毕业设计论文-太阳能离网光伏发电

PAGEPAGE48摘要随着煤炭、石油和天然气等化石燃料迅速消耗，以及由此带来的能源危机与环染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁、安全可靠的可再生能源。太阳能具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，是理想的可再生能源。20世纪70年代后，太阳能光伏发电在世界范围内受到高度重视并取得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。太阳能光伏发电系统的研究对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。由于太阳能电池阵列是光伏发电系统的核心部件和能源供给部分，因此在光伏发电系统仿真模型的研究中，太阳电池阵列仿真模型的研究至关重要。本文根据硅太阳电池的工程用数学模型建立了太阳能电池阵列模型，分析了太阳辐射强度和温度对太阳电池阵列仿真模型精度的影响，提出了在不同太阳辐射强度时参数的优化设计计算公式，并将仿真结果与实际太阳电池阵列的测量结果进行了比较。基于太阳能电池阵列的仿真模型，本文建立了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪MATLAB仿真模型，并对两种常用最大功率点跟踪方法进行了仿真比较研究，验证了理论分析的正确性。本文针对目前应用广泛的太阳能独立光伏发电系统进行了研究，对系统中常用的DC/DC变换器拓扑及其优缺点进行了总结，并研究了一种新的带有双向变换器的太阳能独立光伏发电系统，对其主电路参数进行了设计，完成了基于JM60DSP控制系统的硬件电路设计和软件设计。关键字:太阳能，太阳能光伏发电系统，最大功率点跟踪，仿真模型，DSPABSTRACTInrecentyears，Astheconcernovertherapidconsumptionoffossilenergysuchascoal，oilandnaturalgas，energycrisisandincreasingenvironmentalPollution，manycountrieshavebeeninsearchofandactivelydevelopingclean，safeandreliablerenewableenergysource.Solarenergyisaidealenergysourcewiththeadvantagessuchascleanness，inexhaustibilityandsafety.Sinee19705，Photovoltaic(PV)Generationattractsworldwideattentionandhasmadegreatprogress.AsaimportantPartofsolarenergyapplication，thetechnologyofPVgenerationisconsideredasthemostPotentialPowergenerationofthe2lthcentury.TheresearchonPVgenerationissignificantforsolvingenergycrisis，reducingenvironmentalPollutionandgreenhouseeffect.SincesolarcellarrayisthekeycomponentandenergysourceofPhotovoltaicgenerationsystem，theresearchonsimulationmodelofsolarcellarrayisvitaltotheresearchonsimulationmodelofphotovoltaicgenerationsystem.Thispaperbuildasimulationmodelofsolarcellarraybasedontheengineeringanalyticalmodelofsiliconsolarcells，analyzestheinfluenceofthechangeofsolarirradiationandsolarcelltemperatureontheaccuracyofoutputofsolarcellarraysimulationmodel，proposesaoptimizationdesignformulaforcalculatingcoefficientbofengineeringanalyticalmodelofsiliconsolarcellsunderdifferentsolarirradiation，comparestheresultsofsimulationmodelwiththeexperimentalresultsofsolarcellarray.Basedonsimulationmodelofsolarcellarrayproposedbythispaper，ThispaperbuildaMATLABsimulationmodelofphotovoltaicgenerationsystemwithfunctionofthemaximumpowerpointtracking，makesasimulationcomparisonaimingattwocommonmethodsandvalidatethetheoreticalanalysis.Inthispaper，Researchonwide-usedstand-alonephotovoltaicgenerationsystemisdoneandsummaryontheadvantagesofDC/DCconverterincommonuseisgiven.Researchonastand-alonephotovoltaicgenerationsystemwithabi-directionalDC/DCconverterisgivenandtheparameterscalculationofmaincircuitisdone.Atlast，controlsystemhardwaredesignbasedonJM60DSPandsoftwaredesignofcontrolsystemiscompleted.Keyword:SolarEnergy，PhotovoltaicGenerationSystem，MPPT，SimulationModel，DSP目录1绪论 51.1世界能源结构和发展新能源的背景 51.1.1太阳能与太阳能光伏发电 61.1.2太阳能光伏发电系统简介 71.2太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势 91.2.1国外太阳能光伏发电现状与发展趋势 91.2.2我国太阳能光伏发电现状与发展趋势 91.3本文主要研究内容和任务 102太阳能独立光伏发电系统基本组成和特性 