光伏最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)mppt的設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　光伏最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)MPPT的設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p

2、><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

3、　　近年來(lái)，由于能源缺乏問(wèn)題的逐漸突出和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重。清潔的可再生能源越來(lái)越得到人們的重視。太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且清潔無(wú)污染，如果能有效的利用太陽(yáng)能，對(duì)能源的可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的作用。目前的光伏系統(tǒng)的輸出特性受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響，而且光伏系統(tǒng)成本高轉(zhuǎn)換效率低，所以，在現(xiàn)有的光電元件轉(zhuǎn)換技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，一直是光伏系統(tǒng)的重要研究方向。</p><p>　　本課題設(shè)

4、計(jì)MPPT系統(tǒng)來(lái)尋找太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)，使系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽(yáng)能電池的最大功率。所謂光伏最大功率點(diǎn)跟蹤，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)控制端電壓或其它物理量，使光伏陣列能在各種不同環(huán)境下智能化的輸出最大功率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池，光伏系統(tǒng)，最大功率點(diǎn)跟蹤 </p><p>　　Photovoltaic maximum power point trac

5、king system</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, due to the gradual tension energy shortage and environmental pollution is getting worse. Clean, renewable energy has be

6、en more attention. Solar inexhaustible, and clean the pollution, the effective use of solar energy, it will paly a very important role in sustainable development of energy.The current output characteristics of PV systems

7、 by light intensity and environmental temperature, and photovoltaic system Costs high conversion efficiency is low, In the foundation of existin</p><p>　　The project design MPPT solar system to find the maxi

8、mum power point, the system at any temperature and sunshine can track the solar cells under the conditions of maximum power. The so-called photovoltaic maximum power point tracking, is essentially a self-optimizing proce

9、ss, by controlling the voltage or other physical quantities, the photovoltaic array in a variety of environment of intelligent maximum power output.</p><p>　　Keywords: Solar cells, PV systems, Maximum Power

10、 Point Tracking</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來(lái)源

11、1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3光伏發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1 單晶硅太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 多晶硅太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.3 多晶硅薄膜電池的研究現(xiàn)狀3</p>&

12、lt;p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　2 相關(guān)技術(shù)概述4</p><p>　　2.1太陽(yáng)能電池的工作原理4</p><p>　　2.2光伏陣列的I-V方程5</p><p>　　2.3太陽(yáng)能電池的輸出特性6</p><p>　　2.4 MPPT的基本原理以及算法7</p&

13、gt;<p>　　2.4.1 增量電導(dǎo)法7</p><p>　　2.4.2 擾動(dòng)與觀察法8</p><p>　　2.4.3 恒壓法8</p><p>　　2.4.4 電壓反饋法8</p><p>　　2.4.5 功率反饋法8</p><p>　　2.4.6 函數(shù)法8</p>&l

14、t;p>　　3 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊10</p><p>　　3.1.1采樣電路10</p><p>　　3.1.2 信號(hào)保持增益電路11</p><p>　　3.2主控制器模塊13</p><p>　　3.2.1 主微控制器P89C51錯(cuò)誤!

15、未定義書(shū)簽。</p><p>　　3.3脈寬調(diào)制產(chǎn)生器14</p><p>　　3.4DC/DC變換器15</p><p>　　4光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換及采樣17</p><p>　　4.2MPPT的實(shí)現(xiàn)19</p><p>　　

16、4.3 PWM信號(hào)發(fā)生器22</p><p><b>　　5 結(jié)論24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b

17、>　　1.1課題的來(lái)源</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)全球化的迅猛發(fā)展，各種化石能源大量消耗，能源問(wèn)題已成為人類迫切需要解決的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界對(duì)能源的消耗在1970年約為83億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在1995年，這種消耗達(dá)到了140億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，25年間中增長(zhǎng)了69.7%，到2020年，全世界對(duì)能源的消耗預(yù)計(jì)將達(dá)到195億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。如果人類對(duì)能源的需求以目前的速度增長(zhǎng)，根據(jù)公式計(jì)算，全世界的石油將

18、在40年后被消耗殆盡，天然氣和煤業(yè)最多分別能維持60年和200年左右，所以大力發(fā)展新的可替代能源已成為當(dāng)務(wù)之急。采用新型能源和可再生能源不僅能解決能源短缺的問(wèn)題，還能保護(hù)環(huán)境，減少污染，是走經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展道路的重大措施。太陽(yáng)能資源豐富，分布廣發(fā)，可再生，無(wú)污染，是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的理想能源替代品[1]。太陽(yáng)能是各種可再生能源中最重要的基本能源，太陽(yáng)能的直接轉(zhuǎn)化和利用是指通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半

19、導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽(yáng)能光伏技術(shù)。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一方面加大對(duì)能源的需求，引發(fā)能源危機(jī)；另一方面在常規(guī)能源的使用中釋放出大量的二氧化碳?xì)怏w，導(dǎo)致全球性的“溫室效應(yīng)”。能源危機(jī)迫在眉睫[2]。2009年底哥本哈根會(huì)議，面對(duì)日益嚴(yán)峻的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染，各國(guó)政府都看到了

20、節(jié)能減排，發(fā)展新能源的迫切需要，太陽(yáng)能發(fā)電與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭。每天照射到地球上的太陽(yáng)能是全人類消耗的能量的6000多倍。</p><p>　　太陽(yáng)能隨處可得，可就近供電，不必長(zhǎng)距離輸送，因而避免了輸電線路等電能損失，節(jié)約金屬。</p><p>　　太陽(yáng)能不用燃料，組件運(yùn)行成本小，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不

21、穩(wěn)定的沖擊。</p><p>　　發(fā)電部件不易損壞，維護(hù)簡(jiǎn)單。</p><p>　　光伏發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，沒(méi)有污染，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，是理想的清潔能源。</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于模塊化安裝，不僅可用于小到太陽(yáng)能計(jì)算器的幾個(gè)毫瓦，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意增加或減少太陽(yáng)能電池容量，既方便靈活，又避免浪費(fèi)[3]。&l

22、t;/p><p>　　1.3光伏發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　太陽(yáng)能電池近年被人們應(yīng)用于生產(chǎn)生活的許多領(lǐng)域。從世界上第一架太陽(yáng)能電池飛機(jī)試飛成功以來(lái)，激起了人們對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)研究的熱潮，太陽(yáng)能飛機(jī)從此飛速地發(fā)展起來(lái)，只用了六七年時(shí)間太陽(yáng)能飛機(jī)從飛行航程幾公里發(fā)展到飛越英吉利海峽?，F(xiàn)在，最先進(jìn)的太陽(yáng)能飛機(jī)，飛行高度可達(dá)2萬(wàn)多米，航程超過(guò)4000公里。 在建造太陽(yáng)能電池發(fā)電站上

