MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计
4.2.2 MPPT充电算法实现
光伏系统MPPT算法主要有固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、神经网络法等。固定电压简单但跟踪效果较差，所以现在已较少使用；模糊控制法和神经网络法跟踪效果较好，但实现困难。扰动观察法和电导增量法均属于自寻优算法，扰动观察法虽性能稍差于电导增量法，但其简单、容易实现、对硬件要求低，且太阳能LED系统对MPPT性能要求不高。综合以上因素选择扰动观察法作为太阳能LED照明系统MPPT算法。
扰动观察法(Perturbation and Observation)原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，这一过程称为“干扰”，并观测之后其输出功率变化方向，若ΔP>0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰”；若ΔP<0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。其跟踪流程如图4.3所示
图4.3 扰动观察法流程图
Fig.5 Perturbation & Observation Algorithm flow chart
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恒压、浮充实现
分析可知恒压充电和浮充充电均向蓄电池提供一个固定电压值，有两种实现方法，一是，如果系统精度要求不高，只要向Cuk电路提供一个固定的占空比即可，二是，如果系统精度要求很高，可以采用反馈方式来实现，即检测实际输出电压值与给定值进比较，再通过程序调整占空比使输出电压稳定为某一具体数值。为降低系统的复杂度，提高可靠性，本系统选择第一种实现方法。最大功率跟踪控制有很多常用的控制算法，如恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法、增量电导法和模糊控制法等。
4.3最大功率跟踪控制的常用方法
4．3．1恒压跟踪法
由于太阳能电池在一定的温度下，最大功率点在一个恒定的电压附近。恒压跟踪法就是根据控制太阳能的输出电压位于这个恒定的电压值附近来实现的最大功率跟踪，这样大大简化了MPPT的控制设计。
优点是：控制方式简单、容易实现等；
缺点是：控制的精度不高、尤其是在四季光照变化巨大的地方、无法应对恶劣天气造成的光照突变等。 4．3．2扰动观察法
扰动观察法的具体原理是一开始让光伏电池按照某一电压值输出，根据测得的电流值来计算电池的输出功率，然后在一定的时间间隔后去改变电压，并根据观测功率的变化来，决定下一步的调节方向，最终达到输出功率最大的位置。
优点是结构简单，被测参数少，普遍使用于光伏发电系统的发电中。
缺点比较明显，那就是在到达最大功率点的时候扰动仍会继续，这样会损失一定的功率，并且初始电压和调节比例的选择对跟踪速度和精度也有较大的影响。 4．3．3增量电导法
增量电导法是在针对扰动观察法在工作电压的调整过程中有一定的盲目性而改进的一种方法，其具体的原理推导如下。在图4-1可知，在P．U曲线的最大功率点处斜率为零。太阳能电池的输出功率P=UI，在最大功率点由于斜率等于零，则dP/dU=0，即：
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dP=/dU+UdI=0
由公式(4．1)整理得
由上式推导可得到最大功率点的条件如上所示，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，太阳能电池阵列输出功率达到最大功率点。
其优点是：控制精确，响应速度比较快，适合日照条件变化较大的场合； 缺点是：对处理器和传感器的精度要求都比较高。 4．3．4模糊逻辑控制法
模糊逻辑控制法主要是基于模糊控制理论通过在过程中执行三种控制行为而实现的一种控制方式。这三种控制行为分别为：模糊化、模糊推理和解模糊化。
(1)模糊化的作用是将输入的精确量，通过模糊化方法转换，最终生成模糊化量。 (2)模糊推理是模糊控制器的核心，它以一定的推理规则和经过模糊化处理后的模糊化量为依据，经过模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则等，得到模糊系统的输出。 (3)解模糊化的作用是将模糊推理的输出量转换为实际用于控制的清晰量。模糊逻辑控制算法的优点是：有较高的精确度、可以更为直接的调节单步的电压变换量和更有效的利用太阳能电池的能量。缺点是：需要更高性能的处理器、要 有大量的规则库和数据库等，不适合低成本的系统。
4. 4充电控制器的控制策略
作为光伏发电系统中的关键部件，蓄电池的寿命短是阻碍整个光伏发电系统性能和推广的主要原因之一。根据蓄电池的工作原理，结合实际应用情况，在光伏发电系统中，影响铅酸蓄电池寿命的主要因素有：充电电压的设置、过放控制点的设置、温度、运行环境等。依据这些影响因素，分析蓄电池常见充放电方式局限性，对充放电方式进行了一定的改进。
（1）蓄电池常规充放电方式
目前，控制器常规的蓄电池充电法包括三种：恒流充电法、阶段充电法和恒压充电法。
恒流充电法是通过保持充电电流强度不变进行充电的方法。这种充电控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过多，影响蓄电池的使用寿命。
第二种是阶段充电法。这种充电方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法是先用恒定电流充电至预定的电压值，然后改为恒定电压完成剩余的充电，一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压；三阶段充电法是指在充电开始和结束时采
