基于固定电压法的太阳能电池MPPT控制芯片(2)

固定电压 法优点在于结构简单，功耗小，成本低，缺点在于精度不足，通过式（１．１）计算 得到的电压值并非真正的最大功率点值。扰动观察法与增加跨导法其算法过程 较复杂，特别是微分电路难以用模拟电路实现，它们一般采用数字电路如ＤＳＰ 等实现，因此采用这两种算法的控制器成本往往较高。综上所述，固定电压法 适合用于小功率的独立光伏系统中，利用其低成本与稳定工作的特性。而后二 者适用于大功率独立光伏系统或并网发电中，这样可忽略其控制器成本对整个 系统成本的影响。 浙江大学硕论文１．４小结 由前文可知，随着能源的紧缺mppt控制器芯片，太阳能的使用越来越受到人们的关注。在 太阳能的应用中，首当其冲的是光伏发电。在光伏发电系统中，ＭＰＰＴ控制电 路的存在能够提高太阳能电池的效率，降低光伏发电的成本，对光伏发电的系 统的广泛应用起着很重要的作业。本毕业论文的题目是“基于固定电压法的太 阳能电池最大功率点跟踪控制芯片”。本论文的主要研究内容是设计一个基于固 定电压法的最大功率点跟踪控制芯片，此：芯片的应用是面向小功率直流供电输 出的光伏发电系统，如路灯、庭院灯等照明系统。芯片的应用电路结构如图１．５ 所示。 图１．５ 芯片的应用电路框图 图中的ＭＰＰＴ控制器即是本论文的设计内容，它通过采样太阳能电池板的 电压，利用固定电压法原理，调整控制ＤＣ．ＤＣ变换器的工作状态，最终实现 太阳能电池组的最大功率输出的目的。

本论文的研究目的主要包括： （１）采用模拟电路设计ＭＰＰＴ控制芯片，功能要求在外界环境变化时，能 实时跟踪环境条件的变化，使太阳能电池始终工作在最大功率点上；性能要求 在功能实现的基础上以简单的电路来实现，从而降低芯片的功耗与面积，降低 芯片的成本。 （２）在ＭＰＰＴ控制芯片设计的基础上，提出如图１．５的完整的芯片应用方 案，解决应用中可能存在的问题。更进一步的进行应用系统的仿真与测试，从 而证明本论文应用芯片的功能与性能，为实际应用提供数据。 论文设计的最终目标是以最小的成本代价得到太阳电池效率的很大提高。 浙江大学硕论文第２章ＶＭＰＰＴ控制策略 本章将详细介绍ＭＰＰＴ方法中的固定电压法，讨论其基本原理以及实现思 路。ＶＭＰＰＴ（Ｖｏｌｔａｇｅ．ｂａｓｅｄＭＰＰＴ）简称为固定电压法，它是利用开路电压Ｖｏｃ 与最大功率点电压玩仰之间的关系来实现最大功率点跟踪的一种算法。 ＶＭＰＰＴ方法的优点在于算法简单成本低，适用于小功率光伏发电系统中。 ２．１旧ＰＴ方法的基本原理 根据经验数据与理论验证，在不同的外界温度和光照条件下，Ｖｏｃ与Ｖ＾ｃｅｅ 始终存在着近似的线性关系 （２．１）其中Ｍｒ是与太阳电池的特性相关的比例常数，称为“电压因子”，介于 ０．７ｌ￣ｏ。

对机器进行模拟检查试验发现,当机器工作30分钟左右,发射输出功率由正常的5w减至0. 6w,电源电流也由正常的1a减至0.4a,此现象基本可说明,故障是由于机内温度变化,引起保护电路动作,造成的输出功率减小.首先手摸功率模块温升正常,测量功率模块各脚电压,发现②脚电压由正常的3v降至1.8v,说明apc电路起控工作.由tk-308电原理图可以看出,apc电路包含了一个温度控制电路q17,也就是说,apc电路起控一个原因是apc电路本身工作,另一个原因就是温度控制电路q17工作.由于故障是在机器工。（5）由表中实验数据可知，两灯泡两端电压之和1.4v+3.1v=4.5v等于串联总电压（或由电功率公式p=ui求出各灯泡功率与电路总功率，可发现两灯泡功率之和等于电路总功率），为了得出普遍规律，应换用不同规格的器材（灯泡、电源）或加滑动变阻器，多次测量．。电路主要包括太阳能电池电压采样模块、蓄电池电压采样模块、键盘电路模块、led显示模块、充放电控制模块等。