23、，許多國(guó)家也取得了較大進(jìn)展。1985年，美國(guó)阿爾康公司研制的太陽(yáng)能電池發(fā)電站，用100多個(gè)太陽(yáng)板，200多個(gè)光電池模塊，年發(fā)電300萬(wàn)度。德國(guó)1990年建造的小型太陽(yáng)能電站，光電轉(zhuǎn)換率高達(dá)30％，適合為家庭和團(tuán)體供電。1992年美國(guó)加州又開(kāi)始研制一種“革命性的太陽(yáng)能發(fā)電裝置”，預(yù)計(jì)可供加州1／3的用電量。據(jù)專家測(cè)算，如果能把撒哈拉沙漠太陽(yáng)輻射能的1％收集起來(lái)，足夠全世界的所有能源消耗。</p><p>　　太陽(yáng)能

24、電池在過(guò)去20多年里有了很大發(fā)展,許多新技術(shù)的采用和引入使太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率有了很大提高.在硅電池研究方面,人們探索了各種各樣的電池結(jié)構(gòu)和技術(shù)來(lái)改善電池性能,如背表面場(chǎng)、淺結(jié)、絨面、鈍化和減反射膜等。高效電池是在這些實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。近年來(lái)，我國(guó)太陽(yáng)能電池的技術(shù)在不斷地提高，應(yīng)用項(xiàng)目不斷增多。當(dāng)前化石能源資源逐漸走向枯竭和大量消耗化石能源對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響日益突出的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，對(duì)新能源和可再生能源的發(fā)展極為有利，形成了一個(gè)良好

25、的發(fā)展環(huán)境。展望未來(lái)，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，在以后會(huì)有更好、更快的發(fā)展，必定要在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占有一席之地。</p><p>　　1.3.1 單晶硅太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀</p><p>　　單晶硅電池的典型代表是斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池，新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池以及德國(guó)Fraumhofer太陽(yáng)能研究所的局域化背表面場(chǎng)電池。我國(guó)北京太陽(yáng)能研究所從90年代起進(jìn)行高效電池研

26、究開(kāi)發(fā)。采用倒金字塔表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、背場(chǎng)等技術(shù) ,使電池效率達(dá)到了19 %以上,激光刻槽埋柵電池效率達(dá)到了18.6 %[4]。</p><p>　　1.3.2 多晶硅太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀</p><p>　　多晶硅太陽(yáng)電池的出現(xiàn)主要是為了降低成本，因其原來(lái)成本低于單晶硅電池。其優(yōu)點(diǎn)是能直接制備出適于規(guī)?；a(chǎn)的大尺寸方型硅錠，設(shè)備比較簡(jiǎn)單，制造過(guò)程簡(jiǎn)單、省電、節(jié)約硅材料，對(duì)材質(zhì)要求

27、也較低。由于材質(zhì)和晶界影響，電池效率較低。多晶硅材料制作成本低于單晶硅材料，因此多晶硅組件比單晶硅組件具有更大的降低成本的潛力，因而有關(guān)提高多晶硅電池效率的研究工作也受到較大的重視。近10年來(lái)多晶硅高效電池的發(fā)展很快，其中比較有代表性的是Geogia Tech電池，UNSW電池，Kysera電池等。</p><p>　　1.3.3 多晶硅薄膜電池的研究現(xiàn)狀</p><p>　　自70年代

28、以來(lái)，為了大幅度降低太陽(yáng)能電池的成本，光伏界一直在研究開(kāi)發(fā)薄膜電池，并先后開(kāi)發(fā)出非晶硅薄膜電池，硫化鎬電池，銅鋼硒電池等。多晶硅薄膜電池既具有晶硅電池的高效、穩(wěn)定、無(wú)毒和資源豐富的優(yōu)勢(shì)，又具有薄膜電池工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省材料、大幅度降低成本的優(yōu)點(diǎn)，因此多晶硅薄膜電池的研究開(kāi)發(fā)成為近幾年的熱點(diǎn)。</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)光伏最大功率點(diǎn)跟蹤

29、系統(tǒng)，可以在外界條件變化時(shí)對(duì)光伏方陣最大功率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤，實(shí)現(xiàn)光伏方陣的最大功率輸出。光伏最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)包括太陽(yáng)能陣列，DC/DC變換器，主控制器，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，充電控制器，蓄電池組。本小題目主要從事最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT模塊的設(shè)計(jì)。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光伏方陣的最大功率輸出。主要設(shè)計(jì)最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT模塊，內(nèi)容包括各種MPPT算法的比較，設(shè)計(jì)擾動(dòng)電路，軟件實(shí)現(xiàn)MPPT算法。本設(shè)計(jì)需要以擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)MPPT；采集DC/DC變換

30、器的輸入、輸出電壓與電流；以PWM方式控制功率MOSFET調(diào)整光伏陣列電壓；以單片機(jī)為控制單元，實(shí)現(xiàn)MPPT控制。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于擾動(dòng)電壓△U的選擇,如果選擇太大的話，容易造成震蕩而達(dá)不到最大功率點(diǎn)，如果太小，則跟蹤過(guò)程會(huì)比較緩慢。</p><p><b>　　2 相關(guān)技術(shù)概述</b></p><p>　　2.1太陽(yáng)能電池的工作原理</p><p>

31、;　　太陽(yáng)能是一種電磁輻射能，必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能，這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器就是光伏電池。太陽(yáng)能電池就是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。當(dāng)N型和P型兩種不同類型的半導(dǎo)體材料接觸后，由于擴(kuò)散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)電場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)光照在電池的表面后，激發(fā)出電子和空穴對(duì)，這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下分離開(kāi)，在電池的上下兩極累積，這樣電池便可以給外界負(fù)載提供電流[5]。</p

32、><p>　　光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴以及N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢(shì)壘阻擋而不能通過(guò)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)結(jié)。光生電子被

33、拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，也就是電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。就產(chǎn)生了一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低，其減小量即光生電勢(shì)差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反,如圖2-1所示。如將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過(guò)電路，P-N結(jié)起了電源的作用，這就是光伏電池的基本

34、工作原理。</p><p>　　圖2-1 太陽(yáng)能電池發(fā)電原理</p><p>　　2.2光伏陣列的I-V方程</p><p>　　光伏陣列是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的器件，其輸出的I-V特性隨日照強(qiáng)度S和溫度T變化，其等效電路如圖2-2所示[6]：</p><p>　　圖2-2 光伏陣列的等效電路</p><p>　　由于器

