CN103472886A - 用于分布式光伏阵列的mppt控制方法及控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法，该方法包括：太阳能电池输出电压，电源电压产生模块在该输出电压下产生整个控制电路的工作电压，接着参考电压模块产生参考电压，然后误差放大器得到误差信号，PWM比较器得到PWM波，将PWM波驱动后控制太阳能电池输出电压并等待采样信号。发出采样信号后太阳能电池的当前功率值输入电压比较器，电压比较器存储当前功率值，同时参考电压模块根据比较结果重新产生参考电压；未发出采样信号时重复调整太阳能电池输出电压直至稳定在参考电压附近。本发明还公开了一种控制电路，利用本发明的方法及电路可有效减小进行MPPT控制的电路规模，并且使控制电路稳定工作。

Description

用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法及控制电路

技术领域

本发明涉及太阳能电池光伏发电领域，尤其涉及用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法及控制电路。

背景技术

由太阳能电池构成的光伏系统由于工作在多变的外界环境中，一年四季温度的变化，一天当中光照的不同都会对太阳能电池阵列的输出产生较大影响。同时，由于光伏系统由大量太阳能电池构成，电池板间的不匹配，局部电池板被遮挡等情况也经常出现，因此，光伏系统中的每一个电池板都需要一个最大功率点跟踪（MPPT）电路，来实现整个光伏系统在不同条件下的最大功率输出。

目前，常规的MPPT控制方法包括扰动观察法，电导增量法，开路电压法等。实现这些算法，通常都需要AD/DA转换器，DSP处理器或是单片机等含有数字模块的分立单元，再加上一些必要的DC/DC外围电路，整个控制电路就显得非常庞大而且复杂，不但成本很高，而且由于数字模块的存在，电路的尺寸无法缩小，整体的功耗也很难降低。

另外，现有的MPPT控制方法基本都是在整体的光伏系统后加入一级MPPT控制电路，控制电路基本都是靠外部电源供电。但是，一旦光伏系统采用分布式MPPT控制，当电池板串联，电压逐级升高时，在每一级电池板后的控制电路中，控制电路开关管通断的方波信号的幅度也需要逐级升高，这就使得现有的控制方法很难应用于分布式的光伏MPPT系统。

公开号为102880223A的专利文献提出了一种光伏逆变MPPT模拟电路实现方法，该方法虽然舍弃了常规的数字处理单元，但是没有提到控制电路的电源问题，无法依靠提供的控制电路实现光伏系统分布式MPPT控制。另外，专利中提供的控制方法是针对每一次的开关进行控制，整体电路没有一个稳定的控制环路，也就是依靠变频控制的方法，这就使得电路自身的稳定性大打折扣，而且变频电路自身会产生难以消除的噪声，同时由于没有反馈环路的存在，对外界噪声的干扰也就比较敏感，在最大点追踪过程中也容易产生错误。

发明内容

为了增加MPPT控制的稳定性，本发明提供了一种用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法，方法包括如下步骤：

由太阳能电池的输出电压得到参考电压；

由输出电压及参考电压得到误差信号；

根据误差信号调整太阳能电池输出电压，直至太阳能电池输出电压稳定在预设的参考电压范围内；

根据预定的采样周期对太阳能电池的输出功率进行采样并与上一次采样的功率值进行比较，根据比较得到的差值调整参考电压，并储存当前功率采样值用于下一次采样。

经过以上步骤，参考电压模块的参考电压会在最大功率点所对应的电压附近来回扰动，进而使得太阳能电池的输出电压在最大功率点所对应的电压附近来回扰动，进而实现最大功率跟踪。

根据误差信号调整太阳能电池的输出电压方式为：由误差信号产生定频方波信号，根据定频方波信号的占空比调整太阳能电池的输出电压。

定频方波信号先经过驱动再用于调整太阳能电池的输出电压。定频方波信号经过驱动之后可快速地更改太阳能电池的输出电压。其中，定频方波信号的占空比随误差信号变化而变化。

为实施本发明用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法，本发明还提供了一种用于MPPT控制方法的控制电路，包括：

参考电压模块，用于根据太阳能电池输出电压产生参考电压；

误差放大器，将根据太阳能电池输出电压及参考电压得到误差信号；

PWM比较器，根据误差信号产生PWM方波信号，所得PWM方波信号用于调整太阳能电池输出电压；

采样时间控制模块，用于发送采样信号；

电压比较器，用于在接收采样信号后调整参考电压。

该电路由于引进了负反馈回路，该MPPT控制方法可进行稳定而准确的MPPT控制。

所述控制电路还包括电源电压产生模块，用于接收来自太阳能电池的输出电压，并为控制电路提供工作电压。

控制电路的工作电源完全由太阳能电池提供，不需要外接电源，为基于分布式光伏系统的MPPT控制提供了基础。其中，工作电压以太阳能电池的负端作为参考，因此，太阳能电池的负端即作为整个控制电路的参考地。