122.1太阳能独立光伏发电系统概述 122.2太阳能电池 122.2.1太阳能电池原理及分类 122.2.2太阳能电池输出特性 142.2.3太阳能电池工程用数学模型 142.3铅酸蓄电池 162.3.1铅酸蓄电池充电控制方法 163太阳能电池最大功率点跟踪 183.1太阳能电池最大功率点跟踪原理 183.2太阳能电池最大功率点跟踪方法 184太阳能独立光伏发电系统主电路设计 204.1方框图，主电路图以及技术路线图 204.2太阳能独立光伏发电系统常用DC/DC变换器及其特点 214.2.1BUCK电路 224.2.2B00ST电路 224.3带双向变换器的太阳能独立光伏发电系统 234.3.IBOOST电路设计 244.3.2铅酸蓄电池组设计 254.4双向BUCK-B00ST变换器 254.4.1双向BUCK-B00ST变换器运行原理 254.4.2双向BUCK-BOOST变换器参数设计 264.5逆变电路 275太阳能独立光伏发电控制系统硬件设计 295.1控制芯片MC9S08JM60简介 295.2基于MC9S08JM60DSP的控制系统 315.3驱动电路 325.4采样电路 335.5总电路图 356太阳能独立光伏发电控制系统软件设计 366.1控制系统主程序 376.2蓄电池充电子程序 42总结 44致谢 45参考文献： 461绪论1.1世界能源结构和发展新能源的背景自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据《BP世界能源统2005》的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%，而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度均达到30%以上。西班牙2003年风力发电装机占到全机总量的4%，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全的3.1%。瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了《再生能源法》，该法已于2006年1月1日起实施，这对于我国可再生能具有十分重要的意义。1.1.1太阳能与太阳能光伏发电太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点(l)取之不尽，用之不竭。地球表面所接受的太阳能约为1.07×1014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以说是一种无限的资源。(2)无污染。光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。(3)资源分布广泛。不同于水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输成本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。(4)建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短，扩容方便;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节省安装成本;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费，一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染，接线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费用很低。(5)光伏建筑集成。光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。(6)分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。1.1.2太阳能光伏发电系统简介太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构如图1.1所示，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量;当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或把过剩能量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能。图1.1太阳能光伏发电系统图1.2独立光伏发电系统(一)独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。图1.2所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。DC/DC变换器将太阳能电池阵列转化的电能传送给蓄电池组存储起来供日照不足时使用。蓄电池组的能量直接给直流负载供电或经DC/AC变换器给交流负载供电。该系统由于有蓄电池组，因而系统成本增加，但可在无日照或日照不足时为负载供电。(二)并网光伏发电系统与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。1.2太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以10%-15%的递增速度在发展。90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1.2.1国外太阳能光伏发电现状与发展趋势到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9MW，到2005年底，达到4961.69MW。己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以及薄膜电池等几类。在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元/W，并网系统价格为6美元/w，发电成本为0.25美元/(kw·h)。光伏电池的发电转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到15%，单晶硅光电池转化率是23.3%，砷化镓光电池转化率是25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35%-36%。太阳能光伏电池/组件使用寿命大大增长，可使用30多年。目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。1.2.2我国太阳能光伏发电现状与发展趋势20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计容量达35MW，约占世界份额的3%。