35、件響應(yīng)時(shí)間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相比微不足道[7]，因此結(jié)電容C1在光伏陣列的理論分析中加以忽略。對(duì)圖中電壓，電流方向，得出光伏陣列的輸出電流一電壓(I-V)方程為：</p><p>　　式中I,，V：輸出電流,電壓；A，V</p><p>　　I1：光電流，受溫度和光照影響；A</p><p>　　I2：反向飽和電流：A</p><p&g

36、t;　　Q：電子電荷：1. 6*10e-19c</p><p>　　K：玻爾茲曼常數(shù)；1.38*10e-23</p><p><b>　　T：絕對(duì)溫度；K</b></p><p>　　A：二極管特殊因子；</p><p><b>　　Rs：串聯(lián)電阻；</b></p><p>

37、<b>　　R2：并聯(lián)電阻；</b></p><p>　　2.3太陽(yáng)能電池的輸出特性</p><p>　　光伏電池的輸出特性具有明顯的非線性特征，其受到外部環(huán)境，包括日照強(qiáng)度、溫度、負(fù)載以及本身技術(shù)指標(biāo)等影響，只有在某一電壓下才能輸出最大功率，這時(shí)光伏陣列的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率曲線的最高點(diǎn)，我們稱之為最大功率點(diǎn)。由于目前光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，為了有效利用光伏

38、電池，提高太陽(yáng)能電池的利用，對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行最大功率跟蹤顯得尤為重要。圖2-3是光伏電池在不同溫度下的I-V、P-V特性，圖2-4為光伏電池在不同日照強(qiáng)度下的I-V、P-V特性。由圖可知，P-V曲線為單凸峰形曲線，當(dāng)光伏陣列的工作電壓U為Um時(shí)，光伏陣列的輸出功率P為最大功率值Pm，即為曲線的最大功率點(diǎn)。光伏陣列的開(kāi)路電壓和短路電流受日照強(qiáng)度和溫度等影響很大，導(dǎo)致系統(tǒng)工作點(diǎn)飄忽不定，從而降低系統(tǒng)效率。此外，串聯(lián)電阻對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出也有影

39、響，它是太陽(yáng)能電池內(nèi)部所有分布電阻的集中體現(xiàn)，其阻值主要由制造工藝、環(huán)境因素等決定。串聯(lián)電阻會(huì)產(chǎn)生歐姆損失，降低電池效率，從而改變太陽(yáng)能電池的輸出特性，但它并不影響其開(kāi)路電壓和短路電流。</p><p>　　圖2-2 不同溫度下的I-V曲線和P-V曲線</p><p>　　圖2-3 不同日照強(qiáng)度下的I-V曲線和P-V曲線[8]</p><p>　　從圖2-3可以看

40、出，太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓Uc，主要受電池溫度的影響；從圖2-4可以看出，太陽(yáng)能電池短路電流Is，主要受日照強(qiáng)度的影響，而且在一定的溫度和光照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池具有唯一的最大功率輸出點(diǎn)。由于實(shí)際應(yīng)用中不能保證其總是工作在最大功率點(diǎn)上，所以在應(yīng)用中要用到MPPT裝置，以保證太陽(yáng)能電池的輸出功率在最大功率點(diǎn)附近。</p><p>　　2.4 MPPT的基本原理以及算法</p><p>　　光伏發(fā)電

41、系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換低的缺點(diǎn)，一是由于光伏電池轉(zhuǎn)化效率的限制；二是逆變器效率低；三是未跟蹤光伏電池輸出功率點(diǎn)。因此，要提高太陽(yáng)能的利用率，實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤是重要的突破點(diǎn)[9]。由光伏電池的特性曲線可知，當(dāng)電池的輸出電壓小于最大功率點(diǎn)的電壓Vm時(shí)，其輸出功率隨電池端電壓V上升而增加；當(dāng)電池輸出電壓大于最大功率點(diǎn)電壓Vm時(shí)，其輸出功率隨電池端電壓V上升而減少。因此MPPT的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)自尋優(yōu)的過(guò)程[10]。下面介紹現(xiàn)在流行的幾種太陽(yáng)能

42、跟蹤最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法：</p><p>　　2.4.1 增量電導(dǎo)法 </p><p>　　增量電導(dǎo)法的基本理念其出發(fā)點(diǎn)為dP/dV=0這個(gè)邏輯判斷式，其中的功率P可以由電壓V與電流I表示，而將dP/dV=0改寫(xiě)成：</p><p><b>　　==I+V=0</b></p><p><b>　　將上式整理

43、得</b></p><p><b>　　=-</b></p><p>　　在上式中dI表示增量前后量測(cè)到的電流差值，dV表示增量前后量測(cè)到的電壓差值。因此，只要符合以上式的要求時(shí)，則表示已達(dá)到最大功率點(diǎn)。如果不符合則改變電壓的擾動(dòng)方向。測(cè)得的結(jié)果是此一跟蹤法最大的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)太陽(yáng)能電池上的光照度產(chǎn)生變化時(shí)，其輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，其電壓晃動(dòng)較擾

44、動(dòng)觀察法小。不過(guò)其算法較為復(fù)雜，這對(duì)微處器在控制上會(huì)造成相當(dāng)?shù)睦щy[11]。</p><p>　　2.4.2 擾動(dòng)與觀察法 </p><p>　　擾動(dòng)觀察法使控制回路模塊化，跟蹤法則簡(jiǎn)明，容易實(shí)現(xiàn)[12]。它是實(shí)現(xiàn)MPPT常用的方法。其原理是：測(cè)量當(dāng)前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓上增加一個(gè)小電壓分量（或稱之為擾動(dòng)），其輸出功率會(huì)發(fā)生改變，測(cè)量出改變后的功率，比較改變前的即可知道功率變化的

45、方向[13]。</p><p><b>　　2.4.3 恒壓法</b></p><p>　　恒壓發(fā)是根據(jù)晴天在中午時(shí)陣列的功率輸出值來(lái)設(shè)定蓄電池的工作電壓，以此時(shí)的功率輸出作為近似地做大功率值，令光伏陣列從始至終都工作在以上所設(shè)定的電壓值所對(duì)應(yīng)的功率上。由于最大功率點(diǎn)是隨外界環(huán)境的改變而改變的，因此實(shí)際上沒(méi)有實(shí)時(shí)地跟蹤系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，有較大的功率損失，并不是真正意義

46、上的最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)。</p><p>　　2.4.4 電壓反饋法 </p><p>　　從光伏電池的P-V曲線上可以看到，各個(gè)曲線的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直線的兩側(cè)，這說(shuō)明電池的最大功率輸出點(diǎn)的對(duì)應(yīng)大致在某一值附近。其控制原理是：從生產(chǎn)商處獲得VM值，通過(guò)控制使陣列的輸出電壓鉗位于VM值即可實(shí)現(xiàn)MPPT，也就是簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓控制[14]。</p><p>　　2

