MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计

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1、-*injiang Institute of Engineering 毕 业 论 文论文题目 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计系部 电力工程系 学科专业 新能源应用技术 班 级 新能源11-1班姓 名 郭 泽 学 号 2021232779 指导教师 华 二一四年四月二十八日. z.-*工程学院毕业论文任务书学 生 姓 名郭泽专 业 班 级新能源11-1班论 文 题 目MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计承受任务日期2021年3月5日完成任务日期2021年4月28日指 导 教 师华指导教师单位*工程学院论文要求设计任务或主要技术指标：1.设计任务1设计基于MPPT控制算法的太阳能光伏系统

2、； 2控制方案的选择； 3方案的细化设计；4通过方案比拟，确定合理的控制方法及系统框图；5选定系统的主要芯片及元器件；6计算系统组件配置参数；教师指导过程记录设计进度与要求：1、第一周，收集有关资料作为设计参考。2、第二周，自学太阳能系统及其组件的相关知识；3、第三周，控制方法，电路构造方案的选择。4、第四周，方案的分析比照。5、第五周，确定系统设计方案。6、第六周，画出系统控制框图及主要电路图。7、第七周，对设计初稿进展修改，8、第八周，辩论。参考资料主要参考书及参考资料：1王长贵新能源和可再生能源的现状和展望J太阳能光伏产业开展论坛论文集2003(9)2玉文太阳能光伏技术的开展概况第五届全

3、国光伏技术学术研讨会论文集3王长贵，王斯成主编太阳能光伏发电实用技术M：化学工业，2021.94吴财福，键轩，裕恺主编太阳能光伏并网发电机照明系统：科学，20215奎峰，吕强，耿庆锋，圣俭编著TMS320F2812原理与开发M，：电子工业，20056勇，欧光军，关荣锋著DSP集成开发环境CCS开发指南M，航天航空大学，20047庚申，王庆章最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用J光电子激光，2003，14(8)*工程学院毕业论文成绩表学 生 姓 名郭 泽专 业 班 级新能源11-1班论 文 题 目MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计考 核 项 目考 核 容满分评分一、指导教师评分1、工作态度与纪

4、律102、根本理论、根本知识、根本技能和外文水平103、独立工作能力、分析和解决问题能力104、完成任务的情况与水平论文质量10指导教师签字：年 月日二、评阅教师评分1、论文质量正确性、条理性、创造性和实用性152、成果技术水平理论分析、计算、实验和实物性能15评阅教师签字：年 月日三、辩论小组评分1、完成任务书所规定的容和要求52、论文的质量53、课题论文容的讲述104、答复下列问题的正确性10辩论组长签字： 年 月日四、辩论小组成绩评定：负责人签字： 年 月日五、辩论委员会意见：辩论委员会主任签字：年月日目录摘要6Abstract7第一章 引 言1011本课题的选题背景和来源101.2太阳

5、能光伏发电简介11121太阳能光伏发电系统11122独立太阳能系统的构成1113国外太阳能发电的现状1114光伏太阳能控制器国外现状1215论文意义1216论文的主要研究容13第二章 光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用1421太阳能电池的构造及工作原理14211太阳能电池的构造14212太阳能电池的工作原理1422太阳能电池的特性及应用1423本章小结15第三章蓄电池1631蓄电池的简介16311蓄电池的介绍16312蓄电池技术参数16 3. 1. 3蓄电池特性1732蓄电池的工作原理1933蓄电池的充电技术2034本章小结22第四章 光伏太阳能发电系统中MPPT技术的实现2341光伏太阳能

6、发电系统中的最大功率点跟踪234. 1. 1什么是MPPT24 4. 2充电算法及实现25 4. 2. 1 充电控制算法25 4. 2. 2 MPPT充电算法实现2743最大功率跟踪控制的常用方法28431恒压跟踪法28432扰动观察法28433增量电导法284. 34模糊逻辑控制法294. 4充电控制器的控制略2945控制算法的分析和选择30 4. 6太阳能发电系统效率分析31 4. 6. 1系统整体构造设计32 4. 6. 2太阳能控制器构造3247本章小结33第五章 小型太阳能光伏控制器硬件和软件的设计3451控制器系统的简介3452硬件电路设计34521太阳能光伏充电控制器34522系

7、统供电电源36523太阳能电板输入电流采样电路37524蓄电池放电控制电路39525蓄电池过充过放检测电路39526控制系统显示电路4053软件设计405.3.1 A/D转换程序设计41532最大功率点跟踪控制程序设计42533充电控制程序4254系统的可靠性分析及设计43541硬件的可靠性设计43542软件的可靠性设计4455本章小结44第六章系统数据分析4561系统结果分析4562本章小结46总结48致49. z.-参考文献50MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计 摘要：太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成局部，也被认为是当前世界最有开展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电

