阳太能最大功率跟踪控制器的设计与实现--本科毕业设计.doc

学科分类号 本科生毕业论文(设计)题目（中文）：太阳能最大功率跟踪控制器的设计与实现 （英文）：Design and Implementation of the Maximum Power Point Tracking Controller 学生姓名： 学号： 系别： 专业： 电子信息科学与技术 指导教师： 起止日期： 本科毕业论文(设计)诚信声明作者郑重声明：所呈交的本科毕业论文(设计)，是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声明的法律结果由作者承担。本科毕业论文（设计）作者签名：年 月 日目 录摘 要I关键词IAbstractIKey wordsII1 前言12 任务分析与方案论证42.1 任务要求及分析42.2 系统方案论证42.2.1 太阳能电池板特性42.2.2 方案论证62.2.3 方案比较和选取73 系统设计83.1 硬件设计93.1.1 转换模块电路设计93.1.2 控制模块电路设计113.2 软件设计123.2.1 设计思路123.2.2 子程序设计实现144 系统调试与测试174.1 调试与测试工具174.2 系统调试174.3 系统测试205 总结21参考文献22致 谢24附录A 系统主体程序25附录B 系统实物图27太阳能最大功率跟踪控制器的设计与实现摘 要 由于目前太阳能电池板存在发电效率低、生产成本高等问题，这就造成了太阳能的应用难以推广。针对发电效率低这一问题，本文介绍一种利用微型控制器51单片机设计的一个太阳能最大功率跟踪控制器。该控制器是根据太阳能电池板的输出特性设计的，采用脉宽调制波调节其输出电压，不断寻找最大功率点，让它始终以最大功率输出。本设计能够实现提升20%左右的发电效率，并且能够实时显示太阳能电池板的输出情况，使用非常方便。关键词太阳能电池板；最大功率跟踪；微型控制器；脉宽调制Design and Implementation of the Maximum Power Point Tracking ControllerAbstractDue to low efficiency and high cost of solar panel currently.These reasons have resulted in the application of solar energy is difficult to popularize .Aim at low efficiency.This paper describes that a microcontroller was used to design a maximum power point tracking(MPPT) controller.It was designed in accordance with the output characteristic of the solar panel. The pulse width modulated(PWM) wave was regulated the solar panels output voltage.It can look for maximum power point constantly and make the solar panel output maximum power always.The design can enhance efficiency about 20% and display output indicators of the solar panel.It is very convenient to use.Key wordsSolar panel；MPPT；Microcontroller；PWM241 前言能源问题越来越为人们所关注，作为一种具有绿色、安全、清洁等优点的太阳能被认为是最具发展潜能的新科技能源之一，目前其在太空研究领域得到广泛应用，同时也成为宇宙飞船、太空站等太空设备的后续能量来源。太阳能的利用在国内来说，其应用领域正在不断向大众化迈进。如今的一些路灯都实现了太阳能跟风能结合供电，大城市绿化带、风景区等亦是如此。现在的农业也在朝自动化、无公害等方向发展，太阳能这一新兴能源在农业方面也得到了应用，比如说太阳能诱虫灯。人类生活用电也不例外，在太阳光照充足的偏远地区，通过当前的水、火电网进行电能输送成本实在太高，而且偏远地区的住房分散，要实现输电就更加麻烦了。但是利用充足的太阳能来供电，就可大大节约用电成本，使用更加方便。目前太阳能的应用主要是通过太阳能硅光电池将太阳能转换为电能以供人类所需。硅光电池的生产工序复杂，所以生产成本很高，以至于太阳能电池板的售价偏高，市场价大概在5元/W。