CN104731157B - 一种模拟最大功率判断电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟最大功率判断电路，属于太阳能光伏控制跟踪最大功率点的硬件电路。本发明提供的模拟最大功率判断电路包括负载、运放U_1A、运放U_1B、三极管Q₁、三极管Q₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅和电流取样电阻R_s；通过三极管特性曲线实现了复杂的最大功率点寻找，大大提高了反应速度，简化了电路结构，提高了可靠性，降低了成本。本发明能够快速准确计算出太阳能板输出功率的大小，构成的元件便宜，是模拟分立元件。本发明提供的模拟最大功率判断电路的硬件资源廉价，基本上几个模拟分立元件、多个电阻、两个三极管和两个运放就能实现最大功率点的寻找。

Description

一种模拟最大功率判断电路

技术领域

本发明涉及一种寻找太阳能最大功率点的硬件实现电路；属于太阳能光伏控制跟踪最大功率点的硬件电路。

背景技术

无论是风能还是太阳能由于受设备成本的制约，所以在控制输出功率方面目标都是在同样的设备上输出的功率越多越好，但在设备一定的情况和某一个外部环境下设备输出的功率有个最大值，控制输出功率的控制器的目标就是让输出的功率，无限接近这个最大值。也叫最大功率跟踪器(MPPT)。

而太阳能板的最大功率点和温度日照情况，及板子自身的情况有关，而外部环境是在一定规律的基础上随机离散变化的，所以最大功率点也是随机不规则变化的有快有慢，所以如果想输出最大的功率，这就对最大功率跟踪器(MPPT)的反应速度和精度有了一定要求。

如何判断现在输出功率是否是最大功率，围绕着这个问题国内外做了大量研究出现了各种理论和方法，在算法和方法上发表了很多论文和专利。但由于是寻找最大功率点，而功率是太阳能光伏板输出的电流和电压的乘积，所以所有的理论和方法及电路实现不可回避的一个问题如何得出太阳能光伏板的输出功率。这个关键的问题实际是真正困扰最大功率跟踪器(MPPT)成本及精度的核心问题而没有太多突破。

现在所有的功率实现的方式基本就两种方式，模拟和数字方式。先说明一下数字方式，数字方式求功率就是把电流和电压通过数字取样变成数字信号后进行乘积然后得出功率，根据输入条件比较每次变化后功率变化的方向从而确定最大功率的位置。但数字方式它要经过取样和数字乘积比较判断后再回来控制输出，和快速变化的最大功率点来说它的速度和精度就有很大的限制。但成本问题才是妨碍它普及的一个最大问题，因为涉及到数字乘积的芯片不管是单片机还是DSP对于民用来说价格都是非常昂贵的。

模拟方式的功率计算，就是把太阳能光伏板的电流和电压不经过数字变换而直接进行模拟信号的乘积得出的是模拟信号的功率。它在速度控制反馈方面是非常好的。但模拟量的乘积的最大问题是价格太高，基本民用普及是没有意义的。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的成本普遍较高的问题，提供一种模拟最大功率判断电路，所述的模拟最大功率判断电路用一种简单的模拟电路，快速准确计算出太阳能板输出功率的大小，而且电路结构简单，构成的元件便宜，是模拟分立元件。本发明提供的模拟最大功率判断电路的硬件资源廉价，基本上几个模拟分立元件、多个电阻、两个三极管和两个运放就能实现最大功率点的寻找。

本发明通过三极管特性曲线实现了复杂的最大功率点寻找，大大提高了反应速度，简化了电路结构，提高了可靠性，降低了成本。

本发明的设计思路是：太阳能光伏板功率是电压乘以电流，而能把乘积关系转换成加减关系的运算是对数运算。如果能设计一套电路，先用一个电阻把输出的电压转换成线性的电流(与取样电阻用电压测电流正好相反)这样功率就变成两个电流的乘积。那么分别设计两部分电路，分别对这两个电流取对数，后相加就是这两个量相乘的对数，即ln(a*b)＝ln(a)+ln(b)，这样可以把两个相乘量变成两个对数相加的量，乘法就变成了加减法。

要想实现这个运算，必须用到三极管，根据三极管的特性曲线，三极管的集电极电流和基极的控制电压是对数关系，所以把太阳能光伏板的电压通过电阻分流转换成电流去控制一个三极管，而太阳能光伏板的电流通过取样电阻去控制另外一个三极管。把这两个三级管基极电压串联后，即电压相加就是太阳能光伏板的电压乘电流的对数了，也就是功率的对数了。

这样就能把功率的对数用一个简单电压来表示，但同时一个数和它的对数的变化方向是相同的，也就是当功率变大时功率的对数(也就是电路中的电压和即A点的电压)也变大，功率变小时功率的对数也变小，所以输出功率的最大点也是功率对数的最大点，也就是A点电压的最大点。

