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基于超级电容器储能的独立光伏发电系统研究


华北电力大学(保定) 硕士学位论文 基于超级电容器储能的独立光伏发电系统研究 姓名:张瑞宁 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:石新春 20071230

华北电力大学硕士学位论文摘要





本文研究了基于超级电容器储能的独立光伏发电系统的控制理论,并完成了硬 件实现。在MATLAB软件中构建光伏发电系统,并对改进干扰观测方法进行验证。 硬件主回路采用降压斩波电路(BUCK),MOSFET作为开关元件,具有驱动功率 小、开关速率高的特点。采用新华龙公司的C8051F310芯片作为最大功率跟踪控制 器(MPPT)的微处理器,具有10位A,D转换器模块,运算速度快,电路实现简单。 超级电容器充放电时端电压浮动较大,不满足负载恒压/恒流工作要求,所以本文设 计了稳压器和稳流器两种放电电路。为了延长超级电容器的寿命,还设计了过充、 过放保护电路。最后专门为太阳能灯具设计了自动开关电路。 关键词:光伏电池,超级电容器,MPPT,BUCK

ABSTRACT

In

this paper the control

theory

and hardware

implementation of independent
as

photovoltaic(PV)power

system is researched.Super capacitor is used

the energy

、storage device.The PV panel model is built in

MATLAB,and

the improved perturbation
as

and observation method is tested using the model.BUCK is used

the main circuit.
as

MOSFET MCU

is used

as

the switch,little driving power and fast.C805 1F3 10 is used

the

of the controller.C805 1 F3 10 has 10 bits A/D which is fast and simple.Super
or

capacitor has catastrophic fluctuation when charges

discharges.But the loads always


need constant voltage and current.To cater to the need of loads,in this paper regulator and


voltage

current regulator are designed.To lengthen the super capacitor’S life,
are

over-charging and over-discharge circuits designed for solar energy light. Zhang

designed.At last,an auto?switch circuit is

Ruining(Power

Electronics and Power

Drivers)

Directed by prof.Shi Xinchun

KEY

WORDS:Photovoltaic battery,Super capacitor,MPPT,BUCK

华北电力大学硕士学位论文摘要





本文研究了基于超级电容器储能的独立光伏发电系统的控制理论,并完成了硬 件实现。在MATLAB软件中构建光伏发电系统,并对改进干扰观测方法进行验证。 硬件主回路采用降压斩波电路(BUCK),MOSFET作为开关元件,具有驱动功率 小、开关速率高的特点。采用新华龙公司的C8051F310芯片作为最大功率跟踪控制 器(MPPT)的微处理器,具有10位A,D转换器模块,运算速度快,电路实现简单。 超级电容器充放电时端电压浮动较大,不满足负载恒压/恒流工作要求,所以本文设 计了稳压器和稳流器两种放电电路。为了延长超级电容器的寿命,还设计了过充、 过放保护电路。最后专门为太阳能灯具设计了自动开关电路。 关键词:光伏电池,超级电容器,MPPT,BUCK

ABSTRACT

In

this paper the control

theory

and hardware

implementation of independent
as

photovoltaic(PV)power

system is researched.Super capacitor is used

the energy

、storage device.The PV panel model is built in

MATLAB,and

the improved perturbation
as

and observation method is tested using the model.BUCK is used

the main circuit.
as

MOSFET MCU

is used

as

the switch,little driving power and fast.C805 1F3 10 is used

the

of the controller.C8051F310 has 10 bits A/D which is fast and simple.Super
or

capacitor has catastrophic fluctuation when charges

discharges.But the loads always


need constant voltage and current.To cater to the need of loads,in this paper regulator and


voltage

current regulator are designed.To lengthen the super capacitor’S life,
are

over-charging and over-discharge circuits designed for solar energy light. Zhang

designed.At last,an auto-switch circuit is

Ruining(Power

Electronics and Power

Drivers)

‘Directed by prof.Shi Xinchun

KEY

WORDS:Photovoltaic battery,Super capacitor,MPPT,BUCK

声 尸

明 叫

本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《基于超级电容器储能的独立光伏发电 系统研究》,是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间,在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。

学位论文作者签名:

客韶口

日期:竺墨:堕!12

关于学位论文使用授权的说明

本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定,即:①学校有权保管、
并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借阅;④学校可以学术交流为 目的,复制赠送和交换学位论文;⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。

(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)

作者签名:弘碜皇
El期:兰翌呈:!!!!乡

导师签名:

E1期:堕:!:三

华北电力大学硕士学位论文

第一章引言

1.1太阳能光伏发电的背景与意义
跨入21世纪后,人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战,如何在 能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题IlJ。而能源问题 更为突出,不仅表现在常规能源的匮乏,更严重的是化石能源的开发利用加剧了环
境的恶化。

上述问题最终将迫使人们改变能源结构,寻找清洁的替代能源。人类要解决能 源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源。 据预测,到本世纪中叶可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上,包括太阳能 在内的可再生能源在本世纪将会以前所未有的速度发展,逐步成为人类社会基础能 源。太阳能具有独特的优势,其开发利用必将在21世纪得到长足的发展。 太阳能资源开发利用有如下优点: ①储量丰富。相对于常规能源的有限性,太阳能储量是“无限"的,这就决定了 开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏枯竭的最有效途径。 ②分布范围广泛。纬度的不同和气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀,但 相对于其他能源来说,太阳能对于绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取 用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 ③清洁性和经济性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样,其开发利用几乎不 产生任何污染,加之储量的无限性,是人类理想的替代能源。 太阳能开发利用技术发展很快,特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力 地促进了太阳能的开发利用。经过近半个世纪的努力,太阳能光热利用技术及其产 业异军突起,已经成为新能源工业的一支生力军。太阳能的应用领域非常广泛,但 最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能可以转换成多种其它形式的 能量,比如热能、氢能、机械能、生物能、电能等等【21,由于电能是现代工业中最 常用的直接能源,因此由太阳能直接转化成电能是太阳能利用中最具有前景的方 式。太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种,其中光伏发电就是利用光伏电池将 太阳能直接转化为电能。 光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景上都远远强于光热发电,因此 通常所说的太阳能发电指的就是光伏发电。自从实用性的硅光伏电池问世以来,世 界上便开始太阳能光伏发电的应用。随着光伏电池技术的不断提高,价格下降,光 伏发电的规模日益扩大。光伏发电不消耗燃料,不受地域限制,规模大小随意,可


华北电力火学硕士学位论文

以独立发电或并网发电;无噪声、无污染,建设周期短,寿命长;不用架设输电线 路,安全可靠,维护简便,具有其它发电方式无可比拟的优点,它是大规模利用太
阳能的重要技术基础13J。

光伏发电可以有效的缓解石化能源危机问题、环境污染问题、偏远地区的供电
问题,具有重大的现实意义。

1.2国内外光伏发电的现状及发展趋势
进入新世纪后,世界光伏发电总量每年以30%以上的速度递增,2004年装机总 量达到1200MW,比2003年同比增长61%强,是全球发展最快的新能源【引。近几 年国际上光伏发电加速发展,美国计划到2010年安装1000.3000MW光伏电池, 而日本计划到2010年安装7600MW光伏电池【41。当前影响光伏电池大规模应用的 主要障碍是它的成本太高,因此光伏电池的主要发展方向是通过改进现有的制造工 艺,设计新的电池结构,开发新颖的电池材料等方式降低电池成本。另外目前电力 电子发展迅速,把电力电子的功率变换技术应用于光伏发电的控制系统以提高光电 转换效率。由于生产规模的扩大,生产工艺的改进,晶体硅光伏电池组件的制造成 本己降至3.3.5美元/W,售价也相应降到4.5美元/W[51。可以预知2010年以后,光 伏电池成本不断下降,光伏发电将进入大规模高速发展时期。 在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的光伏制造业争相投入巨资,扩大生 产,以争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃 发展的光伏发电相比,我国落后于发达国家10.15年,甚至明显落后于印度。但是, 我国光伏产业正以每年30%的速度增长。 目前,太阳能光伏发电系统有三种发展方向:独立运行、并网型和混合型光伏
发电系统。

(1)独立运行光伏发电系统 独立运行光伏发电系统的结构如图1.1所示。在独立运行系统中,储能单元一 般是不可以少的,它将由日照时发出的剩余的电能储存起来供日照不足或没有日照
时使用。

图1-1独立运行发电系统
● 2

华北电力大学硕士学位论文

(2)并网型光伏发电系统 在有公用电网的地区,光伏发电系统可以同电网连接,这要求逆变器具有同电 网连接的功能,系统组成如图1.2所示。并网型光伏系统的优点是系统可以省去储 能单元而将电网作为自己的储能单元。当日照很强时,系统将所发的多余电能经并 网逆变器变为符合所接电网电能质量要求的交流电回馈入电网,而当需要用电时再 从电网输出电能。省去储能单元后光伏发电系统的造价可以大幅度降低。

图1-2并网型光伏发电系统

(3)混合型光伏发电系统 混合型光伏发电系统是在系统中增加一台备用发电机组,当光伏电池发电不足 或储能单元容量不足时,可以启动备用发电机组,它既可以直接给交流负载供电,
又可以经整流后给储能单元补充充电,如图1.3所示。

图1-3混合型光伏发电系统

目前,国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电 的方向发展,光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。国内光伏系统仍主要是用在 边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。 本文主要介绍光伏发电在太阳能灯具中的应用,并且选用发展迅速的新兴能量 储存器件超级电容器作为其储能装置。超级电容器与蓄电池及普通电解电容器相 比,具有明显的特点和优点,超级电容器兼具蓄电池能量密度大和普通电容器功率



