储能式光伏发电功率变换器MPPT控制设计与实现毕业设计

武汉科技大学本科毕业设计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AbstractResearching on grid-connected photovoltaic generators is a hot topic in todays domestic and international 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 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 traditional 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 method(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 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 working properly and achieves the prospective performance.Key word：Maximum power point tracking(MPPT)；Pulse Width Modulation(PWM)；Synchronous rectification目录1绪论11.1光伏发电课题研究的意义11.2MPPT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最大功率跟踪（MPPT）算法研究93.1MPPT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153.3MPPT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285.5.1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336.3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40IV1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，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。1.2MPPT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PV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1968以来，每年的MPPT论文总数1.3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。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、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。412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。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2.1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。2.2太阳能光伏板的输出特性针对光伏板的输出特性，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。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；(2)开路电压()：在给定温度日照条件下所能输出的最大电压；(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；(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。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-V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，而开路电压的变化很慢。图2.5 日照对太阳电池的影响图2.6 不同日照下PV特性曲线当电池温度发生变化时，由图2.7可见，开路电压线性地随电池温度变化，而短路电流略微变化。这里指的是太阳电池温度的变化，而不是环境温度图2.7 温度对太阳电池的影响由以上图示可以得出以下结论：在一定温度、日照条件下，太阳电池的输出功率具有最大值，而太阳电池一天中的最大功率点轨迹接近于某一恒压，温度变化对太阳电池的输出电压有影响。