47、.4.5 功率反饋法</p><p>　　由于電壓反饋法無(wú)法隨環(huán)境條件的改變自動(dòng)跟蹤到最大功率點(diǎn)，因此功率反饋法加入了輸出功率對(duì)電壓變化率的判斷，以便能適應(yīng)大氣的變化而達(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)。相對(duì)于電壓反饋法而言，此方法雖然較為復(fù)雜且需要較多的運(yùn)算過(guò)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。</p>

48、<p>　　2.4.6 函數(shù)法 </p><p>　　基于函數(shù)法的其他方法都有快速精確跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，光伏陣列的 i-v 特征分析，產(chǎn)生一個(gè)中間變量,=ln(I0c)。研究表明，當(dāng)系統(tǒng)接近最大功率點(diǎn)時(shí)，處于窄頻帶。隨后，運(yùn)用小步驟可以實(shí)現(xiàn)精確的最大功率點(diǎn)跟蹤。因此，函數(shù)法接近最大功率點(diǎn)而傳統(tǒng)MPPT技術(shù)用來(lái)準(zhǔn)確跟蹤最大功率點(diǎn)[15]。</p><p>　　3 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤

49、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的MPPT控制系統(tǒng)框圖如下圖3-1所示，包括太陽(yáng)能光伏陣列，PWM調(diào)制，DC/DC變換器等。只有了解它們的特性才可能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的控制，本文對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的脈寬調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和MPPT的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。</p><p>　　圖3-1 MPPT控制實(shí)現(xiàn)示意圖</p><p>　　擾動(dòng)電阻R和一個(gè)MOSFET串連在一起，當(dāng)

50、我們施加一個(gè)由脈寬調(diào)制產(chǎn)生的PWM信號(hào)通斷場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，在擾動(dòng)電阻R上就會(huì)產(chǎn)生方波電壓，當(dāng)占空比D由小變大，在輸出電壓基本穩(wěn)定的情況下，通過(guò)電阻的平均電流也由小變大，這就相當(dāng)于改變了R的阻值，所以我們稱之為擾動(dòng)電阻。這樣我們就通過(guò)改變GATE3的占空比，改變了輸出電流，從而完成了對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。實(shí)際上通過(guò)擾動(dòng)電阻改變電流的范圍是有限的，在超過(guò)其調(diào)控范圍的時(shí)候，我們需要對(duì)連接在母線上的蓄電池組進(jìn)行切換，再利用GATE3信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，從而

51、達(dá)到最大功率的輸出。</p><p><b>　　3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊</b></p><p>　　本系統(tǒng)在DC/DC變換主回路中來(lái)對(duì)輸入輸出的電壓電流進(jìn)行采集，以便得到主控制電路需要的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制和跟蹤保護(hù)功能。模數(shù)轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，只有成功的實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換并達(dá)到相當(dāng)?shù)木龋骺刂破髟O(shè)計(jì)的功能才能順利的實(shí)現(xiàn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中包括采樣電路，保持放大

52、電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，下面具體介紹其電路實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　3.1.1采樣電路</b></p><p>　　根據(jù)要求，我們對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓和電流，經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換過(guò)后輸出的電壓和電流都用霍爾電壓、電流進(jìn)行了檢測(cè)。其中轉(zhuǎn)換后的電壓，是系統(tǒng)要求的一項(xiàng)重要指標(biāo)，我們要根據(jù)它來(lái)判斷DC/DC變換的好壞，太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓和電流用來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能的

53、輸出功率，以進(jìn)行最大功率跟蹤。</p><p>　　Uin Iin Uo Io</p><p>　　圖3-1霍爾傳感器采樣示意圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用的傳感器為直接測(cè)量式霍爾電流傳感器CS40G和霍爾磁平衡式電壓傳感器VSM025A?？梢詼y(cè)量10-60A的電流和0-36V的電壓。&l

54、t;/p><p>　　3.1.2 信號(hào)保持增益電路</p><p>　　主控制器系統(tǒng)需要獲得太陽(yáng)陣列的輸入，輸出電壓和電流，以進(jìn)行MPPT的控制。霍爾傳感器從DC/DC變換電路中得到系統(tǒng)所需要的信號(hào)。同時(shí)傳送到A/D變換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)才能成為被主控制器所接受的數(shù)字信號(hào)。但是由霍爾傳感器得到的變化迅速的微弱信號(hào)不能直接送到A/D芯片進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換。這就需要信號(hào)保持增益電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行保持

55、放大，以提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。該電路連接圖如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 信號(hào)保持增益電路連接圖</p><p>　　其中由LF398構(gòu)成采樣保持電路，由OP07運(yùn)放構(gòu)成信號(hào)增益調(diào)節(jié)電路。</p><p>　　圖中2腳接可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓，7腳，8腳控制開(kāi)關(guān)通斷。這里我們選擇外接電容CH=100pF，所得到的采集時(shí)間是6us。供電電源可選擇1

56、5V的電源。放大電路中，我們可以調(diào)節(jié)電阻R6來(lái)獲得不同的放大倍數(shù)。</p><p>　　3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中最重要的一環(huán)。我們用A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其與單片機(jī)的連接示意圖如下所示：</p><p>　　圖3-3 TLC2543與P89C51連接示意圖</p><

57、p>　　下面對(duì)TLC2543作簡(jiǎn)單介紹：</p><p>　　TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。每個(gè)器件有三個(gè)控制輸入端：片選(CS) ,輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)以及數(shù)據(jù)輸入端(DATA INPUT)。通過(guò)一個(gè)串行三態(tài)輸出端與主處理器或其外圍的串行口通信，可與主機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)，可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和格式。片內(nèi)含有一個(gè)14通道多路器，可從11

58、個(gè)模擬輸入和三個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中選擇一個(gè)。片內(nèi)設(shè)有采樣保持電路。用“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號(hào)EOC指示轉(zhuǎn)換的完成。系統(tǒng)時(shí)鐘由片內(nèi)產(chǎn)生并由I/O CLOCK同步。正、負(fù)基準(zhǔn)電壓(REF十，REF -)由外部提供，通常為VCC或地，兩者差值決定輸入電壓范圍。片內(nèi)轉(zhuǎn)換器使器件有高速(10μs轉(zhuǎn)換時(shí)間)，高精度和低噪聲的特點(diǎn)。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)提供，單片機(jī)的模擬信號(hào)選擇和方式數(shù)據(jù)由D

