太陽(yáng)能交通燈畢業(yè)設計--一種基于A(yíng)RM平臺的MPPT跟蹤控制器設計

摘 要

　　交通領(lǐng)域的交通燈等設備，因其室外工作環(huán)境的特殊性，采用光伏供電具有節能環(huán)保、節約成本等優(yōu)勢。尤其是針對輸供電困難的偏遠地區，交通設備采用光伏供電優(yōu)勢顯著(zhù)。光伏供電系統中，光伏最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）控制器是其關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高整個(gè)光伏發(fā)電系統的效率意義重大。本文針對交通燈設備的光伏供電系統特點(diǎn)，設計了一種基于 ARM 平臺的 MPPT 跟蹤控制器。

　　本文分析了光伏電池發(fā)電原理，建立 matlab 仿真模型，研究其對外輸出特性。

　　通過(guò)模型仿真，獲取了電壓-電流與電壓-功率輸出特性曲線(xiàn)，對光伏電池最大功率點(diǎn)追蹤控制的特點(diǎn)進(jìn)行分析與研究。

　　比較分析了各種傳統常用的 MPPT 控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)合等特點(diǎn)。對常規擾動(dòng)法步長(cháng)變化特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出了基于多狀態(tài)變步長(cháng)的擾動(dòng)法，該方法將步長(cháng)變化劃分為五種狀態(tài)，按照一定規律變更步長(cháng)，在 matlab 中建立仿真模型，檢驗了控制算法的有效性。針對負載變換拓撲結構的異同與性能，對常用的 Buck與 Boost 拓撲進(jìn)行對比，分析各自特性與適用特點(diǎn)，最終選取 Boost 拓撲作為負載變換的基礎拓撲結構；制作了 MPPT 控制器。

　　針對交通燈的特殊應用需求，一方面設計了以 Boost 拓撲電路為基礎的主電路，并進(jìn)行了防雷設計、過(guò)電流保護設計等；還設計了驅動(dòng)隔離模塊、監控模塊、電壓與電流參數采樣等模塊；特別是設計了自恢復過(guò)流保護電路與輔助電源監控電路，減少一般故障下的維護負擔與人為干預。編寫(xiě)軟件代碼并調試，主要包括系統初始化、PWM 生成模塊、AD 轉換模塊，同時(shí)設計了看門(mén)狗軟件保護程序，采集系統關(guān)鍵測試點(diǎn)參數進(jìn)行分析。

　　最后，進(jìn)行驗證實(shí)驗，將光照從某一量級階躍變換為另一量級，同時(shí)設置對比實(shí)驗，采集一般擾動(dòng)法與優(yōu)化后的擾動(dòng)法的控制結果，觀(guān)察此時(shí)系統的電壓輸出、電流輸出等參數，對實(shí)驗采集數據進(jìn)行歸納整理分析。結果表明：基于多狀態(tài)的變步長(cháng)擾動(dòng)控制可以快速識別追蹤功率最大點(diǎn)異常變動(dòng)，響應外界條件變化速度快，控制精度高，抵御外界干擾能力強，證明本控制方案設計的正確性和有效性。

　　關(guān)鍵詞：光伏電池，最大功率點(diǎn)追蹤控制，數學(xué)建模，驗證實(shí)驗

abstract

　　Because of the particularity of the outdoor working environment, the photovoltaic power supply has the advantages of energy conservation, environmental protection and cost saving. Especially for the remote areas where power transmission and supply are difficult, photovoltaic power supply has a significant advantage. In the photovoltaic power supply system, the MPPT controller is one of its key technologies, which is of great significance to improve the efficiency of the whole photovoltaic power generation system. According to the characteristics of photovoltaic power supply system of traffic light equipment, this paper designs a MPPT tracking controller based on ARM platform.

　　This paper analyzes the principle of photovoltaic power generation, establishes matlab simulation model, and studies its external output characteristics.

　　Through the model simulation, the voltage current and voltage power output characteristic curves are obtained, and the characteristics of the maximum power point tracking control of photovoltaic cells are analyzed and studied.

　　The advantages and disadvantages of various traditional MPPT control algorithms are compared and analyzed. This paper studies the step change characteristics of the conventional disturbance method, and puts forward the disturbance method based on the multi-state variable step. The method pides the step change into five states, changes the step according to a certain rule, establishes a simulation model in MATLAB, and verifies the effectiveness of the control algorithm. According to the difference and performance of load transformation topology, this paper compares the commonly used buck and boost topology, analyzes their characteristics and applicable characteristics, and finally selects boost topology as the basic topology of load transformation, and makes MPPT controller.

