（电力电子与电力传动专业论文）模糊控制在光伏充电系统中的应用研究.pdf

a b s t r a c t t h ep v c h a r g e rs y s t e mu s e ss 0 1 a rc e l lw h i c hp r o d u c ee l e c t r i c i t yd i r e c t l yf r o m s u n l i g h tu s i n gs i l i c o nc e l l sa n d t r a n s f b re n e r g yt ob a t t e r i e st h r o u g h s p e c i a ld e s i g e d c o n n 0 1 1 e r p h o t o v o l t a i c e l e c t l o n i ca n dc o n t r o lt h e o r i e se t c a r ei n v 0 1 v e di nt h e s y s t e m h o w e v e r ， s i n c et h eo u t p u tp o w e ro fap va r r a yv a r i e sa c c o r d i n gt ot h e s u n l i g h tc o n d i t i o n s ，a n n o s p h e r i cc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gc l o u dc o v e r ，l o c a ls u r f a c e r e n e c t i v i t y ，a n dt e m p e r a t u r ea n ds oo n t h e r e f o r e ，t om a x i m i z et h ee m c i e n c yo f t h er e n e w a b l ee n e r g ys y s t e m ，i ti s n e c e s s a r yt ot r a c kt h em a x i m u mp o w e rp o i n t ( m p p t ) o f t h ei n p u ts o u r c ea l lt h et i m e b a s e do nt h ec h a r a c t e “s t i co fp h o t o v o l t a i c a r r a y ， a n db y a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm p p tc o n t r o lm e t h o d sn o w a v a i l a b l e ，s u c ha sc v t ，p e r t u r b a t i o n a n d0 b s e r v a t i o n ( p & o ) ，i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e ( i n c c o n d le t c ，an e wm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n gm e t h o du s i n gf h z z ys e tt h e o r yi sp r o p o s e dt oi m p r o v ee n e f g y c o n v e r s i o ne m c i e n c y f u z z ya l g o r i t h mb a s e do n l i n g u i s t i c r u l e s d e s c r i b i n gt h e o p e r a t o r s c o n t r 0 1 s t r a t e g y i s a p p l i e dt o c o n t r o l s t e p d o w nc o n v e r t e rf b rm p p t m p p t a l g o r i t h m i s i m p l e m e n t e db y 8 - b i t s i n g l ec h i p m c 6 8 h c 9 0 8 j k 3 c p m i c r o c o n t r o l l e r t h en e w s t y l eb a t t e r yc h a r g ec o n t r o ls y s t e mw i t hh i g he f f i c i e n c y d e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sa l l k i n d so fp r o t e c t i o nm e a s u r e sc o m p l e t e l y ，s u c ha s o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n ，1 0 w v o l t a g ea n d o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e r t e m p e r a t u r e p r o t e c t i o na n ds oo n t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t p e r f o r m a n c e o f f u z z y c o n t r o l l e ri n m a x i m u mp o w e rt r a c k i n go fp h o t o v o l t a i c a r r a yi s b e t t e rt h a nt h a to fc o n t r o l l e r b a s e do no t h e rc o n t r o 】i n e t h o d s k e y w o r d s ：p h o t o v 0 1 t a i ca r r a yb u c kc o n v e r t e rm p p t f u z z yc o n t r o l 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 摭 驿泖 寸网剩培缘杉粮 委员： “锄眵蟛 稚闺莓 导师：芍墨骂 鹰) 1 巴2 哆磷 饥础 铷以天涉缈 网1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 圈3 9 图3 一1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 15 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 幽3 1 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 圈4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 插图清单 光伏充电系统的结构3 光伏充电系统的基本结构6 d c d c 变换的基本拓扑结构8 主电路拓扑结构9 p i d 简化控制框图1 1 p w m 周期和脉宽1 6 时钟发生器结构示意图1 6 时钟发生器的外部连接1 7 直流侧电压采样原理图1 8 直流母线电流采样1 8 散热器温度采样电路1 9 反激变换器原理图1 9 变压器原副边电流不意图2 0 u c 3 8 4 2 内部方框图2 2 辅助电源电路图2 3 铁氧体e - 1 2 8 磁芯2 5 t l p 2 5 0 功能框图2 7 r j 极驱动电路示意图2 8 t l 4 9 4 内部功能方框图与基本单元电路2 8 t l 4 9 4 的脉宽调制控制原理各级工作波形图2 9 c v t 硬件电路3 0 c v t 控制框图3 l 蓄电池过压保护控制框图一3 2 辅助电源的欠压保护电路3 4 太阳电池的工作原理3 6 太阳电池等效电路3 7 太阳电池的特性曲线3 8 太阳电池的p - v 特性曲线3 9 不同f _ 照下太阳电池的i v 特性曲线4 0 c v t 的基本原理4 0 p & o 法寻优过稗4 l 最大功率点附近町能出现的各种状况4 3 三点权位比较法中其他的排列方式4 3 模糊控制器的基本结构4 5 e 、c e 、d d 的隶属度函数4 7 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图5 1 图5 2 图5 3 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 输入变量e 和c e 变化时的p - v 特性曲线 m a x m i n 法模糊运算过程 模糊控制器的结构框图 m p p t 主流程图 基十模糊控制的光电能量转换系统的框图 蓄电池电压判断了程序 p i 积分子程序 除法子程序 模拟太阳电池的特性曲线 模拟日照、温度恒定时的v 。1 和i b p 实验室波形 模拟臼照变化时v 。1 和t b p 的实验室波形 模拟温度变化时的v 。和i n r 实验室波形 模拟日照变化时的v 。和i s p 实验室波形 模拟温度变化时的v 。1 和i n r 实验室波形 日照强度为5 5 2 w ，m 2 时v 。2 和i b p 户外波形 日照强度变化时的v 。2 和i b p 户外波形诣钾”跎”船船船如凹印 表格清单 表3 一lt l 4 9 4 输入与输出控制功能列应关系 表4 一l模糊规则推理表一 表4 2 输出控制规则检索表 表6 - ls t p 1 5 0 ，1 2 a 太阳电池模块电性能参数 3 0 4 8 5 0 5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足奉人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知t 除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写垃的研究成果，也不包含为获得 盒胆工些左堂或其他教育机构的学何或证书 而使用过的材料。