CN102013853B - 可提供直流电源的太阳能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可提供直流电源的太阳能控制系统及其控制方法，可提供直流电源的太阳能控制系统包括太阳能控制器和太阳能电池板阵列，其特征是太阳能电池板阵列的输出与太阳能控制器连接，太阳能控制器的输出直接连接到需要直流电源的用电器并与该用电器的直流电源侧的高压储能电解电容并联；太阳能控制器包括主控MCU、DC-DC隔离变换电路、DC电压隔离取样单元电路和DC电压取样单元电路，太阳能电池板阵列由二个以上的控制与变换单元组成，每个控制与变换单元包括一个太阳能电池板和一个MPPT与BOOST控制单元。本发明实现太阳能经DC-DC变换后与市电经过整流的直流电直接并联，其具有操作灵活、性能稳定和用范围广的特点。

Description

可提供直流电源的太阳能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种可提供直流电源的太阳能控制系统及其控制方法。

背景技术

已有的太阳能技术基本都是基于照明、大型发电工程等等；针对空调器、电冰箱等家用电器的电源的应用也都是把太阳能逆变成交流电后，再二次转换成直流电，由于多了一次逆变，效率较低；同时需要与市电同步，电路复杂；单独组网的在没有太阳时使用效果欠佳。

太阳能电池板一般是直接并联或串联，当出现某一块电池板出问题或被遮荫时，太阳能电池板阵列的工作将大受影响，出问题或被遮荫的电池板会异常发热，严重时整个电源系统甚至不能正常工作。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种结构简单合理、操作灵活、制作成本低、性能稳定、适用范围广的可提供直流电源的太阳能控制系统及其控制方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种可提供直流电源的太阳能控制系统，包括太阳能控制器和太阳能电池板阵列，其特征是太阳能电池板阵列的输出与太阳能控制器连接，太阳能控制器的输出直接连接到需要直流电源的用电器并与该用电器的直流电源侧的高压储能电解电容并联；太阳能控制器包括主控MCU、DC-DC隔离变换电路、DC电压隔离取样单元电路和DC电压取样单元电路，太阳能电池板阵列由二个以上的控制与变换单元组成，每个控制与变换单元包括一个太阳能电池板和一个MPPT与BOOST控制单元。

所述DC电压取样单元电路的输入与太阳能电池板阵列的输出连接，DC电压取样单元电路的输出与主控MCU连接。

所述DC电压隔离取样单元电路的输入与DC-DC隔离变换电路的输出连接；DC电压隔离取样单元电路的输出与主控MCU连接。

所述主控MCU的输出与DC-DC隔离变换电路相连。

所述控制与变换单元中的太阳能电池板的输出直接与MPPT与BOOST控制单元连接。

所述太阳能电池板阵列包括由二个以上的控制与变换单元串联构成的基本串联单元；或者，包括由二个以上的控制与变换单元并联构成的基本并联单元；或者，包括由二个以上的基本串联单元并联构成的并-串连阵列；或者，包括由二个以上的基本并联单元串联构成的串-并联阵列。

一种可提供直流电源的太阳能控制系统的控制方法，DC-DC隔离变换电路预设负载端输出电压值，该负载端输出电压值大于市电提供的负载端输出电压值，主控MCU3调整DC-DC隔离变换电路的输出电压的方法包括：DC隔离取样单元电路检测DC-DC隔离变换电路的输出电压，负载较重而低于预设定输出电压时，主控MCU不断的增加驱动脉冲信号的占空比，直至达到允许的最大值后不在增加，不足的能量将由市电提供；当负载较轻时，主控MCU调整驱动脉冲信号的占空比，输出电压达到设定的目标值后维持该占空比以使输出电压稳定在设定值上；当负载原因或太阳能电池板阵列的原因导致输出电压发生波动时，主控MCU根据DC隔离取样单元电路、DC取样单元电路的取样结果调整驱动脉冲信号的占空比。

所述BOOST电路预设太阳能电池板阵列的输出电压值，当DC-DC隔离变换电路的能量需求小于太阳能电池板阵列能提供的最大功率时，MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能关闭，BOOST电路以预设定的输出电压值进行控制；当DC-DC隔离变换电路的能量需求增加，不能够稳定在预设的电压值上，此时MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能打开，MPPT功能控制BOOST电路的输出占空比，使太阳能电池的输出能量达到最大。

