CN103607003A - 一种光伏充电器的两级变频控制方法 - Google Patents

一种光伏充电器的两级变频控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏充电器的两级变频控制方法，所述光伏充电器包括BUCK降压电路、采样单元、控制单元、PWM驱动单元和人机交互界面，其特征在于：所述控制单元在实现MPPT最大功率控制的同时，实现两级变频控制，所述两级变频控制具体为：通过人机交互界面，输入光伏组件最大开路电压值，控制单元根据输入电压等级，设定PWM驱动单元的基准开关频率；根据光伏充电器输入电压等级，控制单元通过MPPT控制，同时根据实际输入最大功率点电压变化对已设定的PWM驱动单元基准开关频率进行调节。本发明提出的方法使得光伏充电器可自适应多种输入配置方式的光伏组件，并降低BUCK降压电路的开关损耗，提高整个光伏充电器效率。

Description

一种光伏充电器的两级变频控制方法
技术领域
本发明涉及一种光伏充电器的两级变频控制方法。
背景技术
在光伏发电系统中，光伏MPPT充电器通常采用BUCK降压电路，将较高电压的直流电变换成较低电压的直流电给电池充电。因不同光伏发电系统的光伏组件配置不同，导致接入光伏充电器的光伏组件的开路电压等级不同；且同一日照条件下，光伏组件开路电压、光伏组件最大功率点电压会随环境温度下降而上升，输出电流则轻微减小，因此光伏MPPT充电器所采用的BUCK降压电路的输入电压范围比一般BUCK电路输入电压范围宽，保证采用MPPT控制的充电器在正常充电模式下处于最大功率充电，此时光伏组件的转换效率最高。
为保证BUCK降压电路正常工作且控制相对简单，一般设计使BUCK降压电路工作在连续工作模式，此时输出纹波电压△VO为：
△                                                
Figure 638341DEST_PATH_IMAGE001
=
Figure 971234DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 723289DEST_PATH_IMAGE003
……………………………………………………式（1）
其中：
VO为充电电压，保持恒定；
fS为BUCK降压电路工作频率；
IO为BUCK降压电路输出电流，即充电电流；
D1为BUCK降压电路占空比，
Figure 418188DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 622904DEST_PATH_IMAGE005
；
VS为BUCK降压电路输入电压，即光伏组件输出的最大功率点电压。
如式1中所列，BUCK降压电路设计后，L与C固定不变，输出纹波电压△VO受VO、fS、VS影响，其中VO恒定，VS受外部条件影响，fS可按需求设定。
一般的光伏MPPT充电器采用的BUCK降压电路是固定开关频率工作模式的，同一日照条件下，当达到光伏组件最低温度时，VS最大，此时输出纹波电压△VO最大，当温度升高时，VS变小，此时开关频率fS保持不变，则输出纹波电压△VO变小，但因 BUCK降压电路是硬开关工作模式，在开关管切换过程中存在损耗，特别是高频模式下开关频繁切换的损耗更大。因此随温度升高（即VS变小），若适当降低开关频率，在保持输出纹波电压不变的情况下，降低BUCK降压电路的开关损耗，提高充电器效率，因此提出本发明设计。
发明内容
本发明的目的在于降低BUCK降压电路的功率开关管损耗，提高整个光伏充电器效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光伏充电器的两级变频控制方法，所述光伏充电器包括BUCK降压电路、采样单元、控制单元、PWM驱动单元和人机交互界面；
所述BUCK降压电路输入接至光伏组件，BUCK降压电路输出接至储能单元；
所述采样单元输入接至BUCK降压电路输入，采样单元输出接至控制单元；所述采样单元采样BUCK降压电路的输入电压送至控制单元处理；
所述控制单元输出接至PWM驱动单元输入，并根据采样信号处理结果输出信号控制PWM驱动单元；
