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1、太阳能电池最大功率点跟踪技术的研究毕业论文常规能源也叫传统能源，英文名conventional energy ，是指已经大规模生产和广泛利用的能源。如煤炭、石油、天然气、核能等都属一次性非再生的常规能源。而水电则属于再生能源，如葛洲坝水电站和三峡水电站，只要长江水不干涸，发电也就不会停止。煤和石油天然气则不然，它们在地壳中是经千百万年形成的(按现在的采用速率，石油可用几十年，煤炭可用几百年)，这些能源短期内不可能再生，因而人们对此都有着不好的预感。已能大规模生产和广泛利用的一次能源，又称传统能源，如煤炭、石油、天然气、水力和核裂变能，是促进社会进步和文明的主要能源。在讨论能源问题时，主要指的是
2、常规能源。新能源是在新技术基础上系统地开发利用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等，与常规能源相比，新能源生产规模较小，使用范围较窄。常规能源与新能源的划分是相对的。以核裂变能为例，20世纪50年代初开始把它用来生产电力和作为动力使用时，被认为是一种新能源。到80年代世界上不少国家已把它列为常规能源。太阳能和风能被利用的历史比核裂变能要早许多世纪，由于还需要通过系统研究和开发才能提高利用效率，扩大使用范围，所以还是把它们列入新能源。但事实上，常规能源的储藏是有限的。 当前能源形势目前全世界能源年总消费量约为134亿吨标准煤，其中石油、天然气、煤等化石能源占85%，大部分电力也是依赖化石能源
3、生产的，核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热等能源仅占15%。虽然发达国家遭受70年代两次石油危机打击后，千方百计想摆脱对石油的过度依赖，但是今后20多年里，石油仍然是最主要的能源，全球需求量将以年均1.9%的速度增长；煤仍然是电力生产的主要燃料，全球需求量将以每年1.5%的速度增长。可见化石能源仍然是我们在这个星球上赖以生存和发展的能源基础。有统计表明，2020年全世界能源消费量将是目前的3倍。特别值得关注的是，世界各国能源消费量与GDP的增长程度有密切的相关性。从发达国家走过的道路来看，人均GDP在1000至10000美元之间，人均能源消费量增长较快，GDP超过10000美元之后
4、，人均能源消费量放缓。中国正处在人均能源消费量增长较快的起步阶段，石油需求增势强劲，预计今年原油消费量为2.7亿吨，2020年将达到4.0-4.5亿吨；而我国是一个人均能源相对贫乏的国家，人均石油、天然气、煤炭可采储量分别占世界平均值的20.1%、5.1%和86.2%，尤其是原油，目前对外依存度是1/3，2020年将超过1/2，供需矛盾相当尖锐。另一方面，化石能源枯竭问题和能源环境污染问题也时时困扰着人类。世界能源以化石能源为主的结构特征，使得化石能源枯竭的日子离我们越来越近。因为作为能源主体的化石能源是不可再生能源，用一点，就少一点，总有枯竭的那一天。日前2004BP世界能源统计年鉴测算世界
5、石油总储量为1.15万亿桶，以目前的开采速度计算，可供生产41年。作为世界石油龙头的沙特阿拉伯，石油储量达2500亿桶，日产量800多万桶，分别占世界石油总储量和总需求量近1/4和近1/10。这个国家以“我们每天为世界提供石油”作为使命，在过去30多年间确实起到世界石油供应稳定器的作用。但是，沙特石油公司高级职员私下表示：“我不知道这种情况能够持续多久。”因为沙特老油田已经接近产油高峰期，而开采新油田的难度非常大。世界各大产油国也都大致如此，阿曼目前的产量仅是其高峰时的1/5，美国石油开采量每年下降3%，传统的石油出口国印度尼西亚甚至一度需要进口石油应急。全球再找到大型油田的可能性非常小，只能
6、寄希望于西伯利亚永久冻土带、加拿大油砂和几处深海大陆架。这种状况加剧了人们对不可再生能源走向枯竭的危机感。近年来国际市场油价持续走高，很大程度是这种危机感的直接反应。目前以煤炭、石油为主的世界能源结构带来全球性能源环境问题的主要表现为酸雨、臭氧层破坏、温室气体排放等。在许多发展中国家，城市大气污染已达到十分严重的程度，在欧洲和北美也出现了超越国界的大气污染，形成了广泛的环境酸化，上千个湖泊的湖水酸度达到了不能支持鱼类生存的程度，酸性气体所造成的腐蚀损失，每年高达10亿美元。我国以煤炭、石油为主的能源结构也造成了严重的大气污染，二氧化硫和二氧化碳的排放量都居世界前列。二氧化碳排放量的增加使全球变
7、暖，2003年成为有史以来最炎热的一年，因此联合国呼吁各国签署京都协议书，以减少温室效应气体的排放。包括中国在内的大多数国家做出积极响应，而二氧化碳排放量居世界第一的美国，出于自身经济扩张的考虑，拒绝签署京都协议书，使国际社会同温室效应问题的斗争举步维艰。再者，化石能源除了必将枯竭和环境污染这两个老问题受到全人类的特别关注以外，近些年世界石油市场结构新一轮大调整也格外引人注目。 世界石油工业历经近150年的发展，到20世纪末形成了从西北非经中东、里海、中亚、西伯利亚到远东的石油储产区域和以北美、西欧、东亚为主的世界石油消费区域，两者供需关系严重错位和失衡，导致以最大石油消费国美国为首的发达国家
