CN104578775A - 一种buck电路及基于buck电路的最大功率点追踪的方法 - Google Patents

一种buck电路及基于buck电路的最大功率点追踪的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种BUCK电路及基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法。BUCK电路包括太阳能电池板和蓄电池，在太阳能电池板与蓄电池之间还包括：一输入滤波单元、一主控单元、一同步整流单元、一驱动电路单元、一输出滤波单元、一电流采样单元、一逆流保护单元和一过流保护单元；基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法包括：S01：启动最大功率点追踪，S02：进行最大功率点追踪，S03：结束最大功率点追踪；本发明基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法的算法能够准确、迅速的找到太阳能电池板的最大功率点，且不受光照、温度、阴影遮挡等环境的限制，且追踪速度快、效率高及纹波小等优点。

Description

一种BUCK电路及基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法
技术领域
本发明涉及太阳能转换领域，尤其涉及一种BUCK电路及基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法。
背景技术
地球表面每年接受太阳的辐射量达5.4×10 24J，项当于1.8×1014 t标准煤。若将其中的0.1％按转换率5％转换为电能，每年发电量可达5 600TW·h，项当于目前全世界能耗的40倍。因此，太阳能发电对今后能源发展有着特别重要的意义。目前，太阳能发电主要是指光伏发电。
由于光伏电池板的特殊功率输出曲线，目前常用的算法有：
1.恒电压法是最早的一种MPPT（最大功率点追踪）控制方法，不同光照强度下，光伏电池阵列的MPP (最大输出功率点)的电压近似项等。利用这一特性，将光伏电池输出电压固定在此电压上，实现光伏电池的最大功率输出。此方法无法较准确地实现MPPT控制。
2.扰动观察法，即爬山法，是一种比较实用的MPPT控制算法，这种算法在一定程度上加重了CPU的负担，且由于周期性寻优，会对系统的输出电压造成周期性的波动。
3.电导增量法是目前跟踪MPP快速而准确的算法之一，但其缺点是：对硬件的要求非常高，特别是要求模拟信号的数字化转换精确而快速，且必须要对信号做高质量的滤波处理，否则无法实现找到MPP的功能。此外还有同扰动观察法一样占用CPU时间太多的缺点。
这些技术一般都是以电压作为参考值进行调节，以上算法在在太阳板出现阴影或者遮挡时，出现的双波峰或多波峰完全没有办法越过，因此在应用上存在很多不足。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足而提出一种BUCK电路及基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法。
本发明的目的之一是提供一种BUCK电路。
本发明的目的之一是基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法的算法能够准确、迅速的找到太阳能电池板的最大功率点。
本发明的技术方案如下：
一种BUCK电路，包括太阳能电池板和蓄电池，其特征在于：在太阳能电池板与蓄电池之间还包括：
一输入滤波单元：由电容C1组成；
一主控单元：主要用于产生控制信号；
一同步整流单元：由MOS管Q1、MOS管Q2及肖特基二极管D1组成；
一驱动电路单元：用于驱动同步整流单元，并输出三项PWM；
一输出滤波单元：由电感L1和电容C2组成，用于储存能量；
一电流采样单元：由电阻R1组成，
一逆流保护单元：由R1和DSP组成，
一过流保护单元：由R1和DSP组成。
进一步的，还包括用于防用蓄电池反接MOS管Q4；
进一步的，还包括MOS管Q2和MOS管Q3，Q2和Q3并联做同步整流的下桥臂，起到快速开头的作用。
基于权利要求1-3所述的BUCK电路的最大功率点追踪的方法，步骤如下：
    S01：启动最大功率点追踪：PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作且三项相互错项120度；
2)      三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
3)      PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
4)      PWMH保持占空比最小，频率为40KHz；
    S02：进行最大功率点追踪：PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作且三项相互错项120度；
2)      三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
3)      PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
4)      PWMH保持占空比由最小按步长逐渐加大，频率为40KHz；