与我一同上作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：1 孚萨字日期；勘疥 。 学位论文版权使用授权书 月和 本学位论文作者完全了解盒胆王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留井向国家有关部门或机构送变论文的复印件和磁翥，允许论文被查阅或借阅。本人 授权企壁； ：些盘堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适i l i j 本授权书) 学位论文者签名：一勺、貉 签字日期：2 。v s 年占月，矿日 学位论文作者毕业后去向 ：作单位 通讯地址 导师签名：苗羔誓 签字日期：) 町年占月i p 日 电话 邮编 致谢 本课题的研究是在茆美琴教授的悉心指导下完成的，在硕士研究牛三年的 理论学习、课题研究和论文写作期间，茆老师给了我无私的帮助和无微不至的 关怀，我所取得的点点滴滴的进步，无不倾注着她的心血和汗水。在此谨向茆 美琴老师表示晟诚挚的谢意l 感谢余世杰老帅! 余老师渊博的学术知识、严谨的治学态度和务实的科研 作风使我受益匪浅，并将永远鼓励着我在今后的学习和工作中继续奋发进取! 感谢何慧若老师! 在我就读研究生的三年期间，何老师对我学习上的指导、 生活上的关怀与照顾令我终生难忘，在此向她表达我最衷心的祝福! 感谢沈禾粱教授! 在课题进展的全过程中，他精心指导、严格要求，给了 我很大帮助和启迪，向沈老师表示深深的谢意! 在研究生期间，苏建徽教授在学习、课题研究和生活等各方面都给予给了 我极大的关心和帮助，在此刘苏老师表示发自内心由衷的感谢! 感谢史斌宁老师、周毅人老师、张国荣老师、陈鸣老师、郑寿森老师、祁 新梅老师、杜晓荣老师、傅诚老帅、蔡庆玲老帅，我的论文能够顺利完成，与 这些老师的深切关怀和悉心指导是分不开的。 在课题的完成过程中，实验窒的朱小强、张志刚、吴杰、马志保、齐发、 任祖德、叶爱芹、吴定国、杜风付、鞠洪新、杜燕、赵彦、王飞、汪海。r 等同 学给予了我热情的帮助和大力的支持，在此，并向他们表示衷心的感谢! 感谢我的父母从物质上、精神上给予我的支持和鼓戚，使我得以顺利完成 学业。在我的学习和工作中，他们永远是我最好的精神支柱! 晟后，向关心、支持和帮助我的所有师长、亲人和朋友冉一次表示我最衷 心的感谢! 作者：谢磊 2 0 0 5 年6 月6 日 第一章绪论 1 1 光伏技术及光伏产业的发展 进入2 l 世纪以来，随着世界人口的持续增加、经济的高速发展，世界的能 源需求总量也正以惊人的速度全面增长。传统的以化石能源为主的能源结构体 系将发生剧烈的变化：一方面，在未来的二、三十年中，以煤、石油等为主的 化石能源的消耗将达到一个前所未有的高峰期，化石能源将逐步走向枯竭，无 法满足人类对能源消费大规模增长的需求；另一方面，虽然通过工业革命和化 石能源的大规模利用，人类创造了巨大的物质文明和精神文明，科学技术得到 了飞速的发展，但同时也应当看到由于人类无节制、不合理的化石能源消耗所 带来的资源的极大浪费和生态环境恶化等一系列问题。目前，森林减少、植被 破坏、水土流失、土壤沙化、水体污染，特别是由于化石能源燃烧后排放的大 量二氧化碳气体所造成的温室效应，均已成为威胁人类生存的重大问题，这引 起了世界范围内各个国家的广泛关注。面对这种严峻的现实，人们开始思考和 探索一条经济、文化和社会发展的新思路，许多国家为此纷纷采取措施：积极 提高能源效率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源的利用，以期达到经 济、社会的可持续发展的目的。这其中，开发新能源和可再生能源以替代日益 枯竭的化石能源就成为了决定未来人类社会、经济发展的最具影响力的因素之 一，而在所有的可再生能源中，太阳能作为一种绿色能源，以其资源丰富、无 污染、可再生等众多优点正在全世界范围内得到越来越广泛程度上的重视，成 为世界各国争相发展的新能源对象。许多国家还把开发利用太阳能作为可持续 发展的能源战略决策，为了推动太阳能产业的快速发展，美国、日本以及西欧 的许多发达国家政府都纷纷出台了很多有利于太阳能产业发展的针对性政策 和法规，并且投入大量的人力、物力和财力以支持太阳能利用的开发和研究。 具体项目有太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分 散型和大型光伏发电系统等。这一举措在全世界范围内掀起了一股开发利用太 阳能的热潮：许多企业和科研机构纷纷投身于太阳能利用技术的研发，这为太 阳能产业的健康快速发展奠定了良好的基础。我国太阳能的应用起步于上个世 纪7 0 年代中期，在全世界开发利用太阳能热潮的推动下，一些有远见的科技 人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议、出书办刊、介绍国 际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶、在城市研制开发太阳热水器、 将太阳电池的应用由空间向地面拓展。 