最大功率范文

最大功率篇1

关键词 电源给定负载可变 分水岭 戴维宁定理 等效电路图 变换阻抗

江苏省对口单招机电专业的新考纲中，对负载获得最大功率的条件作了新的补充。而电源的最大输出功率问题，或者是负载获得最大功率的问题，是学生学习中的难点。因而此类问题如何突破，就显尤为重要。所以笔者对这类问题进行了探讨，希望对教者与学者有所启迪。

负载获得最大功率的条件：当电源给定而负载可变，外电路电阻等于电源内阻时，电源的输出功率最大，这时叫作负载与电源匹配，输出的最大功率Pm=E2/4R0。

一、巧划分水岭，解决简单直流电路中的最大功率

很多学生在学习过程中，上述结论记得挺牢，但只是生搬硬套，不会灵活运用，更不注意前提，题目一旦有变化就茫然不知所措。如果能巧划分水岭，解题就变得很简单了。

例题1：如图1，电源电动势E=30V，内阻r=10Ω，外接负载R1=2Ω，R2为可变电阻，当R2为多大时R2可获最大功率？最大功率为多少？

例题2：在上题中，各参数不变，求：R2为多大时电源输出最大功率？电源输出的最大功率为多少？

例题3：在上图中，各参数不变，求：R2为多大时，R1可获最大功率？R1获得的最大功率为多少？

在上述三个例题中，看似很相似，但其实各有不同。例题1是使R2获得最大功率，例题2是要电源输出最大功率，例题3是R1获得最大功率，这时我们要比对条件，合理分“家”，才能突破难点。

我们先来回顾一下负载获得最大功率的条件：当电源给定而负载可变时，外电路电阻等于电源内阻，此时电源的输出功率最大。现在我们来逐一析解。

例题1中，要使R2获得最大功率，则我们就把R2当成负载,为一阵营，R1和内阻r列于另一阵营，对照条件： R2（即负载）可变而电源给定，满足上述条件“电源给定而负载可变”，则可运用上述结论：当R2=R1+r=2+10=12Ω时，R2获得最大功率。且获得的最大功率为E2/4R2=302/(4*12)=18.75W。

例题2中，要使电源输出最大功率，则我们把电源列为一阵营，R1和R2列为另一阵营（负载），由于R1、R2串联，R2可变，则(R1+R2)可变，而电源给定，满足上述结论的使用条件：电源给定而负载可变，所以我们还是运用上述结论，得出：当r=R1+R2，即R2=r-R1=10-2=8Ω时，电源输出最大功率，此时获得的最大功率E2/4r=302/(4*10)=22.5W。

所以，对上述问题，应巧划分水岭，对照条件，（符合条件的）合理分“家”，问题也就迎刃而解了。

二、巧画等效电路图，分析变压器接负载的最大功率

例题4：如图4所示， 阻抗为8Ω的扬声器，通过一变压器接到信号源上，信号源的电动势为10V，内阻为200Ω，当变压器变比K为多大时，可使扬声器获得最大功率，最大功率为多少？

根据变压器变换阻抗的作用，在二次侧接上负载阻抗|Z2|时，就相当于电源直接接上一个阻值为K2|Z2|的阻抗（K为变压器的变比）。这样画出图4的等效电路图（如图5），图4中的R经过变压器后等效为R'，且R'=K2R，根据负载获得最大功率的条件，R'可变而电源给定，当R'=r0时获得最大功率，即K2R=r0，由此求出K=5时扬声器获得最大功率，且不难求出最大功率为0.125W。

最大功率篇2

关键词：单晶硅；光伏发电；跟踪器设计

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 18-0000-01

我国的化石燃料的储量丰富而且是我国长期以来的主要消费能源，然而上世纪以来的能源危机使全球所有国家由此认识到常规能源的局限性、有限性和不可再生性。而在几十年后各个国家的化石燃料也将面临估计，由此人们认识到新能源的建设与研发对于一个国家的能源安全是十分重要的，加之人们对环境保护的意识逐渐提高，使得光伏产业得以迅速发展。太阳能具有无限性、可再生性等可持续特性，我国的太阳能年理论储量高达一万七千亿吨标准煤的燃量。因此我国的光伏产业经济成为了我国能源可持续发展的重点发展对象。

一、光伏发电模型跟踪控制相关组件设计

光伏电池的使用性质为光伏电池的使用奠定了整体理论基础，文章的这一部分主要对文章的工作原理和工作时的属性进行了比较详细的介绍。首先光伏电池是利用太阳辐射能量进行发电的，这种能量要通过能量的转换器才能转化为电能，这种转换器就是光伏电池。光伏电池的主要工作原理就是光电原理。一般情况下，光伏电池的主要制作材料是一种介于导体和绝缘体的半导体材料，这种材料的组成原子和其他的物体都是一样的，硅原子的外层电子按照固定的轨道绕着原子核进行运动。当原子受到外来巨大的力量冲击时有些电子就会脱离原有的预定轨道成为自由运动的原子，同时在原子原定的位置上留有一个空位，在比较纯净的单晶硅中，自由电子的数量和空穴的数量是大致相当的，但是如果在单晶硅中掺入一些硼、钾等微量元素就会导致单晶硅中的自由电子被复活，从而形成空穴型半导体，而当单晶硅当中掺入适当的能够放出电子的磷元素和砷元素等元素就会形成了电子型半导体，如果将这两种半导体结合起来就会形成一个导体流通节点，光伏电池的最主要就是这个节点，在这个节点上阻碍着电子和空穴的移动，当光伏电池受到阳光直射时电子接收到光能就会向空穴型半导区移动，同时空穴的电子向电子半导区进行移动，这种移动就形成了一种电子动能，从而形成电压，这也就是上文提出的光电效应，这时在两端接好金属导线后接通负载就会产生电流，本身也会形成一个电池原件，将这些原件连接起来就可以产生一定的电压和电流，输出功率。目前技术上比较成熟同时具有比较好的商业价值的光伏电池就是太阳能硅电池了。光伏电池的属性主要包括了电池的输出属性、光照特性以及温度方面的属性。太阳能光电方面的特性也叫做光伏电池的电压和电流特性。

