CN104377762B - 一种光伏充电器控制装置及控制方法 - Google Patents

一种光伏充电器控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏充电器控制装置，包括一光伏电压采样单元、一输出电流采样单元、一输出电压采样单元、MPPT单元、一第一电压控制器、一稳压控制给定单元、一第二电压控制器、一限幅控制单元、一电流控制器和一PWM发生器；其控制方法采用MPPT控制环、稳压控制环两电压内环与一电流控制外环，选取MPPT控制环输出与稳压控制环输出的最小值作为电流控制外环的给定Iref，光伏充电器的输出电流值Ibuck作为电流控制外环的反馈，电流控制外环输出驱动占空比给PWM发生器，PWM发生器产生PWM驱动信号驱动光伏充电器主电路的开关管的工作。本发明光伏充电器控制装置及控制方法保证光伏电压一直处在极板P-V曲线右边，不会引起输出电流跳变现象，保证更高效的利用了光伏能量。

Description

一种光伏充电器控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种光伏充电器控制装置及控制方法。
背景技术
随着人类对能源的需求越来越大以及传统能源的减少，能源问题已经是刻不容缓的问题，太阳能作为清洁、无污染能源，已经成为现代能源发展的主方向。
在太阳能离网发电系统中，通常通过太阳能充电装置将太阳能转化为某一电压等级的直流电供直流用电设备使用，多余的能量储存在蓄电池中，以备在缺少太阳能的时候使用，为了尽可能的利用太阳能，都需要进行最大功率跟踪，提高太阳能的利用率。另外由于蓄电池充放电不合理导致蓄电池提前损坏的占总损坏的蓄电池总数的比例相当大，对蓄电池合理的充放电管理相当重要。
通常太阳能充电装置都采用BUCK降压电路，即光伏电压高于电池电压才能充电，一般都会有恒流充电控制方式、恒压充电控制方式，恒流充电就是最大功率充电，在电池电压还没有达到一定电压值时(设为Vm)，一直以太阳能最大功率充电，一种近似的恒流充电，因为太阳能的能量不是恒定不变的，受天气变化影响，能量变化还是会很大的，恒压充电就是在电池电压达到Vm，为了防止过充，就不允许电池电压继续升高，维持电池电压在Vm充电，此时如果太阳能能量充足或者负载没有增大，光伏能量是可以维持电池电压稳定在Vm充电的，此时的光伏电压不会处在最大功率点处，如果在转到恒压控制后，光伏能量突然减少或者负载突然增大，光伏能量无法保证电池电压维持在Vm处，业界通常做法是，在电池电压跌落到一定值时再重新进行最大功率充电，但是在重新进行最大功率充电前，会存在个问题，因为光伏能量无法保证电池电压在Vm，那太阳能充电装置会一直将BUCK电路功率器件开关管的占空比调大，当光伏电压被调节到极板P-V曲线左侧时，光伏电压越低，光伏能量就越小，电池电压就会越低，就更无法保证电池电压维持在Vm，直到光伏电压被拉低到和电池电压基本相同，即功率器件开关管的占空比调节到最大，处于卡死状态，直到重新关闭驱动从光伏开路电压点重新开始下一次最大功率充电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏充电器控制装置及控制方法，控制装置及控制方法保证光伏电压一直处在极板P-V曲线右边，保证只要电池电压未达到Vm，充电装置就能使光伏电压快速调节到最大功率点，尽可能地利用光伏能量，并且在恒压充电和恒流充电相互切换时是软切换，不会存在输出电流跳变现象。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光伏充电器控制装置，其特征在于：包括一光伏电压采样单元，用于采样光伏极板的输出电压信号Upv；
一输出电流采样单元，用于采样光伏充电器的输出电流信号Ibuck；
一输出电压采样单元，用于采样光伏充电器的输出电压信号Ubuck；
一MPPT单元，根据光伏充电器的输出电流信号Ibuck和输出电压信号Ubuck，利用最大功率跟踪技术对光伏极板进行最大功率跟踪，得到光伏极板最佳工作电压Upvref；
一第一电压控制器，将所述MPPT单元的输出值与光伏电压采样电路的输出值
Upv取差值，经第一PI控制器（PI_1）控制调节输出Iref1；
一稳压控制给定单元，根据蓄电池的充电模式设置所述稳压控制给定单元
的输出值Ubref；
一第二电压控制器，将所述稳压控制给定单元的输出值Ubref与输出电
压采样单元的输出值Ubuck取差值，经第二PI控制器（PI_2）控制调节输出Iref2；
