太阳能蓄电池充放电器控制的设计说明书.doc

太阳能蓄电池充放电器控制的设计摘 要：随着化石能源消耗的不断增长，世界性的能源危机和环境问题已经日益突出。在绿色可再生能源中，太阳能凭借其存储量无限、清洁安全以及易于获取等独特优点而受到了世界各国科研领域的普遍关注，太阳能光伏发电技术的应用更是普遍关注的焦点。我国化石能源相对贫乏而能源消耗量巨大，因此展开对太阳能光伏发电技术的研究和应用上的普及对我国未来的经济发展有着非常重要的战略意义。一套基本的光伏发电系统一般由太阳能电池板、蓄电池、直流控制系统和逆变器组成。关键词：太阳能光伏发电；光伏电池；直流控制系统；交流配电系统；逆变电路The Design of Solar Battery Charge and Discharge of Electrical ControlAbstract：With the costant growing consumption of fossil energy, global energy crisis and environmental problems have become more and more acute. Among various green renewable energy resources, solar energy has drawn the attention from the scientific circles of various countries due to its unique advantages such as bountless storage content, cleaness and safety, and easiness to obtain. In particular, the application of solar photovoltaic technology has become a universal focus. China has relatively scarce fossil energy resources while a huge energy consumption. Therefore, the research and application of solar photovoltaic technology has important strategic meaning for the future economic development of China. A basic solar photovoltaic system is generally composed of solar panels, storage batteries, DC (direct current) control system and inverters Key words: solar photovoltaic power；photovoltaic cells； DC (direct current) control system； AC (alternating current) distribution system；Inverter circuits目 录 摘要1 关键词1 1前言1 1.1课题研究背景1 1.1.2太阳能的应用领域2 1.1.3光伏发电的特点3 1.2本课题研究的主要内容3 2太阳能电池的研究和分析3 2.1太阳能电池的原理和分类3 2.2太阳能电池的等效电路5 2.3太阳能电池板的主要参数6 2.3.1光伏电池的主要参数6 2.4本章小结6 3蓄电池充电技术研究6 3.1蓄电池的一般特性7 3.1.1主要参数指标7 3.2蓄电池充电方法比较和选择8 3.2.1恒流充电8 3.2.2恒压充电9 3.2.3恒压限流充电9 3.2.4两阶段、三阶段充电10 3.2.5快速充电10 3.2.6充电方法的确定10 3本章小结10 4最大功率点跟踪及其实现10 4.1最大功率点跟踪原理11 4.2最大功率点跟踪方法12 4.2.1恒压控制法12 4.2.2扰动观测法12 4.2.3增量电导法13 4.2.4最大功率的实现15 4.3本章小结16 5充电电路设计17 5.1直流变换电路的作用17 5.2充电电路的介绍18 5.2.1BUCK电路18 5.2.2BOOST电路18 5.3充电电路的设计19 5.3.1主控芯片的设计19 5.3.2串口通信的设计20 5.3.3液晶接口的设计20 5.3.4发光二级管的设计21 5.3.5蜂鸣器的设计21 5.3.6控制部分的设计23 5.3.7整个电路的设计24 5.4本章小结25 6软件设计部分25 6.1系统流程图25 6.2 A/D转换流程图25 6.3蜂鸣器流程图25 6.4本章小结25 7结论26 参考文献27 致谢27 附录291 前言1.1 课题研究背景1.1.1 太阳能发电太阳能是一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的重视，在人们生活、工作中有广泛的作用，其中之一就是将太阳能转换为电能，太阳能电池就是利用太阳能工作的。而太阳能热电站的工作原理则是利用汇聚的太阳光，把水烧至沸腾变为水蒸气，然后用来发电。太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11万平方公里、 186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5% 。因此这一方案是有可能实现的。 另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。 随着我国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！1.1.2 太阳能的应用领域（1）用户太阳能电源：小型电源10-100W不等，用语边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；3-5KW家庭屋顶并网发电系统；光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。（2）交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。（3）通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS 供电等。（4）石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。（5）家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。（6）光伏电站：10KW-50MW 独立光伏电站、风光互补电站、各种大型停车厂充电站等。（7）太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。