太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、摘要 # I摘要眾做周知，追求低碳發(fā)展已經(jīng)成為各國的一項重要的政策。太陽能作為一種清潔的可再生能源越來越受到全世界各國的重視，在各國政府的大力支持下，全世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，因此本設(shè)計是基于太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要研究的是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)，并且研究了基于MC9S12XS128為CPU的新型控制器，對電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計調(diào)試，完成了系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計。關(guān)鍵詞：太陽能可再生能源最大功率點追蹤MC9S12XS128；AbstractAbstract II #AbstractAsyouknow,thepursuitoflowcarbondevelopm

2、enthasbecomeoneoftheimportantpoliciesofeverycountries.Solarenergyasacleanrenewableenergyhasattractedworldattention,inthestrongsupportofgovernments,theworldsolarphotovoltaicindustryhasdevelopedrapidly,sothedesignisbasedonsolarindependentpowersystem,themainresearchisthephotovoltaicmaximumpowerpointtra

3、cking(MPPT)technology,andbasedonMC9S12XS128isanewCPUcontroller,thecircuitparametersaredesignedanddebugging,completedthehardwareandsoftwaredesignofthesystem.Keywords：SolarenergyrenewableenergymaximumpowerpointtrackingMC9S12XS128；工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計緒論- - -第一章緒論太陽能光伏發(fā)電背景以及本設(shè)計的意義隨著當(dāng)今世界能源短缺以及化境污染問題的日

4、益嚴(yán)重，可再生能源的發(fā)展引起了越來越高的重視，因此風(fēng)能、核能、地?zé)崮堋⒊毕芤约疤柲艿刃履茉吹陌l(fā)展也成為了當(dāng)今世界能源發(fā)展的重要利用對象。太陽能的發(fā)展成為了未來主流能源的發(fā)展方向之一，各國以及各地區(qū)都加大了對太陽能發(fā)展的投入。太陽能能夠成為當(dāng)今世界主流能源的發(fā)展方向是因為其清潔環(huán)保，無任何污染，利用價值高。眾做周知，追求低碳發(fā)展已經(jīng)成為各國的一項重要的政策。太陽能作為一種清潔的可再生能源越來越受到全世界各國的重視，在各國政府的大力支持下，全世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，因此本設(shè)計是基于太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要研究的是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)，并且研究了基于

5、MC9S12XS128為CPU的新型控制器，對電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計調(diào)試，完成了系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計。國外太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀太陽能是一種快速增長的能源形式，因此當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對于光伏發(fā)電十分重視，針對其制定規(guī)劃，增加投入，大力發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，即使是在世界經(jīng)濟總量處于衰退和低谷時期，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也一直是以10%-15%的增速持續(xù)發(fā)展。90年代后期，發(fā)展更為迅速，成為全球增長速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。按照規(guī)劃，2010年全球光伏裝機總?cè)萘窟_(dá)到28GW,是2008年以前裝機總?cè)萘康?0.95倍；2030年全球總裝機容量將達(dá)到1850GW。這種增長勢頭在很大程度上要歸功于全球

6、快速增加的市場需求、日益提高的上網(wǎng)電價和各種政府鼓勵措施1。在世界的一些而主要國家中，尤其是德國、意大利、西班牙、美國、法國，聯(lián)邦政府、州政府和地方政府機構(gòu)紛紛以退稅、稅收抵免和其他激勵措施的形式向太陽能產(chǎn)品的最終用戶、經(jīng)銷商、系統(tǒng)集成商和制造商提供補貼和經(jīng)濟鼓勵，以促進(jìn)太陽能在并網(wǎng)應(yīng)用中的使用，降低對其他能源的依賴，然而擁有巨大政治游說能力的傳統(tǒng)公共電力企業(yè)也可能試圖改變所在市場的相關(guān)立法，這也可能對太陽能的發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用造成相對不利的影響。但總體來說，由于全球許多石油和天然氣生產(chǎn)地區(qū)政治和經(jīng)濟局勢的不穩(wěn)定性，多國政府都在采取積極措施，以減少對國外能源的依賴。太陽能提供了一種極具吸引力的發(fā)電

7、方案，而且不會對國外能源形成嚴(yán)重的依賴性。除此之外，日益突出的環(huán)境問題和與礦物燃料發(fā)電相關(guān)的氣候變化風(fēng)險形成政治動因，促使政府實施旨在減少二氧化碳及其他氣體排放量的溫室氣體減排戰(zhàn)略。太陽能及其他可再生能源有助于這些環(huán)境問題的解決。日本早在1994年就出臺了“朝日七年計劃”，并且在1997年又出臺了“七萬屋頂計劃”，規(guī)定每個新安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獲得50%的安裝成本補貼，日本政府在近些年又發(fā)布了光伏產(chǎn)業(yè)的新政策，投資200億元用于鼓勵光伏發(fā)電的應(yīng)用。德國在2000年頒布了可再生能源電力供應(yīng)法，規(guī)定電力公司收購光伏并網(wǎng)電力，并且逐年下調(diào)用戶光伏電價，其中2008年的收購價為40歐分/千瓦時，并且

8、在2011年出臺新規(guī)定要求光伏電價在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上面每年下調(diào)90%。美國早在克林頓政府時期就提出了“百萬屋頂計劃”，奧巴馬政府也積極推進(jìn)新能源政策，將在未來10年內(nèi)耗資1500億美元以刺激私人投資清潔能源。2011年2月通過了“復(fù)興和在投資”法案，對包括光伏在內(nèi)的新能源產(chǎn)業(yè)給予貸款扶持和稅收減免政策。荷蘭擁有世界上面最大的太陽能社區(qū)，改成是位于荷蘭中部城市阿姆斯弗特附近，建有600多座房屋及幾十棟附屬建筑，有600多戶居民在此定居，該社區(qū)的房屋屋頂上面大部分安裝有太陽能光板，晴天時候太陽能光板采集的電能都統(tǒng)一并入到當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)，小區(qū)的用電基本都保持自給自足。1.3我國太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與前景中國

