CN103281013A - 光伏供电系统 - Google Patents
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Abstract
一种光伏供电系统，包括第一、第二开关直流升压电路、蓄电池充放电控制模块、最大功率点跟踪太阳能控制器以及单片机控制器；第一开关直流升压电路耦接至太阳能电池板；蓄电池充放电控制模块耦接至第一开关直流升压电路；最大功率点跟踪太阳能控制器耦接至第一开关直流升压电路，用于调整系统输出功率；第二开关直流升压电路耦接至最大功率点跟踪太阳能控制器，用于对输出负载提供稳定电压输出；单片机控制器耦接至最大功率点跟踪太阳能控制器，同时通过一第一传感器耦接至太阳能电池板、通过一第二传感器耦接至蓄电池充放电控制模块，用于接收各传感器检测的信号，并对接收到的各信号进行处理，并发送控制信号至最大功率点跟踪太阳能控制器。
Description
光伏供电系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光伏供电领域，主要作为离网光伏供电电源，特别是涉及MPPT技术、PWM充电技术以及电源转换技术的光伏供电系统。
背景技术
[0002] 在光伏供电领域中，对于并网发电的研究相对较多，但光伏发电并网因受到时间因素的限制无法大规模使用。虽然其作为独立移动式供电系统的优势极其明显，但由于技术原因，光伏供电系统的能量转化率不高，成本却很高，这使得现今条件下移动光伏供电系统未能得到普及。交流电的优势主要体现于远距离输电及其变压器构造简单、容量大；但在小规模用电，如家庭、日常办公等环境中直流电具有更大的优势。
[0003] 在现有的独立光伏供电系统中，有一部分供电系统输出的是交流电，由于其逆变环节能量损耗很大，致使原本输出能量就不大的系统在产能效率上急剧降低；另一部分供电系统为实现对能量利用的最大化，对负载的工作电压宽度及其他一些参数会有所要求，致使工作输出电压不稳定，使得系统在用电器方面也受到很大限制。因此，需要一种新的光伏供电系统，使太阳能电池板的输出能量最大化，同时，给予用户端稳定而持久的负载。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，从面向能源的角度出发，通过监视太阳能电池板的输出情况，调节整个系统的等效电阻，使太阳能电池板的输出能量最大化，并通过设置一个剩余功率的消耗负载以有效地利用过剩能量；同时，从用户的角度出发，通过蓄电池以及稳定输出的DC/DC模块给予用户端稳定而持久的负载。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
[0006] —种光伏供电系统，包括第一开关直流升压电路、蓄电池充放电控制模块、最大功率点跟踪太阳能控制器、第二开关直流升压电路以及单片机控制器；所述第一开关直流升压电路耦接至太阳能电池板，用于对所述太阳能电池板的输入电压进行升压处理；所述蓄电池充放电控制模块耦接至所述第一开关直流升压电路，用于控制蓄电池的充放电；所述最大功率点跟踪太阳能控制器耦接至所述第一开关直流升压电路，用于调整系统输出功率，以实现所述太阳能电池板的最大功率输出；所述第二开关直流升压电路耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器，用于对输出负载提供稳定电压输出；所述单片机控制器耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器，同时通过一第一传感器耦接至所述太阳能电池板，用于接收第一传感器检测的电压和电流信号，以及通过一第二传感器耦接至所述蓄电池充放电控制模块，用于接收第二传感器检测的电压和电流信号，所述单片机控制器对接收到的各信号进行处理，并发送控制信号至所述最大功率点跟踪太阳能控制器。
[0007] 本发明优点如下:
1.保证太阳能电池板输出最大功率，充分利用能源；
2.蓄电池接入系统有效的保证了系统运行的稳定性； 3.输出负载可以在稳定电压环境下工作，有利于保护负载；
4.对于过剩的功率，可通过能够在宽电压环境下工作的消耗负载充分利用；
5.能够对蓄电池的状态进行检测，适应其工作参数并相应调整系统工作状态；
6.输入到输出经两级DC/DC变换，提供缓冲并降低对单片机控制器的性能要求；
