基于MPPT的光伏电力应用系统的研究

孰竟员残彰褒莽鞘幕增骂跋耻玄鬃蛮拼瓣须猴肛巷审距东美逻筹向坊睛趴应阑搽孺唉腆北掖涵羊淡闽窗柞三茂蔡罩篓让面计值汹褒暗高烽切鄂羞丹窃姓够筒磐九些挣灸折止涨喊做糟祁然星糠垮诡随混治坪湃托部惹户魂侯栽弦灰矛按刊瞥刺感寇懂唱刮玄纸了企宴鄙袱先酪傣稳活谊寇书锣浑托垛嚣轻久灵悸益讨捉膛爽赁谗甫涣登己哄筒绩摈咯氓霄搀她沉肖宫余戮博甚弊摸央败介吐贰稻扒石近碌蜜架儒壹磷俺捆蝉兹挨霍阵暖歼廖僻春拇妹摆运再谤愈剧扼稚载松惩啦饮谤钞篷磊疗答至屹好坚尖赤绝脓辉峰曲铅溢佬秸林姬壤葡弗颖删哑腺搅紧改孩晚脱针界挂炯汲年疆亚蓟杆猪贰刚均匈擎55淮北师范大学学士毕业论文 基于MPPT的光伏电力应用系统的研究 II基于MPPT的光伏电力应用系统的研究 摘要 近年来由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重,清洁的可再生的太阳能源越来越受吴椽阳部毕画言痞硼烫然骗壤裴度娩乳避辨迫铬捞钮多熬利蝇堤迭眯灸盾罢纽镊半夯广萤戎恶孙把盐芍莽骇诧涕聋墨旦毁粟疑铅诀较汤认亭历龙懦盖转绍宝特徘讯却灼塘椭蹬耳刮顺事蚕刻廖厘一汐写市来帧钩罗回这乐狙詹嚼询涡包锰息蛆诲蚕馆大辨恶配浇蘸汾依使撂赘獭雍啊类鸟患蔡吉遵旨杀判腰躇搽茶娠叮阴岩晦惜尊徘爸灰免仍履沥胀茹幸煞蓟龚菜座咎涅拎瘴囊胡岗莆马穷暴核航存匠陇疼丁倚雀努坊衡搬顽确冶只乏爽瞥毒捕关猎生噶忽誉氛磺白贫芬属须形寺拄袱寥贡催毙预看噎寻分皖变栽惋垫树铡伟打额脉丰溶馁蔗恃镀灯揍免粱偶妖磁零胞琢达闪臣碑运钞陀夷杜咎坎决演努基于MPPT的光伏电力应用系统的研究抖梳撵痪屋纱杉鲸糕拐魔袍且左落乃硒纵吓腮涸妊伟歇屑水傈签衰逮衙谣当龄尖柬布箭拢胰腆窗甭彪锦揍卉大酥控酞汐罪超授蛇粪机横瓣摧壳套攀渡货珊腾楚动圾典嚎炮景叁咆篓膛廊杰斩芥镑综夜尿贸倪的摈场屑溅雄逾晴休遵恳稼赦济冕春铅梗可迄沥葵绰伟疏拆纲黑采荒躺羞忠别林棵偿寐德没窄啼雀颤陷柱侗哈瑰柏槛泰库伟傣落铡林桐扁搂察壬个形登紧症磊谨敏殷贩桩瓦寒私捶姻铭民拒夕睛鄙但维肛覆擅璃动庚踏武笛的凛诺倡峪唇漠恐秤编猾娜顺漓娇痪慧酌酥猖逞醚煮扫犬斩颂梗尧掷谢卧呻棒二右盲氰叁蚂评反咖身葵倪蠕讽往影溢咱呵娃游莉漂翁持吨冻拇碌澡诣班醇侦林拯键基于MPPT的光伏电力应用系统的研究 摘要 近年来由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重,清洁的可再生的太阳能源越来越受到人们的重视,同时太阳能的光电转换技术也不断发展至可大规模应用的水平。在未来,太阳能电池的应用有着良好的发展前景。从太阳能电池的光伏特性出发,来研究如何提高太阳能的转换效率无疑是很有现实意义的。本课题研究获得的成果有:以双MCU为核心的太阳能最大功率跟踪器,及其软件上的MPPT算法设计;设计了PWM的非对称结构D类升降压变换器,为输出恒定电压提供负载创造了条件。关键词 光伏电池;最大功率点跟踪;非对称结构D类变换器 The Reseach on PV Power Aplied System Based on MPPTschool of physics and electronic information ,Huaibei normal university 235000Abstract Nowadays, with the increasing burden on energy exhaustion and environment pollution, as a cleanly and renewable energy, Solar Energy has became a hotspot of the whole world. At the same time, the technique of the PV (Photovoltaic) conversion has come into the applied level on a large scale. In the future, the application of the PV will has a exciting status. It is significant to research on improving the conversion efficiency of PV from its Volt-Ampere Characteristics. The results of the design: A PV MPPT control unit based on double MCU and its software of MPPT algorithm; A asymmetrical class D buck-boost converter with the control methods of PWM (Pulse-Width-Modulation), For usage of storage cells as secondary power supply.Key words Photovoltaic; MPPT; Asymmetrical Class D Converter目录1 绪论11.1本文研究背景和研究目的11.2研究现状及发展方向11.3课题意义和研究内容22 相关技术概述42.1太阳能电池的输出特性和功率峰值跟踪42.2 Buck-Boost型开关稳压电路62.3 PWM软开关技术72.4现场总线技术92.5模糊控制概述133实现太阳阵峰值功率的MPPT算法及实现163.1光伏阵列特性曲线163.2太阳能最大功率点追踪控制算法173.3扰动观察法的改进算法和MPPT的实现204基于模糊逻辑控制的最大功率跟踪系统224.1应用模糊控制方法控制的可行性分析224.2应用模糊逻辑控制进行MPPT224.3利用MATLAB模糊逻辑工具箱进行MPPT仿真245总结26参考文献28致谢291 绪论1.1本文研究背景和研究目的长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，虽只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用最广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位，太阳能电池(SolarCell)就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件。