過充電控制器給蓄電池充電，逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需要的三相或單相的交流電。典型的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏陣列、電力電子變換器、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載等組成。控制器控制器直流-交流逆變器交流負(fù)載直流負(fù)載蓄電池圖1典型的獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖帶有最大功率跟蹤功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成，如果把光伏電池與蓄電池直接連接起來，由于光伏電池陣列的輸出特性與日照強(qiáng)度和溫度等因素有關(guān)，一方面蓄電池的內(nèi)阻不會(huì)隨著光伏電池輸出的最大功率點(diǎn)的變化而變化，致使無法對(duì)光伏電池的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成資源的浪費(fèi)；另一方面蓄電池的充電電壓隨外界環(huán)境的變化而變化，不穩(wěn)定的電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，只會(huì)影響蓄電池的壽命。因此需要在光伏電池和蓄電池之間加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)，它既可以跟蹤光伏電池的最大輸出功率，又可以輸出穩(wěn)定的電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。帶有最大功率跟蹤功能的光伏電源系統(tǒng)框圖如下圖所示：DCDC/DC充電電壓電流檢測(cè)最大功率控制（MPPT）蓄電池。。ORDC/DCORDC/AC放點(diǎn)電壓電流檢測(cè)放點(diǎn)控制電路負(fù)載光伏電池圖2帶有最大功率跟蹤功能的光伏電源系統(tǒng)框圖光伏電池光伏電池板是由許多光伏電池單體經(jīng)過串、并聯(lián)連接后，加上增加機(jī)械強(qiáng)度的支撐基板、表面強(qiáng)化玻璃覆蓋所構(gòu)成。由于光伏電池會(huì)受到日照強(qiáng)度、溫度以及制作材料等因素的影響而使它的輸出有所變化，所以為了讓光伏電池板發(fā)揮其最大的輸出，必須控制其瞬時(shí)的輸出功率，使其在不同的環(huán)境條件下都能輸出最大功率（一）光伏電池的類型光伏電池極板上是由一種半導(dǎo)體材料所做成的光電轉(zhuǎn)換元件，目前制作光伏電池的材料和方式有許多種，所制作出來的工作效率也不盡相同。常用的光伏電池主要是硅光伏電池。目前世界上有三種已經(jīng)商品化的硅光伏電池：?jiǎn)尉Ч韫夥姵亍⒍嗑Ч韫夥姵睾头蔷Ч韫夥姵亍尉Ч韫夥姵赜捎谒褂玫膯尉Ч璨牧吓c半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，致使材料的成本比較昂貴。單晶硅光伏電池的制造成本最高，但光電轉(zhuǎn)化效率也最高。多晶硅光伏電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對(duì)并不能全部被結(jié)電場(chǎng)所分離，因?yàn)殡姾蓪?duì)晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶硅光伏電池的效率比一般的單晶硅要稍低。但多晶硅光伏電池可用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅光伏電池低。非晶硅光伏電池屬于薄膜電池，造價(jià)低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，并在光照下衰降，目前多用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等。（二）光伏電池方陣光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的光伏電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的。光伏電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般2cm×2cm，15cm×15cm不等，光伏電池單體的工作電壓約為0.45～0.5V，工作電流20～25mA/，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將光伏電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為光伏電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦到幾百瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。光伏電池組件再經(jīng)過串聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了光伏電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率。（三）光伏陣列的保護(hù)在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的光伏電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的光伏電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的光伏電池組件此時(shí)將會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重破壞光伏電池，有光照的光伏電池所產(chǎn)生的部分或者全部能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止光伏電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，需要在光伏電池組件的正、負(fù)極兩端并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，實(shí)現(xiàn)電流的旁路，保護(hù)光伏陣列。為了避免由于光伏電池方陣在陰雨天和夜晚不發(fā)電時(shí)或者出現(xiàn)短路故障時(shí)，蓄電池組通過光伏電池方陣放電，這就需要在方陣中加入防反充二極管，又稱為阻塞二極管。阻塞二極管串聯(lián)在方陣的電路中，起單向?qū)ǖ淖饔茫仨毮艹惺茏銐虼蟮碾娏鳎艺驂航狄。聪蝻柡碗娏饕　Ｒ话氵x用合適的整流二極管作為阻塞二極管。