　　According to the special application requirements of traffic lights, on the one hand, we designed boost The main circuit based on topology circuit is designed with lightning protection and over-current protection; the driving isolation module, monitoring module, voltage and current parameter sampling module are also designed; especially the self recovery over-current protection circuit and auxiliary power supply monitoring circuit are designed to reduce the maintenance burden and human intervention under general faults. Write software code and debug, mainly including system initialization, PWM generation module, AD conversion module. At the same time, design watchdog software protection program, collect key test point parameters of the system for analysis.

　　Finally, a verification experiment is carried out to change the illumination from one level step to another. At the same time, a comparative experiment is set up to collect the control results of the general disturbance method and the optimized disturbance method, observe the voltage output, current output and other parameters of the system at this time, and summarize and analyze the experimental data. The results show that the variable step size disturbance control based on multi-state can quickly identify the abnormal change of maximum power point, respond to the change of external conditions quickly, control accuracy is high, and resist external interference ability is strong, which proves the correctness and effectiveness of the control scheme design.

　　Key words: photovoltaic cell, maximum power point tracking control, mathematical modeling, verification experiment

目 錄

　　第一章 緒論

　　1.1 研究的背景與意義

　　依照人類(lèi)社會(huì )目前對化石能源的消耗速度計算，當前煤炭?jì)α恐荒芫S持未來(lái)全世界能源 200 年消耗，天然氣只夠維持 80 年，同時(shí)煤炭、石油等自然資源的開(kāi)采難度提高，成本逐年上升。更嚴重的是化石能源在消耗過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生碳化物、硫化物等環(huán)境污染物質(zhì)，進(jìn)而引起溫室效應、酸雨、糧食減產(chǎn)等一系列全球性或局部性環(huán)境污染問(wèn)題。特別是我國 2000 年以后環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，珠三角地區霧霾天氣數則超過(guò)了 1/3,北京上海地區霧霾天氣比例持續在 50%左右，中國大陸內 70%的糧食主產(chǎn)區減產(chǎn) 5%-30%,數十萬(wàn)人飽受氣管炎等慢性疾病折磨，而在污染嚴重的京津冀地區主要污染物來(lái)源分別為煤 34%,機動(dòng)車(chē) 16%,工業(yè) 15%,由此可見(jiàn)化石能源在服務(wù)人類(lèi)社會(huì )的同時(shí)也在不斷產(chǎn)生危害，因此人們將目光聚焦到清潔環(huán)保的光伏能、核子能等新型能源。[1-2]

　　太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等新能源愈加受到人們的廣泛重視，這類(lèi)新能源具有清潔環(huán)保、儲藏量大等優(yōu)點(diǎn)，但是又各自在安全性、分布區域等方面受到推廣利用的限制。其中太陽(yáng)能作為一種清潔環(huán)保的可再生能源越來(lái)越受到人們的重視，在分布范圍、環(huán)境保護、可再生特性、經(jīng)濟性上與化石能源對比如下表。

　　從上表的對比中可獲知太陽(yáng)能具有明顯的易獲取、無(wú)污染、可再生等優(yōu)勢。

　　因此，各國政府從政策制度扶持方面，研究者從技術(shù)轉化方面，企業(yè)從生產(chǎn)制造方面，對太陽(yáng)能光伏發(fā)電給予極高關(guān)注和投入。美國 1997 年通過(guò)制定"Milion SolarRoofs Initiative"計劃積極推動(dòng)太陽(yáng)能進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，并通過(guò)減免光伏企業(yè)稅收的方式鼓勵企業(yè)投入太陽(yáng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；德國 2004 年制定實(shí)施《可再生能源法案》與相關(guān)政策促進(jìn)了德國太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用市場(chǎng)的發(fā)展；我國 2000 年時(shí)提出了"光明項目",計劃為偏遠居民區、邊防哨所、通信設備提供光伏供電。[3]

