毕业设计（论文）光伏发电单片机控制系统设计.pdf

毕业设计论文光伏发电单片机控制系统设计院 别 控制工程学院专业名称 测控技术与仪器班级学号_学生姓名_指导教师_2021年6月13日光伏发电单片机控制系统设计摘要世界能源危机和环境问题使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续开 展成为人类必须采取的措施。而随着太阳能电池和电力电子技术的不断进步，太阳能光 伏发电得到了长足的开展并已成为新能源利用的主流之一。当前，光伏发电不断向低本 钱、高效率和高功率密度方向开展，太阳能光伏利用的主要形式将是并网发电系统。高性能的数字信号处理器芯片的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网的 控制以提高太阳能光伏发电系统的效率成为可能。一套根本的太阳能光伏发电系统一般 是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成。本文首先概述了太阳能光伏发电系统的组成，介绍了目前我国太阳能光伏发电技术 的应用，并根据不同场合的需要，对太阳能光伏发电系统进行了分类。随后，文章对光 伏发电的一些理论进行了研究，包括蓄电池的充电控制方法，光伏发电的最大功率点跟 踪，以及温度和电流电压的跟踪。通过单片机控制系统实现了对光能的最大程度的利用 和对蓄电池最短时间的充电，以最优的方法实现设计目的及整体方案。关键词：光伏发电，单片机控制电路，最大功率点跟踪，蓄电池The Design of Photovoltaic Power Generation Single-chip Microcomputer Control SystemAbstractThe world energy crisis and environmental problems make the d evelopment and utilization of renewable energy and all kind s of green energy in ord er to realize thesustainable d evelopment become measures must be taken by human.But along with solarbattery and power electronic technology ad vances,solar photovoltaic power generation got rapid progress and has become the mainstream of the new energy use one.At present,photovoltaic power generation continuously to low cost,high efficiency and high powerd ensity d irection,the main form of solar energy utilization will be combined to the grid system.High performance d igital signal processor chip appearance,makes some ad vanced control strategy application light volt combined control in ord er to improve the efficiency of the solar photovoltaic power generation system possible.A set of basic solar photovoltaic power generation system is generally by solar panels,solar controller,inverter and battery(group)constitute.This paper first outlines the composition of solar photovoltaic systems,d escribes the current generation of solar photovoltaic technology,and accord ing to the need s of d ifferent occasions,for solar photovoltaic systems are classified.Subsequently,the article some of the theories of photovoltaic power generation were stud ied,includ ing battery charging control method,photovoltaic maximum power point tracking,as well as temperature and current and voltage tracking.By SCM control system to achieve the greatest d egree of light energy utilization and minimum time for battery charging,to the best way to achieve the d esign goals and programs.Key Word s:photovoltaic power generation system,SCM control,optimization目 