光伏产业是2 0 世纪8 0 年代以后世界上增长最快的高新技术产业之一。最近 l o 年的年平均增长率为2 2 ( 从1 9 9 1 年的5 5 m w 增加到2 0 0 1 年的4 0 0 m w l ，最近5 年的年平均增长率为3 5 ( 从1 9 9 6 年的8 8 6 m w 增加到2 0 0 1 年的4 0 0 m w l ，2 0 0 2 年达到5 4 0 m w ，呈现出快速、增速发展势头。技术水平和自动化程度不断提高， 生产规模向1 0 0 2 0 0 m w 发展：大企业集团参与并占主导地位，世界前1 0 名厂 商( s h a r p ，b p ，k y o c e r a ，s h e l l ，a s t r p o w e r ，r w e ，s a n y o ，i s o f o t o n ，m “s u b i s h i ， p h o t o w a t t ) 2 0 0 1 年生产量占世界总产量的8 6 ，充分体现了现代化高技术产业的 发展特征。2 0 年来，光伏组件成本下降了两个数量级。2 0 0 1 年世界上一些主要 厂商的光伏组件成本已经下降到2 4 美元w p 。预计2 0 1 0 2 0 1 5 年光伏组件成本 可以下降到1 美元w p 。随着光伏组件成本的不断下降，光伏市场发展迅速。2 0 0 2 年世界光伏系统的总装机容量达到2 g w ；特别值得提出的是，并网发电和光伏 建筑集成发展迅速，2 0 叭年并网发电占总光伏应用的5 1 ，已成为最大的光伏 市场。这一事实具有划时代的意义，它标志着光伏发电由边远地区和特殊应用 向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，由大型集中电站向分布式供电模式 过渡，人类社会向可持续发展的能源体系过渡。我国太阳能光伏发电技术的研 究开发及产业化工作，在经过近2 0 年的努力后，已经有了一定的基础。研发方 面，先后开展了晶硅( 单晶、多晶) 高效电池，非晶硅薄膜电池，c d t e 、c i s 、 多晶硅薄膜电池等技术攻关，技术水平不断提高，个别项目达到或接近国际水 平。在产业化方面，上世纪9 0 年代末我国光伏产业发展较快，设备不断更新， 各地又建立一些组件封装厂，生产能力和实际生产量有了较快增加。截至2 0 0 3 年底，我国光伏产业总的生产能力达到3 8 m w ，其中晶硅电池组件3 5 m w ，非 晶硅电池3 m w 。电池和组件性能也在不断提高，商业化电池效率由上世纪8 0 年代的1 0 1 2 提高到1 2 1 5 。太阳电池组件成本2 0 年来不断降低，售价 由8 0 年代初的6 5 元7 0 元w p 降到2 0 0 3 年的2 6 元3 0 元w p 。在市场方面，截至 2 0 0 3 年底，我国光伏系统累计装机容量达到4 5 m w ，2 0 0 2 年原国家计委起动了 西部7 省“送电到乡”工程，投资2 0 多亿元，共计2 0 m w ，使得全国装机总容量 有了大幅度增加。 2 0 年来我国光伏产业从无到有、持续不断地健康稳步发展，在满足国内市 场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作 用。但也应当看到，我国光伏产业与发达国家相比还存在相当大的差距，这些 差距表现在：生产规模小，自动化水平低，规模化效应没有充分发挥出来： 专用原材料国产化程度不高，品种不全，性能有待进一步改进。这些差距使 我国光伏组件的成本比国际市场高，在国际竞争中处于不利地位，特别是在加 入w t o 后的零关税情况下，我国光伏产业在国内外市场上面临着非常严峻的考 验。可以说，我国的光伏产业虽是任重而道远，但前景是一片光明的。 1 2 光伏充电系统的基本原理及组成 光伏充电系统的结构如图1 1 所示。系统的工作原理是：利用半导体太阳电 池将太阳能转换为电能，并通过能量控制系统对蓄电池组进行有效地充、放电 控制。 2 太阳电池阵列一磊诖蕊渐藉一 卜七! j 蓄电池组 图1 - 1光伏充电系统的结构 系统的组成主要有以下几个部分： ( 1 ) 太阳电池阵列 由许多太阳电池组件串、并联而成，其合成的容量可以是数百峰瓦( w 。) ， 也可达数个兆峰瓦( w 。) 甚至更大，组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类 型的太阳电池组成。一般来说，光伏阵列由于多为半导体器件构成，其特性( 伏 安特性) 具有强烈的非线性，本文第四章中将做详细讨论。光伏充电系统所配 备的光伏阵列容量往往在数百w ，到数十k w 。之间。 ( 2 ) d c d c 环节 d c d c 环节是本系统的关键组成部分，其主要作用是在蓄电池未过压时保 证太阳电池阵列始终以最大功率向蓄电池组传递能量，当蓄电池组过压时，又 可通过对太阳电池阵列输出能量的控制完成对蓄电池的过压保护。