二、光伏电池的最大功率跟踪设计

因为光伏电池在电流输出的整个过程中，输出的电流总量和输出效率是受到阳光强度、环境温度以及电力负载等多方面影响。只有在一定条件的温度和光照强度下才能保证光伏电池稳定地输出电压，当电池工作达到某个特殊的电压时能实现光伏电池功率的最大值输出，从而达到电压曲线的最高点，这个点也被称为光伏电池的最大功率点。所以在进行光伏发电的过程中要提高发电系统的整体效率，其中一个非常重要的方法就是对光伏电池的工作点进行全时段调整，保证光伏电池的工作始终处于最大功率点，这一工作过程就是光伏电池的最大功率点跟踪，因为目前的光伏电池的整体价格和相关成本都特别高，在整个光能发电系统中的整体投资中光伏电池成本占较大比例，因此提高光伏电池的使用效率就是降低发电系统的整体投资总量。光伏电池在进行工作的过程中产生的电压会因为光照强度和环境温度的变化而不断发生变化，最大功率跟踪的目的就是通过控制光伏电池的最大功效点电压实现光伏电池各种环境中都能够输出最大的功率，在光伏电池最大功率的左边电池的输出功率和电压的变化成正相关，在光伏电池最大功率的右边电池的输出功率和电压的变化成反比。而在这个调试过程中就要做好调试工作，其中MPPT控制的主要作用就是当光伏电池的输出功率最大功率点在左边时会使得光伏电池的实际工作电压升高，从而逼近输出的最大功率点。当最大功率点在电流输出点的左边时会使得光伏电池的总体电压降低，从而实现逐渐靠近最大功率点。MPPT的工作能够实质实际上是一个自动寻找最优化输出点的工作过程，通过光伏电池矩阵寻找最佳电流和电压的组合，以此得到最佳的排列功率输出从而和之前的功率进行比较，这样反复进行比对，知道找出该组电池的最大功率点。在找出最大功率点之后记录好周围和环境因素，如气温、气压等同时做好相关记录，做出该最大功率点对应的实际情况，在日后进行光伏电池组装的过程中进行合理的利用，在遇到情况和记录情况相似或相同时就直接采用记录的情况进行设置，从而实现最大功率的输出，提高光伏电池的输出效率，降低光电生产的中体成本。

三、结束语

总而言之，通过对几种比较常见的最大功率输出点测定的方法进行研究比较可以看出，恒定的电压控制方法比较简单而且具有较强的可操作性，但是在跟踪精度上较差，在外环境发生比较大的变化时难以进行及时的跟踪从而会产生较大的误差。而爬山法简单实用跟踪效率较高，但是在输出最大功率点的过程中会发生输出震荡。电导增量的方法比较快速稳定，但是因为实际光伏伐蒂娜系统中的电流和电压传感精度比较有限，这就会导致电导增量难以达到预期的跟踪效果。本文一般采用对传统爬山法进行改进，通过对试验数据进行模拟性仿真，通过仿真的试验来证明改进后的方法能够克服传统爬山法存在的震荡现象和总体能量的损失，从而实现了电路启动过程中最快速和最稳定的最大功率输出跟踪，提高光伏电池的工作效率。

参考文献：

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[2]李海玲.光伏产业路线图：北京光伏产业技术路线图研究[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]孙哲.一种实用在线式UPS的设计[D].大连连理工大学，2012.

最大功率篇3

关键词： 跟踪算法；控制系统；太阳能；逆变器

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）16-0049-02

0 引言

目前世界能源消费结构仍以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，这些能源都是不可再生的一次能源。由于对能源需求持续、迅速的增加，一次能源的短缺，迫切需要发展可再生能源。风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等都是可再生能源，其中太阳能以其独有的优势受到重视。从能源供应来看，太阳能是可持续利用绿色能源。太阳能必将成为21世纪最重要的能源之一。太阳能利用的主要方式就是利用太阳能发电。目前太阳能光伏发电系统的主要问题之一是电池的转换效率低，如何提高太阳能电池板的发电效率是一个需要研究的重要课题。太阳能电池板的发电效率一般在15%～17%，太阳能电池板所发电能有最大功率输出特性，可以根据这一特性通过算法实现最大功率的输出，这就是太阳能最大功率点的跟踪问题，对合理利用太阳能，提高发电效率很有意义。

1 太阳能最大功率点跟踪控制系统

1.1 系统方案比较与选择 跟踪系统可采用恒定电压跟踪法或扰动观察法。恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式，它使用曲线拟合方法。工作原理是：当忽略光伏电池的温度效应时，光伏电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压恒定的一根垂直线，亦即只要保持光伏电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证在该一温度下光伏电池输出最大功率。扰动观察法就是要引入一个小的变化，进行观察，与前一个状态进行比较，根据比较结果调节光伏电池的工作点。通过改变光伏电池的输出电压，实时采样光伏电池的输出电压和电流，计算出功率，然后与上一次计算的功率点进行比较，如果小于上一次的值，则说明本次控制使功率输出降低了，应控制使光伏电池输出电压按相反的方向变化，如果大于则维持原来增大或减小的方向，这样就保证了使太阳能输出向增大的方向变化，如此反复的扰动、观察与比较，使光伏电池板达到其最大功率点。

恒定电压跟踪法控制简单，易实现，系统不会出现因给定的控制电压剧烈变化而引起振荡，具有良好的稳定性。缺点控制精度差，系统最大功率跟踪的精度取决于给定电压值选择的合理性。控制的适应性差，当系统外界环境，如太阳辐射强度，太阳能电池板温度发生改变时系统难以进行准确的最大功率点跟踪。当太阳辐射强度相同而温度不同时，太阳能光伏电池的最大功率点并不是在某一固定的电压下，因此跟踪最大功率点失效。扰动观察法控制思路简单，实现较为方便；可实现最大功率点的动态跟踪。但跟踪到最大功率点时，会在最大功率点附近振荡运行，造成一定的功率损失。因此系统选用扰动观察法。