录1绪论.0光伏发电产业现状.0世界光伏发电的起源与产业现状.0中国光伏发电产业现状.0光伏发电产业的开展趋势及前景展望.1光伏发电的优缺点.2光伏发电的工作原理.22设计方案.3系统组成.4太阳能电池板.5太阳能控制器.6逆变器.8蓄电池组.8太阳能光伏发电系统分类.9太阳能光伏发电系统设计原那么.103硬件设计.113.1光伏电池.11太阳能电池的输出特性.113.1.2最大功率点跟踪.123.2关于蓄电池的研究.173.2.2 VRLA的充电控制方法.183.2.3影响电池容量的因素.193.3 AT8 9C52 单片机.203.3.1 AT8 9c52 原理简介.203.3.2 外加电源与重置电路.213.3.3 输入与输出接口.223.3.4 指令简介.233.4控制电路设计.233.4.1总体设计方案.233.4.2电压采样模块和电流采样模块.24蓄电池温度采样模块.253.4.4充放电模块.26显示模块.284软件设计.30软件系统平台.30系统软件流程图.315结论与展望.365.1本文结论.365.2前景展望.37参考文献.37致 谢.38附录.39附录A.39附录B.421绪论.1世界光伏发电的起源与产业现状早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不 同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应，简称“光伏效应。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电 位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应，简称“光伏效应。光伏发电3954年,美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了 将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光 伏发电技术。传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20 亿人得不到正常的能源供给。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再 生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续开展。这之中太阳能以其独有的优 势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千 瓦，假设把地球外表0.1%的太阳能转为电能，转变率5%,每年发电量可达5.6x1012 千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。近几年国际上光伏发电快速开展，世界上已经建成了 10多座兆瓦级光伏发电系统,6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的开展规划的国家。1997年又提 出“百万屋顶方案。日本1992年启动了新阳光方案，到2003年日本光伏组件生产占 世界的50%,世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电 上网电价，大大推动了光伏市场和产业开展，使德国成为继日本之后世界光伏发电开展 最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏开展方案，并 投巨资进行技术开发和加速工业化进程。1.中国光伏发电产业现状中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步开展时期。太阳电 池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速开展的新阶段。在“光 明工程先导工程和“送电到乡工程等国家工程及世界光伏市场的有力拉动下，我国 光伏发电产业迅猛开展。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量到达10万千瓦（100MW,从事太 阳能电池生产的企业到达50余家，太阳能电池生产能力到达290万千瓦（2900MW）,太阳能电池年产量到达U8 8 MW,超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光 伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突 破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模 化开展奠定了根底。2007年是我国太阳能光伏产业快速开展的一年。受益于太阳能产业 的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮。图1.1光伏发电设备外观1.2光伏发电产业的开展趋势及前景展望太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代局部常 规能源，而且将成为世界能源供给的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构 中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供给中的占比也将到达10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以 上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的开展前景及其在能源领域重要的战略地 位。