9、太陽能光伏資源豐富，取之不盡用之不竭，成為了傳統(tǒng)不可再生能源的良好替代品。因此無論從能源安全的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略角度觸發(fā)還是從調(diào)整優(yōu)化能源能源結(jié)構(gòu)的需求出發(fā)，大力發(fā)展光伏發(fā)電都是我國能源安全的重要措施之一，為此國家相繼出臺了與光伏發(fā)電相關(guān)的政策，鼓勵光伏發(fā)電的平穩(wěn)快速發(fā)展。我國太陽能資源豐富，理論儲量達(dá)年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能資源開發(fā)和利用的前景十分廣闊。我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時期，太陽能電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增長，經(jīng)過30年的努力，已迎來了快速發(fā)展時的新階段。在“光明工程”先導(dǎo)項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏發(fā)電市場的有力拉動下，尤其是可再生能

10、源中長期發(fā)展規(guī)劃以及“太陽能屋頂計劃”、“金太陽工程”的出臺，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)獲得迅猛發(fā)展：2007年我國的太陽能電池產(chǎn)量超過歐洲和日本成為世界第一；2008年全球太陽能電池產(chǎn)量約7GW，同年我國的太陽能電池產(chǎn)量約2.6GW；2009年全球太陽能電池產(chǎn)量約為10GW，而同年我國產(chǎn)量超過4GW；2009年我國太陽能市場安裝容量為228MW年增長率高達(dá)552%。在我國政府對新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大力推動下，2020年我國的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到20GW2。1.4本設(shè)計的內(nèi)容主要內(nèi)容：具有最高電壓跟蹤功能，相對偏差的絕對值不大于1%。具有頻率跟蹤功能，相對偏差絕對值不大于1%。DC-AC變換器的效率60

11、%，輸出電壓失真度THDW5%。具有輸入欠壓保護功能，具有輸出過流保護功能。分析總結(jié)太陽能電池板的電壓電流輸出特性以及蓄電池的充電過程研究確定具有最大功率點跟蹤的充電方法，此方法可以更好地利用太陽能電池板來轉(zhuǎn)換電能并且有效的延長蓄電池的使用壽命。實現(xiàn)具有最大功率點跟蹤的C語言編程。畫圖并且制作硬件電路。調(diào)試系統(tǒng)使其工作正常。基于MC9S12XS128控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法同時完成相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計。本章小結(jié)本章主要就太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在全世界的應(yīng)用現(xiàn)狀以及前景做了相關(guān)簡介，描述了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用背景，為本設(shè)計的開展提供了一個有力的支持。工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計太陽

12、能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理以及組成- - -第二章太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理以及組成21太陽能光伏發(fā)電的系統(tǒng)分類以及組成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，以及分布式發(fā)電系統(tǒng)。2.1.1離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件，蓄電池，控制器組成，如果輸出的是220V或者380V的交流電則還需要逆變器。圖2-1離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.1.2并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電，但這種電站投資

13、大、建設(shè)周期長、占地面積大，還沒有太大發(fā)展，而分散式小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點已經(jīng)成為并網(wǎng)發(fā)電的主流。氏陽歹U變換器電力網(wǎng)圖2-2并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.1.3分布式發(fā)電系統(tǒng)又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，以滿足特定用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，或者同時滿足這兩個方面的要求。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，另外還有供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，光

14、伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)3本設(shè)計采用的是基于離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的方式下進(jìn)行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究。2.2本設(shè)計采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及工作原理本設(shè)計采用的是離網(wǎng)方式下太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究同時系統(tǒng)還進(jìn)行了逆變的的處理。陽光陣太能伏列B00S1采集電路光耦驅(qū)動/、個/輔助電源AD內(nèi)陽輸出采MC9S12XS128集圖2-3系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖2.2.1本系統(tǒng)主要有由幾個部分組成以及各部分的作用太陽能光伏陣列、BOOST變換器、蓄電池、逆變器、驅(qū)動、采集電路、輔助電源以及控制器M

15、C9S12XS128組成。太陽能光伏陣列的作用是：將照射到光伏陣列表面的太陽能轉(zhuǎn)換為電能共給整個系統(tǒng)。蓄電池的作用是：儲存太陽能轉(zhuǎn)換成的電能并且在沒有陽光或者陽光不足的情況下照射的情況下給負(fù)載供電。逆變器的作用是：由于太陽能光伏陣列送過來的是直流電，同時蓄電池儲存釋放的也是直流電因此當(dāng)系統(tǒng)需要交流電源的時候，就需要逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。BOOST電路的作用是：提升太陽能光伏陣列送過來的電壓，達(dá)到給蓄電池充電的電壓。控制器的作用：控制器是整個太陽能光伏發(fā)電的核心部件，決定著整個系統(tǒng)的運行工作狀態(tài)，同時能夠反映實時工作信息進(jìn)行相關(guān)保護控制42.2.2本系統(tǒng)工作原理該系統(tǒng)的工作原理是太陽能

16、光伏電池板經(jīng)過日照之后輸出電壓經(jīng)過升壓變換器給蓄電池供電，然后經(jīng)過逆變電路變換成交流電。與此同時采集電路采集實時電壓電流信息，送給控制器進(jìn)行閉環(huán)控制實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出以及相關(guān)保護的實現(xiàn)比如過電壓，過電流太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理以及組成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理以及組成工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計- - #- -的保護。輔助電源是為了給給系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行供電，其中主控模塊需要的是+5V電壓，采集電路的傳感器需要的是+-15V電壓，光耦驅(qū)動需要的是+24V電壓。太陽能光伏發(fā)電原理2.3.1太陽能光伏電池種類目前，可以生產(chǎn)太陽能光伏電池的材料有多種，制造的方法也各有差異，所以太陽能光伏