10多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。到2020年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/(kW·h);2010-2020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kw·h)。到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。1.3本文主要研究内容和任务本文主要研究太阳能独立光伏发电系统，本文研究的独立光伏发电系统结构框图如图1.3所示。该系统主要包括几个部分:太阳能电池阵列、BOOST变换器、负载、双向BUCK-BOOST变换器、蓄电池以及控制电路。该系统运行原理如下:(l)当日照较强，太阳能电池阵列输出功率大于负载功率时，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器给负载供电，多余的电能通过双向BUCK-BOOST变换器传输给蓄电池将能量储存起来。(2)当日照较弱，太阳能电池阵列输出功率小于负载功率时，由太阳能电池阵列和蓄电池共同给负载供电，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器给负载供电，不足的电能由蓄电池通过双向BUCK-BOOST变换图1.3独立光伏发电系统框图器给负载供电。当无日照，光伏阵列输出功率为零时，由蓄电池单独给负载供电。(3)当有日照，太阳能电池阵列输出功率大于零且负载断开时，太阳能电池阵列输出的电能经BOOST变换器和双向BUCK-BOOST变换器后给蓄电池充电以将能量储存起来。另外，如果蓄电池放电至低于过放电压，或者蓄电池充电至超过过充电压时，双向变换器将被强行控制关断，以保护蓄电池不被损坏，延长蓄电池的使用寿命。独立光伏发电系统所有控制功能的实现均由控制电路完成，控制电路采用数字信号处理器JM60DSP，由数字信号处理器JM60DSP采样所需要的电流电压信号并对信号进行处理，输出PWM波控制主电路功率开关管的通断。本文主要研究工作包括以下部分:(l)建立实用的太阳能电池工程用仿真模型，以用于太阳能光伏电源系统整体性能的仿真研究，为太阳能光伏电源的设计提供参考;(2)通过仿真比较最大功率点跟踪方法的优缺点，并验证验证理论分析的正确性;(3)研究不同DC/DC拓扑结构时太阳能光伏电源系统的优缺点，完成本论文系统的电路拓扑的设计与器件选型;(4)基于DSP研究控制系统的实现方法以及完成控制系统的设计。2太阳能独立光伏发电系统基本组成和特性2.1太阳能独立光伏发电系统概述一般来说，太阳能独立光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。太阳能电池阵列是整个系统能源的来源，它把照射到其表面的太阳能转化为电能;控制器是整个系统的核心部件之一，其运行状态决定着系统的运行状态，系统在控制器的管理下运行;蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时向负载供电;逆变器是将直流电变换为交流电的设备，由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电，因此当系统向交流负载供电时，逆变器是不可缺少的。常用的太阳能独立光伏发电系统如图1.2所示。2.2太阳能电池2.2.1太阳能电池原理及分类在太阳能光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体。太阳能电池单体实际上是一个PN结，PN结在光照下会产生电动势，这种效应称为光生伏特效应。当PN结处于平衡状态时，PN结处有一个耗尽层，耗尽层中存在着势垒电场，电场方向由N区指向P区。当PN结受到光照时，硅原子受光激发而产生电子空穴对，在势垒电场的作用下，空穴向P区移动，电子向N区移动，从而P区就有过剩的空穴，N区就有过剩的电子，这样便在PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使P区带正电，N区带负电，从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。由上可知，太阳能电池单体将光能转换成电能的工作原理可概括为以下四个过程:(l)太阳能电池单体吸收光子，在PN结两侧产生称为“光生载流子”的电子一空穴对，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电;(2)在太阳能电池单体PN结光生载流子，通过扩散作用到达空间电荷区;(3)到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到N区，空穴被分离到P区;(4)被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在太阳能电池单体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并封装后形成的太阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦。太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列，以满足负载功率要求。太阳能电池多为半导体材料制造，种类繁多，形式各样，下面按照太阳能电池的材料进行分类介绍:(l)硅太阳能电池:指以硅为基体材料的太阳能电池，如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等，多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池、铸锭多晶硅太阳能电池、筒状多晶硅太阳能电池和球状多晶硅太阳能电池等多种。硅太阳能电池特点是由于硅资源丰富，可以大规模生产，性能稳定且光电转化效率高，是目前应用最多的太阳能电池。但其制造过程复杂，成本高。目前市场上使用最多的是单晶硅太阳能电池，转换率为17%左右，多晶硅转换效率为14%左右，非晶硅电池转化效率为6%左右。(2)化合物半导体太阳能电池:指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池，如碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半导体太阳能电池具有转换效率高，抗辐射性好，可在聚光条件下使用等特点，但碲化镉太阳能电池带有毒性，易对环境造成污染，一般用于特定场合，如空间飞行器和航空系统。(3)有机半导体太阳能电池:指用含有一定数量的碳-碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。该种电池虽然转换率低，但价格便宜、轻便、易于大规模制造。