电池作为直流电源，当需要较高的电压和较大的容量，或者较大的电流时，一支电池往往不能胜任需求，这时将单体电池串连，并联，复联（既串联又并联）成电池组使用。a．总电动势等于各个电池的电动势之和b．总内阻等于各个电池的内阻之和c．不同容量的电池不得串联使用，如果串联，小容量的电池易造成“反极”损坏d．流经外电路的电流等于各分电池的电流之和9.并联电池组具有以下（abcd）特点。同串联谐振类似，并联谐振电路中的电压也会与电流有相同的位相，两者的不同之处仅在于串联谐振发生于电阻、电感以及电容组成的串联电路中，而并联谐振发生于并联电路中。

在等式变换之前，先对式（２．２）进行两项近似： １．忽略亍项，因为昂很大，此项值远远小于锄 ２．设定Ｉ砌＝ｋ，因为Ｂ远远小于二极管导通电阻 在上述两项近似的前提下，代入三个工作点的电压电流值，分别为Ｉ＝０时， 参数Ｃｌ，Ｃ２仅由Ｖｏｃ、ｌｓｃ、Ｖｕｅｐ、加Ｐ决定，因此只需查阅太阳能电池的数据表，就可以由式（２．３）（２．４）计算出准确的Ｉ－Ｖ关系式。由于Ｖｏｃ、ｌｓｃ、Ｖｕｅｅ、 砌尸并不是常值，它们会随着光照与温度的变化而变化，因此Ｃｌ，Ｃ２也是由外 界环境决定的参数值。但是对不同的环境条件，等式（２．３）都是成立的，可以推 论，在实际应用中，只需测量出当时环境条件下的上述四个参数值，就可得到 太阳能电池的Ｉ－Ｖ特性方程，这为后续的研究工作提供了基础【１５１。 ２．２．２ＶＭＰＰＴ方法证明 在太阳能电池特性公式的基础之上，本节将从理论上推导出线性式（２．１）， 并分析电压因子Ｍｒ的变化。在上节中求出了太阳能电池的电压Ｖ与电流，的 关系如式（２．３）（２．４）所示 由式（２．３）计算出功率Ｐ为 Ｐ－肚‰Ｌ卜Ｃｌ（ｅＸｐ麦－１）ｊ＿‰（１＋Ｃ１）一‰Ｃｌｅｘｐ丧（２．５） 在最大功率点处，有万ＯＰ＝。

圈1 pfc控制原理围 有源 pfc电路的功率级采用boost凋节器，其特点为输入电流连续，传导噪声低以及 收稿et期 ：1999—11-23 基金项 日：佛 山科学技术学航科研项 目 作者简介 ：李先祥 1965一 ，男 ．尉教授 ．硕士 ，主要从事 电力 自动化控制技术 的研究 维普资讯 2 佛山科学技术学院学报 自然科学版 第 l8卷输人有 良好的波形．但缺点为输 出电压较高 图 1中电压环 由平方器，除法器、乘法器 以及 电压误差放大器组成，电压误差放大器岳匀输出在它与已整流输人 电压信号相乘前除于输入 电压平均值的平方 这个外加电路使 电压环的增益为常数 。电路框图如图1所示，该电路中，输出电压uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压ui发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压uo为恒定值(稳压值)。分析：电容器的电容等于所带的电荷量与电压比值，对于给定的电容器，其电容不变，与电压、电量无关，表征电容器容纳电荷本领的大小．解答：解：a、根据c=qu可知，电容器的电容等于其所带电荷量跟两板间的电压的比值，与电压、电量无关，电容不能说电容与其所带电荷量成正比，跟两板间的电压成反比．故a错误． b、对于确定的电容器，电容c一定，则由c=qu可知，其所带的电荷量与两板间的电压成正比．故b正确． c、电容器的电压变化，所带电量也随之变化，但所带的电荷量与电压比值恒定不变．故c正确． d、电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，由电容器本身的特性决定，与其大小与加在两板上的电压无关．故d正确．故选bcd点评：对于电容器的电容要抓住其比值定义法的共性：电容反映电容器本身的特性，与电量、电压无关．。

图3a为光伏电池在不同光照下的电流－电压（i-v）曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率－电压（p-v）曲线。由光伏组件的i-u曲线可以看出光伏组件的输出曲线是非线性的，在同样的光照条件下不同的工作电压具有不同的输出电流，这样当光伏组件工作在某一个特点的电压ump时，它与光伏组件输出的电流imp的乘积即功率p达到最大值，这个工作点就是最大功率点。用 3310c 系列的功率模组式，只需设定功率大小，电子负载便依据电池电源的电压产生在设定功率下的负载电流，并随时依电池电压的变化自动调整负载电流的大小，使电池放电的功率始终维持设定值(如图4.7d 所示)，如此配合时间记录便可验证电池的储存能量或容量寿命。