17、電池的種類很多，據(jù)統(tǒng)計，迄今為止已有100多種。太陽能光伏電池雖有這么多種，但可以按所用的材料或電池的構(gòu)造來分類。按照所用材料分類：主要可分為化合物太陽能光伏電池和硅太陽能光伏電池兩大類。硅太陽能光伏電池還可分為晶體硅太陽能光伏電池和非晶體硅太陽能光伏電池兩種。晶體硅太陽能光伏電池還可再分為單晶硅太陽能光伏電池、多晶硅太陽能光伏電池。多晶硅太陽能光伏電池可分為鑄造多晶硅太陽能光伏電池、帶狀多晶硅太陽能光伏電池和薄膜狀多晶硅太陽能光伏電池。按照電池的構(gòu)造來分類：大體可分為塊（片）狀或薄膜狀兩種太陽能光伏電池。塊（片）狀太陽能光伏電池又可分為單晶硅太陽能光伏電池、多晶硅太陽能光伏電池以及其他塊（片

18、）狀太陽能光伏電池。薄膜狀太陽能光伏電池又可分為非晶硅太陽能光伏電池、化合物太陽能光伏電池。2.3.2太陽能光伏發(fā)電基本原理太陽能光伏發(fā)電的歷史進(jìn)程：早在1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾（Becqurel）就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”5。1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實用光伏發(fā)電技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電的原理：太陽能光伏電池的基本結(jié)構(gòu)式一個半導(dǎo)體PN結(jié)，而太陽能光伏發(fā)電的理論依據(jù)則是基于半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。（1）P型半導(dǎo)體形成的原理摻入少

19、量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價鍵的時候，會產(chǎn)生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)，這類物質(zhì)就是P型半導(dǎo)體。（2）N型半導(dǎo)體形成的原理摻入少量雜質(zhì)磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子，這一類物質(zhì)稱為N型半

20、導(dǎo)體。（3）PN結(jié)形成的原理在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了PN結(jié)。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而P型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。于是，有一些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴散。它們擴散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導(dǎo)體中的離子不能任意移動，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交

21、界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個內(nèi)電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，內(nèi)電場減弱。因此，漂移運動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，擴散運動加強。最后，多子的擴散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。在P型半

22、導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。（4）光生伏特效應(yīng)的原理光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。如果光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收,具有足夠能量的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅

23、太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.50.6V。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子一空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理以及組成- - -2.3.3太陽能光伏電池的數(shù)學(xué)模型和工作特性IL圖2-3太陽能光伏電池的等效電路工作原理：當(dāng)光照在電池板上面的時候，由于光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生了電流，當(dāng)光照比較穩(wěn)定的時候，可以將產(chǎn)生的電流看成是一個恒流源如圖所示IL,當(dāng)電流流過負(fù)載的時候產(chǎn)生了一個電壓降V,這個電壓降反過來作用于光伏電池的PN結(jié)上面使PN結(jié)正向偏置，產(chǎn)生了一個漏電流Id流

24、過二極管，這個電流與光電流IL方向相反，串聯(lián)的電阻Rs包括光伏電池板前后表面的金屬電極電阻，半導(dǎo)體材料本身的電阻率，金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻，這三者的數(shù)值一般比較小，一般在0.001歐姆到幾歐姆之間。引入的電阻Rsh形成的原因是光伏半導(dǎo)體邊緣不夠清潔或者內(nèi)部材料存在細(xì)小的裂痕這樣會導(dǎo)致漏電使得本來會流過負(fù)載的光生電流被短路掉。電阻Rsh一般在1K歐姆左右，一般稱之為旁漏電阻。由上述等效電路可得光伏電池的工作特性方程為：二I-1-1（2-1）Ldsh其中：I為光電池的輸出電流Id為流過二極管的電流Ish為流過引入的并聯(lián)電阻Rsh的電流。其中又有：Id=10*（expqVd一1）（2-2）A

25、kTI0：光伏電池內(nèi)部二極管反向飽和電流，他與該電池材料自身特性有關(guān)，一般為常數(shù)，不受光照的影響。Vd:等效二極管的端電壓，VQ：電荷量，1.6*10-19Ck：玻爾茲曼常數(shù)，1.38*10-23J/KT：據(jù)對溫度，KA：PN結(jié)的理想因子，當(dāng)T=300K的時候，A=2.8；因此綜合上述公式可以得出，太陽能光伏電池的輸出伏安特性為:I=I-1expLo(2-3)q(V+RI)V+RIAkTRsh正常光照條件下，光伏電池的輸出功率曲線是以最大功率點為極值的單峰值曲線，因此上述公式能夠較為精確的描述其工作特性。2.3.4太陽能光伏整列的形成原理由于單個的太陽能電池輸出的電壓電流功率都較小，一般情況下

26、輸出的電壓只有0.5V左右，功率在1-2W，因此在實際中會采用許多的單體太陽能光伏電池來串、并聯(lián)組合用以達(dá)到所需要的電壓和電流值。假設(shè)每一個太陽能電池的特性是一樣的，將多個單體太陽能光伏電池進(jìn)行并聯(lián)可以使得輸出電壓線性的增長，將多個太陽能電池單體并聯(lián)的時候可以使得輸出電流線性的增長，將多個單體電池串并聯(lián)混合使用的時候，可以使得太陽能電池板的電壓電流均得到增加。2.3.5太陽能光伏電池的輸出特性由公式(2-3)以及上面的理論分析可知，一般光伏電池，串聯(lián)電阻Rs很小，并聯(lián)電阻Rsh很大，由于Rs和Rsh是分別串并聯(lián)在電路中，因此在進(jìn)行理想電路計算的時候可以忽略不計，因此可以得到代表理想光伏電池的輸

27、出特性方程為：I=II(eAkT1)(24)Lo因此有：V二AkTln(ibL+1)(25)qio上述輸出特性方程雖然忽略了Rs和Rsh的作用于真實的光伏電池產(chǎn)生了微小的偏差，但是從本質(zhì)上面仍然可以反應(yīng)輸出特性與光照和溫度之間的關(guān)系。IL-UL的關(guān)系代表了光伏電池的外特性曲線即輸出特性曲線是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的重要基礎(chǔ)，同時影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性的兩個重要參數(shù)是光照和溫度。圖2-4當(dāng)保持光伏溫度不變的時候輸出特性曲線I-V曲線族圖2-5當(dāng)保持光伏溫度不變的時候輸出特性曲線P-V曲線族圖2-6保持光伏光照不變的時候輸出特性曲線I-V曲線族圖2-7保持光伏光照不變的時候輸出特性曲線P-V曲線族從