8、装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面，其核心局部就是充电控制器。本设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不够充分，使得蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方案。在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的高效率管理。 设计一种太阳能LED照明系统充电控制器，既能实现太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)又能满足蓄电池电压限制条件和浮充特性。构建实验系统，测试说明，控制器可以根据蓄电池状态准确地在MPPT、恒压、浮充算法之间切换，MPPT充电效率较恒

9、压充电提高约16%。该充电控制器既实现了太阳能的有效利用，又延长了蓄电池的使用寿命。 在总体方案的指导下，本设计使用STMSS系列8位微控制器是STM8系列的主流微控制器产品，采用意法半导体的130纳米工艺技术和先进的核架构，主频到达16MHz(105系列)，处理能力高达20MIPS。置EEPROM、阻容(RC)振荡器以及完整的标准外设，性价比高。STMSS指令格式和意法半导体早期的ST7系列根本类似，甚至兼容，嵌单线仿真接口模块，支持SIWM仿真，降低了开发本钱；拥有多种外设，而且外设的部构造、配置方式与意法半导体的同样是Corte*-M3核的32位嵌入式微处理器STM32系列的MCU根本一

10、样或者相似。另外系列芯片功耗低、功能完善、性价比高，可广泛应用在家用电器、电源控制和管理、电机控制等领域，是8位机为控制器控制系统较为理想的升级替代控制芯片26l。软件局部依据PWMPulse Width Modulation脉宽调制控制策略，编制程序使单片机输出PWM控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制MOSFET管开启和关闭，到达控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。实验说明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，到达延长蓄电池的使用寿命。 关键词：充电控制器； 太阳能光伏发电； PWM脉宽调制

11、；MPPT 最大功率点跟踪法；蓄电池；STMSS系列8位微控制器MPPT solar charge controller control algorithm designAbstract：Solar photovoltaic power generation has bee an important part of new energy and renewable energy, it is considered the current worlds most promising new energy technologies. At present solar photovoltaic de

12、vice has been widely used in munications, transport, electricity and other aspects, the core part is the charge controller. The conventional charge controller on the market today on the battery charge and discharge control is unreasonable, and its protection is also inadequate,whichs makes the batte

13、ry life to shorten. To solve this problem, the design identifies a solar charge controller based on single chip solution. In the solar energy to battery charge and discharge means, the controller of the functional requirements and the practical application aspects ,making some analysis,pleted the ha

14、rdware circuit design and software development, to achieve the high efficiency of the battery management. Under the guidance of the overall program, the design uses low-power, high performance, super anti-jamming STC89C52 microcontroller as a core device to control the entire circuit. Hardware circu

15、it consists of a solar battery charging and discharging circuit, voltage acquisition and display circuit, the MCU control circuit and RS232 serial munication circuit, the main achievement of the acquisition and display battery voltage. Software is based in part on PWM (Pulse Width Modulation) pulse

16、width modulation control strategy, programming the microcontroller output PWM control signal, by controlling the photocoupler on-off the control MOSFET opening and closing, to control battery charging and discharging purposes, and in accordance with the functional requirements implemented the batter

17、y over charge, over discharge protection and short circuit protection. E*periments show that the controller performance, high reliability, can always monitor the state of solar panels and batteries to achieve optimal control of battery charge and discharge, to prolong battery life.Keywords:charge co

18、ntroller; solar photovoltaic; PWM pulse width modulation; MPPT；Battery.第一章 引 言11本课题的选题背景和来源太阳能是一个巨大、长远、无尽的能源。尽管太阳辐射到大气层的能量仅为总辐射量(约为375*1026W)的22亿分之一，但其能量高达173000TW(功率单位ITW=1012 KW=1015 W)，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤所产生的能量。据估算，我国陆地外表每年承受的太阳辐射量约为50*1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335837 kJ(cm2/)，中值为586 kJ(cm2/) 。

19、我国的太阳能辐射量相当充足，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优势，就拿我们所在的地区太阳辐射量在国也是中等水平。另外太阳能作为一种新型的能源，它与常规的能源相比有三大优点：(1)太阳能是人类可以利用的最为丰富的能源之一，据估算，自太阳形成到现在，太阳辐射出的能量只占自身能量的2，因此可以算是取之不尽，用之不竭。(2)太阳对地球的辐射是全方位的，在全球的任何一个地方都有时机承受到太阳的辐射，因此可以直接就地开发利用，这样就没有了运输的问题，尤其对于交通不兴旺的地区更有利用的价值。(3)太阳能使用后不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态，是一种比拟干净的能源。而且太阳辐射能与煤炭、石

