CN102386808A - 具有最大功率跟踪的光伏控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有最大功率跟踪的光伏控制器，包括单片机控制电路，输出电流采集电路，输出电压采集电路，温度采集电路，光电流检测电路，开关电源电路和负载阻抗调节电路；其特点是：单片机控制电路接收输出电流采集电路、输出电压采集电路、温度采集电路和光电流检测电路输出的信号，并将信号进行处理及计算，输出信号到负载阻抗调节电路和开关电源电路；输出电流采集电路采集负载电流，进行处理后输出信号到单片机控制电路；输出电压采集电路采集负载电压，进行处理后输出信号到单片机控制电路；温度采集电路采集太阳能电池的温度，进行处理后输出信号到单片机控制电路；本发明可以广泛应用在太阳能控制领域。
Description
技术领域
本发明涉及光伏控制器，具体涉及一种具有最大功率跟踪的光伏控制器。
背景技术
太阳能电池的输出功率，并不是稳定的，而是受到温度和光照影响。在温度每升高1℃，每块太阳能电池的电压约减少2mV;而光电流随温度的增加略有上升，大约每升高1℃，每块太阳能电池的光电流增加1‰，但总的来说功率下降，即太阳能电池每升高1℃，功率就减少0.35%。MPPT最大功率跟踪光伏控制器是一种通过改变开关电源波形占空比的方法，调整其输出电压，将太阳能光伏电池所发的电能以最大功率的形式供给负载的一种控制器。由于存在不同负载的匹配问题，一般来说容性负载，有源负载将能够较好的匹配，但对于阻性负载，匹配问题将比较困难，必然造成开关电源波形占空比有较大范围的变化。由于开关电源在一定的时间段内是没有电流输出的，因此不可避免的出现瞬态功率为零的现象，实际上不能实现最大功率输出的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有最大功率跟踪的光伏控制器。
为了解决上述问题，根据本发明的技术方案，一种具有最大功率跟踪的光伏控制器，包括单片机控制电路，输出电流采集电路，输出电压采集电路，温度采集电路，光电流检测电路，开关电源电路和负载阻抗调节电路；
其特点是：
单片机控制电路接收输出电流采集电路、输出电压采集电路、温度采集电路和光电流检测电路输出的信号，并将信号进行处理及计算，输出信号到负载阻抗调节电路和开关电源电路；
输出电流采集电路采集负载电流，进行处理后输出信号到单片机控制电路；
输出电压采集电路采集负载电压，进行处理后输出信号到单片机控制电路；
温度采集电路采集太阳能电池的温度，进行处理后输出信号到单片机控制电路；
光电流检测电路检测太阳能电池的光电流，进行处理后输出信号到单片机控制电路；
开关电源电路将太阳能电池输出的直流电转换成交流电，并通过多路输出变压器和负载阻抗调节电路输出到负载；开关电源电路还接收单片机控制电路输出的信号，与太阳能电池的取样信号进行比较，调节电源输出波形占空比；
负载阻抗调节电路接收单片机控制电路输出的信号，调节多路输出变压器的初级等效阻抗。
单片机控制电路根据输出电流采集电路、输出电压采集电路输出的数据，计算出太阳能电池输出到负载的实际功率，根据温度采集电路和光电流检测电路输出的数据，计算出太阳能电池输出的理论最大功率值，并将理论最大功率与实际功率进行比较，当外界环境或者负载阻抗有较大改变的时候，输出信号到负载阻抗调节电路，通过负载阻抗调节电路改变多路输出变压器的次级输出端，即改变多路输出变压器的输出变压比，从而达到改变初级等效阻抗的目的，并且，还通过将太阳能电池理论输出电压与太阳能电池的取样电压进行比较，调节开关电源电路输出波形占空比，实现太阳能电池在每个环境下的输出都尽量接近最大功率。
根据本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的优选方案，所述单片机控制电路包括AD-DA转换电路及单片机电路；
所述AD-DA转换电路接收输出电流采集电路、输出电压采集电路和光电流检测电路输出的信号，进行A/D转换后输出到单片机电路；同时，AD-DA转换电路接收单片机电路输出的信号，进行D/A转换后，输出到开关电源电路；
所述单片机电路接收AD-DA转换电路和温度采集电路输出的信号，将收到的信号进行处理及计算，输出信号到AD-DA转换电路；并且，单片机电路输出锁存信号和片选信号到负载阻抗调节电路。