本发明把复杂的二维变量变成了关于A点电压的一维变量，大大简化了电路，太阳能光伏板的电压控制一个三极管电流，太阳能光伏板的电流控制另外一个三极管。它要求一个三极管的电压只和太阳能光伏板的电压有对数关系，另外串联的一个三极管的电压只和太阳能光伏板的电流有对数关系，这就要求要仔细设计电路的结构和拓扑及反馈的方式才能实现这个算数关系。

本发明提供一种模拟最大功率判断电路，所述的模拟最大功率判断电路包括负载、运放U_1A、运放U_1B、三极管Q₁、三极管Q₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅和电流取样电阻R_s。太阳能板(太阳能光伏板)的正极连接负载的一端，负载另一端接地；太阳能板的负极连接电流取样电阻R_s，电流取样电阻R_s的另一端接地(图1中设地为节点G)。三极管Q₁的集电极和基极短接在节点A，三极管Q₂集电极和基极短接在节点B，三极管Q₂的发射极与太阳能板的负极间连接电阻R₂，电阻R₂与三极管Q₂的发射极的连接端设为节点C，电阻R₂与太阳能板的负极的连接端设为节点D；节点D与地之间连接电流取样电阻R_s，节点C同时连接运放U_1A的反相输入端，运放U_1A的同相输入端接地，运放U_1A的输出端连接节点B。节点A和太阳能板正极之间连接电阻R₁；运放U_1B的同相输入端连接节点A，运放U_1B的同相输入端与运放U_1B的输出端之间连接电阻R₃，运放U_1B的反相输入端与运放U_1B的输出端之间连接反馈电阻R₅，运放U_1B的输出端设为节点E。

附图说明

图1为本发明提供的模拟最大功率判断电路结构示意图；

图2为功率测试点A的电压特性曲线和太阳能光伏板功率曲线的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种模拟最大功率判断电路，用于确定太阳能板的输出功率。如图1所示，所述的模拟最大功率判断电路包括负载、运放U_1A、运放U_1B、三极管Q₁、三极管Q₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅和电流取样电阻R_s。太阳能板(太阳能光伏板)的正极连接负载的一端，负载另一端接地；太阳能板的负极连接电流取样电阻R_s，电流取样电阻R_s的另一端接地(图1中设地为节点G)。三极管Q₁的集电极和基极短接在节点A，三极管Q₂集电极和基极短接在节点B，三极管Q₂的发射极与太阳能板的负极间连接电阻R₂，电阻R₂与三极管Q₂的发射极的连接端设为节点C，电阻R₂与太阳能板的负极的连接端设为节点D；节点D与地之间连接电流取样电阻R_s，节点C同时连接运放U_1A的反相输入端，运放U_1A的同相输入端接地，运放U_1A的输出端连接节点B。节点A和太阳能板正极之间连接电阻R₁；运放U_1B的同相输入端连接节点A，运放U_1B的同相输入端与运放U_1B的输出端之间连接电阻R₃，运放U_1B的反相输入端与运放U_1B的输出端之间连接反馈电阻R₅，运放U_1B的输出端设为节点E。

所述的三极管Q₁和三极管Q₂均为NPN型。

根据所述的模拟最大功率判断电路，节点A为功率检测点，A点的电压变化趋势和功率变化的趋势是一样的，也就是当功率达到最大值时，A点的电压也是最大值，所以可以通过A点电压的变化来检测功率的变化。

所述的功率检测点A点的电压V_A：

V_A＝V_AB+V_BC+V_CG

其中，V_AB为节点A和节点B之间的电压，V_BC为节点B和节点C之间的电压，V_CG为节点C和节点G之间的电压；从图1中可以看到，由于存在运放U_1A的同相输入端接地，所以运放U_1A的反相输入端的电压V_C实际上是虚地的，也就是V_C＝V_G＝0，其中V_G为节点G电压，所以V_CG＝0。这样，功率检测点A点电压V_A整理为：

V_A＝V_AB+V_BC

根据图1，V_AB和V_BC的电压，因为三极管Q₁基极和集电极是短接的，三极管Q₂的基极和集电极是短接的，所以，V_AB和V_BC的电压值实际上就是两个三极管(Q₁和Q₂)的基极(或集电极)到发射极的电压V_BE1和V_BE2。

所以，功率检测点A点的电压V_A实际上是两个三极管基极到发射极电压的和，也就是：

V_A＝V_BE1+V_BE2(1)

其中，V_BE1是三极管Q₁的基极到发射极的电压，V_BE2是三极管Q₂的基极到发射极的电压。

下面通过三极管的特性曲线求出三极管Q₁的电压V_BE1和三极管Q₂的电压V_BE2。求电压V_BE1、V_BE2的过程实际上是根据三极管的电压_电流曲线即U_I曲线计算各个三极管的电流大小，最后推出电压大小的，下面是具体计算方法分成四步：