5)      采集在最大功率点追踪过程中的输出电流值；
   S03：结束最大功率点追踪：PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作且三项相互错项120度；
2)      三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
3)      PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
进一步的，当检测到太阳能电池板电压低于蓄电池、超温或异常情况时将关闭充电，关闭时三路的PWMH和PWML均输出低电平。
进一步的，在结束最大功率追踪后，由在最大功率点追踪过程中的采集到的输出电流值计算出最大功率点的占空比，并将此值直接赋值给三项PWM。
进一步的，追踪结束后异步转换；
a.当采集到的最大功率点的功率大于三项工作功率Pwork-3，则三项由异步转为同步，PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作且三项相互错项120度；
2)      三项PWM上下管均保留死区；
3)      PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大至40KHz，当频率到达40KHz后占空比保持最大功率点的值；
4)      PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz。
b.当采集到的最大功率点的功率大于两项工作功率Pwork-2，则前两项由异步转为同步，PWM按如下规则输出：
1)      前两项均工作且前两项相互错项120度；
2)      前两项PWM上下管均保留死区；
3)      PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大至40KHz，当频率到达40KHz后占空比保持最大功率点的值；
4)      PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz；
5)      第三项关闭。
c.当采集到的最大功率点的功率大于同异步转换功率Pwork-1，则第一项由异步转为同步，PWM按如下规则输出：
1)      第一项工作；
2)      第一项PWM上下管均互补且保留死区；
3)      PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大至40KHz，当频率到达40KHz后占空比保持最大功率点的值；
4)      PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz；
5)      后两项关闭。
进一步的，追踪结束后同步转异步；
a.当采集到的最大功率点的功率由大于转变为小于三项功率Pwork-3， PWM按如下规则输出：
1)      前两项工作；
2)      前两项PWM上下管均互补且保留死区，项位差为120度；
3)      PWML与PWMH均保持最大功率点空比，频率均为40KHz；
4)      第三项关闭。
b.采集到的最大功率点的功率由大于转变为小于前二项功率Pwork-2， PWM按如下规则输出：
1)      前两项均工作且前两项相互错项120度；
2)      前两项PWM上下管均保留死区；
3)      PWML与PWMH均保持最大功率点空比，频率均为40KHz；
4)      第三项关闭。
c.当采集到的最大功率点的功率大于同异步转换功率Pwork-1，PWM按如下规则输出：
1)      第一项工作；
2)      第一项PWM上下管均互补且保留死区；
3)      PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率均为40KHz；
4)      后两项关闭。
    进一步的，
a.当输出功率大于设定变频功率Pf时，PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作；
2)      三项PWM上下管均互补且保留死区并相互错项120度；
3)      PWML与PWMH均保持最大功率点空比，频率均变为30KHz；
4)      启动新一轮追踪过程，在追踪过程中所有PWMH均以30KHz输出，PMWL均以3KHz输出。
b.当输出功率小于设定变频功率Pf时，PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作；
2)      三项PWM上下管均互补且保留死区并相互错项120度；
3)      PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率变回为40KHz；
4)      启动新一轮追踪过程，在追踪过程中所有PWMH均以40KHz输出，PMWL均以4KHz输出。
进一步的，Pf>Pwork-3>Pwork-2>Pwork-1。
本发明的有益效果：本发明基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法的算法能够准确、迅速的找到太阳能电池板的最大功率点，且不受光照、温度、阴影遮挡等环境的限制，且追踪速度快、效率高及纹波小等优点。