本发明可提供直流电源的太阳能控制系统的DC-DC隔离变换电路通过预设负载端输出电压值，该负载端输出电压值大于市电提供的负载端输出电压值，当DC隔离取样单元电路检测DC-DC隔离变换电路的输出电压，负载较重而低于预设定输出电压时，主控MCU不断的增加驱动脉冲信号的占空比，直至达到允许的最大值后不在增加，不足的能量将由市电提供；当负载较轻时，主控MCU调整驱动脉冲信号的占空比，输出电压达到设定的目标值后维持该占空比以使输出电压稳定在设定值上；当负载原因或太阳能电池板阵列的原因导致输出电压发生波动时，主控MCU根据DC隔离取样单元电路、DC取样单元电路的取样结果调整驱动脉冲信号的占空比。另外，BOOST电路预设太阳能电池板阵列的输出电压值，当DC-DC隔离变换电路的能量需求小于太阳能电池板阵列能提供的最大功率时，MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能关闭，BOOST电路以预设定的输出电压值进行控制；当DC-DC隔离变换电路的能量需求增加，不能够稳定在预设的电压值上，此时MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能打开，MPPT功能控制BOOST电路的输出占空比，使太阳能电池的输出能量达到最大。通过上述控制系统及其控制方法，可以实现最大程度利用太阳能，减少对市电的依赖。

本发明通过把太阳能电池板单元和MPPT与BOOST控制单元组成一个控制与变换单元，然后将控制与变换单元进行串联、并联等组合，构成太阳能电池板阵列，可以实现太阳能电池板阵列中的每个太阳能电池板单元的最大能量输出，同时弱化个体的出现问题对整套太阳能电池板阵列的影响，提高在出现故障或异常情况下的太阳能电池板阵列的输出能量。太阳能经DC-DC隔离变换后，直接用直流电与市电经AC-DC变换后的直流电并联，减少了目前常见的DC-AC逆变后再经过AC-DC变换的环节，提高了变换的效率，同时也避免了与电网的市电进行同步，减少了技术的复杂度。

本发明避免了太阳能的二次逆变，同时可以实现在太阳能控制器内的市电转直流电后与太阳能电经隔离升压后的并联，并能实现可控的自由切换，实现了太阳能的最大化利用，同时在太阳能不足时利用市电不降低空调器、电冰箱等家用电器的实际使用效果。同时，由于针对单个太阳能电池板进行专用的MPPT控制与BOOST变换，利用BOOST电路的电流源特性与输出二极管的反向阻断特性，可以轻易的实现太阳能电池板阵列的不同规模的串联、并联、串-并联或并-串联，当其中的某一个或某几个太阳能电池板出现问题时，对整个太阳能供电系统的影响减到最小，在太阳能阵列配置合理时几乎不会影响其工作。

本发明中的控制与变换单元中的太阳能电池板单元的输出直接与MPPT与BOOST控制单元连接，由MPPT与BOOST控制单元进行太阳能的最大能力跟踪控制及BOOST升压变换。

本发明中的太阳能控制器及太阳能电池板阵列与输出的直流电是完全隔离的。当然，还可以根据实际的需要做成不隔离的。

本发明利用取之不尽的绿色能源太阳能来驱动空调器电冰箱等家用电器的运行，实现太阳能经DC-DC变换后与市电经过整流的直流电直接并联，可以实现太阳能电池轻易构成中/大型的阵列，具有结构简单合理、操作灵活、制作成本低、性能稳定、适用范围广的特点。

附图说明

图1为本发明一实施例的原理框图。

图2为本发明中的控制与变换单元的工作原理框图。

图3为本发明中的BOOST变换单元的工作原理简图。

图4为本发明中的DC-DC隔离变换电路的全桥电路工作原理图。

图5为本发明中的DC-DC隔离变换电路的CUK电路工作原理图。

图6为本发明中的基本串联单元示意图。

图7为本发明中的基本并联单元示意图。

图8为本发明中的串-并联阵列示意图。

图9为本发明中的并-串联阵列示意图。

图中：1为太阳能控制器，2为太阳能电池板阵列，3为主控MCU，4为DC-DC隔离变换电路，6为DC电压隔离取样单元电路，7为DC电压取样单元电路，8为控制与变换单元，81为太阳能电池板，82为MPPT与BOOST控制单元。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本可提供直流电源的太阳能控制系统，包括太阳能控制器1和太阳能电池板阵列2；太阳能控制器1主要由DC-DC隔离变换电路4、DC电压隔离取样单元电路6、DC电压取样单元电路7、主控MCU3组成；太阳能电池板阵列2由二个以上的控制与变换单元8组成，见图2所示，每个控制与变换单元8包括一个太阳能电池板81及一个MPPT与BOOST控制单元82。