第一步，先列出三级管的V_BE1、V_BE2的U_I关系公式；

根据三极管特性的基本公式，有：

$V_{BE}=\frac{k*T}{q}*ln\left(\frac{I_{BE}}{I_s}\right)---\left(2\right)$

温度常数：

$V_T=\frac{k*T}{q}---\left(3\right)$

基极和集电极电流关系：

I_C＝I_BE*β(4)

可以得出：

I_C+I_BE＝I_BE*(β+1)(5)

可以得出I_BE和I_BE+I_C的关系：

$I_{BE}=\frac{I_{BE}+I_C}{\mathrm{\β}+1}---\left(6\right)$

根据公式(2)和公式(3)得出公式(7)：

$V_{BE}=V_T*\ln \left(\frac{I_{BE}}{I_s}\right)---\left(7\right)$

根据公式(6)和公式(7)可以得出：

$V_{BE}=V_T*\ln \left(\frac{I_{BE}+I_C}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)---\left(8\right)$

其中，对于任意一个三极管，V_BE是基极B到发射极E之间的电压，I_BE是基极B到发射极E电流，I_C是集电极电流，I_B是基极电流，V_T是温度常数，β是共发射级直流电流放大倍数，k为玻尔兹曼常数，T是热力学温度，q为电子电量，I_s为PN结反向饱和电流。

第二步，求出流过三极管Q₁的电流I_Q1，从而求出三极管Q₁的基极B到发射极E的电压V_BE1。

因为三极管Q₁的集电极C和基极B短接，所以有，

i_Q1＝I_BE1+I_C(9)

其中，I_BE1为三极管Q₁的基极B到发射极E的电流，设太阳能板电压为V_p，电阻R₁上的电流为i，在节点A处的电流i为i＝i_1B+i_Q1，i_1B为流向运放U_1B的电流，i_Q1为流向三极管Q₁的电流，所以由i＝i_1B+i_Q1得出：

i_Q1＝i-i_1B(10)

现在开始求i_1B，因为：

i＝(V_P-V_A)/R₁(11)

上式中V_A为节点A的电压，V_P为太阳能板正极电压。

现在来计算i_1B。根据运放U_1B虚短的特性有V_A＝V₅＝V₆：

$i_{1B}=\frac{V_A-V_E}{R_3}---\left(12\right)$

上式中，V₅为运放U_1B的同相输入端的电压，V₆为运放U_1B的反相输入端的电压，V_E为运放U_1B的输出端的电压。

根据运放特性可得：

$\frac{V_E}{R_5+R_4}=\frac{V_6}{R_4}=\frac{V_A}{R_4}---\left(13\right)$

根据公式(13)得出：

$V_E=V_A*\frac{R_5+R_4}{R_4}---\left(14\right)$

把式(14)带入式(12)整理后可得：

$i_{1B}=\frac{V_A-V_A*\frac{R_5+R_4}{R_4}}{R_3}=V_A*\left(\frac{-R_5}{R_3*R_4}\right)---\left(15\right)$

把式(15)和式(11)带入式(10)，可得出i_Q1的电流大小为：

$i_{Q1}=\frac{V_p}{R_1}-\frac{V_A}{R_1}+V_A*\left(\frac{R_5}{R_3*R_4}\right)---\left(16\right)$

整理式(16)后得出：

$i_{Q1}=\frac{V_p}{R_1}+V_A*(\frac{R_5}{R_3*R_4}-\frac{1}{R_1})---\left(17\right)$

令R₁＝R₃＝R₄＝R₅，所以可以得出流向三极管Q₁的电流i_Q1为：

i_Q1＝V_p/R₁(18)

根据公式(8)和公式(9)得：

$V_{BE1}=V_T*\ln \left(\frac{i_{Q1}}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)---\left(19\right)$

$V_{BE1}=V_T*ln\left(\frac{V_p/R_1}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)---\left(20\right)$

这样我们就求完了公式(1)中V_BE1的值。

第三步，求公式(1)中V_BE2的值。

根据所述的模拟最大功率判断电路，光伏板电流i_PV为：

$i_{PV}=\frac{V_G-V_D}{R_s}---\left(21\right)$

所以，V_D＝V_G-i_PV*R_s(22)

根据运放开路特性，流过三极管Q₂的电流i_Q2＝I_BE2+I_CE2就等于从节点C流入电阻R₂的电流，所以得出：

$i_{Q2}=\frac{V_C-V_D}{R_2}---\left(23\right)$

其中，V_C为节点C的电压，V_D为节点D的电压，V_G为接地电压，即节点G的电压，I_BE2为Q₂基极到发射级电流，I_CE2为集电极到发射级电流，i_PV为流入太阳能板负极的电流。

