太阳能电池最大功率点跟踪技术的研究 毕业论文.doc

太阳能电池最大功率点跟踪技术的研究摘 要常规能源也叫传统能源，英文名conventional energy ，是指已经大规模生产和广泛利用的能源。如煤炭、石油、天然气、核能等都属一次性非再生的常规能源。而水电则属于再生能源，如葛洲坝水电站和三峡水电站，只要长江水不干涸，发电也就不会停止。煤和石油天然气则不然，它们在地壳中是经千百万年形成的(按现在的采用速率，石油可用几十年，煤炭可用几百年)，这些能源短期内不可能再生，因而人们对此都有着不好的预感。已能大规模生产和广泛利用的一次能源，又称传统能源，如煤炭、石油、天然气、水力和核裂变能，是促进社会进步和文明的主要能源。在讨论能源问题时，主要指的是常规能源。新能源是在新技术基础上系统地开发利用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等，与常规能源相比，新能源生产规模较小，使用范围较窄。另一方面，化石能源枯竭问题和能源环境污染问题也时时困扰着人类。世界能源以化石能源为主的结构特征，使得化石能源枯竭的日子离我们越来越近。而在许多发展中国家，城市大气污染已达到十分严重的程度，在欧洲和北美也出现了超越国界的大气污染，形成了广泛的环境酸化，上千个湖泊的湖水酸度达到了不能支持鱼类生存的程度，酸性气体所造成的腐蚀损失，每年高达10亿美元。 因而，新能源的开发利用就显得尤为重要了。现如今太阳能的开发利用技术已经相当成熟，太阳能电池也逐渐普遍。不过，大范围使用太阳能电池就得考虑到许多相关的问题。根据太阳能电池的工作原理，当光照强度、温度等自然条件变化时，太阳能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，自然光的照射强度及大气的透光率处于动态变化中，这就给光伏系统的高效应用带来了困难。理论上讲，事物的利用都是要讲究高效率的。因此，太阳能充分开发及利用的一面就体现在对太阳能电池最大功率点跟踪的研究上。理论上讲，太阳能电池最大功率点是可以根据其规律然后通过某些控制策略来使其稳定已达到太阳能电池充分利用的目的的。因此，在总结以前的经验和方法的基础上，再根据太阳能电池的内部结构以及输出特性可得到几种控制策略：控制太阳能电池阵列的串并联数、cvt即恒定电压跟踪控制脉宽调制法等。相对来说，除了这三种主流控制策略外还有一些控制策略，它们的优势各不相同，实际操作时可综合考虑。关键词：传统能源 新能源 太阳能 控制策略 abstract conventional energy also called the traditional energy, english name conventional energy, it is to point to have mass production and extensive use of energy. such as coal, oil, natural gas, nuclear power is one-time the regeneration of conventional energy sources. and hydropower belong to renewable energy, such as gezhouba hydropower station and the three gorges hydropower station, as long as the yangtze river water is not dry, power generation wont stop. coal and oil and gas is different, they are in the earths crust is in the form of ten million (according to the rate of now, oil can be used for several decades, coal can be used hundreds of years), the energy in the short term may not renewable, and it was all have bad feeling. can already mass production and the extensive use of an energy, also called the traditional energy, such as coal, oil, gas, hydraulic and nuclear fission can, is promoting social progress and civilization of main energy. in discuss energy problem, refers to the conventional energy. new energy is a new technology to develop and utilize the system based on the energy, such as solar energy, wind energy, geothermal energy, and power, compared with conventional energy, new energy production on a smaller scale, use a narrow range. on the other hand, fossil energy exhaustion and energy environment pollution