实验题目：直流电路最大功率跟踪实验

1. 课程简要信息

课程名称：直流电路最大功率跟踪实验课程学时：16 学时适用专业：电气工程及其自动化学生年级：大二第二学期及以上

2. 实验内容与任务（限 500 字）

1）以“数显直流稳压电源 $^ +$ 功率电阻”模拟光伏发电系统（或其它内阻较大的供电系统），“本实验所设计的系统 $^ +$ 可调功率电阻”作为负载，可调功率电阻在一定范围内变化的时候，负载可以获得最大功率并保持稳定（负载上能够获得的最大功率可由直流稳压电源的电压值和模拟内阻的数值，经计算得到）；

2）负载总体上获得的功率中，尽量提高可调功率电阻所获得功率的比例，即尽量提高所设计系统的效率,提高效率的方法与途径自行查找资料；

3）负载电阻或电源内阻变化的时候均能快速跟踪，跟踪算法自行设计；

4）扩展内容为增加保护与显示功能。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）学习/复习电路分析教材中关于直流电路最大功率传输定理的内容，理解其数学证明过程；

2）学习/复习电力电子技术教材中关于降压电路（Buck）、升压电路（Boost）的基本结构，电压变换的原理，器件参数的计算过程；

3）查找并理解降压电路、升压电路能够改变负载阻抗的原理；

4）学习所选用单片机的 PWM 和 ADC 的使用方法，熟悉所选用单片机的集成开发环境（IDE）的使用；

5）学习 MOS 管驱动电路的相关知识；

6）学习最大功率跟踪（MPPT）的相关知识与算法；

7）过压、过流、短路、过温等保护功能的原理与实现方法，实验过程中注意安全；

8）分析影响效率的因素、以及如何尽量提高效率，分析影响负载电阻调节范围的因素，尽量提高负载电阻的调节范围；

9）撰写设计总结报告，各组之间学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

光伏发电系统中，负载曲线是非线性的，如果不做最大功率跟踪会造成能源的极大浪费，本实验用数显直流稳压电源 $^ +$ 功率电阻来模拟光伏系统，通过自行设计的系统，使负载上能始终获得最大功率。

这是一个运用电力电子技术和单片机应用技术解决复杂工程实际问题的典型案例，需要用到电源变换技术、传感器及其检测技术、模数信号转换、单片机开发技术、反馈控制、保护电路的设计等知识与技术方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

随着化石能源的枯竭，新能源的应用越来越得到了重视。本实验具有一定的工程背景与实用价值，完整的做完本实验，学生将会加深对电力电子技术、电路分析基础、单片机应用技术等专业基础课程的理解，对电气工程类专业、新能源类专业学生理解行业知识有较大帮助。

6. 教学设计与引导

本实验是一个比较完整的工程实践过程，需要经过理论研究、方案论证、系统设计、器件选型、算法设计、焊接调试、设计总结等过程。在实验教学中，在下面几个方面加强对学生的引导：

1）电源变换电路改变输入阻抗的基本原理；不同的电源变换电路，元器件的参数计算过程；2）MOS 管的哪些参数会影响效率？导通电阻主要影响什么？极间电容主要影响什么？3）MOS管为什么需要专门的驱动电路？单片机的I/O为什么不能直接驱动？常用的驱动芯片有哪些？（国际整流公司的 IR21XX 系列，TI 公司的 LM27222 等）不同的驱动芯片性能有什么区别？4）在常规 Buck、Boost 电路的基础上，如何进一步提高效率？（同步整流，实际上同步整流的驱动芯片更容易购买，本实验推荐使用同步整流结构）5）哪些因素影响负载电阻的调节范围？如何提高负载电阻的调节范围？（驱动芯片 PWM 占空比范围，MOS 管 PWM 占空比范围；另外本实验只要求完成负载电阻大于或小于电源内阻一个方向即可，也即 Buck 和Boost 选择一种电路结构即可，学有余力的可增大其调节范围，但在理论上学生应该知道）6）电压采样有哪些方法？（推荐使用电阻分压法）电流采样有哪些方法？（推荐使用集成霍尔电流传感器 ACS712-5）7）哪些单片机集成了 PWM 和 ADC 功能？（STC12/15 系列、AVR 系列、STM32 系列，推荐使用 STC12/15 系列）8）电路需要哪些保护功能？在不增加元器件的原则上，电路能提供哪些保护功能？软件保护与硬件保护有什么区别？（本实验可以不要求学生完成保护功能，但原理上要了解）

为了实验的方便，建议焊接的时候以直插元件为主，注意焊接的时候的静电防护（尤其是MOS 管），此为有一定功率等级的实验，引线尽量短而粗；焊接的时候注意安全，防火、防触电、防烫伤。

7. 实验原理及方案

基本原理：由电路分析/电工理论可知，在直流电源已知的情况下（理想压源 $\mathrm { U } _ { 0 } +$ 内阻 ${ \bf R } _ { 0 }$ ），负载上能够获得最大功率的条件是负载电阻 $\mathtt { R _ { L } }$ 等于电源内阻 ${ \bf R } _ { 0 }$ ，此时负载上获得的最大功率为$\mathrm { P _ { M A X } { = } U _ { 0 } } ^ { 2 } / 4 \mathrm { R } _ { 0 }$ ，称为匹配。下图为：假设压源 $\mathrm { U } _ { 0 } { = } 2 0 \mathrm { v }$ ，内阻 $\mathrm { R } _ { 0 } { = } 1 0 \Omega$ ，负载在 $0 ^ { \sim } 1 0 0 \Omega$ 范围内变化时，负载上所获得功率与电源内阻之间的关系曲线。