一限幅控制单元，根据第一电压控制器的输出值Iref1与第二电压控制器
的输出值Iref2的大小设置所述限幅控制单元的输出值；
一电流控制器，将限幅控制单元的输出值与所述输出电流采样单元的
输出值Ibuck取差值，经第三PI控制器（PI_3）控制调节输出驱动占空比给PWM发生器；
一PWM发生器，用于产生PWM驱动信号驱动光伏充电器主电路的开关管工
作；
所述光伏电压采样单元的输出端与所述第一电压控制器的反馈端连接；所述输出电流采样单元的输出端与所述MPPT单元的一输入端以及所述电流控制器的反馈端连接；所述输出电压采样单元的输出端与所述MPPT单元的另一输入端，所述稳压控制给定单元的输入端以及所述第二电压控制器的反馈端连接；所述MPPT单元的输出端与所述第一电压控制器的给定端连接；所述稳压控制给定单元的输出端与所述第二电压控制器的给定端连接；所述第一电压控制器的输出端与所述限幅控制单元的一输入端连接；所述第二电压控制器的输出端与所述限幅控制单元的另一输入端连接；所述限幅控制单元的输出端与所述电流控制器的给定端连接；所述电流控制器的输出端与所述PWM发生器的输入端连接。
在本发明一实施例中，所述稳压控制给定单元用于判断得出蓄电池的充电模式；当蓄电池为均充状态时，所述稳压控制给定单元的输出值Ubref设置为均充电压值Vboost；当蓄电池为浮充状态时，所述稳压控制给定单元的输出值Ubref设置为浮充电压值Vfloat。
在本发明一实施例中，所述限幅控制单元选择第一电压控制器的输出值Iref1与第二电压控制器的输出值Iref2中的较小值作为电流控制器的给定值。
在本发明一实施例中，所述光伏充电器的主拓扑为buck电路。
一种光伏充电器控制方法，其特征在于：采用一MPPT控制电压内环、一稳压控制电压内环与一电流控制外环，选取MPPT控制电压内环输出Iref1与稳压控制电压内环输出Iref2的较小值作为电流控制外环的给定Iref，光伏充电器的输出电流值Ibuck作为电流控制外环的反馈，电流控制外环输出驱动占空比给PWM发生器，PWM发生器产生PWM驱动信号驱动光伏充电器主电路的开关管的工作。
在本发明一实施例中，所述MPPT控制电压内环是根据光伏充电器的输出电流信号Ibuck和输出电压值Ubuck，利用最大功率跟踪技术对光伏极板进行最大功率跟踪，得到光伏极板最佳工作电压Upvref，光伏极板最佳工作电压Upvref与采样光伏极板的输出电压值Upv取差值，经第一PI控制器(PI_1)控制调节输出Iref1。
在本发明一实施例中，所述稳压控制电压内环是先通过采集蓄电池的电压，判断蓄电池的充电模式为均充模式还是为浮充模式，若蓄电池的充电模式为均充模式，则均充电压值Vboost作为稳压控制环的给定值Ubref，若蓄电池的充电模式为浮充模式，则浮充电压值Vfloat作为稳压控制环的给定值Ubref，稳压控制环的给定值Ubref与光伏充电器的输出电压值Ubuck取差值，经第二PI控制器（PI_2）控制调节输出Iref2。
在本发明一实施例中，所述电流控制外环选择Iref1与Iref2中的较小值作为电流控制外环的给定值Iref，电流控制外环的给定值Iref与光伏充电器的输出电流值Ibuck取差值，经第三PI控制器（PI_3）控制调节输出驱动占空比。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明电控制方法采用MPPT控制环、稳压控制环两电压内环与一电流控制外环，MPPT控制环、稳压控制环实时工作，选取MPPT控制环输出与稳压控制环输出的最小值作为电流控制外环的给定Iref，保证光伏电压一直控制在极板P-V曲线右边，实现软切换；
2、避免卡死情况的发生；不会引起输出占空比的突变而引起输出电流跳变现象；
3、由于P-V曲线右侧坡度较陡，MPPT跟踪效果更好，保证更高效的利用了光伏能量。
附图说明
图1是本发明Buck光伏充电器控制装置结构示意图。
图2是本发明Buck光伏充电器主拓扑图
图中：1—光伏极板2—Buck主电路3—蓄电池4—光伏电压采样单元
5—输出电流采样单元6—输出电压采样单元7—MPPT单元
8—第一电压控制器9—稳压控制给定单元10—第二电压控制器
11—限幅控制单元12—电流控制器13—PWM发生器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图2所示为本实施例中光伏充电器的主拓扑为Buck电路。