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密度大的优点:充放电速度快,充放电效率高,循环寿命长,高低温性能好。此外, 超级电容器的材料几乎没有毒性,环境友好,而且在使用中无需维护。 (1)循环寿命长。室温条件下,超级电容器深度充放电时的充放电循环次数 可达50万次以上【6’71,或可以工作90000小时。作为能量储存装置,其使用寿命与 系统中的功率变换器、控制器等装置相当甚至更长,在很多应用场合均可视为永久 性器件,可以做到“一经安装,无需更换”。 (2)高低温性能好。超级电容器在能量的交换过程中不发生电化学反应,因 而与可充电蓄电池相比,对环境温度的依赖性大为减弱,具有良好的高低温性能。 超级电容器能够在.40一+70℃温度范围内正常工作,而不会发生明显的性能降低。 (3)环境友好。双电层超级电容器使用的材料安全、无毒、环保。电极材料 主要由碳组成,不含铅、镉等重金属,不会对环境带来污染,也不会对生产或使用 人员造成伤害。此外,超级电容器属于静止储能器件,没有转动的机械部分,在使 用中安全可靠,不会给环境带来噪声污染。 (4)充放电效率高。超级电容器的等效串联内阻很小,在充放电过程中的能 量损耗小,因而具有很高的充放电效率,其充放电周期效率可以达到90%以上I.7’引。 在包括功率变换器能量损耗的情况下,超级电容器的充放电周期损耗约为10%,蓄
电池则为20%一30%191。

(5)能量管理简单准确。超级电容器的储能量与端电压之间具有确定的关系, 即,W=CU2]2。因而对荷电状态的判断简单而准确,只需检测端电压,就可以准 确确定所储存的能量,方便了系统的能量管理。 (6)充放电速率快。超级电容器可以等效为一个等效串联内阻与理想电容器 的阻容结构110,11】,由于等效串联内阻很小,因而超级电容器的充放电时间常数很小, 可以允许以很大的速率充放电。蓄电池在充放电过程中会受到参与电化学反应的离 子扩散速度的限制,因而充放电速率慢。 当然,超级电容器也存在着较明显的不足之处,尤其是应用于长期的、大容量 的电力储能场合。从目前的产品情况来看,主要存在以下的不足之处。 (1)能量密度较低。超级电容器的能量密度与蓄电池相比偏低,大约是铅酸 蓄电池的20%。在相同的能量需求条件下,其体积重量比蓄电池组大得多,应用范 围受到制约,还不适宜于大容量的电力储能。但从近年来超级电容器的发展趋势看, 其能量密度提高较快。如日本电子于2003年10月3日发布的新型双电层电容器, 能量密度高达50.75Wh/kg,几乎提高了10倍,已经达到了甚至超过了蓄电池的水
平112]



(2)端电压波动范围大。超级电容器的端电压随着储能量的变化波动较大,


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在充放电过程中会不断地上升或下降。如,当超级电容器放出75%的储能量时,其
端电压下降到了原来的50%。负载在工作过程中一般要求端电压稳定,因而,需要

在超级电容器与负载之间配置一个电压适配器,以达到稳压的目的。 (3)串联均压问题。超级电容器的单体电压较低、储能量较小,一般需要进 行串并联组合才能达到要求的电压等级和储能容量。由于电容量和等效并联内阻等 器件参数的差异,导致串联单体电容电压在工作过程中的不一致【13,141。因此,需要 进行串联均压处理【15】,以提高电容器的容量利用率和安全性。 此外,目前超级电容器的价格较贵,大容量电力储能的成本很高。但主要原因 不是材料和工艺问题,而是产业化程度问题。从近年来价格变化曲线可以预见,在 不远的将来,随着超级电容器应用范围的扩展和产业化进程的加快,其成本会大幅 度降低,达到合理化的程度和具有较强市场竞争力的水平。 由超级电容器的优点和它发展的趋势可以看出,超级电容器代替蓄电池作为储 能装置是今后的发展方向。

1.3本文主要工作
把电力电子的功率变换技术应用于光伏发电的控制系统,控制光伏电池的端电 压以使光伏电池在当时的环境下输出功率最大。并针对超级电容器放电时端电压变 化大,不符合负载要求设计了稳压/稳流器。另外,为了实现太阳能灯具设计了自动 开关控制电路,无需人为管理。具体如下: (1)在MATI.,,AB软件中建立光伏发电仿真模块,该模块可以在建立光伏发电系 统之前先进行模拟实验,检测可行性,从而缩短开发周期。 (2)本设计的光伏发电系统带有最大功率跟踪功能,提出干扰观测方法改进方 法,并在MATLAB软件中对该方法进行验证。 (3)为独立光伏系统研制了一套最大功率跟踪控制器为超级电容器充电,该控制 器采用降压斩波电路(BUCK)作为主电路,控制核心采用新华龙公司的 C8051F310单片机,通过控制PWM脉冲的占空比来实现最大功率跟踪功能, 控制器还具有防反充过充功能,以及正常工作指示功能。 (4)超级电容器充放电时端电压浮动较大,不满足负载恒压/恒流工作要求,所以 本文设计了稳压器和稳流器两种放电电路。两种放电电路各有优缺点,视具 体情况选择放电电路。为了延长超级电容器的寿命,在放电电路中还设计了
过放保护电路。最后专门为太阳能灯具设计了自动开关电路。



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第二章光伏电池与超级电容器仿真模型建立

2.1光伏电池模型建立 2.1.1光伏电池的工作原理
光伏电池的原理是基于半导体的光生伏特效应。当适当波长的光照射到半导体 系统上,系统吸收光能后两端产生电动势,这种现象就称为光生伏特效应Il刚。 如图2-1所示,当光照射到P型和N P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击, 通过光辐射获取到超过禁带宽度型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的PN 结上时,半导体内部N区和E。的能量,脱离共价键的束缚从价带激发到导带,由 此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子.空穴对。由于结势垒区存 在较强的内建静电场,在内建电场的作用下,光生的电子和空穴被分离,通过P.N 结对少数载流子(N区为空穴,P区为电子)的牵引作用而漂移到对方区域。结果
N区的电子留在N区,P区的空穴留在P区,对外形成与P.N结势垒电场方向相反

的光生电场。从外电路看,P区为正,N区为负,一旦接通负载,N区的电子通过 外电路负载流向P区形成电子流;电子P区后与空穴复合,变成中性,直到另一个 光子再次分离出电子.空穴对为止。人们约定电流的方向与正电荷的流向相同,与 负电荷的流向相反。于是光伏电池与负载接通后,电流是从P区流出,通过负载而 从N区流回电池。



流 方 向

(能mhv)

(能量hv)

图2.1光生伏特效应原理图



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2.1.2光伏电池的等效电路
单体光伏电池片(cell),是光伏电池的最基本单元。在使用光伏电池供电时, 单体电池片的容量较小,一般不能满足负载的用电需求。将几片、几十片或几百片 单体电池经过串、并联连接起来构成组合体,形成光伏电池板。工程上应用的光伏 电池板是光伏电池使用的基本单元,其输出电压一般为十几至几十伏左右。此外, 还可以根据负载容量需求,将若干个光伏电池板经过串、并联组成功率较大的实际 供电装置,称为光伏电池。 根据电子学理论,光伏电池的等效电路如图2.2所示【17】。

图2.2光伏电池的等效电路图

从图2-2日J以得出:
lL


l口Il—l D—lIII

2 1 )


其中,

厶吲e印鼍笋一1)

2 2 )


L。惫。警
则,

2 3 )


¨一吲唧笃铲母警

,L,L,~/~

2 4 )


其中,,p^(A)为光生电流,其值正比于光伏电池的面积和入射光的辐射度,
而且会随环境温度的升高而略有上升。由于太阳电池是由PN结构成的二极管器件, 对应于一定的工作电压必然会产生_定的二极管电流L,也称为暗电流;,D的大小 反映出了当前环境温度下,光伏电池PN结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。



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如(O)为旁路电阻,产生漏Eg'bt, 由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的。
R(O)为串联电阻,由电池的体电阻、 表面电阻、电极导体电阻,以及电极与硅 表面间接触电阻所组成。
to h

PN结反向饱和电流,Ai留为电子电荷(1.6x10。19C)i A为PN结的曲线

常数(正偏电压大时为1,正偏电压小时为2【18】;k为破耳兹曼常数(1.38x10。23J/K);
Z为绝对温度,K;

2.1.3光伏电池工程用数学模型建立
在2.1.1节中,根据光伏电池的物理原理给出了它的等效电路图以及基本表达

式,但由于表达式中的5个参数,包括,旃、L、R、民和A,它们不仅与电池温度
和日射强度有关,而且确定十分困难,因此不便于工程应用,也不是太阳电池供应 商向用户提供的技术参数。因此本文中考虑到借助仿真软件针对光伏发电系统在设 计、数字仿真和模拟时的动态反应速度及计算工作量,必须尽可能在工程精度允许 的条件下简化模型。工程用太阳电池模型通常要求仅采用供应商提供的几个重要技 术参数,如L、圪、,用、圪、己,就能在一定的精度下复现电池的特性,并能便于 计算机分析【191。 以下将在基本解析表达式(2—4)的基础上,通过两点近似,即:

1)忽略比+LR/如项,这是因为在通常情况下该项远小于光电流,则:

L-‘吲exp警铲一1)
2)设定‘一L,这是因为在通常情况下足远,J,f--极管正向导通电阻,N-

协5,

L叱一,o(exp等笋一1)
并定义在:

(2-6)

①开路状态下,L一0,V一圪,则:

②最大功率点,L—L,y一吃,则:

o—L一厶(exp皇学一1) L=k一厶(exp皇学一1)


(2-7)

(2—8)

结合(2—6)、(2-7)、(2-8)

‘一‘。p-c。(expv/c-2k-1)】

(2-9)

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其中,

cl一(1一L/L)exp[-V。/(C2Vo.)】 c2一(匕/k-1)[1n(1-L/L)】-l

(2-10)

(2?11)

因此,本模型只要知道光伏电池通常的技术参数L、吃、L、圪,就可以根
据式(2.9)、(2.10)、(2.11)得出光伏电池的I.V特性曲线。

太阳电池1.V特性曲线与日射强度和电池温度有关。通常地面上日射强度S的 变化范围为O—1000W/m2,太阳电池的温度变化较大,大约从10~70。C。 按标准,取Sra=lOOOW/m2,Tref=25℃为参考射强度和参考电池温度。当日射强 度及电池温度S(W/m2)、T(℃)不是参考日射强度和参考电池温度时,必须考虑环境 温度条件对太阳电池特性的影响。设T为在任意日射强度S及任意环境温度Tni,下 的太阳电池温度,根据大量实验数据拟合后,下式被证明具有工程意义上足够的精

剧201: r(。C)一乙(。C)+K(。C.m2/w)?S(W Im2)
(2?12)

式中K可由实验测定之T(s)直线的斜率确定。 对于常见的太阳电池电池支架, 可取K一0.03(。C.m2/w)