除了電方面的保護(hù)，還要考慮機(jī)械方面的保護(hù)，如防風(fēng)、防雨、防雹能力，另外，為了防止鳥糞沾污光伏電池表面引起熱斑效應(yīng)，還需要在方陣頂上特別安裝驅(qū)鳥器。光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤問題研究所有光伏系統(tǒng)都希望光伏電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多的電能，這也就在理論上和實(shí)踐上提出了太陽電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT—MaximumPowerPointTracking)問題。太陽能光伏應(yīng)用的日益普及、太陽電池的高度非線性和價(jià)格仍相對(duì)昂貴更加速了人們對(duì)這一問題的研究。光伏電池輸出特性太陽能電池輸出特性是非線性的，受外界多種因素影響，主要因素是光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度。太陽能電池伏安特性曲線如圖3所示。從圖3(a)可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為25時(shí)，太陽能電池的輸出電流和電壓隨著光照強(qiáng)度的增大而增大；而當(dāng)日照強(qiáng)度不發(fā)生變化時(shí)，太陽能電池的輸出電壓會(huì)隨著溫度的升高而降低。圖4是太陽能電池伏瓦特性曲線。可以看出，環(huán)境溫度一定時(shí)，光照強(qiáng)度越大，太陽能電池輸出的功率也越大；相反光照強(qiáng)度不變時(shí)，環(huán)境溫度越高，太陽能電池輸出的功率越小。我們可以得到結(jié)論：在不同的環(huán)境下，太陽能電池輸出曲線是不同的，最大功率點(diǎn)隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化。因此為了提高太陽能電池的發(fā)電效率，就要對(duì)太陽能電池最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。(a)相同溫度不同光照(b)相同光照不同溫度圖3太陽能電池U-I特性曲線(a)相同光照不同溫度(b)相同光照不同溫度圖4太陽能電池P-U特性曲線光伏電池工程數(shù)學(xué)模型由不同溫度不同日照強(qiáng)度下太陽能電池I-V曲線可見，溫度主要影響太陽能電池的輸出電壓，而日照強(qiáng)度主要影響輸出電流。在不同的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，其輸出特性曲線不同，且均為非線性。當(dāng)太陽能輻射度和電池溫度變化時(shí)，光伏電池輸出電壓和輸出電流呈非線性關(guān)系變化，其輸出功率也隨之改變，如圖4所示。可以看出，每一個(gè)環(huán)境狀態(tài)下，系統(tǒng)都有一個(gè)最大功率點(diǎn)，且此最大功率點(diǎn)隨環(huán)境狀態(tài)變化而相應(yīng)變化。為了使光伏電池在不同溫度、不同輻照度條件下始終工作于該外界條件下的最佳工作點(diǎn)，當(dāng)最大功率點(diǎn)發(fā)生漂移時(shí)，采用一定的方法使光伏電池始終工作于最大功率點(diǎn)處，稱之為最大功率跟蹤技術(shù)，即MPPT技術(shù)。+I+Ir(a)光伏電池和負(fù)載的等效模DC-DCDC-DCr+I光伏電池等效負(fù)載(b)光伏電池量大功率跟蹤示意圖圖5光伏電池等效圖太陽能電池和負(fù)載可簡(jiǎn)化為如圖5所示的線性系統(tǒng)電路圖，經(jīng)計(jì)算消耗在上的功率為(3-1)式(3-1)兩邊對(duì)求導(dǎo)可得：(3-2)由式(3-2)可得，當(dāng)r=時(shí)，=0，取最大值，即當(dāng)光伏電池負(fù)載阻抗與內(nèi)部阻抗相匹配時(shí)，光伏電池的輸出功率最大。實(shí)際中光伏電池的內(nèi)部阻抗隨外界條件的變化而變化。為了跟蹤其最大功率點(diǎn)．常在光伏電池與負(fù)載之間并聯(lián)一個(gè)DC-DC變換器(如圖5所示)，通過改變?cè)揇C-DC變換器的占空比，達(dá)到調(diào)節(jié)光伏電池負(fù)載的等效輸出阻抗動(dòng)態(tài)跟蹤光伏電池輸出阻抗的目的，使光伏電池重新工作在最大功率點(diǎn)處。將該DC-DC變換器稱為光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤器。DC-DC轉(zhuǎn)換電路及其分類電力電子電路的基本作用是進(jìn)行電能的變換與控制，即將一定的電能變換成另一種形式的電能輸出，從而滿足不同負(fù)載的要求。電能的形式有直流和交流之分，根據(jù)輸入和輸出的不同形式，可將電力電子電路分為四類，AC-DC變換器、DC-AC變換器、DC-DC變換器、AC-AC變換器。在本設(shè)計(jì)中主要介紹DC-DC變換器。DC-DC轉(zhuǎn)換電路(也稱為斬波電路或斬波器)在直流電源和負(fù)載之間，通過控制電壓的方法將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路。用DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤(MPPT)。本文DC-DC變換器接入光伏電池板的輸入回路，并將對(duì)DC-DC變換器的輸入、輸出電壓和電流測(cè)量結(jié)果通過微處理器的分析運(yùn)算，由微處理器輸出PWM脈沖調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部開關(guān)管的占空比來控制光伏電池的輸出電流，從而使蓄電池電壓保持恒定。同時(shí)通過控制開關(guān)管的占空比也可調(diào)節(jié)光伏電池輸出。(Buck/Boost)降升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路，Buck/Boost變換器是輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，其主電路與Buck和Boost變換器的元器件相同，也由開關(guān)管、二極管、電感和電容等構(gòu)成，原理圖如圖6所示。與Buck和Boost變換器不同的是，其輸出電壓的極性與輸入電壓相反。圖7為開關(guān)管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的等效原理圖：圖6升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路的原理圖(a)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效原理圖：(b)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的等效原理圖圖7升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效原理圖從圖7可以看出，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給儲(chǔ)能元件電感充電，上的電流逐漸增大，而在開關(guān)管截止時(shí)電感放電，上的電流逐漸減小。