（8）其他领域包括：与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；海水淡化设备供电；卫星、航天器、空间太阳能电站等 。目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、印度等都在大力发展太阳电池应用，开始实施的十万屋顶计划、百万屋顶计划等，极大地推动了光伏市场的发展，前途十分光明。1.1.3 光伏发电的特点太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式电能，从而具有热利用不可比拟的优势。太阳能发电又分为光电发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电当今太阳能发电的主流。与常规发电和其他绿色发电技术相比，光伏发电系统具有如下的优势：（1）是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。太阳能不用燃料，运行成本很小，并且发电部件不易损坏，维护简单；（2）利用场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行；（3）可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源；（4）接近负载中心，减少电网的线损；（5）发电的效率不随发电规模的大小而变；（6）就地可去，无需运输。光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫伏，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度的重视，发展很快。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。1.2 本课题研究的主要内容（1）分析太阳能电池板和蓄电池的特性。（2）根据太阳能电池输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充/放电控制方法。（3）MPPT的实现和充电电路的设计。（4）控制电路软件的设计。（5）整合出一套合理的方案。2 太阳能电池的研究和分析2.1 太阳能电池的原理和分类太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子-电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其有缺点。目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为： 硅太阳能电池； 以无机盐如砷化镓III-V化合物，硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池； 功能高分子材料(有机半导体)制备的太阳能电池； 纳米晶太阳能电池等。这里采用的是硅太阳能电池。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，电池转化效率20%左右。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达12%左右。非晶硅薄膜太阳能电池与结晶硅电池相比转换效率偏底，但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展，电池最高转换效率为10%左右。2.2 太阳能电池的等效电路光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图1表示的等效电路来考虑。图1 理想状态的太阳能电池等效电路图Fig 1 Ideal state of the solar cell equivalent circuit在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。 (1)当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压 (2)其中I为电池单元输出电流；为PN结电流(A)；为二极管的反向饱和电流(A)；V为外加电压(V)；q是单位电荷(库仑)；K是玻耳兹曼常数()；T是绝对温度(T=t+273K)；n为二极管指数。但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻 来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻 来等效表示。此时的等效电路可根据图2来描述，其伏安特性可由2-2式给出。 (3)此式叫做光伏电池的超越方程式。图2 实际光伏电池等效电路Fig 2 Actual photovoltaic cell equivalent circuit2.3 太阳能电池板的主要参数2.3.1 光伏电池的主要参数光伏电池的几个重要技术： 短路电流：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 开路电压：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。 最大功率点电流()：在给定日照强度和温度下相应最大功率点的电流。 最大功率点电压()：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 最大输出功率()：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。 填充因子 (4) 光伏电池的转换效率：输出功率与阳光投射到电池表面上的功率之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率，。2.4 本章小结本章内容主要介绍太阳能电池板的相关知识。首先介绍了太阳能电池的原理，即太阳能电池板进行光电转换的原理；其次对太阳能电池板的等效电路进行了分析；介绍了太阳能电池的分类；最后结合可能影响太阳能电池板内部和外部因素对其输出特性作了分析介绍。3 蓄电池充电技术研究太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳能电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详细的分析研究。3.1 蓄电池的一般特性3.1.1 主要参数指标描述蓄电池特性的参数有很多，主要的有：蓄电池的充放电容量、蓄电池效率、荷电状态、放电深度和蓄电池寿命等。当然对于不同的蓄电池还有不同的参数，后面用到铅酸蓄电池时再详述。下面介绍其中一些参数的概念及相互间的关系。1 蓄电池充放电容量蓄电池充电容量：蓄电池充电时消耗的电量。 (5)式中为充电电流，为充电时间。蓄电池放电容量：完全充足电的蓄电池在一定放电条件下放出的电量。 (6)式中为放电电流，为放电时间。影响蓄电池放电容量的主要因素有：a) 放电率放电时间越短，放电电流就越大，蓄电池的终止电压越低，蓄电池的容量就越小。b) 电解液的温度当电解液温度在10-35变化时，温度每升高1，蓄电池容量约增加额定容量的0.008。通常采用25下10小时放电率取得的容量作为蓄电池的额定容量。2 蓄电池效率放电时能放出的全部电量与充电时充入的全部电量的百分比。可用安时效率或瓦时效率表示，它们的关系为 (7)式中和分别为蓄电池充放电时的平均电压。3 荷电状态(SOC)己充电量与蓄电池额定容量的比值。 (8)式中是蓄电池实际带电量，是额定容量。荷电状态是描述蓄电池实际工作状态的重要参数。4 放电深度(DOD)蓄电池放电量与额定容量的比值。 (9)5 蓄电池寿命a)浮动充电寿命：蓄电池保持在浮动充电条件下的使用寿命。即在一个固定的浮充电压和特度条件下的定的电解液温使用寿命。b)循环寿命：在一定的充电条件下，蓄电池被全充全放的次数。蓄电池的寿命与放电深度、充电电压和环境温度密切相关。选择放电深度30-50%，环境温度10-25可充分延长蓄电池使用寿命。3.2 蓄电池充电方法比较和选择 对蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法。3.2.1 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有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，这种充电方式的不足之处是，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，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，就是分段恒流充电，在充电后期把电流减小。充电过程中电压、电流变化关系如图3图4所示。图3 恒流充电曲线 图4 恒压充电曲线Fig 3 Constant current charging curves Fig 4 Constant voltage charging curves3.2.2 恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法的充电特性曲线如图4所示，此法也有其不足之处：在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤。如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。蓄电池端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。这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。3.2.3 恒压限流充电恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在蓄电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。3.2.4 两阶段、三阶段充电这种方式是以克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电。这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。其充电特性如图5所示。在两阶段充电完毕，即蓄电池容量到达其额定容量(当时环境条件下)时，许多充电控制器允许对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。如图5的虚线段 。本系统采用的就是三阶段充电阶段。图5 两阶段、三阶段充电曲线Fig 5 Two-stage, three-stage charging curve3.2.5 快速充电正常充电方式蓄电池从0%到100%容量比，一般需要8-20小时，充电时间长。在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池有损害，且电流利用率也下降。快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在1-2小时内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气和使蓄电池电解液温度过高(一般在45以下)。这种方式解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法是采用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合方法。短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。这样就可以大大地提高充电速度，缩短充电时间。当然脉冲充电电流、持续时间和放电电流以及持续时间必须根据蓄电池的要求进行 。3.2.6 充电方法的确定为了较好的保护蓄电池，并实现蓄电池的快速充电，可采用快速充电法和三阶段充电法相结合的方法，即把三阶段充电法第一阶段的恒流阶段改为快速充电阶段，这样既可快速给蓄电池充电，又能够通过PWM控制实现最大功率点跟踪。3.3 本章小结本章分析、总结了太阳能电池的输出特性和蓄电池的充电方法。太阳能电池的输出特性使最大功率点跟踪在太阳能光伏发电系统中的应用具有实际意义，可以显著提高太阳能电池电能的利用率。铅酸蓄电池充电方法选用三阶段充电方法可以提高蓄电池性能，延长系统寿命。所以选用带有PWM控制的最大功率点跟踪的三阶段充电方法为本系统中控制器的充电方法。4 最大功率点跟踪及其实现目前，在太阳能发电应用中存在两大要解决的问题：太阳能电池的转化效率低和系统的造价过高。就因为这两个问题，光伏发电到现在还没有被大范围应用。这两个问题主要可以通过两大方面进行解决，第一方面是研发新材料提高转化效率并降低成本，第二方面就是在已有设备基础上找到一种方法来提高太阳能电池的转化效率。因为太阳能电池在一定条件下时存在唯一的最大功率点，太阳能电池的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)成为提高太阳能电池转化效率的一种途径，它能在最大程度上利用太阳能电池转化所得的电能。4.1 最大功率点跟踪原理太阳能电池的输出特性具有非线性特征，并且其输出受日照强度、环境温度等情况影响。在一定的日照强度和环境温度下，太阳能电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才能达到最大值，此时太阳能电池的工作点就达到了输出曲线的最高点，也就是最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。由于外部环境不是保持不变的，最大功率点是在不断变化地。