28、上述兩種情況下的輸出特性曲線圖可以看出，光伏電池其實是一個非線性的直流電源，光伏陣列提供的功率取決于陽光提供的能量，不可能為負(fù)載提供無限大的功率。當(dāng)光伏電池的電壓上升的時候，負(fù)載的電壓也從0開始增加，電池輸出的功率也從0開始增加，當(dāng)電壓達(dá)到一定值的時候功率可達(dá)到最大，當(dāng)阻值繼續(xù)增加的時候，功率將越過最最大點，并且逐漸減小為0,即電阻無限大的時候達(dá)到系統(tǒng)的開路電壓。光伏電池工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理以及組成- - #- -達(dá)輸出的功率達(dá)到最大的點稱之為最大功率點，該點對應(yīng)的電壓稱之為最大功率點電壓Um,該點

29、對應(yīng)的電流，稱之為最大功率點電流Im，該點的功率稱之為最大功率Pm。鉛蓄電池的工作原理經(jīng)過長期的實踐證明，“雙極硫酸鹽化理論”是最能夠說明鉛蓄電池工作原理的學(xué)說，該理論可以簡單描述為：鉛蓄電池在放電的時候，正負(fù)極的活性物質(zhì)均變成硫酸鉛（PbSO），充電后又恢復(fù)到最初的狀態(tài)，即正極轉(zhuǎn)變成二氧化鉛PbO，負(fù)極轉(zhuǎn)變?yōu)楹?2綿狀的鉛（Pb）。2.4.1充電過程當(dāng)鉛蓄電池接上負(fù)載的時候，外電路便有電流流過，下式表明了放電過程發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)：（1）負(fù)極反應(yīng)：Pb-2e+SO2PbSO44（2）正極反應(yīng)PbO+2e+4H+SO2PbSO+HO2442（3）電池反應(yīng)Pb+2HSO+PbOPbSO+HO+Pb

30、SO242424負(fù)極電解液正極負(fù)極電解液正極從上述電池反應(yīng)可以看出，鉛蓄電池在放電過程中兩極均生成了硫酸鉛，隨著放電的不斷進(jìn)行，硫酸被不斷消耗，同時生成了水，使得電解液的濃度逐漸降低，因此電解液的濃度的高低反映了鉛蓄電池的放電程度。2.4.2放電過程當(dāng)鉛蓄電池接上充電器的時候，外電路接通充電電流流過，下式表示了充電過程中兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)：（1）負(fù)極反應(yīng)：PbSO+2ePb+SO2-44（2）正極反應(yīng)PbSO-2e+2HOPbO+4H+SO2-4224（3）電池反應(yīng)PbSO+2HO+PbSOPb+2HSO+PbO424242負(fù)極電解液正極負(fù)極電解液正極從上述反應(yīng)可以看出鉛蓄電池的充電反應(yīng)恰好

31、是其放電反應(yīng)的逆過程，即充電后極板上面的活性物質(zhì)和電解液的濃度都恢復(fù)到原來的狀態(tài)，所以，在充電過程中，電解液的濃度會逐漸升高。本章小結(jié)要想開展設(shè)計就必須了解太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成，否則就無法將設(shè)計的思想應(yīng)用到現(xiàn)實的系統(tǒng)中，本章主要講解了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)組成以及重要組成部分蓄電池的相關(guān)工作原理，為接下來開展的設(shè)計提供了硬件方向的依托。工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計太陽能電池最大功率點跟蹤- - -第三章太陽能電池最大功率點跟蹤31最大功率點跟蹤由上述分析可知，在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，光伏陣列可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列的輸出功率才

32、能夠達(dá)到最大值，這時的光伏陣列的工作點就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(MaximumPowerPoint，MPP)。因此不斷地根據(jù)外界不同光照強度，環(huán)境等特性調(diào)整光伏陣列的工作點使之始終工作在最大功率點處，叫做最大功率點追蹤(MaximumPowerPointTracking，MPPT)技術(shù)。最大功率點的跟蹤的目標(biāo)是太陽能電池實時輸出最大功率，使其發(fā)揮最大效率，是光伏發(fā)電系統(tǒng)運行控制中的一項關(guān)鍵技術(shù)163.2MPPT基本原理由第二章光伏電池的特性分析可知，光伏電池的伏安特性受到光照強度和環(huán)境溫度影響很大，由第二章給出的光伏電池的端電壓和輸出電流在不同的光照溫度下面的關(guān)系圖可

33、以看出，在相同的環(huán)境溫度下面，光伏電池的短路電流收到光照強度的影響比較大，光照強度越大，則光伏電池的短路電流越大，光照強度越小則太陽能電池的短路電流越??；在相同的光照強度下光伏電池的開路電壓受到溫度的影響較大，溫度越低，則光伏電池的開路電壓越大，溫度越高，則光伏電池的開路電壓越小。此外還可以看出在較高電壓區(qū)域內(nèi)光伏電池具有地內(nèi)阻的特性，可以視為一些列不同等級的電壓源；在較低電壓區(qū)域內(nèi)，光伏電池又具有較高電阻特性，可以視為一些列不同等級的電流源。圖3-1相同溫度不同光照圖3-2相同光照不同溫度由上述兩圖可得光伏電池的輸出功率受到溫度和光照影響較大。從圖（3-1）可知，在相同的光伏電池的溫度下面，