太阳能电池板阵列2的输出与太阳能控制器1连接，太阳能控制器1的输出直接连接到需要直流电源的用电器，比如：空调器的直流电源侧，并与用电器的直流电源侧的高压储能电解电容并联。

DC电压隔离取样单元电路6的输入与DC-DC隔离变换电路4的输出连接，隔离取样电路使用公知的电阻分压加隔离运放电路，也可以采用隔离取样集成专用模块，还可以是带光耦的电阻取样网络的取样电路，及其他方式的隔离取样电路。

DC电压隔离取样单元电路6的输出与主控MCU3连接，用于检测DC-DC隔离变换电路4的输出电压，主控MCU3根据该输出电压进行输出电压的调节，通过调整DC-DC隔离变换电路4的驱动信号的占空比进行调整。

控制与变换单元中的太阳能电池板单元的输出直接与MPPT与BOOST控制单元连接，由MPPT与BOOST控制单元进行太阳能的最大能力跟踪控制及BOOST升压变换。

主控MCU3调整DC-DC隔离变换电路4的输出电压的方法是：当太阳能充足且负载适当时，输出电压可以达到设定值，此设定值一定要大于市电经过变换后的直流电电压，使得市电侧的直流电输出的不导通，从而市电供电完全截止，完全由太阳能电池提供能量。

当负载加重后和/或太阳能变弱时，此时太阳能的能量不足以满足负载的需求，此时电压下降，当下降到足够低之后，市电侧的直流电通过输出二极管将市电自动接入，此时太阳能按照启动MPPT功能按最大能力输出，具体表现为：当通过DC隔离取样单元电路6检测到DC-DC隔离变换电路4的能量需求较小时，MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能关闭，BOOST电路以预设定的输出电压值进行控制；随着DC-DC隔离变换电路4的能量需求的增加，最终不能够稳定在预设的电压值上，此时MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能打开并发挥作用，由MPPT功能来控制BOOST电路的输出占空比，此时太阳能电池的输出能量达到最大。

主控MCU3的输出与DC-DC隔离变换电路4相连，结合DC隔离取样单元电路6和DC电压取样单元电路7的取样输出一起，实现对DC-DC隔离变换电路4的驱动脉冲信号的控制，进而实现对DC-DC隔离变换电路4的输出电压的调整。隔离取样电路可以是带光耦的电阻取样网络，也可以是带隔离功能的运算放大器的输入使用电阻网络的取样电路，还可以是其他方式的隔离取样电路。

处于安全方面的考虑，太阳能控制器1及太阳能电池阵列2与输出的直流电是完全隔离的，中间使用高频安全隔离变压器进行隔离与能量的传送。

太阳能控制器1中的DC电压取样单元电路7的工作过程描述如下：太阳能控制器1的DC电压取样单元电路7的输入与太阳能电池板阵列2的输出连接，DC电压取样单元电路7的输出与主控MCU3连接，用于检测太阳能电池板阵列2的输出电压，使用电阻分压取样电路。DC-DC电压隔离取样单元电路6的输出与DC-DC隔离变换电路4的输出连接，输出与主控MCU3连接，用于检测DC-DC隔离变换电路4的输出电压，主控MCU3根据该输出电压值进行输出电压的调节。

参见图2，控制与变换单元8中的太阳能电池板81的输出直接与MPPT与BOOST控制单元82连接，由MPPT与BOOST控制单元82进行太阳能的最大能力跟踪控制及BOOST升压变换，其中MPPT技术采用公知的一般性技术，包括一个智能化的单片机及相关的外围电路。

控制与变换单元8中的太阳能电池板81的输出直接与MPPT与BOOST控制单元82连接，由MPPT与BOOST控制单元82进行太阳能的最大能力跟踪控制及BOOST升压变换。由于将太阳能单个电池板的电能输出直接连接了一个专属的MPPT与BOOST控制单元，这样就可以实现把太阳能电池及其控制单元作为一个整体参与构建电池阵列。MPPT功能可以实现太阳能的最大能力的利用，实现单块太阳能电池板的最大能力输出。而BOOST电路由电路理论可知是一种电流源型的变换电路，理论上利用BOOST电路可以实现与任意的电源电压并联，实际上还要受到BOOST电路所选择的器件的极限参数的限制，所有其输出可以在根据实际需要设计的BOOST电路允许的极限范围内的任意值的电压并联。

