MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计新能源.docx
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MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计新能源
XinjiangInstituteofEngineering
毕业论文
论文题目MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计
系（部）电力工程系
学科专业新能源应用技术
班级新能源11-1班
姓名阿卜杜热伊木
学号2011232560
指导教师刘华
二〇一四年四月二十八日
新疆工程学院毕业论文任务书
学生姓名
阿卜杜热伊木
专业班级
新能源11-1班
论文题目
MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计
接受任务日期
2014年3月5日
完成任务日期
2014年4月28日
指导教师
刘华
指导教师单位
新疆工程学院
论文要求
设计任务或主要技术指标：
1.设计任务
（1）设计基于MPPT控制算法的太阳能光伏系统；
（2）控制方案的选择；
（3）方案的细化设计；
（4）通过方案比较，确定合理的控制方法及系统框图；
（5）选定系统的主要芯片及元器件；
（6）计算系统组件配置参数；
教师指导过程记录
设计进度与要求：
1、第一周，收集有关资料作为设计参考。
2、第二周，自学太阳能系统及其组件的相关知识；
3、第三周，控制方法，电路结构方案的选择。
4、第四周，方案的分析对比。
5、第五周，确定系统设计方案。
6、第六周，画出系统控制框图及主要电路图。
7、第七周，对设计初稿进行修改，
8、第八周，答辩。
参考资料
主要参考书及参考资料：
[1]王长贵．新能源和可再生能源的现状和展望[J]．太阳能光伏产业发展论坛论文集．2003（9）．
[2]赵玉文．太阳能光伏技术的发展概况．第五届全国光伏技术学术研讨会论文集．
[3]王长贵，王斯成主编．太阳能光伏发电实用技术[M]．北京：
化学工业出版社，2009.9．
[4]吴财福，张键轩，陈裕恺主编．太阳能光伏并网发电机照明系统．北京：
科学出版社，2009．
[5]奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭编著．TMS320F2812原理与开发[M]，北京：
电子工业出版社，2005．
[6]尹勇，欧光军，关荣锋著．DSP集成开发环境CCS开发指南[M]，北京航天航空大学出版社，北京，2004．
[7]赵庚申，王庆章．最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用[J]．光电子．激光，2003，14（8）．
新疆工程学院毕业论文成绩表
学生姓名
阿卜杜热伊木
专业班级
新能源11-1班
论文题目
MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计
考核项目
考核内容
满
分
评
分
一、
指导教师评分
1、工作态度与纪律
10
2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平
10
3、独立工作能力、分析和解决问题能力
10
4、完成任务的情况与水平（论文质量）
10
指导教师签字：
年月日
二、
评阅教师评分
1、论文质量（正确性、条理性、创造性和实用性）
15
2、成果技术水平（理论分析、计算、实验和实物性能）
15
评阅教师签字：
年月日
三、
答辩小组评分
1、完成任务书所规定的内容和要求
5
2、论文的质量
5
3、课题论文内容的讲述
10
4、回答问题的正确性
10
答辩组长签字：
年月日
四、答辩小组成绩评定：
负责人签字：
年月日
五、答辩委员会意见：
答辩委员会主任签字：
年月日
摘要·······························································6
Abstract···························································7
3.1.3蓄电池特性··········································17
4.1.1什么是MPPT··········································24
4.2充电算法及实现··································25
4.2.1充电控制算法·······································25
4.2.2MPPT充电算法实现···································27
4.4充电控制器的控制略·······························29
4.6太阳能发电系统效率分析··························31
4.6.1系统整体结构设计····································32
4.6.2太阳能控制器结构····································32
MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计
摘要：
太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。
目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面，其核心部分就是充电控制器。
本设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不够充分，使得蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方案。
在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的高效率管理。
设计一种太阳能LED照明系统充电控制器，既能实现太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）又能满足蓄电池电压限制条件和浮充特性。