附图说明
图1为本发明BUCK电路图；
图2为充电关闭波形图；
图3为启动充电时的波形图；
图4为追踪过程中占空比Dmin时的波形图；
图5为追踪过程中占空比D50%时的波形图；
图6为追踪过程中占空比Dmax时的波形图；
图7为追踪完成后异步模式转换为同步模式的波形图；
图8为追踪完成后前两项异步模式转换为同步模式的波形图；
图9为追踪完成后第一项异步模式转换为同步模式的波形图；
图10为关闭第三项波形图；
图11为关闭第一项和第二项波形图；
图12为由同步转为异步过程波形图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明，现结合实施例及附图作进一步的说明。
实施例1：BUCK电路
一种BUCK电路，包括太阳能电池板和蓄电池，其特征在于：在太阳能电池板与蓄电池之间还包括：一输入滤波单元：由电容C1组成；一主控单元：主要用于产生控制信号；一同步整流单元：由MOS管Q1、MOS管Q2及肖特基二极管D1组成；一驱动电路单元：用于驱动同步整流单元，并输出三项PWM；一输出滤波单元：由电感L1和电容C2组成，用于储存能量；一电流采样单元：由电阻R1组成，一逆流保护单元：由R1和DSP组成，一过流保护单元：由R1和DSP组成。
进一步的，还包括用于防用蓄电池反接MOS管Q4；
进一步的，还包括MOS管Q2和MOS管Q3，Q2和Q3并联做同步整流的下桥臂，起到快速开头的作用，可有效改善同步BUCK的驱动特性，降低EMI干扰。
实施例2：关闭充电
如图2所示，检测到太阳板电压比蓄电池电压低（晚上）、超温、等异常情况时需要将充电关闭，关闭时三项的PWMH与PMWL 均输出低电平。
实施例3：启动最大功率点追踪过程
 1、启动充电过程
如图3所示，检测到太阳板电压超过蓄电池电压（白天）且无异常，启动充电过程，在此过程中输出PWM按如下规则输出：
1)        三项均工作；
2)        三项相互错项120度；
3)        三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
4)        PWMH保持占空比最小，频率为40KHz；
5)        PWML保持占空比最小，频率为4KHz。
2、启动最大功率点追踪
   如图4所示，上一过程完成后，DSP自动进入启动追踪过程，在此过程中输出PWM按如下规则输出：
1)        三项均工作；
2)        三项相互错项120度；
3)        三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
4)        PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
5)        PWMH保持占空比由最小按步长逐步加大，频率为40KHz。
3、进行最大功率点追踪
   如图5所示，上一过程之后，DSP自动继续追踪过程，在此过程中输出PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作；
2)      三项相互错项120度；
3)      三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
4)      PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
5)      PWMH保持占空比按步长加大，频率为40KHz；
6)      记录在追踪过程中的输出电流值。
4、结束最大功率点追踪
   如图6所示，PWMH占空比增大到设定最大占空比后，将结束追踪过程。在此过程中输出PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作；
2)      三项相互错项120度；
3)      三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
4)      PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
5)      PWMH占空比增加到最大，频率为40KHz。
实施例4：追踪结束后异步转换
   追踪完成后，根据在追踪过程中采集到的参数计算出MPP的占空比。将此占空比直接赋值给三项PWM。
1、如图7所示，当采集到的最大功率点的功率大于三项功率Pwork-3，则三项由异步转为同步，在此过程中输出PWM按如下规则输出：
1)      三项均工作；
2)      三项相互错项120度；
3)      三项PWM上下管均互补且保留死区；
4)      PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大到40KH，当频率到达40KH后占空比保持最大功率点的值；
5)      PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz。
2、如图8所示，当采集到的最大功率点的功率大于前二项功率Pwork-2，则前两项由异步转为同步，在此过程中输出PWM按如下规则输出：
1)      前两项工作；