(4)薄膜太阳能电池:指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的太阳能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池等。其特点是转换效率相对较高、成本降低(尤其是大大降低了晶体硅类太阳能电池的硅材料用量)、且适合规模生产，因此薄膜太阳能电池是未来太阳能电池的一个重要发展方向。2.2.2太阳能电池输出特性(一)标准测试条件下太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，常简称为I-F特性。由于日照强度、电池温度等都会影响太阳能电池的特性，因此需要定义标准测试条件用于地面测试太阳能电池性能。我国应用的准测试条件定义为日照强度为1000W/㎡，太阳能电池温度为25℃一般的太阳能电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参数。当太阳能电池输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，太阳能电池近似为一恒流源，当太阳能电池输出电压超过一定的临界值时，太阳能电池输出电流急剧下降，太阳能电池可近似为一恒压源。太阳能电池的输出特性是非线性的，既非恒流源也非恒压源(在最大功率点左侧为近似恒流源段，在最大功率点右侧为近似恒压源段)，且在一定的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点。(二)温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响太阳能电池的I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关，分别为不同日照光强和不同电池温度时，太阳能电池的输出特性曲线。当温度一定时，太阳能电池短路电流Isc随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比，太阳能电池开路电压Uo随日照强度的增加稍有增加，但增加很小，当日照强度一定时，电池温度升高，太阳能电池开路电压Uo降低，而太阳能电池的短路电流Isc有轻微的增加。2.2.3太阳能电池工程用数学模型(一)太阳能电池的理论分析模型根据半导体电子学理论，当负载为电阻RL时，太阳能电池的等效电路如图2.1所示。当日照强度恒定时，光电流人可看成恒定电流源，二极管的正向电流ID和并联电阻电流Ish都由光电流IL提供，剩余的光电流通过串联电阻Rs流出太阳能电池进入负载并在负载端产生电压V。根据图中的电流电压参考方向，太阳电池的I-V方程为:图2.1太阳能电池的等效电路（2-1）式中:IL--光电流，A;Io--二极管反向饱和电流，A;q--电子电荷(l.6x10-19A--二极管因子;K:波耳兹曼常数(1.38x10-23J/K);T--太阳能表面绝对温度，K;Rs:--串联电阻，Ω;Rsh--并联电阻，ΩI--太阳能电池输出电流，A;V--太阳能电池输出电压，V;2.3铅酸蓄电池储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其对于独立光伏发电系统而言，储能环节更是不可缺少的组成部分。储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性能在实际的光伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的部分。所以获得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部分。目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池和镍氢蓄电池。目前中国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍镉蓄电池外，绝大多数是采用铅酸蓄电池。在小型的太阳能草坪灯和便携式太阳能供电系统中使用镍镉或镍氢蓄电池比较多。2.3.在太阳能独立光伏发电系统中，对铅酸蓄电池使用的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命。而电荷量的大小决定着太阳能独立光伏发电系统向负载供电的能力、铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的成本、造价以及系统的使用寿命，因此选择合理的充电控制方法是提高太阳能独立光伏发电系统性能的有效手段。目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电等方法，(一)恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着铅酸蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于多个铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组进行充电，能使落后的铅酸蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处在于:铅酸蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长。(二)恒压充电法恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进行充电。在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低，充电电流较大，但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高，电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过，这样充电过程中就不必调整电流。相对恒流电来说，此法的充电电流自动减少，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低。这种充电方法不足之处在于:在充电初期，如果铅酸蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电器的安全，而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤;如果铅酸蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电。铅酸蓄电池电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到，因为这种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大，而且这种系统中铅酸蓄电池组串联不多。