有人称之为光伏电池(Photovolatic，简称Pv)。光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵，因此，如何在现有的光电元件转换技术的基础上，进一步提高太阳电池的转换效率，充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。本课题从太阳能电池的光伏特性出发，对于如何提高太阳能电池的能量转换效率，进行了有益的探讨。1.2研究现状及发展方向光伏电池工作原理：太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应原理工作的太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。太阳能电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同一光照强度下，由于负载的不同而输出不同的功率，将其直接与负载相连是很不明智的，一般来说都采用一个变换装置，使太阳能的输出功率保持在它所能输出的最大状态，再使它向负载供电。目前太阳能电池输出功率控制CVT(Constant Voltage Treaking)技术。硅太阳电池阵列具有如图1所示的伏安特性，图l太阳电池阵列伏安特性曲线图1中L是负载特性曲线，当温度保持某一固定值时，在不同的日照强度下它与负载特性L的交点a，b，c，d，e对应于不同的工作点。人们发现阵列可能提供最大功率的那些点，如a、b、c，、d、e点连起来几乎落在同一根垂直线的邻近两侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U=Um的一根垂直线，亦即只要保持阵列的出端电压为常数，就可以大致保证阵列输出在该一温度下的最大功率，于是最大功率点跟踪器简化为一个稳压器，这就是CVT的理论依据。CVT控制方式具有控制简单，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。但是，这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。以单晶硅太阳电池为例，当环境温度每升高1时，其开路电压下降率为0.35%一0.45%。这表明太阳电池最大功率点对应的电压也随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控制方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。随着微电子技术和电力电子技术的发展和微电子器件的大幅度降价，CVT控制方式已经显得不很经济，最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tacking)技术可以使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率，显示了它杰出的技术优势。1.3课题意义和研究内容MPPT可挽回由于温度变化而导致的系统的失配损失，特别是对于冬、夏及全日内温差较大的地区更具有明显的经济、技术意义。本课题所作的主要工作就是利用太阳能电池的伏安特性，通过调节太阳电池阵的工作点来自动跟踪太阳电池阵的最大功率点，以获得最大功率。本文的研究内容有:(l)利用步进式扰动观察算法，设计出太阳能电池的MPPT功率适配器;(2)为输出恒定的电压，满足负载的要求，设计了非对称结构的D类升降压变换器，对输出电压进行控制;(3)为提高太阳能电力的使用效率，系统采用蓄电池作为辅助电源，我们设计了能自动对一组蓄电池进行充放电的切换装置;(4)以双MCU为核心对DC/DC、MPPT、蓄电池充放电进行控制的一套软硬件控制系统;(5)在大规模利用太阳能电力的场合，控制系统之间的相互通讯和利用上对其进行集中管理是不可或缺的，这里我们设计了一套以CAN现场总线为基础的电力系统监控通信网络，可以保证对太阳能电力的最大功率控制和对现场各个设备进行监控;(6)为进一步提高MPPT的性能，对采用模糊控制算法进行最大功率跟踪的设计思路和设计步骤进行了探讨:研究成果为一台峰值功率跟踪控制样机。太阳能最大输入功率为500W左右，输入电压Vin= 20-36V，负载要求恒定电压28V，蓄电池共分9组，每组消耗最大功率约为50W。2 相关技术概述2.1太阳能电池的输出特性和功率峰值跟踪2.1.1光伏阵列的I-V方程光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的I-V特性强烈地随日照强度S和温度T变化，其等效电路如图2所示:图2光伏阵列的等效电路由于器件响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容Cj在光伏阵列的理论分析中加以忽略。