　　隨著(zhù)近年來(lái)對光伏發(fā)電的研究和投入，光伏發(fā)電得到較大程度推廣利用，但是光電轉換效率低下一直是限制太陽(yáng)能普及利用和提高經(jīng)濟性的瓶頸。近年德國Fraunhofer 學(xué)院太陽(yáng)能研究實(shí)驗室于 454 倍聚光功率下，將光電能轉換的效率達到 41.1%的國際一流水平[4],但是受限于光伏電池的理論認識、技術(shù)研究、工藝實(shí)現等短期內無(wú)法獲得突破進(jìn)展，實(shí)踐工程應用中太陽(yáng)能模板光電轉換效率最高僅僅為 20%左右，科技工作者紛紛把目光轉向如何實(shí)現光伏發(fā)電系統的最大功率輸出的課題上。

　　由于光伏電池電氣特性的特殊性，需要對光伏電池采取負載匹配、限壓、限流等多項措施，確保太陽(yáng)能電池始終在不同溫度和光照等工況條件下，盡可能工作于輸出最大功率狀態(tài)，稱(chēng)此為光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）。

　　在交通應用領(lǐng)域，我國的公路里程在 2010 年已經(jīng)超過(guò) 400 萬(wàn)公里，并以每年至少 5 萬(wàn)公里的速度增長(cháng)，與此同時(shí)，太陽(yáng)能照明路燈、太陽(yáng)能交通信號燈、偏遠地區的隧道通風(fēng)照明，高速公路應急通信，甚至高速公路電動(dòng)汽車(chē)的充電樁部分開(kāi)始采用更加節能太陽(yáng)能光伏供電系統。交通領(lǐng)域采用光伏供電系統優(yōu)勢顯著(zhù)，首先交通設施一般地域分布范圍廣，一般采用專(zhuān)用傳輸線(xiàn)路為其供配電，造成一定程度的資源浪費，經(jīng)濟性差；另一方面部分偏遠地區供配電線(xiàn)路架設困難，維護難度高，而城市地區則本來(lái)電力供應緊張，特別是夏季用電高高峰期，采用光伏供電為交通設施供電能夠有效緩解用電緊張。因此采用光伏發(fā)電系統為交通燈設備供具有電經(jīng)濟性好、成本低、節能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。本文研究背景即為太陽(yáng)能供電的交通燈設計一個(gè) MPPT 控制器，使交通信號燈光伏供電系統于不同工況條件下均能獲得最大輸出功率，保證系統的最大輸出效率。[5]

　　1.2 國內外光伏發(fā)電控制器研究現狀

　　在光伏發(fā)電的控制技術(shù)領(lǐng)域，國內研究者主要從兩方面對光伏發(fā)電控制器展開(kāi)研究，一方面集中在專(zhuān)用 MPPT 控制芯片的研究，另一方面集中在控制算法上的研究。眾多國內外知名 IC 芯片廠(chǎng)商、研究機構相繼推出了光伏發(fā)電控制芯片，或提出諸多控制算法，極大地促進(jìn)了光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步。

　　1.2.1 國外研究現狀

　　國外諸多知名 IC 芯片公司積極參基于 MPPT 控制的芯片研發(fā)設計，特別是對內嵌 MPPT 功能的專(zhuān)用集成芯片的研究。MPT612 即為 NXP 公司推出的專(zhuān)門(mén)針對光伏發(fā)電應用的低功耗集成電路，可實(shí)現其輸出電壓電流檢測，內置 MPPT 專(zhuān)利保護算法，可根據檢測到的電壓電流進(jìn)行 PWM 脈沖自動(dòng)調整，同時(shí)可根據客戶(hù)需要定制蓄電池充電控制和保護模塊，僅需要擴展數個(gè)分立元件即可實(shí)現MPPT 跟蹤控制。美國 NS 公司近年研發(fā)出兩款靈活方便的可編程 MPPT 控制器，即為 SM72441 和 SM72442,同時(shí)集成了電壓電流故障診斷，添加了外設擴展接口，靈活性強，應用方便[6]. 在 MPPT 控制算法的理論研究方面，國外研究者起步早且成果頗多，國外研究者相繼提出了諸如擾動(dòng)法、恒壓法、開(kāi)路電壓法等，這些方法在工程中應用較多。近年來(lái)隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，提出了控制精度高且算法復雜度高的滑模變構算法、Artificial Neural Networks、遺傳算法等現代智能仿生算法[7-8].BogdanM.Wilamowski 等人研究了基于模糊系統的 MPPT 控制法，通過(guò)驗證，取得了較好的控制效果。[9]Mummadi Veerachary 等人研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )與模糊控制相結合的 MPPT 控制方法，通過(guò)仿真實(shí)驗證明能夠較快地尋找到光伏電池最大功率點(diǎn)，并在最大功率點(diǎn)處穩定工作，獲得了良好的控制效果[10].此類(lèi)智能算法在模型仿真中精度較高，但是在實(shí)踐應用中存在算法復雜實(shí)現困難，硬件處理芯片無(wú)法滿(mǎn)足計算要求等缺點(diǎn)，因此多處于實(shí)驗室的理論研究階段，未能在實(shí)踐工程應用中獲得推廣應用。[11]