在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了开展光伏的步伐。美国提出“太阳 能先导方案意在降低太阳能光伏发电的本钱，使其2021年到达商业化竞争的水平；日本也提出了在2021年到达28 GW的光伏发电总量;欧洲光伏协会提出了“setfor2021 规划，规划在2021年让光伏发电做到商业化竞争。在开展低碳经济的大背景下，各国 政府对光伏发电的认可度逐渐提高4。根据?可再生能源中长期开展规划?，到2021年，我国力争使太阳能发电装机容量 到达L8 GW（百万千瓦），到2050年将到达600GW（百万千瓦）。预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%,其中光伏发电装机将占到5%。未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上5。与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要表达在：无枯竭危险；平安可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净无公害）；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形 复杂地区；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；建设周期短，获取能源花费的时间短。缺点：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。发电本钱高。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积 的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点 是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有平安可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不管是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和 逆变器三大局部组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电 设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任 何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电 源 无处不在。太阳能光伏发电的最根本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计 算器辅助电源等。家用电器逆变器交流输出直流蓄电池组 充电控制器太阳被电池 组件图1.2光伏发电系统示意图1.5研究内容在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电 池方阵，使得方阵电压到达输入电压的要求。再通过充放电捽制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电能，通过逆变 器的作用，将直流电转换成交流电，控制器采用AT8 9c52为控制器，扩展电流、电压 等检测接口电路，对蓄电池的充放电进行最优控制，保证蓄电池的使用寿命和充放电效 率。同时根据负载需求，使太阳能电池方阵输出功率到达最大功率点。2设计方案太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电 能的一种新型发电系统。一套根本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制 器、逆变器和蓄电池（组）构成。下面是各个组成局部的具体分析：1）太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心局部,也是太阳能发电 系统中价值最高的局部。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或 推动负载工作。太阳能电池板的质量和本钱将直接决定整个系统的质量和本钱。2）太阳能控制器。太阳能控制器在整个光伏发电系统中有着很重要的作用。太阳能 控制器的根本作用是为蓄电池提供最正确的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄 电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池，防 止过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为 负载提供稳定的直流电（由十天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不 是很稳定）。3）逆变器。逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电按照要 求逆变成220伏交流电，供给交流负载使用。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。4）蓄电池（组）。