根据参考日照强度和参考电池温度下的L、吃、L、圪推算出新日照强度和 新电池温度下的艺、吃、C、嘭,再代入(2-9)、(2—10)、(2—11)得到新日照强度
和新电池温度下的I.V特性曲线。

AT;r一%

觚。』一1
S呵

c—L专(1+口竹)
屹一吃(1-cAT)ln(e+bAT)

(2.13)

Im?IL杀(1+口竹)
《一圪(1一cAT)ln(e+bAT)
a、b、C典型值为a一0.0025/oC、b。0.5、C=0.00288/。C。

2.1.4光伏电池工程用仿真模块建立
根据2.1.3节中的工程用数学模型搭建在MATLAB中搭建光伏电池仿真模块,


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其内部结构如图2-3所示。

图2.3光伏电池仿真模块内部结构

改变L、圪、L、匕参数就可以得到不同光伏电池的仿真模型,方便快捷。
确定好光伏电池参数后,改变光照、温度,就会得到不同状态下的伏安特性。 为了使仿真系统看起来简单有条理,把图2—3的封装成外形简单的图2—4形式。
IpV

图2.4光伏电池仿真模块封装

图2.5光伏电池模型

由于图2-4所示光伏电池模块电压和电流是分开的,无法接负载,所以按照图 2-5的方法,把光伏电池模块的电流通过受控电流源后,经电容稳压后把电压再反 馈给光伏模块,这样就把电压和电流联系起来,使之能像实际的光伏电池一样可以 直接接负载。a、b两个端子就相当于实际中光伏电池的正负极。 图2—6为该模型在标准光照温度下模拟不同功率等级的光伏电池得到的P—V和 I—V曲线,对照表2-1厂家给出的参数发现各个功率等级模型的最大功率、最大功
率点电压电流、开路电压、短路电流的误差都不是很大,满足工程要求。 表2.1各种规格光伏电池实际参数

DH25

25

17

1.27

21.5

1.6

10

华北电力大学硕士学位论文

表2.1各种规格光伏电池实际参数(续)

塑堡
DH60

匕!笙
60

幺!匕
17

厶。!丝
3.54

经!匕
21.5

生!丝
3.9

DH90 DHl70

90 170

17.5 23.5

5.15 7.31

22 29.2

5.77 8.2

刀 ∞ ∞ 册 ∞

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S.0耋≥谆蚤

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电压~

(a)DH25

(b)DH60

S.口鑫≥霹嚣

《1.0x、塔脚M,得蠡

(c)DH90

(d)DHl70

图2.6仿真模块模拟各个规格光伏电池P.V、I.V特性曲线图

2.2超级电容器模型建立
超级电容器在系统中具有两大功能。首先,作为能量储存装置,在白天时存储 光伏电池提供的能量,在夜间或阴雨天光伏不能发电时向负载供电;其次,与光伏 电池及充电控制器配合,实现MPPT。
11

华北电力大学硕十学位论文

2.2.1超级电容器工作原理
目前,关于超级电容器的分类方法并未完全统一,一般认为超级电容器包括双 电层电容器和电化学电容器两大类【2¨。其中,双电层电容器采用高比表面积活性炭, 并基于碳电极与电解液界面上的电荷分离而产生双电层电容【221。电化学电容器采用 Ru02等贵金属氧化物作电极,在氧化物电极表面及体相发生氧化还原反应而产生 吸附电容,又称为法拉第准电容【矧。本文所研究和应用的超级电容器,主要是指基 于双电层原理工作的双电层超级电容器。 双电层原理是德国人Hclmholtz于1879年提出的。当金属插入电解液中时,金 属表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电荷的离子,使它们在 电极.溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排,形成一个电荷数量与电极表 面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这个界面层由两个电荷层组成,一层在 电极上,另一层在溶液中,因此形成双电层(Helmholtz Layer)。由于界面上存在一 个位垒,两层电荷都不能越过边界彼此中和,按照电容器原理将形成一个平板电容
器。

由此可见,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,不发生电化学反应。因 此,其性能稳定,能量存取速度快,充放电损耗小,与可充电蓄电池相比,具有较
大的性能优势。

双电层电容器的电容量很容易超过1F,比普通电解电容器高3—4个数量级。 目前,单体超级电容器的最大电容量可以达到5000F[241。采用水电解液的双电层电 容器的单体工作电压约为1V,而采用有机电解液的双电层电容器单体电压可达
3-3.5V。

2.2.2超级电容器等效电路模型
等效电路模型对超级电容器储能系统的分析和设计非常重要,工程用等效电路 模型应该能够尽可能多地反映其内部物理结构特点,具有足够的准确度,而且模型 中的参数应该容易测量。
最简单的超级电容器等效模型,是只有一个阻容单元构成的RC模型,如图2.7

(a)所示【251,包括理想电容器C、等效串联内阻R、等效并联内阻尺。。等效串联 内阻尺.表示超级电容器的总串联内阻,在充放电过程中会产生能量损耗,一般以热 的形式表现,还会因阻抗压降而使端电压出现波动,产生电压纹波。等效并联内阻 尺。反映了超级电容器总的漏电情况,一般只影响长期储能过程,也称为漏电电阻。 文126J对超级电容器的自放电回路的时间常数进行了测试,长达数十小时至上百小 时,远远高于充放电时间常数。而且,在实际应用中,超级电容器一般通过功率变
12

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换器与电源连接,并处于较快的和频繁的充放电循环过程中,因此,尺p的影响可以 忽略。因此,可以进一步将超级电容器模型简化为理想电容器和等效串联内阻的串 联结构,如图2.7(b)所示。

Rp

(a)

(b)

图2.7超级电容器的RC等效模型

RC等效模型结构简单,能够较准确地反映出超级电容器在充放电过程中的外 在电气特征,将器件并联或串联不会影响其特性【261。因此,超级电容器组的等效电 路也可以近似为RC结构1271,其等效串联内阻Rn嗍:

咒唧’弩
‰一等
2,3本章小结

(2.14)

其中,札为串联器件数,Ⅳ,为并联支路数。超级电容器组的等效电容为:
(2-15)

本章以光伏电池和超级电容器的工作原理为基础建立了等效电路模型,其精度 在工程要求范围内,为仿真实验提供了便利的条件。

13

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第三章改进MPPT方法及其验证

3.1影响光伏电池输出效率的因素 3.1.1光照和温度影响
光强和温度对光伏电池的输出特性影响很大,若不加以控制会造成很大的浪 费。图3.1(a)为光伏电池在标准温度25℃时的P.V特性。从图中可以看出,每 种光强下都对应一条P.v曲线,每条曲线上都存在一个最大功率点。在温度恒定光 照变化的情况下虽然最大功率点的功率大小在变化,但最大功率点的电压变化不 大。但当温度变化时,如图3-1(b)所示,不但最大功率点的功率大小在变化,最 大功率点对应的电压也存在明显的变化。在O℃时,端电压为大约18V时输出功率 最大;当20℃,若仍以18V输出功率,则不能输出全部功率;当温度为40℃、60 ℃时,已经没有功率输出。以上情况说明,必须利用功率变换电路,以实现光伏系
统的最大功率点跟踪控制,充分利用光伏电池的光电转换效率,即使在环境因素发

生变化时,系统仍然可以运行于当前条件下的最佳状态。

图3.1(a)标准温度下P.v特性

图3.1(b)标准光强下P.V特性

3.1.2负载影响
在图3—2中列出了在不同光照强度和温度下的两条伏安特性曲线厶、£:。由图 中可以看出在光伏电池的伏安曲线转折点以前随着电压的变化电流基本不变,称为 恒流区,这时光伏电池作为恒流源使用;在转折点之后,电流随着电压的变化大幅 度的变化,而电压随电流的变化很小,所以这时光伏电池被近似作为恒压源使用。 对于同一负载R,在不同的外晃环境下,输出可以是恒流的(置点),也可以是恒
14

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压的(最点)。而在同一环境下,改变负载大小,也可以使输出改成恒流形式(B 点)或恒压形式(罡点)。可以看出让负载工作在恒流和恒压的交界处,输出的功 率最大,这时的光电转换效率,7也最高,所以配置好负载可以使光伏电池在最大功 率点输出。对于负载的变化,可通过光伏发电控制系统来调节等效负载,使之符合 最大功率跟踪要求。对于图3-2的两种环境,让负载工作在只、只点。



1.5

0.5

0 5 10 15 20 25

电压~

图3-2负载与光伏电池1.V特性关系

3.2最大功率跟踪原理
在3.1节已经得到结论光伏电池是一个非线性电源,因此,其工作状况(输出 电压和电流)由负载的性质和状况决定。只有带负载工作,光伏电池才能有确定的 输出电压和电流。在光伏电池的I.V曲线中,光伏电池的输出特性曲线与负载的特 性曲线的相交点即为光伏电池的工作点。如果工作点处于最大功率点处,系统就处 于匹配状态,光伏电池所产生的电能被充分利用了,反之,光伏电池所产生的电能 就没有被充分利用。在光伏电池的I.V曲线上,在最大功率点作切线,此切线的斜 率就是光伏电池在最大功率点处的动态等效电阻。 在电池和负载之间配置一个功率变换器,如图3.3所示。功率变换器的输出电 压与输入电压之比可以在一定范围内调节,在光伏电池和负载之间起电压适配作 用,还可以通过改变等效输入阻抗,从光伏电池取得最大功率。在工作过程中,控 制功率变换器,就可以改变光伏电池的等效负载,使光伏系统的最大功率点跟踪成
为可能。

15

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RL

图3.3带控制器光伏系统简图

假设光伏电池通过BUCK变换器与负载连接。设BUCK变换器工作于电感电

流连续状态,D为功率开关管的占空比。对于理想BUCK变换器,K以-D,
Io—L/o,则,BUCK变换器的等效输入阻抗为:

也2老=vpo!一鲁

(3.1)

当BUCK变换器的实际负载的阻抗一定时,改变开关占空比,就可以改变功率 变换器的等效输入阻抗,即,可以改变光伏电池的等效负载,进而改变光伏电池的 工作点和输出功率。按照一定的控制规律控制功率变换器占空比的变化过程,就可 以使光伏电池工作于某一特定条件下的最大功率点处或其附近很小的变化范围之 内,从而实现光伏系统的最大功率点跟踪。

3.3最大功率跟踪方法 3.3.1常用最大功率跟踪方法
关于光伏电池板的最大功率跟踪法先前有许多文献都有这方面的讨论,最大功 率点跟踪的算法有很多种,常用的有:实际测量法、常量控制法、干扰观测法、增 量电导法、直线近似法等【28。331。 本文对几种最大功率跟踪方法进行比较分析,提出一种有效的改进方法。 (1)实际测量法 实际测量法只要是利用一片额外的光伏电池板,每隔一段时间即实际测量此光 伏电池板的开路电压与短路电流,以建立光伏电池板在此日照强度及温度下的参考 模型,并求出在此条件下的最大功率点的电压和电流,配合控制电路使光伏电池板 工作在此电压或电流下,即可达到最大功率点跟踪。此方法的最大优点在于其由实 际测量来建立参考模型,因此可避免因光伏电池板及元件老化而导致参考模型失去 准确度的问题,此外,由于此法需要额外的光伏电池板及一些检测电路,因此较适
16

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用于较大功率的太阳能供电系统,对其他小功率系统而言,或许不能符合成本上的
需求.