在该环节中， 由于太阳电池阵列具有强烈的非线性特性，为保证太阳电池阵列在任何日照和 环境温度下始终可以相应的最大功率输出，通常都引入了太阳电池最大功率点 跟踪( m p p t m a x i m u mp o w e r p o i n t t r a c k i n g ) 控制技术，本文第四章将予以 进一步讨论。 ( 3 ) 蓄电池组 蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成，其容量 的选择应与太阳电池阵列的容量相匹配。该部分的主要作用是储存太阳能阵列 所产生的电能，以备不时之需。而且由于蓄电池对电压的波动具有“缓冲”作 用，还可使得负载系统的运行更加平稳可靠。虽然铅酸蓄电池具有容量大、价 格低等优点，但若使用不当，很容易加速蓄电池的老化，具体表现为：电池的 容量下降很快、寿命缩短，因此对蓄电池的充、放电保护是光伏充电系统中必 不可少的环节，本文在第三章中将做细致的阐述。 1 3 发展光伏充电控制技术的背景及意义 在我国的西部、海岛、边防哨卡等地区，由于远离大电网，无电、缺电的 现象十分严重，能源问题成为制约该地区经济发展的关键因素。由于该地区的 用电人口较为分散，若采用架设常规电网的方式，其成本太高，经济性很差， 解决这一问题的一种途径是使用柴油发电机组，这种做法虽然安装成本较低， 但运行成本很高、效率低而且维护费用较高，并且会带来噪声和大气污染；另 一种途径则是因地制宜，利用当地较为充足的太阳能、风能等可再生能源，并 通过一定的能量转换控制系统，提供人类生产、生活所需的电力的一种供电方 式。目前，我国政府在西部地区开展实施了“光明计划”，旨在通过资助发 展利用太阳能的光伏技术使每户农、牧民家庭都用上电，解决人畜饮水、照明 以及收看电视等问题。在这一计划的推动之下，这些地区安装了相当数量的户 用光伏发电系统以及光伏水泵系统。为了保证这些系统在夜间、阴雨天以及其 它一些特殊情况下的正常运行，为当地居民提供可靠的电力及水源，就必须为 这些系统配备相应的储能设备，一般选用由多节蓄电池组成的蓄电池组，而光 伏充电系统则是为了实现对蓄电池组的安全、高效、可靠的充、放电控制而设 计的一套系统。 随着光伏技术的不断发展以及光伏组件成本的不断下降，光伏技术的应用 已不仅限于为边远无电地区提供电力，而是逐步渗透到人们只常生产、生活的 方方面面，小到太阳能庭院灯、太阳能路灯，太阳能喷泉，大至太阳能汽车、 太阳能游艇以及太阳能制氢，无一不体现了光伏技术的高科技内涵和对生产力 的促进作用。在这一系列系统中，光伏充电系统都是不可或缺的，因此，采用 一种高效、可靠、安全的光伏充电系统，是整个系统得以持续、平稳、可靠的 运行的关键。目前国外由于光伏技术的应用开展较早，在光伏充电系统的控制 技术上，尤其是m p p t 的控制技术以及蓄电池的充电方式上已经取得了一定的 成果，尤其是近些年来神经网络和模糊控制技术的快速发展，为m p p t 的控制 技术注入了新鲜血液，使其再度焕发出强大的生命力；国内由于起步晚，在这 方面的研究处于初级阶段，在许多的实际系统中，m p p t 的控制很多还是采用 相对落后的恒电压跟踪( c v t ) 的控制方式，与国外相比还有一定的差距，因 此需要加大在这一技术领域内的研究力度，缩短与发达国家之间的技术差距， 并利用所掌握的技术为广大人民群众的生活以及整个国民经济的发展服务。可 以预见，在未来的几十年中，以光伏技术为代表的新能源产业必将迎来高速发 展的阶段，因此，光伏充电系统将有着十分广阔的市场应用前景。 1 3 本课题的目的、任务和拟解决的关键问题 本课题的研究目的是立足于本专业所掌握的基本理论，结合其他相关学科 4 方面的知识以及前人在这一领域内的研究成果，从高效、可靠以及实用性的角 度出发，研制出一套具有实际应用价值的光伏充电控制系统。 本课题拟解决的关键问题： ( 1 ) 合理优化设计主电路的拓扑结构和元件参数。根据系统设计性能指标 要求，依据电路理论计算确定电路各元件配置参数，合理选择元器件； ( 2 ) 选择一种高性价比、低功耗的单片机控制芯片，确定合理有效的系统 控制方式和控制策略，实现对太阳电池输出能量的控制； ( 3 ) 采用一种高效、快速的实时m p p t 方式，保证在蓄电池组电压在正常 范围内时太阳电池始终可以最大功率输出，以提高系统的工作效率： ( 4 ) 充分考虑在系统实际运行中可能会遇到的一些问题，在系统中设置各 种保护措施，以确保系统在各种环境下都能够安全、可靠的运行； ( 5 ) 将设计好的系统投入实验性运行，通过对系统各种运行参数及实验现 象的观察和记录，对系统的硬件和软件结构做出必要的、适当的调整，以完成 对系统的优化设计； ( 6 ) 立足于产品化设计，对系统的体积、重量、功耗等参数严格控制，以 满足未来市场对电源整体规格参数上的要求。 5 第二章光伏充电系统的总体设计 本章对系统的各个组成部分的主要功能做了分析说明，并在此基础上结合 对几种常用的d c d c 拓扑结构特点的分析对比以及实际系统中能量和负载的 要求，选取一种合理的主电路拓扑结构，并对系统的总体控制策略做了一定的 阐述和说明。 2 。