59、ATA INPUT引腳輸入，通道選擇通過(guò)口3輸入到微控制器。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束。EOC端從低電平變?yōu)楦唠娖?，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)口1的PI.3腳接收。TLC2543的工作過(guò)程分為兩個(gè)周期：I/O周期和實(shí)際轉(zhuǎn)換周期。</p><p><b>　　3.2主控制器模塊</b></p><p>　　系統(tǒng)的主控制電路在整個(gè)設(shè)計(jì)中占有重要地位，它主要對(duì)主回路進(jìn)行控制，保證MPPT算法有

60、效實(shí)現(xiàn)，使DC/DC變換保持恒電壓輸出。它還在對(duì)蓄電池充放電的控制電路起著重要的作用。它對(duì)太陽(yáng)陣列功率的有效跟蹤，使得蓄電池的充電可以得到最大功率的恒壓電流。從而避免了太陽(yáng)能電池能量的浪費(fèi)。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，減輕單個(gè)CPU的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，每個(gè)單元均采用雙CPU結(jié)構(gòu)。一片CPU完成模擬量采集并處理、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出和人機(jī)接口功能，另一片CPU完成對(duì)PWM波形的調(diào)制與在在不同的太陽(yáng)能功率下對(duì)蓄電池組的切換，應(yīng)用串行口完成兩CPU間的數(shù)據(jù)交

61、換，這樣任何一個(gè)模塊出錯(cuò)都不會(huì)影響另一模塊的正常運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4P89C51結(jié)構(gòu)功能框圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)P89C51主要完成MPPT，恒電壓的DC/DC變換算法。</p><p>　　P89C51芯片內(nèi)包括一個(gè)8位的80C51微處理器，片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM/S

62、FR，片內(nèi)4KB程序存儲(chǔ)器Flash ROM，4個(gè)8位并行I/O端口P0~P3,兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有5個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路。P89C51單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)。它采用了高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程，因此，P89C51是一種功能強(qiáng)，靈活性高，價(jià)格便宜的單片機(jī)，它可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。&

63、lt;/p><p>　　電壓電流檢測(cè)采用高速A/D變換器TLC2543，采集的輸出電壓電流信號(hào)，在經(jīng)過(guò)信號(hào)增益電路后，經(jīng)數(shù)據(jù)總線低八位DO-D7進(jìn)入單片機(jī)P89C51，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。處理的信息通過(guò)串口送到微處理器P87LPC768。其主要功能：</p><p>　　(1)計(jì)算出太陽(yáng)陣列的功率進(jìn)行MPPT算法的運(yùn)算，從而得到恒頻調(diào)寬波形G3的占空比；</p><p&g

64、t;　　(2)將輸出電壓信號(hào)與給定的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓幅度不同于標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)時(shí)，按一定算法調(diào)節(jié)恒頻調(diào)寬波形G1, G2占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DC/DC變換電路的恒壓調(diào)節(jié)。</p><p>　　3.3脈寬調(diào)制產(chǎn)生器</p><p>　　PWM控制MOSFET的導(dǎo)通或截止，由式uo=ud/1-d可知，uo恒定，增加PWM信號(hào)占空比d，光伏電池工作電壓ud將隨之增大，反之亦然。我

65、們就是通過(guò)控制PWM信號(hào)的占空比來(lái)控制光伏電池的工作電壓，達(dá)到跟蹤最大功率的目的。這里我們采用P87LPC768芯片來(lái)產(chǎn)生PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。</p><p>　　P87LPC768是20腳封裝的單片機(jī)，可以在寬范圍的性能要求下實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本的解決方案。P87LPC768提供可編程選擇的高速、低速晶振和RC振蕩方式。具有較寬的操作電壓范圍。并提供可編程I/O口輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動(dòng)輸

66、出和內(nèi)部看門(mén)狗定時(shí)器。P87LPC768基于80C51的加速處理器結(jié)構(gòu)使指令執(zhí)行速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51的兩倍。圖3-5是其引腳圖：</p><p>　　圖3-5 P87LPC768引腳圖</p><p>　　P87LPC768擁有4通道10位脈寬調(diào)制器；4通道多路8位A/D轉(zhuǎn)換器；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器每一個(gè)定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出，4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； P87LPC768有3個(gè)I

67、/O口，I/O口的具體數(shù)量取決于振蕩和復(fù)位方式選擇。當(dāng)選用兩個(gè)口線作為外部振蕩器和一個(gè)外部復(fù)位時(shí)，P87LPC768可使用15個(gè)I/O口，如果選用片內(nèi)振蕩和內(nèi)部復(fù)位時(shí)可使用多達(dá)18個(gè)腳作為I/O口線。</p><p>　　P87LPC768的主要功能是對(duì)主回路發(fā)出PWM信號(hào)進(jìn)行控制。P87LPC768的PWM發(fā)生器發(fā)出的PWM信號(hào)，是用來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流，從而調(diào)節(jié)輸出功率達(dá)到MPPT的目的。</p

68、><p>　　另外，我們也可以構(gòu)建電路來(lái)產(chǎn)生PWM波，具體的PWM生成電路如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 PWM控制信號(hào)產(chǎn)生電路</p><p>　　測(cè)控卡采用PC-7401,PC-7401板是以工業(yè)PC或兼容機(jī)為主機(jī)進(jìn)行模擬量A/D數(shù)據(jù)采集、D/A輸出控制。具有8路8位A/D及2路8位D/A轉(zhuǎn)換板。A/D輸入電壓范圍0-5V, D/A輸出電壓范圍0-5

69、V。</p><p>　　在光伏電池工作電壓、電流采用環(huán)節(jié)中，工作電壓Ud經(jīng)R6, R7分壓后得到采樣電壓AD2，工作電流經(jīng)反相放大輸出電流采樣信號(hào)AD1, ADl, AD2的壓值范圍為0-5V。AD1, AD2經(jīng)PC-7401后供軟件程序調(diào)用。PC程序根據(jù)算法確定系統(tǒng)是否工作于最大功率點(diǎn)上，若不是，PC通過(guò)相應(yīng)算法決策改變輸出信號(hào)Uc電平值來(lái)改變PWM信號(hào)占空比，使系統(tǒng)工作點(diǎn)始終跟隨光伏電池最大功率點(diǎn)的變化而變

70、化。</p><p>　　由于構(gòu)建電路相對(duì)使用芯片來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，因此，本設(shè)計(jì)采用P87LPC768單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生PWM波。</p><p>　　3.4 DC/DC變換器</p><p>　　最大功率轉(zhuǎn)換將太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)變成高壓或低壓的形式輸出，以供給各種負(fù)載類型使用。系統(tǒng)使用不同的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換形式和轉(zhuǎn)換效率都有所不同。DC/DC變換的主回路主要由