1.2 系统介绍 图1为系统框图。将太阳能电池板的输出电压、输出电流以及BOOST电路输出电压信号经检测后送到控制器，经控制器运算处理得到开关管占空比，用以控制BOOST电路，从而调节光伏电池输出功率，这个过程反复进行直到系统工作在最大功率点。

图2为系统总体原理图。太阳能电池板的输出电压、输出电流以及BOOST电路输出电压，作为最大功率点算法（MPPT）的输入参数，送入A/D转换器，经过采样后得到当前系统参数，通过最大功率点算法与寻找最大功率点并计算调节输出PWM波占空比，控制BOOST电路开关管，调整太阳能电池的输出功率，使其一直向着最大功率点方向调整，实现系统最大功率点跟踪。在本文所设计的太阳能最大功率跟踪系统中，硬件电路分为六个模块，控制模块、PWM产生模块、A/D转换模块、BOOST电路模块、采样、调理电路模块、驱动电路模块。其中控制模块主要是进行对A/D转换模块的数据进行运算，寻找最大功率点，控制PWM模块输出占空比。其中控制模块、PWM产生模块、A/D转换模块由TI公司的TMS320F2812DSP完成。

2 控制系统软件设计

控制系统主要功能是采集BOOST电路输入电压、电流和输出电压，根据MPPT算法调节PWM波占空比，以实现调节电路电压及电流。软件总体分为四个部分：主程序模块，CPU定时器中断子程序，A/D采样程序，MPPT运算程序。各部分的结构和功能概述如下：主程序模块主要完成系统的初始化，相关寄存器设置，然后循环调用其他程序模块，完成系统的功能。程序在初始化时打开CPU定时器中断，通过产生中断达到定时对电压、电流采样的目的，电压和电流的检测通过A/D采样程序完成，并在A/D采样程序中对n个采样值进行了平均求值，提高采样的准确性。MPPT运算程序就是对前面所述最大功率点跟踪算法的计算机程序化。通过该程序模块可以计算出对应于最大功率的输出占空比，给出相应的PWM波形控制BOOST电路。

3 改进的最大功率跟踪算法

根据并网逆变器逆变直流侧电压的要求，首先配置太阳能光伏电池为最大输出功率点电压附近（标准检验条件下）。使系统能快速的满足逆变并网的要求，在这以后用扰动观测法能快速找到最大功率点输出。为了避免此方法在最大功率输出点附近易振荡运行的缺点，提出改进的扰动观测法。该方法在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右依次取A，B，C三个点，UA和PA，UB和PB，UC和PC分别对应各点工作电压和功率。设UB为初始最大功率点Umax，U是一个预先设定用于电压步长调整的常量。在判断三点电压值的调整方向时可能出现图3、4、5和6所示的情形。当P AP C时，A点方向为最大功率点方向；当P A>P B且P B

具体步骤如下：首先采用较大步长扰动观测方法初步找到最大功率点。为了使控制更精确，在初步找到最大功率点后，采用小步长的扰动观测方法，找到最大功率点，以达到精确控制目的。一般来说短时间内如果天气不发生突变的情况下，最大功率点变化很小，因此使系统工作在此最大功率点，20分钟后，继续采用小步长的扰动观察法寻找最大功率点，这样就能快速实现最大功率点的寻找。

4 最大功率算法程序设计

最大功率算法流程如图7所示，首先确定Boost电路输出电压是否在限定范围内，如果不在有效范围内，令DIR=0，说明这是一种特殊情况暂时不用调节，如果在有效范围内则进行调节，当系统初次调节时，此时CONT=0、Flag=0，调用Adcfirst（ ）函数采取大步长的方法采样，每隔30秒对系统采样一次，并且计数值CONT加一，三次采样完成后经计算依次得到上面介绍的B、C、A三个点功率，比较得出扰动方向，再调用PWM（）函数采用大步长扰动调节，每次扰动调节时间间隔为30秒，当初步找到最大功率点时令Flag=1，此时说明以后的调节采用小步长扰动调节。调用Adcsecond（ ）函数采取小步长的方法采样，每隔30秒对系统采样一次，并且计数值CONT加一，三次采样完成后经计算依次得到B、C、A三个点功率，比较得出扰动方向，再调用PWM2函数采用小步长扰动调节，每次扰动调节时间间隔为30秒，当找到最大功率点时令DIR=0，说明最大功率点已经找到。此时定时20分钟，让系统在此最大功率点工作。定时完成后，此时Flag值为1，即以后采用小步长扰动调节。

5 系统的调试及结论

对控制系统总体进行了调试，结果表明采用改进扰动观测法的控制系统实现了良好的控制功能，避免了快速振荡现象的出现。本文提出的控制原理，可在一定程度上提高光伏系统的转换效率，控制方法未增加系统的复杂性。

参考文献：

[1]清华大学电子教研组编，阎石主编.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，1998.