20、油等常规能源相比拟，更有如下的优点： 1普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。 2无害性。利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害，清洁干净。 3长久性。 只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。 4巨大性。面对如此巨大的能源，对太阳能开发利用的研究已经成为一个新兴的重大课题。这项集多学科为一体的高新技术，在科技进步、能源战略和环境的保护领域中都会发挥重要的作用，对该技术的深入研究将会为探索广阔的光伏发电市场和掌握相关领域提供一定的理论依据。本文就是借助对庭院式小功率太阳能光伏发电系统的研究来探索太

21、阳能光伏发电。1.2太阳能光伏发电简介121太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。一般将光伏发电系统分为独立系统、并网系统和混合系统。根据其应用形式、应用规模和负载类型，光伏发电系统大致可以分为以下七种类型：小型太阳能供电系统(SmallDC)，简单直流系统(Simple DC)，大型太阳能发电系统(Large DC)，交流、直流供电系统(ACDC)，并网发电系统(UtilityGrid Connect)，混合供电系统(Hybrid)，以及并网混合供电系统。其中小型太阳能供电系统(Small DC)根据应用场合的不同又分为庭院式太阳能供电系统、通

22、信太阳能供电系统等。122独立太阳能系统的构成光伏发电系统的规模跨度巨大，从 0.32W的太阳能小系统，大到兆瓦级别的太阳能光伏电站，其应用也各有不同，在家庭、交通、通信、航天等众多领域都有涉及。其根本框架图如图11所示。独立的太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏组件阵列、储能蓄电池、控制器、DC/AC或者DC/DC变换器、以及输出设备构成。图11太阳能光伏发电系统的组成图13国外太阳能发电的现状1839年，法国科学家贝克雷尔(Becquerel)就发现，光照能使半导体材料的不同位置之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应一，简称“光伏效应一。1 954年，美国贝尔实验室研究人员DMCh

23、apin，CSFuller和GLPearson首次制成了光电转换效率为45的单晶硅太阳能电池，至此之后太阳能发电进入了飞速开展的时代。在新型能源产业中，太阳能光伏发电产业是全球开展最快的新兴产业之一，最近十年更是飞速开展。14光伏太阳能控制器国外现状目前市场中独立的太阳能光伏充电控制器主要有五种类型：并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器、智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。1并联型控制器当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流道部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。并联型控制系统一般用于小型、低功率系统。2串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏

24、阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。3脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。4智能型控制器：基于MCU对光伏电源系统的运行参数进展高速的实时采集，并按照一定的规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进展切离和接通控制。对于中、大型光伏电源系统，还可以通过串口，或者别的一些通讯方式实现远距离控制。5最大功率跟踪型控制器：根据太阳能电池的输出功率判断是否工作在最大功率点，假设不是则做出相应的调节使得输出功率靠近最大功率点，从而实现对太阳能发电能量的有效利用。现在的市场的庭院式小功率太阳能光伏控制器多是并联型控制系

25、统、串联控制系统、脉宽调制型控制器，也有少量的智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。常见的智能型根本都是基于微处理器的控制，例如基于传统的51，DSP等。15论文意义本文所研究的小功率太阳能光伏发电系统是针对当今社会的开展趋势和需求提出的。本研究综合分析现有的太阳能光伏发电系统的开展和技术要求，比照已有的光伏发电系统，以此为根底，选取高性能意法半导体的新型8位控制芯片STMSS作为主控芯片，凭借STMSS微控制器强大的运算能力和丰富的外围资源，优化系统的电流采样电路设计，提升系统的性能，设计出一款小功率太阳能光伏发电系统。本系统的设计改良了传统小功率太阳能光伏发电系统的信号采集电路，降低了电路的

26、损耗。16论文的主要研究容1本论文需要研究的容主要有以下几个方面：(1)在分析现有的太阳能光伏发电系统的开展概况的根底上，简单介绍了当前太阳能光伏发电系统的构造；(2)根据常规太阳能光伏发电系统功能的要求分析太阳能光伏电池和蓄电池的需求及特性，最终根据需求选择本系统的设备；(3)系统软件设计，包括系统主程序模块底层设计、MPPT技术控制程序设计、充电方式的控制以及输出、输入平安控制等；(4)系统硬件设计，具体的系统硬件设计包括：控制系统电路设计、太阳能光伏发电充电电路设计、芯片供电电源电路设计、蓄电池防过放电路设计、蓄电池防过充电路设计等；(5)系统的可靠性分析及设计，主要是基于系统硬件可靠性