蓄电池（组）的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负 载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当光照量大时，除了供给负载 用电外，还对蓄电池充电;当光照量小时，这局部储存的能量将逐步放出。5）DC/DCo DC/DC就是指直流转直流电源。是指将一个固定的直流电压变换为可变 的直流电压，也称为直流斩波器。这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车 的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约 电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能（2030）%。直流斩波器不仅能起调压 的作用（开关电源），同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。太阳能电池板DC/DC蓄电池直流负荷交流负荷图2.1太阳能光伏发电系统结构框图太阳能电 池板电压蓄电池 电压电压检测传感器A/D 转 换 模 块单片机控制电路LCD显示屏图2.2太阳能光伏发电系统检测及显示结构框图太阳能电池板光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积 的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点 是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光c伏系统还具有平安可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不管是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板组件）、控制器和 逆变器三大局部组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设 备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何 需要电源的场合：上至航天器,下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源 无 处不在。太阳能光伏发电的最根本元件是太阳能电池片），有单晶硅、多晶硅、非晶 硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系 统和计算 器辅助电源等。国产晶体硅电池效率在10至13%左右，国外同类产品效率约18至23%。由一个或 多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。目前，光伏发电产品主要用于 三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广阔无电地区居民生活生产提供电力，还 有微波中继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能 日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在兴旺国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，2021年北京奥运 会局部用电由太阳能发电和风力发电提供。铝合金边框 Aluminum alloy frameLow iron temperedEVA胶膜 EVA FILM低铁钢化玻璃太阳能芯片 Solar powerchipEVA胶膜 TPT DorsalEVA FILM membrane图2.3太阳能光伏电池板太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太 阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采 集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工 作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件 质量的可靠性提供了准确而充分的依据。止匕外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输 功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48 V、110V.220V、600V.太阳能控制器的功能包括：1.功率调节功能。2.通信功能：1简单指示功能2协议通讯功能如RS48 5以太网，无线等形式的 后台管理。3.完善的保护功能：电气保护 反接，短路，过流等。Solar panels 太阳能电池Light 照明灯图2.4太阳能控制器及其外部连接太阳能交流发电系统是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能 太阳能逆变器直流发电系统那么不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆 变器按鼓励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流 电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得 到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器,就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。