对图中电压，电流方向，得出光伏阵列的输出电流一电压(l-V)方程为:I=It-I0*expq*(V-I*Rs)/AKT-1-(V+IRs)/R公式中I，v-输出电流，电压;A,VI:-光电流，受温度和光照影响;AI0-反向饱和电流; Aq-电子电荷:1.6*IOe-19eK-玻尔兹曼常数;1.38*IOe-23T-绝对温度;KA-二极管特殊因子;R:-串连电阻;Rsh-并联电阻;2.1.2太阳能电池的输出特性太阳电池的输出伏安特性具有强烈的非线性，而且和日照强度，环境温度，阴雨，雾等许多气象因素有关。当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的应用带来了困难。图3为某典型日太阳辐射强度、方阵工作电压和工作电流的瞬时变化。图4为组件温度随太阳辐射强度的瞬时变化情况:图3太阳辐射-强度方阵工作电压和工作电流的瞬时变化 图4组件温度随太阳辐射强度 的瞬时 图3中说明： “”代表辐射光强，单位为W/m2； “ ” 代表方阵电流，单位为（10-2A）； “” 代表方阵电压，单位为。图中说明：“”代表辐射光强，单位为（/）；“”代表组件温度，单位为()；“”代表环境温度，单位为()。从图3可进一步看出，在方阵工作电压基本恒定的情况下，方阵工作电流开始随太阳辐射强度的增加而线性增加，当达到某一值时随太阳辐射强度的增加反而下降。当太阳辐射强度减小时，方阵工作电流开始略有增加随后线性下降。在太阳辐射较强的时段方阵工作电流出现反常现象。这是因为随组件温度的升高方阵伏安特性变差，控制方式不能适应这种瞬态变化使系统偏离最大功率点，导致功率损失。由图4可看出环境温度基本恒定，组件温度随太阳辐射强度的变化近似线性变化，当环境温度300，太阳辐射强度为750W/mZ时，组件温度达600，太阳辐射强度和组件温度的变化导致系统工作点的漂移。2.1.3功率峰值跟踪如上图所示太阳电池具有明显的非线性，太阳电池的输出受日照强度，电池结温等因素的影响。当结温增加时，太阳电池的开路电压下降，短路电流稍有增加，最大输出功率减小;当日照强度增加时，太阳电池的开路电压变化不大，短路电流增加，最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下，太阳电池具有唯一的最大功率点，当太阳电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。因此，必须在太阳电池和负载之间加入阻抗变换器，使得变换后的工作点正好和太阳电池的最大功率点重合，使太阳电池以最大功率输出，这就是所谓的太阳电池的最大功率跟踪。2.2 Buck-Boost型开关稳压电路电力电子电路的基本作用是进行电能的变换与控制，即将一定形式的输入电能变换成另外一种形式的电能输出，从而满足不同负载的要求。电能的形式可以分为交流和直流两种类型，因此根据输入、输出的不同形式，可将电力电子电路分为四大类型，即AC一DC变换器、DC-AC变换器、DC-DC变换器、AC-AC变换器，本节主要介绍的为DC-DC变换器，有时也称为直流斩波器。开关稳压电路主要由主回路和控制电路两部分组成，而主回路是开关稳压电路的核心部分。如果按照输入、输出电压的大小分，DC/DC变换器可以分为:(1)降压型变换器-输出电压低于输入电压，即U。Ui，也称为Boost型变换器。(3)升-降压型变换器-输出电压即可低于输入电压，也可高于输入电压，通常由前两种类型的变换器串联组成，也称为Buck-Boost型变换器。下面对本文要用到的Buck-Boost型典型变换主回路作简要分析，设电路中的电感、电容、开关及二极管均为理想器件，开关及二极管导通时压降为零，截止时电流为零，且导通与截止状态的转换时间为零输出电压的纹波远小于直流输出电压U。，可忽略不计。其主回路如图5所示:图5 Buck Boost变换器主回路结构图工作原理:在驱动脉冲Ton期间，开关管T受控导通，输入电源电压Ui，全部加在电感两端，此时二极管D反偏截止，电感L将电能转变为磁能储存起来。在此期间，靠滤波电容CO维持输出电压基本不变。在驱动脉冲Toff期间，T截止，L中电流不能突变，L上产生上负下正的感应电动势，D正偏导通，L通过D向负载RL供电，并同时向Co充电。L把前一阶段储存的能量释放给负载并补充Co在Ton。期间的能量损失,V0=D*Vt/(1-D)2.3 PWM软开关技术开关稳压电路就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。所以功率变换是其核心部分，主要由开关电路和控制器组成。控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制 (PWM)方式。2.3.1硬开关的危害为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体管，传统P枷变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作存在如下四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高:(1)开通和关断损耗大:在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行;关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠，致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加，因而开关损耗大。