2)      前两项相互错项120度；
3)      前两项PWM上下管均互补且保留死区；
4)      PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大到40KH，当频率到达40KHz后占空比保持最大功率点的值；
5)      PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz；
6)      第三项关闭。
3、如图9所示，当采集到的最大功率点的功率大于同异步转换功率Pwork-1则第一项由异步转为同步，在此过程中输出PWM按如下规则输出：
1)        第一项工作；
2)        第一项PWM上下管均互补且保留死区；
3)        PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大到40KH，当频率到达40KH后占空比保持最大功率点的值；
4)        PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz；
5)        后两项关闭。
实施例5：追踪结束后同步转异步
   在光照减弱或温度发生变化，太阳板输出功率减弱，此时应当根据采集到的信息使得输出发生相应的变化。
   1、如图10所示，采集到的最大功率点功率由大于转变为小于三项功率Pwork-3时，输出发生如下变化：
1)      前两项工作；
2)      前两项PWM上下管均互补且保留死区，项位差为120度；
3)       PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率均为40KHz；
4)      第三项关闭。
   2、如图11所示，采集到的最大功率点的功率由大于转变为小于前二项功率Pwork-2时，输出发生如下变化：
1)        第一项工作；
2)        第一项PWM上下管均互补且保留死区；
3)        PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率均为40KHz；
4)        后两项关闭。
   3、如图12所示，采集到的最大功率点功率由大于转变为小于同异步转换功率Pwork-1时，输出发生如下变化：
1)        第一项工作；
2)        第一项PWM上下管均互补且保留死区；
3)        PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率均为40KHz；
4)        后两项关闭。
实施例6
追踪完成后，光照发生明显变化或延时设定时间后启动新一轮追踪过程。
1、当输出功率大于设定变频功率Pf时，输出发生如下变化：
1)        三项均工作；
2)        三项PWM上下管均互补且保留死区。相互错项120度；
3)        PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率均变为30KHz；
4)        启动新一轮追踪过程，在追踪过程中所有PWMH均以30KHz输出，PMWL均以3KHz输出。
2、当输出功率小于设定变频功率Pf时，输出发生如下变化：
1)        三项均工作；
2)        三项PWM上下管均互补且保留死区。相互错项120度；
3)        PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率变回为40KHz；
4)        启动新一轮追踪过程，在追踪过程中所有PWMH均以40KHz输出，PMWL均以4KHz输出。
实施例7
1、换项运行：为避免每天运行均以第一项开始工作，而降低第一项的使用寿命，从而设定换项工作，具体实现如下：
a、第一项首先启动，功率加大后项继启动第二项第三项工作，次日以b运行；
b、第二项首先启动，功率加大后项继启动第三项第一项工作，次日以c运行；
c、第三项首先启动，功率加大后项继启动第一项第二项工作，次日以a运行。
其中：Pf> Pwork-3> Pwork-2> Pwork-1；
     Pf:设定变频功率；
     Pwork-3:三项功率；
     Pwork-2:前二项功率；
     Pwork-1:同异步转换功率。

Claims (10)

1.一种BUCK电路，包括太阳能电池板和蓄电池，其特征在于：在太阳能电池板与蓄电池之间还包括：
一输入滤波单元：由电容C1组成；
一主控单元：主要用于产生控制信号；
一同步整流单元：由MOS管Q1、MOS管Q2及肖特基二极管D1组成；
一驱动电路单元：用于驱动同步整流单元，并输出三项PWM；
一输出滤波单元：由电感L1和电容C2组成，用于储存能量；
一电流采样单元：由电阻R1组成，
一逆流保护单元：由R1和DSP组成，
一过流保护单元：由R1和DSP组成。
2.根据权利要求1所述BUCK电路，其特征在于：还包括用于防用蓄电池反接MOS管Q4。
3.根据权利要求1所述BUCK电路，其特征在于：还包括MOS管Q2和MOS管Q3，Q2和Q3并联做同步整流的下桥臂，起到快速开头的作用。
4.基于权利要求1-3所述的BUCK电路的最大功率点追踪的方法，其特征在于：步骤如下：
  S01：启动最大功率点追踪：PWM按如下规则输出：