8、与以世界最大石油输出国沙特阿拉伯为首的中东产油国家的控制与反控制的矛盾突出，“强强抗衡”成为上世纪后30年石油地缘政治的主旋律。以往历次世界石油市场结构大调整，都是石油地质大发现带动的，美国油田、巴库油田、中东油田、北海和墨西哥湾油田的相继发现，都使世界石油地缘政治格局为之一变，世界石油市场结构随之做出相应的大调整；然而进入本世纪，特别是伊拉克战争之后，世界石油地缘政治“多元化”初露端倪，并引发世界石油市场结构的大调整。这次世界石油市场结构大调整涉及需求结构调整、供应结构调整、资本结构调整和新石油储产中心开辟等石油领域的方方面面，其时间持续之长，波及范围之广，影响之深远，是前所未有的。主要表现
9、在： 石油需求多元化。虽然发达国家石油需求仍然主导世界石油需求市场，但是随着发展中国家的国民生产总值的提高，石油消费量将追超发达国家。 石油供应多元化。欧佩克在世界石油市场仍然发挥着举足轻重的作用，但是其控制国际油价的局面正在打破，非欧佩克产油国发展势头强劲，俄罗斯的能源大国地位得以确立，挪威、加拿大等国的传统地位仍然保持，伊拉克的特殊地位将逐渐突出，石油供应国形成“群雄并立”的格局。 石油资本多元化。世界石油产业被西方几大石油公司所垄断的局面将被打破，发展中的地区大国全力支持本国石油公司在全球争取石油开发、生产和销售的份额，招商引资将是各产油国迅速提高石油效益的必然选择，联合开发将是各石油公
10、司规避海外投资风险的最佳策略，区域合作将是各石油需求国趋利避害的当务之急。 而这样的世界石油市场结构大调整是多种因素共同作用的结果： 需求激增的拉动。人类在过去150年已经消耗了9500亿桶石油，占全球已探明化石能源总量的44%，其中大部分是近50多年在现代工业高速发展的过程中消耗的。进入本世纪，随着工业的新一轮增长、居民消费结构的升级和城市化进程的加速，能源需求以前所未有的速度增长，能源消耗量也出现“加速度”的趋势，欧佩克预计今年世界石油日需求量将比去年增加200万桶。可以说需求激增拉动了世界石油市场结构大调整。 供应风险的激励。在目前世界石油供需基本平衡，生产能力略有节余的表象下面，孕育着
11、种种危机，包括世界石油产量将越过顶峰而呈下降趋势；全球石油地质储量连年增加，但是可开采的商业油源却呈下降趋势；新油田的开发需要大投资、长周期和高风险等等，导致世界石油供应不确定的风险凸显。加上石油所特有的地缘政治风险，诸如巴以冲突加剧、伊拉克局势动荡和恐怖袭击对石油设施的破坏，都促使各国加强石油生产、运输、贮存的安全措施，争取多渠道的稳定油源，并且建立石油战略储备，以确保石油供应。可以说石油供应风险意识激励了世界石油市场结构大调整。 美国石油霸权战略的催化。美国将控制石油资源作为其全球霸权战略的核心内容，将控制伊拉克作为制服中东产油国家的“石油王牌”，遏制其他发达国家和发展中地区大国获取石油资
12、源。为此，美国采取的石油战略是：抢占中东石油地缘战略支点，控制里海和中亚石油区，抢滩非洲石油区，削弱欧佩克，插手俄罗斯石油公司，控制国际输油管线，以确立新的世界石油地缘政治格局，并在其中发挥主导作用。这样的石油霸权战略，使各产油国、石油需求国甚至美国的盟国都感受到巨大的压力，迫使他们制定并实施自己的石油安全战略，确保自己在世界石油市场的应有地位。可以说美国石油霸权战略催化了世界石油市场结构大调整。 各国政府的推动。各国政府为了应对世界石油供需不平衡矛盾和规避石油地缘政治风险，尤其为了应对美国的石油霸权战略，都将石油保障纳入国家发展安全战略。发达国家和发展中国家形成的需求方急需开辟新油源，新老产
13、油国形成的供应方积极开发新产能，新供需关系和新运输保障也都应运而生。各国政府支持本国石油公司争取境外石油资源份额和参与世界石油市场竞争。可以说各国政府推动了世界石油市场结构大调整。 新技术的保障。新技术使开发深海油田和复杂地质构造的陆地油田成为可能，使液化天然气便于储运和利用，使输油管线成为供需双方的联系纽带。可以说新技术保障了世界石油市场结构大调整。 世界石油市场结构新一轮大调整为新一轮长期投资浪潮创造了条件。新一轮长期投资浪潮需要大投资、长周期和高风险，在数年甚至十几年才能赢利，这就是今后相当长时期国际油价将持续走高的深层原因。如今，依然困扰人类的以化石能源为主的世界能源结构带来的化石能源