当负载与电源内阻不匹配的时候，通过在中间加一级匹配电路，可以使其匹配，原理如下图：

以图（b）为例，当开关闭合时， $\scriptstyle \mathbf { R } = 0$ ，当开关打开时 $\scriptstyle \mathrm { R = R _ { L } }$ ，假设 $\mathtt { R } _ { \mathrm { L } } > \mathtt { R } _ { 0 }$ ，则只要保证开关一定的频率和一定的占空比就能够保证 $\scriptstyle \mathbf { R } = \mathbf { R } _ { 0 }$ ，达到匹配的效果。图（c）原理类似，适用于 $\mathtt { R } _ { \mathrm { L } } < \mathtt { R } _ { 0 }$ 的场合。使用必要的元器件即可搭建上图（b）或（c）的结构，或者把二者结合起来。

1） 系统结构

2） 参考实现方案

电流采样电路

首先，尽量选择集成 PWM和 ADC 功能的单片机，常用的可供选择的有 STC12/15 系列（51内核）、AVR 系列、STM32 系列等，推荐使用 STC12/15 系列的，因为其是 51 内核，课内教学知识大部分能用到，不需要从头学起，需要学习的外设参考其数据手册即可。

其次，MOS 管选用 N 沟道的，TO220 封装的，因为 N 沟道 MOS 管容易购买、性价比高。耐压值以$3 0 ^ { \sim } 1 0 0 { \mathrm { \sim } }$ 之间为宜。导通电阻和极间电容越小越好。

驱动芯片首选国际整流公司（International Rectifier）的 IR21XX 系列芯片（2104、2110），此系列芯片价格合适、容易购买，有直插封装，外围器件简单，但需要的工作电压较高（ $\cdot 1 0 ^ { \sim } 2 0 \mathrm { \Delta }$ ），其它逻辑器件需要的电压还需要转换，如果需要 5V 的驱动芯片，可以选用 TI 公司的 LM27222，但贴片封装、价格较高。

电感使用磁环电感，电容使用高频电解电容。电流采样使用 ACS712-5集成霍尔电流传感器。显示为选做部分，可以使用一个 LED、7 段数码管、或者 LCD 显示均可。

8. 教学实施进程

教务处把教学任务录入教务系统以后，通知学生选课，选课过程中如有学生咨询答疑，老师要做到详尽耐心的解释相关问题，学生选课结束后，于开放实验室或者大教室进行前期任务安排。主要是介绍基本原理，告知学生需要熟悉的相关理论以及所涉及到的教材或参考书。告知学生用到的主要器件，要求学生主动去查找相关数据手册。

任务安排好以后，学生可以随时进入实验室开始实验，实验室在工作时间内保证有指导老师。此前，实验室要准备好常用器件、实验板、雕刻机（选配）、腐蚀液（选配）等，常用仪器仪表，常用工具，对于实验室没有的器件，如选用学生较多，性价比合理的话可以集中购买，选用学生较少可以指导自行购买，指导老师除了进行技术指导还要负责安全问题，学生在实验室要安静学习与操作，注意节约，注意安全。

验收时，在保证操作规范与安全的前提下，所有操作由学生动手，老师只负责记录数据，可以随机提问与实验有关的问题，以验证是否是真正参与了本实验。验收结束后统一批改实验报告，结合全部实验过程中的成绩，提交教务系统，整理纸质教学材料交教务部门留存。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析：正确理解实验需求及应用背景
2） 实现方案论证：关键电路均要有方案对比
3） 理论推导计算：理论指导实践，实践验证理论
4） 电路设计与参数选择：注意计算出来的元件参数与市场上实际元件参数的区别
5） 电路测试方法：选择合适的仪器仪表
6） 实验数据记录：真实记录实验数据
7） 数据处理分析：分析比较记录的数据
8） 实验结果总结：与理论计算进行对比，写出真实心得，勿无病呻吟

10. 考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：要求 $\mathrm { R _ { L } }$ 在一定范围内变化的时候，电源能够始终保持最大功率输出，最大功率与理论值偏差 $\pm 1 0 %$ 以内，效率 ${ \geqslant } 8 0 %$ ，60 分；

2） 效率大于 $9 0 %$ ，最大功率与理论偏差 $\pm 5 %$ 以内，10 分；

3） 不使用辅助电源，而从前级取电，10 分；

4）实验报告：实验报告首先要规范与完整，要体现出自己所做的工作，要体现出测试数据的准确性与误差分析的合理性，要有方案的对比与成本的核算，要有心得体会，有感而发，不要无病呻吟，20 分。

11. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

在新能源应用的工程背景下综合、系统地应用已学到的电力电子技术、单片机技术、模拟电路、数字电路的知识，在单元电路设计的基础上，利用软件设计出具有实用价值和一定工程意义的电子电路；扩展新知识的学习，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力；培养严肃认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础，为进入新能源行业积累一定的知识背景。

实验案例信息表