27、和软件可靠性的研究与实现；2根据本课题欲实现的功能和所要研究的容，采取以下研究步骤来实现：(1)针对系统整体功能进展具体分析与研究，合理地将整个系统划分成各个不同功能模块。(2)针对各个模块的功能对其进展相应的电路设计、芯片选型与特性测试。(3)各个功能模块的软硬件调试、各个功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进展联机调试。(4)在整个系统中按照软件和硬件两个方向严格的执行可靠性设计。第二章 光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用21太阳能电池的构造及工作原理太阳能电池又称为“太阳能晶片或光电池，通常由半导体硅材料制成，是一种利用太直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照射

28、，瞬间就可输出电压。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic，photo光，voltaic伏特，缩写PV)，简称光伏。211太阳能电池的构造太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电器件，根本构造是由P型与N型半导体集合而成，最根本的材料是半导体硅，单纯的硅是不导电的绝缘体，但是在掺入不同杂质时就可以做成P型和N型半导体。下列图就是一种常见的太阳能电池的构造图，它的根本材料是P型单晶硅。上表层是N型半导体层，是受光层，在和基体的接触面形成一个PN结。为了进一步增加对太阳能的利用率，在太阳能电池的受光面会覆盖一层减少反射的薄膜，它可以增加太阳能电池对入射光的吸收率。2.1太阳能电池构造图2

29、12太阳能电池的工作原理太阳能电池工作原理的根底是半导体PN结的光生伏特效应。所谓的光生伏特效应就是当物体受到太的照射时，物体的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。22太阳能电池的特性及应用当光照强度改变时根据太阳能电池的输出功率和电压的关系可以得到下列图。从图2.3中可以看出在不同光照时最大的输出功率点是唯一的，只有太阳能工作在这个位置才能合理的利用太阳产生的能量。为了合理利用太阳能电池，在后续的设计中选择实现MPPT的控制。2.2太阳能电池等效电路2.3太阳能电池的I-U曲线23本章小结本章首先介绍了太阳能电池的构造和原理；然后介绍了不同太阳能电池材料的优劣，为选择太阳能电池

30、提供依据；接着是介绍太阳能电池的IU特性根据其特性引出太阳能电池的选用：最后介绍了本太阳能电池的设计需求和安装要求。第三章 蓄电池在太阳能光伏发电系统中由于太阳能光伏阵列产生的能量受外部光照的影响，而光照又是一个随机的变量，这样就造成太阳能光伏阵列的输出能量极不稳定，因此需要配置蓄电池才能使负载正常工作。在太阳能电池板充电时，蓄电池将电能转化为化学能存储起来；在负载需要供电时，蓄电池把化学能转换成电能输出给负载。蓄电池的性能直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。作为太阳能光伏发电系统中的储能器件，蓄电池的选择在注重性价比的同时还要做到能合理的利用太光照，并持续地对负载供电。31蓄

31、电池的简介311蓄电池的介绍蓄电池作为一个储能的器件，能够反复使用，另外蓄电池还具有电压稳定、供电可靠、使用方便等优势，广泛的应用于汽车、航空、通信等众多行业。在目前市场上的蓄电池主要有四类蓄电池：铅酸蓄电池、镉镍(NiCd)蓄电池、氢镍(NMH)蓄电池和锂离子蓄电池。镉镍(NiCd)蓄电池、氢镍(NiMH)蓄电池和锂离子蓄电池。蓄电池作为太阳能LED照明系统的储能元件，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜晚时，控制器启动LED驱动电路，LED光源开场照明，蓄电池释放电能。全天中，控制器的电源一直由蓄电池供应。目前光伏系统多采用阀控密封式铅酸Valve Regulated

32、 Lead Acid Battery，简称VRLA蓄电池，VRLA蓄电池采用密封构造，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用平安可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进展检测和调酸加水，又称为“免维护蓄电池。312蓄电池技术参数1蓄电池容量蓄电池的容量是指在一定的放电条件下所能给出的电量，通常用C表示，但是蓄电池作为电源时，其端电压是一个变量，选用安时(Ah)表示蓄电池的电源容量更为准确。当蓄电池放电时，它的容量等于放电电流对时间的积分。公式上看t的取值可以从0取到无穷，但实际上为了防止蓄电池因过放而导致损坏，因此对t的取值是有限制的。当蓄电池的电压低于终止电压时，此时为t的最大值，