14、枯竭和能源环境污染问题以及随着世界石油地缘政治格局呈多元化态势和世界石油市场结构大调整的展开，使能源问题已经上升为一个国家能否安全、全面、协调、可持续发展其社会经济的重大战略问题,各国都从安全和发展两个方面制定了国家能源战略。 首先，各国将石油保障纳入国家安全战略。美国等发达国家为了减轻对欧佩克石油的依赖，转而开辟西非、中亚和俄罗斯等地区和国家的新油源；中国、印度、东盟、韩国、巴西等经济发展较快的国家和地区集团积极寻求多渠道石油来源；沙特阿拉伯、俄罗斯等老、新产油国都把石油作为本国经济腾飞的“金钥匙”，纷纷制定了“石油兴国”、“石油强国”的战略；世界各国都对石油运输保障和战略储备予以高度重视，
15、例如中国、俄罗斯、哈萨克斯坦、日本、美国等国都在建设长距离输油管线，马来西亚、新加坡和印度尼西亚联合维护马六甲海峡安全，中国和印度筹建石油战略储备设施，等等。 其次，世界各国都制定能源发展战略，将合理利用和节约常规能源、研发清洁的新能源和切实保护生态环境作为基本国策，以实现经济持续发展、社会全面进步、资源有效利用、环境不断改善的目标。当今能源发展趋势 高新技术成果在能源工业迅速推广应用。能源工业正在由低技术向高技术过渡，新技术已迅速地渗透到能源勘探、开发、加工、转换、输送、利用的各个环节，例如自动化生产设备使煤矿开采效率成倍提高，新工艺和新技术促进了深海油田的开发。 化石燃料正在向高效节能、洁
16、净环保的方向发展。全球范围的节能技术革命已经展开，各国都在通过节约能源和提高能效来降低能源需求量，发达国家的能源消耗下降了30%以上，机动车的燃油效能提高了近一倍。清洁能源技术迅速提高，各国纷纷推进清洁煤计划。各种新能源的开发利用引人瞩目。太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源的研发迅速展开，尤其是美、日、中等国都在大力开发氢燃料电池技术，使用氢燃料电池的汽车样机已经上路，2008年北京奥运会期间将出现氢燃料电池的公共汽车。到本世纪中期，人类有望进入“新能源时代”。综上所知，开发新能源是当今世界的必然趋势，而太阳能电池就是主要的新能源之一，因此太阳能充分开发及利用的研究就在此趋势下
17、兴起了。太阳能电池就是将照射在电池表面上的太阳光直接转化为电能的装置，它在可预见的时间内是不会枯竭的，而且它无大气和放射性污染，因而受到国内外的普遍重视。太阳能电池最大功率点的由来根据太阳能电池的工作原理，当光照强度、温度等自然条件变化时，太阳能电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用系统中，自然光的照射强度及大气的透光率处于动态变化中，这就给光伏系统的高效应用带来了困难。理论上讲，事物的利用都是要讲究高效率的。因此，太阳能充分开发及利用的一面就体现在对太阳能电池最大功率点跟踪的研究上。下图就是太阳能电池输出随温度变化的情况：从图一a可以看到在常温下250W/m*
18、m日照，太阳能电池的最大功率发生在电压为180v处，而日照为150W/m*m时，太阳能电池的最大功率点发生在150v处。从图一b可以看到，在同一日照下，温度为125摄氏度时，太阳能电池最大功率点发生在100v电压处，而温度为28摄氏度时，太阳能电池最大功率点发生在电压为150v电压处。那么如何避免系统资源的大量浪费呢？这就是太阳能电池最大功率点跟踪技术所要解决的问题，为了得到最佳的能量利用率，必须使电池电池输出的最大功率能自动跟随气候的变化而变化。控制策略 理论上讲，太阳能电池最大功率点是可以根据其规律然后通过某些控制策略来使其稳定已达到太阳能电池充分利用的目的的。在以前的光伏系统控制上，由于
19、CVT（恒定电压跟踪器）的设计相对简单成本较低，许多产品仍然采用这种工作方式以代替相对复杂一些的MPPT（最大功率跟踪），但这种方式并非真正的最大功率的跟踪，它所带来的功率损失相比于近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价，已经显得很不经济。众所周知，微电子技术是现代电子信息技术的直接基础。美国贝尔研究所的三位科学家因研制成功第一个结晶体三极管，获得1956年诺贝尔物理学奖。晶体管成为集成电路技术发展的基础，现代微电子技术就是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。集成电路的生产始于1959年，其特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。衡量微电子技术进步的标志要
20、在三个方面：一是缩小芯片中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓有针对性的设计应用。 大规模集成电路指每一单晶硅片上可以集成制作一千个以上的元器件。集成度在一万至十万以上元器件的为超大规模集成电路。国际上80年代大规模和超大规模集成电路光刻标准线条宽度为07一08微米，集成度为108 。90年代的标准线条宽度为03一05微米，集成度为109。集成电路有专用电路(如钟表、照相机、洗衣机等电路)和通用电路。通用电路中最典型的是存贮器和处理器，应用极为广泛。计算机的换代就取决于这两项集成电路的集成规模。 存贮器是具有信息存贮能力的器件。随着