[2]张永瑞等编.电子测量技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

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[5]万山明等.TMS320F281X DSP原理及应用实例.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

最大功率篇4

关键词：太阳能；光伏系统；最大功率跟踪；MATLAB仿真

在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天，太阳能作为新兴的可再生能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域限制等的优点，受到了一致青睐，正得到迅速的推广应用。在太阳能的各种应用中，光伏电池应用倍受关注。针对目前太阳能发电利用效率仍较低、供电稳定性较差的问题，文章将学习研究光伏电池最大功率点跟踪算法及实现，借用MATLAB的Simulink工具建立光伏电池的数学模型，就扰动观察法实现最大功率跟踪的方法进行介绍和仿真分析，研究影响最大功率点的主要参数，并分析研究它们之间相互的关系及曲线变化。

1 太阳能电池输出特性及模型分析

典型的太阳能电池的I-V方程为：

式（1）中IL为光电流；I0为反向饱和电流；q为电子电荷；K为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；A为二极管因子；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。

工程用太阳电池模型通常要求供应商提供几个重要技术参数，如Isc、Voc、Im、Vm、Pm。以下在基本解析表达式（1）的基础上，通过两点近似：（1）忽略（V+IRs）/Rsh项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流；（2）设定IL=Isc，这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻，开路状态下，I=0，V=Voc。按此，太阳能电池的I-V方程可简化为：

在最大功率点时， V=Vm，I =Im，可得

注意到开路状态下，当I=0时，V=Voc，并把式（3）代入式（2）得

由于exp（1/C1）>>1，忽略式中的-1项，解出C2

最后的太阳电池模型特性由（2）确定。

为了对光伏电池性能进行仿真，在MATLAB里选择用m文件编写，利用MATLAB提供的S函数接口，通过编写S函数来建立光伏电池的模型，它具有简单实用的特点，是建立光伏电池模型的不错选择。首先需要编写M文件，创建函数Ipv=fcn（S，Rs，T，Vpv）来求电流值I。

图1 光伏电池Simulink仿真模块及程序文件

2 扰动观察法实现最大功率跟踪

扰动观察法的实现原理是测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量（或称之为扰动），其输出功率会相应发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续原扰动方向。如果减小则改变原扰动方向。如果电压增加了，功率也增加了，或者电压减小了，功率也减小了，说明工作点位于最大功率点的左侧，下一步需要增加电压；如果电压增加了，而功率减小了，或者电压减小了，功率增加了，说明工作点位于最大功率点的右侧，需要减小电压。其最后的结果是工作点在最大功率点附近来回振荡。

定步长扰动观察法的实质是基于太阳能电池阵列输出功率的计算和采样电压和电流值计算的功率变化，比较前一个和当前的电压值来检测功率变化，计算出参考电压Vref用于产生PWM（脉宽调制）的控制信号。其中ΔV为占空比间隔，决定功率变化的步长。如果步长值较大，则系统响应快，但不准确；相反，如果步长值太小，则系统反应慢，但相对精确。通过对Vref的不断调整，最终可以搜索到最大功率点。

3 仿真实验与结果分析

根据以上定步长扰动观察法思想，通过成比例地增加或减少变换器的输入电压，移动操作点向最大功率点靠近，同时计算变换器所需要的占空比，然后基于占空比产生变换器所需的脉冲信号用以控制开关管的开通与关断。在MATLAB中，利用上面建立的光伏电池模型，在MATLAB中建立MPPT仿真环境。电压、电流检测装置检测出当前太阳电池工作点的电压电流值，计算功率相对电压的变化率，通过扰动观察法实现太阳能电池阵列的最大功率跟踪。

众所周知，温度和光强度是影响太阳能电池发电的两种主要因素。利用太阳能光伏电池发电，我们希望能获得最大功率输出的能量。实际上，随着外界环境的变化，就需要所建立的光伏电池膜性能快速的跟踪外界环境的变化，保持光伏系统的最大功率输出。基于此，图2给出了标准光强下，温度从25℃升高到30℃，然后从30℃缓慢降到20℃，光伏电池的电压、电流的仿真波形。

图2 温度变化时，光伏系统电压、电流变化曲线

从图2可以看出，当外界环境变化时光伏电池能快速的跟踪最大功率点且跟踪精度较高。另外，光伏电池的电压电流随温度变化的情况也严格符合上述光伏电池的输出特性。即当温度下降时，光伏系统的开路电压降低，短路电流上升，当温度升高时，光伏系统的开路电压上升，短路电流降低，并且温度对开路电压影响更加明显。

4 结束语

随着新能源在未来的广泛使用，光伏发电系统必然会发挥它重要的作用，作为系统的核心部件，最大功率跟踪部分仍有一些问题需要解决。光伏电池数学模型需要进一步完善，希望能把风速、湿度等小的影响因素加进去，使得数学模型更接近实际光伏电池特性；如何更高效的将光伏电池产生的电能输送，这需要对MPPT进行更深入的研究。

参考文献

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[3]苏建辉，余世杰，赵为.硅太阳电池工程用数学模型[J].太阳能学报，2001，22（4）：409-412.

最大功率篇5

关键词： 无线电能传输； 磁耦合谐振电能传输； 功率输出特性； 最大功率点追踪

中图分类号： TN911?34； TM72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）12?0143?03

0 引 言

随着对无线电能传输系统的研究越来越深入，越来越多的设备开始采用无线的方式进行供电，如：移动设备，体内植入医疗装置[1]，特种机器人甚至电动车辆等[2]。采用无线电能传输系统可以使用电设备与器件电源完全隔离开来，从而获得更好的灵活性以满足特殊的需求。常用的无线电能传输系统的类型有感应式，微波，超声波以及磁耦合谐振式[2]，由于磁耦合谐振式无线电能传输系统在传输距离、效率和安全性等方面比较均衡而成为最近的研究热点之一。目前的研究主要集中在无线电能传输系统的效率、距离以及功率上[3?5]。然而由于磁耦合谐振式无线电能传输系统的敏感特性，导致其负载与耦合系数对该系统的功率输出的影响也是十分显著的。在很多实验中，该系统的输出功率往往在两线圈处于某一个距离时出现峰值，过近或过远都会导致功率明显下降[4?5]。本文主要针对该系统的功率输出特性进行分析和优化。

1 理论分析

1.1 系统分析与模型建立

图1是经典的磁耦合谐振式无线电能传输系统的电路拓扑，线圈L1和它的谐振电容C1组成发射端的谐振回路，由正弦电压源Us驱动，回路的电阻为R1。线圈L2和谐振电容C2组成接收谐振回路，R2为接收谐振回路的内阻，Rload是负载电阻。