（ａ）不同光照条件 ＿＿——１４‘＿—－ 浙江大学硕论文汪度，ａＣ （ｂ）不同温度条件 图２．２ 不同环境条件下的％Ｐ与‰ 一１５— 浙江大学硕论文 第３章ＶＭＰＰＴ系统结构 ３．１ ＶＭＰＰＴ系统结构概述 ３．１．１转换器选择 由１．４小节可知，ＶＭＰＰＴ系统主要包括四个部分，分别是太阳能电池、蓄 电池、ＤＣ．ＤＣ转换器与控制芯片。本小节主要讨论前三者。由于本论文中的控 制芯片是面向小功率路灯系统设计的，白天太阳能电池对蓄电池进行充电，到 了夜间，蓄电池对路灯供电。因此，太阳能电池板选择功率在６０Ｗ－１５０Ｗ范围 内的电池组件。在此功率范围内的太阳能电池的开路电压值一般为２２Ｖ，最大 功率点电压值约为１８Ｖ。蓄电池选择铅酸蓄电池，市场上的蓄电池电压一般分 为两档１２Ｖ与６Ｖ，本论文选取电压为１２Ｖ的蓄电池。 由上可知太阳能电池的稳定工作电压高于蓄电池电压，ＤＣ．ＤＣ变换器应选 用Ｂｕｃｋ降压电路。由于ＶＭＰＰＴ算法要求周期性断开电路以采样开路电压值， 因此ＶＭＰＰＴ常用的应用拓扑有两类，一是双开关模式，即增加额外的开关管 用于周期地断开电路，采样开路电压；二是直接利用拓扑的主开关管，采用逻 辑来实现电路开路。

综合3842芯片驱动电路和buck dc-dc降压电路可得出：基于uc3842的buck降压电路整体电路分析：buck降压电路mos开关管采用uc3842芯片6脚输出的pwm矩形波驱动，利用开关管通断的特性，电感的储能，电容的稳压，二极管的断间续流功能，实现电路的降压功能。3. 结语本文在理论层面上对电子镇流器的串并联谐振电路进行分析，得出如下结论 ：要向负载提供可靠的高频交流电流，在进行主电路的设计之时，不能盲目选择谐振电容、滤波电容以及滤波电感，此外，谐振电容的选择可以在一定程度上影响负载提供的电能质量，因此，在进行 dsp 控制开关管工作之时要首先对谐振电路的工作频率，以及开关管的工作频率进行计算。现在＋5vsb有，各个电容都正常，主功率开关三极管已经正常，看来故障应该是主功率开关三极管的基极没有驱动信号或者是驱动激励不足。

，图３．２的虚线框内示出的ＶＭＰＰＴ控制 芯片基本功能框图。 ＶＭＰＰＴ芯片的基本功能模块包括了电阻网络、电阻比例Ｍｖ、保持电路、 误差放大器、时钟发生器、比较器以及逻辑门。电阻网络的作用是缩小太阳能 电池的电压信号，以便芯片进行信号处理，在本论文中，将实际太阳能电池的 电压值缩小为原来的十分之一，再送入芯片的内部电路中。比例电路用于产生 Ｍｒ的比例，本文根据实际所用太阳能板的参数，选取Ｍｒ＝Ｏ．７８。保持电路的作 用是采样保持电路的开路电压值，实际上其保存的数值为ＭｒＶｏｃ。误差放大器 与比较器构成了ＰＷＭ电压控制的基本单元。时钟发生器用于产生开路信号以 及与之相应的采样保持信号，简称为保持信号。 一１７— 浙江大学硕论文 图３．２ ＶＭＰＰＴ控制芯片基本功能框图 ＵＴ 图３．２中的控制芯片主要工作原理是：Ｂｕｃｋ变换器的主开关管Ｍ１由开路 信号Ｑ１和控制信号Ｑ２经过一个与门后共同控制。其工作过程主要分为两个阶 段：第一阶段为电路开路采样阶段，开路信号Ｑｌ为低电平，Ｍ１始终断开，此 时太阳电池的输出电压即为开路电压Ｖｏｃ，同时Ｑ０为高电平，与Ｖｏｃ成近似比 例关系的ｖＭｐ被保持在芯片内部，作为下一工作阶段中系统控制环路调整的参 考电平，直至下一采样信号到来；第二阶段为电压调整跟踪阶段，开路信号Ｑ１ 为高电平，Ｍ的开关由控制信号Ｑ２决定，此时电路工作在传统的ＰＷＭ电压 控制模式下，使输出电压跟踪采样计算所得的ＶＭｅ。