所以，所谓最大功率点跟踪(MPPT)，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压及发电电流，使系统以最高的效率对蓄电池充电。要使太阳能电池尽可能地工作在最大功率点,就需要使用最大功率跟踪(MPPT)。具体实施MPPT技术最重要的部分是寻找合适的MPPT控制算法,该算法能使光伏发电系统在变化的外部条件下有效地跟踪最大功率点，控制电池板尽可能地工作在最大功率点上。4.2 最大功率点跟踪方法MPPT算法中常用的方法有：恒压控制法（Constant Voltage Tracking，CVT）、扰动观测法（Perturbation and Observation Method，P&O）、增量电导法(Incremental Conductance Algorithm，IncCond)和一些其他的方法，下面主要介绍前三种。4.2.1 恒压控制法当温度一定时，在不同的光照强度下，太阳能电池在各条件下最大功率点的输出电压相差不大，可近似认为分布在一条垂直线上。因此只需保持太阳能电池输出电压为常数且等于某一光照强度下太阳能电池最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下不同光照强度的太阳能电池都能输出最大功率。由此可以看出恒压控制法实际上是把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪。恒压控制法因其控制过程类似于普通的PI调节具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比一般太阳能光伏发电系统可多获得20%的电能，较不带CVT的直接藕合的控制电路要有利得多。但是恒压控制法是在太阳能电池忽略温度对其影响的前提下进行控制的，实际中太阳能电池多为硅半导体材料所制，温度对硅太阳能电池有着较大的影响。太阳能电池的温度受环境温度和日照强度影响最大。因此对于四季温差较大或白天温差较大的地区，CVT方式并不能准确跟踪到太阳能电池最大功率点，这将导致系统输出功率有部分损失。然而现在的电子器件性能日益优越，用适当的方法能够准确的跟踪到最大功率点，因此这些功率损失就显得极其重要了。普通的恒压控制法在较多的场合中已不在适用。4.2.2 扰动观测法扰动观察法是目前用来实现MPPT控制最常用的方法之一。它的控制原理是通过对电路施加扰动，改变太阳能电池的输出电压，并且每个控制周期观察和计算太阳能电池输出功率的大小，将相邻两次的功率大小进行比较，得出差值，以此为依据来控制太阳能输出功率点下一步的扰动方向，功率差大于零则继续该方向的电压扰动，功率差小于零则相反方向扰动电压，从而使太阳能电池能工作在最大功率点。扰动观测法流程图如图6，k是过程执行的次数。在最大功率点，可由于扰动的存在，下一周期太阳能电池工作点又会偏离最大功率点，因此太阳能电池在实际工作时是在最大功率点附近振荡运行，这将导致部分功率损失。当扰动电压变化步长选择为大值时，太阳能电池在最大功率点附近的振荡会加大；当扰动电压变化步长选择为小值时，跟踪的速度缓慢，各控制周期的工作点更接近最大功率点。另外，当外部环境突然变化，太阳能电池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。图6 扰动观测法流程图Fig 6 Perturbed observation method flowchart如图7的情况，当环境温度为25，日照强度为750W/m2时，太阳能电池工作在Pl点，电压扰动方向为减小，即太阳能电池将工作在P2点，若此时光照强度变化为1000 W/m2，而环境温度没有变化，电压扰动后，P2点功率比P1电功率要大，差值大于零，根据扰动观察法，下一周期太阳能电池工作的电压将进一步减少，即太阳能电池阵列将运行在P3点。而实际上此时太阳能电池工作点离最大功率点越来越远，扰动电压变化方向应该是增加的，即太阳能电池阵列应在下一周期运行在P4点，所以发生了误判。因为扰动观测法这两大缺点，使其不能成为高效且稳定的MPPT算法，所以推出了扰动观测法的改进型。改进后的扰动观测法更加高效、稳定，极大程度上减小太阳能电池在最大功率点附近的震荡，和因环境突变导致误判的问题。4.2.3 增量电导法为了改善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。由太阳能电池的输出特性，图8中P-V曲线可以看出：太阳能电池的输出特性曲线是一条单峰曲线，在最大功率点处功率P对电压V的导数为零，所以在最大功率点处有：P=VI （10）P/dV=I+dI/dV=0 （11） dI/dV=-I/V （12） VdI=-IdV （13） 图7 扰动观察法误判现象示意图Fig 7 Perturbation and observation method misjudgment phenomenon schematic太阳能电池工作在最大功率点时，dP/dV=0；太阳能电池工作在最大功率点右边时：dP/dV0。式(11)即为太阳能电池工作在最大功率点的条件：输出电导的变化量等于输出电导的负值。当电导的变化量与电导的负值不相等时，则要先判断dP/dV与零的大小。增量电导法的控制流程图如图8所示。图中V(k+1)和I(k+1)分别为检测到的当前太阳能电池输出的电压值和电流值，V(k)和I(k)分别为上一控制周期太阳能电池输出的电压值和电流值。把这两次检测的差值作为增量电导法处理的数值，根据这个数值进行相应的控制。由于dV是分母，所以先判断其值是否为零，如果dV为零，且电流的变化也为零，那么说明现在的工作点就是太阳能电池的最大功率点，不需要再进行调整；如果电压的变化为零，而dI不等于零，那么就根据dI的正负对参考电压Vr进行调整。如果dV不为零，就需要根据太阳能电池工作点与最大功率点的相对位置进行参考电压Vr的调整。增量电导法的优点是：当太阳能电池所处的外部环境发生变化时，太阳能电池输出电压能以平稳、较快的方式追随其变化，而且稳态后的电压振荡和扰动观测法而言也要小。增量电导的缺点是，它的计算值都是数学上理论公式求导出来的，但在实际应用中各器件的精度有限，满足输出电导的变化量等于输出电导的负值的情况是有限的。在实际的光伏发电系统中，增量电导法的实现对硬件的要求相对较高，其要求传感器的精度比较高、系统各个部分响应速度比较快。而且这种跟踪算法的计算过程比较复杂，实现起来相对困难。图8 增量电导法流程图Fig 8 Incremental conductance method flowchart4.2.4 最大功率的实现根据扰动观测法在最大功率点附近震荡的缺点，提出了改进的扰动观测法。该方法采用可变化的电压调节步长，能够减小太阳能电池在最大功率点附近震荡。改进型扰动观测法通过改变充电电路的占空比D来调节电路导通时间，这样可改变太阳能电池输出电流和输出电压。若把P和V变化量的比(即P/V)乘以一定倍数a作为D变化量的步长，在采样时间很短的情况下可以把P/V看作P-V曲线上各个工作