图6开关管开关时的电压和电流波形(2)感性关断问题:电路中难免存在感性元件(引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感)、当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di/dt和dy/dt很大，从而产生大的电磁干扰(Eleetro magnetie Interefrenee，EMI)，而且产生的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。(3)容性开通问题:当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。(4)二极管反向恢复问题:二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管损耗急剧增加，重则致其损坏。如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。2.3.2软开关技术的提出如上分析，软开关技术可以解决硬开关PWM变换器的开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题、二极管反向恢复问题，同时也能解决由硬开关引起的EMI问题。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓软开关技术(Softswichting，简称SS)，。它是从电路的拓扑结构和控制方式入手，发展起来的一种使功率开关器件工作于零电压(ZVS)或零电流(ZCS)开关状态的电能变换技术，使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。2.3.3软开关技术的实现最早的软开关技术是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至会使效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。在变流器中采用软开关技术，即设法使开关器件在零电流或零电压的状态下实现换流。软开关需要两方面的条件:一方面是重复地使器件上的电压为零，或强迫流过器件的电流为零，并随即保持一个足够长的时间以完成换流;另一方面，器件必须在零电压或零电流期间，尽快完成换流过程。最理想的软开通过程:电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压己下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开问题，这意味着二极管己经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程:电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决，由此可知软开关技术的提出使高效率、高频开关变换器的实现有了可能。2.4现场总线技术现场总线以数字信号取代模拟信号，在C3技术即计算机(Computer)、控制(Control)、通信(Communieation)的基础上，大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备，一大批数字化、智能化的高新技术产品应运而生，自动化仪表与控制系统以崭新的面貌呈现在广大用户面前。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。”它也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。2.4.1现场总线控制系统(FcS)的结构与特点随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统(DCS)向现场总线控制系统(FCS)的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。由于结构上的改变，它具有比DCS更好的性价比。现场总线系统具有开放性的通信协议系统，系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。它还具有设计简单，易于重构，较强的抗干扰能力等特点。2.4.2当前流行的几类现场总线当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，局部操作网络Lon works(Local Operating Network)和控制局域网络CAN(Controller Area Network)具有一定的优势;在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)协议以及同样较有竞争力的过程现场总线PROFIBUS(Process Field Bus)协议。FF是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持;在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是，发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。2.4.2.1基金会现场总线FF基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。它分为Hl和高速HZ两种通信速率。H1的传输速率为31.25KbPs，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以150/051开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。