一，正确估计原信号中最高频率成分的频率，对于采用电涡流传感器测振的系统来说，一般确定为最高分析频率为12.5x，采样模式为同步整周期采集，若选择频谱分辨率为400线，需采集1024点数据，若每周期采集32点，采样长度为32周期。微分型单稳态触发器包含阻容元件构成的微分电路.因为cmos门电路的输入电阻很高,所以其输入端可以认为开路.电容和电阻构成一个时间常数很小的微分电路,它能将较宽的矩形触发脉冲变成较窄的尖触发脉冲.稳态时,等于0,等于0,等于,等于0,等于,电容两端的电压等于0.触发脉冲到达时,大于,大于,等于0,等于0,等于,电容开始充电,电路进入暂稳态.当电容两端的电压上升到时,即上升到时,等于0,电路退出暂稳态,电路的输出恢复到稳态.显然,输出脉冲宽度等于暂稳态持续时间.电路退出暂稳态时,已经回到0（这是电容和电阻构成的微分电路决定的）,所以等于,等于,电容通过输入端的保护电路迅速放电.当下降到时,电路内部也恢复到稳态.。（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变。

补偿电路的作用是改善系 统的频率响应，从而保证系统在受到外界的扰动时，仍能保持稳定。 ３．２．１ ＶＭＰＰＴ系统环路简介 图３．３ ＶＭＰＰＴ系统的系统环路图 根据图３．２可画出ＶＭＰＰＴ系统的系统环路如图３．３所示，环路主要包括四 部分，分别是嘞，ＧＥａ、Ｇｐ删以及１／１０。其中Ｇ讨表示Ｂｕｃｋ电路主开关管 Ｍ１的控制信号ＯＵＴ到太阳能电池电压％矿的传递函数；１／１０，表示由电阻分 压电路产生的信号比例缩小；Ｇｅａ，表示补偿后的误差放大器产生的传递函数； ＧＰ附表示ＰＷＭＬｔ较器产生的传递函数。 在这四部分中，Ｇ尸晰２盖２ｉ１ ｙ一，其中‰出代表三角波的峰峰值，在本系统中其值为４Ｖ。因此，完整的ＶＭＰＰＴ系统环路传递函数Ｇ砌 （３．１）一１９一 浙江大学硕论文 上式中Ｇ耐与＠是未知的函数。其中Ｇ谢是Ｂｕｃｋ电路结构决定，＠则 是系统中可设计的部分。通过合理地设计ＥＡ反馈电路结构，得到所需要Ｇ删， 从而使Ｇ蛔符合系统稳定性的要求。 ３．２．２传递函数嘞的计算 在本小节中将根据Ｂｕｃｋ电路结构计算出Ｇ讨。图３．４画出了简化的Ｂｕｃｋ 电路图，图中标出了所有的状态变量，其中输出蓄电池由大电容模拟，可近似 看成稳压源虼且忙１２Ｖ。

在本系统中，Ｂｕｃｋ电路要调节的是其输入即太阳能 电池的电压而非输出电压，因此本系统所要计算的传递函数有别于传统的Ｂｕｃｋ 电路的传递函数。所求的传递函数为Ｇｖａ（ｓ）＝ｖ（ｔ）／ｄ（ｔ）。其中“，）为太阳能电池的 输出电压，政ｆ）是控制芯片输出的占空比信号。 图３．４简化的Ｂｕｃｋ电路图 根据图３．４可列出系统的状态方程为 ｄｉ（．ｔ）：ｄＯ）ｖＯ）一ｙ：ｄＯ）ｖＯ）一１２ｄｔ （３．２）其中Ｆ【ｖ（ｔ）】为太阳能电池的输出电流，它可由式（２．３）式（２．４）求得。 重写式（２．３）式（２．４）如下所示 Ｂ３，一２０— 浙江大学硕论文 卜卜誓蚓一镌，， 玩舯、Ｖｏｃ、ｂＰ、ｋ分别为太阳能电池的最大功率点电压、开路电压、最大功率点电流、短路电流。根据仿真中所采用的太阳能电池模型的特性指标， Ｖｏｃ＝２２．７Ｖ，／ｓ；ｃ＝４．０８Ａ，哳１７．８５Ｖ， ＩＭＰＰ＝３．８９Ａ代入后可求得 ，＝Ｆ（ｙ０）＝Ｆ（Ｖ（ｆ））＝４．０８—２．４５ｘ １０‘６Ｐ１‘５８９＝Ａ—Ｂｅ （３．５）将式（３．５）代回式（３．２）中，并对所有有状态变量采用小信号扰动法，即令 １，（，）＝矿＋蚕（，），ｆ（，）＝，＋；（ｆ），ｄ（ｆ）＝Ｄ＋ｔｔ（ｔ）其中队，、Ｄ为直流量，参（，）、；（ｒ）、

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