21、集成电路的发展，半导体存贮器已大范围地取代过去使用的磁性存贮器，成为计算机进行数字运算和信息处理过程中的信息存贮器件。存贮器的大小(或称容量)常以字节为单位，字节则以大写字母B表示，存贮器芯片的集成度已以百万位(MB)为单位。目前，实验室已做出8MB的动态存贮器芯片。一个汉字占用2个字节，也就是说，400万汉字可以放入指甲大小的一块硅片上。动态存贮器的集成度以每3年翻两番的速度发展。 中央处理器(CPU)是集成电路技术的另一重要方面，其主要功能是执行“指令”进行运算或数据处理。现代计算机的CPU通常由数十万到数百万晶体管组成。70年代，随着微电子技术的发展，促使一个完整的CPU可以制作在一块指
22、甲大小的硅片上。度量CPU性能最重要的指标是“速度”，即看它每秒钟能执行多少条指令。60年代初，最快的CPU每秒能执行100万条指令（常缩写成MIPS)。1991年，高档微处理器的速度已达5000万一8000万次。现在继续提高CPU速度的精简指令系统技术(即将复杂指令精减、减少)以及并行运算技术(同时并行地执行若干指令)正在发展中。在这个领域，美国硅谷的英特尔公司一直处于领先地位。 此外，光学与电子学的结合，成为光电子技术，被称为尖端中的尖端，为微电子技术的进一步发展找到了新的出路。美国时代杂志预测：“21世纪将成为光电子时代。”其主要领有激光技术、红外技术、光纤通信技术等。总的来说，微电子技
23、术的应用是研究太阳能最大功率点的或其它研究点的优先选择。因此，在总结以前的经验和方法的基础上，再根据太阳能电池的内部结构以及输出特性可以得到以下几种控制方案：（1） 控制太阳能电池阵列的串并联数当负载固定时，改变太阳能电池阵列内部的串并联数，可实现最佳匹配。太阳点的输出阻抗随着太阳光强而变化，光强越大输出阻抗越小。当光强大于200w/m*m时，太阳能电池的输出电压变化最小。根据硅太阳能电池的短路电流与入射光强、光照面积成正比，假设太阳能电池阵列的输出阻抗只随电流而变化，而输出电流又近似与光强成正比。故阵列输出功率最大时，内部的串并联数只取决于光强。光强强时，串联数较多并联数较少；光强弱时，串联
24、数较少并联数较多。太阳能电池阵列设计实例首先，数据采集仪器应采用低功能耗的。其次，选择的太阳能发电板和蓄电池应是经济、可靠性的。既要防止太阳能发电板在阴雨期容量不够，达不到测量目的，又要避免容量过大，造成浪费。一、关于硅太阳能发电板容量硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率WP。太阳能发电功率量值取决于负载24h所能消耗的电力 H(WH)，由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量P(AH)，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流IP(A)。由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压V
25、F (V)，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT (v)及反充二极管P-N结的压降VD(V)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP(V)，由太阳电池阵列工作电源IP(A)与工作电压VP(V)，便可决定平板式太阳能板发电功率WPW，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量WP与太阳能电池阵列工作电压VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。太阳能电池阵列的具体设计步骤如下：.计算负载24h消耗容量P。P=H/VV负载额定电源2.选定每天日照时数T(H)。3.计算太阳能阵列工作电流。IP=P(1+Q)/TQ按阴雨期富余系数，Q=0.211.004.确定蓄电池浮充电压VF。镉
26、镍()和铅酸()蓄电池的单体浮充电压分别为1.41.6V和2.2V。5.太阳能电池温度补偿电压VT。VT=2.1/430(T-25)VF6.计算太阳能电池阵列工作电压VP。VP=VF+VD+VT其中VD=0.50.7约等于VF7.太阳电池阵列输出功率平板式太阳能电板。WP=IPUP8.根据VP、WP在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。二、关于蓄电池的容量计算蓄电池的容量由下列因素决定：1.蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。2.蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量