逆变器的首要功能是把输入的DC电压转换为一稳定的值。该功能通过升压转换器 来实现，并需要升压开关和升压二极管。在第一种结构中，升压级之后是一个隔离的全 桥变换器。全桥变压器的作用是提供隔离。输出上的第二个全桥变换器是用来从第一级 的全桥变换器的直流DC变换成交流(AC)电压。其输出再经由额外的双触点继电器开 关连接到AC电网网络之前被滤波，目的是在故障事件中提供平安隔离及在夜间与供电 电网隔离。第二种结构是非隔离方案。其中，AC交流电压由升压级输出的DC电压直接 产生。第三种结构利用功率开关和功率二极管的创新型拓扑结构，把升压和AC交流产 生局部的功能整合在一个专用拓扑中尽管太阳能电池板的转换效率非常低，让逆变器的 效率尽可能接近100%却非常重要。太阳能蓄电池是蓄电池在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免维护 蓄电池、普通铅酸蓄电池，胶体蓄电池和碱性银镉蓄电池四种。国内目前被广泛使用的 太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池，这两类蓄电池，因为其固有的“免维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统。白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把 光能转换为电能，再传送给智能控制器，经过智能控制器的过充保护，将太阳能组件传 来的电能输送给蓄电池进行储存；而储存就需要有蓄电池，所谓蓄电池即是贮存化学能 量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。图2.5蓄电池组太阳能光伏发电系统按照应用的根本形式可分为二大类:独立发电系统(离网太阳 能光伏发电系统)、微网光伏发电系统和并网光伏发电系统。未与公共电网连接的太阳 能光伏发电系统称为独立光伏发电系统;与偏远地区独立运行的电网相连接的太阳能光 伏发电系统称为微网光伏发电系统;与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网 光伏发电系统。并网光伏发电系统按照系统功能又可以分为两类:不含蓄电池环节的“不可调度式 并网光伏发电系统和含有蓄电池组的“可调度式并网光伏发电系统。并网太阳能光 伏发电系统的工作原理是太阳能通过光伏组件组成的光伏阵列转换成直流电，经过二相 逆变器(DC-AC)转换成二相交流电，再通过升压变压器转换成符合公共电网要求的交流 电，直接接入公共电网。离网太阳能光伏发电系统是太阳能通过光伏组件组成的光伏阵列转换成直流电，通 过控制器控制蓄电池、逆变器或DC/DC变换器的工作状态。离网光伏发电系统中的直流 负载可以直接通过DC/DC变换器变换为适宜电压的直流电工作，交流负载那么需要经过 离网逆变器逆变后的单相或二相交流电才能使用。太阳能光伏发电系统可以安装在各种不同的地点和场合，而不同的光伏发电系统由 于其安装地点、当地气象参数以及负载情况都有所不同。在设计之前，应该首先收集当 地的气象参数，在此根底上估算太阳能光伏电池的发电量;然后进行具体的系统设计、模拟仿真、安装可能性判断和施工问题检查等。太阳能光伏发电系统设计的总原那么是在满足负载供电需要的前提下，通过使用最 少的太阳能光伏电池板来尽量减少系统的初始投资，防止由于不恰当系统配置导致的投 资增加或不能满足负载需求。为了有效的节省线缆本钱、减少发电量在线缆上的损失，大规模光伏电站一般以I MWp为一个小的发电单元，这个小的光伏发电单元叫做了方阵。每个了方阵由假设十路太阳能电池组件串并联组成（每个太阳能电池组串由假设十个太 阳能电池组件串联而成）。光伏组件串经线缆连接进入光伏专用防雷汇流箱，汇流后接 入逆变器直流侧进行逆变，逆变后的交流电经由配电柜并入低压电网。对于升压到10KV 或是35KV的系统，需要增加升压装置。此外，根据负荷及不同用户对电能质量要求不 同，有的还需要增加无功补偿装置及电力监测装置。在太阳能电池阵列子方阵设计时，应遵循以下原那么：太阳能电池板串联形成的组串，其输出电压的变化范围必须在逆变器正常工作的 允许输入电压范围内。每个子方阵的总功率应不超过逆变器的最大允许输入功率。太阳能电池板串联后，其最高输出电压不允许超过太阳电池组件自身要求的最高 允许系统电压。各太阳能电池板至逆变器的直流局部通路应尽可能短，以减少直流损耗。3硬件设计3.1光伏电池1标准测试条件下太阳能电池的输出特性光伏电池的输出特性是指在一定的温度和日照强度条件下，光伏电池所呈现的伏安 特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，通常简称为/-u特性曲线。由于电池温 度、日照强度等因素都会对光伏电池的特性产生影响，因此，在测试光伏电池性能时，需要定义标准测试条件。我国应用的标准测试条件为：日照强1000W/m2,电池温度为 25,太阳辐射光谱为AML5。标准测试条件下的光伏电池/-U和P-U输出特性曲线如 以下图所示。图3.1光伏发电输出特性其中各参数定义如下：开路电压(Uoc)：标准条件下所能输出的最大电压；最大功率点电压(。加：标准条件下最大功率点的电压；短路电流(/sc)：标准条件下所能输出的最大电流；最大功率点电流/加：标准条件下最大功率点的电流；最大功率点功率(尸,)：标准条件下输出最大功率Pm=o由图3.2可以看出：光伏电池既不是恒流源也不是恒压源。