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MPPT研究心得---最近新作发布了。绝对的你想不到。期待吧

  • 2010-03-26 10:04
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  • 大家好,
    这个中间多谢老寿同志的帖子,同样多谢老戴同志,启发颇多。

    刚开始做MPPT时候的很迷茫,其中大家谈理论比较多,实现方案比较少。

    设计MPPT一般使用单片机完成,输出带死区控制的互补PWM不是什么难事,其中实现的软件算法我就不多说。

    现来说说这个电路的优点和缺点,有不正确却的地方,请各位大量斧正。



    1:buck电路;

     

    BUCK电路是现在大家最熟悉的经典降压电路,他有输出功率大,输出汶波低,效率高,很容易就输出几十安,效率一般都可以集中在95左右,驱动也是很容易就可以找到的半桥驱动器,可以胜任,输入电压决定于半桥驱动器的耐压,一般的半桥驱动器频率不是很高。电路简单,MOS并联容易,可以任意并接,达到输出电流要求。


    2:BOOST电路:

     

    BOOST电路,这个大家再熟悉不过的,很多ACPF中都使用这个方式,他的优势就是输入汶波电流小,输出汶波也很小

    效率可以很高98~99左右


    只要电感足够大,工作在CCM模式,电容可以趋近于无形小,电容容量与电感感量选择成反比。

    这个电路可以将频率提升到一个足够高(500K/1M),成本是电路中最低的。



    缺点,这个电路最佳工作点是50%左右,现在一般光板是17.5V(除非可以定制),也就是说,使用很难适配12V系列电池。可以适配除比自己低的电池系统外的任意电压系统规格。

    驱动同上面的BUCK电路相同,上管可以使用二极管替代,这样的驱动可以简单非常多,设计非常容易,

    这个电路是相对效率、成本、DCPF三者结合最优秀的电路。 

    其他雷同,



    3:BOOSTBUCK&BUCKBOOST电路比较



    搞清楚了上面两个电路就非常明白,

    若系统对电压要求是已知的,电池适配电压一定比光板电压高,当然需要选择BOOST,这个最简单,

    系统的光板配置当然也得是并联,设计一个光板并联箱也不是一件难事,两路(N路)过来,经过MOS后连接在一起,

    背的方向对着开关电源。

       

    这样就可以满足要求。功率可以做的很大。














    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-28 10:48

    @

    昨天讲到BOOSTBUCK还是BUCKBOOST电路更合适小功率型MPPT,这里只谈太阳能控制器,挂电池直流独立系统。



    光板模型=电流源模型

     

    电流源。。。。。待续


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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-28 13:12

    @咕叽先生

    昨天讲到BOOSTBUCK还是BUCKBOOST电路更合适小功率型MPPT,这里只谈太阳能控制器,挂电池直流独立系统。



    光板模型=电流源模型

     

    电流源。。。。。待续


    电流源对外输出,电压随负载内阻变化而变化,这样形成的电压在我们这个应用中称为纹波,这个纹波的大小直接决定了光板电能输出的效率,也就是光板发电利用率,这样的话,我们就选择输入电流连续的电源转化电路,这样输入电流波动比较小,形成的VI电压波动就少,

    前级使用BOOST,若电压出现失配,我们就需要使用一级BUCK,



    BOOSTBUCK,有很多种形式,因我们讨论的是小功率型,所以成本非常关键,小功率MPPT,至少节约出来的光板配置费用不会比买一个带MPPT控制器的价钱还少,这样MPPT设计的再完美,一点意义都没有。



    所以我们的设计目标使用两个MOS(还可以使用一个MOS一个二极管来实现),两个线圈,电解等电容的容量足够的小,

    尽量使用低端的单片机,



    配置仅仅如此就可以完成完美的MPPT控制器功能了。



    根据我们的成本目标分析,剩下的电路选择并不是很多了,根据CUK电路设计MPPT,



       

     

