CN102880223A - 一种小功率光伏逆变系统mppt的模拟电路实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小功率光伏逆变系统MPPT的模拟电路实现方法，其运用了单一模拟乘法器、峰值检波器及具有自动复位和电压补偿功能的电压补偿比较器及D触发器控制BOOST升压电路占空比的运用；其具体实现步骤分为：电压电流信号采集装置采集电压电流信号；模拟乘法器的运算单元对采集到的电压电流信号进行运算乘积；再通过峰值检波器检测峰值信号；峰值检波器跟随检测到的峰值信号，并保持峰值信号等六个步骤；本发明采用简单的模拟电路搭建，系统能够得到比较快速的追踪动态和良好的调节性能，即使在光照强度发生突变的情况下，模拟电路实现的MPPT控制电路也能在较快的时间能追踪到最大功率点。

Description

一种小功率光伏逆变系统MPPT的模拟电路实现方法

技术领域

本发明涉及一种模拟电路实现方法，尤其涉及一种基于小功率光伏逆变系统MPPT计算的模拟电路实现方法；属于光伏发电系统的最大功率点跟踪(MPPT)技术领域。

背景技术

MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power PointTracking)太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。MPPT算法即最大功率点跟踪算法，是光伏电路中的常用算法。

光伏发电系统是利用太阳能光伏效应将光能直接转换成电能的发电系统，而光伏电池阵列的最大功率点跟踪(MPPT)通常是一个光伏系统的关键部分。在太阳能光伏发电系统中，光伏电池阵列的输出特性受到光照以及环境温度的影响很大，具有明显的非线性特征。因此，为了提高光伏电池阵列的转换效率，就需要快速准确的判断光伏电池阵列的输出特性，找到光伏电池阵列的最大功率点。最大功率跟踪技术(MPPT)就是一门跟踪光伏电池阵列在既定温度和光照强度下最大功率点的技术。

MPPT技术的实现实质是一个自寻优的过程，在小功率的光伏系统应用中，通过改变BOOST升压斩波电路的占空比可以自动跟踪系统的最大功率点。目前常规的MPPT方案如扰动观察法、电导增量法等需要借助DSP等微控制器件，通过传感器采样技术快速的获得实时电压和电流波形，通过特定的算法对波形进行识别，最终确定占空比的增大或者减小，达到追踪最大功率点的目的。通过上述常规的MPPT控制方案能够实现最大功率点的跟踪，并且具有较快的跟踪速度和较好的调节性能。但是，这些技术的实现不论在硬件设计上还是在软件算法控制上都比较复杂而且成本比较高，在针对太阳光强和环境温度的连续性突变情况下的最大功率跟踪效果也不是很理想。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供了一种小功率光伏逆变系统MPPT的模拟电路实现方法，通过此方案可以克服常规MPPT控制方案结构复杂且成本高的缺点，并且在太阳光强和环境温度连续性突变的情况下，也有较好的最大功率跟踪效果，在最大功率跟踪时能够获得快速的追踪动态和良好的调节性能。

本发明所采用的技术方案是：一种小功率光伏逆变系统MPPT的模拟电路实现方法，其运用了单一模拟乘法器、峰值检波器及具有自动复位和电压补偿功能的电压补偿比较器及D触发器控制BOOST升压电路占空比的运用；

其具体实现步骤如下：

(1)、电压电流信号采集装置采集电压电流信号；

(2)、模拟乘法器的运算单元对(1)中采集到的电压电流信号进行运算乘积；再通过峰值检波器检测峰值信号；

(3)、峰值检波器跟随(2)中检测到的峰值信号，并保持峰值信号；

(4)、带电压补偿和复位电路的电压比较器提供输入电压补偿，并且对是否超过对应最大功率点进行判断，当超过最大功率点时，提供CLK高电平，通过正反馈电路对CLK电平自动复位，从而产生一个跳变高电平脉冲；