所述PWM驱动单元的输出接至BUCK降压电路的功率开关管，并产生PWM驱动信号送至BUCK降压电路功率开关管；
所述人机交互界面与控制单元相互连接，发送信息至控制单元并接收控制单元的输出信号；
其特征在于：所述控制单元在实现MPPT最大功率控制的同时，实现两级变频控制，所述的两级变频控制具体包括：
第一级变频控制：根据光伏充电器所允许接入的输入电压等级，设定对应的PWM驱动单元基准开关频率；通过人机交互界面，输入当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压值，即设定当前光伏充电器的输入电压等级，控制单元根据当前光伏充电器的输入电压等级，选定光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率； 
第二级变频控制：根据当前光伏充电器的输入电压等级和光伏组件性能参数，计算工作温度范围内的光伏充电器的输入最大功率点电压范围，并将光伏充电器的输入最大功率点电压范围进行区间划分，针对不同的输入最大功率点电压区间，在光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率基础上按比例对PWM驱动单元基准开关频率进行调整，设定相应的PWM驱动单元的开关频率；检测一段时间光伏充电器实际输入的最大功率点电压，判断其所处的输入最大功率点电压区间，并选定相应的PWM驱动单元的开关频率。
进一步的，所述第一级变频控制具体为：
步骤S11：根据光伏充电器所允许接入的输入电压等级由小到大依次为V1、V2、V3……Vn，设定对应的PWM驱动单元基准开关频率为f1、f2、f3……fn，其中n为自然数，n≥2，fn-1< fn；
步骤S12：通过人机交互界面，输入当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压值Vi，其中i为自然数，n≥i≥2； 
步骤S13：根据当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压Vi，按照步骤S11设定的对应关系选择相应的PWM驱动单元基准开关频率fi。
进一步的，所述第二级变频控制为： 
步骤S21：根据所述步骤S12及步骤S13，由当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压值Vi，得出光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率fi；
步骤S22：根据当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压Vi及光伏组件性能参数，计算得光伏充电器的输入最大功率点电压范围为[V(i,min),V(i,max)]，其中V(i,min)<V(i,max)，V(i,max)为光伏充电器最低工作温度下的输入最大功率点电压，V(i,min)为光伏充电器最高工作温度下的输入最大功率点电压；
步骤S23：将光伏充电器的输入最大功率点电压范围 [V(i,min),V(i,max)]从小到大按顺序划分为m个电压区间[V(i,min),V(i,1)）、[V(i,1),V(i,2)）、[V(i,2),V(i,3)） ……[V(i,m-2),V(i,m-1)）、[V(i,m-1),V(i,max)] ，对相应的输入最大功率点电压区间设定相应的PWM驱动单元开关频率为β1*fi、β2*fi、β3*fi……β(m-1)*fi 、βm*fi，其中m为自然数，m≥2，β1 <β2 <β3 <……<β(m-1) <βm≤1；
步骤S24：采样电路检测当前时刻光伏充电器实际输入的最大功率点电压V(i，now)，判断其所属的电压区间，并判断该区间与PWM驱动单元开关频率所对应的电压区间是否相同，若相同，重新执行步骤S24，若不相同，时间计时器从零开始计时，执行下一步骤；
步骤S25：采样电路检测当前采样周期光伏充电器实际输入的最大功率点电压，判断其所属的电压区间与上一采样周期最大功率点电压所属的电压区间是否相同，若不相同则表示电压因外界因素导致瞬间跳动，返回步骤S24，同时保持PWM驱动单元开关频率不变化；若相同则判断时间计时器计时是否达到设定值，若未达到设定值则时间计时器加1，继续执行步骤S25，若达到设定值则执行下一步骤；