构建实验系统，测试表明，控制器可以根据蓄电池状态准确地在MPPT、恒压、浮充算法之间切换，MPPT充电效率较恒压充电提高约16%。
该充电控制器既实现了太阳能的有效利用，又延长了蓄电池的使用寿命。
在总体方案的指导下，本设计使用STMSS系列8位微控制器是STM8系列的主流微控制器产品，采用意法半导体的130纳米工艺技术和先进的内核架构，主频达到16MHz（105系列），处理能力高达20MIPS。
内置EEPROM、阻容（RC）振荡器以及完整的标准外设，性价比高。
STMSS指令格式和意法半导体早期的ST7系列基本类似，甚至兼容，内嵌单线仿真接口模块，支持SIWM仿真，降低了开发成本；拥有多种外设，而且外设的内部结构、配置方式与意法半导体的同样是Cortex-M3内核的32位嵌入式微处理器STM32系列的MCU基本相同或者相似。
另外系列芯片功耗低、功能完善、性价比高，可广泛应用在家用电器、电源控制和管理、电机控制等领域，是8位机为控制器控制系统较为理想的升级替代控制芯片‘26l。
软件部分依据PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制控制策略，编制程序使单片机输出PWM控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制MOSFET管开启和关闭，达到控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要求实现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。
实验表明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。
关键词：
充电控制器；太阳能光伏发电；PWM脉宽调制；MPPT最大功率点跟踪法；蓄电池；STMSS系列8位微控制器
MPPTsolarchargecontrollercontrolalgorithmdesign
Abstract：
Solarphotovoltaicpowergenerationhasbecomeanimportantpartofnewenergyandrenewableenergy,itisconsideredthecurrentworld'smostpromisingnewenergytechnologies.Atpresentsolarphotovoltaicdevicehasbeenwidelyusedincommunications,transport,electricityandotheraspects,thecorepartisthechargecontroller.
Theconventionalchargecontrolleronthemarkettodayonthebatterychargeanddischargecontrolisunreasonable,anditsprotectionisalsoinadequate,whichsmakesthebatterylifetoshorten.Tosolvethisproblem,thedesignidentifiesasolarchargecontrollerbasedonsinglechipsolution.Inthesolarenergytobatterychargeanddischargemeans,thecontrollerofthefunctionalrequirementsandthepracticalapplicationaspects,makingsomeanalysis,completedthehardwarecircuitdesignandsoftwaredevelopment,toachievethehighefficiencyofthebatterymanagement.
Undertheguidanceoftheoverallprogram,thedesignuseslow-power,highperformance,superanti-jammingSTC89C52microcontrollerasacoredevicetocontroltheentirecircuit.Hardwarecircuitconsistsofasolarbatterycharginganddischargingcircuit,voltageacquisitionanddisplaycircuit,theMCUcontrolcircuitandRS232serialcommunicationcircuit,themainachievementoftheacquisitionanddisplaybatteryvoltage.SoftwareisbasedinpartonPWM（PulseWidthModulation）pulsewidthmodulationcontrolstrategy,programmingthemicrocontrolleroutputPWMcontrolsignal,bycontrollingthephotocoupleron-offthecontrolMOSFETopeningandclosing,tocontrolbatterycharginganddischargingpurposes,andinaccordancewiththefunctionalrequirementsimplementedthebatteryovercharge,overdischargeprotectionandshortcircuitprotection.Experimentsshowthatthecontrollerperformance,highreliability,canalwaysmonitorthestateofsolarpanelsandbatteriestoachieveoptimalcontrolofbatterychargeanddischarge,toprolongbatterylife.
Keywords:
chargecontroller;solarphotovoltaic;PWMpulsewidthmodulation;MPPT；Battery.