    CUK电路的唯一缺点就是负压,我想这个问题难不到各位达人,

    可以使用辅助电源的参考地的参考点来确定输入与输出的电位关系。



    是不是非常简单,

    根据设计测试结果,这个电路在输入10A的条件下(17.5V),效率可以达到92,

    其中电路板的铜箔走线压降损耗很严重(电流太大),大概有2个点,输入电流低效率越高,最高可以再高两个点,

    因CUK工作的脉冲电流非常大,电流平方*电阻,所以。。。。



    因线圈形状选择的因数,导致PCB布板不是很合理,相信再改改电感线圈的形状,器件选择优化一下,再高个1个点不是什么问题。




















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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-28 13:20

    @咕叽先生

    电流源对外输出,电压随负载内阻变化而变化,这样形成的电压在我们这个应用中称为纹波,这个纹波的大小直接决定了光板电能输出的效率,也就是光板发电利用率,这样的话,我们就选择输入电流连续的电源转化电路,这样输入电流波动比较小,形成的VI电压波动就少,

    前级使用BOOST,若电压出现失配,我们就需要使用一级BUCK,



    BOOSTBUCK,有很多种形式,因我们讨论的是小功率型,所以成本非常关键,小功率MPPT,至少节约出来的光板配置费用不会比买一个带MPPT控制器的价钱还少,这样MPPT设计的再完美,一点意义都没有。



    所以我们的设计目标使用两个MOS(还可以使用一个MOS一个二极管来实现),两个线圈,电解等电容的容量足够的小,

    尽量使用低端的单片机,



    配置仅仅如此就可以完成完美的MPPT控制器功能了。



    根据我们的成本目标分析,剩下的电路选择并不是很多了,根据CUK电路设计MPPT,



       

     

    CUK电路的唯一缺点就是负压,我想这个问题难不到各位达人,

    可以使用辅助电源的参考地的参考点来确定输入与输出的电位关系。



    是不是非常简单,

    根据设计测试结果,这个电路在输入10A的条件下(17.5V),效率可以达到92,

    其中电路板的铜箔走线压降损耗很严重(电流太大),大概有2个点,输入电流低效率越高,最高可以再高两个点,

    因CUK工作的脉冲电流非常大,电流平方*电阻,所以。。。。



    因线圈形状选择的因数,导致PCB布板不是很合理,相信再改改电感线圈的形状,器件选择优化一下,再高个1个点不是什么问题。




















    接上贴,输入电解电容,最大100u,已经足够大了,输入输出纹波可以压制在100~200mV/17.5V,我选择的输出电压是14V/12V系统,若是24V系统可以直接使用BOOST,使用BOOSTBUCK,效率上会比BOOST单级低,成本会高一个线圈外加一个电解。



    下帖我们谈如何测试MPPT的效率


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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-28 13:42

    @咕叽先生

    电流源对外输出,电压随负载内阻变化而变化,这样形成的电压在我们这个应用中称为纹波,这个纹波的大小直接决定了光板电能输出的效率,也就是光板发电利用率,这样的话,我们就选择输入电流连续的电源转化电路,这样输入电流波动比较小,形成的VI电压波动就少,

    前级使用BOOST,若电压出现失配,我们就需要使用一级BUCK,



    BOOSTBUCK,有很多种形式,因我们讨论的是小功率型,所以成本非常关键,小功率MPPT,至少节约出来的光板配置费用不会比买一个带MPPT控制器的价钱还少,这样MPPT设计的再完美,一点意义都没有。



    所以我们的设计目标使用两个MOS(还可以使用一个MOS一个二极管来实现),两个线圈,电解等电容的容量足够的小,

    尽量使用低端的单片机,



    配置仅仅如此就可以完成完美的MPPT控制器功能了。



    根据我们的成本目标分析,剩下的电路选择并不是很多了,根据CUK电路设计MPPT,



       

     