步骤S26：根据一段时间采样电路检测的光伏充电器输入的最大功率点电压所属的电压区间，调整光伏充电器的PWM驱动单元开关频率为该电压区间所对应的开关频率，并返回步骤S24。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可根据光伏发电系统配置的光伏组件不同，选定合适的BUCK变换器功率开关管开关频率，使得光伏充电器保持最大功率模式给蓄电池充电；
2、本发明可根据环境温度变化（即光伏充电器的输入电压变化），自动调整BUCK降压电路的功率开关管开关频率，使得光伏充电器保持最大功率模式充电的同时，降低BUCK降压电路的功率开关管损耗，提高系统转换效率，同时具备低输出纹波电压的特点。
附图说明
图1是本发明一种光伏充电器原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明的实施做进一步阐述。
如图1所示，本发明的一种光伏充电器的两级变频控制方法，所述光伏充电器包括BUCK降压电路、采样单元、控制单元、PWM驱动单元和人机交互界面；
所述BUCK降压电路输入接至光伏组件，BUCK降压电路输出接至储能单元；
所述采样单元输入接至BUCK降压电路输入，采样单元输出接至控制单元输入；所述采样单元采样BUCK降压电路的输入电压及输入电流信号送至控制单元处理；
所述控制单元输出接至PWM驱动单元输入，并根据采样信号处理结果输出信号控制PWM驱动单元；
所述PWM驱动单元的输出接至BUCK降压电路的功率开关管，并产生PWM驱动信号送至BUCK降压电路功率开关管；
所述人机交互界面与控制单元相互连接，接收控制单元的输出信号，并显示光伏充电器的工作状态；
所述控制单元在实现MPPT最大功率控制的同时，实现两级变频控制，所述的两级变频控制具体包括：
第一级变频控制：光伏充电器可接入不同配置的光伏组件，因光伏极板数量、串并联方式及光伏极板性能等的不同导致光伏组件最大开路电压会有多个电压等级，不同的光伏组件最大开路电压等级，应选择不同的PWM驱动单元基准开关频率，才可使光伏充电器适应于多种光伏组件配置方式，使得光伏充电器保持最大功率模式给蓄电池充电，因此根据光伏充电器所允许接入的电压等级，设定对应的PWM驱动单元基准开关频率；通过人机交互界面，输入光伏组件最大开路电压值（即设定当前光伏充电器的输入电压等级），控制单元根据该输入电压等级，选定适当的当前光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率；因为光伏组件可以由多个光伏极板串并联方式构成， 
第二级变频控制：在当前光伏充电器的输入电压等级下，根据光伏组件性能参数，在工作温度范围内计算当前光伏充电器的输入最大功率点电压范围，并将当前光伏充电器的输入最大功率点电压范围划分区间，针对不同的输入最大功率点电压区间，在当前光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率基础上按相应的比例对基准开关频率进行调整，设定相应的PWM驱动单元的开关频率，检测当前时刻光伏充电器实际输入的最大功率点电压，判断其所处的输入最大功率点电压区间，选定适当的PWM驱动单元的开关频率；因为在光伏组件配置一定的情况下，光伏充电器输入的最大功率点电压会随环境温度的变化而变化，因此根据最大功率点电压的变化，选择不同的PWM驱动单元开关频率，可使光伏充电器保持高效率、低纹波的充电模式。
第一级变频控制的具体实现方案为：
步骤S11：根据光伏充电器所允许接入的电压等级由小到大依次为V1、V2、V3……Vn，设定对应的PWM驱动单元基准开关频率为f1、f2、f3……fn，其中n为自然数，n≥2，fn-1< fn，由式（1）可知，光伏充电器输入电压越小（即对应的光伏组件最大开路电压越小），在满足输出纹波电压技术要求时，减小开关频率，可降低BUCK降压电路的功率开关管损耗；
步骤S12：通过人机交互界面，输入光伏组件最大开路电压值Vi（即当前光伏充电器的输入电压等级），，其中i为自然数，n≥i≥2； 