problem has always with humans. world energy in fossil energy mainly the structure characteristics, make fossil energy the dry days was more and more closer to us. and in many developing countries, urban air pollution has already reached the very serious degree, in europe and north america also appeared wapner atmospheric pollution, forming a wide range of environment acidification, thousands of lake lake acidity reached cant support fish survival degree, acidic gas caused by corrosion damage, $1 billion a year. therefore, the development of new energy use is particularly important. nowadays the development and utilization of solar energy technology have quite mature, solar cells also gradually popular. however, widespread use of solar battery will have to consider many related problems. according to the work principle of solar cells, when light intensity, temperature and other natural conditions change, solar battery output characteristics will change, output power and its largest also change accordingly. in the actual application system, the natural light to illuminate intensity and atmospheric light transmittance in dynamic change, this will give photovoltaic system of high efficiency application caused difficulties. in theory, the use of things is to pay attention to high efficiency. therefore, the development and utilization of solar energy fully side that reflected in the maximum power point of solar battery on track. in theory, the maximum power point of solar battery is according to its rules and then through can some control strategy to make its stability has already reached the solar cells to make full use of purpose. so, in summary of the experience and methods of before, based on solar battery again according to the internal structure and output characteristics can be several control strategies: control of the solar array series number, cvt namely constant voltage tracking control pulse width modulation method, etc. relatively speaking, in addition to the three kinds of main control strategy and some of the control strategy, their strengths each are not identical, the actual operation can be considered. keywords: traditional energy new energy solar control strategy目 录摘要iabstractiii1 绪论11.1 当今能源发展趋势11.2太阳能电池最大功率点的由来12 控制策略42.1 控制太阳能电池阵列的串并联数42.1.142.1.262.2 cvt即恒定电压跟踪控制72.3 脉宽调制法10 2.3.111 2.3.2122.3.3133 各种控制策略的比较15 3.1153.2163.316结论20参考文献21致谢221 绪论1.1 当今能源发展趋势 高新技术成果在能源工业迅速推广应用。