1、武汉科技大学本科毕业设计I储能式光伏发电功率变换器 MPPT 控制设计与实现摘 要光伏发电的研究是当今国内外研究的一个热点，因为它的实现及应用为目前人类面临的许多问题如：能源危机、环境污染等提供了解决途径。光伏发电有着非常广泛的应用前景，在人类越来越重视可持续发展的今天，太阳能拥有其他能源所没有的各种优点如：几乎是取之不尽用之不竭的，清洁无污染等，这使它受到人们越来越多的关注，成为最有希望替代传统能源的新能源之一。本文实现了一种通过单片机控制开关电源使光伏电池给蓄电池充电的设计方案。软件上，对现有的常用最大功率点跟踪（MPPT ）算法进行了研究和分析，并选用电导增量法对最大功率点跟踪，实现了系
2、统工作的高效率。硬件上，系统使用单片机通过PWM 控制同步整流电路，并运用闭环控制，精确采样电压值和电流值形成反馈。同时，软件和硬件都对系统进行了保护，实现了系统工作的安全性和可靠性。通过实验测试，给出了系统实际使用结果，并对系统进行了功率损耗分析，由结果可知，系统工作正常，达到了预期的性能。关键词： 最大功率跟踪（MPPT ） ； 脉宽调制（ PWM） ； 同步整流武汉科技大学本科毕业设计IIAbstractResearching on grid-connected photovoltaic generators is a hot topic in todays domestic and i
3、nternational research, because its implementation and application provide a solution to many problems humanity are currently facing, such as: energy crisis, environmental pollution and so on. Grid-connected photovoltaic generators has a very wide application prospects, as people are paying more and
4、more attention to sustainable development today, solar energy has many advantages that other energy are not available, such as：almost inexhaustible, clean and no pollution, etc., this makes it get more and more attention from people, and become one of the most promising alternative new energy of tra
5、ditional energy sources.This article implements a way to use photovoltaic array to charge the battery by controlling switching power through MCU. As to software,the existing common maximum power point tracking (MPPT) algorithms are studied and analyzed, In this article, incremental conductance metho
6、d(IncCond) is used to realize maximum power point tracking (MPPT), and a high efficiency of the system work is achieved. While in terms of hardware, the system controls synchronous rectification circuit by PWM, and uses the closed-loop control to precisely sample voltage and current values form the
7、feedback. Meanwhile, the system is protected by both the software and hardware , so that, the security and reliability of the system operation are achieved.The actual use of the system is given through experiment testing, the system power loss is analyzed, from the results we know that the system is
8、 working properly and achieves the prospective performance.Key word： Maximum power point tracking(MPPT)； Pulse Width Modulation(PWM)； Synchronous rectification武汉科技大学本科毕业设计III目 录1 绪论 .11.1 光伏发电课题研究的意义 .11.2 MPPT 技术的国内外发展与现状 .21.3 本文主要研究内容 .32 光伏电池板的工作特性 .42.1 太阳能光伏板的基本工作原理 .42.2 太阳能光伏板的输出特性 .53 最大功率跟
9、踪（MPPT ）算法研究 .93.1 MPPT 工作基本原理 .93.2 常用 MPPT 算法 .103.2.1 恒压跟踪法 .103.2.2 扰动观测法 .113.2.3 电导增量法 .133.2.4 其他 MPPT 算法 .153.3 MPPT 算法的优化及实现 .153.4 本章小结 .174 蓄电池充电管理 .184.1 铅蓄电池的充电特性 .184.2 铅蓄电池的充电方法 .195 光伏发电功率变换器的硬件实现 .215.1 电源系统的设计 .215.2 驱动电路设计 .245.3 主回路的选择与设计 .265.4 电压电流检测电路的设计 .275.5 输出滤波电路的设计 .285.
10、5.1 连续工作模式电感的设计 .285.5.2 输出电容选择与设计 .295.6 本章小结 .306 实验测试与结果 .316.1 功率损耗分析 .316.2 带负载测试 .33武汉科技大学本科毕业设计IV6.3 本章小结 .347 总结与展望 .35参考文献 .36致 谢 .38附录 A 系统原理图 .39附录 B 系统实物照片 .40武汉科技大学本科毕业设计11 绪论1.1 光伏发电课题研究的意义人类社会的发展离不开能源的利用。在 2l 世纪的今天，随着社会科技和经济的高速发展，能源问题作为困扰人类长期稳定发展的一大因素摆在了人们面前，而且越来越迫切，如何解决能源问题，是每个国家都必须面