在磁耦合谐振式无线电能传输系统中正弦电压源Us的频率与发射，接收谐振回路的固有谐振频率相等，即此电路工作在谐振状态。如图1所示，在磁耦合谐振式无线电能传输系统中，根据KVL定理可以列出其发射与接收谐振回路的方程组：

经过整理后，式3与戴维宁电路描述式[I=URin+Rload]相匹配，因此从负载电阻来看整个磁耦合谐振式无线电能传输系统的有源二端口网络可以做如下戴维宁等效变形为图2所示模型。其中[Ud=UsωMR1]，[Rin=][ω2M2R1+R2]，则磁耦合谐振式电能传输系统的功率输出特性可以等效成为一个频率为[ω]幅值为Ud内阻为Rin的交流电源。在工程应用中耦合谐振式电能传输系统往往是作为设备的电源部分进行考虑的，因此该简化模型在设计磁耦合谐振式电能传输系统时，可以帮助设计者根据实际负载需求来确定所需系统参数，从而完成自顶而下的设计。

1.2 输出特性分析

在一个发射与接收谐振回路的参数都确定了的系统中，磁耦合谐振式无线电能传输系统从负载端来看其等效内阻Rin，开路电压Ud与耦合系数k的关系如图3所示。

由此可见，在磁耦合谐振式电能传输系统中，Rin和Ud随耦合系数k的变化而变化，k越大内阻Rin和开路电压Ud也越大，其中以内阻Rin的变化最为明显，而当发射回路与接收回路确定时，耦合系数k是惟一的变量，它由两线圈的相对位置和距离决定。系统最大输出功率在负载电阻Rload=Rin时取得，其值为[Ud2Rin]。因此要在负载端取得最大功率输出，为保证等式成立负载电阻Rload必须也随耦合系数k的变化而变化。否则将出现偏离既定位置时，不论是距离增大还是缩小只要引起耦合系数k的改变，负载上取得的功率都将减小。定值负载电阻上取得的功率PR、系统最大输出功率Pmax与耦合系数k的关系如图4所示。

图4中定值电阻仅能够在一个确定的耦合系数下趋近最大输出功率Pmax。而在其他耦合系数下负载所获得的功率都会产生明显降低而无法达到系统所能够提供的最大输出功率Pmax，因此在磁耦合谐振式无线电能传输系统中定值负载仅能够在接收与发射线圈处于某个距离和位置上才能获得最大功率，由于无线供电系统的灵活性，很多发射线圈与接收线圈的距离和位置是不定的，这就导致负载仅能够在一个相对较小的空间范围内获得充足的功率，而一旦脱离这个区域功率就会迅速下降。这在电机驱动，照明，电池充电等对功率要求较高的设备上尤为致命。为了解决此问题可以设计一个最大功率点追踪电路追踪最优阻抗，在系统最大容量Pmax允许的范围内保证负载能够稳定接收到足够大的功率。

2 MPPT电路设计

2.1 功率硬件部分设计

MPPT 可以由可控的直流侧阻抗变换来实现。即利用可控DC?DC电路进行负载的阻抗变换。其功率部分选用的SEPIC型DC?DC电路拓扑，使用电压电流传感器检测负载功率。MCU使用爬坡算法来追踪最大功率点。一种MPPT方案如图5所示。

SEPIC电路是升降压型DC?DC电路，其输出电压Uout与占空比有关：

[Uout=tontoffUin] （4）

则SEPIC电路对负载电阻进行了阻抗变换，变换后的阻抗Re为：

[Re=t2offt2onRload] （5）

由式（5）可知，通过MCU控制SEPIC电路中MOSFET的导通和关断就可以对负载进行阻抗变换，以保持变换后的阻抗Re能够接近系统的内阻。具体设计时MCU通过电压、电流传感器获得负载当前功率，然后通过调整SEPIC电路占空比来控制MOSFET动态追踪当前的最大功率点。

2.2 软件部分设计

由图4可以得出，在一个确定的耦合系数k下，有且仅有一个负载电阻值能够使功率最大化，阻值偏大或偏小都会导致功率减小，因此可以基于此思路设计MCU的追踪算法流程图如图6所示。

3 实验及结果

试验采用400 kHz频率的磁耦合谐振式无线电能传输系统，发射与接收线圈直径为24 cm的圆形铜管，使用10 Ω定值电阻作为负载电阻Rload进行试验，记录6个不同距离点下负载端的功率，然后加入MPPT环节再次进行试验，记录相同距离点的负载端功率。实验装置如图7所示。根据圆形线圈磁通量计算公式将距离换算为耦合系数，则原负载上获得的功率PR与加入MPPT环节后获得的功率PMPPT的实验数据如图8所示。

4 结 语

实验数据表明，加入此MPPT方案的无线电能传输系统能够在较宽的范围内使负载能够获得较高的功率，而原系统仅能够在某一段相对较窄的距离上获取峰值功率，虽然由于SEPIC电路所产生的开关电能损耗，导致实际测量值与理论值有少量差距。然而加入MPPT环节依然能够使负载在较大范围内获得的功率显著增加。

参考文献

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最大功率篇6

【关键词】光伏电池;最大功率跟踪;H桥式电路;MSP430;PWM波

引言

光伏发电是可再生能源利用的重要技术方式，是近几年发展最快的产业之一。但是光伏发电存在两个主要问题：第一，光伏电池的输出特性受外界环境影响大，当温度和光照，辐射强度变化时，其输出特性会发生较大的变化;第二，光伏电池的转换效率低而且价格昂贵，初期投入较大.因此，为提高太阳能的利用率，通常在光伏电池和负载之间串联最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking ，MPPT）电路，简化了相关的硬件设计，且避免了功率等变量繁琐的控制算法，从而实现最大功率输出。