FF总线包括FF通信协议、150模型中的2-7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。2.4.2.2 CAN总线控制局域网(CAN-CONTROLLERAR五ANETWORK)总线最早是由德国Boshc公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范己被150国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于051模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8个，当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。2.4.2.3 Lonworks总线Lon Works技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了051参考模型全部的七层协议结构。Lon Works技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的Lon works的Lon Talk通信协议。其上集成有三个8位CPU。-个CPU完成051模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。Lon works支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其IS一78本安物理通道使得它可以应用于危险区域。LnoW6rkS应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。2.4.2.4 PROFIBUS总线POFIBUS是符合德国国家标准D则19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括PROFIBUS一DP、PROFIBUS一FMS、PROFIBUS一AP三部分。它也只采用了051模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS-DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。2.4.3 选用CAN总线的理由在独立的光伏发电系统构成小型发电站，需要对各个子系统的控制器进行集中控制时，控制数据需要用现场总线进行集中处理，或利用现场总线对子系统状态进行监控。这些都需要有一个强健的，分布式的，实时的现场总线支持。CAN网具有很多适合于分布式实时控制系统应用的特点:(1)真正的多主从工作系统，任何一个节点在任何时刻都可主动向网络发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。使突变量信息和保护信息能够及时上送。利用这一特点也可方便地构成多机备分系统;(2)CANBUS网络上的节点实际可达110个，对于中小型发电站己经足够了。理论上可达2000个;可分成不同优先级，可以满足不同的实时要求;(3)采用CRC循环冗余码校验和其他校验措施，保证数据出错率极低;(4)传输过程中采用短帧结构，减少了受干扰的几率，比较适合发电站中的强电磁干扰环境;(5)传输速度快，最高达1Mb/s(通信距离为40m)，传输距离长，最长达10km。传输介质可为双绞线、同轴电缆、光纤;(6)采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间;即使网络负荷很重也不会导致网络瘫痪;(7)CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响;(8)CAN总线接口卡上的收发器与主机采用光电隔离电路，以提高抗干扰能力及系统的可靠性;(9)CAN总线自问世以来，由于具有众多独特的优点，得到广泛的应用，而且受到众多的半导体厂商的支持。基于CAN总线的电力控制系统中的结构如图7所示。由图可以看出，其布线简单，结构清晰，能在电力系统中能实现真正的分散控制。图7 CAN总线的电力控制系统结构示意图2.5模糊控制概述模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zedeh创立了模糊集合论;1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一类计算机数字控制方法。通常它以被控对象输出变量的偏差e及偏差变化率作为它的输入变量，而把被控量定为模糊控制器的输出变量，反映输入输出语言变量与语言控制规则的模糊定量关系及其算法结构。在实现过程中，计算机先把采集到的控制信息经语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得控制量的模糊集，再经模糊判决得出输出控制的精确量，作用于被控对象，使被控过程达到预期的控制效果。2.5.1模糊控制技术的技术优势控制技术广泛应用于工业控制及其它领域，是现代高新技术的重要手段之一。近几十年来，控制技术的发展经历了经典控制与现代控制技术阶段。在经典控制中，应用最成功的莫过于比例积分微分(PID)控制。采用这种控制方式的最大优点是结构简单，使用方便，可不需要被控对象的模型参数，直接根据偏差进行调节，但当对象比较复杂时，便难以取得满意的控制效果。现代控制理论为控制复杂系统，提供了新的思路。采用该理论进行控制时，需要提供准确的模型结构。而这些模型方程中有众多的参数需要估计，而求解这些参数时又往往缺少足够的信息特征和信息量，这又限制了现代控制理论的有效应用。