电源电压产生模块由基准源与电压调整电路构成。

电源电压产生模块利用了线性稳压源的原理。太阳能电池的输出电压经过电源电压产生模块中的基准电路产生基准电压，基准电压经过电压调整电路后，为控制电路的其他模块提供稳定的工作电压。

所述控制电路包括boost升压电路，boost升压电路中的开关管根据PWM比较信号进行太阳能电池输出电压的调整。在boost升压电路中通过开关管的导通和断开实现太阳能电池输出电压的调整。

所述控制电路还包括驱动模块，用于将PWM比较器输出的方波信号进行驱动，利用驱动后的方波信号导通和断开boost升压电路中的开关管。驱动模块由一系列的反相器构成，为开关管栅极提供大电流，使得开关管能够快速、充分地导通。

所述PWM比较器为定频PWM比较器。用定频PWM的控制方式，相较于变频模式，一方面增加了电路的稳定性，另一方面克服了变频模式容易产生大的不可控的电磁干扰的缺点。

本发明提供的用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法及控制电路，没有采用DSP或单片机等数字处理单元，降低了电路的复杂程度，进而降低了成本，减小了功耗。同时，控制电路的工作电源完全由太阳能电池提供，不需要外接电源，为分布式光伏系统的MPPT提供了基础。

同时，本发明采用的用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法，采用定频PWM的控制方式，相较于变频模式，一方面增加了电路的稳定性，另一方面克服了变频模式容易产生大的不可控的电磁干扰的缺点。

另外，控制电路中包含了从太阳能电池输出，到误差放大器，到比较器，到开关管，再到太阳能电池输出的负反馈环路，由于负反馈环路的存在，使得电路的稳定性与抗干扰性能大幅提升，进一步降低了发生错误的可能性。

附图说明

图1为本发明原理的示意图；

图2为本发明实施例的电源电压产生模块示意图；

图3为该实施例的参考电压模块示意图；

图4为该实施例的MPPT控制方法流程图；

图5为该实施例的MPPT控制方法太阳能电池输出电压的仿真结果；

图6为该实施例的MPPT控制方法太阳能电池输出功率的仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明原理的示意图，包括太阳能电池1、电源电压产生模块2、误差放大器3、定频PWM比较器4、驱动模块5、参考电压模块6、振荡器7、采样时间控制模块8、模拟乘法器9、电压比较器10，阈值比较器11以及外围的boost升压电路。LOAD表示负载电路，阈值比较器11的负端输入阈值电压。控制电路中除boost升压电路外的部分，既可以使用分立器件构建实现，也可以全部由专用芯片集成实现。

图2为本发明实施例的电源电压产生模块的内部示意图。整个电源电压产生模块由带隙基准源（基准电路，图中用Bandgap表示）、运算放大器、MOS管与电阻构成。

电源电压产生模块利用线性稳压源的原理，输入端接太阳能电池的两端，输出负端接电池板低电压端，正端输出稳定的5V或3.3V电压，为控制电路提供电源。太阳能电池的输出电压经过带隙基准源产生基准电压，基准电压经过由运算放大器与电阻、MOS管构成的反馈回路，被放大到所需的电压，为控制电路的其他部分供电。

图3为本发明所述的参考电压模块的内部示意图。整个参考电压模块由恒流源、MOS管、电容及组合逻辑电路构成，其中组合逻辑电路由一系列逻辑门构成。这里将参考电压模块内的电容称为参考电容，以便和其它电容区分。组合逻辑电路的输出信号通过控制MOS管的通断，来决定对参考电容是充电还是放电，进而改变参考电容上的电压值，进而达到改变参考电压的作用。

图4为本发明工作过程的流程图。下面结合图4，具体介绍本发明的完整工作流程。

步骤1，太阳能电池受到阳光照射后输出电压，电源电压产生模块首先开始工作，当光照条件足够时，电源电压产生模块输出稳定的工作电压，供其它控制模块使用。

步骤2，参考电压模块开始工作，起始阶段，参考电容电压很低，低于设定的阈值电压，阈值比较器输出一个低电平的控制信号使得恒流源对参考电容进行充电，当参考电容的电压达到设定的启动阈值时阈值比较器输出高电平，参考电容停止充电，振荡器开始工作，产生100kHz的时钟信号与100kHz的锯齿波信号，供其它模块使用，其中时钟信号为方波形式。

步骤3，与此同时，分压电阻将太阳能电池的输出电压分压，得到电池分压值，将电池分压值送入误差放大器的负端，而误差放大器的正端连接的就是参考电压模块的参考电容。误差放大器将正负端的输入进行相减，并将得到的差值进行放大，放大后产生的误差信号送到PWM比较器的负端。

步骤4，PWM比较器的正端输入的是步骤2中振荡器产生的100kHz的锯齿波信号。PWM比较器将正负端结果进行比较，输出一个占空比随误差信号变化而变化且频率恒为100kHz的PWM方波信号。