圖8顯示了電感上電流的變換波形和電壓波形。圖8升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出波形在t=0時(shí)，開關(guān)管Q導(dǎo)通，電源電壓全部加到升壓電感上，電感電流線性增長(zhǎng)。二極管D截止，負(fù)載由濾波電容供電。（4-1）當(dāng)時(shí)，到最大值。在開關(guān)管Q導(dǎo)通期間，增長(zhǎng)量為：=(4-2)在t=時(shí)刻，開關(guān)管Q關(guān)斷，通過二極管D續(xù)流，電感的儲(chǔ)能向負(fù)載和電容轉(zhuǎn)移，給充電。此時(shí)加在上的電壓為，故線性減小。(4-3)當(dāng)t=時(shí)，達(dá)到最小值。在開關(guān)管Q截止期間，的減小量為：(4-4)在t=時(shí)，開關(guān)管Q又導(dǎo)通，開始下一個(gè)開關(guān)周期。由此可見，電感，用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換能量，開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電感出能，負(fù)載由電容供電；開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，電感向負(fù)載供電。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，開關(guān)管Q導(dǎo)通期間電感電流的增長(zhǎng)量等于它在開關(guān)管Q截止期間的減小量，可得到：(4-5)從上式可以看出：當(dāng)時(shí)，=0.5；若<0.5，則；反之，若>0.5時(shí)，則。即Buck/Boost變換器的輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓。降壓式和升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路是兩種基本類型電路，升降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路可以從前兩者派生出來。將降壓式和升壓式兩種電路級(jí)聯(lián)，即將降壓式的輸出端作為升壓式的輸入端，就可以得到升降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路，如圖9所示：圖9升降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路此電路中的電容并不影響直流工作情況，可以去掉；而兩個(gè)電感和可以簡(jiǎn)化為一個(gè)電感，由于要實(shí)現(xiàn)升降壓調(diào)節(jié)，需要兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通或截止，可以將兩個(gè)開關(guān)簡(jiǎn)化為一個(gè)開關(guān)管。這樣一來，電路就可簡(jiǎn)化為升降壓電路的形式了。由此可見升降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路就可以看成是降壓式和升壓式級(jí)聯(lián)的一種特殊情況，即=0，并且由于輸出電壓極性的倒置，使得開關(guān)管少了一個(gè)。最大功率(MPPT)跟蹤的設(shè)計(jì)最大功率就是使光伏電池始終保持最大功率輸出。由于光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，光伏電池的輸出功率受日照強(qiáng)度以及溫度影響的特點(diǎn)，為了在限定的條件下有效利用光伏電池，就要進(jìn)行最大功率跟蹤(MPPT--MaxPowerPointTracking)。最大功率點(diǎn)(MPP)，光伏電池的輸出與日照強(qiáng)度和環(huán)境的溫度有很大的關(guān)系，為了使光伏電池在任意的日照和溫度下，都能有最大的功率輸出，即光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)處，首先要確定最大功率點(diǎn)在光伏電池伏安特性曲線上的位置。圖3、4分別表示了同一溫度、不同的日照強(qiáng)度下和不同的溫度、同一日照強(qiáng)度下光伏電池的特性曲線，其拐點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)的位置，把這些點(diǎn)依次連形成曲線，便是的最大功率點(diǎn)軌跡曲線。由光伏電池特性曲線可知，它表明光伏電池既非恒流源也非恒壓源，而是一種非線性直流電源。實(shí)現(xiàn)使光伏電池始終工作在逼近曲線的過程，即為光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤。從理論上講，只要將光伏電池與負(fù)載完全匹配、直接耦合(如被充電的蓄電池類負(fù)載)，光伏電池就能處于高效狀態(tài)，負(fù)載的伏安特性曲線與最大功率點(diǎn)軌跡曲線即可重合或漸進(jìn)重合，即光伏電池實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤。但是日常應(yīng)用中，很難滿足負(fù)載與光伏電池的直接耦合條件。這時(shí)往往需要增加一個(gè)MPPT(最大功率跟蹤器)，來實(shí)現(xiàn)負(fù)載與光伏電池間達(dá)到最佳匹配。光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法，圖10為光伏陣列的輸出功率特性P-V曲線，由圖可知當(dāng)光伏陣列的工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，光伏陣列的輸出功率隨陣列端電壓上升而增加；當(dāng)陣列的工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，陣列的輸出功率隨端電壓上升而減小。MPPT的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過程，即通過控制端電壓，使光伏陣列能在各種不同的日照和溫度環(huán)境下智能化的輸出最大功率。圖10光伏陣列的輸出功率特性P-V曲線光伏陣列的開路電壓和短路電流在很大程度上受日照強(qiáng)度和溫度的影響，系統(tǒng)工作點(diǎn)也會(huì)因此飄忽不定，這必然導(dǎo)致系統(tǒng)效率的降低。