然而，由于太阳能电池板的转换效率现在只能达到20%左右，这样就造成了5元钱买不到1瓦特的功率，太阳能的利用成本也就显得更加高了。针对以上的问题，国内外业界内有不少人士根据太阳能电池板的转换特性做过不少的研究，总结出来了几种实现提高电池板转换效率的方法：恒压法、扰动观察法、电导增量法，这三种方法各有优缺点，需根据需要来确定1。根据所要达到的目的，比较三种方案的可行性，最终来确定系统方案。本次设计综合考虑各种因素，选取了扰动观察法来实现提升太阳能电池板的转换效率。目前国内外在太阳能领域的研究成绩各有千秋，有已经成功面市的各类产品，淘宝网上的MPPT（Maximum Peak Power Tracking）控制器，其售价在几百到几千元不等，根据卖家介绍能提升不少的效率。除了这种成品控制器以外，各大半导体生产厂商也有属于自己的MPPT控制器IC。比如说美国德州仪器半导体的MPPT控制IC：SM72442，通过输出四路PWM（脉冲宽度调制）波来控制转换电路的输出，集成了12位的A/D（模拟-数字）转换器，8个模拟通道，能够使转换效率提高到99.5%2。NXP（恩智浦）半导体推出的MPT612是一款基于低功耗的ARM7TDMI-S 32位RISC处理器的MPPT集成电路，支持包括I2C、UART、SPI和SSP在内的多种串行接口，其采用的是正在申请专利的MPPT算法，也带有8通道的10位A/D转换器，能够将转换效率提升到98%3。除了这些MPPT控制器外，也还有一些普通的控制器，但是普通的控制器只能做到将效率提升到50%左右，这样的效果不是很明显，当然其售价也要便宜很多，目前MPPT控制器也正在逐步替代普通控制器。结合太阳能电池板的输出特性与MPPT控制算法来实现本次设计。原理图与PCB图的设计采用电子CAD绘图软件Protel 99 SE4。使用PWM波控制场效应MOSFET管IRFZ48N的导通与关闭时间比来调节太阳能电池板的输出电压5。采用51单片机STC89C52RC作为主控芯片，控制输出PWM信号、A/D转换以及液晶显示。由于这款单片机内部没有集成A/D转换模块，所以外部扩展A/D转换器TLC25436。电压采样使用电阻分压，电流采样使用电流检测模块ACS712ELC-20A7。本设计的转换效率只能提升20%左右，总体来说还是可以实现MPPT的这种转换思想，但是也还存在着不足的地方。现在在效率方面的提升也只是局限于其它环境条件不变的情况，如光强、温度等，其成本也还是比较高的，接下来要向多方面努力改进。还要思考一个问题：在节约成本以及降低设计复杂度的前提下，还存不存在更好的方案？要去改变大环境的温度，这对于现阶段人类科技程度来说不怎么可能实现，所以为了再次提升太阳能电池板的转换效率，只能往提高电池板接受光照强度的方向寻找突破口。虽然在一天当中太阳的光照强度是不变的，但是可以让太阳能电池板接收的光照一直保持在最强状态。现在太阳能电池板的安装是固定的，也就是其在一天当中所接收的光强并不是最强的，因为太阳一直在移动。所以，可以考虑下一步来设计“最强光强点跟踪”控制器。让太阳能电池板跟随太阳移动（在原地进行旋转），让其一直处于最强光强接收状态，这样也可以大大提升太阳能的利用率。但是在设计一个新的系统的同时，也应当考虑到新系统是否能最终给人们带来更好的价值，这个就需要去综合各个方面进行考虑。不过有好的想法是非常值得赞扬的，可以当作个人爱好去将它实现，科技就是在不断创新中发展的，人类进步也离不开创新思维，我们应当好好利用自己所学的知识，努力创新，大胆创新！2 任务分析与方案论证本次设计的题目就是太阳能最大功率点跟踪控制器。根据MPPT思想，设计一个控制器，能够使太阳能电池板以最大功率输出，从而达到提升转换效率的目的。2.1 任务要求及分析设计并制作一个MPPT控制器，实现的指标如下：（1）、采用脉宽调制波控制，寻找最大功率点；（2）、相同环境条件下实现负载效率提升40%以上；（3）、显示实时输出情况，包括电压、电流以及功率。通过分析以上指标，初步确定系统所需的核心元器件有：CPU、场效应开关管、液晶显示屏。2.2 系统方案论证系统方案的论证及选取关键应当建立在太阳能电池板输出特性的基础上。只有在知道太阳能电池板的特性的情况下，才能找准系统设计的方向，然后再根据方向寻找路径。路径也许不止一条，找到最便捷的路径才是设计的最终目标。本设计方案论证的重心放在最大功率跟踪控制的算法上面，关于主控芯片的选取，利用51系列单片机来实现。也可以选取DSP或者ARM等高速MCU，但是由于这些芯片价格昂贵，自己在这些方面的知识欠缺，故不选取。2.2.1 太阳能电池板特性系统方案的设计要依据太阳能电池板的特性来进行，如图2.1和图2.2所示分别为太阳能电池板在不同光照强度下的输出电压-电流以及功率关系曲线图。试验太阳能电池板的标示功率为50W。