但是，当光伏电池输出电 压较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，光伏电池近似为一个恒流源；当光 伏电池输出电压超过。时，输出电流急剧下降，光伏电池又可以近似为一恒压源。在 光照强度和电池温度一定时有唯一的最大输出功率点（其左侧为近似恒流源段，右侧 为近似恒压源段）。12）日照强度和温度对光伏电池输出特性的影响光伏电池的/-U特性曲线与日照强度和电池温度有关。图3.3是温度一定时，日照强度分别为200W/m2、400W/m2.600W/m 8 0（）W/m2.lOOOW/n?时太阳能光伏电池的输出特性曲线。可以看出，当温度一定时，光伏电池短 路电流/sc随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比；开路电压随日照强度的增 加略有增加，但增加幅度很小。图3.2温度一定时日照强度对输出特性的影响图3.4是日照强度一定，不同电池温度时，光伏电池的输出特性曲线。可以看出,随着电池温度的升高，光伏电池的短路电流略微增加，而光伏电池开路电压降低。3.1.2最大功率点跟踪为追踪光伏系统的最大功率点，我们在参考国内外经验和方法的根底上，依据太阳 能电池的输出特性，得出以下最大功率点的追踪方法。并选用导纳微增法。(1)恒定电压追踪法图1为太阳能电池的U-I曲线图,其中曲线L为负载特性曲线,它与伏安特性曲线的 交点(A,B,C,D,E)即为光伏阵列的工作点2 o如果最大限度地提高光伏阵列的发电效率,从电路的匹配角度看，就需要一个阻抗变换器。为了实现这一阻抗变化,即设法将光伏阵 列的工作点移至光伏阵列伏安特性曲线的最大功率点，B，E，。对于大多 数太阳电池组件来说,温度保持固定值时,最大功率点根本在一根垂线的两侧，即在开路 电压的(782)%处。这样就可以把最大功率跟踪器简化为一个稳压器,来实现最大功率 点的跟踪。但此法忽略了温度对开路电压的影响。以常规单晶硅太阳能电池而言，每当 环境温度升高时,其开路电压下降率约为0.35%0.45%o该方法的优点是系统工作 电压稳定性较好，而且控制简单，易于实现。该方法也有明显的缺点，其最大功率点跟 踪精度差，当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差，系统工作电压的 设置对系统工作效率影响大。但这个因温度的变化而带来的能耗不容无视,然而,这个问 题却是恒定电压追踪法无法克服的。输出电流I、A(2)干扰观察法通过改变光伏电池阵列的输出电压，并实时采样输出电压和电流，计算输出功率，然后与前一次所得的功率相比拟。如果大了，说明扰动方向是正确的，维持原来的方向；如果比原来的功率小了，说明输出功率降低了，应使光伏电池的输出电压减少，如此反 复的扰动、观察比拟，使光伏电池阵列最终工作在最大功率点上。具体的方法是，在逆变器开始工作前,测定其开路电压,取开路电压的(782)%处作 为逆变器开始工作的跟踪电压Uref,这样逆变器开始工作就在最大功率点附近。当逆变 器工作点稳定之后,给系统一个电压扰动；假设此时逆变器输出功率的变化为匕根 据P-U特性曲线图(图2)可知，当P/ZkU=O,系统运行在最大功率点;当P/ZUO,系统 运行在最大功率左边;当AP/AU等石啰匚 L-JH。患图3.16控制电路4软件设计一个控制系统要正常工作，仅有硬件局部是远远不够的，还需要软件局部的配合才 能构成一个完整的控制系统。硬件电路是软件程序工作的根底，而软件程序能使硬件电 路的功能得到充分的发挥，并实现一些硬件电路所不能实现的功能，所以它们两者是相 辅相成的。软件系统平台在进行软件编程时，考虑到单片机的特点，充分利用其计算、存储和控制功能以及 查表功能，以到达简化硬件电路结构，提高系统性能的要求。全部程序由系统主程序、充放电控制子程序、采样子程序和驱动子程序等组成，力求实现软件模块化。由于c语言可读性好、易于移植，对于以后软件的修改和维护更加方便，因此本 论文采用c语言编写，同时采用模块化程序结构方案，使工艺流程清晰明了。本文使 用的开发软件是德国Keil公司开发的基于Wind ows的软件开发平台，有功能强大的 工程管理器、编辑器和制作工具，如下图。证 IjVisionIntegrated Development Environment forIVIKEIL RealViiwI An ARM Company Tools by ARM*Copyright 1997-2005 Keil Software,2005-2007 ARM Ud./MI rights reserverd.This product is protected by US and international laws.图软件系统平台Uvision3Uvision3支持MCS-96系列的所有的Keil工具，包括C编译器、宏汇编器、链接 器/定位器和目标文件至HEX格式的转换器眄。Uvision3提供了以下功能，加速嵌入 式应用开发过程，即(a)非常有特色的源码编辑器；(b)所有开发工具的设置都是对话框形式的；(c)真正集成的源码级调试器，带高速CPU和外围器件模拟器；(d)工程管理器：创立和维护工程；(e)集成制作工具：可以汇编、编译和链接嵌入式应用；器件数据库：配置开发工具的设置；(g)AGDI接口，可在硬件目标中调试软件，以及连接到Monitor-51；Uvision3软件有菜单栏、可以快速选择命令按钮的工具栏、源代码文件窗口、对话 框窗口和信息显示窗口，允许同时翻开多个源码文件。系统软件流程图在本次系统的软件设计中，采用模块化设计方法，各模块之间相对独立，每个子程 序完成一定的功能，需要时由主程序进行调用，这样可以使得程序结构清晰，便于今后 进一步扩展系统。