(5)、D触发器通过(4)输出的CLK脉冲信号锁存输出BOOST升压斩波电路中使开关管Q1导通和关断的高低电平信号；

(6)、BOOST升压斩波电路中，由于开关管Q1导通和关断，占空比发生改变，从而光伏系统将会在最大功率的左右往回振荡寻优以达到最大功率点。

本发明采用简单的模拟电路搭建，电路本身能够实现最大功率点的检索、是否超过最大功率点的判断信号的输出、控制BOOST升压电路的占空比的变化，从而实现最大功率点的实时跟踪。相比常规的MPPT的控制技术，需要采用DSP等微控制器件来判断BOOST升压电路占空比的改变，原理和控制算法要简单的多，成本较低，容易实现。通过选取合适的补偿电压，系统能够得到比较快速的追踪动态和良好的调节性能，即使在光照强度发生突变的情况下，模拟电路实现的MPPT控制电路也能在较快的时间能追踪到最大功率点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构原理电路图；

图2是本发明的控制流程图。

图中：1.光伏阵列；2.模拟乘法器；3.峰值检波器；4.带复位电路的电压补偿比较器；5.D触发器；6.电压电流信号采集装置。

光伏阵列(Photovoltaic Array)：是多片光伏模组的连结，也是更多光伏电池的连结，光伏阵列是最大规模的光伏发电系统。

具体实施方式

由图1所示，本发明的组成部分主要包括：光伏阵列1、BOOST升压斩波电路、电压电流信号采集装置6、模拟乘法器2、峰值检波器3、带复位电路的电压补偿比较器4、D触发器5。光伏阵列1为整个系统提供直流源，改变BOOST升压斩波电路的占空比可以追踪光伏系统的最大功率点，电压电流信号采集装置提供电压电流信号的采样，通过模拟乘法器2的运算单元运算乘积输出，再通过峰值检波器检测并保持峰值信号，当运行功率超出最大功率点时，电压补偿比较器比较输出CLK脉冲信号，同时反馈峰值检波器的输出，导通Q2开关管，使峰值检波器保持当前峰值信号，D触发器锁存输出电平信号Q非控制开关管Q1的导通关断，达到改变BOOST升压电路的占空比，最终追踪整个光伏系统的最大功率点。

下面结合图2具体介绍本发明控制方案的实施流程：

打开主控断路器，系统执行步骤1，D触发器锁存输出信号Q非；顺序执行步骤2，判断Q非的电平输出，如果为高电平，则执行步骤3，开关管Q1导通，系统的电流增大，电压减小；如果Q非为低电平则执行步骤4，开关管Q1关断，系统的电压增大，电流减小；顺序执行步骤5，采集系统的电压和电流信号；执行步骤6，将电压信号和电流信号通过乘法器运算输出Vi；执行步骤7，峰值检波器检测并保持峰值信号Vp；执行步骤8，比较峰值检波器保持信号Vp和电压Vi+Vs的大小，如果Vp＜Vi+Vs，执行步骤9，电压比较器的输出即D触发器的CLK信号为低电平并返回步骤2；如果Vp＞Vi+Vs，则执行步骤10，电压比较器输出高电平并返回步骤2，同时执行步骤11，导通开关管Q2对步骤7峰值检波器的输出进行反馈，保持峰值电压信号Vi+Vs。上述流程循环操作，系统将会在最大功率点的左右振荡寻优，可以选取足够小的补偿电压Vs和足够小的电流电压信号采样时间，获得比较好的动态性能和响应速度。