请参照图1，本发明提供一种光伏充电器控制装置，其特征在于：包括一光伏电压采样单元4，用于采样光伏极板1的输出电压信号Upv；
一输出电流采样单元5，用于采样光伏充电器的输出电流信号Ibuck；
一输出电压采样单元6，用于采样光伏充电器的输出电压信号Ubuck；
一MPPT单元7，根据光伏充电器的输出电流信号Ibuck和输出电压信号Ubuck，
利用最大功率跟踪技术对光伏极板1进行最大功率跟踪，得到光伏极板1最佳工作电压Upvref；
一第一电压控制器8，将所述MPPT单元7的输出值与光伏电压采样电路4的
输出值Upv取差值，经第一PI控制器（PI_1）控制调节输出Iref1；
一稳压控制给定单元9，根据蓄电池的充电模式设置所述稳压控制给定单元9
的输出值Ubref；
一第二电压控制器10，将所述稳压控制给定单元9的输出值Ubref与输出电
压采样单元6的输出值Ubuck取差值，经第二PI控制器（PI_2）控制调节输出Iref2；
一限幅控制单元11，根据第一电压控制器8的输出值Iref1与第二电压控制
器10的输出值Iref2的大小设置所述限幅控制单元11的输出值；
一电流控制器12，将限幅控制单元11的输出值与所述输出电流采样单元5
的输出值Ibuck取差值，经第三PI控制器（PI_3）控制调节输出驱动占空比给PWM发生器13；
一PWM发生器13，用于产生PWM驱动信号驱动光伏充电器主电路的开关管工
作；
于本实施例中，所述光伏电压采样单元4的输出端与所述第一电压控制器8的反馈端连接；所述输出电流采样单元5的输出端与所述MPPT单元7的一输入端以及所述电流控制器12的反馈端连接；所述输出电压采样单元6的输出端与所述MPPT单元7的另一输入端，所述稳压控制给定单元9的输入端以及所述第二电压控制器10的反馈端连接；所述MPPT单元7的输出端与所述第一电压控制器8的给定端连接；所述稳压控制给定单元9的输出端与所述第二电压控制器10的给定端连接；所述第一电压控制器8的输出端与所述限幅控制单元11的一输入端连接；所述第二电压控制器10的输出端与所述限幅控制单元11的另一输入端连接；所述限幅控制单元11的输出端与所述电流控制器12的给定端连接；所述电流控制器12的输出端与所述PWM发生器13的输入端连接。
于本实施例中，所述稳压控制给定单元9用于判断得出蓄电池的充电模式；当蓄电池为均充状态时，所述稳压控制给定单元9的输出值Ubref设置为均充电压值Vboost；当蓄电池为浮充状态时，所述稳压控制给定单元9的输出值Ubref设置为浮充电压值Vfloat。
于本实施例中，所述限幅控制单元11选择第一电压控制器8的输出值Iref1与第二电压控制器10的输出值Iref2中的较小值作为电流控制器12的给定值。
请继续参照图2，本发明提供一种光伏充电器控制方法，其特征在于：采用一MPPT控制电压内环、一稳压控制电压内环与一电流控制外环，选取MPPT控制电压内环输出Iref1与稳压控制电压内环输出Iref2的较小值作为电流控制外环的给定Iref，光伏充电器的输出电流值Ibuck作为电流控制外环的反馈，电流控制外环输出驱动占空比给PWM发生器13，PWM发生器13产生PWM驱动信号驱动光伏充电器主电路的开关管的工作。
于本实施例中，所述MPPT控制电压内环是根据光伏充电器的输出电流信号Ibuck和输出电压值Ubuck，利用最大功率跟踪技术对光伏极板1进行最大功率跟踪，得到光伏极板1最佳工作电压Upvref，光伏极板1最佳工作电压Upvref与采样光伏极板1的输出电压值Upv取差值，经第一PI控制器(PI_1)控制调节输出Iref1。
于本实施例中，所述稳压控制电压内环是先通过采集蓄电池3的电压（由图1我们可以看出蓄电池电压与BUCK电压为同一个），判断蓄电池3的充电模式为均充模式还是为浮充模式，若蓄电池3的充电模式为均充模式，则均充电压值Vboost作为稳压控制环的给定值Ubref，若蓄电池3的充电模式为浮充模式，则浮充电压值Vfloat作为稳压控制环的给定值Ubref，稳压控制环的给定值Ubref与光伏充电器的输出电压值Ubuck取差值，经第二PI控制器(PI_2)控制调节输出Iref2。
于本实施例中，所述电流控制外环选择Iref1与Iref2中的较小值作为电流控制外环的给定值Iref，电流控制外环的给定值Iref与光伏充电器的输出电流值Ibuck取差值，经第三PI控制器(PI_3)控制调节输出驱动占空比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种光伏充电器控制装置，其特征在于：包括一光伏电压采样单元，用于采样光伏极板的输出电压信号Upv；