为了提高光伏系统的利用效率，负载要及时跟踪光伏组件输出的最大功率点电压，这就要求系统要能实现最大功率点跟踪。综上所述，光伏电池的输出功率与它所受的光照强度、环境温度有密切的关系。在不同外部环境情况下，光伏电池的输出功率会有较大的变化。因此光伏发电系统必须采用相关电路和控制方法对输出功率加以控制使其输出最大功率。3最大功率跟踪（MPPT）算法研究3.1MPPT工作基本原理光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受日照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的日照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是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(maximum power point, MPP)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(MPPT)。为便于说明，现将光伏阵列的输出特性重新绘制如图 3.1所示。假定图中曲线1和曲线2为两不同日照强度下光伏阵列的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。当日照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。此时如果保持负载1不变，系统将运行在点，这样就偏离了相应日照强度下的最大功率点。为了继续跟踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果日照强度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线1，则相应的工作点由B点变化到点，应当相应的减小负载2至负载1以保证系统在日照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点A。图3.1 MPPT方法示意图3.2常用MPPT算法3.2.1恒压跟踪法恒电压跟踪(CVT)方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理如图3.2所示，忽略温度效应时，光伏阵列在不同日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附近。假如曲线L为负载特性曲线，a、b、c、d和e为相应关照强度下直接匹配时的工作点。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，可以采用恒定电压跟踪方法，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统实现稳压器的功能，使阵列的工作点始终稳定在附近。这样不但简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大输出功率，如中所示。采用恒定电压跟踪恒压控制与直接匹配的功率差值在图中可以视为曲线L与曲线之间的面积。因而，在一定的条件下，恒定电压跟踪方法不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪（MPPT）控制。图3.2 忽略温度效应时的光伏阵列输出特性与负载匹配曲线CVT方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得20%的电能，较之不带CVT的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方式忽略了温度对光伏阵列开路电压的影响。以单晶硅光伏阵列为例，当环境温度每升高1时，其开路电压下降率为0.35% -0.45%。这表明光伏阵列最大功率点对应的电压也将随着环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区，CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪到光伏阵列的最大功率点。3.2.2扰动观测法扰动观察法(P&O)通过调节输出电压来达到光伏电池板的最大功率输出点。在光伏电池板接功率变换器的情况下，可以通过向功率变换器给扰动来调节电池板输出电压。图3.3 扰动观察法通过图3.3我们可以看到，当处在最大功率点左边时功率随着电压的增大（减小）而增大（减小），当处在最大功率点右边时候功率随电压的增大（减小）而减小（增大）。因此在扰动作用下，如果输出功率变大，这扰动方向不变，反之，功率减小扰动方向要反向,运算规则如表3.1所示，算法流程图如图3.4所示。