下面采用一个小功率的光伏系统为实例具体介绍实施方式和实施结果。

首先，打开主控断路器QF1，系统给电，D锁存器Q非为高电平，此时开关管Q1导通，光伏阵列的电流增大，电压减小，输出功率将会增大。电压电流采集装置采集实时电压电流信号，并通过模拟乘法器乘积运算输出Vi，峰值检波器检索并且保持模拟乘法器运算乘积的峰值Vp，在光伏系统未达到最大功率点之前，，电压补偿比较器的正负极的电压分别为Vp和Vi+Vs，由于Vi+Vs＞Vp，此时电压比较器输出低电平即D触发器的输入信号CLK为低电平，D触发器具有上升沿触发的特性，因此Q非的高电平信号将会一直保持到CLK电平信号的跳变；系统通过上述流程的循环操作，当电压减小到U1时，运行功率将越过系统的最大功率点，当前电压U1＜Umpp，假设取此时的状态为光伏阵列的功率正方向偏移系统最大功率点，电压电流采样装置采集到当前的电压电流信号，通过模拟乘法器运算Vi，峰值检波器检索保持峰值信号Vp，此时电压比较器的正负输入信号Vp＞Vi+Vs，电压比较器的输出为高电平，同时输出的高电平驱动开关管Q2导通，构成正反馈，电容C2放电，峰值检波器保持电压Vi+Vs，CLK信号将逐渐变为低电平，Q2管关断，由此产生一个高电平的脉冲信号，D触发器的Q非由高电平变为低电平并保持到下一次CLK脉冲信号的发生，开关管Q1关断，系统的电压增大，电流减小，系统功率增大，当电压增大到U2时，运行功率将越过最大功率点，当前电压U2＞Umpp，此时的状态为光伏阵列的功率反方向偏移系统最大功率点，电压信号Vp＞Vi+Vs，电压比较器输出高电平，峰值检波器保持峰值电压Vi+Vs，CLK信号将逐渐变为低电平，Q2管关断，由此产生一个高电平的脉冲信号，D触发器的Q非电平由低电平变为高电平并保持到下一次CLK脉冲信号的发生，Q1导通。

上述过程循环执行，系统的输出功率将会在最大功率点的U1a和U1b之间振荡寻优，由此将实现最大功率点的追踪，通过选取足够小的补偿电压Vs，系统会产生比较小的振荡，将会取得较好的动态性能和调节性能。

为了验证该模拟电路实现MPPT控制方法的实效性，我们采用了Chroma62150H-600s可控直流电源模拟太阳能电池阵列输入环境对电路进行了仿真验证。

实验结果如下：

1.主控断路器闭合，系统生效，光伏系统用54us的时间达到直流稳压电源的输出最大功率点。

2.直流稳压电源的输出功率为100.4W，光伏系统仅产生2.1W的功率振荡，MPPT效率高达99.0％。

3.模拟太阳光照突变的情况，直流稳压电源输出功率从80到100W和100W到80W快速变化，系统在2ms内迅速追踪到最大功率点。

通过以上实验证明这种模拟电路实现的MPPT方案在最大功率点的跟踪方面快速，高效，在针对光照等环境因素的快速变化时也能取得较好的跟踪效果。

Claims (1)

1.一种小功率光伏逆变系统MPPT的模拟电路实现方法，其特征在于：本发明运用了单一模拟乘法器、峰值检波器及具有自动复位和电压补偿功能的电压补偿比较器及D触发器控制BOOST升压电路占空比的运用；

其具体实现步骤如下：

(1)、电压电流信号采集装置采集电压电流信号；

(2)、模拟乘法器的运算单元对(1)中采集到的电压电流信号进行运算乘积；再通过峰值检波器检测峰值信号；

(3)、峰值检波器跟随(2)中检测到的峰值信号，并保持峰值信号；

(4)、带电压补偿和复位电路的电压比较器提供输入电压补偿，并且对是否超过对应最大功率点进行判断，当超过最大功率点时，提供CLK高电平，通过正反馈电路对CLK电平自动复位，从而产生一个跳变高电平脉冲；

(5)、D触发器通过(4)输出的CLK脉冲信号锁存输出BOOST升压斩波电路中使开关管Q1导通和关断的高低电平信号；

(6)、BOOST升压斩波电路中，由于开关管Q1导通和关断，占空比发生改变，从而光伏系统将会在最大功率的左右往回振荡寻优以达到最大功率点。

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