能源工业正在由低技术向高技术过渡，新技术已迅速地渗透到能源勘探、开发、加工、转换、输送、利用的各个环节，例如自动化生产设备使煤矿开采效率成倍提高，新工艺和新技术促进了深海油田的开发。 化石燃料正在向高效节能、洁净环保的方向发展。全球范围的节能技术革命已经展开，各国都在通过节约能源和提高能效来降低能源需求量，发达国家的能源消耗下降了30%以上，机动车的燃油效能提高了近一倍。清洁能源技术迅速提高，各国纷纷推进清洁煤计划。各种新能源的开发利用引人瞩目。太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源的研发迅速展开，尤其是美、日、中等国都在大力开发氢燃料电池技术，使用氢燃料电池的汽车样机已经上路，2008年北京奥运会期间出现的氢燃料电池公共汽车。到本世纪中期，人类有望进入“新能源时代”。综上所知，开发新能源是当今世界的必然趋势，而太阳能电池就是主要的新能源之一，因此太阳能充分开发及利用的研究就在此趋势下兴起了。太阳能电池就是将照射在电池表面上的太阳光直接转化为电能的装置，它在可预见的时间内是不会枯竭的，而且它无大气和放射性污染，因而受到国内外的普遍重视。1.2 太阳能电池最大功率点的由来根据太阳能电池的工作原理，当光照强度、温度等自然条件变化时，太阳能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，自然光的照射强度及大气的透光率处于动态变化中，这就给光伏系统的高效应用带来了困难。理论上讲，事物的利用都是要讲究高效率的。因此，太阳能充分开发及利用的一面就体现在对太阳能电池最大功率点跟踪的研究上。以labview软件为工具,在太阳能电池输出特性基础上建立太阳能电池的仿真模型,在不同日照强度的条件下对太阳能电池输出特性曲线的情况进行仿真,并通过软件编程使系统可以确定负载等效电阻来进行最大功率点跟踪,同时仿真太阳能电池暗电流对电池最大工作点和填充因子的影响. 仿真结果验证了太阳能电池输出特性曲线的非线性特征,且特性曲线受日照强度的变化而变化.下图就是太阳能电池输出随温度变化的情况：从图一a可以看到在常温下250w/m2日照，太阳能电池的最大功率发生在电压为180v处，而日照为150w/m2时，太阳能电池的最大功率点发生在150v处。从图一b可以看到，在同一日照下，温度为125摄氏度时，太阳能电池最大功率点发生在100v电压处，而温度为28摄氏度时，太阳能电池最大功率点发生在电压为150v电压处。那么如何避免系统资源的大量浪费呢？这就是太阳能电池最大功率点跟踪技术所要解决的问题，为了得到最佳的能量利用率，必须使电池电池输出的最大功率能自动跟随气候的变化而变化。理论上讲，太阳能电池最大功率点是可以根据其规律然后通过某些控制策略来使其稳定已达到太阳能电池充分利用的目的的。在以前的光伏系统控制上，由于cvt（恒定电压跟踪器）的设计相对简单成本较低，许多产品仍然采用这种工作方式以代替相对复杂一些的mppt（最大功率跟踪），但这种方式并非真正的最大功率的跟踪，它所带来的功率损失相比于近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价，已经显得很不经济。众所周知，微电子技术是现代电子信息技术的直接基础。美国贝尔研究所的三位科学家因研制成功第一个结晶体三极管，获得1956年诺贝尔物理学奖。晶体管成为集成电路技术发展的基础，现代微电子技术就是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。集成电路的生产始于1959年，其特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩小芯片中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓有针对性的设计应用。 大规模集成电路指每一单晶硅片上可以集成制作一千个以上的元器件。集成度在一万至十万以上元器件的为超大规模集成电路。集成电路有专用电路(如钟表、照相机、洗衣机等电路)和通用电路。通用电路中最典型的是存贮器和处理器，应用极为广泛。计算机的换代就取决于这两项集成电路的集成规模。 存贮器是具有信息存贮能力的器件。随着集成电路的发展，半导体存贮器已大范围地取代过去使用的磁性存贮器，成为计算机进行数字运算和信息处理过程中的信息存贮器件。存贮器的大小(或称容量)常以字节为单位，字节则以大写字母b表示，存贮器芯片的集成度已以百万位(mb)为单位。目前，实验室已做出8mb的动态存贮器芯片。一个汉字占用2个字节，也就是说，400万汉字可以放入指甲大小的一块硅片上。动态存贮器的集成度以每3年翻两番的速度发展。 中央处理器(cpu)是集成电路技术的另一重要方面，其主要功能是执行“指令”进行运算或数据处理。现代计算机的cpu通常由数十万到数百万晶体管组成。70年代，随着微电子技术的发展，促使一个完整的cpu可以制作在一块指甲大小的硅片上。度量cpu性能最重要的指标是“速度”，即看它每秒钟能执行多少条指令。此外，光学与电子学的结合，成为光电子技术，被称为尖端中的尖端，为微电子技术的进一步发展找到了新的出路。美国时代杂志预测：“21世纪将成为光电子时代。”其主要领有激光技术、红外技术、光纤通信技术等。总的来说，微电子技术的应用是研究太阳能最大功率点的或其它研究点的优先选择。因此，在总结以前的经验和方法的基础上，再根据太阳能电池的内部结构以及输出特性可以得到以下几种控制方案：控制太阳能电池阵列的串并联数、cvt即恒定电压跟踪控制脉宽调制法等。