由表3.1可知，只要在每个开关周期内只发生一次采样，当参与运算的数据不是平均值而是瞬时电压值和瞬时电流值时规则一样成立。表3.1 扰动观测法扰动方向扰动方向功率变化下次扰动方向正方向增大正方向正方向减小反方向反方向增大反方向反方向减小正方向图3.4 扰动观测法流程图在扰动观测法中，扰动过程将会一直周期进行，直到达到最大功率点，然后光伏电池的工作点将一直在最大功率点附近来回振荡，并可以通过减小扰动步长来将震荡减小，但同时也会减慢跟踪速度。一种解决这种矛盾的方法是运用变步长的方法，随着功率点向最大功率点靠近，扰动步长也减小。可将最大功率跟踪分两个阶段，在开始阶段加快跟踪速度，而在稳定阶段优化跟踪精度。给定参考电压变化的过程实际上是一个功率寻优的过程。由于在寻优过程中。不断地调整参考电压，因此，光伏阵列的工作点始终在最大功率点附近振荡，无法稳定工作在最大功率点上，从而也造成了一定的功率损失。同时，当日照强度快速变化时，参考电压调整方向可能发生错误。以图3.5为例说明：假设系统处于稳态，光伏阵列工作电压在 点左右波动，当日照强度突然增加时，光伏阵列输出功率增加，这时如果参考电压偏移到1的位置，则系统会认为此时参考电压调整的方向与功率变化的方向相同，而继续增大参考电压使工作点移动至位置2，导致工作点进一步远离最大功率点。图3.5 扰动观测法示意图对干扰观测法的优点总结如下： 1 模块化控制回路； 2 跟踪方法简单，实现容易； 3 对传感器精度要求不高。 缺点为： 1 在光伏阵列最大功率点附近振荡运行导致一定功率损失； 2 跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度； 3 在特定情况下会出现判断错误情况。3.2.3电导增量法电导增量法（IncCond）运用了光伏板功率曲线的斜率在最大功率点处为零的原理，在最大功率点左边，斜率为正，右边为负。所给出的 （3.1）由于 （3.2）由公式（3.1）可写成 （3.3）因此当输出电导的变化量等于输出电导的负值时。光伏电池输出最大功率。若不相等，则要判断或者是大于零或小于零。电导增量法流程图如图3.6所示此跟踪方法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压晃动较扰动观察法小。缺点为算法较复杂而且在调节工作点电压的电导增量法中，当光照强度快速变化时，调节方法会出现“误判”的情况，理论上该方法跟踪精度高，但由于传感器的精密度等因素，此法在实际应用中仍有误差存在。图3.6 电导增量法流程图3.2.4其他MPPT算法MPPT还包含很多其他方法，其中间歇扫描法实现MPPT的核心思想是定时地扫描一段(一般为0.50.8倍的开路电压)阵列电压，同时记录下不同电压下对应的阵列电流值，经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率点，而不需要一直处于搜寻状态。这种方法一般不会产生振荡，同时避免了其它方法由于需要搜索而引起的功率损失。这种方案的最大缺点是在需要有连续输出的光伏系统中无法应用，同时该方法需要有较大的存储空间和运算能力。除此之外还有模糊控制、神经网络(Neutral Network)、线性电流控制法、最优梯度法、RCC(Ripple Correlation Control)，基于状态的MPPT(State-based MPPT)，滑模控制(Slide Mode Control)，负载电压或电流最大化方法等。综上所述，这些方法在复杂性，是否需要传感器、收敛速度、成本、效率、硬件实现、广泛性等方面都有所不同，难以分出孰优孰劣。应根据系统结构、应用场合等选择适合的MPPT技术。3.3MPPT算法的优化及实现在本设计中，使用了电导增量法实现MPPT。电导增量法只需要采样太阳能电池电压和电流，最多计算一次电导增量，它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，相对于常用的恒压跟踪法和扰动观测法，其控制精度更高。增量电导法则是根据光伏阵列曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对求全导数，可得 （3.4）两边同时除以，可得 （3.5）令,可得 （3.6）式（3.6）即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件。这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分析：(1) 假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有即 ，说明参考电压应向着增大的方向变化。 (2) 同理，假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有，说明参考电压应向着减小的方向变化。 (3) 假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处(附近)，此时将有，此时参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。电导增量法控制流程图如图 3.6所示，图中、为检测到光伏阵列当前电压、电流值，、为上一控制周期的采样值。这种方法比干扰观察法好，因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，其控制精度较高。在程序中，定义一个期望输出电压值，通过如图3.6所示的流程向给扰动。同时，通过比例积分（PI）调节器进行电压跟踪，使实际电压能够快速准确地稳定在期望值上 （3.7）只有在电压跟踪实现后进行电压电流的采样和功率反馈，才能避免因采样数据不准确而产生误判，而通过恒压跟踪法可以很容易测试PI调节特性和实际电压的跟踪能力。虽然电导增量法的理论推导是完满的，但此法是以改变光伏电池的输出电压来达到最大功率点，若仅凭微分判断式来调整电压，在外在因素持续变化的情况下，在最大功率点处，由于传感器精度原因，很难准确判断，因此就需要不断地调整参考电压，光伏电池的工作点就会始终在最大功率点附近振荡，会造成一定的功率损失。而且其需要的计算量较大，对系统的性能要求较高。因此，在对此算法的实际应用中，对判断式设定一个适合的阈值，可以使系统能在最大功率点附近的某个区域内保持稳定，而不是来回持续变动，也就是说适当的引入阀值可以在不影响精度的情况下增强系统稳定性并减少计算量。所以，在最大功率点处，可以引入新的判断条件 （3.8）在条件成立时，即判定已经达到了最大功率点，直接结束判定然后赋值，如图3.7所示。图3.7 改进的电导增量法流程图3.4本章小结本章中主要研究了MPPT的常用算法，并根据算法给出了相关的程序流程图。通过对各种方法的所有缺点比较，选择了电导增量法作为本设计的MPPT实现算法，并在原有电导增量法的基础上进行了适当优化，通过PI调节提高了反馈的精度，而且通过设定阀值有效减小了最大功率点附近的振荡，使MPPT算法的实现更加精准。4蓄电池充电管理4.1铅蓄电池的充电特性蓄电池储能的独立光伏系统中，PV阵列和蓄电池是典型的非线性电源和负载。但是，在较短的工作时间内，由上第二章节的分析可知，当PV阵列的工作条件没有出现大的变化时，认为PV阵列的输出电压保持不变是合理的。根据戴维南定理，建立PV阵列的线性等效模型，同理，也可以将蓄电池线性化，如图4.1所示。该模型由PV阵列等效电压源、蓄电池等效电压源和充电控制电路3个部分组成，其中，PV阵列的等效电压为，等效电阻为；蓄电池的等效电压为，等效电阻；充电控制电路的输入电压为；输出电压为。图4.1PV阵列向蓄电池充电等效图如果采用基于二极管保护的直接充电方式，只有当时，PV阵列才对蓄电池充电，而且与电压差越大，充电电流就越大，此时消耗在PV阵列和蓄电池内阻上的功率也越大，将引起PV阵列和蓄电池温度升高，导致PV阵列的温度效应越突出，充电电流随之减小，充电效率反而会降低。当时，PV阵列收集的电荷已不能存储到蓄电池中，降低了系统能量转换效率。根据图4.1，蓄电池电荷收集最大化就是：以光伏阵列和蓄电池的等效电压及内阻参数为输入变量，并考虑能量变换的物理实现条件，求解最优能量变换输出电压，使充电电流最大，即 （4.1）约束条件为 （4.2）其中，为PV阵列提供功率；，为蓄电池充电功率；，为充电控制电路的损耗，由控制电路的变换效率确定。把公式（4.2）的各关系代入公式（4.1），整理得： （4.3）求解得： （4.4）根据图4.2所示PV阵列的戴维南等效模型和最大功率传输原理，当时，PV阵列输出功率为最大，即 （4.5）把公式（4.7）代入公式（4.6），则在PV阵列MPPT时的充电电流为 （4.6）上述最大功率点充电电流计算过程是建立在系统参数为时不变（或静态）的基础上的，但实际应用中PV阵列对蓄电池充电过程是一个动态的过程，即等效电压电阻参数、要随时间而变化。因此，在功率变换器中应该引入微处理器，用于实时更新参数取值和反馈，使其达到最大电流输出，从而实现最大功率点跟踪。4.2铅蓄电池的充电方法铅蓄电池充电方法按充电电流或电压的数值变化情况不同，可分为恒流充电、恒压充电和分段充电三种，其中以分段充电较为合理。按充电目的不同，又可分为初次充电、正常充电、补充充电和校验性充电等多种。铅蓄电池充电特性主要是指充电电压的变化规律。充电电压（U）等于电动势（E）和内压降（）之和，即 （4.7）充电电流恒定时，充电电压的变化主要取决于电动势的变化，即取决于电解液的扩散速度。一个单体电池，在电解液温度为20、以恒压电流充电时，电流变化情况如图4.2虚线所示。从充电特性曲线可见充电电压也具有明显的阶段性。图4.2 铅蓄电池的充电电压特性充电初期（ab段），化学反应先在极板孔隙内进行，硫酸铅还原成铅、二氧化铅和硫酸 （4.8）此时电解液浓度扩散速度慢，孔隙内电解液密度增加快，因此电动势和电压上升就快。充电中期（bc段），扩散速度加快，孔隙内外电解液密度一起增加，电动势和电压也就缓慢上升，此时应该使用均充，一般为10小时。