1.设计方案及基本原理

光伏电池输出特性具有非线性特征，其输出电压和功率受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以有不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率曲线的最高点，称之为最大功率点。光伏电池内阻受光照等影响而改变，从而流出光伏电池的电流是个变量。系统在光伏电池输出端设计了采样电阻，由A/D芯片采样其上的电流，再通过最大功率跟踪控制器找出太阳能电池最大功率点。

1.1 系统设计方案

系统由四个模块组成，如图1 系统设计方案所示。

（1）主电路

主电路实现了一个可控的电流恒定。由四IRF540 MOSFET管、两个电解电容四个二极管等组成的H桥电路。

（2）电流、电压采样电路

为了实现电流的恒流，对电流进行采样，在每一次给定的电流恒定时，采集负载两端的电压值。

（3）控制芯片

控制电流恒流并计算电流恒流下的功率P，得出光伏电池最大的输出功率P。并将该功率输送到电网上。

（4）驱动电路

驱动电路对控制芯片给出的信号进行功率放大，用来驱动主电路。

1.2 基本原理

主电路由四IRF540 MOSFET管、两个电解电容四个二极管等组成的H桥电路，其目的是为了实现一个可控的电流恒流.

IRF540 MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此选用了IRF540作为构成H桥电路的桥臂。H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。在本装置中，需要功率双向流动，也就是在Q1、Q4导通且Q2、Q3关断到Q1、Q4关断且Q2、Q3导通这两种状态间转换。因此要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，因此，运用单片机产生两组具有死区时间的互补PWM波来改变占空比，从而控制四个MOS管的通断（见图1）。

主电路输入侧并联一个大电容使得输入侧电压脉动很小，大电容具有储能作用，既保护输入端电路又可以使电压很稳定。两个332小电容可以消除输出波形的毛刺，使得输出波形稳定.然后经过LC滤波进一步使得波形更加的稳定.

2.系统软件设计

为了实现最大功率点跟踪（MPPT），采用了电流扰动法观察法（Perturb and Observe）主要分以下三步。

1）改变光伏电池的输出电流，间接改变光伏电池输出的。由MSP430输出一个占空比可调的两路互补的PWM波（带有死区时间1us），通过调节占空比控制信号，控制H桥式电路四个MOS管的通断时间，来改变光伏电池的输出电流。

2）PI调节实现电流恒定。根据设定的电流参考值Iref，和反馈的电流值I，得到误差通过?I，PI调节占空比，实现主电路中电流I的恒定（即实现了恒流环）。

3）MPPT算法实现光伏电池保持最大功率MPP的输出，通过MSP430调节PWM波实现恒流，在恒流条件下对电压采样，就能够得到对应电流下的功率P，即实现了对功率P的控制。本系统通过一定的MPPT算法（采用的是电流扰动观察法），即：通过PI控制器，控制主电路中的电流值Iref，从0给定开始，逐步增加电流给定值（步进大小为0.01A），在每一次

给定的电流恒定时，采集负载两端的电压值，计算出此时的功率P（n），与上次功率P（n-1），进行比较，若增大了，继续增大电流的给定，若减小了，则上次给定的电流的位置，即为最大功率点（MPP： Maximum Power Point）。

如果环境改变引起系统有扰动，重复上一次的工作，将主电路中的电流值Iref，从0给定开始，逐步增加电流，在每一次给定的电流恒定时，再次计算出最大功率点，实现最大功率点的跟踪。

该控制思想简单，控制易实现得到广泛的应用。

3.评测和结论

测试原理是将蓄电池等效为一个电压源和一个可变电阻，直流电网等效为一个电压源和一个固定电阻，根据理论分析可知如果蓄电池的输出电压是电压源额电动势等于的二分之一，此时，蓄电池输出功率最大。实验结果如表1所示。

表1 实验结果

电动势E（V） 电池输出电压（V） 电池输出电流（A） 内阻R（Ω） 负载电压（V） 负载电流（A）

10 5.14 1.31 3.92 6.6 0.45

11 5.34 1.53 3.49 7.13 0.486

12 6.37 1.51 4.21 7.99 0.548

13 6.75 1.69 3.99 8.652 0.589

14 6.92 1.90 3.64 9.14 0.622

由表1可知：

所以该系统达到设计要求。能够实现最大功率的跟踪。

参考文献

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最大功率篇7

关键词：无氧能力；身体素质；相关关系

中图分类号：G804.23文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)07-0939-03

Wingare Anareobic Test(WAT)是当前公认的对人体进行无氧和有氧能力测试的方法。自1970年Wingate无氧测试被提出并运用于实践，一直以来是测试高功率运动的运动能力、训练效果和训练方法的一个重要测试手段。身体素质与无氧工作能力的关系如何，通过身体素质训练能否提高无氧工作能力，这个问题还有待于进一步研究。本文通过对体育系与普通系的大学生身体素质的测试结果与无氧工作能力的相关性进行分析，了解身体素质与无氧工作能力的相关性。

1研究对象与方法

1.1研究对象

实验对象为温州大学体育学院体育系2004届的40名女生和浙江科技学院普通系2004届的40名女生，其基本情况见表1。

1.2测试仪器握力计、背力计、秒表、瑞士产Monark894E无氧功率自行车、纵跳仪。

1.3测试指标纵跳高度、背力、握力、安静时心率、100 m、800 m成绩（以最近期一次100 m、800 m测试的成绩为准）。

功率根据纵跳高度测的的数据进行计算，利用功率计算公式P=W√0.5 gH ×9.8得出功率。W为体重（kg），H为纵跳高度(m) ，g为重力加速度(m/s2) ，P为功率（J/s）。

Wingate测试：让受试者带上心率摇测仪，确认心率表已经工作正常，记下受试者运动前的心率，试验步骤首先是准备阶段，让运动员在自行车上试验性骑行，心率达到130 b/min左右，期间进行2～3次5 s左右的全力骑行。接着休息3 min，心率降至110次/min。然后正式试验，计算出适宜负荷，负荷为0.075让受试者进行30s最大用力骑行，结束时记录即刻的心率。最后是放松阶段，让受试者放松骑2～3 min，或放松跑2～3 min，电脑中就记录下了受试者的最大功率(PP)，平均功率(AP)、最小功率(MP)和疲劳指数(%)。