為此，光伏陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，以便陣列在任何當(dāng)前日照下不斷獲得最大功率輸出。本文針對(duì)于常用的MPPT實(shí)現(xiàn)方法：電壓回授法、功率回授法、微擾動(dòng)觀測(cè)法等進(jìn)行了仔細(xì)的分析。電壓回授法電壓回授法是最簡(jiǎn)單的一種最大功率跟蹤法，即CVT(ConstantVoltageTracking)，經(jīng)由事先的測(cè)試，得知光伏陣列在某一日照信號(hào)和溫度下至最大功率點(diǎn)的電壓大小，再調(diào)整光伏陣列的端電壓，使其能與實(shí)現(xiàn)測(cè)試的電壓相符，來達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤的效果。此控制方法的最大缺點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境條件大幅度改變時(shí)，系統(tǒng)不能自動(dòng)的跟蹤到光伏電池的另一最大功率點(diǎn)，因此造成能量的浪費(fèi)。負(fù)載轉(zhuǎn)換電路光伏電池負(fù)載轉(zhuǎn)換電路光伏電池VREF控制電路比較器VREF控制電路比較器(a)光伏電池光伏電池轉(zhuǎn)換電路負(fù)載比較器控制電路最大功率追蹤(b)圖11電壓回授法方塊圖(a)固定參考電壓法方塊圖：(b)可變參考電壓方塊圖功率回授法由于電壓回授法無法隨環(huán)境條件的改變自動(dòng)跟蹤到最大功率點(diǎn)，因此功率回授法加入了輸出功率對(duì)電壓變化率的判斷，以便能適應(yīng)天氣的變化而達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤，也就是改變輸出功率判斷此時(shí)是否dP／dV=0，當(dāng)dP／dV=0時(shí)即是為操作在最大功率點(diǎn)。配合控制流程即可動(dòng)態(tài)地追蹤光伏電池板在不同日強(qiáng)度及溫度下的最大功率點(diǎn)。相對(duì)于電壓回授法而言，此方法雖然較為復(fù)雜且需較多的運(yùn)算過程，但其在減少能量損耗以及提升整體效率的效果卻是非常顯著的。光伏電池光伏電池轉(zhuǎn)換器負(fù)載dP/dV比較器圖12功率回授法方塊圖微擾觀察法微擾觀察法(PerturbationandObservationMethod，簡(jiǎn)稱P&O法)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且需測(cè)量的參數(shù)較少，所以它被普遍應(yīng)用在光伏電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤。就是要引入一個(gè)小的變化，然后進(jìn)行觀察，并與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)節(jié)光伏電池的工作點(diǎn)。通過改變光伏電池的輸出電壓，并實(shí)時(shí)地采樣光伏電池的輸出電壓和電流，計(jì)算出功率，然后于上一次計(jì)算的功率進(jìn)行比較，如果小于上一次的值，則說明本次控制使功率輸出降低了，應(yīng)控制使光伏電池輸出電壓按原來相反的方向變化，如果大于則維持原來增大或減小的方向，這樣就保證了使太陽能輸出向增大的方向變化，如此反復(fù)的擾動(dòng)、觀察與比較，使光伏電池板達(dá)到其最大功率點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出。但是在達(dá)到最大功率點(diǎn)附近后，其擾動(dòng)并不停止，而會(huì)在最大功率點(diǎn)左右振蕩，而造成能量損失并降低光伏電池板的效率。在此引入一個(gè)參考電壓，在得出比較結(jié)果后，調(diào)節(jié)參考電壓，使它逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓，在調(diào)節(jié)光伏電池工作點(diǎn)時(shí)，根據(jù)這個(gè)參考電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。光伏電池光伏電池轉(zhuǎn)換器負(fù)載檢測(cè)電路控制器IV圖13微擾觀察法方塊圖開始開始測(cè)量計(jì)算//YesYesYesNoNoNoYes圖14微擾觀察法流程圖圖中、、是上一次測(cè)量和計(jì)算出的值。從圖中可以看出：在功率比較之后，經(jīng)過判斷電壓的變化，對(duì)參考電壓(減)一個(gè)調(diào)整電壓，然后再進(jìn)行測(cè)量、比較，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。這就是微擾觀察法。這種方法簡(jiǎn)單易懂，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算和比較即可，因此是一種較為常用的方法。電壓的變化量的選擇影響到跟蹤的速度與準(zhǔn)確度，能否準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)MPPT功能。設(shè)置偏大，跟蹤速度快，會(huì)導(dǎo)致跟蹤的精度不夠，在最大功率點(diǎn)附近功率輸出擺動(dòng)大；設(shè)置偏小則跟蹤速度慢，浪費(fèi)電能，但輸出能更好地靠近最大功率點(diǎn)。這種方法簡(jiǎn)單易懂，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易，但是此種方法較盲目，如果的初始值設(shè)置的離最大功率點(diǎn)電壓相差較大，加上設(shè)置的不合理，可能會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間才到達(dá)最大功率點(diǎn)，甚至?xí)?dǎo)致遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)。本文的確定是采用變化的，根據(jù)每次測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果不斷調(diào)整它。當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，增大，使工作點(diǎn)電壓變化的快一些；當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，減小，使工作點(diǎn)不會(huì)跨過最大功率點(diǎn)而遠(yuǎn)離它。