微网逆变器及电能质量治理综合装置――蓄电池充电电路(附件)
在全球污染加剧能源紧缺的时代背景下，太阳能发电作为一种新的能源技术具有充分的清洁性、安全性、和资源广泛性。本文就太阳能电池给蓄电池充电这一课题进行研究，以更好的提高太阳能电池转换电能效率，有效延长蓄电池的使用寿命为最终研究目标。 首先介绍光伏系统组成及光伏电池的输出特性，以及常见的充电方法和充电电路。对目前广泛应用的几种MPPT算法进行分析，最终提出以BUCK电路为主电路，结合电导增量算法的三阶段蓄电池充电方法。硬件部分设计了以 DSP2407为主控芯片的光伏充电系统。经仿真和实验表明该设计的充电电路可以快速准确地跟踪到最大功率点，提高太阳能电池利用率，延长蓄电池使用时间。关键词 光伏发电，充电电路，蓄电池充电方法，最大功率点跟踪目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究目的 1
1.2 国内外光伏技术发展情况 1
1.3 最大功率点跟踪的研究 2
1.4 课题研究方法 2
2 光伏系统的组成与工作原理 3
2.1 光伏发电系统的结构组成 3
2.2 太阳能电池的原理及输出特性研究 4
2.3 铅酸蓄电池特性及其充电方法介绍 6
2.4 充电电路的介绍 7
2.5 小结 9
3 MPPT概述及其算法的研究与实现 9
3.1 最大功率点跟踪作用 10
3.2 最大功率点跟踪方法 10
3.3 小结 14
4 系统的软硬件设计与实现 15
4.1充电主电路的硬件设计 15
4.2 光伏充电系统软件设计 20
4.3 软件仿真与硬件电路展示 23
4.4 本章小结 25
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A设计实验程序 30
附录B 硬件主电路电气连接图 32
1 绪论
1.1 课题研究目的
经济发展带来能源需求的快速增长，伴随着石油、天然气、煤炭等化石能源的迅速枯竭，能源问题成为制约人类经济文明发展的重要羁绊。与此同时，化石能源造成的环
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A设计实验程序 30
附录B 硬件主电路电气连接图 32
1 绪论
1.1 课题研究目的
经济发展带来能源需求的快速增长，伴随着石油、天然气、煤炭等化石能源的迅速枯竭，能源问题成为制约人类经济文明发展的重要羁绊。与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为国际上讨论的热门课题，低碳清洁的新能源已经成为各国发展所共同关注的焦点。而太阳能资源是最丰富的一次能源也是可再生能源，它分布广泛、可再生、无污染。太阳能发电具有充分的清洁性、安全性、资源广泛性、充足性和长寿命以及免维护性等其他它常规资源所不具备的优点。此外我国太阳能资源分布广泛且十分富足，年日照数平均在2200小时以上的地区占国土面积2/3以上[1]。中国具备了广泛应用光伏发电技术的地理条件，光伏技术的推广也符合中国国情。
目前光伏发电是最为普遍和常见的，所谓光伏是利用半导体界面的光生伏特效应而将太阳能硅电池板接收的光能直接转变为电能的一种技术。转换后电能一部分可以用于直接供给负载，还有一部分可以存储在储能器件（如蓄电池）中供以后使用。
但光伏发电受光照条件及环境温度等影响很大，太阳能电池的高成本和较低的转换效率以及在转换过程中的能量损失等都是制约光伏技术发展的重要因素。考虑太阳能电池昂贵的造价所带来的短期较差经济效益，所以如何更加有效率的利用太阳能成为光伏发电系统研究的重要问题。目前，在小型光伏发电系统中科研人员提出了最大功率点跟踪技术(MPPT)，MPPT的实现可最大程度的利用光能对光伏充电技术的发展具有很重要的作用。那么设计一套合适的充电方案将太阳能转换的能量最大化地保存起来中就显得意义重大[2]。
1.2 国内外光伏技术发展情况
目前国际以日欧等发达国家对太阳能发电技术应用比较成熟，并且投入及产能较大。光伏（Solar Power）有独立运行和并网运行两种方式。当前光伏板材料主要是晶体硅材料，晶体硅包括单晶硅，多晶硅和非晶硅。单晶硅电池工艺已近成熟也是最普遍使用的光伏发电材料。在光照充足的最佳角度，单晶硅电池的光电总转换效率可以达到20%~40%[3]。目前我国的光伏行业产能巨大，国内市场总量却较低，在光伏发电领域的技术和应用也处于世界的中下游水平。近些年，由于政策的鼓励，我国的光伏发电技术迅猛发展，并且在2012 年新增光伏装机5.04GW，累计建设容量达7.97GW，其中大型光伏电站4.19GW，分布式光伏系统3.78GW。成为世界光伏市场和产业发展最快的国家之一。但是，对于中国光伏企业来说，加强自身的实力，增强企业合作抵抗风险能力，提高技术和制造水平，大胆采用自主创新技术才是真正的应对方法。