(2)常量控制法 常量法可以分为恒定电压法和恒定电流法,该方法是将光伏电池输出的电压或 电流作为控制变量,与事先设定好的参考电压或参考电流作比较,产生的误差信号 驱动光伏电池与负载之间的功率变换器。这里的参考电压或参考电流是指在特定环 境条件下的最大功率点电压或最大功率点电流。当温度变化不大而日照强度变化较 大时,光伏电池在最大功率点处的输出电压基本保持稳定,因而,通过控制光伏电 池在某一温度下的输出电压恒定,即可使其工作于最大功率点附近,这就是恒定电 压控制法的实现思想。这种方法比较简单,但不是很精确。而且温度变化较大的情 况下功率浪费很严重,如图3.1(b)所示,正常情况下温度是受光照影响的,所以 恒定电压法存在严重弊端。 电流恒定法(也叫短路电流脉冲法)的理论依据是,在不同的日照强度下,光 伏电池在最大功率点处的输出电流与其短路电流成比例,而且基本不受温度的影 响。在系统中配置短路开关,每隔一定时间短路光伏电池,测量短路电流。将短路 电流乘以比例系数,就可以得到最大功率点处的输出电流。将其作为参考电流就可 以使光伏电池实现MPPT控制,这就是恒定电流控制法的实现思想。在控制过程 中,比例系数的确定非常关键,虽然几乎不受温度的影响,但受制于日照强度,尤 其是在输出电流较低时,比例系数的变化范围较大,因而必须采用一定的补偿措施。
(3)增量电导法

增量电导法是通过调整工作点的电压,使之逐渐接近最大功率点电压来实现最 大功率点的跟踪。对于功率P有:
P—I.V (3.2)

将(3.2)式两端对V求导,并将I作为V的函数,可得:

鲨;亟盟;,+V

一;}一}J+
dy al dy dy l y

dI (3.3) dy

(3.4)

式(3-4)即为要达到最大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于输出电

导的负值时,电池工作于最大功率点。若不相等,则要判断de/dV是大于零或小于
零。该控制方法的程序流程如图3-4所示。图中,K、L为新检测的电压、电流值, K、厶为原存储器中的旧值。程序读进新值后先计算与旧值之误差,再判断电压差
17

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值是否为零(因后面做除法时分母不得为零),若为零则再判断电流差值是否为零, 若都为零则表示阻抗一致,电压值不变。若电压差值为零,电流差值不为零,则表 示照度有变化,电流差值大于零增加电压;电流差值小于零减少电压。再来讨论电 压差值不为零时,式(3.4)是否成立将是关键。若成立则表示功率曲线斜率为零 (达最大功率点),若电导变化量大于负电导值,则表示功率曲线斜率为正,增加 电压;反之,减小电压。

图3.4电导增量法的控制流程图

电导增量法需要的计算量较大,因此系统的性能要求较高。如果不采用高速处 理器,它的优势并不能体现出来,所以实际应用的较少。. (4)干扰观测法 干扰观测法由于其结构简单,且需测量的参数较少,所以它被普遍应用在光伏 电池板的最大功率点跟踪。就是要引入一个小的电压变化(一般是通过改变占空比 大小,来改变等效负载的大小,从而改变输出电压的大小),然后进行观察,并与 前一个状态进行比较,根据比较的结果调节光伏电池的工作点。通过改变光伏电池 的输出电压,并实时地采样光伏电池的输出电压和电流,计算出功率,然后与上一 次计算的功率进行比较,如果小于上一次的值,则说明本次控制使功率输出降低了,
18

华北电力大学硕+学位论文

应控制使光伏电池输出电压按原来相反的方向变化,如果大于则维持原来增大或减 小的方向,这样就保证了使太阳能输出向增大的方向变化,如此反复的扰动、观察 与比较,使光伏电池板输出功率达到其最大功率点,实现最大功率的输出。但是干 扰观察法存在一个问题,即,在达到最大功率点附近后,其扰动并不停止,而会在 最大功率点左右振荡,而造成能量损失并降低光伏电池板的效率。尤其是扰动较大 的情况下,振荡会比较大,损失比较多;但若扰动较小,动态跟踪性能又差。 以上介绍了几种比较基本、比较常用的最大功率跟踪方法,还有其他很多种方 法,包括模糊逻辑控制、滞环比较法、神经元网络控制法、最优梯度法等,他们实 现MPPT控制的基本原理都是类似的,只是具体实现方法各有差别。 由于干扰观测法简单易于实现,因此应用广泛。本文提出一种改进的干扰观测 方法,有效的改善了经典干扰观测方法在最大功率点左右振荡和动态跟踪性能之间
的矛盾。

3.3.2改进干扰观测方法
在3.3.1节中已经介绍经典干扰观测法的原理是每隔一定的时间增加或减小电 压,每个周期的改变步长是一定的,观测其后的功率变化方向,若功率变大则继续 此扰动方向,否则改变方向。但是步长不易确定,如果步长大可以较快跟踪到最大 功率,但在最大功率附近振动较大。如果步长较小,虽然在最大功率点附近振荡较 小,但跟踪的速度又太慢。 针对以上缺点对经典干扰观测法进行改进。 通过改变降压斩波电路的占空比D来调节光伏电池输出电压。由D一%/v,可以 看出要使K向着理想的方向变化则需要把D向相反的方向调节。比如,假设增大K 的时候可以增大功率输出,由于不能人为控制圪的大小,只有减小D才可以实现增 大K。若把P和V变化量的比(即AP/AV)的倍数a(Ae/AV)作为D变化量的步长, 在采样时间很短的情况下可以把△P/△y看作P—V曲线上各个工作点的斜率。在离最 大功率点较远的地方斜率较大,则△P/AV较大,可以实现大步长改变;靠近最大功 率点时斜率几乎为零,即△P/AV很小,实现了在最大功率点附近振荡很小。结合图 3—5(a),在离功率最大点较远的A、B点曲线的斜率的绝对值较大,则步长较大, 可实现快速跟踪;到C点的时候比较接近最大功率点则斜率的绝对值变小,步长减 小,在最大功率点处步长很小,越靠近最大功率点步长越小,最后在实现在其两边
以很小的幅度振荡。

某一时刻光伏电池的输出情况不外乎图3—5(b)的a(AP<0、AV<0)、b
(AP>0、AV>0)、c(AP>0、AV<0)、d(AP<0、AV>0)四种情况,调节占

空比使功率方向按照b、C方向则可以达到最大功率点。若当前功率在最大功率点
】9

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的左边(8、b),需要增大光伏电池输出电压,即减小占空比;若当前功率在最大 功率点的右边(C、d),需要减小光伏电池输出电压,即增大占空比。

图3.5(a)步长确定原理图

图3.5(b)扰动方向确定原理图

改进干扰观测方法的主程序流程如图3-6所示。

图3.6改进干扰观测法流程图
3.4

DC.DC变换器
DC.DC变换器主要由主回路和控制回路两部分组成,主回路是核心,控制回

路用于控制开关管的导通关断,从而控制光伏电池的输出状态。

3.4.1主回路
20

华北电力大学硕十学位论文 (1)

电路拓扑结构选择 采用降压斩波电路(Buck)作为MPPT控制器的主电路,降压斩波电路控制容

易,相对于其它斩波电路的波形波动小,并且完全可以实现最大功率跟踪功能。以 对17V光伏电池对12V超级电容器充电为例进行说明。 从图3.1(a)可以看出光照对最大功率点的电压影响不大,随着光照的减弱, 最大功率点电压略有减小;温度的影响比较大,并且温度越高最大功率点的电压越 小。式(3.12)给出了光照和光伏电池温度的关系,可以看出光照增强温度也会上 升。但本文为了说明降压斩波电路的足以实现最大功率跟踪功能,不按式(3.12) 的关系取参数,而取恶劣的环境:S=200、Mm2,T=70。C。 此环境下的功率和电压对应关系如表3.1所示,从表中可以看出,最大输出功 率只有4.307W,此功率对应的电压为14.4V。而12V等级的超级电容器为5个 2.7V2400F的超级电容器单体串联,则超级电容器组合为13.5V480F。再设定一个 极限,假设超级电容器的电压为最大电压13.5V,此时光伏电池若能给超级电容器 充电,则在任何环境下降压斩波电路都能够顺利为超级电容器充电。


2<

此时,斩波电路占空比大约为:兰!×100%一93.8%。若选择合适的器件就可以
14.4

满足控制需要。

综上所述,降压斩波电路完全可以满足最大功率跟踪功能,加之控制容易、电 路简单易实现,所以降压斩波电路是最理想的主电路结构。
表3.1 S--200W/m2、T-70"C时的功率电压

21

华北电力大学硕士学位论文

(2)Buck变换器工作原理

Buck变换器工作原理是通过斩波形式将平均输出电压予以降低,通过调节占空 比来达到调节负载的目的,以保持输出电压在其最大功率点的电压和电流处。 Buck变换器的拓扑图【34】如图3.7所示:

图3.7 Buck电路拓扑图

从图3.7可以看出,电路的主要元件有:开关管Q、二极管D、电感L和电容 C。在工作状态下,开关管反复的导通和截止,两种不同状态的切换,将直流电压 转换为脉冲形式的电压,再经过L、C滤波,形成直流电压输出。 Buck变换器有两种基本工作方式,即电感电流连续模式和电感电流断续模式。 电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总是大于零,电感电流断续是指在开关管 关断期间有一段时间L的电流为零。本文让变换器工作在电感电流连续模式。讨论 一下电感电流连续时Buck变换器的工作原理。 图3.8为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图。


光 伏 阵 列

I+斟



∥z
I.