電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用硬件電路模擬獨(dú)立光伏系統(tǒng)，為驗(yàn)證MPPT方法提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)合獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并增加實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的儲(chǔ)能系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的硬件電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖15所示。系統(tǒng)主要包含以下五部分：模擬光伏陣列，MPPT控制系統(tǒng)，MPPT用變換器，蓄電池充放電變換器，蓄電池組以及直流阻性負(fù)載。可知，系統(tǒng)至少包含兩大變換電路：其一，在光伏陣列輸出端串接MPPT用變換器(前級(jí)變換器)，通過調(diào)節(jié)變換器中開關(guān)管的占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的輸出功率的最大值跟蹤。其二，由于系統(tǒng)配置了蓄電池，在對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制時(shí)需要直流變換器(后級(jí)變換器)進(jìn)行電壓、電流調(diào)節(jié)。通過對(duì)兩個(gè)變換器的恰當(dāng)控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，又可以進(jìn)行光伏陣列及蓄電池間靈活的電能管理控制。模擬光伏電池模擬光伏電池MPPT用變換器直流負(fù)載充放電變換器MPPT控制器蓄電池組圖15硬件電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方塊圖（一）光伏電池的模擬實(shí)現(xiàn)光伏電池在工作時(shí)，隨著日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的不同，其端電壓和電流將發(fā)生變化，使輸出功率也產(chǎn)生很大變化，故光伏電池本身是一種既不穩(wěn)定的電源，這類似于一個(gè)內(nèi)阻隨日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化的電源。結(jié)合光伏電池的等效電路，可將光伏電池的模擬實(shí)現(xiàn)為一個(gè)內(nèi)阻可變的電壓源，如圖15所示。在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)中，可通過改變內(nèi)阻，．來模仿外部環(huán)境中日照變化或環(huán)境溫度變化對(duì)光伏電產(chǎn)生的影響，當(dāng)外部負(fù)載電阻與模擬電池的內(nèi)阻相匹配時(shí)，電源輸出到負(fù)載端的功率最大。這對(duì)應(yīng)于光伏電池達(dá)到最大功率點(diǎn)處。++r光伏電池r光伏電池++USUS--————圖16模擬光伏電池模型（二）變換器的方案選擇在電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍然采用BOOST變換器作為MPPT用變換器。下面在介紹一下蓄電池充放電變換器的方案設(shè)計(jì)。光伏充放電控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中配合蓄電池特性，對(duì)蓄電池實(shí)施充電與放電控制的設(shè)備。為了最大限度延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，充放電控制器應(yīng)對(duì)蓄電池進(jìn)行有效的充電、防止過度充電或過度放電。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使用的是無記憶特性的鉛酸蓄電池，但如果鉛酸蓄電池充/放電不當(dāng)，則很容易造成損壞，要有較好的充放電控制器予以配合。充電控制器主要分為并聯(lián)型、串聯(lián)型充電控制器和PWM控制器等幾種類型,本文使用雙向BUCK-BOOST直流變換器作為蓄電池的充放電變換器。（三）緩沖電路設(shè)計(jì)開關(guān)管的開通和關(guān)斷過程并非是理論上的瞬間完成的，開關(guān)管關(guān)斷過程中電流下降時(shí)間和電壓上升時(shí)間總有重疊部分，重疊部分造成開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)會(huì)有較大的關(guān)斷損耗。此外，由于開關(guān)管開關(guān)速度快，開通時(shí)電流迅速上升，很大，關(guān)斷時(shí)很大，開關(guān)管開閉造成的電壓和電流尖峰將對(duì)開關(guān)管造成極大的損害。為了使開關(guān)管關(guān)斷過程電壓電流能夠得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給開關(guān)管主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖電路。緩沖電路又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的過電壓、或者過電流和，減小器件的開關(guān)損耗。常分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。如無特別說明，通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路。圖17給出了有緩沖電路。對(duì)緩沖電路的要求：盡量減小主電路的電感；電容應(yīng)采用低感吸收電容，高頻特性較好，且具有耐高壓性能；二極管應(yīng)選用快開通和快速恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過電壓；電阻的選型應(yīng)滿足緩沖電路的功率損耗，防止電阻過度發(fā)熱而損壞。CSRSCSRSDSDSTT圖17緩沖器電路結(jié)構(gòu)圖MPPT控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)MPPT控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，一是信號(hào)的測(cè)量，二是控制算法計(jì)算，三是輸出控制信號(hào)。此外，為方便實(shí)驗(yàn)觀察，往往需要一些輔助功能，如顯示等。除了供電部分，主要包括控制器部分，信號(hào)測(cè)量部分，驅(qū)動(dòng)保護(hù)部分三大部分。其中信號(hào)測(cè)量部分作為控制系統(tǒng)的測(cè)量模塊。驅(qū)動(dòng)保護(hù)部分是控制系統(tǒng)的輸出模塊。