11、临的问题，随着不可再生能源如煤、石油、天然气的不断增加的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时也严重威胁着人类的生存环境，可再生能源的开发利用也就越来越显得重要。随着可再生能源的开发利用，太阳能已经逐渐走入了人类的生活，并且将发挥越来越重要的作用。太阳能发电与传统的火力发电、水力发电以及利用风能、核能、生物质能等，新能源发电相比较有以下优势：(1)太阳能是取之不尽的可再生能源。据计算，一年内辐射向地球的太阳能总能量是目前世界主要能源探明储量的 l 万倍，太阳的寿命有 50 亿年，这意味着开发太阳能是人类解决能源匮乏最根本最有效的途径。(2)太阳能清洁无污染。据统计，目前各种发电方式的碳排
12、放率(gkWh)如下：煤炭发电为 275gkWh，石油发电为 204gkWh，天然气发电为 181gkWh，太阳能光伏发电为 55gkWh ，风力发电为 20gkWh。而且，在使用太阳能发电过程中没有废气、废水、废渣排出，不产生噪音，不危害人体。(3)太阳能资源分布广泛。我国有 23 以上的地区太阳能辐射总量高于且年日照时间超过 2000h 以上，尤其是在西部地区更为丰富，对于缓)/(50162amMJ解当地电力匮乏有着重要意义。(4)能量转换环节少。太阳能光伏发电直接将太阳能辐射能转换为电能，在各种可再生能源的利用形式中，太阳能光伏发电对能源的利用最直接。(5)太阳能光伏发电装备安装使用灵活
13、，可根据需要，将集成化的模块扩增或减少以改变系统容量，方便灵活。(6)资源、发电、用电在同一地域，可以节省远距离输电投资费用。(7)光伏建筑集成 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)的推广应用可以节省建立发电基地使用的土地面积和费用。太阳能光伏发电的以上诸多优点决定其成为未来发电的主导形式之一，有着巨大的经济、政治和社会效益，并且其涉及交叉多个学科，如电化学、电子电路、现代电力电子、现代控技术、电力系统等，具有重要的研究价值。武汉科技大学本科毕业设计21.2 MPPT 技术的国内外发展与现状光伏（PV）电池板的最大功率点跟踪（MPPT ）是 PV 系统
14、最基本的必要方法，鉴于 MPPT 技术在光伏发电系统中的重要性，短短十多年间，MPPT 方法被不断地提出，如常用的 CVT 法、扰动观测法(P&O)、导纳增量法 (INC)、模糊控制、神经网络(Neutral Network)、滑模控制(Slide Mode Contr01)、最优梯度法、RCC(Ripple Correlation Contr01)，基于状态的 MPPT(State-based MPPT)，线性电流控制法，负载电压或电流最大化法等。这些方法包含了很多复杂的方方面面，例如传感器的要求，运算速率，工作效率，硬件实现，运用推广，研发资金等等。实际上，如此多方法的提出反而让我们为 P
15、V 系统寻找一种最适合的算法时感到困难。图 1 显示出从 MPPT 算法从文献中最早出现开始，每年有关 MPPT 的文献的发表数量。近十年来相关文献的数量还是在快速增长，然而，最近的文章大部分都只是通过仿真总结或者直接复制原来文献中已经提出的方法。这种趋势给人们一种 MPPT 技术没有什么难点的错觉，而实际上，在 MPPT 实际运用过程中却存在许多问题难点。例如光照和温度变化引起的系统振荡，局部遮阴时所形成的局部最大功率点和系统真正最大功率点的判别，再比如系统工作效率的提升，这都表明我们需要通过实际的硬件和软件来实现 MPPT 算法，并在此过程中对 MPPT 算法进行研究。图 1.1 自 19
16、68 以来，每年的 MPPT 论文总数武汉科技大学本科毕业设计31.3 本文主要研究内容本文主要通过研究 MPPT(最大功率点跟踪)算法，设计一个储能式光伏发电功率变换装置。采用 Buck 同步整流变换器和微控制器实现光伏电池 MPPT 控制及蓄电池的能量管理，最后完成原型样机参数分析与计算、元器件的选型及功能性测试，功率变换器设计结构框图如图 1.2 所示。M C UP V 输入电压电流检测滤波电路 B U C K 同步整流 输出滤波死区时间控制P W M驱动电路蓄电池保护电路A / D电流检测电压检测图 1.2 光伏电池板功率变换器结构框图硬件电路主要包括 BUCK 同步整流电路、电源系统
17、、驱动电路、电压电流检测电路和滤波电路，并通过电压反馈实现单闭环控制，实现最大功率跟踪。武汉科技大学本科毕业设计42 光伏电池板的工作特性2.1 太阳能光伏板的基本工作原理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。光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。+-+-电流日光日光日光后极电（ + ）P 型硅 （ B - ）N 型硅（ P + ）防反射层前极电 （ - ）图 2.1 光生伏打效应简图光伏电池实际上是一个 P-N 结，如图 2
18、.1 所示，当光伏电池受到阳光照射时，电子接受光能，向 N 型区移动，使 N 型区带负电，同时空穴向 P 型区移动，使 P 型区带正电。这样，在 PN 结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应 ”。如果这时分别在 P 型层和 N 型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池要算硅光伏电池。武汉科技大学本科毕业设计52.2 太阳能光伏板的输出特性针对光伏板的输
19、出特性，运用 PSIM 仿真软件中的 Solar Module 模块进行光伏板输出仿真，如图 2.2 所示。图 2.2 光伏板输出仿真光伏模块电器设定参数如图 2.3 所示图 2.3 光伏模块参数设定太阳电池在某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的输出电压和电流之间有如下关系，如图 2.4 所示。武汉科技大学本科毕业设计60024681 051 0 1 5 2 0 2 52 03 04 06 08 02/MW最大功率点SCIMPMPAI/ W/MPU图 2.4 光伏电池输出特性曲线太阳电池的 I-V 特性曲线表明太阳电池既非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压
20、范围内相当恒定，但电压升高到一个足够高的电压之后，电压迅速下降至零。根据特性曲线可以定义出太阳电池的几个重要技术参数：(1)短路电流( )：在给定温度日照条件下所能输出的最大电流；scI(2)开路电压( )：在给定温度日照条件下所能输出的最大电压；oV(3)最大功率点电流( )：在给定温度日照条件下最大功率点上的电流；mI(4)最大功率点电压( )：在给定温度日照条件下最大功率点上的电压；(5)最大功率点功率( )：在给定温度日照下所能输出的最大功率为 。mP mVIP如图 2.5 和图 2.6 所示，改变日照强度而保持其他条件不变，从 到 光照1_I4强度从 以 200 为步长上升到 得到一组不同日照量下的 I-V 和 P-V2/40W2/10mW特性曲线。由图 2.5 可见，短路电流 线性地与日照强度成正比，而开路电压的变化scI很慢。