34、照射到光伏電池上面的光照強度越強，則輸出最大功率越大；光照強度越低，則其輸出的最大功率越?。粡膱D（3-2）可知，在相同的光照強度下面，光伏電池的溫度越高，輸出的最大功率越小，光伏電池溫度越低，輸出的最大功率越大。從第二章給出的I-V曲線和P-V曲線可以發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律就是，光伏電池輸出功率的極大值往往出現(xiàn)在電壓源區(qū)域和電流源區(qū)域的交點處。在這個極大值得兩側(cè)太陽能電池的輸出功率都在0和極大值之間連續(xù)變化。換而言之對于同樣的功率輸出太陽能電池及可以工作在電壓源區(qū)域也可以工作在電流源區(qū)域，太陽能電池的最大功率輸出就是即工作在兩個區(qū)域的一個特例。MPPT策略實時檢測光伏陣列的輸出功率，通過一定的控制算法預(yù)

35、測當(dāng)前條件下面可能的最大功率輸出，從而改變當(dāng)前的阻抗情況來滿足最大功率輸出的要求，這樣即使太陽能電池板PN結(jié)結(jié)溫升高使得輸出功率減小系統(tǒng)仍然可以運行在最佳的狀態(tài)。3.3最大功率點跟蹤的方法實現(xiàn)最大功率點跟蹤的方法有很多，應(yīng)用比較多比較典型的有，基于參數(shù)選擇方式的恒定電壓法，基于電壓電流檢測的干擾觀測法，電導(dǎo)增量法等7331恒定電壓法由相同溫度不同光照情況下的輸出功率P與輸出電壓v的關(guān)系圖可知，在光伏溫度一定的時候，其輸出特性曲線上面的功率最大點幾乎是一個固定電壓值，因此很定電壓法（ConstantVoltageTracking，CVT）正是利用這一特性，根據(jù)實際系統(tǒng)設(shè)定一個恒定的運行電壓，使得

36、系統(tǒng)始終保持運行在某一特定的電壓情況下從而使得輸出盡可能的為最大功率，在外界環(huán)境變化不大的情況下面可以近似認(rèn)為光伏電池始終工作在最大功率點處。圖3-3恒定電壓發(fā)的控制流程圖由圖（3-3）可知，系統(tǒng)只需要對光伏電池的輸出口端電壓（V）進(jìn)行采樣，并且同光伏電池端電壓的參考值（V參考）進(jìn)行比較；若輸出口端電壓與參考值不同則通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)光伏電池的負(fù)載特性（通常是DC/DC或者DC/AC變換器），使得輸出口的端電壓等與參考值。由系統(tǒng)的流程圖可以知道，恒定電壓法算法簡單，實現(xiàn)容易，但是在同樣的光照強度下面光伏電池的輸出還會受到溫度的影響，在光伏陣列的功率輸出隨著溫度變化的情況下如果仍然采用給恒定電壓法

37、控制策略，陣列的輸出功率將會偏離最大功率點，產(chǎn)生較大的功率損失。特別是在某些情況下光伏陣列的結(jié)溫會明顯升高，導(dǎo)致整列的伏安曲線與系統(tǒng)設(shè)定的工作電壓可能不存在交點那么系統(tǒng)將會產(chǎn)生震蕩。3.3.2干擾觀測法干擾觀測法由于實現(xiàn)簡單，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實時MPPT的控制，因此其控制效果效果較為理想，在光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制中較為常見。圖3-4干擾觀測法的控制流程圖干擾觀測法的原理是先讓光伏陣列工作在某一參考電壓下面，檢測輸出功率，然后再這個工作電壓基礎(chǔ)上，加上一個正向電壓擾動量，若此時檢測輸出功率增加，則表明光伏陣列最大功率點在當(dāng)前功率點的右邊，可以繼續(xù)增加正向擾動。若此時檢測輸出功率減小，則表明光伏陣列

38、最大功率點在當(dāng)前功率點的左邊，應(yīng)當(dāng)減小輸出電壓，在下一周期增加負(fù)向擾動。干擾觀測法通常使用兩個傳感器對直流母線的輸出電壓和輸出電流分別采樣，這種控制方法直觀易于實現(xiàn)，對于傳感器的要求不高，利用數(shù)字控制器來實現(xiàn)編程控制非常方便，在大多數(shù)場合能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點跟蹤。干擾觀測法作為以匯總工程應(yīng)用中使用的比較廣泛的實時控制方法，其實現(xiàn)過程中參數(shù)的設(shè)定多種多樣，根據(jù)干擾步長和控制效果，可以分為常規(guī)法和改進(jìn)的干擾觀測法。常規(guī)法中根據(jù)控制參數(shù)的不同可以分為干擾電壓法，占空比（直流脈寬調(diào)制）調(diào)制法；改進(jìn)的干擾觀測法主要分有變步長法，（Du/Dp）-U法，（Du/Dp）-I法等等。雖然干擾觀測法擁有很多優(yōu)點，但

39、是，其在系統(tǒng)運行至穩(wěn)態(tài)時，只能夠在最大大功率點附近振蕩運行，造成了一定的功率損失，這個是干擾觀測法的原理造成的，無法避免。只能夠通過減小擾動步長和合理的選擇擾動量大小來減小功率損失，但是減小擾動步長會造成響應(yīng)速度變慢，難以實現(xiàn)快速跟蹤。3.3.3電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法也是通常使用的一種MPPT技術(shù)，是通過光伏陣列的瞬時電導(dǎo)和顛倒的變化量來實現(xiàn)最大功率跟蹤。由光伏陣列的輸出特性曲線可知，其輸出特性曲線是一個單峰值的曲線，因此在其最大功率點處必定有dP/dV=O，其中P是輸出功率，V是輸出電壓，如果dP/dV0則系統(tǒng)工作在最大功率點的左側(cè)，如果dP/dV7T:Ref=URef-vUURef=URef

