太阳能最大功率跟踪控制器的设计与实现_毕业论文(设计)(编辑修改稿)

太阳能最大功率跟踪控制器的设计与实现_毕业论文(设计)(编辑修改稿)内容摘要：

能电池板的 标示功率为 50W。 从图 ： 同一光照强度下， 在 一个 输出 电压范围内其 输出 电流基本上保持不变 ；然而 在某个 输出电压 值之后其 输出 电流 急剧下降 ，根据功率的定义式： P（ W） =U（ V） *I（ A） （ 式 21） I（A）U （V ）252020105200W /m2400W /m2600W /m2800W /m21000 W/m2M1M2 图 常 温下太阳能电池板在不同光照下的输出伏安特性曲线 P(W)U （V ）1020304050252020105200W /m2400W /m2600W /m2800W /m21000 W/m2 图 常温下太阳能电池板在不同光照下的输出功率曲线 结合 式 21与图 ：在常温下，某个光照强度时太阳能电池板的输出总存在一个最大功率点。 如 图 了 太阳能电池板输出功率与输出电压的关系，体现 出 了最大功率点。 6 本 设计所使用的电池板 的 参数：开路电压 Voc=，短路电流Isc=，最大功率点电压 Vmp=，最大功率点电流 Imp=，图 直观 地 描述 出了 太阳能电池板 的输出 特性。 I（A）U （V ）252020105P（W）1020304050UIPUIscImpVocVmpS=10 00W/m2 图 太阳 能电池板特性曲线 方案论证 方案 一 ：恒压法。 由图 ，在同一温度条件下，不同光照下的最大功率点几乎在一条垂直线上，这表示着最大功率点应该是对应着某一个固定电压值的，这就是恒压法的理论 [8]。 这一固定电压值可以从太阳能电池板生产厂商处获得，从而在设计的时候就可将输出电压设定在这个固定电压处。 方案二：扰动观察法。 这种方法其实质是引入一个小的变化，然后进行观察，并与前一个状态进行比较，进而 进行 调节。 其具体方法是：先测太阳能电池 板 第 i时刻的电压 Vi和电流 Ii，由 式 21计算出功率 Pi，然 后与第 i1时刻的功率进行比较。 根据比较的结果调节太阳能电池 板 的工作点，这里引入一个参考电压 VREF，当进行比较后，调节参考电压使之逐渐接近最大功率点的电压。 在7 调节太阳能电池 板 工作点时，依据这个参考电压进行调节 [9]。 方案三：电导增量法。 由图 ，在最大功率点处其斜率为零。 根据 式 21，因此在最大功率点处有： dPdU =I + U * dIdU = 0 (式 22) 即 dIdV = IV （ 式 23） 式 23就是达到最大功率点的条件，如果 dIdV IV （ 式 24） 则光伏电池的工作点在最大功率的右边，此时应减小输出电压；如果 dIdV IV （ 式 25） 则光伏电池的 工作点在最大功率的左边，此时应增大输出电压。 在实际应用中，方程 式 23很难满足，工程应用中引入一个误差因子 E，当 dIdV IV E （ 式 26） 满足 式 26，就可认为 式 23成立，从而得出最大功率点。 方案比较和选取 前面列出了目前的几种最大功率跟踪的方法，对它们进行了理论介绍。 接下来对这几种方法的各自优缺点进行系统对比 ，如表 所示 ，最终选择 出 本 设计的最佳 方案。 8 表 几种方案系统比较 结合实际情况需要以及各种方案的优缺点，本次 设计选取扰动观察法来实现太阳能电池板的最大功率点跟踪。 这种方法 硬件成本低 、 算法实现容易。 3 系统设计 D C D C 变 换P W M滤 波滤 波 负 载M C U显 示M O S F E T 开 关电 路采 样P V 光 伏 阵 列 图 系统结构框图 通过之前的方案讨论与分析，最终选 取 了 扰动观察法来实现设计。 