33、所谓终止电压就是蓄电池的最低正常工作电压。通常蓄电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值；实际容量是指蓄电池在一定的条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量；额定容量，又称为标称容量，是按照国家标准，保证蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。固定型蓄电池一般采用10h所放出的容量为蓄电池的额定容量，并用来标定蓄电池的型号。额定容量也用字母C表示。例如：额定容量为100Ah的蓄电池，C=100Ah；在恒定的电流放电时，蓄电池的容量为：Q=I*t2蓄电池的电压(1)开路电压 开路电压是指蓄

34、电池在开路状态下的端电压。蓄电池的开路电压等于蓄电池在开路时，蓄电池的正极电位与负极电位之差。蓄电池的开路电压表示，即Vk=EEf其中：E表示是正极电位，Ef为负极电位。(2)工作电压工作电压是指在蓄电池接通负载后放电过程中显示的电压，通常用V表示：V=VK(Ro+Rf)其中：I为蓄电池放电电流：R0为蓄电池的部电阻；Rf为蓄电池的极化电阻。(3)充电电压充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。(4)浮充电压 浮充电压是指充电器对蓄电池进展浮充充电时设定的电压值。蓄电池需要一个准确而且稳定的浮充电压值，浮充电压的上下和储能的大小成正比，质量差的蓄电池浮充电压小，人为的提高浮充电

35、压的大小对蓄电池是一种损害。(5)终止电压终止电压指的是蓄电池放电终止时的电压，也就是蓄电池正常使用的最小允许电压。313蓄电池特性太阳能电池无需外加电压，可以直接将太阳能转换成电能，并驱动负载工作，太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据太阳能电池的工作原理，以及影响太阳能电池工作效能的因素，我们可以用下式所示的数学方程来表示太阳能电池的输出电流与输出电压的关系:式中，I：太阳能电池板的输出电流(A)；V：太阳能电池板的输出电压(V)；q：一个电子所含的电荷量(l.6*10-19C)；K：波尔兹曼常数(l.381023J/K)；T：太阳能电池板外表温度(K)；n：太

36、阳能电池板的理想因数(n=1-5)；I0：表示太阳能电池板的逆向饱和电流。 在Matlab中建立太阳能电池数学模型1，写成嵌入函数的形式，并根据数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的I-V如图1所示，P-V曲线如图2所示。其中图(a)标注为辐照度，单位为W/m2；图(b)标注为阵列外表温度，单位为。图3.1 太阳能电池I-V特性曲线Fig.1 I-V characteristic curve of Solar cells图3.2 太阳能电池P-V特性曲线Fig.2 P-V characteristic curve of Solar cells由图3.1和图3.2特性曲线可以看出辐照度主要影

37、响太阳能电池的短路电流，温度主要影响太阳能电池的开路电压，特定光照和温度条件下太阳能电池供电系统存在单峰值最大功率点，这为我们进展最大功率点跟踪找到了理论依据。2.太阳能电池的输出特性对于太阳能电池方阵而言,应按照用户的要求和负载的用电量及技术条件确定太阳能电池组件的串并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定,应考虑蓄电池的均浮充电压,线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响。蓄电池的容量决定其最大充电电流,该数值再结合负载电流,可决定太阳能电池并联数。图3.3太阳能电池输出特性太阳能电池的输出特性如图1所示, 太阳能电池的输出伏安特性曲线 是进展系统分析的最重要的技术数据之一。从图中可以看

38、出,太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性。在光伏系统中,负载的匹配特性决定了系统的工作特性和太阳电池的有效利用率。要想在太阳电池供电系统中得到最大功率,必须跟踪日照强度和环境温度条件,不断改变其负载阻抗的大小,从而到达阵列与负载的最正确匹配,以提高系统的效率,该方法称为MPPT(最大功率点跟踪法)。32蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的工作原理：充电时：2 PbS04+2 H20=Pb02+Pb+2 H2S04(电解液)放电时：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbS04+2H20(原电池)以上是蓄电池正常充放电理想化的化学方程式。在充电时，正极由硫酸铅转化为二氧化铅后将电能转换为化学能储存在正极板中

39、；负极由硫酸铅转换海绵状铅后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极由二氧化铅变成硫酸铅，而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅变成硫酸铅，也是化学能转化成电能向负载供电。蓄电池容量计算式为式中：Bc为蓄电池容量；A为平安系数，一般为1.11.4；Q1为日耗电量，即工作电流乘以日工作小时数；T0为温度系数，一般0以上取1，-10以上取1.1，-10以下取1.2；Cc为放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。此处蓄电池额定电压为12V，设计容量当连续5天阴雨仍可工作，考虑到上一次放电后夜间未能充电，所以N1=6，计算如式4所示，结果为295.68 AH，取300AH。33蓄电池的充电