40、-vLX0YES7”二忘、一YESz7URef=URef-vlU.Ref=URef+vLVFS幵蠟r采樣Y用FM計算dU0PD=Pp10=1uo=u圖3-5電導(dǎo)增量法的控制流程圖電導(dǎo)增量法通過比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬時電導(dǎo)來改變控制信號，該控制算法也需要同時對光伏陣列的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行采樣，電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定度高，但是對硬件的要求特別是傳感器的精度要求特別高，系統(tǒng)各個部分的響應(yīng)速度都要求比較快，因而系統(tǒng)整個造價會比較高。工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)電路設(shè)計工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計- - - -3.3.4、三種控

41、制方法進(jìn)行比較總結(jié)表3-1三種MPPT控制方法比較優(yōu)點缺點適用場合恒定電壓法1、控制簡單2、實現(xiàn)容易1、會產(chǎn)生振蕩2、較大的功率損失簡單的光伏發(fā)電系統(tǒng)如獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、小型太陽能草坪燈等等干擾觀測法1、控制算法簡單直觀2、硬件易于實現(xiàn)3、傳感器要求不咼4、使用場合廣泛1、會有不可避免的功率損失產(chǎn)生2、難以平衡步長與響應(yīng)速度之間的關(guān)系功率較小控制精度要求不咼，并且恒壓又難以滿足的場合電導(dǎo)增量法1、控制效果好2、不受系統(tǒng)外部電路影響3、穩(wěn)定度咼1、控制系統(tǒng)計算量大，對于控制系統(tǒng)的要求很高2、對于傳感器的精度要求很咼3、系統(tǒng)的硬件造價曰申昂貝適用于高性能要求的控制場合本系統(tǒng)采用的控制方法由于

42、本設(shè)計實在實驗室里面進(jìn)行的相關(guān)硬件電路調(diào)試及軟件仿真，因此與實際系統(tǒng)會有較大的差別，所以我采用的是恒定電壓法來作為最大功率點跟蹤的控制算法，算法具有一定的局限性，但是對比三種常用的控制算法可知，干擾觀測法和點到增量法在根本上面是對恒定電壓法進(jìn)行的擴展，所以了解掌握了恒定電壓法的編程后兩種控制算法的實現(xiàn)也比較容易。本章小結(jié)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最為重要的也是最難以解決的就是控制算法，本章主要講解了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤方面的控制算法思想，為后續(xù)的編程提供了理論依據(jù)，同時通過對比來得出適用于本設(shè)計最合理的跟蹤算法。第四章太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)電路設(shè)計41太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)常用DC/DC變換器方

43、案4.11BUCK電路原理圖及工作原理工作原理：BUCK變換器是一種輸出電壓，等于V二TonV二TonV二DV（4-1）輸入電壓OT+TiTiiONOff或者小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器，主電路結(jié)構(gòu)圖如上，它是由功率開關(guān)管，儲能電感，續(xù)流二極管及輸出濾波電容等組成。BUCK變換器有兩種基本工作狀態(tài)，即電感電流連續(xù)工作狀態(tài)（CCM）和電感電流不連續(xù)工作狀態(tài)（DCM）,開關(guān)管的控制極即原理圖中的S加一周期T的方波控制信號，高電平信號時間為Ton和低電平時間Toff，當(dāng)控制信號為高電平時，S導(dǎo)通，續(xù)流二極管D因為反向偏置而截至，輸入電壓通過儲能電感L向負(fù)載RL供電，同時向濾波電容C充電，此時儲

44、能電感L的電流逐漸增加，存儲的磁場能量逐漸增加，經(jīng)過Ton時間后，控制信號變?yōu)榈碗娖綍r，開關(guān)管截止，通過儲能電感L的電流不能夠突變，所以在它兩端產(chǎn)生一個自感電動勢，使得續(xù)流二極管D導(dǎo)通，此時儲能電感L把春村的電磁能量傳遞給負(fù)載，濾波電容C的作用是降低輸出電壓的脈動，經(jīng)過時間Toff后控制脈沖又使得開關(guān)管導(dǎo)通，上述工程重復(fù)發(fā)生8現(xiàn)在做以下假設(shè)：（1）電力電子器件是理想的，即開關(guān)管和二極管的導(dǎo)通和管段時間為零，通態(tài)阻抗為0斷開時阻抗為無窮大。（2）電感電容均為理想無損耗儲能元件。（3）不計算線路阻抗在以上假設(shè)的前提下當(dāng)處于電感連續(xù)工作狀態(tài)的時候輸入輸出電壓之間的關(guān)系為:(4-2)TTV二fV二fV

45、二DVOT+TiTiionoff其中D=Ton/T稱之為脈沖占空比，由上式可知輸出電壓與占空比成正比，所以通過改變開關(guān)管的占空比可以改變輸出平均電壓的大小，由于Dvl因此輸出電壓總是小于輸入電壓，因此此種電路稱為降壓電路，也稱之為BUCK電路。4.1.2BOOST電路原理圖及工作原理LDRLscL圖4-2BOOST電路原理圖升壓型（BOOST）變換器所使用的元器件與降壓型（BUCK）電路所使用的元器件是相同的，僅僅電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，上圖所示為BOOST電路的原理圖也稱之為并聯(lián)開關(guān)變換器，與BUCK變換器不同的是，BOOST變換器的電感在輸入端，稱之為升壓電感，開關(guān)管（即圖中的S）仍然是采用P

46、WM控制方法，但是他的最大占空比不能夠等于1.電路的工作原理：當(dāng)開關(guān)管S工作于導(dǎo)通狀態(tài)的時候，能量從輸入電源V流入，并且存儲在升壓電感L中，此時二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載RL的電壓由濾波電容C提供；當(dāng)開關(guān)管S工作在截止?fàn)顟B(tài)下的時候，電感L中電流不能夠突變，電流流經(jīng)二極管D由此來將電感中存儲的能量提供給負(fù)載，并且向電容充電。當(dāng)電感電流處于連續(xù)的狀態(tài)，并且遵從BUCK電路計算中提出的三條假設(shè)則有輸入輸出的關(guān)系為：VV-（4-3）o1-D由于占空比總是小于1,因此輸出電壓Vo總是大于輸入電壓Vi,因此也稱該電路為升壓電路，通過改變占空比D就能夠獲得所需要的輸出電壓值。4.1.3BUCK-BOOST電