三项均工作且三项相互错项120度；
三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
PWMH保持占空比最小，频率为40KHz；
   S02：进行最大功率点追踪：PWM按如下规则输出：
三项均工作且三项相互错项120度；
三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
PWMH保持占空比由最小按步长逐渐加大，频率为40KHz；
采集在最大功率点追踪过程中的输出电流值；
   S03：结束最大功率点追踪：PWM按如下规则输出：
三项均工作且三项相互错项120度；
三项PWM上下管均保留死区且PWML滞后PWMH；
PWML保持占空比最小，频率为4KHz；
PWMH保持占空比增加到最大，频率为40KHz。
5.根据权利要求4所述基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法：其特征在于：当检测到太阳能电池板电压低于蓄电池、超温或异常情况时将关闭充电，关闭时三路的PWMH和PWML均输出低电平。
6.根据权利要求4所述基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法，其特征在于：在结束最大功率追踪后，由在最大功率点追踪过程中的采集到的输出电流值计算出最大功率点的占空比，并将此值直接赋值给三项PWM。
7.根据权利要求6所述基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法，其特征在于：追踪结束后异步转换；
a.当采集到的最大功率点的功率大于三项工作功率Pwork-3，则三项由异步转为同步，PWM按如下规则输出：
三项均工作且三项相互错项120度；
三项PWM上下管均保留死区；
PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大至40KHz，当频率到达40KHz后占空比保持最大功率点的值；
PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz；
b.当采集到的最大功率点的功率大于两项工作功率Pwork-2，则前两项由异步转为同步，PWM按如下规则输出：
前两项均工作且前两项相互错项120度；
前两项PWM上下管均保留死区；
PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大至40KHz，当频率到达40KHz后占空比保持最大功率点的值；
PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz；
第三项关闭；
c.当采集到的最大功率点的功率大于同异步转换功率Pwork-1，则第一项由异步转为同步，PWM按如下规则输出：
第一项工作；
第一项PWM上下管均互补且保留死区；
PWML保持占空比最小，频率由4KHz分步加大至40KHz，当频率到达40KHz后占空比保持最大功率点的值；
PWMH占空比保持最大功率点的值，频率为40KHz；
后两项关闭。
8.根据权利要求7所述基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法，其特征在于：追踪结束后同步转异步；
a.当采集到的最大功率点的功率由大于转变为小于三项功率Pwork-3， PWM按如下规则输出：
前两项工作；
前两项PWM上下管均互补且保留死区，项位差为120度；
PWML与PWMH均保持最大功率点空比，频率均为40KHz；
第三项关闭；
b.采集到的最大功率点的功率由大于转变为小于前二项功率Pwork-2， PWM按如下规则输出：
前两项均工作且前两项相互错项120度；
前两项PWM上下管均保留死区；
PWML与PWMH均保持最大功率点空比，频率均为40KHz；
第三项关闭；
c.当采集到的最大功率点的功率大于同异步转换功率Pwork-1，PWM按如下规则输出：
第一项工作；
第一项PWM上下管均互补且保留死区；
PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率均为40KHz；
后两项关闭。
9.根据权利要求7所述基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法，其特征在于：
a.当输出功率大于设定变频功率Pf时，PWM按如下规则输出：
三项均工作；
三项PWM上下管均互补且保留死区并相互错项120度；
PWML与PWMH均保持最大功率点空比，频率均变为30KHz；
启动新一轮追踪过程，在追踪过程中所有PWMH均以30KHz输出，PMWL均以3KHz输出；
b.当输出功率小于设定变频功率Pf时，PWM按如下规则输出：
三项均工作；
三项PWM上下管均互补且保留死区并相互错项120度；
PWML与PWMH均保持最大功率占空比，频率变回为40KHz；
启动新一轮追踪过程，在追踪过程中所有PWMH均以40KHz输出，PMWL均以4KHz输出。
10.根据权利要求7至9所述的基于BUCK电路的最大功率点追踪的方法，其特征在于：
Pf>Pwork-3>Pwork-2>Pwork-1。
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