40、技术铅酸蓄电池具有可以重复使用、电压特性平稳、使用寿命比拟长、适用围广等特点，但是在使用不当的时候，将会导致其寿命急剧降低。影响铅酸蓄电池的因素有很多，研究发现，电池充电过程对电池寿命的影响最大，放电过程较少。由此可见，正确的充电方式可以有效的延长蓄电池的使用寿命。蓄电池的常用充电模式有一下几种。1恒流充电恒流充电就是在充电过程中一直以恒定的电流进展充电的一种方式。这种方式适合用在多个串联的蓄电池组。缺点是：开场充电电流对于蓄电池来说较低，在后期电流值偏大(相对蓄电池的需求)，在充电过程中析出的气体多，充电时间长，对极板有较大的冲击，耗能高。一般的免维护蓄电池不采用本方法。2恒压充电类似恒流充

41、电，恒压充电在充电过程中电压保持不变的一种充电方式。优点是：充电电流随着蓄电池电压的上升而逐渐减小，充电时间短，能耗低，析气少等。缺点是：开场时充电电流过大，后期充电电流又过小，不适合串联过多的蓄电池，对低压的蓄电池不能实现完全充电。3分阶段充电这种充电的方式是为了克制恒流和恒压充电的缺点而设计的一种方式。分阶段充电在一开场时对蓄电池采用恒流方式充电，蓄电池充电到了一定容量后换为恒压充电。这样就防止了在充电的开场阶段出现较高的大电流，以及在充电的而后期出现高电压的现象，防止了对蓄电池的损坏。4快速充电一般的充电都需要较长的时间，快速充电是为了缩短充电时间而设计的。快速充电电流以脉冲的方式对蓄电

42、池进展充电，每一次脉冲之后蓄电池都有一定的停充时间。在充电过程中脉冲使蓄电池充满电荷，停充过程中蓄电池部化学反响产生的气体被重新吸收，在减少析气的同时也消除了极化现象，从而减小蓄电池的压。5智能充电智能充电的根底依据是美国人J.A.MAS(马斯)提出的蓄电池快速充电的根本规律。智能充电以析气率最低为前提根据蓄电池承受的充电电流和最大电流为参考，在充电过程中不停的调整适合的电流进展充电。以上就是常见的充电方式。在本文太阳能光伏发电系统中，结合实际的控帛电路、为了合理有效的利用太阳能光伏电池和蓄电池，选择在蓄电池深度放电时，利用MPPT技术和控制系统对蓄电池进展充电，当蓄电池在正常的放电围时，用分

43、阶段的充电方式充电。 3.3蓄电池产生光伏效应. z.-34本章小结本章详细介绍了蓄电池的种类和工作原理，分析了对蓄电池的影响因素以及充电方式。根据对上述的理解和分析在最后选择了本文所需的蓄电池以及相应的充电方式。图3.4光伏发电实物图第四章光伏太阳能发电系统中MPPT技术的实现 MPPT(Ma*imumPowerP0疏Tracking)就是最大功率点跟踪，是指控制器能够实时侦测太阳能电板的输出电压，并追踪最高的输出功率，使系统以最高的效率对蓄电池充电。在太阳能光伏发电系统分析中，由太阳能电池的特性，可得出光照强度、温度以及外界环境等都会影响光伏太阳能电池的输出功率。光照强度和温度变换的随机性

44、，造成输出功率也具有随机性，进而影响太阳能光伏发电的效率。对最大功率点跟踪技术的研究，可以提高太阳的利用率，增加系统的实用性。41光伏太阳能发电系统中的最大功率点跟踪在太阳能供电系统中，太阳能电池的输出是非线性的，只有当输出功率最大时太阳能电池的利用效率才是最大。光伏太阳能发电系统最大功率跟踪工作的模式就是调节输出电流和输出电压，使输出功率在光伏阵列的最大功率点附近。如下图的太阳能电池的特性曲线最大功率点的跟踪的目标就是实现太阳能电池输出在如图4.1所示的最大功率点。4.1太阳能电池的特性曲线4. 1. 1什么是MPPT MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪Ma*imum Power Poin

45、t Tracking太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟比照的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的根本原理。 要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，则输出电流就会接近0。所以，为了平安起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压Vpp大约在17V左右，这是以环境温度为25C时的标准设定的。这样设定的原因，有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊在于