27、占额定容量的80%。3.蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电所造成的失水。一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的25倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。4.蓄电池自身漏掉的电能。随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的5%，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月10%15%。在水情遥测系统中，连续阴雨天的长短决定了蓄电池的容量，由遥测设备在连续阴雨天中所消耗能量安时数加上20%因子，再加上10%电池自放电能安时数，便可计算出蓄电池的容量源。 按照两种容量方案的计算，得出： 1.测站的主要参数：每隔5min发射一
28、次数据，发射时间2Sec；发射机输入电压DC13.8V，输出电流5A；当地日照时数78h。 2.测站蓄电池容量经计算得出为38AH。 3.测站太阳能电池容量阵列输出功率WP W为2535w。 太阳能电源安装使用中注意的问题 1.阵列板选择安装在周围无高大建筑物、树木、电线杆等无遮挡太阳光和避风处。 2.太阳能电池阵列板配套的蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。 3 .注意定期的维护工作。此电源系统经济可靠，安装方便，利于维护，在实践中取得了满意的效果。 太阳能电池组件支架 倾角设计 为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最
29、佳倾角。 关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，依据本次设计参考相关文献中的资料1，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。 抗风设计 在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。 太阳能电池组件支架的抗风设计 依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m
30、/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。总的来说，运用改变太阳能电池阵列内部的串并联数来使太阳能电池阵列达到并保持在最大功率点进而输出稳定的电流的过程是得考虑到全局的。理论上讲这种方法是可行的，但是，这种方法需要多组开关的控制电路，控制比较复杂。（2） CVT即恒定电压跟踪控制 硅太阳能电池阵列具有如图所示的伏安特性，在不同的日照强度下它与负载特性L的交点A、B、C、D、E等为系统当前的工作点。可以看出，这些工作点并不正好落在阵提供最大功率的那些点，如A、B、C、D、E上，这就不能充分利用当前光照强的下阵列所能提供的最大功率，被浪费的能量如图中所示的面积。
31、如果把在不同日照下阵列所能提供的最大功率点连接起来，就构成了图中所示的最大功率点轨迹线，任何时候都应使系统的工作点落在这一轨迹线上，从电路的匹配角度看，这就需要一个阻抗转换器。为了实现这一阻抗变化，即把A、B、C、D、E点转换到A、B、C、D、E上，人们发现当温度保持固定值时，后面一些点几乎落在同一根垂直线的领近两侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似的看作电压U=Const的一根垂直线，亦即只要保持阵列的出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保持阵列输出在该一温度下的最大功率，把最大功率点跟踪器简化为一个稳压器，这就是CVT跟踪的理论依据。 给定电压和实际电压比
32、较后经过PI调节，调节结果与三角波比较得到PWM脉冲，驱动功率器件，从而调节太阳电池的负载阻抗。不同的PWM脉宽对应不同的负载阻抗。CVT方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得20的电能，较之不带CVT的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。以单晶硅太阳电池为例，当环境温度每升高1时，其开路电压下降率为0.350.45。这表明太阳电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区,CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。 鉴于CVT方式的局限性，它只能是一定温度条件下的最大