参见图3，控制与变换单元8的基本构成单元BOOST电路，其输出为一个二极管，利用二极管的单向导电特性及BOOST电路的电流源特性，可方便地实现多个基本单元的串联或并联。由于二极管的单向导电性，当该太阳能电池板或其控制部分出现异常时，二极管可以阻止并联输出端的电压进行回授；故多路并联时其中的一路或多路损坏时不会影响到其他路的输出。对于串联支路则会阻断该支路的电流的输出，故多路串联时该支路的输出将会被阻断。

见图4-图5，为DC-DC隔离变换电路4可以采用的电路形式，太阳能控制器1及太阳能电池板阵列2与输出的直流电是完全隔离的，中间使用高频安全隔离变压器进行隔离与能量的传送，其中，图4为全桥逆变高频变压器隔离电路，图5为CUK结构高频变压器隔离电路。

主控MCU3调整DC-DC隔离变换电路4的输出电压的方法是：当通过DC电压隔离取样单元电路6检测到DC-DC隔离变换电路4的输出因负载较重而低于设定电压时，主控MCU3就不断的增加驱动脉冲信号的占空比，直至达到允许的最大值后就不在增加，不足的能量将由市电补充提供。

当负载较轻时，主控MCU3适当调整驱动脉冲信号的占空比，在输出电压达到设定的目标值后就维持该占空比以使输出电压稳定在设定值上；当由于负载原因或太阳能电池板阵列的原因导致输出电压发生波动时，主控MCU3根据DC隔离取样单元电路6的取样结果进行调整。

根据实际应用场合的差异，还可以根据需要将以上技术方案不使用隔离变压器，而直接使用公知的BOOST或CUK电路做成不隔离的。

参见图6-图9，太阳能电池阵列2包括由二个以上的控制与变换单元8串联构成的基本串联单元，见图6，如由A1控制与变换单元、A2控制与变换单元、……、An控制与变换单元串联构成的基本串联单元；

或者包括由二个以上的控制与变换单元8并联构成的基本并联单元，见图7，如由A1控制与变换单元、A2控制与变换单元、……、An控制与变换单元串联构成的基本并联单元；

或者包括由二个以上的基本并联单元串联构成的串-并联阵列，见图8，如由A1基本并联单元、A2基本并联单元、……、An基本并联单元串联构成的串-并联阵列；

或者包括由二个以上的基本串联单元并联构成的并-串连阵列，见图9，如由A1基本串联单元、A2基本串联单元、……、An基本串联单元构成的串联单元，与由B1基本串联单元、B2基本串联单元、……、Bn基本串联单元构成的串联单元并联构成的并-串联阵列。

由控制与变换单元82构成基本单元，多个基本单元串联后组成一个大的基本串联单元；多个基本单元还可以并联成为一个大的基本并联单元；多个大的串联级数相同的基本串联单元或虽然级数有差异但输出电压与电流特性相近的基本串联单元还可以再并联，构成串-并联太阳能电池板阵列。单个串联支路的电压特性要保持一致或相似，否则并联后的阵列的输出电压将受限于这组输出电压不一致的串联支路。

多个大的基本并联单元还可以再串联组成并-串联太阳能阵列，基本并联单元的电流特性要一致，如果其电流特性不一致的话，串联后的阵列的输出电流将受限于输出电流最小的那组基本并联单元，从而造成资源浪费。

如此重复，根据需要进行更大范围的交叉延伸组合，构成更大规模的串-并联阵列、并-串联阵列、串-联混合阵列，比如串-并-串联、并-串-并、串-并-串-并等等。

太阳能电池控制与变换单元8的工作过程为：当太阳能控制器1的输出负载变轻，即DC-DC隔离变换电路4的能量需求较小时，MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能关闭，BOOST电路以预设定的输出电压值350Vdc进行控制；随着太阳能控制器的输出负载越来越重，DC-DC隔离变换电路4的能量需求的越来越大，最终太阳能控制器1的输出电压不能够稳定在预设的电压值350Vdc上时，MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能打开并发挥作用，由MPPT功能来控制BOOST电路的输出占空比，此时太阳能电池的输出能量达到最大。