根据本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的优选方案，所述AD-DA转换电路接收电压检测电路输出的信号，进行A/D转换后输出到单片机电路，电压检测电路采集太阳能电池输出的电压，进行处理后输出到AD-DA转换电路。
根据本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的优选方案，所述单片机电路输出温度数据、光电流检测数据、太阳能电池输出的电压数据、负载电流数据和负载电压数据到显示器显示。
根据本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的优选方案，所述负载阻抗调节电路包括锁存器和N组变压器等效阻抗调节电路，其中N为大于1的自然数，且N的值与多路输出变压器的次级绕组的数量相同；所述锁存器的锁存端和片选信号输入端分别接收单片机控制电路输出的锁存信号和片选信号，锁存器的片选信号输出端输出信号到变压器等效阻抗调节电路，调节多路输出变压器的初级等效阻抗。
根据本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的优选方案，每个所述变压器等效阻抗调节电路均由双向可控硅、驱动三极管和限流电阻构成，其中，
驱动三极管的基极通过第一限流电阻接收锁存器输出的片选信号，驱动三极管的发射极通过第二限流电阻将信号输出到双向可控硅的控制极，控制双向可控硅的导通和关断。
本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的有益效果是：本发明采用单片机控制，将太阳能电池理论输出电压与太阳能电池的取样电压进行比较，调节开关电源电路输出波形占空比，同时通过采集负载电流和负载电压，得到实际输出功率，将实际输出功率和理论最大功率进行比较，以此调节多路输出变压器的初级等效阻抗，保证太阳能电池具有最大功率输出；本发明电路结果简单，节能、效率高，可以广泛的应用在太阳能控制领域，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的电路原理框图。
图2是本发明所述单片机电路14的电路原理图。
图3是开关电源电路8和AD-DA转换电路13的电路原理图。
图4是负载阻抗调节电路9的电路原理图。
图5是光电流检测电路7的电路原理图。
具体实施方式
参见图1，具有最大功率跟踪的光伏控制器，由系统电源电路1，单片机控制电路2，输出电流采集电路3，输出电压采集电路4，电压检测电路5，温度采集电路6，光电流检测电路7，开关电源电路8，负载阻抗调节电路9和显示器10构成；
其中，系统电源电路1由太阳能电池11供电，对太阳能电池11输出的电压进行滤波、稳压，给单片机控制电路2提供工作电压；
单片机控制电路2接收输出电流采集电路3、输出电压采集电路4、温度采集电路6、光电流检测电路7和电压检测电路5输出的信号，并将信号进行处理及计算，输出信号到负载阻抗调节电路9，输出电压信号到开关电源电路8，所述单片机电路14输出温度数据、光电流检测数据、太阳能电池11输出的电压数据、负载电流数据和负载电压数据到显示器10显示。
输出电流采集电路3采集负载12电流，进行处理后输出信号到单片机控制电路2；
输出电压采集电路4采集负载12电压，进行处理后输出信号到单片机控制电路2；
电压检测电路5采集太阳能电池11输出的电压，进行处理后输出到单片机控制电路2；
温度采集电路6采集太阳能电池11的温度，进行处理后输出信号到单片机控制电路2；
光电流检测电路7检测太阳能电池11的光电流，进行处理后输出信号到单片机控制电路2；
开关电源电路8将太阳能电池11输出的直流电压转换成交流电压，并通过多路输出变压器BYQ1和负载阻抗调节电路9输出到负载12；开关电源电路8还接收单片机控制电路2输出的电压信号，与太阳能电池11的取样信号进行比较，调节电源输出波形占空比；
负载阻抗调节电路9接收单片机控制电路2输出的信号，调节多路输出变压器BYQ1的初级等效阻抗；
所述显示器10显示温度数据、光电流检测数据、太阳能电池11输出的电压数据、负载电流数据和负载电压数据。
在具体实施例中，所述单片机控制电路2包括AD-DA转换电路13及单片机电路14；