(三)两阶段充电法这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电，铅酸蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压充电方式充电。采用这种充电方式，在充电初期，铅酸蓄电池不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现铅酸蓄电池电压过高，使铅酸蓄电池产生析气。(四)三阶段充电法三阶段充电法是在两阶段充电完毕后，铅酸蓄电池容量己经达到额定容量时，再继续以很小的电流向铅酸蓄电池充电以弥补铅酸蓄电池由于自放电损失的电量，这种以小电流充电的方式也称为浮充。在浮充时，铅酸蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低。在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以及环境温度对光伏系统充电电流的影响、铅酸蓄电池性能以及系统成本等因素，使用三阶段充电法对铅酸蓄电池充电较为合理。3太阳能电池最大功率点跟踪目前，太阳能电池阵列在太阳能光伏发电系统造价中占很大比重，而且太阳能电池的转化效率本身就不高，因此有必要研究提高太阳能电池利用效率的方法，以降低系统单位价格的成本，促进太阳能光伏发电系统的应用推广。太阳能电池最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，简称MPPT)是其中的途径之一，它能最大程度的利用太阳能电池转化所得的电能。3.1太阳能电池最大功率点跟踪原理由第二章可知，太阳能电池的输出特性受电池温度和日照强度等因素的影响，电池温度主要影响太阳能电池的开路电压，日照强度主要影响太阳能电池的短路电流。在一定日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点，太阳能电池只有工作在最大功率点才能使其输出的功率最大。3.2太阳能电池最大功率点跟踪方法目前使用的太阳能电池最大功率点跟踪方法主要有恒电压法、观察扰动法、电导增量法以及其它的一些跟踪方法。1.恒电压法(ConstantVoltageTracking，简称CVT)温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近，因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率。恒电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比一般太阳能光伏系统可望多获得20%的电能，较之不带CVT的直接藕合要有利得多。然而恒电压法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大功率点的影响，一般硅太阳能电池的开路电压都在较大程度上受结温影响，以常规单晶硅太阳能电池而言，当太阳能电池温度每升高1℃2.扰动观察法(Perturbation&Observation)扰动观察法的原理是:在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”;然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。扰动观察法的最大优点就是结构简单，被测参数少，容易实现。但是即使在某一周期太阳能电池阵列运行在最大功率点，由于扰动的存在，下一周期太阳能电池阵列运行点又会偏离最大功率点，因此太阳能电池阵列实际是在最大功率点附近振荡运行，从而导致部分功率损失;其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失;另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中，会出现误判现象。3.增量电导法(IncrementalConductanceAlgorithm)为了解决扰动观察法导致的功率损失问题，K.H.Hussein在1995年提出了增量电导法。由太阳能电池阵列输出电气特性知，太阳能电池阵列的输出功率-电压(P-V)曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零。增量电导法的优点是:在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。增量电导法的缺点是:太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点;如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的，步长过小会使跟踪速度变慢，太阳能电池阵列较长时间工作在低功率输出区;步长太长，又会使系统振荡加剧，影响跟踪精度。在实际的光伏系统中，增量电导法的实现对硬件的要求相对较高，控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。4太阳能独立光伏发电系统主电路设计4.1方框图，主电路图以及技术路线图本设计的总体方框图为：图4.1太阳能独立光伏发电系统总框图主电路图为：图4.2主电路技术路线图为：图4.34.2太阳能独立光伏发电系统常用DC/DC变换器及其特点到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的DC/DC变换电路主要有BUCK电路，BOOST电路，BUCKK-BOOSTT电路以及CUK电路。它们的电路拓扑分别如下图4.4(a)-(d)所示。a.BUCK电路拓扑图b.BOOST电路拓扑图c.BUCK-BOOST电路拓扑图d.CUK电路拓扑图图4.4太阳能光伏发电系统中常用的DC/DC变换电路拓扑图4.2.1BUCK电路输入端工作在断续状态，如果直接将BUCK电路接在太阳能电池阵列上将造成太阳能电池阵列输出电流不连续，太阳能电池阵列不能工作于最佳工作状态，因此需要在太阳能电池阵列输出端并联储能电容以保证太阳能电池阵列输出电流的连续，如图4.5。当功率器件关断时，太阳能电池阵列对储能电容充电，使太阳能电池阵列始终处于发电状态。通过调节BUCK电路的占空比D实现调节太阳能电池阵列输出平均功率的目的，从而实现对太阳能电池阵列的MPPT功能。典型的连接太阳能电池阵列的BUCK电路拓扑如图4.5所示，BUCK电路输出连接阻性负载或蓄电池。图4.5连接太阳能电池阵列的BUCK电路拓扑图用BUCK电路实现太阳能电池阵列最大功率点跟踪时，必须在BUCK电路并联一个储能电容，在大功率情况下，由于储能电容始终处于大电流充放电状态，对其可靠工作不利;同时由于储能电容通常为电解电容，使BUCK电路无法工作在较高的频率下，使得BUCK电路装置的体积和重量增加;而且BUCK电路只能用于降压变换。