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太阳能赛车峰值功率跟踪器的规划

作者:w66利来国际老牌时间:2018-10-30 07:26浏览:

  太阳能赛车峰值功率跟踪器的规划

  摘要:峰值功率盯梢器(MPPT)的功用是进步太阳能电池的输出功率,使太阳能发电体系作业在最大输出功率点。介绍了用于清华大学追日号太阳能电动赛车的MPPT的根本组成和操控战略。该MPPT选用Buck DC/DC改换器,将Philips公司的80C552微处理器作为MPPT的中心操控单元(ECU),运用穷举法和成功失利法两种直接优化办法对太阳能电池阵列最大功率点完成盯梢。

  关键词:太阳能电池 太阳能车 MPPT

  太阳能赛车是运用太阳能电池发电驱动的电动车。太阳能电动赛车的电器体系根本结构如图1所示。 MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率盯梢器,是太阳能电池发电体系中的重要部件。众所周知,在断定的外部条件下,跟着负载的改动,太阳能电池阵列输出功率也会改动,可是存在一个最大功率点Pm以及与最大功率点相对应的电压UMp和电流IMD。当作业环境改动时,特别是日光照度和环境温度改动时,太阳能电池阵列的输出特性曲线也随之改动,与之相对应的最大功率点也随之改动,如图2所示。一般来讲,太阳能电池输出特性曲线的改动与日光照度的改动是成份额的[1]。但在实践运用中,日光照度的改动再加上作业温度的改动,使得太阳能电池输出特性的改动很杂乱。

  在太阳能发电体系中没有选用MPPT,而是直接把太阳能电池阵列与蓄电池并联作业时,由于阵列的输出状况遭到电池、电机作业状况的束缚,输出功率往往不在阵列的最大功率点。MPPT的作用是使太阳能电池阵列作业在最大输出功率点。它是高功率的DC/DC改换器,相当于太阳能电池输出端的阻抗改换器。MPPT是太阳能车、太阳能发电体系、太阳能水泵上常用的功率进步部件。MPPT能使太阳能电池阵列的输出功率添加约15%~36%[2]。

  1 太阳能赛车的MPPT方案规划

  本文所述MPPT是为清华大学追日号太阳能赛车研发的。追日号太阳能赛车的太阳能电池阵列总面积为6.67m2,最大输出功率为825W,开路电压在160V~170V之间,根据太阳能电池阵列输出特性实验,得到阵列最大功率点电压在129.6V~137.7V之间。由此断定蓄电池组由10个12V/20Ah(5小时放电率)的铅酸蓄电池串联组成,额外电压为120V,作业电压在120V~140V之间。蓄电池作业电压在太阳能电池阵列的最大功率点电压邻近。 MPPT要完成太阳能电池作业电压到蓄电池电压改换,其自身是需求耗费能量的;一起MPPT运用在追日号太阳能车上,它的分量将添加整车功率的耗费。假如MPPT的改换功率过低,运用MPPT所取得的太阳能电池阵列输出功率的添加有可能被MPPT自身耗费掉,乃至起反作用。在作业中,由于日光照度、温度等的改动,太阳能电池阵列的最大功率点(MPP)将随作业环境的改动而时间改动着,MPPT有必要随时监测阵列输出状况的改动,根据智能的操控战略判别最大功率点的方位,调整阵列的作业电压盯梢最大功率点电压,由此完成MPPT的功用。因而,MPPT不只是一个高功率的DC/DC改换器,更是一个智能的操控体系。
 

  1.1 MPPT的硬件规划

  MPPT的硬件包含MPPT主回路、微处理器、信号调度电路、PWM驱动电路、电源、通讯接口等六个部分。其硬件结构如图3所示。 MPPT的电压改换器选用Buck DC/DC改换器,以MOTOROLA场效应管作为电子开关器材;选用PWM操控办法,作业频率为16kHz。由上述的太阳能电池阵列电压与蓄电池电压可知,MPPT的Buck DC/DC改换器的降压比在0.6~1.0之间。在这个降压比范围内,MPPT的改换功率在86%~99%之间。 由于选用了Buck DC/DC改换器,在太阳能电池阵列的作业电压高于蓄电池电压的状况下,经过调整BuckDC/DC改换器的占空比即可改动太阳能电池阵列的作业电压[3]。MPPT的Buck DC/DC改换器的电感上L=4mH,临界负载电流Iok为: Iok=(Vout/2Lf)/(1-D) IokD=0.7=120V/(2%26;#215;4mH%26;#215;13kHz)(1-0.7)≈0.35A 当电流I>0.35A、占空比D>0.7时,

  在场效应管开关的一个周期内,电感的电流是接连的,则Buck DC/DC改换器的降压比等于PWM操控信号的占空比。所以MPPT的操控战略是经过调整PWM的占空比D来调整Buck DC/DC改换器的降压比,以到达调整太阳能电池阵列作业电压为最大功率点(MPP)电压的意图。 MPPT微处理器的作业进程是:首要收集MPPT主回路的电压及电流信号,然后根据最大功率点盯梢战略判别最大功率点的方位,断定PWM信号占空比D的值,最终输出PWM信号给驱动电路。微处理器是MPPT的操控中心,这儿选用飞利浦80C552单片机来完成MPPT的操控。并且微处理器能够经过RS232接口与PC机衔接,完成MPPT和PC机之间信息的交流。 在信号调度电路部分,规划了线性光耦电路来完成信号的阻隔与扩展,以确保微处理器部分免受搅扰。