把式(22)代入式(23)得，

$i_{Q2}=\frac{V_C-V_G+i_{PV}*R_s}{R_2}---\left(24\right)$

由于运放U_1A的反相输入端及同相输入端虚短的特性，可以知道V_C＝V_G＝0，可以得出三极管Q₂的电流i_Q2：

$i_{Q2}=i_{PV}*\frac{R_s}{R_2}---\left(25\right)$

把式(25)代入式(8)可以得出三极管Q₂的基极电压：

$V_{BE2}=V_T*\ln \left(\frac{i_{PV}*\frac{R_s}{R_2}}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)---\left(26\right)$

第四步，计算功率测试点A的电压和太阳能板输出功率的关系的公式；

把式(20)和式(26)代入式(1)可以得到功率检测点A的电压：

$V_A=V_T*\ln \left(\frac{i_{PV}*\frac{R_s}{R_2}}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)+V_T*\ln \left(\frac{\frac{V_p}{R_1}}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)---\left(27\right)$

化简式(27)：

$V_A=V_T*({\mathrm{lni}}_{PV}+{\mathrm{lnV}}_p)+V_T*\ln \left(\frac{R_s}{R_2*R_1}\right)+2V_T*\ln \left(\frac{1}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)---\left(28\right)$

整理式(28)得：

$V_A=V_T*\ln (i_{PV}*V_p)+V_T*\ln \left(\frac{R_s}{R_2*R_1}\right)+2V_T*\ln \left(\frac{1}{I_s*(\mathrm{\β}+1)}\right)---\left(29\right)$

可以注意到，i_PV*V_P即是太阳能板的输出功率w_{太阳能板输出功率}：

设定常数：

令

得出太阳能板的输出功率和功率测试点A的电压呈现对数关系，所以当太阳能板的功率达到最大时功率测试点A的电压也达到最大。

V_A＝V_T*ln(w_{太阳板输出功率})+k_常数(32)

上述的模拟最大功率判断电路中，要求三极管Q₁和三极管Q₂尽量匹配做到特性参数尽量一样，最好使用对管模块。其中R₁＝R₃＝R₄＝R₅的值和特性也要尽量一样。其中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅分别对应电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅的电阻值。

通过本发明这个电路转换，在寻找太阳能板的最大功率点时不用复杂而昂贵的乘法运算电路了，只需要简单判断A点的电压是否是最大即可。

功率测试点A点电压的曲线和太阳能板输出功率的曲线比较见图2，可以知道功率检测点A点的曲线走势是和功率走势方向一样的只不过是他们是对数关系，所以我们可以简单的判断A点电压变化情况而知道太阳能板输出功率变化的情况，从而寻找到最大功率点，这也是本发明的目标所在。

Claims (3)

1.一种模拟最大功率判断电路，其特征在于：包括负载、运放U_1A、运放U_1B、三极管Q₁、三极管Q₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅和电流取样电阻R_s；太阳能板的正极连接负载的一端，负载另一端接地；太阳能板的负极连接电流取样电阻R_s，电流取样电阻R_s的另一端接地；三极管Q₁的集电极和基极短接在节点A，三极管Q₂集电极和基极短接在节点B，三极管Q₂的发射极与太阳能板的负极间连接电阻R₂，电阻R₂与三极管Q₂的发射极的连接端设为节点C，电阻R₂与太阳能板的负极的连接端设为节点D；节点D与地之间连接电流取样电阻R_s，节点C同时连接运放U_1A的反相输入端，运放U_1A的同相输入端接地，运放U_1A的输出端连接节点B；节点A和太阳能板正极之间连接电阻R₁；运放U_1B的同相输入端连接节点A，运放U_1B的同相输入端与运放U_1B的输出端之间连接电阻R₃，运放U_1B的反相输入端通过R₄接地，运放U_1B的反相输入端与运放U_1B的输出端之间连接反馈电阻R₅，运放U_1B的输出端设为节点E；只有在R1＝R3＝R4＝R5的情况下，太阳能板的输出功率和功率测试点A的电压呈现对数关系，所以当太阳能板的功率达到最大时功率测试点A的电压也达到最大。

2.根据权利要求1所述的一种模拟最大功率判断电路，其特征在于：所述的三极管Q₁和三极管Q₂均为NPN型。

3.根据权利要求1所述的一种模拟最大功率判断电路，其特征在于：所述太阳能板的功率达到最大时，功率测试点A的电压也达到最大；满足：

V_A＝V_T*ln(w_{太阳板输出功率})+k_常数

其中，功率检测点即节点A点的电压V_A，w_{太阳板输出功率}为太阳能板输出功率，V_T是三极管温度常数。