1.3 最大功率点跟踪的研究
MPPT（最大功率点跟踪）技术是为了解决和提高光伏板输出功率低且不稳定导致实际应用时发电效率低下而提出的一种解决方案[4]。目前,研究最广且应用较普遍的MPPT控制算法主要有扰动观察法和电导增量法。前者由于原理简单、参数少、易于测量和实现而成为MPPT控制中应用和研究最为广泛的方法之一。而传统的扰动观察法由于它的扰动步长是固定的并且会在最大功率点附近形成振荡,当光照环境发生快速变化（如晴天被云雾遮挡）时就会出现误判断的现象，在这一方面电导增量法却能有很好的动态跟踪特性。但是两者有着相似的缺点：跟踪步长都是一定的，如果步长较小，那么系统扰动时到达最大功率点的时间就会很长；而加大步长过大时，系统会在最大功率点处来回震荡，导致功率的损失。当系统工作在最大功率点，系统停止跟踪并稳定在这一点上[2]。
自1968年，MPPT概念第一次被引入光伏系统中。专家学者提出的大部分相关算法都是通过调节全控型器件（ICBT管、MOS管等）的通断时间来实现最大功率点的追踪。当前主要是通过微处理器常见的像单片机，控制DC/DC 电路结构中功率器件的通断使光伏电池始终工作在最大功率点处。或者外界条件一定时，若最大功率点和电路变量(开路电压，短路电流）间呈线性关系，可以通过DSP控制输出电流电压，使得输出功率最大或接近最大值[5]。
1.4 课题研究方法
本课题研究对象为光伏蓄电池的充电电路，研究带有MPPT控制功能和电能质量综合治理的小型独立光伏发电系统。采用的手段方法为：第一步由采样电路实现光伏板输出电压电流的采样工作，然后通过处理器对采样数据的分析计算发出一定频率的PWM波，使得驱动电路调节DC/DC斩波电路的占空比，从而实现太阳能板输出电压电流的调节，最终实现最大功率跟踪控制。更有效的利用光能提升光电转换效率。相当于一个可以实现自我控制、保护和管理的光伏微网系统。
课题研究拟采用的研究手段和实践步骤：
1、通过前期资料查询，探索带有MPPT技术的充电方法，采用合适算法。
2、分析常用的MPPT算法，设计蓄电池充电电路，提出合适的最大功率追踪算法，使得功率电路运行可靠，控制电路抗干扰能力强。
3、软件设计
1 绪论 1
1.1 课题研究目的 1
1.2 国内外光伏技术发展情况 1
1.3 最大功率点跟踪的研究 2
1.4 课题研究方法 2
2 光伏系统的组成与工作原理 3
2.1 光伏发电系统的结构组成 3
2.2 太阳能电池的原理及输出特性研究 4
2.3 铅酸蓄电池特性及其充电方法介绍 6
2.4 充电电路的介绍 7
2.5 小结 9
3 MPPT概述及其算法的研究与实现 9
3.1 最大功率点跟踪作用 10
3.2 最大功率点跟踪方法 10
3.3 小结 14
4 系统的软硬件设计与实现 15
4.1充电主电路的硬件设计 15
4.2 光伏充电系统软件设计 20
4.3 软件仿真与硬件电路展示 23
4.4 本章小结 25
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A设计实验程序 30
附录B 硬件主电路电气连接图 32
1 绪论
1.1 课题研究目的
经济发展带来能源需求的快速增长，伴随着石油、天然气、煤炭等化石能源的迅速枯竭，能源问题成为制约人类经济文明发展的重要羁绊。与此同时，化石能源造成的环
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A设计实验程序 30
附录B 硬件主电路电气连接图 32
1 绪论
1.1 课题研究目的
经济发展带来能源需求的快速增长，伴随着石油、天然气、煤炭等化石能源的迅速枯竭，能源问题成为制约人类经济文明发展的重要羁绊。与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为国际上讨论的热门课题，低碳清洁的新能源已经成为各国发展所共同关注的焦点。而太阳能资源是最丰富的一次能源也是可再生能源，它分布广泛、可再生、无污染。太阳能发电具有充分的清洁性、安全性、资源广泛性、充足性和长寿命以及免维护性等其他它常规资源所不具备的优点。此外我国太阳能资源分布广泛且十分富足，年日照数平均在2200小时以上的地区占国土面积2/3以上[1]。中国具备了广泛应用光伏发电技术的地理条件，光伏技术的推广也符合中国国情。