　　1.2.2 國內研究現狀

　　國內關(guān)于 MPPT 技術(shù)的研究，由于受制于整體高端芯片設計制造的發(fā)展不足，鮮有公司推出帶有 MPPT 控制算法的集成芯片。上海如韻電子推出的專(zhuān)門(mén)針對光伏供電系統的 CN38 鋰電池管理芯片，內置 MPPT 算法，但是主要功能側重于對鋰電池的不同充電階段進(jìn)行控制管理和保護。另一方面相對于集成芯片設計技術(shù)門(mén)檻高且投入大的研發(fā)方式，國內采用分離功率元件與通用 MCU 控制芯片相結合的低成本方式設計的 MPPT 控制器應用較為廣泛。此方式對算法要求靈活性高，可根據應用范圍場(chǎng)合，性能指標要求，靈活調整軟件算法設計以及硬件設計。武漢萬(wàn)鵬科技有限公司推出的 SL1024 系列的專(zhuān)門(mén)針對太陽(yáng)能路燈設計的 MPPT 控制器，集成了 MPPT 控制算法，鋰電池充放電控制算法。深圳市愛(ài)龐德電子有限公司近年也推出了 SMART 系列太陽(yáng)能鋰電池充點(diǎn)電控制器，內置 DSP 算法處理芯片為 TI 公司的 2803 芯片，具有實(shí)時(shí)性好、精度高、適應性強的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)國內部分大學(xué)相繼建立太陽(yáng)能 MPPT 控制器實(shí)驗平臺，2003 年清華大學(xué)使用一級MPPT 算法設計了太陽(yáng)能照明控制器，該控制器能夠實(shí)現工作狀態(tài)的穩定切換和蓄電池電量的智能管理，獲得較好的控制效果。2005 年中山大學(xué)太陽(yáng)能研究所設計出一種太陽(yáng)能路燈控制器，具有對蓄電池充電過(guò)程監控，過(guò)充電保護和 LED 亮度調節功能。[12]

　　國內研究者對 MPPT 算法研究也取得了一些進(jìn)展，鄭州大學(xué)的朱煒?shù)h提出了一種滯環(huán)比較法實(shí)現 MPPT 控制功能，與一般爬山法對比，優(yōu)化后的算法可以快速識別最大功率點(diǎn)的變化，抗干擾能力強，能夠有效避免在最大功率點(diǎn)左右，由于外界條件干擾引起整個(gè)系統震蕩的功率損耗。[13]山東大學(xué)的王松設計一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的 MPPT 算法，實(shí)現最大功率點(diǎn)識別與判斷，結合負載非線(xiàn)性的特殊性設計一種有源濾波器，有效調整和優(yōu)化了輸出電能的功率因數。[14]中南大學(xué)董密等人提出了光伏系統的零均值電導增量的 MPPT 控制，該方法不依賴(lài)于系統的數學(xué)模型，魯棒性強，能夠有效抑制目標功率點(diǎn)附近的波動(dòng)。[15]

　　總體而言，國內在 MPPT 技術(shù)研究領(lǐng)域，無(wú)論在實(shí)現技術(shù)或是算法研究上都正在努力趕超國際水平，隨著(zhù)國家從體制層面的扶持，人們對光伏這種新清潔能源的重視，越來(lái)越多的科技公司和研究機構都將目光轉移到光伏產(chǎn)業(yè)上，勢必更加促進(jìn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得我國在光伏研究與推廣領(lǐng)域都能具有世界領(lǐng)先水平。

　　1.3 論文的研究重點(diǎn)和結構安排

　　1.3.1 研究重點(diǎn)和創(chuàng )新點(diǎn)