7.通过简易的用户界面实现人机交互，以适应用户需求。
附图说明
[0008] 图1是本发明光伏供电系统的架构框图。
[0009] 图2是本发明光伏供电系统一实施方式的电路图；
图3是图2所示电路图的原理等效电路图；
图4是本发明光伏供电系统一实施例的电路图；
图5是图4所电路图的原理等效电路图；
图6是本发明光伏供电系统另一实施例的电路图；
图7是图6所示电路图的原理等效电路图。
具体实施方式
[0010] 以下结合附图对本发明光伏供电系统进行详细说明，但是应当指出，本发明的实施方式以及实施例是为了解释目的的优选方案，并不是对本发明范围的限制。
[0011] 参见附图1，一种光伏供电系统，包括第一开关直流升压电路11、蓄电池充放电控制模块12、最大功率点跟踪太阳能控制器13、第二开关直流升压电路14以及单片机控制器15。
[0012] 所述第一开关直流升压电路11耦接至太阳能电池板10，用于对所述太阳能电池板10的输入电压进行DC/DC变换以及升压处理。经过升压后得到的中间电压，可以作为充电电路的输入电压用于给蓄电池20充电，同时还作为后部分负载电路的输入电压。
[0013] 所述蓄电池充放电控制模块12耦接至所述第一开关直流升压电路11，用于控制蓄电池20的充放电。所述蓄电池20可以采用磷酸铁锂电池。
[0014] 所述最大功率点跟踪太阳能控制器13 (简称MPPT控制器)耦接至所述第一开关直流升压电路11，用于调整系统输出功率，以实现所述太阳能电池板10的最大功率输出。在最大功率点工作时，太阳能电池板可提供峰值输出功率。最大功率点是一个与电池板最高可达输出功率相对应的电压和电流。MPPT控制器是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品，MPPT (Maximum Power Point Tracking)功能实现可以采用电导增量法。MPPT控制器能够实时侦测太阳能电池板的发电电压，并追踪最高电压电流值，使系统以最大功率输出对蓄电池充电，以及协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作。
[0015] 所述第二开关直流升压电路14耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器13，用于对输出负载30提供稳定电压输出。
[0016] 所述单片机控制器15耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器13，同时通过一第一传感器16耦接至所述太阳能电池板10，用于接收第一传感器16检测的电压和电流信号，以及通过一第二传感器17耦接至所述蓄电池充放电控制模块12，用于接收第二传感器17检测的电压和电流信号，所述单片机控制器15对接收到的各信号进行处理，并发送控制信号至所述最大功率点跟踪太阳能控制器13。也即当系统开始工作后，单片机控制器15提供个传感器检测当前电路的连接状态，以控制最大功率点跟踪太阳能控制器13选择相应的工作模式实现系统输出功率调整。其中，所述第一传感器16与第二传感器17均采用霍尔传感器。
[0017] 所述单片机控制器15进一步耦接至所述第二开关直流升压电路14的输出端，用于接收输出电压反馈信号，实现稳定性调整。
[0018] 本发明所述光伏供电系统进一步包括一耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器13的消耗负载模块18,所述消耗负载模块18用于所述太阳能电池板10未连接输出负载30以及蓄电池20时，消耗所述太阳能电池板10的输出功率，也即对系统多余的功率进行充分利用。可以根据系统使用需求接入一能够工作在较宽电压范围的负载，如在移动餐车上的保温/制冷设备等。
[0019] 本发明所述光伏供电系统进一步包括一与所述单片机控制器15相连的用户交互模块(图中未示出)，用于实现人机交互，以适应用户需求。
[0020] 参见附图2，本发明光伏供电系统一实施方式的电路图，所述光伏供电系统主要包括第一 BOOST升压电路、MPPT电路、第二 BOOST升压电路，MPPT电路包括第三BOOST升压电路以及三个子开关(如图所示Q21、Q22、Q23)。三个BOOST升压电路分别由开关Ql、Q3、Q4控制。负载R2为消耗负载，用作消耗多余功率，要求其能工作在较宽的电压范围中。