所述AD-DA转换电路13接收电流采集电路3、输出电压采集电路4、电压检测电路5和光电流检测电路7输出的信号，进行A/D转换后输出到单片机电路14；同时，AD-DA转换电路13接收单片机电路14输出的信号，该信号为理论最大功率下的太阳能电池的理想输出电压值，AD-DA转换电路13将该信号进行D/A转换后，输出到开关电源电路8；
所述单片机电路14接收AD-DA转换电路13和温度采集电路6输出的信号，将收到的信号进行处理及计算，计算出理论最大功率和在此最大功率下的太阳能电池的理想输出电压值，单片机电路14将太阳能电池的理想输出电压值输出到AD-DA转换电路13；并且，单片机电路14输出锁存信号和片选信号到负载阻抗调节电路9。
所述负载阻抗调节电路9包括锁存器9U1和N组变压器等效阻抗调节电路，其中N为大于1的自然数，且N的值与多路输出变压器的次级绕组的数量相同；所述锁存器9U1的锁存端和片选信号输入端分别接收单片机控制电路2输出的锁存信号和片选信号，锁存器9U1的片选信号输出端输出信号到变压器等效阻抗调节电路，调节多路输出变压器BYQ1的初级等效阻抗。
每个变压器等效阻抗调节电路均由双向可控硅、驱动三极管和限流电阻构成，其中，驱动三极管的基极通过第一限流电阻接收锁存器9U1输出的片选信号，驱动三极管的发射极通过第二限流电阻将信号输出到双向可控硅的控制极，控制双向可控硅的导通和关断。
在具体实施例中，其中一个变压器等效阻抗调节电路由双向可控硅9Q1、驱动三极管9Q9和限流电阻9R1、9R9构成，其中，
驱动三极管9Q9的基极通过限流电阻9R9接收锁存器9U1输出的片选信号，驱动三极管9Q9的发射极通过限流电阻9R1将信号输出到双向可控硅9Q1的控制极，以控制双向可控硅9Q1导通和关断。双向可控硅9Q1的其中一个阳极接地，另一个阳极连接多路输出变压器BYQ1的其中一个次级输出端。
在具体实施例中，参见图2和图3，AD-DA转换电路13包括AD-DA转换芯片8U1，AD-DA转换芯片8U1可以选择PCF8591，单片机电路14包括单片机处理器2U1、串行接口2P1、显示接口2P4、温度传感器接口2P3。串行接口2P1用于与上位机进行通讯。
AD-DA转换芯片8U1的模拟信号输入端AIN0～AIN3端口接收电流采集电路3、输出电压采集电路4、光电流检测电路7和电压检测电路5输出的信号，轮流选择这四个模拟信号进行A/D转换，然后通过总线数据线SDA端传送给单片机处理器2U1。
单片机处理器2U1的P0.0～P0.7端口与显示器10连接，同时还分别与锁存器9U1的片选信号输入端连接，为锁存器9U1和显示器10提供数据输入；单片机处理器2U1的P2.0、P2.1端与AD-DA转换芯片8U1的总线时钟线SCL、总线数据线SDA连接，单片机处理器2U1的P2.0端为输入、输出双向串口；单片机处理器2U1的P2.3端口与锁存器9U1的锁存端LE端相连，为锁存器9U1提供锁存信号，低电平有效，数据被锁存，高电平数据直通；正常状态下，单片机处理器2U1的P2.3端设置为低电平，当要改变多路输出变压器BYQ1的初级等效阻抗时，单片机处理器2U1的P0.0～P0.7端口数据送入锁存器，同时将锁存器9U1的锁存端LE置高，然后再置低，这样数据就被锁存了。单片机处理器2U1的P3.5、P3.6、P3.7端口分别与AD-DA转换芯片8U1的引脚地址端A0、A1、A2连接，单片机处理器2U1的P2.2端是温度检测器件DS18B20的数据交换通道。电阻2R10为上拉电阻，当释放总线的时候，使数据线保持高电平。
单片机处理器2U1对数据进行计算，得出对应的最大功率和最大功率下的太阳能电池的理想输出电压值，单片机处理器2U1将太阳能电池的理想输出电压值通过P2.0端输出到AD-DA转换芯片8U1的串口通信端口SDA端，由AD-DA转换芯片8U1进行D/A转换，AD-DA转换芯片8U1再将转换后的数据通过AOUT端口输出给脉宽调制芯片8U2，使其与太阳能电池11的取样电压比较后自动调节PWM波的占空比，从而实现最大功率的跟踪。
参见图3，所述开关电源电路8包括：脉宽调制芯片8U2，多路输出变压器BYQ1，其中， AD-DA转换芯片8U1的D/A转换输出端AOUT端与脉宽调制芯片8U2的反向输入端IN-连接，AD-DA转换芯片8U1的D/A转换输出端AOUT端输出的理论最大功率下的太阳能电池的理想输出电压经电容8C3和电阻8R2滤波消噪输出到脉宽调制芯片8U2的反向输入端IN-，太阳能电池输出电压经滑动变阻器8R1分压得到的电压，取<=5V，输入到脉宽调制芯片8U2的同向输入端IN+，脉宽调制芯片8U2进行电压比较，并自动调节占空比，即相当于调节负载，改变输出回路的电压，从而达到跟踪太阳能电池板最大功率的目的。脉宽调制芯片8U2 的DTC端为脉宽控制引脚，在0～5V之间变化，使脉冲占空比从最大到0之间变化，电容8C6、三极管8Q1、电阻8R11 共同组成一个占空比在上电后由0缓慢增加到设定值的电路。接口8P2连接多路输出变压器BYQ1的初级。