    CUK电路的唯一缺点就是负压,我想这个问题难不到各位达人,

    可以使用辅助电源的参考地的参考点来确定输入与输出的电位关系。



    是不是非常简单,

    根据设计测试结果,这个电路在输入10A的条件下(17.5V),效率可以达到92,

    其中电路板的铜箔走线压降损耗很严重(电流太大),大概有2个点,输入电流低效率越高,最高可以再高两个点,

    因CUK工作的脉冲电流非常大,电流平方*电阻,所以。。。。



    因线圈形状选择的因数,导致PCB布板不是很合理,相信再改改电感线圈的形状,器件选择优化一下,再高个1个点不是什么问题。




















    剩下的就是辅助电源了,因光板的电压波动非常大,0~100VDC,这个是最初的设计指标,

    哪么我就应该考虑到将10~100VDC电压稳压到12V的系统电压。电压跨度如此大,我想也没有难倒各位达人,

    对就是采用1:1反激,外加跳频调制,再加谐振+调频,四者合一,可以完美的将很大的电压跨度电压稳住,当然

    现成的控制器是没有了,只能自己设计一个,带跳频的。

    当然不用担心成本,从外表看来就是一个标准的反激,唯一多了一个很小的CBB谐振电容。哈哈哈。

    再接下来就是变压器的选择了,这个可是很难,电压跨度太大,不好设计,磁性材料非常重要,

    这个电源可以输出很多路,要想每路的电压相等,这个可就难了,设计指标可以将电压波动范围放松点,我的设计指标是12~13.5V

    现在可以轻松的输出6路(完全隔离),电压在12.5~12.88之间不等,中间不使用LDO,测试整体效率可以到85~90左右,



    这个就谈倒这里,

    再谈启动电源,这个是个非常简单的办法就是431+BJT压可以无穷高,仅仅是启动的瞬间使用一下,一般使用13001就足够了,

    启动后就有辅助电源自行提供12电源了,再谈启动电源启动后如何退出,这个我想更难不倒各位达人。







    一个MPPT就完成了,
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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-28 16:29

    @咕叽先生

    剩下的就是辅助电源了,因光板的电压波动非常大,0~100VDC,这个是最初的设计指标,

    哪么我就应该考虑到将10~100VDC电压稳压到12V的系统电压。电压跨度如此大,我想也没有难倒各位达人,

    对就是采用1:1反激,外加跳频调制,再加谐振+调频,四者合一,可以完美的将很大的电压跨度电压稳住,当然

    现成的控制器是没有了,只能自己设计一个,带跳频的。

    当然不用担心成本,从外表看来就是一个标准的反激,唯一多了一个很小的CBB谐振电容。哈哈哈。

    再接下来就是变压器的选择了,这个可是很难,电压跨度太大,不好设计,磁性材料非常重要,

    这个电源可以输出很多路,要想每路的电压相等,这个可就难了,设计指标可以将电压波动范围放松点,我的设计指标是12~13.5V

    现在可以轻松的输出6路(完全隔离),电压在12.5~12.88之间不等,中间不使用LDO,测试整体效率可以到85~90左右,



    这个就谈倒这里,

    再谈启动电源,这个是个非常简单的办法就是431+BJT压可以无穷高,仅仅是启动的瞬间使用一下,一般使用13001就足够了,

    启动后就有辅助电源自行提供12电源了,再谈启动电源启动后如何退出,这个我想更难不倒各位达人。







    一个MPPT就完成了,
    一个MPPT设计完成了,

    我们要怎么来测试他的实际效率呢?



    当然啦,有现成的测试仪器那就再好不过了,

    这个仪器安捷伦有,可是价格不是一般的贵,所以,那我们就发扬一样革  命传统的好,艰苦朴素

    自己设计一个测试场景,无非就是精度差了一些,



    测试的原理根据内阻匹配原则,我们来设计这样一个电路框架。

     

    首先我们需要一个ACDC开关电源,功率的大小根据待测控制器的功率来定,我们暂时定义为25V的,

    首先准备一个24V的ACDC,将调节电位器调整到25V位置,

    将ACDC的正极接到电子负载的正极,将电子负载的负极接入到MPPT控制器的正极,控制器的负极与ACDC电源的负极相连接。

    也就是如上图啦。



    将电流电压表接入相应的测试点,如上图。



    将电子负载设置成CR模式,根据设计规格是10A,哪么电子负载的R设定就应该在1.2R左右。



    接下来我就打开ACDC电源,等待MPPT稳定下来,当然啊,这个稳定下来的时间也直接表明这个控制的好坏,

    记下来,这个很重要哦,



    这里需要注明一下,上面的这个测试方式合适VI函数曲线算法的MPPT,



    其他单级函数的MPPT算法的控制器会出现无法停止的情况。

    一般找到的Pmax的时间最好小于3分钟(当然啦,这个是自己定的啦,实际测试时间是半分钟)