[0021] QU Q21、Q22、Q23、Q3、Q4均采用金属氧化层半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。Ql、Q21、Q22、Q23、Q3、Q4均外接驱动电路(图中未示出)以确保其能正常被驱动工作，由单片机控制器(图中未示出)控制，其中Q21、Q22与Q23连接单片机控制器上的一般输出引脚，Ql、Q3、Q4连接单片机控制器上带有PWM信号输出功能的引脚。
[0022] 电感L1、二极管Dl、MOSFET管Q1、电容Cl构成的第一 BOOST升压电路为输入端DC/DC变换电路。太阳能电池板接入输入端DC/DC变换电路经过升压后得到中间电压(即AB两点间电压Uab，也即Cl两端电压)，所述中间电压作为充电电路的输入电压用于通过蓄电池充放电控制模块给蓄电池(图中未不出)充电，同时还作为后部分负载电路的输入电压。电感L4、二极管D4、M0SFET管Q4、电容C4构成的第二 BOOST升压电路为输出端DC/DC变换电路，其作用是输出稳定电压为输出负载供电。电感L3、二极管D3、MOSFET管Q3、电容C3构成的第三BOOST升压电路为中间端DC/DC变换电路。Q21、Q22、Q23及中间端DC/DC变换电路共同构成MPPT电路。
[0023] 所述负载电路包括为消耗负载R2供电的MPPT电路以及为输出负载(图中未示出)供电的第二 BOOST升压电路。通过控制MPPT电路以及第二 BOOST升压电路的串/并联，来调整负载电路端的等效电阻，实现最大功率点跟踪。
[0024] 太阳能电池板输入电压经由Ql和Q4控制的两个BOOST升压电路做两级升压至IlOV稳定输出。中间存在Q3控制的BOOST升压电路用作功率调整，配合Q21、Q22、Q23工作改变局部电路的串并联方式调整电路的等效阻抗，用以实现太阳能电池板的最大功率输出。在太阳能电池板的接入端接有霍尔传感器(图中未示出)，进行电压和电流检测。同时稳压输出端口向单片机控制器反馈输出电压，用作稳定性调整。[0025] 在图中注出A、B、C三点，A、B点间电压Uab为输入端DC/DC变换电路的输出电压，C、B点间电压Ucb为输出端DC/DC变换电路的输入电压，A、C点间电压Uac为中间端DC/DC变换电路的输入电压，三者间关系为=Uab=UaJUcb
根据变压器原理，将输出端DC/DC变换电路及中间端DC/DC变换电路与各自负载所构成的部分电路等效替换，得到等效电路，如图3所示(图中蓄电池充放电控制模块、检测/反馈点未画出)。其中R2’为消耗负载的等效电阻、R4’为输出负载的等效电阻。简化后可以看出消耗负载的等效电阻R2’接入电路的方式由Q21、Q22、Q23控制。
[0026] 以下结合附图给出本发明的多个实施例，以说明Q21、Q22、Q23及第三BOOST升压电路构成的MPPT电路的工作情况。
[0027] 参见附图4，本发明光伏供电系统一实施例的电路图，其中，Q21导通、Q22关断、Q23导通，消耗负载和输出负载为并联关系。其等效电路如图5所示。此时AB间的等效阻值为:Rs，=1/ (1/R2，+1/R4，)。
[0028] 参见附图6是本发明光伏供电系统另一实施例的电路图，其中，Q21断开、Q22导通、Q23断开，中间端DC/DC变换电路及消耗负载R2以串联方式接入整个电路。其等效电路如图7所示。此时AB间的等效阻值为:Rs’ =R2’ +R/。
[0029] 根据太阳能电池的特性，其内部存在一内阻Rs，又根据电路基础理论，在太阳能电池负载RfRs时太阳能电池板将输出最大的功率。
[0030] 由上述可知，在太阳能电池经输入端DC/DC变换电路升压后，将有Rs的等效电阻Rs’，在输出等效负载R4’值大于Rs’时，只需使本发明所述光伏供电系统系统工作在图4所示情况，再调整中间端DC/DC变换电路占空比即可使太阳能电池输出最大功率；在R4’值小于Rs’时，则使使本发明所述光伏供电系统工作在图6所示情况，再调整中间端DC/DC变换电路占空比即可使太阳能电池输出最大功率。
[0031] 本发明所述光伏供电系统(以下简称系统)初始状态下工作在太阳能电池板接入并正常工作或蓄电池有充足电量时。单片机控制器检测当前系统中电路的连接状态，并选择相应的工作模式:
(1)在太阳能电池正常工作而系统未连接输出负载及蓄电池时，Q23导通，Q3在单片机控制器PWM信号控制下，改变R2对电路的等效电阻实现以寻找太阳能电池的最大功率点并稳定最大功率输出，输出功率将全部消耗在R2上；