第一章引言
1．1本课题的选题背景和来源
太阳能是一个巨大、久远、无尽的能源。
尽管太阳辐射到大气层的能量仅为总辐射量（约为3．75x1026W）的22亿分之一，但其能量高达173000TW（功率单位ITW=1012KW=1015W），也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤所产生的能量。
据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射量约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／（cm2/），中值为586kJ／（cm2/）。
我国的太阳能辐射量相当充足，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优势，就拿我们所在的广州地区太阳辐射量在国内也是中等水平。
另外太阳能作为一种新型的能源，它与常规的能源相比有三大优点：
（1）太阳能是人类可以利用的最为丰富的能源之一，据估算，自太阳形成到现在，太阳辐射出的能量只占自身能量的2％，因此可以算是取之不尽，用之不竭。
（2）太阳对地球的辐射是全方位的，在全球的任何一个地方都有机会接受到太阳的辐射，因此可以直接就地开发利用，这样就没有了运输的问题，尤其对于交通不发达的地区更有利用的价值。
（3）太阳能使用后不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态，是一种比较洁净的能源。
而且太阳辐射能与煤炭、石油等常规能源相比较，更有如下的优点：
（1）普遍性。
地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。
（2）无害性。
利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害，清洁干净。
（3）长久性。
只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。
（4）巨大性。
面对如此巨大的能源，对太阳能开发利用的研究已经成为一个新兴的重大课题。
这项集多学科为一体的高新技术，在科技进步、能源战略和环境的保护领域中都会发挥重要的作用，对该技术的深入研究将会为探索广阔的光伏发电市场和掌握相关领域提供一定的理论依据。
本文就是借助对庭院式小功率太阳能光伏发电系统的研究来探索太阳能光伏发电。
1.2太阳能光伏发电简介
1．2．1太阳能光伏发电系统
太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。
一般将光伏发电系统分为独立系统、并网系统和混合系统。
根据其应用形式、应用规模和负载类型，光伏发电系统大致可以分为以下七种类型：
小型太阳能供电系统（SmallDC），简单直流系统（SimpleDC），大型太阳能发电系统（LargeDC），交流、直流供电系统（AC／DC），并网发电系统（UtilityGridConnect），混合供电系统（Hybrid），以及并网混合供电系统。
其中小型太阳能供电系统（SmallDC）根据应用场合的不同又分为庭院式太阳能供电系统、通信太阳能供电系统等。
1．2．2独立太阳能系统的构成
光伏发电系统的规模跨度巨大，从0.3~2W的太阳能小系统，大到兆瓦级别的太阳能光伏电站，其应用也各有不同，在家庭、交通、通信、航天等众多领域都有涉及。
其基本框架图如图1．1所示。
独立的太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏组件阵列、储能蓄电池、控制器、DC/AC或者DC/DC变换器、以及输出设备构成。
图1．1太阳能光伏发电系统的组成图
1．3国内外太阳能发电的现状
1839年，法国科学家贝克雷尔（Becquerel）就发现，光照能使半导体材料的不同位置之间产生电位差。
这种现象后来被称为“光生伏打效应一，简称“光伏效应一。
1954年，美国贝尔实验室研究人员D．M．Chapin，C．S．Fuller和G．L．Pearson首次制成了光电转换效率为4．5％的单晶硅太阳能电池，至此之后太阳能发电进入了飞速发展的时代。
在新型能源产业中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一，最近十年更是飞速发展。
1．4光伏太阳能控制器国内外现状
目前市场中独立的太阳能光伏充电控制器主要有五种类型：
并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器、智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。
1．并联型控制器
当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流道内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。
并联型控制系统一般用于小型、低功率系统。
2．串联型控制器：
利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。
它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。
3．脉宽调制型控制器：
它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。
当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。
4．智能型控制器：
基于MCU对光伏电源系统的运行参数进行高速的实时采集，并按照一定的规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离和接通控制。
对于中、大型光伏电源系统，还可以通过串口，或者别的一些通讯方式实现远距离控制。
5．最大功率跟踪型控制器：
根据太阳能电池的输出功率判断是否工作在最大功率点，若不是则做出相应的调节使得输出功率靠近最大功率点，从而实现对太阳能发电能量的有效利用。