充电后期（cd段），剩下的硫酸铅已经不多，而且一般都难以还原，输入的电能逐步用来电解水，正极产生氧气，负极产生氢气，有的附着在极板上，有的形成气泡逸出，当氢气和氧气附着在极板上时，产生气体电极电位，形成附加电动势，使电压又迅速上升，此后，当电流全部用于电解水时，电动势和电压不再升高，充电过程就结束了。充电完成断开充电电路，一方面由于附加电动势消失，一方面由于硫酸的继续扩散，电动势逐渐下降，最后趋于稳定。在此阶段，使用浮充充电，可将其电压设定为13.5V或充电电流小于自动转入浮充。5光伏发电功率变换器的硬件实现5.1电源系统的设计MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。其MC34063引脚图及原理框图如图5.1所示图5.1 MC34063引脚图及原理框图MC34063芯片特点： （1）能在3.0-40V的输入电压下工作 （2） 短路电流限制 （3） 低静态电流 （4） 输出开关电流可达1.5A（无外接三极管） （5） 输出电压可调 （6） 工作振荡频率从100HZ到100KHZ 如图5.2为MC34063的升压电路，4端接地，芯片内为1.25V参考电压，4端和5端由运放的虚短虚断可知，5端电压为1.25V，由此可以算出输出电压 （5.1）图5.2 MC34063升压电路如图5.3为MC34063的反向变换电路，此时由于电容3使电压反向，端口5的参考电压为-1.25V，于是得到输出电压 （5.2）图5.3 MC34063反向变换器考虑到运算放大器芯片需要的供电电流在几十毫安以内，只需要常见的稳压芯片78L15和79L15就可以满足设计要求了，设计电路图如图，由公式(5.1)和公式(5.2)可以求得升压电路部分输出电压为 （5.3）反向变换器的输出电压为 （5.4）再经过芯片79L15和78L15稳压和LC电路滤波，则可以得到稳定的电压,如图5.4所示。图5.4 电源系统电路图这是一种用于DCDC电源变换的集成电路，应用比较广泛，通用廉价易购。但是芯片MC34063效率并不高，其的极性反转效率最高65%，升压效率最高90%，降压效率最高80%，变换效率和工作频率滤波电容等成正比，会降低整个系统的工作效率。5.2驱动电路设计在本设计中，使用了MC9S12XS128B单片机的PWM模块，内部时钟频率最高可达120M，单片机中集成了8路8位独立PWM通道，通过相应设置可变成4个16为PWM通道，每个通道都有专门的计数器，PWM输出极性和对齐方式可选择，8个通道分两组，共有4个时钟源控制，在本设计中，选用了左对齐方式，该方式下，脉冲计数器为循环递增计数。脉宽调制电路电路如图5.5所示。图5.5 PWM驱动电路IR2104芯片可以驱动10到600伏特的N沟道MOSFET管或IGBT管。其输出端口HO和LO的输出为互补的PWM波形，便可以用于驱动同一桥臂的两个开关管。实际输出波形如图5.6所示。图5.6 实际PWM波形图由于主电路运用了同步整流拓扑，MOSFET管可以双向导通，所以Q1和Q2不能同时导通，不然光伏板输出端会出现短路。通常由于开关管的开通和关断总需要一定的时间，因此为确保MOSFET管Q1和Q2不发生同时导通的情况，如图5.7所示，在时间内，两个MOSFET管可能同时导通。图5.7 不加死区的PWM输出波型所以在控制信号中必须设置死区时间，以保证在一只开关管关断后，另一只开关管才能导通，在实际电路设计中，一般设定死区时间为500ns至1us（如图5.8）。例如选用频率为40K的驱动波形，其每个周期为25us，当加入1us死区时间时，不仅能起到保护作用而且不会对输出精度造成影响。图5.8 带死区的PWM输出波形功率变换器的输出电压由决定，与导通时间和工作频率有关。在设计电路时我们要首先考虑尽量选择提高频率以减小滤波器件电容和电感的体积，但是过高的频率会导致电路交流损耗增加，因此，需要在两者之间折中选择。5.3主回路的选择与设计在目前很多应用中，变换器的效率比总是要比成本更加重要，而当效率很重要时，自然可以考虑同步整流，即输出整流部分的功能用有源开关来完成，而整流毫无例外地选用MOSFET。在选择开关管时，MOSFET在小功率场合具有很大的优势，P沟道MOSFET的导通电阻要比N沟道的大，损耗也会相应更大而且在实际使用过程中，驱动P沟道MOSFET使用下拉关断电阻时，有时候会得到与期望不相对应的开关速度，所以，本文文选用N沟道MOSFET：IRF1404。同时使用同步整流还有另外一个更深层次的原因，即同步整流能够把断续模式转变为连续模式来工作。即使是空载工作，电流能以正反两个方向流过电感。用同步整流就不用担心工作模式的改变（模式改变不利于变换器的稳定），或者最小电感取多少，才能保证变换器工作于电流连续模式。如图5.9所示，左边为采用MOSFET的同步整流变换器右边为采用二极管的非同步式整流变换器。