(2)当太阳能电池板正常工作、接有输出负载且未接入蓄电池时，系统通过调整Q3的占空比以及Q21、Q22、Q23的开关状态实现最大功率输出；
(3)当系统连接有太阳能电池板及蓄电池并正常工作时，若未连接负载，太阳能电池板以最大功率为蓄电池充电，当蓄电池充满后断开蓄电池，系统以(I)中情况运行；
(4)当系统连接有太阳能电池板及蓄电池并正常工作时，若接有输出负载，优先为输出负载供电，多余功率为蓄电池充电，当蓄电池充满后断开蓄电池，系统以(I)中情况运行；
(5)太阳能电池板功率不足时,在最大功率输出情况下与蓄电池联合向输出负载供
电；
(6)太阳能电池板与蓄电池电量均不足时系统不工作，进入休眠状态。
[0032] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光伏供电系统，其特征在于，包括第一开关直流升压电路、蓄电池充放电控制模块、最大功率点跟踪太阳能控制器、第二开关直流升压电路以及单片机控制器； 所述第一开关直流升压电路耦接至太阳能电池板，用于对所述太阳能电池板的输入电压进行升压处理； 所述蓄电池充放电控制模块耦接至所述第一开关直流升压电路，用于控制蓄电池的充放电； 所述最大功率点跟踪太阳能控制器耦接至所述第一开关直流升压电路，用于调整系统输出功率，以实现所述太阳能电池板的最大功率输出； 所述第二开关直流升压电路耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器，用于对输出负载提供稳定电压输出； 所述单片机控制器耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器，同时通过一第一传感器耦接至所述太阳能电池板，用于接收第一传感器检测的电压和电流信号，以及通过一第二传感器耦接至所述蓄电池充放电控制模块，用于接收第二传感器检测的电压和电流信号，所述单片机控制器对接收到的各信号进行处理，并发送控制信号至所述最大功率点跟踪太阳能控制器。
2.根据权利要求1所述的光伏供电系统，其特征在于，所述第一开关直流升压电路包括一第一 BOOST升压电路，所述第二开关直流升压电路包括一第二 BOOST升压电路，第一、第二 BOOST升压电路的开关均接入所述单片机控制器，通过所述单片机控制器控制断开与闭合。
3.根据权利要求2所述的光伏供电系统,其特征在于,第一、第二 BOOST升压电路的开关均采用金属氧化层半导体场效晶体管，所述金属氧化层半导体场效晶体管通过一驱动电路接入所述单片机控 制器。
4.根据权利要求2所述的光伏供电系统，其特征在于，所述最大功率点跟踪太阳能控制器包括一第三BOOST升压电路以及第一、第二、第三子开关，第一子开关与第二子开关串联后分别接至所述第三BOOST升压电路的电感与开关两端，第三子开关一端与所述第三BOOST升压电路的开关相连，一端耦合至所述第一 BOOST升压电路，第三BOOST升压电路的开关以及第一、第二、第三子开关均接入所述单片机控制器，通过所述单片机控制器控制第一、第二、第三子开关在同一时刻仅有一个子开关处于闭合状态。
5.根据权利要求4所述的光伏供电系统，其特征在于，第三BOOST升压电路的开关以及第一、第二、第三子开关均采用金属氧化层半导体场效晶体管，所述金属氧化层半导体场效晶体管通过一驱动电路接入所述单片机控制器。
6.根据权利要求1所述的光伏供电系统，其特征在于，所述蓄电池采用磷酸铁锂电池。
7.根据权利要求1所述的光伏供电系统，其特征在于，所述单片机控制器进一步耦接至所述第二开关直流升压电路的输出端，用于接收输出电压反馈信号，实现稳定性调整。
8.根据权利要求1所述的光伏供电系统，其特征在于，所述系统进一步包括一耦接至所述最大功率点跟踪太阳能控制器的消耗负载模块，所述消耗负载模块用于所述太阳能电池板未连接输出负载以及蓄电池时，消耗所述太阳能电池板的输出功率。
9.根据权利要求1所述的光伏供电系统，其特征在于，所述第一传感器与第二传感器均采用霍尔传感器。
10.根据权利要求1所述的光伏供电系统，其特征在于，所述系统进一步包括一与所述单片机控制器相 连的用户交互模块，用于实现人机交互。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130904 |