47、路原理圖及工作原理RL圖4-3BUCK-BOOST電路原理圖降壓-升壓(BUCK-BOOST)變換器主電路使用的元器件與BUCK和BOOST電路的基本相同，也是由開關(guān)管，二極管，電感，電容等構(gòu)成，與BUCK和BOOST變換器不相同的是其輸出電壓的極性與輸入電壓相反，BUCK-BOOST變換器既能夠工作在BUCK變換器狀態(tài)下使得輸出電壓小于輸入電壓，也能夠工作在BOOST變換器的工作狀態(tài)下面，使得輸出電壓高于輸入電壓，在給定的輸出電壓下，輸入電壓可以在一個較寬的范圍內(nèi)變化，這減小了對濾波電容的要求。BUCK-BOOST變換器同BUCK和BOOST變換器一樣電感電流也有兩種工作狀態(tài)，即電感電流連續(xù)

48、工作狀態(tài)(CCM)和電感電流斷續(xù)工作狀態(tài)(DCM)。在Ton期間開關(guān)管S導(dǎo)通，能量從輸入電源流向電感L并且存儲在其中，此時二極管D截止，有濾波電容C向負(fù)載提供電流；當(dāng)工作在Toff期間開關(guān)管S截止，由于電感中的電流不能夠突變，因此電感電流流經(jīng)負(fù)載并且向濾波電容充電，二極管D導(dǎo)通，因此可見BUCK-BOOST變換器能量首先存儲在電感L中，然后經(jīng)由電感向負(fù)載釋放能量9當(dāng)工作在CCM模式下面的時候，輸入輸出電壓之間的關(guān)系式為：TDV二fV二V(4-4)oTi1-Dioff因此可以看出當(dāng)改變占空比D的時候既能夠改變輸出電壓并能夠得到高于后者低于輸入電壓的輸出電壓。當(dāng)D=0.5時，Vo二Vi；當(dāng)D0.5

49、時，VoVi升壓型；當(dāng)D0.5時，VoSPI2SPI1ororPWXISPIIFCHCH470-3sCHANStarl2CEUBKPINIMMIsniCMEDMMEBIP)lPLLPITmsCAN2msCAN1EDLCoridsCAN0IKBYTESEI.PEOA1ECT8CHAN11C圖5-1MC9S12XS128內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換模塊示意圖:特點：8/10位精度7us,10-位單次轉(zhuǎn)換時間.采樣緩沖放大器可編程采樣時間左/右對齊，有符號/無符號結(jié)果數(shù)據(jù)外部觸發(fā)控制轉(zhuǎn)換完成中斷模擬輸入8通道復(fù)用模擬/數(shù)字輸入引腳復(fù)用1到8轉(zhuǎn)換序列長度連續(xù)轉(zhuǎn)換模式多通道掃描方式5.2.3基于MC9S12XS128的

50、控制系統(tǒng)測I嗆nJjIDRsLiiP.URUfvm191Ra：SHri-f；：jCl，JLLiLLLlLL/I.I-I_JI-tL“m忙用襯ft.hcNFuI:M11.屮1J.山r:一a;冷wwr*imR(Jw耿WtfTtaimWIPEHXIWWf関kxVH陽kA-PT：!i!IV-Nl訓(xùn)I哌UhBc/.w-1nn.ikMihiw油刪訕】憂hum也rjUNWNII討IB恥也訕即I】hDWMt士nrjTTf1IDHTi*TJiUBdu-.rAdb*fC-M日*畸卜圖5-2本設(shè)計米用的最小系統(tǒng)板原理圖本系統(tǒng)使用的XS128芯片，最小系統(tǒng)板如圖（5-2）所示，該控制芯片的管腳一共有112個，在控制中

51、使用了如下端口資源：第一，AD采集口，由于采用了恒定電壓MPPT的方法，因此需要一個AD采集口來采集系統(tǒng)的母線電壓，同時對電路的輸出電流等要做一定的保護，因此還需要采集系統(tǒng)的電流，因此還需要一個AD采集口。第二，在控制系統(tǒng)中，我們的主電路BOOST電路需要一個PWM輸出口，同時逆變電路還需要四個PWM口因此一共需要五個PWM輸出口。以上是本設(shè)計系統(tǒng)所必須具備的端口資源，同時如果還需要做一些附加電路或者功能則另外在使用剩下的端口資源。MC9SXS128是整個控制系統(tǒng)的核心，其在本設(shè)計中主要起到以下功能：（1）轉(zhuǎn)換采樣電路的模擬信號，計算出光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓電流以及功率等信息。（2）根據(jù)太陽能

52、光伏陣列的輸出電壓調(diào)整太陽能光伏陣列的工作狀態(tài)，使得整個系統(tǒng)工作在最大功率點上。（3）對蓄電池的充電實現(xiàn)相關(guān)欠壓以及過流保護。輔助電路光伏電壓光伏由流gMC9S12XS128A1)C驅(qū)動電路圖5-3控制系統(tǒng)框圖5.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計531軟件流程圖圖5-4控制系統(tǒng)軟件流程圖5.3.2控制算法光伏電池最大功率輸出采用的是恒定電壓法，控制系統(tǒng)采用的是數(shù)字增量法PID控制算法，他比連續(xù)PID控制算法在此種系統(tǒng)上面具有更好的響應(yīng)性以及穩(wěn)定度14。為了使控制系統(tǒng)的軟件編程能夠使用數(shù)字PID控制器，當(dāng)采樣周期足夠小的時候，可以用求和代替積分，用向后差分代替微分，即作如下近似化處理，離散化的時候有：太陽能光