系统主程序主要由以下几局部组成：设置初始电压、电池电压信号采 样、电压设置和LED同步显示子程序、控制回路开关程序蓄电池充放电控制子程序等。其中设置初始电压是对单片机设置预定值，信号采样将采样到的光伏电池电压、电流和 蓄电池电压、电流等外部信号送入单片机，控制回路开关是对输入的外部信号处理判断 后由单片机决定主回路开关的状态，LED同步显示的是蓄电池两端充电完毕后的实际 电压。由于系统有两种工作状态，一种是白天光照充分时，给蓄电池进行充电，另一种 是夜间没有光照，太阳能光伏电池的输出功率小，蓄电池给负载供电，进入放电状态，所以分为白天充电和夜间放电两种工作状态。通过采样光伏电池电压为判断依据，引导 程序进入充电、放电处理子程序。主程序流程图如以下图4-2所示。图系统主程序流程图这里设光伏电池开路电压大于等于开启充电电压阀值Udi取值15V）时，系统开 始对蓄电池充电，程序执行充电处理子程序，否那么不执行；光伏电池开路电压小于等 于天黑判断电压阀值Ud2（取值为2V）时，程序执行放电处理子程序，断开充电回路，向 负载进行供电。1信号采集子程序对信号的采集和处理是本系统一个相当重要的环节。主要包括以下几个局部：对光 伏电池电压和电流以及蓄电池电压和电流的采样、将采集到的数据经AD转换后送到单 片机进行处理、与预设值进行比拟。根本流程如下图。图电压采集和处理流程图2)LED同步显示子程序利用芯片内部的驱动功能来驱动LED同步显示系统设定的电压值，其程序流程图 如以下图所示。首先，芯片内部初始化，回复到初始的设置，以免受到之前的干扰；之后按键控制 LED的增减；然后LED根据芯片所发出的的信号来显示需要其显示的内容，也就是可 充电电池的内部电压。（开始）芯片内部初 始化按键控制LED增减LED同步显示（返回）图LED同步显示流程图13）充电控制子程序白天充电子程序主要完成蓄电池的充电控制。本文采用三阶段充电方式，充电曲线 如图4.5所示。主要运用采样蓄电池电压乩、电流值人 以采样到的电压和电流和各阶 段的端点值相比拟，判断蓄电池充电阶段，并把结果由单片机通过D/A转换器输出充电 电压U*。每一阶段的充电电压是确定的，改变充电回路的工作状态。恒流充电以最大 电流充电，单片机改变内部PWM占空比控制D/A转换器输出U*=5V,浮充标志flag 置零，即设置充电电压为5V,由于充电回路为升压DC/DC变换器，而光伏电池最大输 出电压小于5V,给定输出电流/*被钳制在5A,即充电电流被设置为5A,实现最大电 流的恒流充电。恒流充电时假设监测到蓄电池电压到达14.5v,那么进入恒压充电阶段。图充电状态处理子流程图恒压充电电压为14.5V,单片机控制D/A输出U*=14.5V,浮充标志位置零，充电 电流不断下降，实现恒压充电。当充电电流下降到额定电流的10%时，单片机控制D/A 输出U*=13.8 V,置位浮充标志位flag为1,说明蓄电池已经充满，充电进行入浮充状 态。14）放电控制子程序放电子程序主要完成判断蓄电池是否过放电，并根据判断情况，控制负载的通断。蓄电池过放电压阀值Udz为10.8 Vo放电子程序流程图如以下图所示。图放电控制子程序流程图尽管放电过程对蓄电池的寿命影响相对较小，但过放的保护是必不可少的，放电控 制子程序主要是对放电过程进行监管控制。本文接入高效LED作为负载，那么负载的 放电控制相比照拟简单，主要是根据蓄电池是否过放及是否天亮判决负载的通断。并在 放电后清零浮充标志位flag,说明蓄电池已经在充满后有过放电。5结论与展望5.1本文结论本文围绕对户用独立光伏发电系统电路的设计，对于独立光伏发电系统各局部进行 了理论分析和研究，主要包括光伏电池阵列、蓄电池、DC/DC转换电路、驱动电路、控制电路几个局部。依据实例对局部器件的选用原那么、设计方法进行了论述。本文的 主要研究成果包括：1）对独立光伏发电系统的工作原理、结构类型以及应用领域进行了详细的分析。2）根据光伏电池的数学模型，搭建了仿真模型，运用Simulink,对不同温度、不同光照情况下的输出特性进行了仿真研究。13）对常用的MPPT方法进行了分析与比拟，提出了一种与闭区间套定理相融合 的干扰观察法，并构建仿真模型，进行了仿真研究。14）模拟实际系统进行了小型户用独立光伏系统设计。根据系统技术指标要求，对于光伏电池、蓄电池以及Boost变换电路，进行了设计计算与器件选用;采用8 0C196KC 单片机芯片进行了主控制器设计；设计了以快速光耦合芯片为驱动的光耦式驱动电路；设计了霍尔传感器为主体的电量检测电路和A/D输入接口电路。15）完成了整体控制程序设计；对于系统充放电程序进行了编写与分析，实现了 对于蓄电池充放电的控制；对于常用的最大功率点跟踪控制算法在Matlab环境下利用 Simulink工具进行了仿真研究。5.2前景展望由于本人自身的理论水平和实践能力，以及实验条件和时间的有限，设计中存在以 下问题需要进一步解决：11）选用的实例简单，整个系统的实用性方面还需要做进一步的补充和改良；2对于控制电路软件设计用功较少，有待于进一步完善。参考文献1陈宜生，张立升.光生伏特效应D.天津：天津大学，1995.2吴达成.我国光伏发电市场现状及开展趋势R.北京：中国可再生能源学会光 伏专业委员会，2021.3 mulcky.我国太阳能资源的利用现状与产业开展J.资源与产业，2021,I SSN1673-2464,1-3.萧函，李胜茂等.2021-2021年中国太阳能利用产业投资分析及前景预测报告 R.中投参谋，2021.5马凯.可再生能源中长期开展规划R.北京：国家开展与改革委员会，2007.6史君海.太阳能光伏发电原理及关键设备R.江苏：中环工程，2021.致 谢首先要感谢毕业设计导师齐世清教授。从课题的选题、到系统的研究再到论文的撰 写、定稿的整个过程中，虽然齐老师很忙，并且经常到外地出差，但都