  1.2 MPPT的软件规划

  MPPT的软件选用模块化结构,包含初始化、采样、穷举法盯梢、成功失利法盯梢、PWM输出、串口通讯等模块。体系程序流程图如图4所示。

  MPPT最大功率点的盯梢程序分为穷举法和成功失利法两种,MPPT根据太阳能车不同的运转状况,别离调用这两种最大功率点盯梢程序,以完成MPPT的功用。

  2 MPPT最大功率点盯梢战略

  由于光电改换进程的物理方程难以在实践运用中精确获取参数,一起太阳能电池阵列的作业条件是不断改动着的,因而太阳能电池阵列的输出特性方程在太阳能车的运用中成为一个存在极大值的束缚不断定方程。因而MPPT的最优化问题选用直接查找法求取。

  
MPPT的盯梢战略为:首要,在发动或重启的时分选用穷举办法进行大局寻优,找到当时最大功率点;然后,在今后的作业进程中选用成功失利法动态盯梢最大功率点。穷举办法,即在D=[0,1]范围内以必定步长查找取得最大功率的Dmax,则能够为与最大功率点相对应的最优占空比D在Dmax邻近。Dmax将作为成功失利法的起点。穷举法的意图是在大局范围内敏捷找到最大功率点,穷举法运用于太阳能车发动和体系重启这两个体系对最大功率点彻底不知道的状况。其间包含太阳能车进入暗影、电池阵列被遮挡等光照状况发作较大改动以及司机人为重新发动体系等状况。 成功失利法的根本思想是每一次查找都改动步长,若第k次查找中沿某一方向查找成功,则阵列输出功率增大,那么第k+1次则仍沿这一方向查找,并可扩展步长;若第k次查找失利,则第k+1次应沿反方向查找,并缩小步长[4]。在穷举法找到大局最优的基础上,成功失利法的步长将能够设为较小值,有利于赶快找到最大功率点。

  3 MPPT的实验研讨

  为验证MPPT的作业作用,选用LabVIEW软件并结合PC-1216-K3信号收集板建立的丈量体系,检测追日号太阳能车发电体系在参加MPPT之前与参加MPPT之后体系各环节的电压、电流值,并计算出相应的功率。经过这些数据曲线便能够看出MPPT对太阳能发电体系功用的改进。

  追日号太阳能车发电体系在没有MPPT状况下的输出电压、功率曲线如图5所示。 能够看到,阵列的均匀输出功率约为125W,作业电压约为117V。在参加了MPPT之后,太阳能电池阵列的发电输出功率有了显着的进步,其输出曲线如图6所示。

  由图6能够看出, 太阳能电池的输出功率约为170W,有了显着的进步。单从太阳能电池阵列的视点来看,其发电功率进步了约40W,增幅约为36%。可是从太阳能电池发电体系的构成来看,在体系中添加了MPPT,其自身也要耗费一部分功率。经过MPPT后的输出功率才是真实有用的功率,其输出曲线如图7所示。 图6、图7中前76个数据点是穷举法大局寻优的进程,在找出大局最大功率点后,选用成功失利法盯梢最大功率点。可见,最大功率点的盯梢进程是动态的。均匀来看,穷举法与成功失利法得到的最大功率点有一细小距离,可是整体来看,成功失利法取得的最优值一向挨近最大功率点。尽管穷举法在开始的寻优进程不在最大功率点邻近,可是整个穷举法寻优进程只要3.8s,并且很快到达最大功率点邻近,因而穷举法的开始寻优进程对阵列输出功率形成的丢失是有限的。整体来看,太阳能电池阵列经过MPPT的均匀输出功率约为145W,阵列作业电压维持在132V左右。值得注意的是,MPPT在作业进程中的改换功率没有到达抱负的99%,其原因有:在MPPT的作业进程中,成功失利法一向处于寻优进程,MPPT也一向处于动态的调整进程中;在成功失利法寻优进程中,有时会调整MPPT进入改换功率相对较低的作业区域。这也阐明操控战略是MPFF的重要组成部分,操控战略能够影响MPPT的作业作用。要想进一步进步MPPT体系的改换功率,需求对整个寻优算法及操控进程进行优化。 由图5能够看出,没有MPPT的太阳能电池发电体系的均匀输出功率约为125W,这个功率显着低于MPFF的输出功率:145W(最大功率点)。这与蓄电池电压只要117V左右有联系,由于蓄电池电压过低,使太阳能电池阵列作业电压远离最大功率点电压。 比照两个实验,MPPT使太阳能发电体系的输出功率添加了20W,增幅为16%,MPPT完成了盯梢最大功率的功用。MPPT的运用作用是比较显著的,这也阐明晰MPPT在太阳能电池发电体系中起着重要作用。当然作者所做的作业与国外的先进水平比较还有必定距离,还有许多地方需求改进与优化。

  经过在太阳能电动赛车上运用MPPT,并测验不同的操控算法,使得太阳能电池发电体系的输出功率进步了约16%,太附能赛车的行进功用得到了改进。太阳能电池MPPT的运用不只局限于太阳能赛车,还能够更广泛地运用于其它太阳能发电体系,有用地进步太阳能发电体系的输出功率。当然,MPPT在太阳能发电体系中所起作用的巨细不只与操控算法有关,还与主回路的作业功率有很大的联系,假如主回路的改换功率不高,再好的操控算法也不能有用地进步太阳能发电体系的输出功率。

  (修改:xiaoyao)

  

   太阳能电池太阳能车MPPT

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