　　本文的研究重點(diǎn)在以下三個(gè)方面。

　　1. 對光伏電池 MPPT 技術(shù)的常用恒壓控制、干擾觀(guān)察法、電導增量法等控制方法分析與比較優(yōu)劣，針對本課題的控制系統性能要求對算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出一種適合于本系統的控制算法并進(jìn)行建模仿真，檢驗控制算法的有效性和可行性。

　　2. 對光伏電池控制器的常用的 Boost 和 Buck 等 DC/DC 電路拓撲結構進(jìn)行對比分析，根據交通燈等設備的適用場(chǎng)合和性能需求，選擇最為適合本控制系統的拓撲結構，并根據本控制系統的性能指標需求，設計隔離驅動(dòng)電路，電壓電流采樣電路，安全監控電路，設計相關(guān)硬件電路參數，為 MPPT 控制實(shí)現提供硬件基礎。

　　3. 在 ARM 開(kāi)發(fā)平臺下，根據控制算法編制程序代碼，并進(jìn)行程序編譯、燒寫(xiě)、調試、修改等工作，確保光伏控制器的控制精度符合要求，安全穩定工作。

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)集中在以下兩個(gè)方面：

　　1. 本文中需要根據在分析比較了傳統擾動(dòng)法的基礎上，根據光伏電池功率變化的特點(diǎn)分析重新設計了一種多狀態(tài)變步長(cháng)的擾動(dòng)控制法，該控制方法能夠根據光伏電池的過(guò)去功率、電壓、步長(cháng)變化等狀態(tài)量，并對當前所處狀態(tài)進(jìn)行分析識別，動(dòng)態(tài)調節步長(cháng)變化，進(jìn)而達到動(dòng)態(tài)追蹤最大功率點(diǎn)的目的。

　　2. 本文涉及的光伏最大功率點(diǎn)控制器是針對交通燈供電設計，工作環(huán)境惡劣，具有一定的特殊性，為提高光伏電池的工作穩定性，本文中在電路結構中設計了帶有自恢復功能的過(guò)流保護電路，系統輔助電源監控電路，同時(shí)在主電路中設計了啟動(dòng)電流限制電阻，防止雷擊的突波吸收器，增強了系統工作的無(wú)人值守和抵御外界干擾的能力。

　　1.3.2 結構安排

　　本文共分第一章緒論，第二章最大功率點(diǎn)追蹤控制策略的實(shí)驗探究與優(yōu)化，第三章 MPPT 控制器電路設計，第四章軟件控制程序設計，第五章系統調試和結果分析，第六章結論和展望等七個(gè)主要章節。

　　第一章：主要闡述本文研究的背景和意義，說(shuō)明當前國內外在 MPPT 控制技術(shù)研究的重點(diǎn)熱點(diǎn)問(wèn)題，列舉了一些當前該領(lǐng)域技術(shù)前沿的進(jìn)展，當前在工程實(shí)踐中主要應用的技術(shù)手段，對該課題前期著(zhù)手點(diǎn)和后期的研究努力方向提供了一些借鑒和指導。

　　第二章：研究了光伏電池的原理與等效電路模型，并在 matlab 中建立仿真模型，對其輸出特性進(jìn)行研究；對當前的光伏電池功率變換領(lǐng)域常用的 Boost 和 Buck兩種最基本的拓撲結構在器件應力、效率等指標上進(jìn)行了對比分析；根據對常用控制算法的研究提出了一種新的 MPPT 控制算法，建立了優(yōu)化后的追蹤算法的matlab/simulink 模型，進(jìn)行仿真、對比、優(yōu)化后，為 MPPT 控制器的設計提供理論支撐。

　　第三章：對 MPPT 控制器的實(shí)現阻抗變換的主電路進(jìn)行設計分析，確定了設計原則，綜合考慮了防雷過(guò)電壓設計，過(guò)電流保護等安全防護措施，根據性能參數需求設計了各個(gè)元器件的開(kāi)關(guān)應力參數；根據本課題的需求設計了滿(mǎn)足控制要求的控制電路、隔離驅動(dòng)電路，電壓電流采集電路，電壓保護電路，系統輔助電源監控電路，確保系統安全穩定可靠工作。