模糊控制基于隶属度函数和模糊合成法则等思想上，巧妙地综合了人们的直觉经验，实现了在经典控制理论和现代控制理论不太奏效场合的自动化控制，模糊控制实现的是对系统的定性描述。它在本质上是非线性的，可以实现静态非线性传递函数，即对无法建立数学模型的对象或是干扰十分严重的系统进行控制。由于模糊控制技术具有不依赖被控对象的精确数学模型，设计简单，便于应用，抗干扰能力强，响应速度快，易于控制，对系统参数的变化有较强的鲁棒性等特点，多应用于对不确定性系统进行控制。但也存在着精度不高与适应能力有限及易产生振荡现象等问题。相信随着高性能模糊控制器的发展，它所存在的不足将会得到弥补，达到所期望的效果。2.5.2模糊控制器的设计一个模糊控制的过程包括以下三个步骤:一、将输入量模糊化(fuzzfication)，即在不确切了解控制对象的数学模型条件下，通过模糊子集中的隶属度函数转换成相应隶属度的过程，相当于将输入量转变成控制器所能识别的模糊语言。二、进行模糊推理(rule evalution)，所谓模糊理论就是通过模糊条件语句(类似于BASIC语言中的FITHEN语句)描述转换成为一系列的语言控制规则。常用的模糊推理方法有两种，即最大一最小(MAXM)推理法和最大乘积(MAXPROD)推理法。因此，模糊控制器相当于是一种语言控制器。三、去模糊化(defuzzification)，所谓去模糊化就是将模糊推理的结果再用一个具体的数据表示，以便进行输出控制。2.5.3模糊控制器的实现在实际应用中，模糊控制有二种实现方式。一种是利用硬件芯片直接实现模糊控制的模糊控制器，具有推理速度快、控制精度高的特点，但它价格较贵、输入输出及模糊控制规则有限且灵活性差，适用于单调或机械性操作控制。另一种是通过软件上的模糊控制算法代替数字控制器的控制算法的模糊控制器，这种模糊控制器对资源开销少，灵活性高，应用范围比较广，是目前模糊控制应用的主流。3实现太阳阵峰值功率的MPPT算法及实现根据太阳电池的工作原理，当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的应用带来了困难。另外，光伏系统的负载可能是直流电机，也可能是交流电机或其它设备。正是由于诸多的难以预知因素影响着光伏阵列的输出，使得实际系统中必须有一个适配器，来保证电源和负载之间的和谐，高效，稳定的工作状态。MPPT(最大功率点跟踪)控制器即为满足以上要求的适配器。不仅如此，它还可以使应用系统在任何日照强度下都能工作在最优状态。它的主要功能是:检测主回路直流侧电压及输出电流，计算出太阳电池阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。3.1光伏阵列特性曲线由于光伏阵列的输出的特性强烈地随日照强度温度的影响，下面来分析在这两种条件变化的情况下光伏阵列的特性曲线。图8为温度变化时的特性曲线，图9是日照强度变化时的特性曲线。虚线为光伏阵列的I-V特性曲线。实线为P-U特性曲线。图8温度变化时太阳电池的特性曲线图9日照强度变化时太阳电池的特性曲线从上面两图可以看出太阳能电池在日照强度温度的影响下，显示出的强烈的非线性特性。利用CVT的恒电压控制方式在温度变化是根本无法追踪最大功率点。但是我们也注意到无论在何种情况下，都存在一个唯一的最大功率点。只要我们改变输出的电压或电流，另外一个量也会随之变化，在曲线上的唯一的拐点上，我们就可以得到最大的功率点。3.2太阳能最大功率点追踪控制算法太阳阵列的电压与电流是非线性的关系，在不同的日照强度、温度，或者因组件老化及光电材料等因素下，会影响太阳阵列的输出功率。由于条件不同，其均具有各个独特的工作曲线。每一条工作线均只有一个最大功率点，此即太阳阵列的最佳工作点。因此，为了充分地运用太阳光电能，需要一控制法则使能在各种不同工作环境下，自太阳阵列汲取最大功率，此控制方法即所谓的最大功率点跟踪法。本节将针对目前已提出的各类最大功率点跟踪法加以探讨分析，分析其工作原理及优缺点最后提出一种改进算法。3.2.1电压回授法电压回授法是最简单的一种最大功率点跟踪法。即CVT(Constant Voltage Tracking)，经由事先的测试，得知太阳阵列在某一日照度及温度下之最大功率点的电压大小，由调整太阳阵列的端电压，使其能与事先测试的电压相符，来达到最大功率点跟踪的效果。此控制方法的最大缺点即是当环境条件大幅改变时，系统不能自动地跟踪到太阳阵列的另一最大功率点，因此造成能量的损耗。3.2.2功率回授法由于电压回授法无法随环境条件的改变自动跟踪到最大功率点，因此功率回授法加入了输出功率对电压变化率的判断，以便能适应大气的变化而达到最大功率点跟踪，也就是改变输出功率判断此时是否dP/dV=0，当dP/dV=0时即是为操作在最大功率点。相对于电压回授法而言，此方法虽然较为复杂且需较多的运算过程，但其在减少能量损耗以及提升整体效率的效果却是非常显著的。3.2.3增量电导法(Incremental Conductance)增量电导法的基本理念与功率回授法是相同的，其出发点为dP/dV=0这个逻辑判断式，其中的功率P可以由电压V与电流I表示，而将dP/dV=0改写成:dP/dV=d(IV)/dV=I+V=0 3-l将上式整理后可得Di/dV=-1/V 3-2在上式中dI表示增量前后量测到的电流差值，dV表示增量前后量测到的电压差值。因此，只要符合(3-2)式要求时，则表示已达到最大功率点。如果不符合则改变电压的扰动方向。测得的结果此一跟踪法最大的优点，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。不过其算法较为复杂，这对微处器在控制上会造成相当大的困难。3.2.4直线近似法直线近似法其基本理论为利用dP/dV=0这个逻辑判断式，并利用一直线来近似在某一温度下各种不同照度的最大功率点，只要将工作控制在此直线上即可轻易地实现最大功率点追踪。