图5.9 采用MOSFET的同步整流变换器(左)采用二极管的非同步式整流变换器(右)5.4电压电流检测电路的设计可以通过霍尔传感器检测电流，由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小，即：I1B1U0。我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时，U0等于50mV或100mV，这样就可以通过霍尔直接检测电流传感器检测电压了。电压则可通过运算放大电路来检测（见图5.10），通过图5.10可列式 （5.5）化简可得 （5.6）通过将实际电压衰减7.5倍，然后将检测电压传给单片机来检测电压图5.10 电压检测电路在电压电流检测过程中，为了避免电压纹波和扰动对系统运算产生影响，在软件上，只有当电压跟踪实现后单片机才能进行电压电流的采样和功率反馈，避免因采样数据不准确而产生误判。为了避免误判，在软件程序中使用40K的采样频率进行反馈采样，并使用最高中断优先级，只有在采样所得电压已经跟踪上期望电压值的情况下，程序才会执行MPPT中断程序，否则继续执行下一次采样，直到得到正确采样值时，进入算法中断。5.5输出滤波电路的设计5.5.1连续工作模式电感的设计对于BUCK工作电路，不连续工作模式不是必须重点考虑的问题，但是对于本设计，需要通过电感的设计使电流保持连续。因为在同步整流电路中，MOSFET管可以双向导通，如果电感过小，会导致充电电池反向放电，降低输出效率。将电感的选择为保证直流输出，电流波动小于最大输出电流的10%，且电感电流保持连续，若设开关管开通时输出电流为，则有最小连续电流，斜坡电流为，由此可得有 （5.7）式中为开关管输出电压，为系统输出电压，所以 （5.8）式中，且和是设计中确定的额定值，则 （5.9）设最大输出电流为10A输出电压为1214.5V，开关管最大输出电压为22V，开关频率为40KHZ，因此，L由公式(5.9)计算可得 （5.10）而在本设计中，选择了的电感，足够保持电流连续，且电感输出电流纹波。5.5.2输出电容选择与设计如图5.11所示的输出滤波电路，由于、并非理想电容，它可以等效为寄生电阻和电感与其理想纯电容的串联，如图5.12所示。一般来说，在我们考虑串联电感（如图5.11所示）的纹波电流幅值时，我们总希望这个纹波电流的大部分分量流入输出电容，因此输出电压的纹波由输出滤波电容、电阻和电感决定。而对于低频纹波电流，可以忽略，输出纹波主要由和决定。图5.11 输出滤波电路图5.12 输出电容C及其寄生元件由于输出电容为大电解电容，因此在开关频率处，由产生的纹波电压分量小于由产生的纹波电压分量，因此在中频段，对于一阶系统，输出纹波接近于等于串联电感的交流纹波电流乘以。通过一些厂家的产品目录可知，对于很大范围内不同等级不同容值的常用铝电解电容，其的值近似为常数，为。若串联电感的输出电流纹波，要保证输出纹波电压峰峰值，如果假设输出纹波电压的大部分分量由电阻产生，则可以选择电容器使得满足纹波电压要求 (5.11)由上式可得 (5.12)5.6本章小结对于直流功率变换器来说，硬件设计的重难点就是拓扑结构的选择、PWM和滤波电路的设计，在本章中，主要针这三个难点，通过分析确定了主电路的拓扑选择和PWM电路的设计，并对输出滤波电路的电感电容进行了精确的计算。6实验测试与结果6.1功率损耗分析对于BUCK同步整流电路的固有功率损耗，当使用实际元器件时，整流电路的损耗主要是开关管和的导通损耗以及磁性绕组的阻抗损耗。导通损耗与平均直流电流有关，因此相对容易计算。当考虑开关管的开关损耗以及电感的磁芯损耗是，电路开关损耗的计算将变得很复杂。在开通和关断瞬间，和的开关损耗是由电流和电压的交叠产生的，而电感的电流纹波在磁芯材料上产生磁滞和涡流损耗。对于导通损耗，如图5.11所示，在理想情况下，和这两个晶体管都是理想元件，则关断时，其承受最大电压PV，但电流为零，因此损耗为零；导通时，有点流流过，但是它的电压降为零，同时承受PV反向电压，但是流过的电流为零，因此损耗也为零。当忽略二次效应和交流开关损耗时，导通损耗非常容易计算。在和导通时间内，其电流平均值可近似为直流输出电流。由于在很宽的范围内，开关管的导通压降均为1V，所以导通损耗可表达为 （6.1）若忽略开关损耗，则与导通相关的效率为 （6.2）而交流开关损耗可以根据某时间段内电压电流动态曲线按照上升电流和下降电压的斜率计算。在最理想的情况下如图6.1所示，导通时电压电流变化同时开始同时结束。电流从零上升到的同时，电压从最大值下降到零，导通期间平均功率为 (6.3)而整个周期的平均功率为。同样，关断导通时，同上可得 （6.4）而整个周期的平均功率为。图6.1 开关管理想开关波形如果设，其中为开关时间，则总损耗为 （6.5）而效率为 （6.6）以输入22V，输出12V，开关频率为例，若不考虑开关损耗，且设开关时间，根据公式(6.2)有 （6.7）若考虑最理想情况下的开关损耗，则由公式(6.6)有 （6.8）由此可知，当开关频率较高时，开关损耗也是必须要考虑因素。