目前光伏发电是最为普遍和常见的，所谓光伏是利用半导体界面的光生伏特效应而将太阳能硅电池板接收的光能直接转变为电能的一种技术。转换后电能一部分可以用于直接供给负载，还有一部分可以存储在储能器件（如蓄电池）中供以后使用。
但光伏发电受光照条件及环境温度等影响很大，太阳能电池的高成本和较低的转换效率以及在转换过程中的能量损失等都是制约光伏技术发展的重要因素。考虑太阳能电池昂贵的造价所带来的短期较差经济效益，所以如何更加有效率的利用太阳能成为光伏发电系统研究的重要问题。目前，在小型光伏发电系统中科研人员提出了最大功率点跟踪技术(MPPT)，MPPT的实现可最大程度的利用光能对光伏充电技术的发展具有很重要的作用。那么设计一套合适的充电方案将太阳能转换的能量最大化地保存起来中就显得意义重大[2]。
1.2 国内外光伏技术发展情况
目前国际以日欧等发达国家对太阳能发电技术应用比较成熟，并且投入及产能较大。光伏（Solar Power）有独立运行和并网运行两种方式。当前光伏板材料主要是晶体硅材料，晶体硅包括单晶硅，多晶硅和非晶硅。单晶硅电池工艺已近成熟也是最普遍使用的光伏发电材料。在光照充足的最佳角度，单晶硅电池的光电总转换效率可以达到20%~40%[3]。目前我国的光伏行业产能巨大，国内市场总量却较低，在光伏发电领域的技术和应用也处于世界的中下游水平。近些年，由于政策的鼓励，我国的光伏发电技术迅猛发展，并且在2012 年新增光伏装机5.04GW，累计建设容量达7.97GW，其中大型光伏电站4.19GW，分布式光伏系统3.78GW。成为世界光伏市场和产业发展最快的国家之一。但是，对于中国光伏企业来说，加强自身的实力，增强企业合作抵抗风险能力，提高技术和制造水平，大胆采用自主创新技术才是真正的应对方法。
1.3 最大功率点跟踪的研究
MPPT（最大功率点跟踪）技术是为了解决和提高光伏板输出功率低且不稳定导致实际应用时发电效率低下而提出的一种解决方案[4]。目前,研究最广且应用较普遍的MPPT控制算法主要有扰动观察法和电导增量法。前者由于原理简单、参数少、易于测量和实现而成为MPPT控制中应用和研究最为广泛的方法之一。而传统的扰动观察法由于它的扰动步长是固定的并且会在最大功率点附近形成振荡,当光照环境发生快速变化（如晴天被云雾遮挡）时就会出现误判断的现象，在这一方面电导增量法却能有很好的动态跟踪特性。但是两者有着相似的缺点：跟踪步长都是一定的，如果步长较小，那么系统扰动时到达最大功率点的时间就会很长；而加大步长过大时，系统会在最大功率点处来回震荡，导致功率的损失。当系统工作在最大功率点，系统停止跟踪并稳定在这一点上[2]。
自1968年，MPPT概念第一次被引入光伏系统中。专家学者提出的大部分相关算法都是通过调节全控型器件（ICBT管、MOS管等）的通断时间来实现最大功率点的追踪。当前主要是通过微处理器常见的像单片机，控制DC/DC 电路结构中功率器件的通断使光伏电池始终工作在最大功率点处。或者外界条件一定时，若最大功率点和电路变量(开路电压，短路电流）间呈线性关系，可以通过DSP控制输出电流电压，使得输出功率最大或接近最大值[5]。
1.4 课题研究方法
本课题研究对象为光伏蓄电池的充电电路，研究带有MPPT控制功能和电能质量综合治理的小型独立光伏发电系统。采用的手段方法为：第一步由采样电路实现光伏板输出电压电流的采样工作，然后通过处理器对采样数据的分析计算发出一定频率的PWM波，使得驱动电路调节DC/DC斩波电路的占空比，从而实现太阳能板输出电压电流的调节，最终实现最大功率跟踪控制。更有效的利用光能提升光电转换效率。相当于一个可以实现自我控制、保护和管理的光伏微网系统。
课题研究拟采用的研究手段和实践步骤：
1、通过前期资料查询，探索带有MPPT技术的充电方法，采用合适算法。
2、分析常用的MPPT算法，设计蓄电池充电电路，提出合适的最大功率追踪算法，使得功率电路运行可靠，控制电路抗干扰能力强。
3、软件设计
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