46、当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以到达18V! 现在，我们再回头来比照MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。则不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的

47、最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大成效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。 理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高 20%-30%。 从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器。4.2 MPPT接线图4.2充电算法及实现4. 2.1 充电控制算法对于一个蓄电池,选择适当的充电方法,不仅可提高充电效率,而且能够延长蓄电池的使用寿命。其中最理想的充电方式为三段式充电法，即恒流，恒压，浮充三个阶段充电3。第一阶段恒流充电:在此

48、阶段，充电电路的输出等效于电流源。蓄电池的充电电流通常由蓄电池的总容量确定，为蓄电池最大可承受电流Ima*。充电过程中，通过实时监控蓄电池电压，当蓄电池荷电状态到达相应状态后，充电进程进入恒压充电阶段。第二阶段恒压充电:在恒压阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测充电电流，该电压对应于蓄电池充满时对应的端电压值。当充电电流降到低于阈值电流IC时，可以认为蓄电池电量已充满，充电状态进入下一阶段。第三阶段浮充:在浮充阶段，电路给蓄电池提供一个准确的、带温度补偿功能的浮充电压，以补偿蓄电池自放电的损失。浮充电压VF计算如式2所示。式VF0，T0分别为基准点的电压和温度值，C为电压温度系数。

49、VF=VF0+T-T0C三段式充电法与蓄电池本身特性最为匹配，更有利于延长蓄电池使用寿命，所以成为以市电充电中应用最广泛的方法。假设将三段式充电法直接应用于太阳能照明系统，最大的问题在于无法实现最大效率利用太阳能电池板的输出；蓄电池的最大可接收电流Ima*一般很大，第一阶段的恒流充电亦无法实现。蓄电池智能充电策略必须最大限度提升太阳能电池板功率输出，同时最大程度延长蓄电池使用寿命。论文借鉴上述三段法充电法，同时结合光伏系统实际情况，给出一种有效的充电方法4。对于太阳能LED照明系统来说，晚上蓄电池对照明灯供电,并且控制电路始终由蓄电池供电，因而当检测到太阳电池满足供电条件，DC-DC转换电路开

50、场工作时,蓄电池总为非满状态，此时蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限UMUIC,则对蓄电池进展恒压充电CV；假设I0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰；假设P0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰的方向。其跟踪流程如图4.3所示图4.3 扰动观察法流程图Fig.5 Perturbation & Observation Algorithm flow chart恒压、浮充实现 分析可知恒压充电和浮充充电均向蓄电池提供一个固定电压值，有两种实现方法，一是，如果系统精度要求不高，只要向Cuk电路提供一个固定的占空比即可，二是，如果系统精度要求很高，可以采用反响方式来实

51、现，即检测实际输出电压值与给定值进比拟，再通过程序调整占空比使输出电压稳定为*一具体数值。为降低系统的复杂度，提高可靠性，本系统选择第一种实现方法。最大功率跟踪控制有很多常用的控制算法，如恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法、增量电导法和模糊控制法等。4.3最大功率跟踪控制的常用方法431恒压跟踪法由于太阳能电池在一定的温度下，最大功率点在一个恒定的电压附近。恒压跟踪法就是根据控制太阳能的输出电压位于这个恒定的电压值附近来实现的最大功率跟踪，这样大大简化了MPPT的控制设计。优点是：控制方式简单、容易实现等；缺点是：控制的精度不高、尤其是在四季光照变化巨大的地方、无法应对恶劣天气造成的光照突变等。

52、432扰动观察法扰动观察法的具体原理是一开场让光伏电池按照*一电压值输出，根据测得的电流值来计算电池的输出功率，然后在一定的时间间隔后去改变电压，并根据观测功率的变化来，决定下一步的调节方向，最终到达输出功率最大的位置。优点是构造简单，被测参数少，普遍使用于光伏发电系统的发电中。缺点比拟明显，那就是在到达最大功率点的时候扰动仍会继续，这样会损失一定的功率，并且初始电压和调节比例的选择对跟踪速度和精度也有较大的影响。433增量电导法增量电导法是在针对扰动观察法在工作电压的调整过程中有一定的盲目性而改良的一种方法，其具体的原理推导如下。在图4-1可知，在PU曲线的最大功率点处斜率为零。太阳能电池的

