为了提高光伏电池的收集效率和环境适应性,提出了一种带有MPPT功能的高效率光伏电池升压转换器芯片。该电路系统包括新型四相高效电荷泵模块、扰动观察法MPPT控制电路模块、反馈控制模块、纳安级电流基准、检测电路模块等。该芯片采用0.35 μm BCD工艺设计、仿真并流片。芯片尺寸为3.15 mm×2.43 mm。测试结果表明,当光伏电池输出电压大于0.5 V时,升压转换器芯片输出电压提升到3Vin,电压转换效率可达99.4%。MPPT算法使输出功率提升8.53%。当输出负载电流为297 μA时,最宽输出PCE达到85.1%。该芯片实现了高效升压光伏电池输出电压的目标。

设计了一种适用于环境振动能量俘获系统的高效率电源管理电路。电路采用了最大功率点跟踪(MPPT)技术,以解决环境振动能量不稳定和经换能器换能后的输出功率负载依赖性强的问题。针对MPPT工作过程中电压调整阶段功率损耗过大的问题,提出了高频开关控制的类Buck结构拓扑,以减小电压调整阶段的开关损耗,进一步提高了系统效率,并可实现预稳压,为后级电源管理电路减轻负担。电路采用0.18 μm CMOS工艺设计,仿真结果表明,随着振动环境及负载的变化,最大功率点跟踪效率始终维持在98.55%~99.45%,系统效率提高至94.2%。

采用标准018 μm CMOS工艺，设计了一种可以同时高效收集压电、光电、热电、射频能量的多源能量收集芯片。该收集芯片由多种能源接口电路、可重构电荷泵和自适应控制电路等单元构成。可重构电荷泵中，通过调节电压转换倍率和开关工作频率来降低电荷再分配损耗，提高了转换效率，扩大了输入电压范围。自适应控制电路中，采用固定导通时间法控制系统的输出电压，所产生的峰值电压被复用，并用来控制电荷泵的工作状态，降低了电路的复杂度和功耗。仿真结果表明，该收集芯片的整体动态功耗为33 μW，能量转换效率最高为603%。版图尺寸为1 672 μm×1 990 μm。

基于光伏阵列的物理机制, 结合光伏电池的等效电路, 建立了数学模型, 在MATLAB/Simulink仿真环境下, 建立了可以模拟恒定条件、光强突变、温度突变条件下仿真的独立光伏系统模型, 将PSO算法改进为Geese-HPSO算法, 进行基于光伏阵列MPPT控制的独立光伏系统仿真, 同时将仿真结果与扰动观察法进行对比, 验证了Geese-HPSO算法跟踪最大功率点的快速性与准确性。

通过对光伏发电最大功率点跟踪系统的研究, 提出了PSO与电导增量法的双级最大功率跟踪(MPPT)控制算法。该算法能很好地解决传统电导增量法在采用较大跟踪步长时跟踪精度差, 采用较小跟踪步长时跟踪速度慢, 动态跟踪过程中功率震荡大的问题。所提出的算法包含最优占空比预测和最大功率点跟踪两个阶段。最优占空比预测阶段采用改进的PSO算法搜索最大功率点附近的工作电流和工作电压, 然后根据搜索到的电压和电流计算最大功率点附近的最优占空比, 该阶段能解决传统的电导增量法在采用较小步长时存在的跟踪速度慢、功率震荡大等问题; 在最大功率点跟踪阶段接收上一阶段所搜索到的最优占空比, 当电导增量法所产生的占空比接近最优占空比时, 采用电导增量法进行控制, 否则采用上一环节的最优占空比进行控制。仿真实验结果表明, PSO与电导增量法的双级MPPT控制算法跟踪速度快, 跟踪精度高, 功率震荡小, 能很好地实现最大功率点跟踪。

鉴于传统三电平逆变电路存在谐波含量高的缺点, 在分析模块化多电平换流器(MMC)工作原理的基础上, 提出使用模块化多电平电路实现光伏并网逆变功能, 采用微分-跟踪器法实现光伏阵列最大功率点跟踪(MPPT)及逆变器PQ解耦控制, 实现了光伏系统以单位功率因数并网。在PSCAD中建立光伏并网系统动态仿真模型, 仿真结果表明, 所建模型具有开关损耗低、谐波量小的优点, 验证了所提方法的正确性和可行性。

为了解决传统扰动观察法稳态控制精度低、动态跟踪性能差和误判现象的问题, 提出了一种基于滞环比较的自适应扰动观察法, 通过滞环比较法进行双向扰动解决由于功率突变导致的误判问题。根据功率的变化通过一个PI控制器自动调节扰动步长的大小, 保证稳态跟踪精度的同时, 有足够快的响应速度。在MATLAB中建立了基于Boost电路的仿真模型, 编写了基于滞环比较法的自适应扰动观察法的S函数。通过仿真验证了新策略的有效性和正确性。

针对太阳能路灯系统中太阳能光伏电池的输出效率不高的问题, 提出把固定电压法、变步长与扰动观察法相结合得到的一种改进的最大功率点跟踪(Maxi Power Point Tracking, MPPT)算法, 设计和实现了太阳能LED路灯智能控制系统。该系统不仅能进行太阳能最大功率的跟踪, 并且还能根据时间、环境的光强等参数来智能控制LED路灯的亮度。实验结果表明, 该系统能有效提高光伏电池的使用效率, 实现节能。

基于光伏电池输出特性及 MPPT控制原理的分析，研究了基于 Boost电路的光伏发电 MPPT控制系统的模型，并分析了该模型中各子模块的工作原理，并应用 Simulink软件搭建了整个系统的仿真模型。以光伏阵列 STP0950S-36为例，仿真验证了所研究的 MPPT控制系统能很好地实现最大功率跟踪，并能快速响应外界环境的变化，有效提高光伏发电的效率。

传统最大功率跟踪(MPPT)方法如电导增量法存在较大稳态误差和波动, 加入模糊控制后, 虽然系统的动态性能有所改进, 但由于模糊论域固定, 控制还是略微粗糙, 稳态时存在波动。文章采用变论域模糊控制对MPPT进行控制, 其优点是不需要过多经验来设定规则表, 通过输入改变伸缩因子从而改变论域的范围, 使控制更加灵活, 缩短了响应时间, 缩小了稳态误差和波动, 从而保护光伏负载, 极大提高太阳光利用率。分别在固定环境和变化环境中对系统进行仿真, 从输出功率和负载电压两方面对变论域模糊控制的优越性进行论证。