2 控制策略2.1控制太阳能电池阵列的串并联数通过labview仿真可知：当负载固定时，改变太阳能电池阵列内部的串并联数，可实现最佳匹配。太阳点的输出阻抗随着太阳光强而变化，光强越大输出阻抗越小。如图一所示，当光强大于200w/m2时，太阳能电池的输出电压变化最小。根据硅太阳能电池的短路电流与入射光强、光照面积成正比，假设太阳能电池阵列的输出阻抗只随电流而变化，而输出电流又近似与光强成正比。故阵列输出功率最大时，内部的串并联数只取决于光强。光强强时，串联数较多并联数较少；光强弱时，串联数较少并联数较多。2.1.1太阳能电池阵列设计实例首先，数据采集仪器应采用低功能耗的。 其次，选择的太阳能发电板和蓄电池应是经济、可靠性的。既要防止太阳能发电板在阴雨期容量不够，达不到测量目的，又要避免容量过大，造成浪费。 一、关于硅太阳能发电板容量 硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率wp。太阳能发电功率量值取决于负载24h所能消耗的电力 h(wh)，由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量p(ah)，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流ip(a)。由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压vf (v)，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压vt (v)及反充二极管p-n结的压降vd(v)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压vp(v)，由太阳电池阵列工作电源ip(a)与工作电压vp(v)，便可决定平板式太阳能板发电功率wpw，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量wp与太阳能电池阵列工作电压vp，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。 太阳能电池阵列的具体设计步骤如下：.计算负载24h消耗容量p。 p=h/v v负载额定电源 2.选定每天日照时数t(h)。 3.计算太阳能阵列工作电流。 ip=p(1+q)/t q按阴雨期富余系数，q=0.211.00 4.确定蓄电池浮充电压vf。 镉镍()和铅酸()蓄电池的单体浮充电压分别为1.41.6v和2.2v。 5.太阳能电池温度补偿电压vt。 vt=2.1/430(t-25)vf 6.计算太阳能电池阵列工作电压vp。 vp=vf+vd+vt 其中vd=0.50.7 约等于vf 7.太阳电池阵列输出功率平板式太阳能电板。 wp=ipup 8.根据vp、wp在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。 二、关于蓄电池的容量计算 蓄电池的容量由下列因素决定： 1.蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。 2.蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的80%。 3.蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电所造成的失水。一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的25倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。 4.蓄电池自身漏掉的电能。随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的5%，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月10%15%。 在水情遥测系统中，连续阴雨天的长短决定了蓄电池的容量，由遥测设备在连续阴雨天中所消耗能量安时数加上20%因子，再加上10%电池自放电能安时数，便可计算出蓄电池的容量源。 按照两种容量方案的计算，得出： 1.测站的主要参数： 每隔5min发射一次数据，发射时间2sec； 发射机输入电压dc13.8v，输出电流5a； 当地日照时数78h。 2.测站蓄电池容量经计算得出为38ah。 3.测站太阳能电池容量阵列输出功率wp w为2535w。2.1.2太阳能电源安装使用中注意的问题 1.阵列板选择安装在周围无高大建筑物、树木、电线杆等无遮挡太阳光和避风处。 2.太阳能电池阵列板配套的蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。 3 .注意定期的维护工作。此电源系统经济可靠，安装方便，利于维护，在实践中取得了满意的效果。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。 在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。 太阳能电池组件支架的抗风设计 依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。总的来说，运用改变太阳能电池阵列内部的串并联数来使太阳能电池阵列达到并保持在最大功率点进而输出稳定的电流的过程是得考虑到全局的。理论上讲这种方法是可行的，但是，这种方法需要多组开关的控制电路，控制比较复杂。