用BUCK电路实现太阳能电池阵列最大功率点跟踪的优点是结构简单，控制易于实现，功率开关管输入电流小，线路损耗小，使得BUCK电路装置转化效率较高。4.2.BOOST电路以电感电流源方式向负载放电实现负载电压升高的目的。与BUCK电路相比，BOOST电路的电感在电路的输入端，因此只要输入电感足够大，BOOST电路可以始终工作于输入电流连续的状态下，电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，因此在光伏发电系统应用中，只需在BOOST电路并联容量较小的无感电容甚至可以不加电容，如图4.6，这样就可避免加电容带来的种种弊端。同时BOOST结构也非常简单，并且功率开关管一端接地，使得开关管驱动电路设计更为简单。BOOST电路的不足之处在于其输入端电压较低，在同样的功率下，输入电流较大，因而电路损耗较大，与BUCK电路，BOOST电路转化效率略低一些;而且BOOST电路只能进行升压变换。典型的连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑如图4.6所示，BOOST电路输出连接阻性负载或蓄电池。图4.6连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑图4.3带双向变换器的太阳能独立光伏发电系统图4.7所示为本文研究所用独立光伏发电系统结构图，该独立式光伏发电系统主电路包含以下五个部分:太阳能电池阵列，BOOST变换器和双向BUCK-BOOST变换器，蓄电池组以及负载。4.7带双向变换器的独立光伏发电系统太阳能电池阵列是整个系统能量的来源，本系统所使用的太阳能电池阵列由七块无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP155S-24/Ab型单晶硅太阳能电池并联而成，总功率1KW。STP155S-24/Ab型单晶硅太阳能电池组件参数如表4.1所示:最大工作电压Vm最大工作电流Im短路电流Isc开路电压Voc功率34.4V4.51A4.9A43.2v153W表4.14.3.IBOOST电路设计系统中BOOST电路设计开关管的开关频率fs=20kHz，输入直流电压Vin∈[25V，45V]，额定输入直流电压Vin=34V，输出直流电压Vo=48V，输出电流额定电流I0=22.3A，电感电流工作在电流连续模式(CurrentContinuousMode)，效率η=0.95(一)滤波电感的计算（4-1）（4-2）D=1-Vin/V0（4-3）式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关频率。由(4-2)和(4-3)可得:(4-4)(4-5)取△iL1=0.2IL1，计算可得L1min，=66.5uh(二)滤波电容的估算由文献[44]可知:(4-6)取△Vo=4.8，由上述参数可得:(4-7)为了使输出电压纹波小于4.8V，滤波电容必须大于110.5uF，可取120uF，滤波电容的耐压值不应小于48x1.5=72V，因此滤波电容可取120uF/l00V。(三)功率开关管的选取通过功率开关管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大电压为2Vin=2×45=90V。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为珠的1.5倍，额定电流应大于开关管导通时流过的峰值电流的2倍。BOOST电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42N10N3GMOSFET管，其额定耐压值VDS=l00V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=(四)二极管的选取通过二极管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大反向电压为Vomax=50.4v。考虑到二极管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为VinBOOST电路中二极管选取Infineon公司的D255N二极管，其最大反向耐压VRRM=600V，最大正向电流IF=400A，反向恢复时间最长1314.3.2在本系统中铅酸蓄电池组接在双向BUCK-BOOST变换器上充当负载。当铅酸蓄电池组直接接在BOOST电路上充当负载时，系统为铅酸蓄电池充电以储存能量，当无太阳光照射时，铅酸蓄电池可通过双向BUCK-BOOST变换器向负载供电。本系统中铅酸蓄电池选择电压24V、容量为100AH的蓄电池组。4.4双向BUCK-B00ST变换器4.4.1双向BUCK-B00ST变换器运行原理双向BUCK-BOOST变换器是在BUCK电路中的续流二极管替换为功率MOSFET管而得到的，其电路结构如图4.7所示。为实现能量的双向自由流动，Q2和Q3互补PWM工作，即Q2导通时，Q3截止，Q3导通时，Q2截止。为了防止Q2，Q3同时导通，两者之间有死区时间，即Q2关断后经死区时间td后才允许Q3导通，反之亦然。4.4.2双向BU系统中设计双向BUCK-BOOST变换器的功率开关管的开关频率也为Fs=20kHz，双向BUCK-BOOST变换器按BUCK变换器设计:输入额定直流电压为Vin=48V，输入电压波动△Vo=4.8v;输出直流电压Vo=24v，输出电压纹波为2V;输出额定电流I=45A(一)滤波电感的估算(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关周期。取输出电流纹波△i0=3A。可得:(4-12)(4-13)(4-14)取L2=210uh。(二)滤波电容的设计由于本系统中双向BUCK-BOOST变换器的负载为铅酸蓄电池，而铅酸蓄电池本身就相当于一个大电容，因此本双向BUCK-BOOST变换器输出端可以不用滤波电容;另外，省去滤波电容还可以减少由于铅酸蓄电池给滤波电容充电而导致的容量损失。而且省去滤波电容，减少了系统成本，缩小系统的体积，从而简化了电路。(三)功率开关管的选取双向BUCK-BOOST变换器中，功率开关管Q2和Q3承受的最大电压均为Vin=50.4V，功率开关管Q2和Q3的最大工作电流与流过滤波电感的最大电流相同，即IQ2max=IQ3max=IL2max=45A。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，可选择开关管的容许电压为100v，容许电流为50A。双向BUCK-BOOST变换器电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42CN10N3GMOSFET管，其额定耐压值VDS=100V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=4.5逆变电路图4.8逆变电路直流-交流（DC/AC）变换器，也称逆变器。