主控制器經(jīng)過控制算法計(jì)算后輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)保護(hù)部分，驅(qū)動(dòng)保護(hù)部分提高開關(guān)管控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，并對(duì)開關(guān)管進(jìn)行過流保護(hù)。控制器部分是控制系統(tǒng)的核心，定時(shí)從各個(gè)測(cè)量?jī)x表獲取測(cè)量值，根據(jù)測(cè)量值進(jìn)行MPPT控制規(guī)律運(yùn)算，計(jì)算所得PWM控制信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)保護(hù)部分。主控制器通過對(duì)兩路PWM發(fā)生模塊輸出信號(hào)控制開關(guān)管。（一）MOS管驅(qū)動(dòng)電路MC9S08QG8使用PTB6和PTB7作為2個(gè)MOSEFT開關(guān)管的柵極控制信號(hào)，來控制開關(guān)管Q1和Q2。以Q1為例，當(dāng)PTB6輸出高電平時(shí)，三極管Q3導(dǎo)通，Q1柵極被拉為低電平，Q1截止；反之PTB6為低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)電路如圖18。圖18MOS開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路（二）電壓檢測(cè)電路控制器使用成本低廉的高精度差動(dòng)放大器作為電壓檢測(cè)器件組成電壓檢測(cè)電路，如圖19所示。RR2VBVB442R12R1V-1ViR51ViR53V+3V+R3R3R4R4圖19電壓檢測(cè)電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)參考本節(jié)圖14總體結(jié)構(gòu)示意圖可知，按照MPPT控制算法設(shè)計(jì)軟件程序，根據(jù)檢測(cè)值運(yùn)算求解當(dāng)前控制輸出值，設(shè)定PWM占空比。關(guān)于頻率和占空比的確定，對(duì)于6M晶振，假定PWM輸出頻率為1KHZ,;這樣可以設(shè)定占空比可從(1-100)%變化，即0.01ms*100=1ms。周期用T1定時(shí)，輸出高電平用T1定時(shí)。軟件程序見附錄三實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析MPPT方法仿真實(shí)驗(yàn)與分析，采用模塊化方式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了用于MPPT方法電路實(shí)驗(yàn)研究的簡(jiǎn)易系統(tǒng)。設(shè)置仿真外界日照強(qiáng)度G從800W/增大到1000W/，在同一時(shí)刻光伏陣列表面溫度T=56℃降到25℃，負(fù)載阻值R=5。并設(shè)置仿真最大步長(zhǎng)為0.01S，仿真時(shí)長(zhǎng)100S，對(duì)干微觀察法設(shè)置為自動(dòng)的步長(zhǎng)和沒有加最大功率點(diǎn)追蹤的比較得到波形如圖20。圖20仿真圖兩組電池板輸出功率對(duì)比MPPT仿真波形，步長(zhǎng)=0.05V通過仿真圖明顯的看出加入MPPT的獲得更高的功率可以一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的有效性和可行性。在分析Boost變換電路通過阻抗變換實(shí)現(xiàn)光伏陣列MPPT的基礎(chǔ)上，建立了光伏陣列MPPT的仿真模型。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，提出了一種自適應(yīng)占空比干擾觀察MPPT方法并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：在改進(jìn)方法的控制下，能夠穩(wěn)定、高效地跟蹤光伏陣列最大功率點(diǎn)；同時(shí)，在日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)的情況下，能快速尋找新的工作點(diǎn)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，表現(xiàn)出很好的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)論環(huán)境污染和能源危機(jī)是當(dāng)今人類面臨的兩大突出問題。為了解決能源危機(jī)和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，近年來世界各國(guó)都在大力尋找和開發(fā)新的替代能源。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、壽命長(zhǎng)、無污染的優(yōu)點(diǎn)，綜合利用太陽能尤其是將太陽能用于發(fā)電已經(jīng)成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。為了充分利用太陽能，一方面要提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率；另一方面由于太陽能電池的輸出功率會(huì)隨著太陽光照強(qiáng)度、太陽能電池溫度以及負(fù)載不同而改變，所以要盡可能使太陽能電池跟隨外部條件的改變時(shí)刻保持在最大功率輸出狀態(tài)，這就需要進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控。從目前使用情況及今后一段時(shí)間發(fā)展來看，由于太陽能電池成本高，能量轉(zhuǎn)換效率低，大部分光伏發(fā)電應(yīng)用不是在并網(wǎng)，而是作為獨(dú)立的光伏電站。本文對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法進(jìn)行了較深入的理論分析和研究，針對(duì)當(dāng)前最大功率點(diǎn)跟蹤策略中普遍采用的擾動(dòng)觀察法的不足，提出了一種新的自適應(yīng)占空比擾動(dòng)觀察法。在理論分析的基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光伏仿真系統(tǒng)以及電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文提出的最大功率點(diǎn)控制方法是可行的，達(dá)到了預(yù)期的目的。本文的研究成果主要表現(xiàn)在以下幾方面：1．介紹了太陽能能源利用的背景，綜述了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展概況及當(dāng)前存在的主要問題。