在具体实施例中，多路输出变压器BYQ1设置有8个次级输出端T1～T8和1个公共输出端T9，即有8组次级绕组，负载接口9P2连接负载12，变压器接口9P1连接多路输出变压器BYQ1的次级，因此负载阻抗调节电路9包括锁存器9U1和8组变压器等效阻抗调节电路，具体见图4，片选信号数据通过单片机处理器2U1的P0.0～P0.7端口输出，加载到锁存器的片选信号输入端，平时没有数据变化的时候，锁存器9U1的锁存端LE为低电平，输入阻抗较高，锁存器9U1输出的数据被锁存，不影响其他共用单片机处理器2U1的P0.0～P0.7端口的器件，这样也节约了单片机IO口。当要改变多路输出变压器BYQ1的次级输出端时，单片机处理器2U1的P0.0～P0.7端口数据送入锁存器，同时将锁存器9U1的锁存端LE置高，片选信号控制其中一个双向可控硅导通，其他的双向可控硅截止。如当需要通过多路输出变压器BYQ1的次级输出端T5和公共输出端T9输出时，控制双向可控硅9Q5导通，其他的双向可控硅9Q1～9Q4、9Q6～9Q8截止。
参见图5，光电流检测电路7由太阳能电池7E1和电阻7R1组成，当太阳能电池7E1工作于恒流区时，在电阻7R1产生的电压与光照度和光电流成正比，由此得到太阳能电池的光电流。
本发明所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器的工作原理是：
在太阳能电池选定的情况下，根据太阳光照度和电池温度检测值，可以根据公式PLmax=Ki*Ij*U0+ K t *△T 计算理论最大功率值，
其中：PLmax表示理论最大功率值；
Ki为光电流系数；与太阳能电池材料、面积，连接方式有关；
Ij为太阳能电池11的光电流；
U0为太阳能电池在常温250最大功率输出时的电压；
K t为太阳能电池输出电压温度系数，取-0.002V/0C；
△T为太阳能电池实际温度与常温温度的差值，△T=T-250C；T为太阳能电池实际温度，由温度采集电路6采集；
将理论最大功率值与实际功率进行比较，用比较结果调节多路输出变压器BYQ1的初级等效阻抗，实现粗调，然后通过将太阳能电池的理想输出电压与太阳能电池11的取样电压进行比较，调节开关电源输出波形占空比，实现细调，以此保持太阳能电池始终工作在线性区域，使太阳能电池保持最大功率输出。
多路输出变压器BYQ1的初级等效阻抗的调节方法如下：
设多路输出变压器BYQ1设置有8个次级输出端和1个为公共输出端T9，即有8组次级绕组；8个次级输出端分别为第一次级输出端T1、第二次级输出端T2……第八次级输出端T8,其中, 第一次级输出端T1与公共输出端T9之间的匝数最多，设定为N匝，第二次级输出端T2与公共输出端T9之间的匝数为7/8*N匝，第三次级输出端T3与公共输出端T9之间的匝数为6/8*N匝，依次类推，第八次级输出端T8与公共输出端T9之间的匝数为1/8*N匝；
设额定光照下，直流负载电阻Rf一定，最大功率输出时变压器的第五次级输出端和公共输出端T9与负载接通；
Pmax= Ucc 2/n0 2Rf，其中：
Pmax为额定最大输出功率；
Ucc为太阳能电池输出额定电压；
n0为额定条件下的变压器变比，n0=N0/N5，N5为第五次级输出端T5与公共输出端T9之间的匝数；N0为初级匝数；
Rf为额定功率输出时的直流负载电阻；
当光照改变时，太阳能电池最大输出功率改变，设为Pmax，，此时直流负载电阻Rf不变， Pmax， = Ucc 2/nx 2Rf，其中：
Pmax，为实际光照下太阳能电池最大输出功率；
nx为实际光照下最大功率调节输出时的对应变比，nx= N0/Nx ；Nx为实际光照下最大功率调节输出时对应次级输出端与公共输出端之间的匝数，
即：Pmax，/ Pmax= n0 2/ nx 2，
1/16≤n0 2/ nx 2≤4 ；
太阳能电池额定最大输出功率与实际光照下太阳能电池最大输出功率的比值对应多路输出变压器的次级输出端，对照表见表一：