1 系统的基本结构 图2 1光伏充电系统的基本结构 从图2 1 中可以看出，太阳电池阵列输出的直流电压经过输入滤波后，通 过d c d c 变换，再经过输出滤波后，得到满足负载需求的直流输出电压，并 完成能量的传递。系统各个部分的控制功能由m o t o r o l a 公司生产的型号为 m c 6 8 h c 9 0 8 j k 3 c p 单片机来完成。太阳电池和蓄电池的电压、电流通过采样 电路采样后送入单片机的a d c 采样端口，再经过单片机中控制算法软件的运 算后，从单片机的p w m 输出端口送出控制信号到驱动电路，驱动电路的输出 信号将完成对功率器件开通与关断的控制。一般为了使d c d c 系统能够更加 小型、轻便，在控制上都采用了高频的p w m 控制技术。 由于系统最终将太阳电池阵列产生的电能贮存在蓄电池中，因此对蓄电池 过充、过放的保护必须加以考虑，本系统采用了软件控制的保护方式，进一步 简化了系统结构，有利于对于不同蓄电池电压等级的充电系统做出调整，也方 便了系统的维护和更新。 系统各个组成部分的主要功能如下： 6 太阳电池阵列：将光能转换为电能，是整个系统的能量来源； 输入滤波：降低工作时直流母线中电流脉动所引起的电磁干扰； d c d c 变换主电路：在控制电路输出的控制信号的作用下完成能量 由太阳电池向蓄电池的传递； 输出滤波：减小输出中的纹波电压，使输出侧电流更加平直； 蓄电池：能量储存装置，并可起到稳定负载电压的作用； 辅助电源：其作用是通过d c d c 变换( 正激或反激变换) 将输入的 直流电压变换成控制电路工作所需的直流电压： 驱动电路：对输出的控制信号进行放大，产生满足功率器件正常工 作要求的驱动电压； 采样电路：将系统中主要参数的运行值转换为符合单片机a d c 端口 规范的电压值，以供系统软件控制所用。 单片机：系统的主要控制芯片，内部写有由汇编程序所构成的控制 软件，配合外围的相关电路完成各种主要控制功能，如m p p t 的控 制、各种保护功能的实现等。 2 2 系统主电路拓扑结构的分析与选择 2 2 1d c ，d c 变换的基本拓扑结构 d c d c 变换分类方式有多种，按功率开关器件中的电流或电压的波形来 分，可分为方波型和正弦型。前者是由于此类开关变换器在稳态运行中功率开 关器件中电流或电压波形基本上是方波而得名；而后者是由于此类变换器在稳 态运行中电流或电压波形基本上是正弦波而得名。 按功率开关器件的控制方式来分，方波型变换器可分为：脉冲宽度调制 型( p w m 型) ，即控制信号的脉冲周期固定，而脉冲宽度可调；脉冲频率调 制型( p w f 型) ，即控制信号的脉冲宽度固定，而脉冲周期可调；混合调制 型，即控制信号的脉冲宽度和脉冲周期均可调节。而正弦波变换器则可分为： 模拟信号离散时间控制式；脉冲频率控制式；二极管导通角控制式； 电容电压控制式。 按变换功能分，d c d c 变换器可分为两种：一种是电压电压变换器，即 变换器的输入和输出均可视为电压源；另一种是电流一电流变换器，即变换器的 输入和输出均可视为电流源。工程上多采用第一种类型的变换器，即电压一电压 变换器。而当输入需要为电流源时，通常采取将电压源和电感相串联的方式来 实现。基本的电压电压变换器有四种结构：b u c k 变换器：b o o s t 变换器； b u c k 。b o o s t 变换器；c u k 变换器。其电路拓扑结构分别如图2 2 f a l 、图2 2 ( b ) 、图2 2 ( c ) 、图2 2 ( d ) 所示。 )i) 1 2 3 4 5 6 7 8 9；( 图2 - 2d c ，d c 变换的基本拓扑结构 ( a ) b u c k 变换器；( b ) b 0 0 s t 变抉器；( c ) b u c k b o o s t 变抉器：( d ) c u k 变换器 b u c k 变换器是p w m 型变换器中最简单，也是最基本的一种。其电路拓扑 如图2 2 ( a ) 所示。b u c k 变换器的优点是电路简单，动态性能好。其缺点是： 输入电流的脉动会引起对输入电源的电磁干扰，所以工程中常在电源和变换器 之间加入一个输入滤波电容，如图2 2 ( a ) 中的c ；稳态电压比永远小于l ， 只能降压；开关晶体管发射极不接地，使得其驱动电路很复杂。 图2 2 ( b ) 是b o o s t 变换器的电路结构图。b o o s t 变换器的优点是：输入电 流连续，对电源的电磁干扰相对较小；开关晶体管发射极接地，驱动电路简 单。其缺点为：输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。所以，工 程中通常要在二极管与输出之间加入一个输出滤波电容，如图2 2 ( b ) 中的c ，； 电压比永远大于1 ，只能升压。 b u c k b o o s t 变换器综合了以上两种变换器的部分特点，既可升压又可降压， 其电路拓扑如图2 2 ( c ) 所示。b u c k b o o s t 变换器的优点是电路简单、电压变比 可从零到无穷大变化，也就是既可升压又可降压。