    若出现很常时间没有找到呢,那就是出问题了,问题原因粗略总结如下


    出现的问题呢,也大概总结一下




    MPPT控制器稳定下来后VI监视点的乘积应该是130W左右,当然啦,一般的电流表的准确度是一个问题,实际误差是10+_误差。

    钳流表那就更大了,当然有一个好的品牌的电表准确度会高一些。



    既然电流测量误差很大,看功率这条路就走不了了,那就看电压吧,

    一般这个电压正好是ACDC电源的一般左右,那就是12.5V,看这个电压也能看出一个大概。



    继续将示波器的电压探头开启到交流测量模式,测量MPPT输入端口的ACmax电压值。这个就是我们关心的,光板发电利用率了,

    纹波/12.5V,这个比例需要乘以上面谈到的DCDC效率,再乘以MPPT的偏差率。这个值将直接影响到刚才计算出来的130W功率



    这些数值我们都记录下来了,就开始调动电子负载的阻值,看看动到多少控制器才有反应,当然啦,这个值不是越小越好,也不是越大越好

    这个一般根据需要自己设定就可以了,一般设定到300~500mA,当然这个也是自己定的啦。



    接下来就是看看动过内阻后需要多长时间稳定下来,这个数值和开始启动时消耗的时间应该时一样的。或者应该短一些。




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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-28 17:03

    @咕叽先生

    一个MPPT设计完成了,

    我们要怎么来测试他的实际效率呢?



    当然啦,有现成的测试仪器那就再好不过了,

    这个仪器安捷伦有,可是价格不是一般的贵,所以,那我们就发扬一样革  命传统的好,艰苦朴素

    自己设计一个测试场景,无非就是精度差了一些,



    测试的原理根据内阻匹配原则,我们来设计这样一个电路框架。

     

    首先我们需要一个ACDC开关电源,功率的大小根据待测控制器的功率来定,我们暂时定义为25V的,

    首先准备一个24V的ACDC,将调节电位器调整到25V位置,

    将ACDC的正极接到电子负载的正极,将电子负载的负极接入到MPPT控制器的正极,控制器的负极与ACDC电源的负极相连接。

    也就是如上图啦。



    将电流电压表接入相应的测试点,如上图。



    将电子负载设置成CR模式,根据设计规格是10A,哪么电子负载的R设定就应该在1.2R左右。



    接下来我就打开ACDC电源,等待MPPT稳定下来,当然啊,这个稳定下来的时间也直接表明这个控制的好坏,

    记下来,这个很重要哦,



    这里需要注明一下,上面的这个测试方式合适VI函数曲线算法的MPPT,



    其他单级函数的MPPT算法的控制器会出现无法停止的情况。

    一般找到的Pmax的时间最好小于3分钟(当然啦,这个是自己定的啦,实际测试时间是半分钟)