2.2 cvt即恒定电压跟踪控制 硅太阳能电池阵列具有如图所示的伏安特性，在不同的日照强度下它与负载特性l的交点a、b、c、d、e等为系统当前的工作点。可以看出，这些工作点并不正好落在阵提供最大功率的那些点，如a、b、c、d、e上，这就不能充分利用当前光照强的下阵列所能提供的最大功率，被浪费的能量如图中所示的面积。如果把在不同日照下阵列所能提供的最大功率点连接起来，就构成了图中所示的最大功率点轨迹线，任何时候都应使系统的工作点落在这一轨迹线上，从电路的匹配角度看，这就需要一个阻抗转换器。为了实现这一阻抗变化，即把a、b、c、d、e点转换到a、b、c、d、e上，人们发现当温度保持固定值时，后面一些点几乎落在同一根垂直线的领近两侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似的看作电压u=const的一根垂直线，亦即只要保持阵列的出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保持阵列输出在该一温度下的最大功率，把最大功率点跟踪器简化为一个稳压器，这就是cvt跟踪的理论依据。 给定电压和实际电压比较后经过pi调节，调节结果与三角波比较得到pwm脉冲，驱动功率器件，从而调节太阳电池的负载阻抗。不同的pwm脉宽对应不同的负载阻抗。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0.350.45。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方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。 鉴于cvt方式的局限性，它只能是一定温度条件下的最大功率跟踪，在不同温度条件下仍有功率损失。真正的mppt是指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。目前，最常用的控制方法主要是扰动观察法和电导增量法.扰动观察法由于实现简单，是最常用的方法。它通过对太阳电池输出电压、电流的检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的记忆功率相比较，从而确定给定参考电压调整的方向。若p0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若p0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，则工作点位于图2中最大功率点pmax左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，则工作点位于最大功率点pmax右侧，需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于pmax的左侧，需增大参考电压；若输出功率增大，则工作点位于pmax的右侧，需继续减小参考电压。 图2 pu特性曲线 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，太阳电池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。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。 电导增量法的原理是：在最大功率点处，有dp/du=0，即满足di/du=i/u。理论上它比扰动观察法好，能适应日照强度快速变化，但由于传感器的精密度等因素，电导增量法往往难以实现。由于太阳电池特性的i=f（u）关系是一个单值函数，因此，只要保证太阳电池的输出电压在任何日照及温度下都能实时地保持为与该条件相对应的um值，就一定可以保证电池在任何瞬间都输出其最大功率。 cvt控制结构如图3所示,它将太阳电池工作电压作为反馈，达到稳定电池工作点电压的目的。图中i=f1(u)与负载特性有关。 图3 cvt控制框图 tmppt的实质是在cvt的基础上，实时的改变太阳电池的工作点电压，使得工作点电压始终等于最大功率点处的电压，从而实现最大功率点跟踪。它的内环就是cvt。tmppt的控制框图如图4所示。 图4 tmppt的控制框图 采用tmppt实现太阳电池的最大功率跟踪，通过在太阳能模拟器上进行实验可得如图5所示的结果，图中的就是太阳电池的工作点。它表明太阳电池工作在最大功率点处，tmppt有良好的跟踪效果。 图5 tmppt的实验结果 2.3 脉宽调制法它本质上是一个作为功率调节的dc/dc变换器。它利用晶体管开关工作在开关状态，将太阳能电池阵列的直流输出信号变换成一个有可变占空比的方波信号来改变太阳能电池阵列的等效负载。dc/dc中的开关调节通常采用脉宽调制，它与太阳能电池板串联，通过改变pwm波的占空比来控制充电电压，实现最大功率跟踪。随着电子技术的发展，出现了多种pwm技术，其中包括：相电压控制pwm、脉宽pwm法、随机pwm、spwm法、线电压控制pwm等，而本文介绍的是在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽pwm法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为pwm波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整pwm的周期、pwm的占空比而达到控制充电电流的目的。 pwm脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用pwm逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波 pwm变频电路具有以下特点1. 