　　第四章：根據前述算法分析優(yōu)化，在 ARM 平臺下編制對應的程序代碼，包括主程序代碼，AD 轉換代碼，PWM 生成代碼，確保程序穩定性的看門(mén)狗設計，繪制出程序的流程圖，列舉了程序設計過(guò)程中的注意事項和部分程序漏洞的修復。

　　第五章：根據以上設計，將整個(gè)系統進(jìn)行聯(lián)合調試，根據調試結果進(jìn)行相應的軟件和硬件優(yōu)化調整，觀(guān)察和分析測試結果，核查各項性能指標是否滿(mǎn)足設計需求；對實(shí)驗結果進(jìn)行分析說(shuō)明。

　　第六章：總結全文的工作，闡明本課題下一步的研究工作方向，為以后的研究指明了目標和方向。

　　1.4 本章小結

　　本章闡述了本文的研究背景和意義，回顧了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的 MPPT 技術(shù)的國內外發(fā)展現狀，對本文的結構安排進(jìn)行了說(shuō)明，特別是點(diǎn)明本文研究重點(diǎn)和創(chuàng )新點(diǎn)。

　　第二章 最大功率點(diǎn)的跟蹤控制策略
　　2.1 等效電路模型與輸出特性
　　2.1.1 光伏電池原理
　　2.1.2 光伏電池等效電路模型
　　2.1.3 光伏電池的 matlab 模型建立
　　2.2 常用 MPPT 控制算法的分析
　　2.3 負載變換拓撲分析比較和選擇
　　2.4 多狀態(tài)擾動(dòng) MPPT 控制算法
　　2.3.1 多狀態(tài)變步長(cháng)擾動(dòng)法的理論基礎
　　2.3.2 多狀態(tài)變步長(cháng)擾動(dòng)法的控制原理
　　2.3.3 Boost 功率拓撲傳輸特性分析與建模
　　2.3.4 多狀態(tài)變步長(cháng)擾動(dòng)控制算法建模
　　2.3.5 仿真實(shí)驗結果分析
　　2.5 本章小結

　　第三章 MPPT 控制器電路設計
　　3.1 太陽(yáng)能交通燈的 MPPT 控制器整體方案
　　3.2 主電路設計
　　3.3 控制與驅動(dòng)隔離電路
　　3.4 監控保護模塊
　　3.4.1 自恢復保護模塊
　　3.4.2 系統輔助電源監控電路
　　3.4.3 主電路欠壓保護
　　3.5 數據采集電路模塊
　　3.5.1 電壓參數采集模塊
　　3.5.2 電流參數采集模塊
　　3.6 本章小結

　　第四章 程序軟件設計與調試
　　4.1 開(kāi)發(fā)平臺的搭建說(shuō)明
　　4.2 程序控制策略流程
　　4.2.1 MCU 系統初始化
　　4.2.2 AD 轉換
　　4.2.3 PWM 控制脈沖生成
　　4.2.4 軟件看門(mén)狗設計
　　4.3 控制器調試
　　4.3.1 通電前檢查和通電測試
　　4.3.2 系統關(guān)鍵參數測試結果分析
　　4.4 本章小結

　　第五章 系統測試和結果分析
　　5.1 系統聯(lián)合測試
　　5.2 實(shí)驗結果數據分析

　　第六章 結論與展望

　　6.1 結論

　　隨著(zhù)人們對新能源特別是太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和普及，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì )在交通領(lǐng)域獲得更加廣泛和深入的應用，本課題根據需要設計了一種為交通信號燈供電的太陽(yáng)能光伏電池 MPPT 控制器，該控制器能夠實(shí)現光伏電池隨外部條件下跟蹤其最大功率點(diǎn)變化，從而實(shí)現光伏發(fā)電系統效率的提高，為此本課題研究了 MPPT技術(shù)的控制算法策略和控制電路設計實(shí)現，現將本文中所做的工作和成果總結如下：

　　（1）首先根據前期文獻調查研究和實(shí)驗的基礎上，研究了光伏電池的工作原理，在 matlab 中建立對應等效電路模型實(shí)驗，研究了其對外輸出功率特性，為下一步對光伏電池的研究奠定基礎性理論支撐。

　　（2）在前階段研究基礎上，對當前傳統的光伏電池的 MPPT 控制策略進(jìn)行比較分析，并從軟件算法和功率變換拓撲結構兩方面進(jìn)行比較分析，在選取最優(yōu)的電路拓撲后對控制算法進(jìn)行優(yōu)化，提出一種基于多狀態(tài)擾動(dòng)法的控制算法，并在matlab/Simulink 中進(jìn)行仿真實(shí)驗，確認了本文提出控制算法的正確性、優(yōu)越性。