6.2带负载测试在实际测试阶段，首先对驱动电路进行了测试，主回路所使用的的同步整流功率变换器要由驱动电路产生的PWM波形来控制开关管，而且驱动电路还是软硬件的衔接点，所以PWM波形的好坏决定了主电路输出是否能达到预期目的。实验时由稳压电源供电，带电阻性负载对驱动电路进行测试，如图6.2所示为驱动电路输出波形，如图可知，驱动波形稳定。图6.2驱动电路输出波形图6.3为所接稳压源为32V输出时，功率变换器的输出电压电流波形，如图可知输出电压稳定为为16.2V为电源电压的一半。由最大功率传输定理我们可知，当负载电阻与含源一端口的输入电阻相等时获得最大输出功率，在此次试验中输出电压为电源电压一半，满足了最大功率传输定理。图6.3功率变换器输出电压电流波形为了测试光伏充电器的工作效率，将光伏充电器输出端接上铅蓄电池6GFM12650进行充电，表6.1为接上功率变换器和用光伏板直充时的输出功率比较。由表6.1可知，当使用功率变换器进行MPPT时，可以显著提高光伏电池板的输出功率。表6.1 给蓄电池充电实验数据比较有MPPT充电电压()有MPPT充电电流()有MPPT输出功率（W）无MPPT充电电压()无MPPT充电电流()无MPPT输出功率()输出功率提高百分比16.180.7912.7812.140.728.7446.2%16.20.8413.6112.160.809.7240.0%16.381.2019.6612.201.1113.4246.5%16.571.5225.1912.241.4217.3844.9%16.71.6126.8912.251.5418.8742.5%17.142.2137.8812.272.1426.2644.1%如表6.2所示为接上功率变换器后，整个系统的工作效率。由表6.2可知，当低电流运行时，功率变换器的工作效率就能达到80%以上，且当电流升到2A以上时，工作效率将达到85%，符合设计要求。表6.2 电导增量法MPPT充电效率输入电压输入电流输入功率输出电压输出电流输出功率效率16.20.812.9612.080.8810.6482%16.561.4524.0112.131.6520.0583%16.801.7128.7312.151.9623.8083%17.092.0134.3512.252.3629.6486%17.142.2137.8812.322.6532.6586%17.432.5444.2712.383.0738.0186%6.3本章小结由功率损耗分析和表6.2可知，实际带负载测试所得的功率变换器效率，和理想情况下计算所得的效率任然存在差距。因为功率变换器的输出还要给电源模块、PWM电路、液晶显示模块供电，而且电源模块所用的MC34063芯片效率不高，功率损耗较大，使得实际带负载测试所得的效率偏小。7总结与展望本文在基于MPPT算法理论研究的基础上，运用电压闭环反馈，完成了光伏充电功率变换器硬件实现的工作。其中主电路涉及到高端MOSFET驱动，驱动电路相对复杂，而且由于采用同步整流，且输出端为电池类负载，需要多路带死区时间的PWM输出来控制，控制方式相当复杂。再加上MPPT算法和充电管理，大大增加了系统的复杂程度。在本设计中，为了提高功率变换器的整体性能，在设计过程中，对电导增量法中的一些判定条件都进行了适当的改善，比如，通过限定电压跟踪精度来保证准确反馈，通过设定阀值来改善最大功率点附近的振荡，这些设计都无疑使电导增量法得到了有力的改善。然而通过实验测试，我发现整个系统还存在一些需要改进的地方。首先，初始搜寻最大功率点耗时相对较长，在环境温度或日照量发生短时剧烈变化的情况下，仍然会产生相对振荡的影响；其次，在最大功率点处，由于测量精度限制，不能准确的判断，会产生误差；最后，从带负载测试和功率损耗分析中我们可以发现，整个系统的效率不高，在电流较低时，效率不能达到85%的要求。针对这些问题，我们可以有针对性的对算法进行改进，比如：在算法上，可以使用变步长扰动观测法、变步长增量电导法和多种方式的组合，在硬件上，我们可以通过提高电压和电流检测的精度来避免MPP处的振荡,运用双开关管并联来提高开关频率等。对于新能源的利用和控制目前还是比较前沿的研究项目，控制理论和电力电子技术的紧密结合使得该领域的研究博大精深，光伏充电功率变换只是光伏开发的一个热点，其中还有许多值得研究的问题。由于本人学识水平、经验和时间的有限性，论文也许会有很多的不足之处，这也都有待将来的进一步科研工作来改善。参考文献1 Trishan Esram，Patrick L ChapmanComparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking TechniquesJIEEE，20072 Hamakawa Y30 years trajectory of a solar photovoltaic researchJphotovoltaic Energy Conversion，20033 Bernard Bekker，H.J.Beukes，Finding