它的缺点主要是：输入、 输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁干扰且输出纹波较大。所以工程上 时常加有输入、输出滤波网络，如图2 2 ( c ) 中的c 。、c ，和三，；开关晶体管的 发射极不接地，使驱动电路较为复杂。 c u k 变换器是由美国加利福尼亚工学院的s l o b o d a nc u k 提出来的，其电路 拓扑结构如图2 2 ( d 1 所示。这个电路在克服了上述三种电路( b u c k ，b o o s t 和 b u c k b o o s t ) 的缺点同时，又将它们的优点保留下来。此电路的特点是：输 入、输出皆没有脉动，基本上是平直的，只在直流成份基础上附加一个不大的 开关纹波；电压变比可在0 一o 。之间变化：开关晶体管发射极接地，驱动 电路简单。总之，c u k 变换器的优势就在于用最少的元件获得最理想的稳态性 能，因此某些文献上称之为最佳拓扑变换器。 以上所介绍的几种d c d c 变换器在工作中都存在两种导电模式，即连续 导电模式( c c m ) 和不连续导电模式( d c m ) 。连续导电模式是指在一个周期 中能量传递电感中的电流( 或能量传递电容的电压) 总是大于零，即电感电流 ( 电容电压) 是连续导电的；不连续导电模式是指在一个周期中电感电流( 电 容电压) 有一段时间为零，即它们在一个周期中导电是不连续的。 2 2 2 本系统所采用的主电路拓扑结构 由于本文设计的是一套用于太阳能喷泉的光伏充电系统，其负载为3 k w 的水泵电机，考虑到负载在一天内的实际运行时间约为3 4 小时，其消耗的 电能约为9 1 2 k v a h ，故选择了1 0 节额定电压为1 2 v ，容量为1 0 0 a h 的蓄电 池，为满足蓄电池的能量需求，考虑当地的日照情况约为5 个全日照时长，系 统中配备了2 4 块功率为1 5 0 w p 的太阳电池，总功率共计3 6 k w p 。蓄电池组 采用了1 0 节蓄电池串联的形式，其额定电压为1 2 0 v ，考虑到在输入侧采用高 电压可以相应地降低i g b t 导通时的电流，减少i g b t 的导通损耗和因此而产 生的热量，对系统的稳定运行十分有利，因此太阳电池阵列则选择了2 并1 2 串的结构，其输出开路电压为2 6 0 v 。这样一来，太阳电池阵列的输出电压就 高于蓄电池组的电压，故在此本系统采用了b u c k 变换的结构，其主电路拓扑 结构如图2 3 所示。 1f兰 l1 卵士g z ij d 2 二二= c 2 卜 i 图2 - 3主电路拓扑结构 蓄 电 池 c l 为直流侧的大滤波电容，能够有效地减少工作时直流母线中的脉动电流 幅值。为能量传递电感，同时兼具平波作用。d 1 为防倒灌二极管，可以防止 9 太阳电池阵列电压在低于蓄电池电压时发生电流回灌的现象。在功率管关断期 间，电感上中贮存的能量通过续流二极管d ：释放给蓄电池和电容c ：。c ：为输 出侧滤波电容，它可以使输出电压纹波进一步减小，还可以起到减小电感量的 作用。 2 3 系统的总体控制策略 d c d c 系统的控制技术通常分为两类：、模拟控制：系统的主要控制 功能通过模拟电子电路实现，传统的d c d c 系统多采用这种控制技术；二、 数字控制：系统的控制功能通过数字控制芯片来完成，随着单片机的出现和控 制理论的普遍发展，d c ，d c 系统的控制技术正朝着数字化的方向快速发展。 数字控制技术较之传统的模拟控制技术有着许多不可比拟的优点：易于采 用先进的控制方法和智能控制策略，控制灵活，系统升级方便，控制系统的可 靠性高，易于标准化，系统维护方便，通用性好，生产成本低等。 本系统在控制策略上采取了模拟控制与数字控制相结合的方式。例如，系 统的辅助电源以及c v t 的实现均采用了模拟控制方式；而系统运行参数的均 值滤波、系统的保护以及m p p t 控制方式的实现则采取了数字控制的策略。 在数字控制中，有一种应用十分广泛的控制方式一数字式p i d 控制。本系 统在对蓄电池的过压保护上也采用了这种控制方式，其功能的具体实现将在第 三章中做详细介绍。 数字式p i d 控制因能够很好地满足系统对稳定性、快速性的要求，对处理 器的要求不高，并且简单易于实现，因而是应用最为广泛也是技术较为成熟的 控制方式。早期的d c ，d c 系统控制多为模拟p i d 控制，单纯采用输出电压的 瞬时值反馈，利用模拟p i d 控制器进行调节，其性能特别是动态性能及负载为 非线性的时候，其效果难以令人满意，并且过于复杂的模拟控制电路使得控制 系统的可靠性下降，调试复杂，不易于整定。如今随着微处理器的出现，各种 补偿措施已经方便地应用于d c ，d c 系统的数字p i d 控制之中，电压、电流控 制的引入，使得d c d c 系统的数字p i d 控制的效果得以改善。针对传统数字 p i d 控制存在的一些问题，智能控制的思路也引入p i d 控制之中，并在d c d c 系统的控制中得以应用。同时，其它控制策略也不断地引入其中，使古老的p i d 再次焕发出勃勃生机。 p i d 控制算法的模拟表达式为 1 f t 。