71、功率電子元件組成，它既要保證太陽(yáng)能的最大功率跟蹤又要保證負(fù)載有恒電壓的輸入。本設(shè)計(jì)中太陽(yáng)陣列輸出電壓在20-36V之間，負(fù)載要求輸出28V，所以本設(shè)計(jì)中使用的為DC/DC升降壓變換器。由于本設(shè)計(jì)對(duì)此不做要求，因此DC/DC變換模塊的設(shè)計(jì)就只做簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　　4光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　前面我們已經(jīng)詳細(xì)地介紹了太陽(yáng)能最大功率跟蹤器的硬件設(shè)計(jì)部分

72、，但是其具體的實(shí)現(xiàn)功能都是要靠軟件才能實(shí)現(xiàn)的，所以下面我們將介紹本設(shè)計(jì)的軟件部分設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要的控制作用都是由主控制芯片實(shí)現(xiàn)的，它主要包括模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換模塊，MPPT控制等。</p><p>　　4.1模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換及采樣</p><p>　　該子程序的主要功能是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制，在所要求的時(shí)間向主處理器發(fā)送需要的數(shù)據(jù)。即輸入電壓、輸入電流的數(shù)字量，采樣，并進(jìn)行A/D

73、轉(zhuǎn)換，傳給主程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。</p><p>　　我們用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為T(mén)LC2543，在第三章中己經(jīng)介紹了該芯片各個(gè)引腳的功能。初始化時(shí)，由于片選信號(hào)CS為高電平，所以I/O CLOCK和DATA INPUT都是無(wú)效的，并且DATA OUT在高阻態(tài)。CS變?yōu)榈碗娖?，則使能I/O CLOCK和DATA INPUT引腳，并且使DATA OUT離開(kāi)高阻態(tài)，從而使芯片內(nèi)部開(kāi)始轉(zhuǎn)換過(guò)程。輸入數(shù)據(jù)為一個(gè)8位的數(shù)據(jù)流，通過(guò)

74、DATA INPUT引腳輸入。</p><p>　　TLC2543的通道和方式選擇數(shù)據(jù)為8位，其功能為：D7，D6，D5和D4用來(lái)選擇要求轉(zhuǎn)換的通道；D3和D2用來(lái)選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，本程序選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位，D1和D0選擇輸入數(shù)據(jù)的導(dǎo)前位，而I/O CLOCK時(shí)鐘序列提供給I/O CLOCK管腳，將輸入數(shù)據(jù)傳遞給輸入數(shù)據(jù)寄存器。同時(shí)，時(shí)鐘序列將會(huì)將上一次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果從DATA OUT管腳輸出。時(shí)鐘序列可

75、以是8, 12, 16個(gè)時(shí)鐘周期長(zhǎng)度，具體選擇取決于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。</p><p>　　我們將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果保存在Vin、Iin和Vout、Iout中。本文只對(duì)Vin和Iin進(jìn)行采樣。圖4-1為A/D轉(zhuǎn)換和采樣程序框圖，圖4-2為控制數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)換結(jié)果接收程序流程圖：</p><p>　　圖4-1 A/D轉(zhuǎn)換和采樣程序框圖 圖4-2 控制數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)換結(jié)果接收程序流程圖</p&g

76、t;<p>　　TLC2543在每次I/O周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果在下一個(gè)I/O周期中被串行移出。第一次讀數(shù)由于內(nèi)部調(diào)整，讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果可能不準(zhǔn)確，應(yīng)丟棄。并且當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入后，需等一個(gè)轉(zhuǎn)換周期才能得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。</p><p>　　我們先等待芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換完成 (EOC=1)，在完成初始化之前將CS置1，然后使芯片工作，在CS的第一個(gè)下降沿就可讀取輸出數(shù)據(jù)(即上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果)，

77、給出時(shí)鐘序列，在其上升沿將讀入輸入數(shù)據(jù)，下降沿輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。如此，直到12位轉(zhuǎn)換結(jié)果完全輸出。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，CS保持為低電平。</p><p>　　4.2 MPPT的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　這部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的最大功率點(diǎn)跟蹤，根據(jù)前面介紹的MPPT的算法，我們采用的是擾動(dòng)觀察法。其軟件主要功能是周期性增加或減少輸出電流，從而改變太陽(yáng)能陣列輸出的功率，再運(yùn)用MPPT的算法進(jìn)行尋點(diǎn)

78、。</p><p>　　這里采用適合于數(shù)字控制的步進(jìn)搜索法，即從起始狀態(tài)開(kāi)始，每次做一有限變化，然后測(cè)量由于輸入信號(hào)的改變引起輸出量變化的大小和方向，等到辨別了方向以后，再命令被控對(duì)象的輸入按需要的方向調(diào)節(jié)。具體方法如下：</p><p>　　如圖4-3為太陽(yáng)能電池的P-I曲線，隨著I慢慢增大，P也隨之增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大功率點(diǎn)Pmax后減小。 </p><p>　　圖

79、4-3 太陽(yáng)能電池的P-I曲線</p><p>　　當(dāng)我們選用合適擾動(dòng)電阻，可調(diào)性負(fù)載的功率隨著占空比的變化，可以在0~50W變動(dòng)，如果改變PWM GATE3的占空比，相當(dāng)于改變擾動(dòng)電阻的平均阻值，從而改變太陽(yáng)能電池的輸出電流，其輸出功率也隨之變化。當(dāng)觸發(fā)脈沖寬度逐漸增大，擾動(dòng)電阻的平均阻值逐漸減小，太陽(yáng)能電池的輸出電流則逐漸增大。當(dāng)功率值增大到某一點(diǎn)后開(kāi)始減少，這一點(diǎn)既是我們要尋找的Pmax。當(dāng)占空比在0~1之

80、間變動(dòng)，輸入功率變化率出現(xiàn)拐點(diǎn)，則表明搜尋到最大輸入功率。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，再重復(fù)上述的最大功率搜索過(guò)程。其中PWM周期TS如果選的較小，有利于輸出電壓的穩(wěn)定，但由此引起的開(kāi)關(guān)損耗卻會(huì)較大；如果選的較大，開(kāi)關(guān)損耗雖然降低了，但負(fù)載電壓可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。這里我們?cè)O(shè)定PWM脈沖頻率為20KHZ，只需要調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖寬度即可。</p><p>　　設(shè)計(jì)中首先初始化相關(guān)變量，觸發(fā)脈沖寬度為零，然后逐漸增加，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的