促成控制与变换单元82的太阳能电池的规格可以根据实际的需要进行定制，可以是一样的，也可以是不一样的，但其MPPT与BOOST控制单元电路必须是相同或相近规格的，其输出的电流特性与电压特性必须相同或相似，以方便进行并联、串联组合成太阳能电池板阵列。

在MPPT的控制中及BOOST电路的DC-DC升压转换控制中，包含有太阳能电池的电流检测及电压功能与过流、过压、欠压保护功能，有输出电流过流及输出电压过压、低压保护功能，限制超过设计规格的电流与电压输出，以提高太阳能控制与变换单元的长期工作的稳定性与可靠性。

根据实际应用场合的差异，本发明还可以根据需要将以上技术方案不使用隔离变压器，而直接使用公知的BOOST或CUK电路做成不隔离的。

Claims (8)

1.一种可提供直流电源的太阳能控制系统，包括太阳能控制器(1)和太阳能电池板阵列(2)，其特征是太阳能电池板阵列(2)的输出与太阳能控制器(1)连接，太阳能控制器(1)的输出直接连接到需要直流电源的用电器并与该用电器的直流电源侧的高压储能电解电容并联；太阳能控制器(1)包括主控MCU(3)、DC-DC隔离变换电路(4)、DC电压隔离取样单元电路(6)和DC电压取样单元电路(7)，太阳能电池板阵列(2)由二个以上的控制与变换单元(8)组成，每个控制与变换单元(8)包括一个太阳能电池板(81)和一个MPPT与BOOST控制单元(82)。

2.根据权利要求1所述的可提供直流电源的太阳能控制系统，其特征是所述DC电压取样单元电路(7)的输入与太阳能电池板阵列(2)的输出连接，DC电压取样单元电路(7)的输出与主控MCU(3)连接。

3.根据权利要求1或2所述的可提供直流电源的太阳能控制系统，其特征是所述DC电压隔离取样单元电路(6)的输入与DC-DC隔离变换电路(4)的输出连接；DC电压隔离取样单元电路(6)的输出与主控MCU(3)连接。

4.根据权利要求3所述的可提供直流电源的太阳能控制系统，其特征是所述主控MCU(3)的输出与DC-DC隔离变换电路(4)相连。

5.根据权利要求1所述的可提供直流电源的太阳能控制系统，其特征是所述控制与变换单元(8)中的太阳能电池板(81)的输出直接与MPPT与BOOST控制单元(82)连接。

6.根据权利要求1或5所述的可提供直流电源的太阳能控制系统，其特征是所述太阳能电池板阵列(2)包括由二个以上的控制与变换单元(8)串联构成的基本串联单元；或者，包括由二个以上的控制与变换单元(8)并联构成的基本并联单元；或者，包括由二个以上的基本串联单元并联构成的并-串连阵列；或者，包括由二个以上的基本并联单元串联构成的串-并联阵列。

7.一种根据权利要求1所述的可提供直流电源的太阳能控制系统的控制方法，其特征在于：所述DC-DC隔离变换电路(4)预设负载端输出电压值，该负载端输出电压值大于市电提供的负载端输出电压值，主控MCU3调整DC-DC隔离变换电路(4)的输出电压的方法包括：DC隔离取样单元电路(6)检测DC-DC隔离变换电路(4)的输出电压，负载较重而低于预设定输出电压时，主控MCU(3)不断的增加驱动脉冲信号的占空比，直至达到允许的最大值后不在增加，不足的能量将由市电提供；当负载较轻时，主控MCU(3)调整驱动脉冲信号的占空比，输出电压达到设定的目标值后维持该占空比以使输出电压稳定在设定值上；当负载原因或太阳能电池板阵列的原因导致输出电压发生波动时，主控MCU(3)根据DC隔离取样单元电路(6)、DC取样单元电路(7)的取样结果调整驱动脉冲信号的占空比。

8.根据权利要求7所述的可提供直流电源的太阳能控制系统的控制方法，其特征在于：所述BOOST电路预设太阳能电池板阵列(2)的输出电压值，当DC-DC隔离变换电路(4)的能量需求小于太阳能电池板阵列(2)能提供的最大功率时，MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能关闭，BOOST电路以预设定的输出电压值进行控制；当DC-DC隔离变换电路(4)的能量需求增加，不能够稳定在预设的电压值上，此时MPPT太阳能最大能力跟踪控制功能打开，MPPT功能控制BOOST电路的输出占空比，使太阳能电池的输出能量达到最大。

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