1,Rs:!1
’I

‘D


I I

C:{






.!

(a)Q导通

(b)Q关断

图3.8 DC.DC变换电路的等效原理图

在开关管导通时,电源给储能元件电感充电,L上的电流逐渐增大,而在开关 管截止时电感放电,L上的电流逐渐减小。图3-9显示了电感L上电流的变换波形。

华北电力火学硕士学位论文

putSe

l工


l一乙—十%1
图3—9

卜—一t———叫
DC-DC电路电感电流坡彤

在t=0时,开关管Q导通,电源电压通过开关管加到二极管D和输出滤波电 感L、输出电容C上,故二极管截止。由于输出滤波电容电压保持不变,因此加在

L上的电压为%-K。因为%-v.,故输出滤波电感电流线性增长。

哮一%一K
当f一乙时,电流达到最大值tm“。在开关管导通期间,增长量缸(+)为:

(3-5)

‰,一半×乙一竿一互
式甲D为占至比。

俘6,

在f一乙时刻,开关管0关断,屯通过二极管D续流。此时加在L上的电压为一屹, 屯线性减小。

哮-彤
当f一互时,乞达到最小值屯曲。在开关管Q截止期间,屯的减小量△t(一)为:

协7)

缸。一,一拿×伍一乙)一生L×(1一。)×互
在t;t时,开关管Q又导通,开始下一个周期。

(3-8)

在开关管Q导通期间,流过它的电流是电感电流t;在Q截止期间,通过二极 管D的电流也是‘。流过开关管Q的电流也是电源的输入电流,为了减小电源输入 电流的脉动,在降压式变换器的输入侧应并接输入滤波电容。 根据能量守恒,Q导通期间t的增长量△屯(+)等于它在Q截止期间的减小量

瓴(一)。即挑(+)一馘(一)。
23

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半×DxI一等×(1-D)×互



上.







(3.9)

上式可简化为:Vo/Vin—D。因为D



1,所以这种电路只能起到降压的作用。

3.4.2控制回路
应用改进干扰观测方法得到控制开关管的PWM脉冲。实现方法如图3.10所示。 图3.10(a)对电压、电流进行采样,计算出功率值、电压变化量、电流变化量以 及占空比改变量。图3-10(b)为子程序Subsystem的内部结构,其功能是判断干 扰的方向,若干扰使功率增大则继续朝同样的方向干扰,否则改变方向。

(a)



(b)

图3.10 MATLAB中干扰观测方法控制电路实现

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3.5仿真实验
用前面建立的仿真模型对改进干扰观测方法的优越性进行验证。 仿真电路图如图3.11所示。

图3.11充电仿真电路图

选择DH一25的参数进行仿真。其标称功率为25W,在标准温度(25℃)和光 照(1000w/mz)下的最佳工作电压17V,最佳工作电流1.47A,短路电流1.6A,开 路电压21.5V。其上参数为厂家给定的参数。 (1)验证变步长比定步长的优越性。 图3.12为定步长控制器跟踪光伏电池最大功率点的图形,步长较大时如图3.12 (a)所示,跟踪速度很快,大约0.01S就可以跟踪上,但在最大功率点附近振荡幅 度较大,跟踪上后功率最高点和最低点的差值约4W,占所有功率的20%,损耗较 大。步长较小时如图3.12(b)所示,虽然在最大功率点附近振荡很小,但跟踪速 度很慢,大概0.22S才能跟踪上,是大步长的20多倍。并且若步长选择不恰当还会 造成跟踪失败,功率输出很小,造成很大浪费,如图3.13所示。图3.13(a)为步 长过大时的功率曲线图,最大功率只有12W并且周期性的振荡,有一半的时间没 有功率输出,所以平均输出功率只有6W。图3.13(b)为步长过小时的功率曲线图, 只有2W功率输出,浪费更严重。

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}日 扣

,1










≥存霹 竹


{_
卜—一
0 0.1

—I









0.2














0.3

0.4

时间,s

(a)大步长 图3.12经典干扰观测方法功率曲线
为 扣 佰 璐

(b)小步长





芝辟薄 位









0.5



1.5



时间,S

(a)大步长

(b)小步长

图3.13经典干扰观测方法步长选择不当时功率曲线

图3.14为基于本文提出的变步长方法做成的控制器的功率睦线,从图中可以 观察到其跟踪速度和在最大功率点处的精度都比较理想。集合了大步长跟踪速度快 和小步长在最大功率点左右振荡小的优点,摒弃了它们的缺点,并且实现也比较简 单,是一种比较理想的最大功率跟踪方法。 (2)外界环境变化时各个参数的变化情况 设定两种外界环境(见表3.2),观察外界环境变化时光伏发电系统各种参数的
变化情况。

当外界环境突然变化时,输出功率也跟随发生变化,如图3.15所示,并且在 1S钟之内输出功率稳定。

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表3.2两种外界环境






I l


乏15 稃 备10

|!
-l


功 率 蛮 化

I I





芝碍荐




I I I






『 ;























0.05

0.,

0.15

时阊,s

时同J『s

图3.14改进干扰观测方法功率曲线

图3.15外界环境变化时 输出功率变化情况



垂:
一< 辱




0,02

004

0.05

0明

0 1

0.12

0.14



16

0 18

0.2

垂田算
图3.16控制器的输入输出电流

垂<锌
Z\

V 於◇

Z\…, \/

/\V

Z\一, V

/\ △ ’V /\ V;/\ …。\7 V



垂习辱



0.5

图3.17控制器输入输出电流的局部放大图
27

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图3.16为控制器的输入输出电流,当外界环境变化后,输入输出电流同时增 大。图3.17为环境未变化前输入输出电流的局部放大图形,可以观察到,由于开 关管的开通关断输入电流是断续的;输出电流由于有大电感滤波,工作在连续状态,
和3.4.1节介绍的原理吻合。 图3.18和图3.19分别是环境变化前后触发开关管的脉冲,可以观察到环境变

化后脉冲的占空比减小。 图3.20为控制器的输入输出电压,在很短的时间内控制器的输出电压(即超 级电容器电压)几乎没有变化。占空比减小,由D-V/圪可知,控制器的输入电压o (即光伏电池的输出电压)应增大,仿真图符合原理。

图3.18环境变化前的脉冲

图3.19环境变化后的脉冲









0.02

0.04

0.06

0.∞

0.1

0.12

0.14

0.16

0.侣

0.2

时间,s

图3.20控制器的输入输出电压
28

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3.6本章小结
本章基于第二章建立的光伏电池和超级电容器的仿真模型建立了光伏发电系 统仿真模型,用降压斩波电路实现控制器的最大功率跟踪功能。对经典干扰观测方 法进行了改进,仿真实验结果证明该改进方法弥补了经典干扰观测方法的不足,有 着明显的优越性;对控制器输入输出电压电流进行测试和理论值相吻合,证明仿真
的正确性。

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第四章最大功率跟踪控制器设计

4.1控制器硬件实现
充电主回路采用3.4.1节介绍的降压斩波电路,如图4.1所示。
。。

主回路

图4.1 BUCK主回路 4.1.1

MOSFET选择

开关管是主电路的核心器件,其性能的好坏直接影响控制器的效率。 MOSFET是用栅极电压束控制漏极电流的,因此它的第一个显著特点就是驱动 电路简单,需要的驱动功率小;第二个显著特点是开关速度快,工作频率高。另外, MOSFET的热稳定性较强。 本文中设计的系统功率小,选择N沟道增强型贴片MOS管S14850EY。特点

是功耗小、开关速度快。S14850EY的最大功耗3.3W,开关频率5Mhz,远远优于
常用MOS管IRFB4410的最大功耗250W,开关频率15Mhz。S14850EY的最大缺

点就是功率较小,但对于小型独立光伏系统绰绰有余。
由于MOSFET本身结构所致,在其漏极和源极之间形成了一个与之反并联的 寄生二极管,见图4-2的电气符号,它与MOSFET构成一个不可分割的整体,使其

在漏、源极间加反向电压时器件导通,所以在设计电路时要注意反向充电问题。

l。

一岛
Is
图4-2 MOSFET的电气符号

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4.1.2光耦驱动
MOSFET的输入电容在其导通和关断时要充电和放电,充电和放电电流对 MOSFET的开关速度影响很大,充电和放电电流越大,开关的速度越快。基本的驱 动方法有晶闸管驱动、脉冲变压器驱动以及光耦驱动等。晶闸管驱动没有隔离功能, 脉冲变压器存在一定的漏感,这样使输出脉冲陡度受到限制,同时其绕组寄生电感 和电容使脉冲前后沿出现振荡,对开关管不利;同时脉冲变压器在传输脉冲时容易 出现铁心饱和,而光耦不存在这些问题。


本设计采用高性能光耦TLP250作为驱动元件。TLP250是直插式八脚元件, 其平面图如图4.3所示。1、4脚悬空,是为了外形标准美观设计的多余的管脚。

图4.3 TLP250的管脚配置

结合图4.4对TLP250的工作过程进行简要的介绍。管脚2、3接脉冲,高电平

时发光二极管发光,霉。导通,I:关断,这时输出电压K等于隔离电压圪的大小,
即输出高电平。低电平时发光二极管不发光,I,关断,Z:导通,这时输出电压K等 于隔离地,即输出低电平。其逻辑关系见表4.1。
Icc

●}—一
Vcc

IF —+

VF:3聿 孓H
+弓


Vo

Vo

GND

图4.4TLP250内部结构简图
31

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表4.1光耦输入输出的逻辑关系





墨丝
On

互t
On

互z
On




o萤H

o嚣。嚣

由于本设计中的小型光伏系统电压等级低,所以对器件电源的要求比较高。17V 光伏系统可以很容易得到12V给器件供电的电源,但15V就不容易得到,即使得

到也很难稳定。TLP250的供电电源区间范围大,可以从10到35V。若要给 MOSFETl2V的驱动电压,则要求光耦得到12V的隔离电源,刚好在TLP250的供
电电源区间范围内。而其他光耦的电压等级不高就低不适合本设计。