53、输出功率P=UI，在最大功率点由于斜率等于零，则dP/dU=0，即：dP=/dU+UdI=0由公式(41)整理得由上式推导可得到最大功率点的条件如上所示，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，太阳能电池阵列输出功率到达最大功率点。其优点是：控制准确，响应速度比拟快，适合日照条件变化较大的场合；缺点是：对处理器和传感器的精度要求都比拟高。434模糊逻辑控制法模糊逻辑控制法主要是基于模糊控制理论通过在过程中执行三种控制行为而实现的一种控制方式。这三种控制行为分别为：模糊化、模糊推理和解模糊化。(1)模糊化的作用是将输入的准确量，通过模糊化方法转换，最终生成模糊化量。(2)模糊推理是模糊控制器的

54、核心，它以一定的推理规则和经过模糊化处理后的模糊化量为依据，经过模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则等，得到模糊系统的输出。(3)解模糊化的作用是将模糊推理的输出量转换为实际用于控制的清晰量。模糊逻辑控制算法的优点是：有较高的准确度、可以更为直接的调节单步的电压变换量和更有效的利用太阳能电池的能量。缺点是：需要更高性能的处理器、要有大量的规则库和数据库等，不适合低本钱的系统。 4. 4充电控制器的控制策略 作为光伏发电系统中的关键部件，蓄电池的寿命短是阻碍整个光伏发电系统性能和推广的主要原因之一。根据蓄电池的工作原理，结合实际应用情况，在光伏发电系统中，影响铅酸蓄电池寿命的主要因素有：充电电压的设置

55、、过放控制点的设置、温度、运行环境等。依据这些影响因素，分析蓄电池常见充放电方式局限性，对充放电方式进展了一定的改良。1蓄电池常规充放电方式目前，控制器常规的蓄电池充电法包括三种：恒流充电法、阶段充电法和恒压充电法。恒流充电法是通过保持充电电流强度不变进展充电的方法。这种充电控制方法简单，但由于电池的可承受电流能力是随着充电过程的进展而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过多，影响蓄电池的使用寿命。第二种是阶段充电法。这种充电方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法是先用恒定电流充电至预定的电压值，然后改为恒定电压完成剩余的充电，一般两阶段之间的转换电压就是第

56、二阶段的恒电压；三阶段充电法是指在充电开场和完毕时采用恒定的电流充电，中间用恒定的电压进展充电。阶段充电法这种方法虽然可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，实际应用中受到一定的限制。恒压充电时要严格掌握充电电压，电压在全部充电时间里保持恒定的数值，充电电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进展，电流将逐渐减少。这种充电方法在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，将会影响蓄电池的使用。2改良的充放电方式针对目前市场上控制器的主要问题是由于对于蓄电池的保护不够充分，不适宜的充电方式容易导致蓄电

57、池的损坏，同时通过对蓄电池的工作原理和对影响蓄电池使用寿命因素的分析，本论文提出了PWM (Pulse Width Modulation)脉宽调制充电方法。 PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进展控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电承受率，而且能够提高蓄电池充电承受率，这也是蓄电池充电理论的进一步开展。PWM脉冲调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后让电池停顿充电一段时间，如此循环往复。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反响产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，从而减轻了蓄电池的压，使下一轮

58、的充电能够更加顺利地进展，使蓄电池可以吸收更多的电量。PWM调制充电方式使蓄电池有较充分的反响时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电效率。脉宽调制方式是指在固定时钟频率下，通过调节开关的通断时间来控制信号的占空比，从而实现对输出电压的调整。实际也就是以一直流电压经过以一定频率翻开与闭合开关的控制来改变电压。输出电压波形如图4.4所示。图4.4输出电压波形针对目前市场上的太阳能充电控制器当蓄电池给负载供电时，没有时刻检测蓄电池的电压，很容易导致蓄电池的深度放电这个问题，本论文提出时刻在线检测蓄电池电压来防止蓄电池发生过放现象，保护蓄电池，提高其使用寿命。45控制算法的分析和选择最大功率跟踪算法通常采用的方法如上所示。其中恒压跟踪法控制是最为简单的一种，但需要提前测得太阳能光伏电池所需要的开路电压，增加了本钱，而且不具有普遍的适用性，采样期间和控制期间也容易受到外部环境的影响，也导致恒压跟踪法的控制精度不高、转换效率低，比拟适用于较小的功率场合。扰动观察法和增量电导法是目前使用的最多的两种方法，这两种控制方法的转换效率比拟高。扰动观察法的调节相比照拟盲目，其到达最大功率点后还会有波动，另外其电压的调节量是固定值。增量电导法和扰动观察法相比可以稳定在最大功率点，能识别调节的方向。模糊控制算法准确度高，转换效率高，能更好的利用太阳能电池产生的能量。但是模糊算法使