    若出现很常时间没有找到呢,那就是出问题了,问题原因粗略总结如下


    出现的问题呢,也大概总结一下




    MPPT控制器稳定下来后VI监视点的乘积应该是130W左右,当然啦,一般的电流表的准确度是一个问题,实际误差是10+_误差。

    钳流表那就更大了,当然有一个好的品牌的电表准确度会高一些。



    既然电流测量误差很大,看功率这条路就走不了了,那就看电压吧,

    一般这个电压正好是ACDC电源的一般左右,那就是12.5V,看这个电压也能看出一个大概。



    继续将示波器的电压探头开启到交流测量模式,测量MPPT输入端口的ACmax电压值。这个就是我们关心的,光板发电利用率了,

    纹波/12.5V,这个比例需要乘以上面谈到的DCDC效率,再乘以MPPT的偏差率。这个值将直接影响到刚才计算出来的130W功率



    这些数值我们都记录下来了,就开始调动电子负载的阻值,看看动到多少控制器才有反应,当然啦,这个值不是越小越好,也不是越大越好

    这个一般根据需要自己设定就可以了,一般设定到300~500mA,当然这个也是自己定的啦。



    接下来就是看看动过内阻后需要多长时间稳定下来,这个数值和开始启动时消耗的时间应该时一样的。或者应该短一些。




    接下来的就是测试DCDC效率啦,至于输出纹波啊,精度啊,这些都不是重要的啦,这些直接取决与分压系数的电阻精度,基准源的精度等,

    另一个就是光板的反接保护,

    提到这个就直接反并一个二极管,这样回路压降可以完全忽略,反接的电流也不会非常的大,导致二极管烧掉,当然这个不排除客户接错了,烧毁的可能。



    电池的反接就麻烦了,包括电流电压倒灌,CUK这个电路以反接就倒灌电流,电路肯定是完蛋的。

    电池反接的电流也是非常大,这个值取决于反接回路的内阻比上电池的内阻,当然啦,起码是十百安培级别啦,

    这个时候就用上论坛里抄来的反接电路啦,



    多谢这位大侠啦,

      

    好像这两个MOS正好和图上的介绍是反的,哈哈。

    MOS的DS应该对调。

    当然啦,电池电压肯定高过了GS的最高电压的,这个就需要再加一个431组成的恒流宿啦,

    电路如下:

     

    或者使用这个电路也可以:

     

    看自己喜欢啦。VO换成15V啦就可以啦。



    当然啦,这个模式是不能使用CC模式测试,这个牵涉到协调问题,当然,

    若要满负荷的测试17.5V。那就就得使用35V的电源啦,



    不管电子负载的内阻是多少,电压电流监视点的电压值一定是一半,

    这样的数据才是MPPT的最理想数据,



     




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  • 萧山老寿

    LV.1

    2010-03-28 19:12

    @咕叽先生

    接下来的就是测试DCDC效率啦,至于输出纹波啊,精度啊,这些都不是重要的啦,这些直接取决与分压系数的电阻精度,基准源的精度等,

    另一个就是光板的反接保护,

    提到这个就直接反并一个二极管,这样回路压降可以完全忽略,反接的电流也不会非常的大,导致二极管烧掉,当然这个不排除客户接错了,烧毁的可能。



    电池的反接就麻烦了,包括电流电压倒灌,CUK这个电路以反接就倒灌电流,电路肯定是完蛋的。

    电池反接的电流也是非常大,这个值取决于反接回路的内阻比上电池的内阻,当然啦,起码是十百安培级别啦,

    这个时候就用上论坛里抄来的反接电路啦,



    多谢这位大侠啦,

      

    好像这两个MOS正好和图上的介绍是反的,哈哈。

    MOS的DS应该对调。

    当然啦,电池电压肯定高过了GS的最高电压的,这个就需要再加一个431组成的恒流宿啦,

    电路如下:

     

    或者使用这个电路也可以:

     

    看自己喜欢啦。VO换成15V啦就可以啦。



    当然啦,这个模式是不能使用CC模式测试,这个牵涉到协调问题,当然,

    若要满负荷的测试17.5V。那就就得使用35V的电源啦,



    不管电子负载的内阻是多少,电压电流监视点的电压值一定是一半,

    这样的数据才是MPPT的最理想数据,



     




     好东西,我这几天也在关注这个东西,就是还不是十分看得懂。
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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-29 15:26

    @萧山老寿

     好东西,我这几天也在关注这个东西,就是还不是十分看得懂。

    可能是我写的不够详细,有点跳跃,明确一下,我再详细一些,谢谢LAOSOU同志。

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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-03-30 12:46

    @咕叽先生

    可能是我写的不够详细,有点跳跃,明确一下,我再详细一些,谢谢LAOSOU同志。

    上图说明:输出持续电流50A,输出电压可调节,目前输出12V,效率96.7%,均方根值测量。使用安捷伦功

         

      
    上图说明 ,输入电压100V、10A,MPPT控制器,满载效率94.6%,带升降压功能,可通过232配置输出电压,和目前控制器的运行各个参数。

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  • 咕叽先生

    LV.1

    2010-04-06 19:53

    @咕叽先生

    上图说明:输出持续电流50A,输出电压可调节,目前输出12V,效率96.7%,均方根值测量。使用安捷伦功

         

      
    上图说明 ,输入电压100V、10A,MPPT控制器,满载效率94.6%,带升降压功能,可通过232配置输出电压,和目前控制器的运行各个参数。

    我自己来顶,有好的研究心得各位也一起来讨论以下。
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