4.1.3隔离DC
由于在光伏系统中没有其它隔离电源,需要设计一个隔离电源供光耦得到
PWM驱动MOSFET。

采用顺源科技公司IB系列的电源模块IBl212S/D.1W。其输入电压范围为 11.4.12.6V,输出电压为12V。由于对输入电压要求不算很高,采用三端稳压器L7812
作为输入电压的电源即可以满足要求。其电路实现见图4—5。从光伏电池侧取L7812

的输入电源,其输出供给隔离DC的输入端,隔离DC的输出端则得到一个和GND2
不共地的电源。

隔离电源区
L,7812

I"Vout
GND

LJ



鱼蹲旦

cs

Via

o?1:N口1
VlN


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c2

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6 6

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l I。 o

图4.5隔离电路

4.1.4信号发生电路
光耦的输入脉冲由单片机的端口2发出,如图4-6所示。为了增强信号在端口 处加上拉电源,但仍然不够驱动光耦。只有通过外加电路对单片机输出信号PWMl
进行加强。
32

华北电力大学硕十学位论文

信号发生区

图4-6单片机控制电路 用与非门DM74LS02来加强信号,DM74LS02需要5V的供电电源,可以输出 电压3.4V,输出电流8mA,足以驱动光耦TLP250。其内部结构简图如图4.7所示。

除了电源引脚和地引脚外,有四个与非门。使用两个与非门串联则可以使输入和输 出同逻辑。接线如图4—8所示。与非门发出脉冲PWM2给光耦的输入端2引脚,光
耦的6、7引脚并联输出PWM,供给MOSFET,见图4.9。

Vee

Y4

B4

A4

Y3

B3

A3

Yl

Al

B1

Y2

A2

B2

GND

图4—7 DM74LS02内部结构简图

33

华北电力人学硕十学位论文

与非门增强信号区

PWM2








/57CC

PwMl厂丁一


GND





图4-8 DM74LS02接线图

光藕驱动区

图4.9光耦驱动

4.2控制器软件配置
整个电路应用新华龙公司的C8051F310进行控制。C8051F310器件是完全集成 的混合信号片上系统型MCU芯片,具有以下特性参数:
?高速、流水线结构的8051兼容的CIP.51内核(可达25MIPS)。

●全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)。 ?带模拟多路器、真正10位200ksps的25通道单端/差分ADC。 ◆高精度可编程的24.5MHz内部振荡器。
●16KB可在系统编程的FLASH存储器。 ◆1280字节片内RAM。

●硬件实现的SMBus/12C、增强型UART和增强型SPI串行接口。
●4个通用的16位定时器。

◆具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器电池
(PCA)。

?片内上电复位、VDD监视器和温度传感器。 ●片内电压比较器(2)。
34

华北电力大学硕士学位论文

●29个端口I/O(容许5V输入)。

每种器件都可在工业温度范围(.45℃到+85"C)内用2.7V-3.6V的电压工作。 端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。典型工作电流5mA (25MHz)。流水线指令结构,70%的指令执行时间为一个或两个系统时间周期。 扩展的中断系统。外部振荡器:晶体、RC、C或外部时钟。32脚LQFP封装。

4.2.1电压基准
C8051F310的电压基准MUX可以被配置为连接到外部电压基准或电源电压 VDD(见图4.10)。基准控制寄存器REFOCN中的REFSL位用于选择基准源。选 择使用外部基准时,REFSL位应被设置‘0’;选择VDD作为基准源时,REFSL应 被置‘1’。本设计选择VDD作为基准源,VDD=3.3V。

。j.ADC秘}

沟够熬冀器

五碗搬毒:黯嚣

内鄱'VREF {点ADC)

图4.10电压基准功能框图

4.2.2振荡器与系统时钟
C8051F310MCU有一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路。内部振

荡器可以被使能/禁止,其输出频率可以通过内部振荡器校准寄存器OSCICL和内部 振荡器控制寄存器OSCICN编程(如图4.11所示)。系统时钟可以由外部振荡器电 路、内部振荡器或内部振荡器分频后提供。

35

华北电力大学硕+学位论文

●■ ■ I ■● ■ l

一用削目

一用副葑蜀
图4.11振荡器框图

本设计采用内部振荡器,即CLKSEL的CLKSL0位等于O。该振荡器在系统复 位后被默认为系统时钟。内部振荡器的周期可以通过OSCICL寄存器编程, OSCICL=0,对应基频为24.5MHz。系统时钟可以从内部振荡器分频得到,分频数 由寄存器OSCICN中的IFCN位设定,可为1、2、4或8。复位后的缺省分频数为 8。本设计系统时钟采用内部振荡器不分频。

4.2.3输入输出端口
数字和模拟资源可以通过29个I/O引脚使用。每个引脚都可以被定义为通用 I/o(GPIO)或模拟输入。所有端口I/O都耐5V电压(端口I/o单元示于图4.12)。 端口I/o单元可以被配置为漏极开路或推挽方式(在端口输出方式寄存器 PnMDOUT中设置,n=0,1,2,3),其示意图见图4.13。

端[J 引脚

图4.12端口I/O单元框图
36

华北电力大学硕士学位论文

推挽输出模式

开漏输出模式

图4.13推挽输出和开漏输出示意图

端口I/O初始化包括以下步骤: (1)用端口输入方式寄存器(PnMDIN)选择所有端口引脚的输入方式(其中‘1’ 表示数字输入,‘0’表示模拟输入)。 (2)用端口输出方式寄存器(PnMDOUT)选择所有端口引脚的输出方式(漏极开 路或推挽)。 (3)用端口跳过寄存器(PnSKIP)选择应被交叉开关跳过的那些引脚(通过将 PnSKIP寄存器中的对应位置‘1’来实现)。
(4)将引脚分配给要使用的外设。

(5)使能交叉开关(xBARE=‘1’)。 所有端口引脚都必须被配置为模拟或数字输入。被用作比较器或ADC输入的 任何引脚都必须被配置为模拟输入。 寄存器XBR0和XBRl必须被装入正确的值以选择设计所需要的数字I/O功能。
4.2.4

10位ADC采样

C8051F310的ADC0子系统集成了两个25通道模拟多路选择器(合称AMUXO) 和一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC,ADC中集成了跟踪保持电路和可 编程窗口检测器。只有当ADC控制寄存器(ADCOCN)中的ADOEN位被置‘1’
时ADC0子系统才被使能。当ADOEN位为‘O’时,ADC0子系统处于低功耗关断 方式。 模拟多路选择器(AMUX0)选择去PGA的正输入和负输入,P1.0~P3.4、片内

温度传感器输出和正电源(VDD)中的任何一个都可以被选择为正输入;P1.0-P3.4
和GND中的任何一个都可以被选择为负输入。当GND被选择为负输入时,ADC0

工作在单端方式;在所有其它时间,ADC0工作在差分方式。ADC0的正输入通道
37

华北电力大学硕士学位论文

由寄存器AMXOP选择,负输入通道由寄存器AMXON选择。本设计ADC0工作在
单端方式。

工作在单端方式时,转化码为10位无符号整数,所测量的输入范围为0- VREF*1023/1024。本设计采用数据右对齐方式,ADCOH和ADCOL寄存器中未使 用的位被设置为‘0’。 本文要对光伏电池的输出电压和电流以及超级电容器的电压进行采样。输入单 片机的模拟电压不能超过参考电压,否则模数转换不准确.并且输入电压过大会损 坏芯片。所以要采样的电压电流都经过了一定的处理。 如图4.1所示,光伏电池和超级电容器的电压采样都是用电阻分压实现的,光 伏电池和超级电容器的电压和模拟输入电压存在一个倍数关系,经过AD转换后在 处理器内部再按照此倍数转换成实际电压即可。 光伏电池电流采样是采用将电流通过小电阻转换成电压的方式实现的。单片机 采样的最小单位约为0.0032V。本设计中选择电阻0.005 Q,光伏电池的电流在1.6A 以下,电压在0.0.008V浮动。可以看出若不经过电压放大精度很难保证。所以用运 算放大器LT6552对转化的小电压进行放大,其原理图如图4.14所示。 电毫^己采样信号放大区
l oND
R IK./,I,/



REF .工N

FB V+ 6 5 3.3.VCC 7



2 3 4

3.3Vcc^R19

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GND

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毕啷

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图4.14电流采样信号放大电路

输出电压和输入电压的关系如式(4-1):

圪。警脲
精度要求。

件。

则输出电压在0.3.2V之间浮动,只要电流不为0,则电压不会为0,可以满足

4.2.5可编程计数器电池PCA0
可编程计数器电池(PCA0)提供增强的定时器功能,与标准8051的计数器/

华北电力大学硕士学位论文

定时器相比,它需要较少的CPU干预。PCA由一个专用的16位计数器/定时器和5 个16位捕捉/比较模块组成。每个捕捉/比较模块有其自己的I/O线(CEXn),这些 I/O线在被使能时通过交叉开关连到端口I/O。计数器/定时器由一个可编程的时基 信号驱动,时基信号可以在六个时钟源中选择:系统时钟、系统时钟/4、系统时钟 /12、外部振荡器时钟/8、定时器0溢出或ECI输入引脚上的外部时钟信号。捕捉/ 比较模块有六种工作方式:边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8 位PWM和16位PWM。每个捕捉/比较模块的工作方式都可以被独立配置。 本设计应用8位PWM工作方式,时基信号采用系统时钟4分频。 每个模块都可以被独立地用于在对应的CEXn引脚产生脉宽调制(PWM)输出。 PWM输出的频率取决于PCA计数器/定时器的时基。使用模块的捕捉/LB较寄存器 PCAOCPLn改变PWM输出信号的占空比。当PCA计数器/定时器的低字节(PCAOL) 与PCAOCPLn中的值相等时,CEXn引脚上的输出被置‘1’并持续到PCAOL溢出 时;当PCAOL中的计数值溢出时,CEXn输出被复位(见图4.15)。当计数器/定时 器的低字节PCAOL溢出时(从0xFF到0x00),保存在PCAOCPHn中的值被自动装 入到PCAOCPLn,不需软件干预。通过将PCAOCPMn寄存器中的ECOMn和PWMn 位置‘1’来使能8位脉冲宽度调制器方式。

图4.15 PCA的8位PWM方式原理框图

8位PWM方式的占空比由方程式(4.2)给出。

D:—256-PCA—OCPHn
256

=’。--?_-——-_-—__-—?—___-_—--一

4?Z J (4.2)


8位PWM波形频率为PCA时钟频率的256分频,则8位PWM波形频率为系 统时钟频率的1024(256×4)分频,可以得出PWM的频率为23.9KHz。
39

华北电力大学硕士学位论文

由式(4.2)可以看出,在本设计中要想使占空比D增大只要减小寄存器 PCAOCPHn中的数值即可以实现;反之想使占空比D减小则增大寄存器PCAOCPHn 中数值。

4.2.6定时器
对超级电容器采样是为了监视其是否充满,没有必要时刻监测,增大程序周期, 可以定时检测。预计10分钟检测一次,过充10分钟不会对超级电容器产生任何影
响。

定时器0工作在16位计数器/定时器方式下,计到0xFFFF后再计一次将发生

溢出,使计数值回到0x0000,此时定时器溢出标志咖(TCON.5)被置位并产生
一个中断(如果该中断被允许)。在中断中标志位加1。 定时器O采用系统时钟48分频,则发生一次中断的时间为

(4.3)

那么十分钟需要发生中断次数为:

n3764。竺.