一输出电流采样单元，用于采样光伏充电器的输出电流信号Ibuck；
一输出电压采样单元，用于采样光伏充电器的输出电压信号Ubuck；
一MPPT单元，根据光伏充电器的输出电流信号Ibuck和输出电压信号Ubuck，利用最大功率跟踪技术对光伏极板进行最大功率跟踪，得到光伏极板最佳工作电压Upvref；
一第一电压控制器，将所述MPPT单元的输出值与光伏电压采样电路的输出值Upv取差值，经第一PI控制器(PI_1)控制调节输出Iref1；
一稳压控制给定单元，根据蓄电池的充电模式设置所述稳压控制给定单元的
输出值Ubref；
一第二电压控制器，将所述稳压控制给定单元的输出值Ubref与输出电压采样单元的输出值Ubuck取差值，经第二PI控制器(PI_2)控制调节输出Iref2；
一限幅控制单元，根据第一电压控制器的输出值Iref1与第二电压控制器的输出值Iref2的大小设置所述限幅控制单元的输出值；
一电流控制器，将限幅控制单元的输出值与所述输出电流采样单元的输出值Ibuck取差值，经第三PI控制器(PI_3)控制调节输出驱动占空比给PWM发生器；
一PWM发生器，用于产生PWM驱动信号驱动光伏充电器主电路的开关管工作；
所述光伏电压采样单元的输出端与所述第一电压控制器的反馈端连接；所述输出电流采样单元的输出端与所述MPPT单元的一输入端以及所述电流控制器的反馈端连接；所述输出电压采样单元的输出端与所述MPPT单元的另一输入端，所述稳压控制给定单元的输入端以及所述第二电压控制器的反馈端连接；所述MPPT单元的输出端与所述第一电压控制器的给定端连接；所述稳压控制给定单元的输出端与所述第二电压控制器的给定端连接；所述第一电压控制器的输出端与所述限幅控制单元的一输入端连接；所述第二电压控制器的输出端与所述限幅控制单元的另一输入端连接；所述限幅控制单元的输出端与所述电流控制器的给定端连接；所述电流控制器的输出端与所述PWM发生器的输入端连接；
所述稳压控制给定单元用于判断得出蓄电池的充电模式；当蓄电池为均充状态时，所述稳压控制给定单元的输出值Ubref设置为均充电压值Vboost；当蓄电池为浮充状态时，所述稳压控制给定单元的输出值Ubref设置为浮充电压值Vfloat；
所述限幅控制单元选择第一电压控制器的输出值Iref1与第二电压控制器的输出值Iref2中的较小值作为电流控制器的给定值。
2.根据权利要求1所述的光伏充电器控制装置，其特征在于：所述光伏充电器的主拓扑为buck电路。
3.一种基于如权利要求1所述的光伏充电器控制装置的光伏充电器控制方法，其特征在于：采用一MPPT控制电压内环、一稳压控制电压内环与一电流控制外环，选取MPPT控制电压内环输出Iref1与稳压控制电压内环输出Iref2的较小值作为电流控制外环的给定Iref，光伏充电器的输出电流值Ibuck作为电流控制外环的反馈，电流控制外环输出驱动占空比给PWM发生器，PWM发生器产生PWM驱动信号驱动光伏充电器主电路的开关管的工作。
4.根据权利要求3所述的光伏充电器控制方法，其特征在于：所述MPPT控制电压内环是根据光伏充电器的输出电流信号Ibuck和输出电压值Ubuck，利用最大功率跟踪技术对光伏极板进行最大功率跟踪，得到光伏极板最佳工作电压Upvref，光伏极板最佳工作电压Upvref与采样光伏极板的输出电压值Upv取差值，经第一PI控制器(PI_1)控制调节输出Iref1。
5.根据权利要求3所述的光伏充电器控制方法，其特征在于：所述稳压控制电压内环是先通过采集蓄电池的电压，判断蓄电池的充电模式为均充模式还是为浮充模式，若蓄电池的充电模式为均充模式，则均充电压值Vboost作为稳压控制环的给定值Ubref，若蓄电池的充电模式为浮充模式，则浮充电压值Vfloat作为稳压控制环的给定值Ubref，稳压控制环的给定值Ubref与光伏充电器的输出电压值Ubuck取差值，经第二PI控制器(PI_2)控制调节输出Iref2。
6.根据权利要求3所述的光伏充电器控制方法，其特征在于：所述电流控制外环选择Iref1与Iref2中的较小值作为电流控制外环的给定值Iref，电流控制外环的给定值Iref与光伏充电器的输出电流值Ibuck取差值，经第三PI控制器(PI_3)控制调节输出驱动占空比。
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