步骤5，PWM波连接到由反相器构成的驱动模块，驱动模块输出一个驱动能力更强的PWM波到boost电路中开关管的栅极。

步骤6，开关管的栅极受到PWM波的激励，进而调整太阳能电池的输出电压。

步骤7，此时，如果采样时间控制模块没有发出采样信号，那么重复步骤3至步骤6，即分压电阻继续将太阳能电池的输出电压进行分压，然后产生误差，然后比较产生PWM波，调整太阳能电池的输出电压，如此循环下去，直到太阳能电池的输出电压经过分压后稳定在参考电压附近。一旦采样时间控制模块发出采样信号，则执行步骤8。

步骤8，模拟乘法器将太阳能电池输出的电压和电流作乘积，结果连接到电压比较器的正端，而电压比较器的负端连接一个存储上一次乘积的电容，为便于区分，称之为比较电容。电压比较器将两次的功率作比较，将比较的结果输出到参考电压模块，作为参考电压模块的当前控制信号。同时，电压比较器的正负端连通，将这一次的乘积存储到比较电容中，以便下一次采样时间控制信号到来时，和下一次的乘积作比较。

步骤9，电压比较器的正负端连通一定的时间后，断开。参考电压模块接收到比较器送来的当前控制信号后，参考电压模块中的组合逻辑电路将当前控制信号与上一次采样的控制信号作逻辑比较，判断出对参考电容是充电还是放电。待电压比较器的正负端断开后，恒流源开始对参考电容充电或放电一定的时间，参考电容的参考电压随之发生改变，为太阳能电池MPPT提供最大点参考电压。参考电压改变后，返回步骤3，即误差放大器的输出发生改变，PWM比较器的输出随之改变，经过开关管后，电池的输出电压发生改变，等待下一次采样时间控制信号的到来。

经过如此的循环之后，太阳能电池的输出电压会在最大功率点附近及其两侧来回振荡，进而实现了太阳能电池MPPT的功能。

为了验证可用于分布式光伏阵列的完全基于模拟电路的MPPT控制方法，采用PSIM软件，对所述方法进行了电路仿真。仿真针对的是不同光照条件下，太阳能电池最大功率点的跟踪情况。在0-1s内，光照条件维持在1000W/㎡；1-2s内，光照条件变为700W/㎡；2-3s内，光照条件继续下降为400W/㎡。图5所示为太阳能电池输出电压的变化，图6所示为太阳能电池输出功率的变化。从图5可以看出，每当光照条件改变时，经过一小段时间，太阳能电池输出电压便开始在最大功率点附近及其左右来回振荡，而对应的图6所示的太阳能电池的输出功率，则基本稳定在最大功率附近。因此可以判断出，本发明所提供的方法能够快速准确的实现太阳能电池最大功率跟踪。

本发明提供的用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法及控制电路，没有采用DSP或单片机等数字处理单元，降低了电路的复杂程度，进而降低了成本，减小了功耗。同时，控制电路的工作电源完全由太阳能电池提供，不需要外接电源，为分布式光伏系统的MPPT控制提供了基础。

Claims (9)

1.一种用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法，其特征在于，方法包括如下步骤：

由太阳能电池的输出电压得到参考电压；

由输出电压及参考电压得到误差信号；

根据误差信号调整太阳能电池输出电压，直至太阳能电池输出电压稳定在预设的参考电压范围内；

根据预定的采样周期对太阳能电池的输出功率进行采样并与上一次采样的功率值进行比较，根据比较得到的差值调整参考电压，并储存当前功率采样值用于下一次采样。

2.如权利要求1所述用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法，其特征在于，根据误差信号调整太阳能电池的输出电压方式为：由误差信号产生定频方波信号，根据定频方波信号的占空比调整太阳能电池的输出电压。

3.如权利要求2所述用于分布式光伏阵列的MPPT控制方法，其特征在于，定频方波信号先经过驱动再用于调整太阳能电池的输出电压。

4.一种用于MPPT控制方法的控制电路，其特征在于，包括：

参考电压模块，用于根据太阳能电池输出电压产生参考电压；

误差放大器，将根据太阳能电池输出电压及参考电压得到误差信号；

PWM比较器，根据误差信号产生PWM方波信号，所得PWM方波信号用于调整太阳能电池输出电压；

采样时间控制模块，用于发送采样信号；

电压比较器，用于在接收采样信号后调整参考电压。

5.如权利要求4所述用于MPPT控制方法的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括电源电压产生模块，用于接收来自太阳能电池的输出电压，并为控制电路提供工作电压。

6.如权利要求4所述用于MPPT控制方法的控制电路，其特征在于，电源电压产生模块由基准源与电压调整电路构成。

7.如权利要求4所述用于MPPT控制方法的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括boost升压电路，boost升压电路中的开关管根据PWM比较信号进行太阳能电池输出电压的调整。

8.如权利要求7所述用于MPPT控制方法的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括驱动模块，用于将PWM比较器输出的方波信号进行驱动，利用驱动后的方波信号导通和断开boost升压电路中的开关管。

9.如权利要求4所述用于MPPT控制方法的控制电路，其特征在于，所述PWM比较器为定频PWM比较器。

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