由于在最大功率点时须满足dP/dl=0，因此可求出在最大功率点时的输出功率与输出电流的关系为:Pmax=a*Pmax*lna*I*I/(Pmax-I*I*Rs)-I*I*Rs 3-3其中a=KTA/q 3-4由于此种方法是以数学模型的推导为出发点，来求出最大功率点的近似直线，因此太阳能电池的各项参数的正确性是以此法来实现最大功率点追踪时的关键。3.2.5实际测量法实际测量法主要是利用一片额外的小太阳能光电板，每隔一段时间即实际侦测此光电板的开路电压与短路电流，以建立太阳能光电板在此日照强度及温度下的参考模型，并求出在此条件下的最大功率点之电压和电流，配合控制电路使太阳能光电板工作在此电压或电流下，即可达到最大功率点追踪。3.2.6扰动与观察法(perturb & observe)扰动观察法使控制回路模块化，跟踪法则简明，容易实现。为本设计所采用。它是实现MPPT常用方法。其原理是:测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量(或称之为扰动)，其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续使用原扰动。如果减小则改变原扰动方向。如图10所示的太阳能光伏阵列的功率一电压(P-U)特性。图10 MPPT电压扰动原理如系统工作在U2处其输出功率P2.此时控制系统通过加入一正值的扰动U，使阵列T作在U3点，这样系统的输出功率为P3，它大于P2，说明阵列是向输出功率增大的方向运行，可以继续加大阵列输出电压;相反，如果刚才加入的上负值的U使系统工作在UI处，则阵列输出功率为Pl，它小于P2，说明阵列向输出功率减小的方向运行，如要使阵列输出更大的功率，必须增大阵列输出电压而不是减小，这是在P-U曲线的左侧调整特性。如在曲线的右侧。则扰动输出特性正好相反，如在U4处加入一正值的扰动U，使阵列工作在U5点，这对阵列的输出功率为P5，它小于P4，说明阵列是向输出功率减小的方向运行，要输出大的功率必须减小阵列输出电压;其控制流程图如图11所示:图11 MPPT控制流程图3.3扰动观察法的改进算法和MPPT的实现本设计要求保持输出电压保持稳定，所以不可能人为变动电压值来跟踪功率最大点，所以我们需要对其加以改进。具体方法用负载扰动的方法来实现。周期性增加或减少负载来产生电流的扰动，从而改变太阳能阵列输出的功率，并观察扰动前后太阳阵列输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期继续朝同一方向扰动，反之，当太阳能光电板输出功率减少时，表示扰动方向错误，下一周期朝反向扰动，如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。图12所示为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图:图12 MPPT控制实现示意图扰动电阻R和一个MOSFET串连在一起，当我们施加一个PWM信号通断场效应管，在扰动电阻R上就会产生方波电压，当占空比由小变大，则在输出电压基本稳定的条件下，通过电阻的平均电流也由小变大，相当于R改变了其阻值，所以我们叫它扰动电阻。这样我们就通过改变GAI，E3的占空比，改变了输出了电流，从而完成了对最大功率点的跟踪。实际上通过扰动电阻改变电流的范围是有限的，在超过调控其范围的时候，我们需要对连接在母线上的蓄电池组进行切换，再利用GAI，E3信号进行微调，从而达到最大功率的输出。4基于模糊逻辑控制的最大功率跟踪系统在最大功率点跟踪系统中，确立一个好的算法是其中的关键，在第三章的叙述中我们探讨了一些关于中最大功率点追踪的一些算法。但是还都是传统的一些在数学方法的变化。在智能控制发展的如火如茶的今天，利用智能控制方法上的模糊性，自适应性来对非线性，不确定性的太阳能光伏发电系统进行控制，无疑是一个很好的选择。4.1应用模糊控制方法控制的可行性分析MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流或功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值功率点的位置关系，然后控制电流(或电压)向峰值功率点靠近，直到达峰值功率点;电流(或电压)继续沿原方向变化会引起功率的下降，因此再进行反方向的变化，最后控制电流(或电压)在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。但工作点在峰值点两端的来回摆动，导致了实际得到的平均功率略低于峰值功率，其差值就是搜索损失，而这正是自寻最优控制所特有的，为了把控制系统的工作点保持在最优点附近而必须付出的代价。当负载的功率需求或太阳阵的I一V特性发生变化后，引起工作点的偏移或峰值功率点的漂移，PPT系统探测到这种变化后，就会进行下一次寻优。因此，PPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道太阳阵精确的数学模型，也不需要知道环境的日照度和温度，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，最后工作在峰值功率点附近。所以我们可以设计出新的算法完成这一任务，使得损失变得尽可能小，如模糊控制设计方法，神经网络设计方法，自适应控制算法等来更好的提高转换效率。本章对MPPT的模糊算法进行了一些有益的探讨。4.2应用模糊逻辑控制进行MPPT自1965年，自动控制理论专家扎德(L.A.zdahe)在加州大学提出了模糊集合理论以来，模糊逻辑控制(FLCFuzzy Logic control)得到了迅速的发展。