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用恒定的电流充电，中间用恒定的电压进行充电。阶段充电法这种方法虽然可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，实际应用中受到一定的限制。
恒压充电时要严格掌握充电电压，电压在全部充电时间里保持恒定的数值，充电电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少。这种充电方法在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，将会影响蓄电池的使用。
（2）改进的充放电方式
针对目前市场上控制器的主要问题是由于对于蓄电池的保护不够充分，不合适的充电方式容易导致蓄电池的损坏，同时通过对蓄电池的工作原理和对影响蓄电池使用寿命因素的分析，本论文提出了PWM (Pulse Width Modulation)脉宽调制充电方法。 PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，这也是蓄电池充电理论的进一步发展。
PWM脉冲调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后让电池停止充电一段时间，如此循环往复。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。PWM调制充电方式使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电效率。脉宽调制方式是指在固定时钟频率下，通过调节开关的通断时间来控制信号的占空比，从而实现对输出电压的调整。实际也就是以一直流电压经过以一定频率打开与闭合开关的控制来改变电压。输出电压波形如图4.4所示。
电压U0tT图4.4输出电压波形
时间
针对目前市场上的太阳能充电控制器当蓄电池给负载供电时，没有时刻检测蓄电池的电压，很容易导致蓄电池的深度放电这个问题，本论文提出时刻在线检测蓄电池电压来避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池，提高其使用寿命。
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4．5控制算法的分析和选择
最大功率跟踪算法通常采用的方法如上所示。其中恒压跟踪法控制是最为简单的一种，但需要提前测得太阳能光伏电池所需要的开路电压，增加了成本，而且不具有普遍的适用性，采样期间和控制期间也容易受到外部环境的影响，也导致恒压跟踪法的控制精度不高、转换效率低，比较适用于较小的功率场合。扰动观察法和增量电导法是目前使用的最多的两种方法，这两种控制方法的转换效率比较高。扰动观察法的调节相对比较盲目，其达到最大功率点后还会有波动，另外其电压的调节量是固定值。增量电导法和扰动观察法相比可以稳定在最大功率点，能识别调节的方向。模糊控制算法精确度高，转换效率高，能更好的利用太阳能电池产生的能量。但是模糊算法使用的数据库和规则库较大，成本也相对较高，因此不适用小成本的小功率庭院太阳能光伏发电系统中。 综合上文的分析，结合本文的设计目标是小功率的太阳能光伏控制系统，考虑成本的性价比，本文选择的是基于增量电导法作为MPPT控制的算法。
4. 6太阳能发电系统效率分析
根据物理学可知,发电能力与负载无关,而发电设备的输出能力则是由负载所决定的,就是说,电能输出设备的输出最大能力取决于外部能量的输入和转换效率,而这些电能量能否完全被利用,则取决于负载备。 1) 电能系统分析
描述发电设备能力和电能利用关系可以用下式表示:
Eg = f ( e) (2)
其中Eg 是负载情况下的输出电能, f ( e) 是在输入能量条件下所能转换的能量。 式(2) 指出,任何时刻发电设备发出的能量都与负载设备所消耗的能量相等。
对于一个发电设备来说,其最大输出能量fmax( e) 是一个固定的数值,而f ( e) 则是由负载决定的能量。在工程实际中, fmax ( e) > f ( e) 叫做欠负荷,fmax ( e) = f ( e) 叫做满负荷。还有一种情况就是所需要的Eg > fmax ( e) ,这种情况下仍然有式(1) 成立,但此时并不能完全满足负载所需要的电能,因此,在这时负载系统所得到的电能小于实际需要,而发电设备输出的电能等于fmax ( e) 。 2) 太阳能充电系统效率分析
在太阳能充电系统中,为了尽量提供充电能力和效率,必须把充电系统划分为两个部分,一个是充电电路,一个是控制电路,这两个电路都会消耗电能。对于充电电路,这部分消耗的能量是电池充电中所经过电路的损耗,对于控制电路,这部分是完成所需要的充电控制所需要消耗的能量。由此可知,太阳能充电系统中,为了尽量提高充电效率,应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗。设充电电路的功率损耗为Pcp ,控制电路的功率损耗为Pctr ,电池吸收的功率为Pb 则根据能量守恒,得到
Pl = Pcp + Pctr + Pb (3)
其中Pl =dEg/dt是充电系统的输入功率。由此
Pl =dEg/dt=df ( e)/dt=Pcp +Pctr +Pb (4) 根据式(3) 可得到充电系统的效率为
η( e) =Pb/Pl=（Pl - Pcp – Pctr）/Pl=（Pl -Pcp – Pctr）/（dEg/Pdt） (5)
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