●?——-—一-

4673

(4.4)

fl

所以中断中的标志位加4673次后对超级电容器电压采样一次。

4.2.7中断系统
MCU支持14个中断源。软件可以通过将任何一个中断标志设置为逻辑‘1’ 来模拟一个中断。如果中断标志被允许,系统将产生一个中断请求,CPU将转向与 该中断标志对应的中断服务程序(ISR)地址。 每个中断源都可以用一个SFR(IE—EIEl)中的相关中断允许位来允许或禁止, 但是必须首先将EA位(IE.7)置‘1’,以保证每个单独的中断允许位有效。不管 每个中断允许位的设置如何,清‘0’EA位将禁止所有中断。 每个中断源都可以被独立地编程为两个优先级中的一个:低优先级或高优先 级。一个低优先级的中断服务程序可以被高优先级的中断所中断,但高优先级的中 断不能被中断。每个中断在SFR(IP或EIPl)中都有一个配置其优先级的中断优

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先级设置位,缺省值为低优先级。如果两个中断同时发生,具有高优先级的中断先 得到服务。如果这两个中断的优先级相同,则由固定的优先级顺序决定哪一个中断
先得到服务。

本设计中有两个中断源,一是定时器O溢出,一是可编程计数器电池,优先级 分别是1和11。则定时器0溢出优先于可编程计数器电池。 以上把本设计控制系统用到的单片机功能进行了介绍。按照图4.6的流程图即
实现了最大功率跟踪功能。

4.3保护功能
在充电保护中主要考虑没有阳光时超级电容器给光伏电池反充电和超级电容 器的过充保护,以及监视充电器工作是否正常。.
(1)防反充保护

图4.1中的二极管D1可实现防反充保护,当D1正极电压高于负极电压时, D1导通,光伏电池可以给超级电容器充电;当D1正极电压低于负极电压时,D1 截止,超级电容器和光伏电池以及其他的供电电源、芯片完全隔离,不会消耗电能。
(2)防过充保护

对电容器组进行过充电会导致电容器工作寿命的严重衰减。所以当单片机检测 到超级电容器电压达到额定值后,马上停止PWM波输出,切断充电回路。 (3)指示灯保护 图4.6中有三个单片机控制的发光二极管。它们的工作是如下设置的:只要光 伏电池能够供电D4就亮;在充电过程中D5亮,D6暗;停止充电时D5暗,D6亮。 如此,观察指示灯的状态就可以确定控制器是否正常工作,及时进行检修或更换。

4.4实验结果及分析
实验地点:保定。时间:冬季中午。环境:微雾。气温:约10℃。 光伏电池参数:17V25W;超级电容器参数:12V500F电容器组,初始电压4V。 用本文设计的控制器(以下简称新控制器)和已经市场化的产品SDRC一101P
对比实验,实验平台如图4.16所示。 实验结果:
1)

SDRC.101P实验结果

使用SDRC.101P控制器时,每隔10分钟测量一次数据,见表4.2。可以看出
光伏电池两端的电压不断的上升,画出直观图见图4.17:
41

华北电力大学硕}.学位论文

图4—16充电器实验平台
表4-2 SDRC-101P实验数据表

华北电力大学硕士学位论文

13
12

1'
10

备9
锄8
7 6
5 4







40

∞ 时间/-,in



1∞

图4.17使用SDRC.1011)时光伏电池端电压

经过测量光伏电池电压和同一时刻超级电容器端电压相差甚微,经推断应该是 控制器上电压降。所以SDRC.101P并没有最大功率跟踪功能。
2)

新控制器实验结果

使用新控制器的测量数据见表4.3,直观图见图4.18。
表4.3新控制器实验数据表



15

喜10




时间f,min

图4.18使用新控制器时光伏电池端电压

可以看出光伏电池电压并不随超级电容器两端电压变化,可以得出控制器在起
作用。光伏电池电压和超级电容器端电压之间用降压斩波器连接,

超级电容器端

电压与光伏电池电压的比值近似等于降压斩波电路的占空比。
43

华北电力大学硕士学位论文

图4.19显示了当超级电容器端电压为4.5V和9.3V时单片机发出的脉冲。结 合表4.3光伏电池电压可以看出占空比大小基本符合理论值。

Tek一厂L

●stop

Tek』L

●St叩

M2轴胚

M 25.O脚

(a)超级电容器端电压4.5V时脉冲

(b)超级电容器端电压9.3V时脉冲

图4.19单片机发出脉冲 结果分析

3)

使用SDRC.101P充电历时110分钟,使用新充电器只用50分钟。其原因分析
如下:

光伏电池一般工作在恒流源状态下,端电压的大小对输出功率大小影响很大。 其分析原理图见图4.20。



耀 锄

图4.20光伏电池电压对功率影响分析图

华北电力火学硕士学位论文

若使用SDRC.101P充电器,光伏电池端电压随超级电容器电压变化;使用新 控制器则可以跟踪在最大功率点。从图中可以看出,超级电容器电压5V时,使用 SDRC。101P充电器光伏电池的输出功率为a区域面积,使用新充电器光伏电池输 出功率为b区域面积。a区域只相当于b区域面积的1/3。当然,随着超级电容器的 电压增大,输出功率的差距会逐渐减小。

4.5本章小结
本章详细介绍了充电器的硬件实现和软件控制,并对本文设计的充电器和 SDRC.101P充电器进行对比实验,结果证明本文设计的充电器具有最大功率跟踪功 能,充电快速高效,可以节省一半以上的光伏电池成本,具有很大的市场潜力。

45

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第五章超级电容器的放电电路

超级电容器的能量公式为:
E。icy2 2 (5.1)

式中,C一超级电容器的电容值; U.一超级电容器的电压;E一储存在超级电容
器中的能量。

超级电容器电容值不变,随着能量的释放,超级电容器的端电压降低,并且想 让能量尽可能多的释放就要使超级电容器的压降很大。然而负载在工作过程中一般 要求工作电压或电流稳定,因而,需要在超级电容器与负载之间配置一个适配器, 以达到稳定的目的。


大功率LED的驱动分为电压驱动型和电流驱动型,本文根据两种不同的驱动 分别设计稳压器和稳流器。

5.1稳压器设计
斩波器是直流电源和负载之间的一个周期性通断的开关控制装置,它的作用是 通过改变开关的占空比来调节负载两端电压,因此,它实际上是作为一个电压调节 器而工作。 LM2596系列的调节器是用于调节降压斩波器开关的集成芯片,输出电压不随 输入的变化而变化,可以固定在负载需要的电压。LM2596输入电压最大可达40V, 输出电压1.2V~37V可调,负载的最大电流为3A,开关频率为150kHz。 图5.1为LM2596内部结构原理图;图5.2为以LM2596为开关的降压斩波电 路的主电路图。结合图5.1和图5.2,来说明驱动电路的工作原理。如图5.2所示, R1和R2形成反馈回路,LM2596将通过内部Pl调节使引脚4的反馈电压等于

LM2596的内置参考电压V,。f。V,。f和输出电压V叫t的关系为‰一%(1+R2/Ra),可
以看出,输出电压的大小和输入电压的大小没有直接联系,只和Vfcf、R1、R2相关。 Vrcf大小为1.235V,通过选择电阻就可以得到想要的输出电压V叫。如果V仰。发生 偏移,则引脚4的反馈电压自然也发生偏移,则会和参考电压Vrcf产生差值,通过 PI调节来改变开关管的占空比大小则可以使反馈电压回到Vrcf,则输出电压也同时
回到负载需要电压。

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Feedback

图5-1 LM2596内部结构原理图
R1 R2



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Vin

LM2596



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CAPACITOR

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LED





图5.2稳压器原理图

在设计中固定R1阻值,R2使用可调电阻,则可以扩展使用范围,满足不同负 载的要求。把12V超级电容器经过该稳压电路接3V350mA的大功率LED负载, LED端电压如图5.3所示。可以观察到电压很好的稳定在3V。
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图5 3稳压源时LED端电压
47

华北电力大学硕士学位论文

5.2稳流器设计
稳流器是通过稳定线性电阻的电压实现的,仍然使用LM2596芯片。原理图见
图5.4。

图5.4稳流器原理图

从图中可以看出LED电流等于小电阻R电流,稳定R电流即可稳定LED电流。
电阻是线性的,只需稳定电阻两端电压。

还以一个3V350mALED为例说明。要把LED电流稳定在350mA,则R电流
为350mA,选择0.05 Q小电阻,R上电压为应0.0175V。通过运放把0.0175放大到

Vo=1.235V并和LM2596的反馈端子连接。若R上电压偏离0.0175V,Vo也会偏离 1.235V,这样LM2596内部就会通过Pl调节使电压回到0.0175V,电流同时稳定。 图5.5是LED两端电压,与图5.3相比,电压不再时刻稳定在3V。而电流表 一直显示350mA。
Tek