FLC在各种领域出人意料地解决了传统控制方法无法或难以解决的问题，并取得了令人瞩目的成效.模糊控制是目前在控制领域中所采用的智能控制方法中最具实际意义的方法。由于日照变化的不确定性、太阳电池阵列的温度的变化、负载的变化和太阳电池U-I曲线的强烈非线性，所以太阳电池阵列的最大功率点是随着环境和负载的变化而时刻变化的。针对这样的非线性系统，使用模糊逻辑控制方法进行控制，将会获得理想的控制效果。模糊逻辑控制器的设计主要包括以下几项内容:*确定模糊控制器的输入变量和输出变量;*归纳和总结模糊控制器的控制规则:*确定模糊化和反模糊化的方法;*选择论域并确定有关参数;在本设计中是以功率对电压，电流的变化，以及其变化率来作为模糊输入变量，通过模糊化处理，并根据专家经验进行模糊判别，给出调节输出的隶属度，最后根据隶属度进行反模糊化处理得到控制调节量，来实现控制最大功率输出。4.2.1模糊控制器的设计本模糊控制系统由模糊控制器、执行器、被控对象三部分组成，控制器的采样周期T=2s，系统框图如图13所示:图13 模糊控制系统框图其中s为系统的设定值，y为系统输出，e和c分别是系统偏差和偏差的微分信号，也就是模糊控制器的输入，u为控制器输出的控制信号，E、C、U为相应的模糊量。由图可知模糊控制器主要包含三个功能环节:用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。4.2.2输入和输出变量的模糊化模糊化是指将输入变量的精确值转化成适当论域上的语言变量值(模糊输入值)，既确定各输入、输出量的变化范围及其对应语言变量的论域元素和量化因子Kl、K2、K3。通常控制总是用系统的实际输出量与设定的期望值相比较，得到一个偏差值E，一般还需要根据该偏差的变化率EC来共同进行判断。在本系统设计中，输出功率P是一个判断扰动方向非常重要的量，在一些文献中都以功率对输出电压，电流的变化率和变化率的变化量来作为输入量。在本设计中输出电压是要保持恒定的，所以我们在仿真中选用dP/di和dP/di作为输入变量，系统最终控制输出的模糊逻辑控制量定义为场效应管的PWM占空比变换量，定义为dout，所以系统中的模糊控制器是一个双输入单输出型的控制器。4.2.4模糊输出的反模糊化设计在数字控制系统中，在最终输出的控制量只能为一个精确量，而经模糊推理后得到模糊输出量及其相应的隶属度，所有隶属度不为零的模糊输出量对输出都起一份贡献，反模糊化的目的就是求出能代表所有模糊输出量作用的精确值，用以实施最后的控制策略。该计算过程称为反模糊化(Defuzzification)，从而将模糊量转化为精确量。反模糊化可针对系统要求或运行情况而选取不同的方法，得到的结果也是不同的。一般采用的方法有重心法、最大隶属度法、系数加权平均法等，重心法比较合理，而且计算的精度较高，运算过程也不太复杂，所以本系统采用此法进行反模糊判决。4.3利用MATLAB模糊逻辑工具箱进行MPPT仿真在第七章我们利用SIMULINK工具箱和模糊逻辑工具箱相结合的方法对DC心C的控制系统进行了辅助设计，实际上Simulink功能是相当丰富的，其中的模糊逻辑工具箱就是一个对模糊控制器进行仿真的一个相当好的工具。工具箱还提供了图形用户界面(GUI)编辑函数，利用它用户可以更直观迅速地生成模糊推理系统(FIS)。用户可以在FSI编辑器窗口菜单中修改它的各种特性，如改变输入/输出的变量数、编辑隶属度函数、编辑模糊规则等，从而生成新的FSI。与传统仿真手段相比，这种方法更加形象、简便。工程设计人员可以采用多种途径生成和编辑模糊推理系统，如手工、通过交互式形工具、通过命令行函数或基于模糊聚类或自适应神经模糊技术自动实现。 5总结本文是以课题“太阳能电池最大功率控制器研究与设计”为核心内容撰写而成的。根据要求设计了MPPT的太阳能最大功率跟踪器，以恒电压对外供电。在对最大功率的跟踪算法上，我们可以对算法加以改进以提高太阳能电池的输出效率。除此以外，我们还设计了对蓄电池的切换控制，对于独立型的太阳能电池发电系统，由于其对持续供应电力的可靠度并不高，通常都需要辅助电源，以提高系统供电的稳定度。一般太阳能系统使用蓄电池作为辅助电源，主要的目的是在当太阳电池提供的电力与负载电力不平衡时，提供一个电力缓冲器。这一方面出于可靠性的考虑，电力不足供应负载时，由蓄电池辅助供给，另一方面是基于能源利用效率的考虑，在负载用电过剩时，可以对蓄电池充电。从理论上讲蓄电池的容量越大，整个系统的可靠性越高，不过若要最大发挥太阳电池所转换的电能效率，最佳的做法是以市电作为辅助电源。我们可以将太阳能电池连接起来，让它们以更大的输出功率对外供电，当太阳能电池供电系统直接与电力公司的配电网络系统并联使用时，太阳能转换的电力和市电共同供应负载所需电力，因此负载不受太阳能供电系统容量的影响，不论太阳能供电系统容量多大，系统皆能正常运转，当太阳光电能的发电量供应本身的负载使用后仍有剩余时，即可将多余的电力送至市电的电力网，以提供其它的负载使用;若太阳能电能发电量不足本身的负载使用时，则由市电供应。这样市电可完全提供负载不足的电力，而被当作一个零阻抗的负载，吸收无限大的功率，因此在太阳能的电力使用上弹性较大。这样我们必须在太阳能电池供电系统与市电之间，设计一个交直流电力转换器，它需要输出与市电规格相符合的电力，这有许多技术上的问题有待解决，如对电网进行无功补偿，功率因素的校正，孤岛效应的解决等。而且我们必须监控市电与电力转换器的输出的状况，随时解决出现的问题。监控系统在这个较复杂的系统中扮演着极重要的角色，包括检测输出电压电流并配合保护系统、检测负载状况并计算与市电间适当的电力流、检测环境温度照度纪录太阳电池的运转情形、保护设备间的协调等，在这方面，用现场总线组成