其功能是将直流电变为固定频率和电压或可调频率和可调电压的交流电，供负载使用。逆变电路的分类方法有很多种，本文采用双极性SPWM单相逆变电路。太阳能光伏阵列产生的电压，经过一个BOOST电路升压，通过调节Q5端得占空比来调节升压后电压的大小。再经过双极性SPWM逆变电路，将直流电转换为交流电供负载使用双极性SPWM调制的特点是：三角载波有正负极性，同样再载波和调制波的交点处产生驱动信号。但是T6、T9和T7、T8的驱动脉冲互补。在T6、T9导通时，T7、T8截止；在T7、T8导通时，T6、T9截止。因此逆变器交流输出电压在半周期中也有正负极变化，故称双极性调制。在输出交流的正半周。正脉冲宽度大于负脉冲；在输出交流的负半周，负脉冲宽度大于正脉冲，且脉冲狂度随调制波变化，使输出交流电压按正弦规律变化。改变调制波的幅值，则改变了调制正弦波与三角波的交点位置，可以调节矩形脉冲宽度，从而改变交流电压的大小。改变调制正弦波的频率。使输出交流电的频率也随之变化，因此调节调制波的幅值喝频率就可以调节交流输出电压的大小和频率逆变电路的仿真图：图4.9仿真电路图4.10逆变电路仿真结果注：仿真中采用直流电压源（48V）代替逆变电路的输入端电压（A-a点电压）5太阳能独立光伏发电控制系统硬件设计本系统的控制电路使用江苏省昆山鑫盛盟创科技有限公司公司的MC9S08JM60作为主控制芯片，其快速的运算能力、丰富的外设资源能为整个控制系统提供一个良好的平台。DSP是整个控制系统的核心，它接收采样电路送来的模拟信号，按照控制算法对采样信号进行处理，然后产生所需要的PWM波形，经驱动放大后控制主电路功率开关管的通断。5.1控制芯片MC9S08JM60简介1.MC9S08JM60评估板概述MC9S08JM60评估板是一款以学习HCS08系列微控制器为应用目标的评估板。MC9S08JM60评估板（简称MC9S08JM60EVB）包含MC9S08JM60（以下简称JM60）最小系统、SCI、LED、蜂鸣器、按键、写入调试接口。评估板配套资料提供了部分硬件模块的以用于实际系统开发中。开发环境可使用CodeWarrior6.0，可选配写入器。2.MC9S08JM60芯片概述HCS08系列MCU是Freescale8位微处理器的主流产品，应用非常广泛。MC9S08J系列单片机是HCS08系列单片机大家族中具有USB接口的一类，MC9S08JM60是MC9S08J系列中的一个型号，MC9S08JM60单片机具有多种封装形式，它们分别为44脚、48脚、64脚等，在相同管脚数目的情况下还有宽脚和密脚之分，本评估板使用64引脚宽脚封装。MC9S08JM60单片机的主要特点概述如下：①4K片内RAM；60K片内Flash程序存储器；256BUSBRAM，具有在线编程能力和保密功能。②时钟发生器模块，具有PLL电路，可产生各种工作频率；内部总线频率最高可达24MHz。③增强的HCS08CPU结构；最高支持32个中断源。④51根通用I/O脚，包括37根多功能I/O脚和14根专用I/O脚；部分I/O口有可选择的内部上拉电阻，并且可以选择引脚的驱动能力。⑤两个增强型串行通讯口SCI；两个串行外围接口SPI；两个集成电路内部通信接口IIC；两个16位双通道定时器接口模块(TIM1和TIM2)，每个通道可选择为输入捕捉、输出比较和PWM；一个模拟信号比较器ACMP；12路12位AD转换模块；8位键盘唤醒口；一个实时时钟计数器模块；一个计算机工作正常(COP)复位模块。⑥一个USB2.0全速设备，速度可达12Mbps。⑦优化用于控制应用；优化支持C语言。3.实物图及逻辑结构图图5.1实物图图5.2逻辑图5.2基于MC9S08JM60DSP的控制系统图5.3接线图为：图5.4由MC9S08JM60DSP产生的PWM信号分别为PWM0做Q1驱动信号；PWM1为Q2和Q3驱动信号（Q2和Q3信号互补）；PWM2为逆变电路BOOST部分Q5的驱动信号；PWM3为逆变电路全桥T6、T9和T7、T8的驱动信号（T6、T9和T7、T8的驱动脉冲互补）5.3驱动电路系统功能的实现需要由控制电路生成主电路功率开关管所需要的PWM波使主电路功率开关管实现开关动作来完成。但控制电路属于弱电信号(DSP产生的PWM波信号峰值电压为3.3伏，输出电流在毫安级)，主电路为功率电路，控制电路出来的信号对于直接驱动功率器件无能为力，而且为了系统能安全、可靠的运行，控制电路还必须和主电路实现良好的电气隔离。在有弱电信号和强电信号的电路中，为防止强电信号对弱电信号的影响，通常采用隔离技术实现电路信号的转换。隔离技术可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。光电隔离具有体积小、结构简单等优点，但存在共模抑制能力差、速度传输慢的缺点，而且快速光祸的速度也仅几十kHz。电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快，原副边绝缘度高，dV/dt共模干扰抑制能力强。考虑到主电路的工作频率本驱动系统采用电磁隔离驱动方式，如图5.4所示。图中三极管Qa和Qb组成图腾柱输出，对输入电流有放大作用;二极管D在感性负载时起续流作用;C19为原边隔直电容，阻止直流分量通过，避免变压器直流磁化而饱和;C20为副边电容，复现原边隔直电容的电压;Z1为稳压二极管，它使驱动电路在正向导通时间内，输出正幅值限制在12V(稳压管两端的电压不能超过其稳压值，以免使其长期处于击穿工作状态，损耗太大);在反向导通时间内给副边电容C20充电;电阻R20为阻尼电阻，其可阻止MOSFET的输入电容与电路分布电感一起产生高频寄生振荡。图5.5驱动电路5.4采样电路MC9S08JM60DSP的模数转换模块(ADC)能分辨的最高电压为3.3V，因此采样电路输入到A/D模块的最高输入电压不得超过3.3V。本系统电压采样信号经高阻值精密电阻分压得到，避免分压电阻流过的电流对主电路和采样电路的影响;电流采样电路是利用利用霍尔电流传感器将电流信号转换为电压信号。直流电压采样电路图5.6图5.6为光伏阵列输出端电压Ui的采样电路，因为控制部分对直流电压检测结果的精度要求不高，所以采用电阻分压的法，这种方法简单，成本低。Da1为3.3V的稳压管。通过一级电压跟随提高抗干扰的能力。采样输出接ADC0809IN0管脚。蓄电池端的电压Us和直流负载端得电压Uo1都采用此采样电路，输出端分别接ADC0809IN2和ADC0809IN2.直流电流采样电路图5.7电流采样电路是利用利用霍尔电流传感器将电流信号转换为电压信号。图5.7为光伏阵列端输出的电流Ii的采样电路，输出端接ADC0809IN1管脚。蓄电池端的电流Is和直流负载端得电流Io1都采用此采样电路，采样电路输出端分别接ADC0809IN3和ADC0809IN5管脚。3.交流电压采样电路图5.8该电路主要检测交流负载端交流电压Uo2，通过比例加法电路，将有效值0-250V所对应的采样值限制在0-3.3V之间。