33、功率跟踪，在不同温度条件下仍有功率损失。真正的MPPT是指系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率。目前，最常用的控制方法主要是扰动观察法和电导增量法.扰动观察法由于实现简单，是最常用的方法。它通过对太阳电池输出电压、电流的检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的记忆功率相比较，从而确定给定参考电压调整的方向。若p0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若p0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，则工作点位于图4中最大功率点pmax左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，则工作点位于最大功率点pmax右
34、侧，需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于pmax的左侧，需增大参考电压；若输出功率增大，则工作点位于pmax的右侧，需继续减小参考电压。 图4 pu特性曲线 给定参考电压变化的过程实际上是一个功率寻优的过程。由于在寻优过程中不断地调整参考电压，因此，太阳电池的工作点始终在最大功率点附近振荡，无法稳定工作在最大功率点上。同时，当日照强度快速变化时，参考电压调整方向可能发生错误。 电导增量法的原理是：在最大功率点处，有dp/du=0，即满足di/du=i/u。理论上它比扰动观察法好，能适应日照强度快速变化，但由于传感器的精密度等因素，电导增量法往往难以实现。由于太
35、阳电池特性的i=f（u）关系是一个单值函数，因此，只要保证太阳电池的输出电压在任何日照及温度下都能实时地保持为与该条件相对应的Um值，就一定可以保证电池在任何瞬间都输出其最大功率。 CVT控制结构如图5所示,它将太阳电池工作电压作为反馈，达到稳定电池工作点电压的目的。图中i=f1(u)与负载特性有关。 图5 CVT控制框图 TMPPT的实质是在CVT的基础上，实时的改变太阳电池的工作点电压，使得工作点电压始终等于最大功率点处的电压，从而实现最大功率点跟踪。它的内环就是CVT。TMPPT的控制框图如图6所示。 图6 TMPPT的控制框图 采用TMPPT实现太阳电池的最大功率跟踪，通过在太阳能模拟
36、器上进行实验可得如图7所示的结果，图中的就是太阳电池的工作点。它表明太阳电池工作在最大功率点处，TMPPT有良好的跟踪效果。 图7 TMPPT的实验结果 （3） 脉宽调制法它本质上是一个作为功率调节的DC/DC变换器。它利用晶体管开关工作在开关状态，将太阳能电池阵列的直流输出信号变换成一个有可变占空比的方波信号来改变太阳能电池阵列的等效负载。DC/DC中的开关调节通常采用脉宽调制，它与太阳能电池板串联，通过改变PWM波的占空比来控制充电电压，实现最大功率跟踪。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而本文介
37、绍的是在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。 PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆
38、变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波 PWM变频电路具有以下特点1. 可以得到相当接近正弦波的输出电压 2. 整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数 3. 电路结构简单 4. 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应 现在通用变频器基本都再用PWM控制方式，所以介绍一下PWM控制的原理 PWM基本原理12 脉宽调制（PWM）。控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波
39、形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。 根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。 例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于
40、/n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电