从图2.1可以看出：同一光照强度下，在一个输出电压范围内其输出电流基本上保持不变；然而在某个输出电压值之后其输出电流急剧下降，根据功率的定义式：P（W）=U（V）*I（A） （式2-1）图2.1 常温下太阳能电池板在不同光照下的输出伏安特性曲线图2.2 常温下太阳能电池板在不同光照下的输出功率曲线结合式2-1与图2.1可以得出一个结论：在常温下，某个光照强度时太阳能电池板的输出总存在一个最大功率点。如图2.2描述了太阳能电池板输出功率与输出电压的关系，体现出了最大功率点。本设计所使用的电池板的参数：开路电压Voc=22.6V，短路电流Isc=2.92A，最大功率点电压Vmp=18.5V，最大功率点电流Imp=2.72A，图2.3更直观地描述出了太阳能电池板的输出特性。图2.3 太阳能电池板特性曲线2.2.2 方案论证方案一：恒压法。由图2.1分析得到，在同一温度条件下，不同光照下的最大功率点几乎在一条垂直线上，这表示着最大功率点应该是对应着某一个固定电压值的，这就是恒压法的理论8。这一固定电压值可以从太阳能电池板生产厂商处获得，从而在设计的时候就可将输出电压设定在这个固定电压处。方案二：扰动观察法。这种方法其实质是引入一个小的变化，然后进行观察，并与前一个状态进行比较，进而进行调节。其具体方法是：先测太阳能电池板第i时刻的电压Vi和电流Ii，由式2-1计算出功率Pi，然后与第i-1时刻的功率进行比较。根据比较的结果调节太阳能电池板的工作点，这里引入一个参考电压VREF，当进行比较后，调节参考电压使之逐渐接近最大功率点的电压。在调节太阳能电池板工作点时，依据这个参考电压进行调节9。方案三：电导增量法。由图2.3可以看出，在最大功率点处其斜率为零。根据式2-1，因此在最大功率点处有：=I + U * = 0 (式2-2)即 = - （式2-3）式2-3就是达到最大功率点的条件，如果 - （式2-5） 则光伏电池的工作点在最大功率的左边，此时应增大输出电压。在实际应用中，方程式2-3很难满足，工程应用中引入一个误差因子E，当- 100) pwm=0; if(pwmP_new) if(UU_new) PWM+; else PWM-; else if(UU_new) PWM-; else PWM+; 4 系统调试与测试4.1 调试与测试工具系统调试与测试所使用的工具包括：软件Keil uVision4、50W太阳能电池板、电线、杜邦线、胜利牌VC890D万用表、47/20W水泥电阻、100/20W水泥电阻、螺丝刀等。4.2 系统调试系统的调试包括硬件调试与软件调试。硬件调试包括稳压块LM7805的输出电压和采样电阻的分压情况测试。稳压块的输出为+5V，比较标准。图3.2所示的R1、R2阻值均已给出，但是由于电阻会存在误差，所以也要进行相应的校正。通过用万用表测试的结果如表4.1所示：在测试的过程中，发现了一个很严重的问题：用万用表可以测出R2两端的电压，但是用A/D却采不到电压。后来通过上网查找资料，其可能的原因在于作为分压电阻的R1、R2选取的阻值太大，以至于流过其电流很微弱，导致A/D采不到电压的后果，然而万用表却可以测到电压是因为万用表的电压都是通过运放处理的。表4.1 万用表测量分压电阻分压值R1、R2两端电压UR2两端电压U2分压系数U/U23.280.359.37144.090.439.51164.890.529.40389.371.019.277219.122.079.2367平均系数9.3604注：表中电压的单位为V；表4.2 调整电阻后的分压情况R1、R2两端电压UR2两端电压U2分压系数U/U23.270.2911.27594.080.3611.33335.04 0.4411.45459.400.8411.190519.111.7211.1105平均系数11.2729注：表中电压单位为V；根据这种猜测，结合采样电阻的大小对系统功耗的影响，后来将R1、R2的阻值改小一个数量级，但是测得的结果还是不行，所以只能再降低分压电阻阻值，直到减小到R1=4.7k，R2=460。测试后结果正常，通过计算，两者的电阻和对系统的功率消耗也不是很大，最大为0.125W，电阻选取的都是1%精度、1/4W的金属膜电阻，符合设计要求。将电阻调整合适之后还得进行校正，再次利用万用表测得分压电阻对应的电压值，最终确定分压系数，其测试结果如表4.2所示：表4.2的数据为程序里面采样电压的调整提供依据，电压计算的公式U=(float)(4.096*ad0)/4095*1127+113)。表4.3的数据为程序处理电流提供依据，I=(float)(（2.5-(4.096*ad1)/4095）*100+4)。ad0、ad1代表A/D转换得到的数字码。表4.3 电流检测模块测试供电电压（V）负载万用表测（V）A/D测（V）9.4047/20W2.472.43100/20W2.492.4419.1147/20W2.442.41100/20W2.482.43软件调试的主要心思应当放到系统算法上面，由于n5110液晶、A/D转换以及PWM的驱动程序之前都有写过，将它们复制粘贴，进行相应的修改就行了。