53、伏發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)工學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計- #- - -e(t)e(k)Fe(t)dtqT工e(j)0j=0de(t)e(k)-e(k-1)dtT連續(xù)PID公式：u(t)=Kpe(t)+TA(t)dt+TDdf1T:積分時間常數(shù)，1T微分時間常數(shù)，K比例系數(shù)Dpu(k)=Kpe(k)+T匕(j+牛e(k)-e(k-1)T1j=0T(5-1)綜合上述公式可得位置式PID算法的公式為:T:積分時間常數(shù)，T微分時間常數(shù)，K比例系數(shù),T采樣周期，k采樣序號1Dp數(shù)字式PID控制系統(tǒng)可以分為位置式PID，增量式PID,。位置式PID數(shù)字控制器的輸出u

54、(k)是全量輸出，是執(zhí)行機構(gòu)所應(yīng)該達(dá)到的位置，數(shù)字控制器的輸出u(k)和過去的狀態(tài)有關(guān)，計算機的運算工作量大，需要對e(k)作累加，而且計算機的故障可能使得u(k)作大幅度的震蕩，這種狀況在實際生產(chǎn)中往往是不允許的，而且在某些場合還會造成嚴(yán)重的事故?？紤]到以上情況，在實際生產(chǎn)中還采用一種增量式算法。增量式算法是位置式算法的一種改進(jìn)，由位置式PID的計算公式可得u(k-1)次的PID輸出為：TOC o 1-5 h zu(k-1)=Ke(k-1)+藝e(j)+TDe(k-1)-e(k-2)(52)pTT1j=0T:積分時間常數(shù)，T微分時間常數(shù)，K比例系數(shù),T采樣周期，k采樣序號1Dp則有：Au(k

55、)=u(k)-u(k-1)=Ke(k)-e(k-1)+Ke(k)+Ke(k)-2e(k-1)+e(k-2)p1D(53)(5-3)式即為增量式PID的算法公式。由(5-3)可知計算機僅需要輸出控制量的增量因此稱之為增量式算法，又稱速率式算法。5.3.3系統(tǒng)增量式PID算法程序/dianya控制PID/signedintv_pid01(signedintNextPoint)/此處的NextPoint在調(diào)用函數(shù)的時候賦值為a0/dianya相關(guān)變量的定義/staticsignedinterror01=0;/當(dāng)前采樣偏差e【k】/staticsignedintlasterror01=0;/上次采樣偏

56、差e【k-1】/staticsignedintperror01=0;/上上次采樣偏差e【k-2】/staticsignedintderror01=0;/偏差微分初始化/signedintadjust01=0;/調(diào)整量初始化/signedintoutput01=0;/輸出量初始化，即PWMDTY1的值/signedintki01=100;signedintkp01=250;signedintkd01=1;error01=150-NextPoint;/期望輸出電壓為15Vperror01=error01-lasterror01;/當(dāng)前jifen/derror01=error01-2*lasterr

57、or01+perror01;/當(dāng)前微分/adjustO1二kp01*error01+ki01*perror01+kd01*derror01;/調(diào)整量/outputO1二adjust01;/輸出量即PWMDTY23的值/設(shè)置jifenbaohe死區(qū)/if(output01=1000)output01=1000;a1=output01;/誤差存儲/perror01=lasterror01;lasterror01=error01;returnoutput01;工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文:太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計- #- #-本章小結(jié)一個設(shè)計的基礎(chǔ)分為硬件及軟件

58、兩部分組成，本章承接前面的硬件電路思想來設(shè)計出軟件的思路，并且將控制思想轉(zhuǎn)換為實際的C語言代碼，完成了最為重要的控制思路的設(shè)計也為本設(shè)計劃上了一個句號。結(jié)束語結(jié)束語- - #-結(jié)束語隨著社會的不斷發(fā)展煤炭、石油、天然氣等不可再生能源將會日益減少，因此全球的能源危機將會是世界各國面臨的一個不可忽視的關(guān)乎國運民生的大問題。另外，不可再生能源的大量使用還造成了全球性的溫度上升，兩極冰川融化等等迫在眉睫的環(huán)境問題。為了尋求一個可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展模式，全世界各國都在大力尋求和開發(fā)可替代能源，在這么多的開發(fā)產(chǎn)品中太陽能的開發(fā)和利用技術(shù)是比較成熟和可靠地，而且太陽能資源是一種取之不盡用之不竭的綠色能源，因此，

59、在未來太陽能的開發(fā)利用將會是能源領(lǐng)域的發(fā)展重點之一。從當(dāng)前全世界各國以及我們國家的太陽利用情況來看，大多數(shù)太陽能光伏發(fā)電站都是屬于獨立的光伏電站并沒有并入?yún)^(qū)域性的電網(wǎng)里面，這不僅有太陽能光伏發(fā)電在造價方面比較昂貴，還有就是發(fā)電質(zhì)量不夠好，不夠穩(wěn)定，發(fā)電效率比較低。因此，擺在太陽能光伏發(fā)電發(fā)展道路上必須要解決的幾個問題是：一，盡可能的降低太陽能光伏發(fā)電的出其造價；二，提高太陽能光伏電池板的光電轉(zhuǎn)換效率；三，太陽能光伏電池如何隨時保持最大功率輸出15。本設(shè)計研究太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括以下幾個內(nèi)容：建立一個可靠地太陽能光伏電池模型確定太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤的方法對比常用的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

60、的DC-DC拓?fù)漕愋筒⒋_定拓?fù)漕愋偷氖褂猛瓿苫贛C9S12XS128為控制核心的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計調(diào)試，并且完成相關(guān)C語言編程由于時間的限制，以及設(shè)計水平的不夠，因此本設(shè)計在在許多地方還做的不夠細(xì)致，硬件電路也沒能夠調(diào)試出理想的結(jié)果，因此在下一步我將會對本設(shè)計進(jìn)行以下改進(jìn)：完善硬件電路的相關(guān)功能使用更精確的最大功率追蹤方法(3)使用更加合理的拓?fù)漕愋?4)調(diào)試好硬件及軟件，是這個設(shè)計能夠形成一種產(chǎn)品推向市場參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)- #- -參考文獻(xiàn)楊貴恒，張生澤，張穎超，鄭勇編著.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.3汪峰，于文華十二五時期中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策