步骤S13：根据光伏组件最大开路电压Vi，按照步骤S11设定的对应关系选择相应的PWM驱动单元基准开关频率fi。
第二级变频控制的实现方案为：
步骤S21：根据第一级变频控制方法步骤S12及步骤S13，得知处于当前光伏充电器输入电压等级下，光伏组件最大开路电压为Vi及当前光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率为fi；
步骤S22：根据当前光伏组件最大开路电压为Vi及根据光伏组件性能参数，计算当前光伏充电器的输入最大功率点电压范围为[V(i,min),V(i,max)]，其中V(i,min)<V(i,max)，因光伏组件的最大功率点电压随温度升高而降低，因此V(i,max)为当前光伏充电器最低工作温度下的输入最大功率点电压，V(i,min)为当前光伏充电器最高工作温度下的输入最大功率点电压；
步骤S23：将当前光伏充电器的输入最大功率点电压范围 [V(i,min),V(i,max)]从小到大顺序划分为m个电压区间[V(i,min),V(i,1)）、[V(i,1),V(i,2)）、[V(i,2),V(i,3)） ……[V(i,m-2),V(i,m-1)) 、[V(i,m-1),V(i,max)]，其中m为自然数，m≥2，对相应的输入最大功率点电压区间设定相应的PWM驱动单元开关频率（其中PWM驱动单元开关频率等于PWM驱动单元基准开关频率与小于1的系数的乘积）为β1*fi、β2*fi、β3*fi……β(m-1)*fi 、βm*fi，其中β1 <β2 <β3 <……<β(m-1) <βm≤1，由式（1）可知，光伏充电器的输入电压越小（即对应的光伏充电器的输入最大功率点电压越小），在满足输出纹波电压技术要求时，减小开关频率，可降低BUCK降压电路的开关损耗；
步骤S24：保持当前PWM驱动单元开关频率，检测光伏充电器实际输入的最大功率点电压是否发生变化：由采样电路检测当前时刻光伏充电器实际输入的最大功率点电压V(i,now)，判断其所属的电压区间，并判断该区间与当前PWM驱动单元开关频率所对应的电压区间是否相同，若相同，返回重新执行本步骤S24，若不相同，时间计时器从零开始计时，执行步骤S25；
步骤S25：采样电路检测当前时刻光伏充电器实际输入的最大功率点电压，判断其所属的电压区间与上一时刻最大功率点电压所属的电压区间是否相同，若不相同则表示电压因浪涌冲击等因素导致瞬间跳动，返回步骤S24，保持当前PWM驱动单元开关频率不变化；若相同则判断时间计时器计时是否达到设定值，若未达到设定值则时间计时器加1，再执行当前步骤S25，若达到设定值则跳转下一步骤S26，表示光伏充电器实际输入的最大功率点电压因外部环境温度发生变化，需要调整PWM驱动单元开关频率；
步骤S26：根据一段时间采样电路检测的光伏充电器输入的最大功率点电压所属的电压区间，调整光伏充电器的PWM驱动单元开关频率为该电压区间所对应的开关频率，返回步骤S24，继续判断光伏充电器实际输入的最大功率点电压是否发生变化。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种光伏充电器的两级变频控制方法，所述光伏充电器包括BUCK降压电路、采样单元、控制单元、PWM驱动单元和人机交互界面；
所述BUCK降压电路输入接至光伏组件，BUCK降压电路输出接至储能单元；
所述采样单元输入接至BUCK降压电路输入，采样单元输出接至控制单元；所述采样单元采样BUCK降压电路的输入电压送至控制单元处理；
所述控制单元输出接至PWM驱动单元输入，并根据采样信号处理结果输出信号控制PWM驱动单元；
所述PWM驱动单元的输出接至BUCK降压电路的功率开关管，并产生PWM驱动信号送至BUCK降压电路的功率开关管；
所述人机交互界面与控制单元相互连接，发送信息至控制单元并接收控制单元的输出信号；
其特征在于：所述控制单元在实现MPPT最大功率控制的同时，实现两级变频控制，所述的两级变频控制具体包括：