　　（3）在選定功率變換拓撲結構的基礎上，本課題在 Altium Designer 中設計了控制器的硬件主電路，包括 MCU 控制器的選擇與介紹，同時(shí)設計了驅動(dòng)隔離電路確保開(kāi)關(guān)管的可靠導通和關(guān)斷，設計了帶有延時(shí)自恢復功能的電流保護電路，設計了電壓采集電路，電流采集電路，系統電源監控電路，以上設計確保了控制器能夠穩定可靠工作，最后進(jìn)行了 PCBlayout 設計。

　　（4）在 ARM 平臺控制器的基礎上，在 KEIL 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行了軟件 C 代碼編寫(xiě)，尤其是選定的 MPPT 控制算法的實(shí)現，是本文工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，此外還包括了設計 DA 轉換模塊，PWM 生成模塊，以及為確保系統工作穩定性的軟件看門(mén)狗設計，便于調試的顯示模塊程序。

　　（5）最后對設計的控制器進(jìn)行各個(gè)模塊的焊接、組裝、調試，以及模擬測試實(shí)驗，并對實(shí)驗結果采集部分關(guān)鍵數據進(jìn)行了分析，驗證了本文設計方案的合理性、有效性、可行性。

　　因此，本文較為圓滿(mǎn)的完成了設計任務(wù)，完成了光伏電池 MPPT 控制器控制策略和硬件電路的驗證、設計、測試等工作。

　　6.2 展望

　　由于本課題在完成過(guò)程中，時(shí)間有限、知識水平限制等原因，還存在諸多不足，特別是系統優(yōu)化方面仍有較多工作需要完成，未來(lái)可以在以下方面進(jìn)行更深層次的探索和研究：

　　1. 經(jīng)過(guò)測試硬件電路中損耗較大，可以從優(yōu)化電路設計參數、選用更為合理的IC 芯片、優(yōu)化 PCB 布局布線(xiàn)設計等幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設計。

　　2. 探索使用 CPLD/FPGA 等處理運算速度等快的處理技術(shù)，運算速度的增加帶來(lái)的直接結果便是 MPPT 控制器的動(dòng)態(tài)響應能力提高，跟蹤能力顯著(zhù)增強，從而實(shí)現光伏供電系統效率的提高。

　　3. 探索使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與局域網(wǎng)實(shí)現的可能，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益普及，zigbee、BLE 等技術(shù)的成熟為太陽(yáng)能交通燈的無(wú)線(xiàn)監控管理提供了技術(shù)保障。相信未來(lái)通過(guò)科技人員的努力，能夠實(shí)現遠程對交通信號燈進(jìn)行監控管理，緊急情況下的遠程調度等。

致謝

　　三年的研究生生活即將結束，當初抱著(zhù)迷茫心態(tài)讀研的我，經(jīng)過(guò)這三年在殷時(shí)蓉老師和劉潮濤老師的教導下，已經(jīng)找到自己未來(lái)努力的方向，無(wú)論在學(xué)術(shù)還是未來(lái)職業(yè)選擇上都比本科畢業(yè)時(shí)有更加提升和明確。這要歸功于帶領(lǐng)自己進(jìn)入電子工程領(lǐng)域的二位老師，并現在仍然指引著(zhù)我在這條道路上走的更加堅定更遠。

　　本論文的完成是對自己三年研究生學(xué)習的一次考核，在此過(guò)程中殷老師和劉老師給出了方向并提供了平臺供我施展發(fā)揮。除了感激，最想做的事情便是做好自己的課題論文，并在未來(lái)的電子行業(yè)工作中，有所成就，有所貢獻。

　　另外，本文的完成還得到了各位同門(mén)師兄弟幫助，于彪、蔣琪、唐翠等一眾師弟師妹協(xié)助完成了本文的實(shí)驗測試、數據收集整理工作，文中翔實(shí)直觀(guān)有效的數據展示離不開(kāi)他們的幫助和辛勤工作，在此以并表示感謝。

　　感謝評閱老師、專(zhuān)家的評閱點(diǎn)評，你們的寶貴意見(jiàn)是我成長(cháng)進(jìn)步的基石。
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