介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的類型以及獨(dú)立光伏系統(tǒng)各部分主要技術(shù)狀況首先，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、電力電子變換器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)載等。并介紹了DC-DC轉(zhuǎn)換電路的物理作用，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的關(guān)系，還可以把它分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。2.本文對(duì)光伏電池的電氣特性進(jìn)行了分析，建立了光伏電池的等效模型。同時(shí)，本文對(duì)常用的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方法：電壓回授法、功率回授法、微擾觀察法進(jìn)行了仔細(xì)的分析和研究，并通過為觀察法進(jìn)行下一步的電路設(shè)計(jì)和程序的編寫實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)的輸出。3.對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，在最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)上采用了獨(dú)立式系統(tǒng)的控制策略。通過硬件的電路來實(shí)現(xiàn)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證它的可行性。電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用內(nèi)阻可調(diào)電壓源模擬光伏電池，結(jié)構(gòu)上主要包括微控制器模塊、功率變換器模塊、電壓測(cè)量模塊三部分。完成了硬件系統(tǒng)的電路原理圖設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)獲取了模擬光伏電池的輸出功率與未加控制器的功率比較曲線能夠取得更好的控制效果，電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。致謝畢業(yè)論文的撰寫也即將完成，這也意味著珍貴的大學(xué)生涯已經(jīng)走到了盡頭。此時(shí)此刻，心中百感交集，四年的研究生生活如彈指一揮間，轉(zhuǎn)眼即逝。這三年的學(xué)習(xí)和歷練不只是豐富了我的人生，更讓我得到前所未有的發(fā)展，讓我更加成熟，干練，為我的人生積累了寶貴的財(cái)富。而這一切，無法不讓我首先想起我尊敬的導(dǎo)師xxx。我要衷心的感謝她，在課題工作期間，從論文的選題、研究方案的確定、具體的研發(fā)設(shè)計(jì)到最后論文的撰寫和修改，符老師都給予了莫大的幫助和啟發(fā)，使我順利地完成本次論文課題。參考文獻(xiàn)[1]程明，新能源與分布式電源系統(tǒng)(上)[M]，電力需求側(cè)管理．2003，5,13．[2]趙為,太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D]，合肥；合肥工業(yè)大學(xué)，2002．[3]劉莉敏，并網(wǎng)光伏電站分布式數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]，北京；中國(guó)科學(xué)院，2004．[4]李安定，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001.[5]王長(zhǎng)貴，王淳，董路影，小型型新能源和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)與管理[M]．北京．中國(guó)電力出版社，2004．[6]趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛．太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]．北京．科學(xué)出版社，2005．[7]趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛．太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]．北京．科學(xué)出版社，2005．[8]趙庚申，王慶章，最大功率跟蹤控制在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．光電子激光,2003，14．[9]趙宏，潘俊民，基于MPPT電路的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)[J]．電力電子技術(shù)．2004．[10]孫佩石，何慶領(lǐng)．具有最大功率跟蹤功能的光伏戶用逆變電源[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)．2001。[11]ChihchiangHua，ChihmingShen.StudyofmaximumpowertrackingtechniquesandcontrolofDC/DCconvertersforaphotovoltaicpowersystem[A]．IEEE．powerElectronicsSpecialistsConference(PESC’98)[C]，1998．[12]NobuyukiKasa，TakahikoIidaHideoIwamoto．Maximumpowerpointtrackingwithcapacitoridentificatorforphotovoltaicpowersystem．IEEEPowerElectronicsandVariableSpeedDrives[J][13]EftichiosKoutroulis，KostasKalaitzakis，NicholasC．Voulgaris．Developmentofamicrocontroller-based，Photovoltaicmaximumpowerpointtrackingcontrolsystem．IEEE．