1.4统计学分析利用spss12.0对数据进行偏相关关系。

2结果与分析

2.1WAT75测试结果一般认为，在Wingate无氧实验中，PP反映肌肉在短时间内产生高机械功率的能力，在很大程度上取决于瞬间爆发力的水平，可作为评价磷酸原供能能力的一个重要指标。Ap则反映肌肉维持高功率的耐力，可以评价糖酵解系统供能能力。体育学院女大学生的PP值和AP值明显小于以往的文献资料报到的值，这可能与实验中所采用运动负荷的标准不一样造成的。实验数据显示，PP、 PP/kg、AP、AP/kg、MP、MP/kg 等测试结果体育系女大学生均优于普通系的大学生，组间比较具有显著性差异，说明体育系女大学生的无氧工作能力明显优于普通系的学生。

疲劳指数为(最大功率-最下功率)/ 最大功率×100，反映无氧供能情况下的疲劳程度，其值越低说明疲劳程度越小，肌体的抗疲劳能力越高。通过对疲劳度的计算，根据Wingate无氧功率实验的疲劳指数标准对受试者的成绩进行了统计，最大值为58.67，最小值为20.98，其中优秀占42.5%，良好占17.5%，合格为7.5%，差为17.5%。实验结果表明，体院女生疲劳指数平均成绩为68.37分。实验结果表明，体院女生的抗疲劳的能力一般。

2.2身体素质与无氧能力的相关分析

2.2.1100 m成绩与无氧能力的相关分析100 m跑是径赛项目中距离最短、速度最快、运动强度最大的项目。Willian等报道，100 m全力跑时间为11 s，无氧代谢供能约占90％。体育系女大学生的100 m成绩与最大功率和最大功率／体重呈正相关、中度相关；与最小功率、最小功率／体重、平均无氧功率、平均功率／体重呈正相关、弱相关。普通系女大学生的100 m成绩与最大功率／体重呈正相关、中度相关，与最大功率、最小功率、最小功率／体重、平均无氧功率、平均功率／体重呈正相关、弱相关。由100 m成绩与无氧工作能力的相关性分析可以看出，100 m成绩是衡量受试者无氧运动能力的一项很好的标准（表4、表5）。

2.2.2纵跳高度与无氧能力的相关分析体育系女大学生纵跳高度与最大功率呈正相关，与最小功率、平均无氧功率（M-AnP）呈负相关、弱相关。纵跳高度与最大功率／体重、平均功率／体重呈中度相关。与最小功率／体重不相关。普通系女大学生纵跳高度与体育系测试结果的相关性基本上一致。说明，最大功率／体重、平均功率／体重的能力越强，学生的纵跳能力相对越好（表4、表5）。

2.2.3立定跳远成绩与无氧能力的相关分析普通系和体育系女大学生立定跳远成绩与最大功率、最小功率均弱相关与平均功率均不相关；与最大功率／体重、最小功率／体重均呈中度相关，与平均功率/体重呈弱相关。立定跳远成绩的大小主要与爆发力有关，主要以磷酸原供能，受试者立定跳远成绩与最大功率／体重、最小功率／体重均呈中度相关，说明体重因素也是影响跳远成绩的一个主要原因（表4、表5）。

2.2.4力量素质与无氧能力的相关分析体育系女大学生握力与最大功率不相关，与平均无氧功率（M-AnP）、最小功率呈正相关，相关系数不大，为弱相关。握力与最大功率／体重、平均功率／体重呈负相关呈负相关、弱相关，与最小功率／体重不相关。普通系女大学生握力与最大功率和平均无氧功率呈中度相关，与最小功率呈弱相关（表4、表5）。

体育系女大学生背力与最大功率、最小功率、平均无氧功率均不相关。背力与最大功率／体重、平均功率／体重呈负相关，与最小功率／体重也不相关。普通系女大学生背力与最大功率／体重、平均功率／体重呈中度相关，与其它指标均不相关（表4、表5）。

2.2.5800 m成绩与无氧能力的相关分析

体育系女大学生800 m成绩与最大功率不呈相关关系，与最小功率、平均无氧功率呈负相关，且为弱相关。成绩与最大功率／体重、最小功率／体重、平均功率／体重均不相关。普通系女大学生800 m成绩与平均无氧功率、平均功率／体重呈弱相关。说明800 m成绩与人体的无氧工作能力的关系不大(表4、表5)。

2.2.6心率与无氧能力的相关分析体育系女大学生安静心率与最大功率、平均无氧功率呈负相关，弱相关，与最小功率不相关。安静心率与最大功率／体重呈弱相关与平均功率／体重、最小功率／体重不相关。普通系女大学生的安静心率与以上指标均不相关。说明安静时的心率与人体的无氧工作能力无关。

体育系女大学生最大心率与最大功率无相关性，与最小功率、平均无氧功率均呈负相关，弱相关，与最小功率呈负相关，弱相关。最大心率与最大功率／体重不相关，与平均功率／体重、最小功率／体重呈正相关、中度相关。普通系女大学生也呈现相同的结果。说明运动时的最大心率与人体的耐力水平有一定的关系（表4、表5）。

3结论与建议

1) 通过测得指标对Wingate测得的无氧功率的相关性比较，表明100 m成绩、最大心率、立定跳远是相对较好的评判个体无氧代谢能力的指标。

2) 通过查阅相关评分标准得出体院女生疲劳度一般，虽然占优秀的人数不少，但同样不及格的人数也还占17.5%，针对体院女生抗疲劳的有氧耐力训练还有待于加强。

3) 建议在对体育院校体育专业本科和普通系女生教学训练中，有针对性地加强无氧代谢能力和身体素质方面的教学与训练，以提高学生的身体机能，形态，素质和水平。

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最大功率篇8

关键词:负载牵引;开关类;功率放大器;最优阻抗;功率附加效率

中图分类号:TN722.7+5文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-191-02

Application of Load-pull in Switch-mode Power Amplifier Design

SUN Dianju,WU Xuejie,HOU Lei,LIU Ru

(Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract:To improve the accuracy of switch-mode power amplifier design and find the power amplifier optimum impe-dance,load-pull approach is adopted to design switch-mode power amplifier,the optimal output impendence is obtained,output and input matching network and harmonic traps are designed,the simulation results show that the power-added efficiency of 69352% with the input power of 28dBm is achieved,load-pull provides quick and efficiency approach,raises large-signal model accuracy for improving switch-mode power amplifier design and performance.