根据此方案的原 理，本系统既需要硬件电路对太阳能电池板的信号进行处理，也需要 程序来进行扰动控制，实现算法。 图 统的整体框图。 方式 恒压法 扰动观察法 电导增量法 工作原理 断开太阳能电池板负载，测量开路电压，将输出电压设置在78%开路电压处 扰动太阳能电池板的工作电压，并监测功率的变化 扰动太阳能电池板的工作电压，并监控工作点处电导与电导 变化率的关系 优点 实现简单，复杂度低 硬件成本低，算法实现容易 误判率低，跟踪精度高 缺点 功率浪费严重，跟踪精度低，不能适应环境的变化 不能判定何时达到最大功率点，因此会存在震荡 硬件要求高，算法实现复杂 9 硬件设计 系统 方案的设计是通过监测 太阳能电池板的实时输出功率。 由式 21，要想得到功率，就需要知道电压与电流。 所以硬件的设计包括控制核心、 DCDC、电压采样、电流检测等几个大的模块 ， 如图。 转换 模块电路设计 转换电路是用于太阳能电池板和负载之间，通过控制电压，将不控的直流输入变为可控的直流输入。 电路中开关 管 导通 与关断 时间比例的 改变，对太阳能电池板而言表现为输出阻抗的改变，从而影响其输出特性。 +C14 7 0 u f /5 0 V+C24 7 u f /5 0 VL11 0 m H / 5 0 WR1270KR230KQ1IRFZ 4 8 NR310K PWM输入A/D电压输出电流检测PV板输入端+ +MPPT输出（负载）I np utI1G2O3U1 7805C3104C4104I np ut O ut pu t5 v 图 转换部分硬件原理图 太阳能电池板的参数在前面已经给出，硬件电路图各元器件参数的选择就是根据 太阳能 电池板的参数来决定的。 如图 ，太阳能电池板输出的是直流电压，电容 C C2用来防止输出的电压干扰，降低输出纹波，由于输出的电压最大能达到 25V，因此，电容的耐压值选择 50V，留有一定余量。 电感 L1用于滤除电压信号的交10 流分量，降低来自 PWM控制信号的干扰、提高 A/D 采样结果的准确度、稳定输出。 此处的电流检测采用的是电流检测模块 ACS712ELC20A，模块以 +5V供电，可以测量正负 20安电流，对应模拟量输出 100mV/A，其输出的信号为电压信号，通过 A/D采样将其转换为电流；没有检测电流通过时，输出的的电压是 VCC/2。 由于太阳能电池板的输出电压最大能够达到 22V，所以用两 电阻 R1=270kΩ 、 R2=30kΩ 进行分压，测 R2两端的电压，由于 10 倍关系，从而可以得到太阳能电池板的输出电压。 选取 电阻阻值 大主要是考虑到不影响负载的功率。 电流检测与电压采样的处理都由软件实现。 Q1为 IRFZ48N， N型场效应 MOSFET，导通电阻 RDS（ on） =Ω ；栅级和源级最大承受电压为 VDSS=55V；栅极最大承受电流ID=64A，导通电阻小，可以减少在导通时的功率损耗，其它参数均符合设计要求。 在此接在电压的低侧作为开关用，使用 PWM 控制通断从而控制输出电压值。 此处电阻 R3=10kΩ 用于泄流，防止控制信号的电流过大而损坏场效应管。 由于控制部分电路的供电电压为 +5V，为了方便起见，采用三端集成稳压片 LM7805 将太阳能电池板输出的电压转换为 +5V，LM7805 输出稳定的 +5V 电压，最大输出电流可以达到 [10]。 此处采用三 端 集成稳压 LM7805 虽然 给整个系统的设计带来 了 方便，但是其功耗相对 DCDC变换来说大了不少，最主要的是热损耗。 所以，此处也成为了系统的一个缺陷。 11 从整个转换部分电路的设计来看，其最大的缺陷就是在于LM7805上面的功率损耗严重，但是相对系统效率的提升来说还是很小的。 简洁的电路囊括了滤波、采样、开关等几部分，使得整个电路的设计变得简单、目的非常明确。 控制模块电路设计 控制部分电路的 MCU采用。