目^■.M№o眦

图5.5稳流源时LED端电压

5.3稳压器与稳流器比较
大功率LED正向电流比普通LED电流大上百倍,但其正向电压依然是3V左

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右,因此,电压变化引起的电流变化量比普通LED大得多,大电流更容易引起结 温升高,随着结温升高,同一电流的正向电压值减小,如果用稳压源驱动的话,势 必会使正向电流进一步增加,最终导致器件性能恶化甚至损坏。在亮度要求不高的 场合,可以使电压稍低于LED工作电压,这样会造成开始工作时电流小于正常工 作电流,导致LED不够亮(LED的发光辉度由电流决定),但随着结温升高,正向 电流就会增加,LED变亮,结温上升到一定温度不再上升,电流也随之稳定,LED
正常工作。

稳流源驱动就不会出现上述的问题,但稳流源因为器件增多,成本变高,同时 损耗也变大。 综上所述,稳压器和稳流器各有优缺点,在使用时应全方面衡量利弊再做选择。

5.4超级电容器过放保护电路
理论上超级电容器可以完全放电,但事实上这样会严重影响超级电容器寿命, 而且负载额定电压对超级电容器的电压也会有一定的要求。例如本设计中的LED 端电压不能低于3V,考虑到适配器的效率问题,超级电容器电压要高于3V,本设 计把超级电容器的最低电压限定在5V。其原理图见图5-6。

图5.6超级电容器过放保护原理图

LM2596的引脚5为低电平时LM2596工作,为高电平时停止工作。控制引脚 5的工作状态就可以控制超级电容器是否为负载供电。在图5中Dl是5V稳压管, 当超级电容器端电压Vm大于5V时D1导通,这时D2的基极为高电平,D2导通,
5端子低电平,LM2596 I作;当超级电容器端电压VIN小于5V时D1截止,

这时

D2的基极为低电平,D2截止,5端子高电平,LM2596停止工作,超级电容器停
止放电。 5.5

LED自动开关系统
用光敏电阻实现LED灯具的自动开关。光敏电阻是一种半导体器件,利用半

导体的光电效应,当有光照时电阻很小,无光照时电阻很大。
49

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光控自动开关原理图如图5.7所示。光敏元件为R2。当光线较暗时,R2的阻 值变大,A点的电位升高,当升高到大于O.7V以上时使BJT导通,从而点亮负载 LED。相反,光线较强时,A点的电位较低,BJT截止,LED熄灭。

图5.7光控自动开关原理图

5.6本章小结
本章详细介绍了超级电容器为LED供电的电路。根据不同需要设计了稳压器

和稳流器。分析了稳压器和稳流器的优缺点,为控制器的选取提供了有利的参考。
为了延长超级电容器的使用寿命同时满足负载电压电流的需要设计了超级电容器 过放保护电路。最后设计了LED灯具的自动开关电路,节省能源,并节省人力。

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第六章结论与展望

6.1本文结论
本文论述了带最大功率点跟踪功能的小型独立光伏发电系统的理论和具体实 现。结合前人的研究,查阅了大量的资料,设计了光伏发电最大功率跟踪控制器, 超级电容器放电系统的稳压和稳流电路,“以及保护电路。本文的主要成果如下: (1)在MATLAB软件中构建了光伏发电系统,仿真曲线证明了该仿真模型的精 度在工程要求范围内,利用此仿真系统可以方便的进行光伏系统设计,缩短
开发周期。

(2)对经典干扰观测方法进行改进,并基于上述仿真系统对改进干扰观测方法进 行验证,实验结果表明此改进方法跟踪快速,在最大功率点附近功率振荡微 小,有效的弥补了经典干扰观测方法的不足。 (3)在仿真实验的基础上进行了最大功率跟踪控制器的实物制作。主回路采用降 压斩波电路,控制核心采用新华龙公司的C8051F310芯片,实现了最大功率 跟踪的功能,光伏电池的利用效率有所提高,从而降低了系统成本。该控制 器还带有防反充的功能,有效的防止了超级电容器为光伏电池反向充电浪费
能量;带有过充保护功能,预防了经常过充电对超级电容器造成的危害,延

长了使用寿命。 (4)设计了稳压器和稳流器两种放电电路,可以得到稳定的输出电压/电流,有效 的弥补了超级电容器放电时端电压浮动大,不满足负载恒压/恒流工作要求。 两种放电电路各有优缺点,视具体情况选择放电电路。在放电电路中还设计 了过放保护电路,可延长超级电容器的寿命,.并保证负载的额定工况。最后 专门为太阳能灯具设计了自动开关电路,消除了手动开关造成的麻烦。 照本文的叙述,做了大量的实验工作,基本取得了满意的结果。

6.2今后展望
由于作者时间有限未对光伏电池自动跟踪太阳做深入的研究,加入光伏电池自 动跟踪太阳控制装置会进一步提高光伏电池充电效率,从而进一步降低系统成本。

51

华北电力大学硕+学位论文

参考文献

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华北电力大学硕士学位论文





本课题是在尊敬的导师石新春教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。在硕士研 究生阶段,石老师在学习、科研、生活各个方面都给予我极大的关怀。在课题选题、 研究方向、方案确立及论文撰写过程中,始终凝聚着石老师的悉心指导和亲切教诲。 导师为人和蔼而不失严格,其渊博的知识、严谨的治学态度、高度的责任心、精益 求精的工作作风、丰富的实践经验给我留下了深刻的印象,几年来一直是激励我奋 发向上的动力源泉。尤其是导师不遗余力的为我们创造科研工作环境,不但使我增 长了知识,加深了对工程实际的了解,促进了理论和实践相结合,而且在科研态度、 工程方法和敬业精神上都受益匪浅。这些都将对我今后的工作和学习产生长远而又 积极的影响。在此,谨向导师石新春教授表示衷心的感谢和崇高的敬意! 在课题研究过程中,还得到了李亚斌老师的热心指点,为论文的撰写打下了坚 实的基础。对李老师在百忙之中给予的无私帮助表示深深的谢意。 此外,课题的完成过程中得到了周国梁师兄、付超师兄、三伊电力电子有限公 司李建昭的大力帮助,还有刘永峰、李光辉、陈雷等同学的鼓励和帮助,在此表示 感谢。 另外感谢保定万华恒远新能源科技有限公司和保定三伊电力电子有限公司提 供实验器材和环境。 最后,特别感谢我的父母和其他家人。在这三年的时间里他们在生活中始终给 予了我无微不至的关心,鼓励我专心完成学业。

55

华北电力大学硕士学位论文

在学期间发表的学术论文和参加科研情况

张瑞宁,石新春.改进干扰观测方法在独立光伏系统中的应用.太阳能,
2007,11:29~31 [2]

张瑞宁,石新春.小型独立光伏系统中最大功率跟踪控制器的实现.一中国高 等学校电力系统及其自动化专业第23届学术年会,编号:N006.合肥,
2007.10.20-23

[3]

张瑞宁,石新春.直流照明系统中高亮LED稳压控制器设计.电力科学与工 程,2008,4

在研究生期间,参加项目“光伏发电系统控制技术”。

基于超级电容器储能的独立光伏发电系统研究
作者: 学位授予单位: 被引用次数: 张瑞宁 华北电力大学(保定) 7次

参考文献(14条) 1.高峰,孙成权,刘全根 太阳能开发利用的现状及发展趋势[期刊论文]-世界科技研究与发展 2001(04) 2.唐西胜,齐智平 基于超级电容器储能的独立光伏系统[期刊论文]-太阳能学报 2006(11) 3.钟海云,李荐,戴艳阳,李庆奎 新型能源器件--超级电容器研究发展最新动态[期刊论文]-电源技术 2001(05) 4.孟丽囡,陈永真,宁武 超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案[期刊论文]-辽宁工学院学报 2005(01) 5.钟海云,李荐,戴艳阳,李庆奎 新型能源器件--超级电容器研究发展最新动态[期刊论文]-电源技术 2001(05) 6.马仁志,魏秉庆,徐才录,梁吉,吴德海 应用于超级电容器的碳纳米管电极的几个特点[期刊论文]-清华大学学报 (自然科学版) 2000(08) 7.马仁志,魏秉庆,徐才录,梁吉,吴德海 基于碳纳米管的超级电容器[期刊论文]-中国科学E辑 2000(02) 8.高峰,孙成权,刘全根 太阳能开发利用的现状及发展趋势[期刊论文]-世界科技研究与发展 2001(04) 9.唐西胜,齐智平 基于超级电容器储能的独立光伏系统[期刊论文]-太阳能学报 2006(11) 10.钟海云,李荐,戴艳阳,李庆奎 新型能源器件--超级电容器研究发展最新动态[期刊论文]-电源技术 2001(05) 11.孟丽囡,陈永真,宁武 超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案[期刊论文]-辽宁工学院学报 2005(01) 12.钟海云,李荐,戴艳阳,李庆奎 新型能源器件--超级电容器研究发展最新动态[期刊论文]-电源技术 2001(05) 13.马仁志,魏秉庆,徐才录,梁吉,吴德海 应用于超级电容器的碳纳米管电极的几个特点[期刊论文]-清华大学学报 (自然科学版) 2000(08) 14.马仁志,魏秉庆,徐才录,梁吉,吴德海 基于碳纳米管的超级电容器[期刊论文]-中国科学E辑 2000(02)

本文读者也读过(3条) 1. 李楠 基于储能技术的光伏发电系统最大功率点跟踪控制研究[学位论文]2008 2. 赵磊 基于超级电容器储能的光伏发电系统研究[学位论文]2010 3. 王培波 基于超级电容器储能系统的独立光伏发电系统的设计与研究[会议论文]-2008

引证文献(7条) 1.浦清云,魏宜华,黄锷,苏志伟,刘海静 基于超级电容-蓄电池混合储能在变电站中应用研究[期刊论文]-中国电业 (技术版) 2014(11) 2.张焕,魏宜华,黄锷,浦清云 超级电容器在变电站直流系统中的应用[期刊论文]-电子世界 2014(22) 3.孙志松 光伏并网发电系统的MATLAB仿真研究[学位论文]硕士 2012 4.刘建涛,张建成 一种基于超级电容器的光伏系统电压控制方法研究[期刊论文]-电网与清洁能源 2010(11) 5.赵磊 基于超级电容器储能的光伏发电系统研究[学位论文]硕士 2010 6.靳朋飞 红外温度监测与控制系统的设计[学位论文]硕士 2012 7.张恩辉 超级电容器充电控制技术研究[学位论文]硕士 2010

引用本文格式:张瑞宁 基于超级电容器储能的独立光伏发电系统研究[学位论文]硕士 2007


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