可以得到相当接近正弦波的输出电压 2. 整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数 3. 电路结构简单 4. 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应 现在通用变频器基本都再用pwm控制方式，所以介绍一下pwm控制的原理 2.3.1 pwm基本原理脉宽调制（pwm）。控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。 根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。 例如，把正弦半波波形分成n等份，就可把正弦半波看成由n个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是pwm波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，pwm波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到pwm波形。 在pwm波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，pwm逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。 根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，pwm波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的pwm波形 2.3.2 pwm软件法控制充电电流本方法的基本思想就是利用单片机具有的pwm端口，在不改变pwm方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的pwm控制寄存器来调整pwm的占空比，从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有adc端口和pwm端口这两个必须条件，另外adc的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整pwm 的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整pwm的占空比。在软件pwm的调整过程中要注意adc的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。软件pwm法具有以下优缺点。 优点： 简化了pwm的硬件电路，降低了硬件的成本。利用软件pwm不用外部的硬件pwm和电压比较器，只需要功率mosfet、续流磁芯、储能电容等元器件，大大简化了外围电路。 可控制涓流大小。在pwm控制充电的过程中,单片机可实时检测adc端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定pwm占空比的调整方向。 电池唤醒充电。单片机利用adc端口与pwm的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。 缺点： 电流控制精度低。充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的adc输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。若设定采样电阻为rsample（单位为），采样电阻的压降为vsample（单位为mv）， 10位adc的参考电压为5.0v。则adc的1 lsb对应的电压值为 5000mv/10245mv。一个5mv的数值转换成电流值就是50ma，所以软件pwm电流控制精度最大为50ma。若想增加软件pwm的电流控制精度，可以设法降低adc的参考电压或采用10位以上adc的单片机。 pwm采用软启动的方式。在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低pwm的有效占空比,以克服由于软件调整pwm的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。 充电效率不是很高。在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的pwm调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。 为了克服2和3缺点带来的充电效率低的问题，我们可以采用充电时间比较长，而停止充电时间比较短的充电方式，例如充2s停50ms，再加上软启动时的电流慢速启动折合成的停止充电时间，设定为50ms，则实际充电效率为（2000ms100ms）/2000ms=95%，这样也可以保证充电效率在90%以上。 2.3.3 纯硬件pwm法控制充电电流由于单片机的工作频率一般都在4mhz左右，由单片机产生的pwm的工作频率是很低的，再加上单片机用adc方式读取充电电流需要的时间，因此用软件pwm的方式调整充电电流的频率是比较低的，为了克服以上的缺陷，可以采用外部高速pwm的方法来控制充电电流。现在智能充电器中采用的pwm控制芯片主要有tl494等,本pwm控制芯片的工作频率可以达到300khz以上，外加阻容元件就可以实现对电池充电过程中的恒流限压作用，单片机只须用一个普通的i/o端口控制tl494使能即可。