41、路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。 根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形 PWM技术的具体应用PWM软件法控制充电电流本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定
42、的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM 的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。软件PWM法具有以下优缺点。 优点： 简化了PWM的硬件电路，降低了硬件的成本。利用软件PWM不用外部的硬件PWM和电压比较器，只需要功率MOSFET、续流磁芯、储能电容等元器件，大大简化了外围电路。 可控制涓流大小。在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决
43、定PWM占空比的调整方向。 电池唤醒充电。单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。 缺点： 电流控制精度低。充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。若设定采样电阻为Rsample（单位为），采样电阻的压降为Vsample（单位为mV）， 10位ADC的参考电压为5.0V。则ADC的1 LSB对应的电压值为 5000mV/102
44、45mV。一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。 PWM采用软启动的方式。在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。 充电效率不是很高。在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。 为了克服2和3缺点带来的充电效率低的
45、问题，我们可以采用充电时间比较长，而停止充电时间比较短的充电方式，例如充2s停50ms，再加上软启动时的电流慢速启动折合成的停止充电时间，设定为50ms，则实际充电效率为（2000ms100ms）/2000ms=95%，这样也可以保证充电效率在90%以上。 纯硬件PWM法控制充电电流由于单片机的工作频率一般都在4MHz左右，由单片机产生的PWM的工作频率是很低的，再加上单片机用ADC方式读取充电电流需要的时间，因此用软件PWM的方式调整充电电流的频率是比较低的，为了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法来控制充电电流。现在智能充电器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯
46、片的工作频率可以达到300kHz以上，外加阻容元件就可以实现对电池充电过程中的恒流限压作用，单片机只须用一个普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用电压比较器替代TL494，如LM393和LM358等。采用纯硬件PWM具有以下优缺点。 优点： 电流精度高。充电电流的控制精度只与电流采样电阻的精度有关，与单片机没有关系。不受软件PWM的调整速度和ADC的精度限制。 充电效率高。不存在软件PWM的慢启动问题，所以在相同的恒流充电和相同的充电时间内，充到电池中的能量高。 对电池损害小。由于充电时的电流比较稳定，波动幅度很小，所以对电池的冲击很小，另外TL494还具有限压作用，可以很好地
47、保护电池。 缺点： 硬件的价格比较贵。TL494的使用在带来以上优点的同时，增加了产品的成本，可以采用LM358或LM393的方式进行克服。 涓流控制简单，并且是脉动的。电池充电结束后，一般采用涓流充电的方式对电池维护充电，以克服电池的自放电效应带来的容量损耗。单片机的普通I/O控制端口无法实现PWM端口的功能，即使可以用软件模拟的方法实现简单的PWM功能，但由于单片机工作的实时性要求，其软件模拟的PWM频率也比较低，所以最终采用的还是脉冲充电的方式，例如在10%的时间是充电的，在另外90%时间内不进行充电。这样对充满电的电池的冲击较小。 单片机 PWM控制端口与硬件PWM融合 对于单纯硬件PWM的涓流充电的脉动问题，可以采用具有PWM端口的单片机，再结合外部PWM芯片即可解决涓流的脉动性。 在充电过程中可以这样控制充电电流：采用恒流大电流快速充电时，可以把单片机的PWM输出全部为高电平（PWM控制芯片高电平使能）或低电平（PWM控制芯片低电平使能）；当进行涓流充电时，可以把单片机的PWM控制端口输出PWM信号，然后通过测试电流采样电阻上的压降来调整PWM的占空比，直到符合要求为止。由此可见，用脉宽调制法来使太阳能电池达到并保持在最大功率且输出稳定电流是一种较为可行的