采样电路输出端接ADC0809IN6管脚。4.交流电流采样电路图5.9因为DSP的A/D转换采样电平只能为正，所以需要添加一个加法电路，将交流信号全部变为正。图5.9为交流负载端交流电流Io2的采样电路，采样输出端接ADC0809IN7管脚。5.5总电路图图5.10总电路图6太阳能独立光伏发电控制系统软件设计控制系统根据太阳能电池阵列、蓄电池以及负载的工作状态分为两种运行模式:充电工作模式和放电工作模式，控制系统根据太阳能电池阵列、蓄电池以及负载的工作状态自动切换运行模式。系统的软件控制主要有控制系统主程序和蓄电池充电子程序构成以直流负载为例（一）当系统工作于充电模式时又有下列两种可能:(l)太阳能电池阵列输出功率大于负载功率，多余的电能供给蓄电池充电并实现太阳能电池阵列的最大功率点跟踪;(2)负载断开，太阳能电池阵列仅给蓄电池充电。（二）当系统工作于放电模式时又有下列两种可能:(l)太阳能电池阵列输出功率小于负载功率，多余的电能由蓄电池补充，并利用最大功率点跟踪技术实现太阳能电池阵列的最大功率点跟踪以使蓄电池放电电流最小;(2)太阳能电池阵列无功率输出，仅由蓄电池向负载供电。由于两种模式的运行逻辑较为复杂，并且为了使程序结构逻辑清晰、可读性强、可移植性好，软件的程序设计采用C语言。主程序大致思路如下:开机上电后，初始化DSP的系统寄存器及外设寄存器，根据太阳能电池阵列、蓄电池以及负载的工作状态决定系统的运行模式，并按一定的采样周期(本试验为10ms)读入采样电压和采样电流，根据采样信息和控制算法改变输出控制信号的脉宽以达到预期的控制目标。在运行过程中若系统发生故障，则及时封锁控制信号输出。系统中DSP控制器外部时钟基准为30MHz，产生的开关管控制信号频率为20kHz。将DSP控制器事件管理器模块通用定时寄存器的记数方式设置为一般连续递增模式，并设置周期寄存器，使其周期为50微秒，通过控制算法改变比较寄存器的值以改变PWM输出波形占空比。6.1控制系统主程序控制主程序主要完成下列内容当日照较强时，太阳能光伏阵列的的功率大于负载功率，由光伏电池阵列向负载供电，多余的电能传输给蓄电池存储起来。当日照较弱时，太阳能光伏阵列的功率小于负载功率，此时则由光伏阵列和蓄电池共同向负载供电。若无日照时，太阳能光伏电池阵列的功率为0，则由蓄电池单独向负载供电。当负载断开时，光伏阵列产生的电能传输给蓄电池存储起来。如果蓄电池放电至低于过放电压，或者蓄电池充电至超过过充电压时，双向变换器将被强行控制关断，以保护蓄电池不被损坏，延长蓄电池的使用寿命图6.1控制系统主程序流程图DSP初始化，采样太阳能光伏阵列输出的电压Ui，电流Ii；蓄电池的电压Us，电流Is:负载的电压Uo,电流Io.首先判断太阳能光伏阵列的功率是否大于0，大于0，再看看太阳能光伏阵列的输出功率是否大于负载所需要的功率，即是否满足负载要求，若满足负载功率要求，则有太阳能光伏阵列单独向负载供电，多余的电能用蓄电池存储起来。若不太阳能光伏阵列输出功率不能满足负载要求时，则有，太阳能光伏阵列和蓄电池共同向负载供电。当太阳能光伏阵列的功率小于0时，若蓄电池电压大于放电允许的最小电压，即，蓄电池内有足够的电能，则由蓄电池单独向负载供电；若蓄电池电压小于放电允许的最小电压，即，蓄电池所存储的电能不足，则禁止蓄电池放电。本系统通过控制MOS管Q2的驱动信号，控制MOS管Q2的通断，从而控制蓄电池的充放电，信号为正时，MOS管Q2导通，Q3截止，蓄电池放电；信号小于O时，MOS管Q2截止，Q3导通，蓄电池充电主要程序如下：Pi为太阳能光伏阵列输出的功率，Po为负载的功率，t为MOS管Q2的驱动电压信号。当t=1时，驱动信号电压为正，MOS管Q2导通，Q3截止，蓄电池放电；当t=0时，驱动信号为负，MOS管Q2截止，Q3导通，蓄电池充电。蓄电池允许放电的最小电压取1V。#ifndef_MC9S08JM60_H#define_MC9S08JM60_H/*Typesdefinition*/typedefunsignedcharbyte;typedefunsignedintword;typedefunsignedlongdword;typedefunsignedlongdlong[2];/*Watchdogresetmacro*/#ifndef__RESET_WATCHDOG#ifdef_lint#define__RESET_WATCHDOG()/*empty*/#else#define__RESET_WATCHDOG()(void)(SRS=0x55,SRS=0xAA)#endif#endif/*__RESET_WATCHDOG*/#defineREG_BASE0x0000/*BaseaddressfortheI/Oregisterblock*/#pragmaMESSAGEDISABLEC1106/*WARNINGC1106:Non-standardbitfieldtype*//****************interruptvectornumbers****************/***EVALUATION***PROGRAM"I:\15鑫盛盟创\02JM60开发板\03软件设计\01IO基本程序框架\Project_CT\bin\Project.abs"*********************************************************************************************TARGETSECTIONProcessor:FreescaleHC08MemoryModel:SMALLFileFormat:ELF\DWARF2.0Linker:SmartLinkerV-5.0.30Build7134,May152007*********************************************************************************************FILESECTIONMC9S08JM60.C.oModel:SMALL,Lang:ANSI-CStart08.c.oModel:SMALL,Lang:ANSI-Csetup.c.oModel:SMALL,Lang:ANSI-Cmain.c.oModel:SMALL,Lang:ANSI-C*********************************************************************STARTUPSECTIONEntrypoint:0x1960(_Startup)_startupDataisallocatedat0x1967anduses6Bytesexternstruct_tagStartup{unsignednofZeroOut0_Copy*toCopyDownBeg0x1A06}_startupData;#include"Includes.h"#include<stdio.h>#include<math.h>//定义全局变量voiddelay(INT8Uk){IN