、 “( f ) = x ，) + 卜( f 弦+ 掣 ( 2 1 ) 1 ，i 4 其中“( r ) 为p i d 调节器的输出信号；p ( f ) 为偏差信号，是给定量与输出量之 差；k 。为比例系数；乃为积分时间常数；为微分时间常数。其简化的控制 l o 框图如图2 4 。 图2 4纠d 简化控制框图 将式( 2 一1 ) 离散化并进一步简化可得到离散的p i d 表达式 i “( 七) = 世，8 ( 七) + k ，p ( _ ，) + k 。p ( 七) 一p ( 七一1 ) ( 2 - 2 ) j = 0 式中k 为采样序列，k = 0 ，l ，2 ，“( ) 为第k 次采样时刻的计算机 输出值，p ( 后) 为第k 次采样时刻输入的偏差值，p ( 七一1 ) 为第k 一1 次采样时刻输 入的偏差值，世。称为比例系数，k ，称为积分系数，k 。称为微分系数，这就是 离散化的p i d 控制算法的编程表达式。比例微分调节器可提高稳定裕度并获得 足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；比例积分调节器可以保证稳态精度， 但却是以对快速性的限制来换取稳定性的；p i d 调节器兼有两者的优点，但实 现起来又略显复杂：对于d c d c 系统来说，通常采用p i 调节器即可满足系统 设计要求。 第三章光伏充电系统硬件电路的设计与实现 本章将在基于电路及电磁理论分析的基础上完成对系统硬件电路的设计 工作，主要内容是系统中各元器件参数大小的计算和选择、控制芯片的选取以 及各种电路的设计( 包括采样电路、辅助电源电路、驱动电路、c v t 硬件电路 等) ，并对电路中各个组成部分的功能和具体的实现方法加以详细地阐述和说 明。 3 1 主电路中各元器件的参数选择 1 主功率器件的选择： 考虑到系统的功率为3 6 k w p 以及采用高频p w m 的控制方式，故主电路 器件选择绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 。i g b t 综合了m o s f e t 和g t r 的优 点，具有开关速度快、输入阻抗高、驱动电流小、通流能力强等特点，目前i g b t 的电流电压等级已达1 8 0 0 a 1 2 0 0 v ，关断时间已缩短至4 0 n s ，工作频率可达 4 0 k h z ，擎住现象得到改善，安全工作区域扩大。 由于系统功率为3 6 k w p ，蓄电池侧的电压为1 2 0 v ，故开关管导通时的最 大电流为3 0 a 左右，考虑电压波动及开关时电流引起的电压尖峰，故选取型号 为i x g h n 5 0 n 6 0 b 的i g b t 作为主电路的功率开关器件，其额定参数为 6 0 0 v 7 5 a 。 2 输入侧平波电容器的选择： c 。的大小可根据下式计算选取： c = ( 3 5 ) 叫吃 ( 3 1 ) 式中丁为输入侧直流电压的脉动周期，置，为直流侧等效负载电阻，本系统的太 阳电池输出功率b = 3 6 k w p 、电容上的平均电压k ，= 1 8 0 v ，则 r ，：坚：堕：9 q “ b 3 6 0 0 由于b u c k 变换器采用的开关频率为1 0 k h z ，即7 1 = 1 0 0 埘，则可得 c = ( 3 5 ) 叫月l = ( 3 5 ) l p 一4 9 = 3 3 矿5 5 因此选取了3 3 0 v 4 7 的电解电容。 3 输出侧l c 滤波器的容量选择： 为了使系统能够工作在电流连续状态，l 的选取可依照下式 上= k ( 1 一d ) 2 工，0 ( 3 - 2 ) 输出电压圪= 1 2 0 v ，开关管占空比d 在o 1 间变化，开关工作频率工= 1 0 k h z ， 。= 3 6 0 0 1 2 0 = 3 0 a ，则其临界电感值 上= 1 2 0 ( 1 一o ) 2 1 p 4 3 0 = 0 2 聊日 c 大小的选取可参照以下公式： c = 圪( 1 一d ) 8 毛鬈圪 ( 3 3 ) 其中e 为纹波电压的大小，其值希望为输出电压的5 ，即为o 6 v ，则 c = 1 2 0 ( 1 0 ) 8 2 p 一5 1 胡x o 6 = 1 2 5 考虑到一定的电压裕量，选择了3 3 0 v 2 2 0 的电解电容。 4 散热器的选择： 功率器件在进行电能的传递同时，自身也会消耗一部分电能，为了保证器 件正常工作，由消耗电能转化而成的热量必须及时传出器件并有效地散发掉， 否则器件将会因为过高的温升而改变特性，甚至因为电极接触或半导体层的熔 化而永久失效。因此，散热器大小的选取十分重要。 由于系统中的主要发热元件是开关管i g b t ，所以设计散热器时主要考虑的 是其功率损耗。 ( 1 ) i g b t 的导通损耗 p 。= l pc e l 。| t ( 3 4 ) 式中，。为开关管的饱和导通电流，睨，为开关管的饱和导通压降。饱和导通电 流，。、= 3 0 a ，经查l x g h n 5 0 n 6 0 b 的参数得知开关管饱和导通压降u 。= 2 3 v ， 由于本系统中占空比在o 1 之间变化，选择占空比为1 时计算其最大损耗值。结 果如下： 圪=