Keywords:load-pull;switch-mode;power amplifier;optimum impedance;power added efficiency

0 引 言

负载牵引法是微波通信电路设计领域一种实用的方法,能够用于测量器件在实际工作状态下的性能,并且这种方法可以用于大信号和非线性条件下的功率放大管的测量。

功放的输出功率主要取决于有源器件的负载阻抗,通过改变不同的负载阻抗值,测试功放的性能,这就是负载阻抗牵引的基本原理,搭建一套实际的负载(源)阻抗牵引系统是很困难而且代价昂贵的,但是随着微波EDA技术的发展,利用软件方针实现负载(源)阻抗牵引是很方便的[1]。

本文采用的是美国安捷伦公司的ADS电子设计软件(Agilent Design System),ADS软件可以提供电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计,基于ADS的辅助设计将减少设计高精度高频RF/微波模块所需的步骤,并允许设计工程师在开始物理原型设计之前,做出可靠信息的决定和调整。

1 设 计

负载牵引方法可以通过不断调节输入和输出端的阻抗,找到让有源器件输出功率最大的输入、输出匹配阻抗。同理,也可以得到让功率管效率最高的匹配阻抗。这种方法可以准确地测量出器件在大信号条件下的最优性能,反映出器件输入,输出阻抗随频率和输入功率变化的特性,为器件和电路的设计优化提供了坚实的基础[2]。

开关类功率放大器(D类,E类和F类)中输出级MOS管被过驱动为一个开关管使在整个周期内电源提供的直流功耗为零,晶体管不消耗任何功率并且其效率在理想情况下为100%[3]。

在F类电路实现上,只考虑三阶谐波并联谐振网络,对高于三阶的谐波被认为在输出漏端电容处短路,且高于三阶的谐波并联谐振网络增加了无源元件的损耗,对性能提高并不明显。

本文设计的是F类功率放大器。采用0.25 μm的飞思卡尔的GaAs工艺MSFG35010功率放大器晶体管[7]。 对功率管做直流仿真,取管子在AB类的偏置点,漏端直流供给电压Vds取12 V,栅源电压Vgs取-11 V。

对功放管进行负载牵引仿真。如图1所示。

图2表示了输出功率和效率的牵引曲线。在同┮惶醯雀呦呱系淖杩箍梢曰竦孟嗤的输出功率(效率),细实线为输出功率等高线,负载牵引曲线最中心点的阻抗值可以获得最大输出功率为38 dBm;粗实线为效率等高线在最中心的点的阻抗值可以得到最大效率为61%,最中心的点为最大值,的等高线每一个等高线下降一个1 dB功率,效率和功率曲线没有闭合是因为在某些阻抗点谐波平衡仿真器不收敛,或者此时阻抗令放大器不稳定造成的。

图1 负载牵引电路结构图

图2 输出功率和效率的牵引曲线

首先测试负载阻抗,得到最大输出功率的负载阻抗为7.161-j2.481 Ω,此时效率为29.55%,增益为31 dB。然后再进行源牵引仿真,将Z_l_fund的值改为7.161-j2.481 Ω,其他条件不变,电路测试见┩1。通过仿真结果可以看到不同源阻抗下得到的输出功率和效率曲线,可得到最大效率为32%,最大输出功率的源阻抗为6.57-j14.3 Ω,接下来再回到负载牵引里面将Z_s_fund改为6.57-j14.3 Ω,再进行负载牵引,得到最大效率为61%时最佳负载阻抗值为7.311-j7.596 Ω。最终最佳负载阻抗和源阻抗不再变化,得到需要的值。

要实现最大的功率传输,必须按照负载牵引和源牵引所得的最佳输入和输出阻抗来设计匹配网络,实现上述匹配通常采用的匹配方法是在输入和输出端加入L型匹配网络。根据阻抗匹配理论,利用ADS里面的smith chart对输出匹配,将负载50 Ω匹配到功放管输出端需要的值,设计输出端的匹配电路。同样的道理,设计输入端的阻抗匹配电路,最后得到的完整的F类功率放大器的电路如图3所示。

最后测试此F类功率放大器电路的输出功率和输入功率变化关系以及功率附加效率和增益变化如图4和图5所示,图4中纵坐标轴为输出功率,横坐标轴为输入功率值,图5中纵坐标为功率附加效率,横坐标为输出功率。结果表明当源功率为28 dBm时,输出功率为37.739 dBm,功率附加效率为69.352%,很好地实现了F类功率放大器高效率的作用和特征。

图3 F类功率放大器的电路结构图

图4 输出功率随输入功率变化图

图5 功率附加效率的变化图

2 结 语

功率负载牵引法在经过验证后,通过测量功放管的输入,输出匹配阻抗,可以准确地描述出微波功率晶体管在大信号,非线性情况下的各种特性及最优阻抗值,例如最大输出功率,附加效率和器件输入输出阻抗等,弥补了基于小信号S参数的器件模型的不足,进而为优化电路性能奠定了基础。由此可见,功率负载牵引方法为改进开关类功放电路设计,优化器件性能提供了快速而有效的方法,提高了大信号下模型的准确性。

参考文献

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