81、電壓、電流值計(jì)算當(dāng)前功率，并按照前面所述的算法進(jìn)行處理。圖5-4是該模塊的程序流程圖：</p><p>　　圖4-4 MPPT算法程序流程圖</p><p>　　我們需要確定每次擾動(dòng)的功率大小，即占空比變化的大小，擾動(dòng)量太大，當(dāng)太陽(yáng)能光電板輸出達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)，會(huì)在最大功率點(diǎn)附近擾動(dòng)造成能量的損失，若每次擾動(dòng)的功率太小，但是當(dāng)溫度或照度大幅變動(dòng)時(shí)，特性曲線改變，會(huì)造成追蹤到新最大功率點(diǎn)時(shí)間

82、響應(yīng)變慢，這時(shí)將有能量上的損耗，所以每次擾動(dòng)量的大小需在響應(yīng)速度和能量損耗間取得平衡。其次，最大功率點(diǎn)的尋優(yōu)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，不可能使系統(tǒng)正好工作在最佳點(diǎn)，所以我們需要確定一個(gè)最小值ε。當(dāng)|ΔP=P(k)-P(k-1)|< ε即該點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近，我們認(rèn)為這就是最大功率點(diǎn)。這里我們可取ε=5。</p><p>　　4.3 PWM信號(hào)發(fā)生器 </p><p>　　前面已經(jīng)提到我們

83、采用P87LPC768芯片來(lái)產(chǎn)生PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。P87LPC768利用其內(nèi)部本身自帶的脈寬調(diào)制器能夠很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM波形的控制</p><p>　　P87LPC768帶有四個(gè)脈寬調(diào)制通道以產(chǎn)生可編程的脈沖和間隔寬度。PWM0從P0.1輸出，PWM1從P1.6輸出，PWM2從P1.7輸出，PWM3從P0.0輸出。這里我們只用一個(gè)PWM信號(hào)來(lái)控制擾動(dòng)電路。</p><p>　　P87L

84、PC768中有四個(gè)比較映象寄存器(CPSWO到CPSW4)，分別對(duì)應(yīng)控制四個(gè)PWM輸出的寬度。每個(gè)PWM輸出脈寬都由對(duì)應(yīng)的比較映象寄存器的值確定，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到下溢值時(shí)，PWM輸出強(qiáng)制為高。此狀態(tài)將保持到計(jì)數(shù)器下次溢出前，然后變?yōu)榈蚉WM輸出。</p><p>　　P WM模塊的整體功能是由寄存器P WMCONO控制的。例如每個(gè)輸出都對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)換位，將與該位相反的值和它的非轉(zhuǎn)換輸出值進(jìn)行比較從而得到輸出值。從映象寄

85、存器到控制寄存器的數(shù)據(jù)傳送由PWMCON0.6控制，而PWMCON0.7則允許PWM處于運(yùn)行狀態(tài)或空閑狀態(tài)。用戶可通過(guò)傳送位( P WMCON0.6 )監(jiān)控到何時(shí)計(jì)數(shù)器下溢導(dǎo)致傳送發(fā)生。當(dāng)傳送發(fā)生時(shí)，P WM邏輯自動(dòng)將該位復(fù)位。</p><p>　　從映象寄存器到工作寄存器的數(shù)據(jù)傳送僅發(fā)生在計(jì)數(shù)器產(chǎn)生下溢時(shí)。這種狀況需要用戶程序來(lái)觀察后面的預(yù)防措施。當(dāng)RUN(PWMCON0.7)位清零，PWM輸出呈現(xiàn)RUN清零前

86、的狀態(tài)。通常此狀態(tài)是未知的。為使PWM輸出處于已知的狀態(tài)，當(dāng)RUN清零時(shí)，比較寄存器可寫(xiě)入始終為1或始終為0，這樣當(dāng)計(jì)數(shù)器停止時(shí)就可得到所期望的狀態(tài)。在這之后，應(yīng)置位PWMCONO中的RUN和XFER位，然后通過(guò)查詢XFER位確認(rèn)何時(shí)發(fā)生傳送。一旦傳送發(fā)生后，RUN可以清零，輸出將保持RUN位清零之前的狀態(tài)。</p><p>　　這里我們?nèi)WM的頻率為20KHZ，脈寬信息則寫(xiě)入相應(yīng)的比較器的映象寄存器。脈寬信息

87、則寫(xiě)入相應(yīng)的比較器的映象寄存器。PWM模塊的控制功能是由寄存器PWMCON0控制的。大多數(shù)控制位的操作都很簡(jiǎn)明。從映象寄存器到控制寄存器的數(shù)據(jù)傳送是由PWMCON0.6 (XFER)控制的，而PWMCON0.7( RUN)則決定了PWM處于運(yùn)行狀態(tài)。圖4-5為PWM信號(hào)輸出程序的步驟框圖：</p><p>　　圖4-5 PWM信號(hào)輸出程序的步驟框圖</p><p>　　PWM的初始化包括設(shè)

88、置頻率為20KHZ，設(shè)置PWM控制寄存器，初始化PWM占空比為0。控制P WMCON0.6控制將占空比值從映象寄存器送到工作寄存器后，啟動(dòng)PWMCON0.7輸出即可得到相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　由于可持續(xù)發(fā)展的要求及對(duì)能源需求的日益增長(zhǎng)，光伏系統(tǒng)應(yīng)用迅速發(fā)展，人們對(duì)光伏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與研究正在逐步加深。本文

89、通過(guò)研究光伏電池的特性，以光伏最大功率點(diǎn)跟蹤為主要研究?jī)?nèi)容，提出了用擾動(dòng)觀察法來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)。雖然目前擾動(dòng)觀察法也有一定的缺點(diǎn)，比如在到達(dá)最大功率點(diǎn)附近之后，會(huì)在其左右振蕩，造成能量損耗，雖然可以縮小每次擾動(dòng)的幅度，以降低Pm點(diǎn)的振蕩幅度來(lái)減少能量損失，不過(guò)當(dāng)溫度或照度有大幅變化時(shí),這種方法會(huì)使跟蹤到另一個(gè)最大功率點(diǎn)的速度變慢，此時(shí)將有大量的能量被浪費(fèi)掉。但是目前而言，相比于其他方法，擾動(dòng)觀察法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量參數(shù)較少、實(shí)現(xiàn)容易、應(yīng)用較

90、多，它還是比較容易實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的。</p><p>　　雖然本文最終實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤，但還有許多地方需要完善和進(jìn)一步的研究。總之，今后以太陽(yáng)能為能源的技術(shù)還有很大的發(fā)展前景，在提高太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換效率等方面還有很多問(wèn)題有待研究。太陽(yáng)能電力的應(yīng)用前景無(wú)疑是非常令人向往的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　