现在的市场的庭院式小功率太阳能光伏控制器多是并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器，也有少量的智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。
常见的智能型基本都是基于微处理器的控制，例如基于传统的51，DSP等。
1．5论文意义
本文所研究的小功率太阳能光伏发电系统是针对当今社会的发展趋势和需求提出的。
本研究综合分析现有的太阳能光伏发电系统的发展和技术要求，对比已有的光伏发电系统，以此为基础，选取高性能意法半导体的新型8位控制芯片STMSS作为主控芯片，凭借STMSS微控制器强大的运算能力和丰富的外围资源，优化系统的电流采样电路设计，提升系统的性能，设计出一款小功率太阳能光伏发电系统。
本系统的设计改进了传统小功率太阳能光伏发电系统的信号采集电路，降低了电路的损耗。
1．6论文的主要研究内容
1．本论文需要研究的内容主要有以下几个方面：
（1）在分析现有的太阳能光伏发电系统的发展概况的基础上，简单介绍了当前太阳能光伏发电系统的结构；
（2）根据常规太阳能光伏发电系统功能的要求分析太阳能光伏电池和蓄电池的需求及特性，最终根据需求选择本系统的设备；
（3）系统软件设计，包括系统主程序模块底层设计、MPPT技术控制程序设计、充电方式的控制以及输出、输入安全控制等；
（4）系统硬件设计，具体的系统硬件设计包括：
控制系统电路设计、太阳能光伏发电充电电路设计、芯片供电电源电路设计、蓄电池防过放电路设计、蓄电池防过充电路设计等；
（5）系统的可靠性分析及设计，主要是基于系统硬件可靠性和软件可靠性的研究与实现；
2．根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，采取以下研究步骤来实现：
（1）针对系统整体功能进行具体分析与研究，合理地将整个系统划分成各个不同功能模块。
（2）针对各个模块的功能对其进行相应的电路设计、芯片选型与特性测试。
（3）各个功能模块的软硬件调试、各个功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。
（4）在整个系统中按照软件和硬件两个方向严格的执行可靠性设计。
第二章光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用
2．1太阳能电池的结构及工作原理
太阳能电池又称为“太阳能晶片"或光电池，通常由半导体硅材料制成，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。
它只要被光照射，瞬间就可输出电压。
在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaic伏特，缩写PV），简称光伏。
2．1．1太阳能电池的结构
太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电器件，基本构造是由P型与N型半导体集合而成，最基本的材料是半导体硅，单纯的硅是不导电的绝缘体，但是在掺入不同杂质时就可以做成P型和N型半导体。
下图就是一种常见的太阳能电池的结构图，它的基本材料是P型单晶硅。
上表层是N型半导体层，是受光层，在和基体的接触面形成一个P．N结。
为了进一步增加对太阳能的利用率，在太阳能电池的受光面会覆盖一层减少反射的薄膜，它可以增加太阳能电池对入射光的吸收率。
2.1太阳能电池结构图
2．1．2太阳能电池的工作原理
太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。
所谓的光生伏特效应就是当物体受到太阳光的照射时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
2．2太阳能电池的特性及应用
当光照强度改变时根据太阳能电池的输出功率和电压的关系可以得到下图。
从图2.3中可以看出在不同光照时最大的输出功率点是唯一的，只有太阳能工作在这个位置才能合理的利用太阳产生的能量。
为了合理利用太阳能电池，在后续的设计中选择实现MPPT的控制。
2.2太阳能电池等效电路
2.3太阳能电池的I-U曲线
2．3本章小结
本章首先介绍了太阳能电池的结构和原理；然后介绍了不同太阳能电池材料的优劣，为选择太阳能电池提供依据；接着是介绍太阳能电池的IU特性根据其特性引出太阳能电池的选用：
最后介绍了本太阳能电池的设计需求和安装要求。
第三章蓄电池
在太阳能光伏发电系统中由于太阳能光伏阵列产生的能量受外部光照的影响，而光照又是一个随机的变量，这样就造成太阳能光伏阵列的输出能量极不稳定，因此需要配置蓄电池才能使负载正常工作。
在太阳能电池板充电时，蓄电池将电能转化为化学能存储起来；在负载需要供电时，蓄电池把化学能转换成电能输出给负载。
蓄电池的性能直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。
作为太阳能光伏发电系统中的储能器件，蓄电池的选择在注重性价比的同时还要做到能合理的利用太阳光光照，并持续地对负载供电。
3．1蓄电池的简介
3．1．1蓄电池的介绍
蓄电池作为一个储能的器件，能够反复使用，另外蓄电池还具有电压稳定、供电可靠、使用方便等优势，广泛的应用于汽车、航空、通信等众多行业。
在目前市场上的蓄电池主要有四类蓄电池：
铅酸蓄电池、镉镍（NiCd）蓄电池、氢镍（NMH）蓄电池和锂离子蓄电池。
镉镍（NiCd）蓄电池、氢镍（NiMH）蓄电池和锂离子蓄电池。
蓄电池作为太阳能LED照明系统的储能元件，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜晚时，控制器启动LED驱动电路，LED光源开始照明，蓄电池释放电能。
全天中，控制器的电源一直由蓄电池供给。
目前光伏系统多采用阀控密封式铅酸（ValveRegulatedLeadAcidBattery，简称VRLA）蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。
3．1．2蓄电池技术参数
1．蓄电池容量
蓄电池的容量是指在一定的放电条件下所能给出的电量，通常用C表示，但是蓄电池作为电源时，其端电压是一个变量，选用安时（
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