另外也可以采用电压比较器替代tl494，如lm393和lm358等。采用纯硬件pwm具有以下优缺点。 优点： 电流精度高。充电电流的控制精度只与电流采样电阻的精度有关，与单片机没有关系。不受软件pwm的调整速度和adc的精度限制。 充电效率高。不存在软件pwm的慢启动问题，所以在相同的恒流充电和相同的充电时间内，充到电池中的能量高。 对电池损害小。由于充电时的电流比较稳定，波动幅度很小，所以对电池的冲击很小，另外tl494还具有限压作用，可以很好地保护电池。 缺点： 硬件的价格比较贵。tl494的使用在带来以上优点的同时，增加了产品的成本，可以采用lm358或lm393的方式进行克服。 涓流控制简单，并且是脉动的。电池充电结束后，一般采用涓流充电的方式对电池维护充电，以克服电池的自放电效应带来的容量损耗。单片机的普通i/o控制端口无法实现pwm端口的功能，即使可以用软件模拟的方法实现简单的pwm功能，但由于单片机工作的实时性要求，其软件模拟的pwm频率也比较低，所以最终采用的还是脉冲充电的方式，例如在10%的时间是充电的，在另外90%时间内不进行充电。这样对充满电的电池的冲击较小。 单片机 pwm控制端口与硬件pwm融合 对于单纯硬件pwm的涓流充电的脉动问题，可以采用具有pwm端口的单片机，再结合外部pwm芯片即可解决涓流的脉动性。 在充电过程中可以这样控制充电电流：采用恒流大电流快速充电时，可以把单片机的pwm输出全部为高电平（pwm控制芯片高电平使能）或低电平（pwm控制芯片低电平使能）；当进行涓流充电，可以把单片机的pwm控制端口输出pwm信号，然后通过测试电流采样电阻上的压降来调整pwm的占空比，直到符合要求为止。由此可见，用脉宽调制法来使太阳能电池达到并保持在最大功率且输出稳定电流是种较为可行的方法，可优先选择。3 各种控制策略的比较3.1各种控制策略的比较国内外研究mppt的算法很多，比较成熟的有恒定电压法、扰动观测法/爬山法、电导增量法等。恒定电压法（cvt）就是将光伏电压固定在最大功率点附近，该控制方法简单容易实现，初期投入少，系统工作电压具有良好的稳定性，但是跟踪精度差，忽略了温度对光伏电池开路电压的影响，测量开路电压要求光伏阵列断开负载后再测量，对外界条件的适应性差，环境变化时不能自动跟踪到mpp，造成了能量损失。扰动观测法（p&o）和爬山法（hill climbing）都是通过不断扰动光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向，该控制方法控制思路简单，实现较为方便，跟踪效率高，提高太阳能的利用效率，但是扰动观测法或爬山法的步长是固定的，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地停滞在低功率输出区，如果步长过大，就会导致系统振荡加剧，并且在日照强度变化时会产生误判现象。电导增量法是通过调整工作点的电压，使之逐步接近最大功率点电压来实现最大功率点的跟踪，该方法能够判断工作电压与最大功率点电压的相对位置，能够快速地跟踪光强迅速变化引起的最大功率点变化，控制效果好，稳定度高，但是该控制算法较复杂，对控制系统性能和传感器精度要求较高，硬件实现难。除以上几种常用的mppt控制方法外，目前不断出现一些较新、较实用的mppt算法，如直线近似法、三点重心比较法等。这些算法既参考了已有的比较成熟的方法，又在其基础上进行了改进和创新，跟踪精度有了进一步的提高。同时，以模糊控制法、神经网络控制法等为代表的新算法的出现，也为最大功率点跟踪控制技术的快速发展提供了坚实的数学基础和理论依据。对于各种mppt算法优缺点的比较分析如表1所示。由以上研究分析发现，每种mppt控制方法各有其优缺点，在实际工作中需要综合考虑，根据不同的环境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能缩小成本。表1 mppt控制方法比较表一3.2 改进爬山法研究考虑到爬山法有较好的跟踪效率，且实现简单等显著优点，本文采用一种改进爬山法，该方法采用cvt启动及变步长的控制策略。cvt启动方法是以0.78倍的开路电压作为爬山法的运行初值，能较好地克服爬山法在启动时产生的采样误差的缺点，能提高跟踪速度。变步长控制法的思想是：当距最大功率点比较远时，步长取较大，跟踪速度加快;当距最大功率点比较近时，步长取较小，慢慢接近最大功率点;当非常接近最大功率点时，稳定在该点工作。该变步长法能克服爬山法在最大功率点附近振荡的缺点。改进爬山法控制流程图如图6所示。3.3改进爬山法仿真分析光伏发电系统最大功率点跟踪器采用boost图6 改进爬山法控制流程图dc/dc变换电路来实现，通过调节pwm波的占空比控制功率的输出。在boost变换器的电路中串入mppt控制系统，利用matlab/simulink搭建仿真模型，编写s函数作为mppt的控制模块，对光伏电池的最大功率点进行追踪，mppt仿真模型如图7所示。图7 mppt仿真模型对短路电流3.2 a、开路电压22 v、最大功率点电流2.94 a和最大功率点电压17 v的光伏电池模块组成17益1的光伏电池阵列进行仿真，即其短路电流和光伏电池阵列的开路电压分别为3.2 v和374 v，光伏电池阵列最大功率点电流和最大功率点电压分别为2.94 a和289 v。光伏阵列输入光强为1 000 w/m2，温度为25 益。为了形成对比，对不加mppt控制器的光伏发电系统、加爬山法mppt控制器的光伏发电系统和加改进爬山法mppt控制器的光伏发电系统分别进行仿真实验，仿真结果如图8所示。图8 mppt仿真图形由图8