在调试程序的时候，通过几组不同电压值的采样，比较A/D转换器与万用表两者测得的值。发现A/D采样的电压与万用表测得的电压相差60mV，几组数据综合呈线性。为了降低误差，在程序中也做了修正。如电压计算的公式U=(float)(4.096*ad0)/4095*1127+113)中加上的113就是修正结果。4.3 系统测试为了能够体现出本设计的性能，要对太阳能电池板的输出作两次测试，分为直接接负载测试和通过MPPT接负载测试，其测得的数据分别如表4.4和表4.5所示。表4.4 太阳能电池板直接接负载测试负载输出电压（V）输出电流（A）输出功率（W）空载47/20W18.100.397.0620.3V/0.46A100/20W19.800.203.9620.4V/0.52A 注：2013-5-9早上10:05，多云，21；表4.5 接入MPPT太阳能电池板带负载测试负载输出电压（V）输出电流（A）输出功率（W）47/20W19.620.438.44100/20W20.300.224.47 注：2013-5-9早上10:07，多云，21；从这两个表的数据可以看出：接入MPPT测试的输出功率比直接输出的功率提升了将近20%，与设计指标相比，这种结果并不是很理想，其主要的原因是采用51单片机的处理速度跟不上，而且程序量大，运行速度慢，导致A/D采样的时间差太长，有时候并没有采样到最大功率点的电压和电流，存在着较大的系统误差。由图3.2可知系统的信号滤波处理得也不是很完善，这样会给A/D采样带来误差。并且+5V供电使用的是LM7805，其热损耗比较大。要解决这些问题，进一步提升效率，就需要采用高端的处理器，如DSP、FPGA、430低功耗系列单片机等，优化DC-DC转换电路，加强系统各信号处的滤波处理。从整体效果来看，本设计基本上满足设计指标。5 总结对于太阳能电池板转换效率低的问题，采用MPPT（最大功率跟踪）技术来提高太阳能电池板的利用率。在利用同样的参数的太阳能电池板，对带MPPT控制器与不带MPPT控制器的输出功率进行比较，在整个设计工作中做了大量的测试，采集了输出电压、电流并且制作多张图表，从整体上看，能够提高20%左右的效率。从整个系统分析来看，效率不高的主要原因有几点：1、系统的功耗相对比较高，这主要体现在LM7805供电模块，以热损耗形式消耗；2、系统MCU选取不是很恰当，STC89C52RC虽说有较大的存储能力，但是其处理的速度还是比较慢，导致跟踪的速度低，有时候并没跟踪到最大功率点；3、环境影响，太阳能电池板不是每时每刻都以最佳位置接收太阳光。综合上述几点原因，MPPT控制器还可以做进一步改进。如：采用低功耗的DC-DC转换芯片，选取DSP等高速MCU替代51单片机，控制太阳能电池板旋转，使得其以最佳位置接收太阳光。在考虑方案改进的同时，系统成本也应该作为参考，思想紧跟产品推广规则。以设计实用性产品为最终目的。通过本次设计，巩固了自己的专业知识，同时也学到了新的知识。刚开始是抱着忐忑的心理选取了这个课题设计，心里没谱，总以为这个课题会很难。但是在看了几天有关方面的资料之后，对课题的整体思路以及方向有了理解。然后根据思路进行相关的试验，主要对象是场效应MOSFET开关管。之前有过这方面的电路设计，但出现的问题较多，主要是导通条件和应用场合需要注意。开关管通过验证后，才设计了系统的转换电路部分，控制部分用的是之前做了的51单片机控制板。上面包括A/D、D/A、液晶显示、串口等模块，足以满足系统要求。接下来就是程序的编写、调试，最后在系统软硬件结合调试时，又做了很多测试，主要目的是降低系统采样的误差。通过硬件测试，然后在程序中进行修正。总的来说，本次设计的任务还是圆满完成了，自己各方面的能力都得到了锻炼、提升，也展示了自己的专业技能以及学术技能，为即将毕业进入社会奠定了基础。参考文献1 NXP（恩智浦）.MPPTDatasheet.2 TI（德州仪器）.SM72442Datasheet.3 NXP（恩智浦）.MPT612Datasheet.4 潘永雄，沙河.电子线路CAD实用教程（第三版）M.西安：电子科技大学出版社，2007：1-13.5 International Rectifier.IRFZ48NDatasheet. 2013-5-8.6 TI（德州仪器）.TLC2543Datasheet. 2013-5-8. 7 Allegro. ACS712Datasheet. 2013-5-8.8 李文兴，李亭，冯志伟.光伏电池最大功率点跟踪J.应用科技,2010,37（6）：2-3.9 候聪玲.太阳能最大功率跟踪研究J.现代商贸工业，2008，20（3）：1-2.10 TI（德州仪器）.LM7805CDatasheet.11 谭浩强.C语言程序设计（第三版）M.北京：清华大学出版社，2005：155-199.致 谢