表一
将表一存入单片机处理器2U1中，单片机处理器2U1计算太阳能电池理论最大功率与输出到负载的实际功率的比值，按表一控制多路输出变压器BYQ1的次级输出端。
采用本发明所述的一种基于负载阻抗调节型光伏控制器与现有MPPT最大功率跟踪光伏控制器相比，负载为阻性负载时，输出功率提高了1倍。
Claims (6)
1.一种具有最大功率跟踪的光伏控制器，包括单片机控制电路（2）、输出电流采集电路（3）、输出电压采集电路（4）、温度采集电路（6）、光电流检测电路（7）、开关电源电路（8）和负载阻抗调节电路（9）；
其特征在于：
单片机控制电路（2）接收输出电流采集电路（3）、输出电压采集电路（4）、温度采集电路（6）和光电流检测电路（7）输出的信号，并将信号进行处理及计算，输出信号到负载阻抗调节电路（9）和开关电源电路（8）；
输出电流采集电路（3）采集负载（12）电流，进行处理后输出信号到单片机控制电路（2）；
输出电压采集电路（4）采集负载（12）电压，进行处理后输出信号到单片机控制电路（2）；
温度采集电路（6）采集太阳能电池（11）的温度，进行处理后输出信号到单片机控制电路（2）；
光电流检测电路（7）检测太阳能电池（11）的光电流，进行处理后输出信号到单片机控制电路（2）；
开关电源电路（8）将太阳能电池（11）输出的直流电转换成交流电，并通过多路输出变压器（BYQ1）和负载阻抗调节电路（9）输出到负载（12）；开关电源电路（8）还接收单片机控制电路（2）输出的信号，与太阳能电池（11）的取样信号进行比较，调节电源输出波形占空比；
负载阻抗调节电路（9）接收单片机控制电路（2）输出的信号，控制多路输出变压器（BYQ1）的初级等效阻抗。
2.根据权利要求1所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器，其特征在于：所述单片机控制电路（2）包括AD-DA转换电路（13）及单片机电路（14）；
所述AD-DA转换电路（13）接收输出电流采集电路（3）、输出电压采集电路（4）和光电流检测电路（7）输出的信号，进行A/D转换后输出到单片机电路（14）；同时，AD-DA转换电路（13）接收单片机电路（14）输出的信号，进行D/A转换后，输出到开关电源电路（8）；
所述单片机电路（14）接收AD-DA转换电路（13）和温度采集电路（6）输出的信号，将收到的信号进行处理及计算，输出信号到AD-DA转换电路（13）；并且，单片机电路（14）输出锁存信号和片选信号到负载阻抗调节电路（9）。
3.根据权利要求2所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器，其特征在于：所述AD-DA转换电路（13）接收电压检测电路（5）输出的信号，进行A/D转换后输出到单片机电路（14）；电压检测电路（5）采集太阳能电池（11）输出的电压，进行处理后输出到AD-DA转换电路（13）。
4.根据权利要求3所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器，其特征在于：所述单片机电路（14）输出温度数据、光电流检测数据、太阳能电池（11）输出的电压数据、负载电流数据和负载电压数据到显示器（10）显示。
5.根据权利要求2或3或4所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器，其特征在于：
所述负载阻抗调节电路（9）包括锁存器（9U1）和N组变压器等效阻抗调节电路，其中N为大于1的自然数，且N的值与多路输出变压器（BYQ1）的次级绕组的数量相同；所述锁存器（9U1）的锁存端和片选信号输入端分别接收单片机控制电路（2）输出的锁存信号和片选信号信号，锁存器（9U1）的片选信号输出端输出信号到变压器等效阻抗调节电路，控制多路输出变压器（BYQ1）的初级等效阻抗。
6.根据权利要求5所述的具有最大功率跟踪的光伏控制器，其特征在于：每个所述变压器等效阻抗调节电路均由双向可控硅、驱动三极管和限流电阻构成，其中：
驱动三极管的基极通过第一限流电阻接收锁存器（9U1）输出的片选信号，驱动三极管的发射极通过第二限流电阻将信号输出到双向可控硅的控制极，控制双向可控硅的导通和关断。
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