TransactionsonPowerElectronics[M]，2001[14]ReinhardHaas.TheValueofPhoto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allFredericton,NB,CanadaE3B5A3ABSTRACTThispaperintroducesanewmaximumpowerpointtracking(MPPT)methodwiththegoldensectionsearch(GSS)algorithmforphotovoltaic(PV)systems.ThebasicprincipleandtheimplementationproceduresoftheGSSalgorithmareelaboratedinthepaper;andthePVsimulationmodelinMatlab/Simulinkisalsodeveloped.ThenthePVsystemwithaboostchopperismodeledandsimulatedinSimulink.Theanalyticandsimulatedresultsshowthattheproposednewmethodhastheadvantagesoffastconvergence,noise-resistance,androbustness.IndexTerms—Maximumpowerpointtracking,goldensectionsearch,photovoltaicarray.1.INTRODUCTIONDuetothenonlinearvoltage-versus-currentcharacteristicofaphotovoltaic(PV)array,thereisauniquemaximumpowerpoint(MPP)atwhichthePVoperatestooutputmaximumpower.However,theMPPmovesunderdifferentweatherconditionsbecausetheoutputvoltageandcurrentofaPVarrayvaryastheinsolationandtemperaturechange.Themaximumpowerpointtracking(MPPT)techniqueisnecessaryforaPVsystemtoincreaseitsenergygenerationefficiency,andthustoreduceitsoperatingcost.Infact,alotofMPPTmethodshavebeenproposedsuchashill-climbing,perturbandobserve,incrementalconductancemethod,andsoon.References[1,2,3]comparedifferentMPPTstrategiesandgivesomegeneralreviewsoverthem.Itseemsverydifficulttodeterminewhichmethodamongthemisthebestone.Nevertheless,thenewMPPTmethodusinggoldensectionsearch(GSS)algorithmproposedinthispaperisanothercompetitiveonebecauseofitsadvantagesoffastresponse,robustperformance,andguaranteedconvergence.ThesimulationresultsinMatlab/Simulinkaregiveninthispapertoverifythosebenefits.2.PVMODELTheterminalvoltageandterminalcurrentofaPVarrayareconstrainedbyitscharacteristicsUnderaspecificenvironmentalcondition,thenonlinearvoltage-versuscurrentcharacteristicscanberepresentedbyfollowingfunction:Va=f(Ia,E,T)(1)whereVaandIaaretheterminalvoltageandcurrentrespectivelyofthePV,Eistheirradiationlevel,Tisthetemperature,andf()istheassumedcharacteristicfunction.Theapproximatemodelwhichhasbeendevelopedin[4]isemployedtogeneratetheabovefunction.ThenthePVoutputpowerPoutcanbecalculatedthrough:Pout=Va*Ia=f(Ia,E,T)*Ia.(2)TaketheSolarexMSX6060WPVarray,asusedin[4],forexample,thepower-versus-currentcurvesareplottedinFig.1underdifferentconditionsofirradiationlevelEinunitsof“suns”(usually1sun=1000W/m2),andtemperatureTin℃.SomekeyvaluesarelistedinTable1.Fig.1.Power-versus-currentcurvesTable1.SpecificationsofSolarexMSX60PVarrayInTable1,VOCandISCaretheopencircuitvoltageandtheshortcircuitcurrentofPV,VMPPandIMPParethevoltageandcurrentatMPP,andMPistheoutputmaximumpower.TheMPPTissupposedtobeusedtofindthoseMPPsfordifferentconditions.WiththemathematicPVfunction,aMatlab/SimulinkblockmodelhasbeencreatedasshowninFig.2.Giventheirradianceandtemperatureasinputsignals,thePVfunctiondeterminestherelationshipbetweenthePVterminalvoltageandcurrent.Theterminalvoltageisdefinedbyacontrolledvoltagesource(CVS)whichiscontrolledbythecurrentofthePV.Auniqueequilibriumexistscorrespondingtoaspecificload.WhenthisblockisinsertedasaPVarraymodelintoasimulationsysteminSimulink,theequilibriumpointisautomaticallysolvedbySimulink.NotethatthetransportdelayinFig.2isemployedtopreventthealgebraicloopproblemsduringsimulation.Andthepreset10e-6ohmresistorisneededforSimulinktosolvethesolutionwhenthisPVmodelisloadedwithacapacitor.Similarly,the10e6ohmresistor