第一级变频控制：根据光伏充电器所允许接入的输入电压等级，设定对应的PWM驱动单元基准开关频率；通过人机交互界面，输入当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压值，即设定当前光伏充电器的输入电压等级，控制单元根据当前光伏充电器的输入电压等级，选定光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率； 
第二级变频控制：根据当前光伏充电器的输入电压等级和光伏组件性能参数，计算工作温度范围内的光伏充电器的输入最大功率点电压范围，并将光伏充电器的输入最大功率点电压范围进行区间划分，针对不同的输入最大功率点电压区间，在光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率基础上按比例对PWM驱动单元基准开关频率进行调整，设定相应的PWM驱动单元的开关频率；检测一段时间光伏充电器实际输入的最大功率点电压，判断其所处的输入最大功率点电压区间，并选定相应的PWM驱动单元的开关频率。
2.根据权利要求1所述的一种光伏充电器的两级变频控制方法，其特征在于：所述第一级变频控制具体为：
步骤S11：根据光伏充电器所允许接入的输入电压等级由小到大依次为V1、V2、V3……Vn，设定对应的PWM驱动单元基准开关频率为f1、f2、f3……fn，其中n为自然数，n≥2，fn-1< fn；
步骤S12：通过人机交互界面，输入当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压值Vi，其中i为自然数，n≥i≥2； 
步骤S13：根据当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压Vi，按照步骤S11设定的对应关系选择相应的PWM驱动单元基准开关频率fi。
3.根据权利要求2所述的一种光伏充电器的两级变频控制方法，其特征在于：所述第二级变频控制方法为： 
步骤S21：根据所述步骤S12及步骤S13，由当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压值Vi，得出光伏充电器的PWM驱动单元基准开关频率fi；
步骤S22：根据当前光伏充电器接入的光伏组件最大开路电压Vi及光伏组件性能参数，计算得当前光伏充电器的输入最大功率点电压范围为[V(i,min),V(i,max)]，其中V(i,min)<V(i,max)，V(i,max)为光伏充电器最低工作温度下的输入最大功率点电压，V(i,min)为光伏充电器最高工作温度下的输入最大功率点电压；
步骤S23：将当前光伏充电器的输入最大功率点电压范围 [V(i,min),V(i,max)]从小到大按顺序划分为m个电压区间[V(i,min),V(i,1)）、[V(i,1),V(i,2)） 、[V(i,2),V(i,3)） ……[V(i,m-2),V(i,m-1) ）、[V(i,m-1),V(i,max)] ，对相应的输入最大功率点电压区间设定相应的PWM驱动单元开关频率为β1*fi、β2*fi、β3*fi……β(m-1)*fi 、βm*fi，其中m为自然数，m≥2，β1 <β2 <β3 <……<β(m-1) <βm≤1；
步骤S24：采样电路检测当前时刻光伏充电器实际输入的最大功率点电压V(i，now)，判断其所属的电压区间，并判断该区间与PWM驱动单元开关频率所对应的电压区间是否相同，若相同，重新执行步骤S24，若不相同，时间计时器从零开始计时，执行下一步骤；
步骤S25：采样电路检测当前采样周期光伏充电器实际输入的最大功率点电压，判断其所属的电压区间与上一采样周期最大功率点电压所属的电压区间是否相同，若不相同则表示电压因外界因素导致瞬间跳动，返回步骤S24，同时保持PWM驱动单元开关频率不变化；若相同则判断时间计时器计时是否达到设定值，若未达到设定值则时间计时器加1，继续执行步骤S25，若达到设定值则执行下一步骤；
步骤S26：根据一段时间采样电路检测的光伏充电器输入的最大功率点电压所属的电压区间，调整光伏充电器的PWM驱动单元开关频率为该电压区间所对应的开关频率，并返回步骤S24。
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