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96、.1999.</p><p><b>　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　光伏最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)MPPT的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1前言部分</b></p><p>　　隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，人們對(duì)能源的需求每天都在增加，全世界對(duì)能源的消耗在1970年約為83億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在199

97、5年，這種消耗達(dá)到了140億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，25年間增長(zhǎng)了69.7%，到2020年，全世界對(duì)能源的消耗預(yù)計(jì)將達(dá)到195億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。如果人類對(duì)能源的需求以目前的速度增長(zhǎng)，根據(jù)公式計(jì)算，全世界的石油將在40年后被消耗殆盡，天然氣和煤業(yè)最多能維持60年和200年左右。由此可見(jiàn)，研究和開(kāi)發(fā)新能源的需求十分迫切，采用新能源和可再生能源不僅能解決能源短缺的問(wèn)題，還能保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少污染，是走經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大措施。太陽(yáng)能資源豐富、分布廣發(fā)、可再生

98、、無(wú)污染，是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的理想能源替代品[1]。能源危機(jī)迫在眉睫。根據(jù)對(duì)石油儲(chǔ)量的綜合估算，可支配的傳統(tǒng)能源的極限大約為1180到1510億噸，以1995年世界石油的年開(kāi)采量33.2億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在2040左右年宣告枯竭;天然氣儲(chǔ)備估計(jì)在131800到152900兆立方米，年開(kāi)采量維持在2300兆立方米，將在60年內(nèi)枯蝎;煤的儲(chǔ)量約為5600億噸，1995年煤炭開(kāi)采量為33億噸，可以供應(yīng)169年;鈾的年開(kāi)采量目前為每年6萬(wàn)噸

99、，根據(jù)</p><p>　　當(dāng)今世界太陽(yáng)能光伏技術(shù)的利用，特別是在非洲、美洲、澳洲、亞洲各國(guó)，其增長(zhǎng)幅度相當(dāng)大，只要原因是近幾年來(lái)太陽(yáng)能電池、電力電子及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)[4]。太陽(yáng)能發(fā)電與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，每天照射到地球上的太陽(yáng)能是人類消耗的能量的6000倍。</p><p>

100、;　　太陽(yáng)能隨處可得，可就近供電，不必長(zhǎng)距離輸送，因而避免了輸電線路等電能損失。</p><p>　　太陽(yáng)能不用燃料，運(yùn)行成本小，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定的沖擊。</p><p>　　發(fā)電部件不易損壞，維護(hù)簡(jiǎn)單。</p><p>　　光伏發(fā)電部產(chǎn)生任何廢棄物，沒(méi)有污染，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，是理想的清潔能源。</p><p>　　光伏發(fā)電

101、系統(tǒng)建設(shè)周期短，憂郁模塊化安裝，不僅可用于小到太陽(yáng)能計(jì)算器的幾個(gè)毫瓦，大到數(shù)十兆挖的光伏電站，而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽(yáng)能電池容量，既方便靈活，又避免浪費(fèi)[5]。</p><p>　　太陽(yáng)能發(fā)電分光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。無(wú)論產(chǎn)銷量、發(fā)展速度和發(fā)展前景，光熱發(fā)電都趕不上光伏發(fā)電。光伏發(fā)電時(shí)根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理。利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。無(wú)論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池

102、板、控制器和逆變器三大部分組成。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于人物需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源可以無(wú)處不在。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無(wú)電場(chǎng)合提供電源，主要為廣大無(wú)電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，另外還包括一些移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草地等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施，我國(guó)并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)起步。</p

103、><p><b>　　2 主體部分</b></p><p><b>　　2.1 光伏發(fā)電</b></p><p>　　太陽(yáng)能電池就是一種經(jīng)由太陽(yáng)光照射后，把光的能量轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換原件，也稱為光伏電池。太陽(yáng)能電池有著非線性的光伏特性，所以即使在同意光照強(qiáng)度下，憂郁負(fù)載的不同而輸出不同的功率，將其直接與負(fù)載相連是很不明智的，

104、一般來(lái)說(shuō)都采用一個(gè)變換裝置，使太陽(yáng)能電池輸出功率保持在它所能輸出的最大狀態(tài)，再使它向負(fù)載供電。目前太陽(yáng)能電池輸出功率控制上主要利用CVT（constant voltage tracking）技術(shù)。硅太陽(yáng)能電池陣列具有如圖1所示的伏安特性。</p><p>　　圖1 太陽(yáng)能電池陣列伏安特性曲線[6]</p><p>　　圖中L是負(fù)載特性曲線，當(dāng)溫度保持某一固定值時(shí)，在不同的日照強(qiáng)度下它與負(fù)載

105、特性L的交點(diǎn)a，b，c，d，e對(duì)應(yīng)不同的工作點(diǎn)。人們發(fā)現(xiàn)陣列可能提供最大功率的那些點(diǎn)，這就有可能把最大功率點(diǎn)的軌跡近似地看成電壓U=const的一根垂直線，亦只要保持陣列的初端電壓為常數(shù)，就可以大致保證陣列輸出在該亦溫度下的最大功率，于是最大功率點(diǎn)跟蹤器簡(jiǎn)化為一個(gè)穩(wěn)壓器，這就是CVT的理論依據(jù)。CVT控制方式具有簡(jiǎn)控制單，可靠性搞，穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，比一般光伏系統(tǒng)多獲得20%的電能，較之不帶CVT的直接耦合要有利得多。但是，這種

106、跟中方式忽略了溫度對(duì)太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓的影響，以單晶硅太陽(yáng)能電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高1度時(shí)，其開(kāi)路電壓下降率為0.35%-0.45%。這表明太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓也隨環(huán)境溫度的變化而變化。對(duì)于四季溫差大的地區(qū)，CVT控制方式并不能再所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤到最大功率[7],[8]。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展和微電子器件的大幅度降價(jià)，CVT控制方式已經(jīng)顯得不是很經(jīng)濟(jì)，最大功

107、率點(diǎn)跟蹤MPPT技術(shù)可以使系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽(yáng)能電池的最大功率，顯示了它杰出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。MPPT可以挽回由于溫度變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)的失配損失，特別對(duì)于冬夏及全日內(nèi)溫差較大的地區(qū)更具有明顯的經(jīng)濟(jì)意義。</p><p>　　要利用光伏電池發(fā)電，為了使其工作于最佳狀態(tài)，就要使其工作于最大功率點(diǎn)上。如圖所示，光伏電池的I-V和P-V特性曲線都對(duì)應(yīng)著一定的光照強(qiáng)度和結(jié)溫條件，這些條件在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)不斷地變化