CN105005350A

CN105005350A - 一种自供电式太阳能控制器

Info

Publication number: CN105005350A
Application number: CN201510536262.4A
Authority: CN
Inventors: 汪石农; 陈其工; 高文根; 吴飞; 吴浙勋
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Langfang Mingchi New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: CN105005350B

Abstract

本发明公开了一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的控制器包括光伏电池输出的电压通过DC-DC变换模块降压后为负载电路和蓄电池充电电路供电，光伏电池同时连接电流采集模块；控制器同时设有光照度采集模块将采集到的光照信息与电流采集模块的电流信息一并传递给控制电路模块，控制电路模块输出PWM信号驱动DC-DC变换模块的功率开关器件进行工作。由于采用上述的结构，本发明避免了额外电源的接入，使得本发明的太阳能控制器可以使用在太空、海上、野外等供电不便的场所。体积小、成本低，能准确跟踪光伏电池的最大功率点，避免了常规最大功率点跟踪算法的功率振荡，提高了光伏电池的光电转换效率，并且使用方便、灵活。

Description

一种自供电式太阳能控制器

技术领域

本发明涉及太阳能光伏电池发电技术，特别涉及一种自供电式太阳能控制器。

背景技术

能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。目前，世界上的能源仍以煤炭、石油和天然气等化石能源为主。但是，这些化石能源是不可再生资源，并且这些化石能源在使用过程中会产生大量的污染物，对人类生态环境产生极大的破坏。太阳能作为一种清洁能源，逐渐成为人类使用能源的重要组成部分。

太阳能控制器是一种用于太阳能光伏电池发电领域，控制太阳能光伏电池对负载进行供电以及对蓄电池进行充电的自动控制设备。现有的太阳能控制器大多由单片机或DSP等微处理器构成的系统，由软件算法实现扰动观察法、电导增量法和直线近似法等最大功率点跟踪算法，这类太阳能控制器大多电路复杂、成本较贵，并且在最大功率点附近容易产生功率振荡带来无谓的能量损耗。也有一些小功率的太阳能控制器，为了节约成本，采用简单的恒定电压法跟踪光伏电池的最大功率点，这种方法是不能准确跟踪光伏电池最大功率点，从而造成光伏电池的光电转换效率降低。另一方面，现有的太阳能控制器都需要额外电源给控制器本身进行供电，有的甚至需要双电源进行供电，使得太阳能控制器在供电不便的场所使用不了。

因此，随着太阳能光伏发电的不断推广和普及，提供一种能够自供电、成本低、准确跟踪太阳能光伏电池最大功率点的太阳能控制器是现有技术需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种自供电式太阳能控制器，实现自供电，达到降低成本，准确跟踪太阳能光伏电池最大功率点的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的控制器包括光伏电池输出的电压通过DC-DC变换模块降压后为负载电路模块和蓄电池充电电路供电，光伏电池同时连接电流采集模块；控制器同时设有光照度采集模块将采集到的光照信息与电流采集模块的电流信息一并传递给控制电路模块，控制电路模块输出PWM信号驱动DC-DC变换模块的功率开关器件进行工作。

所述的电流采集模块将电流信号转换成电压信号，连接差分比例运算电路对采集的电压进行调理。

所述的光照度采集模块为光敏二极管连接信号调理电路；光敏二极管把光照度转换成电流信号，再通过电阻把电流信号转换成电压信号，最后连接同相比例运算电路对电压信号进行调理。

所述的DC-DC变换模块设有BUCK降压斩波电路，将光伏电池输出的30V左右电压变换成16V左右的电压，同时设有功率开关器件控制光伏电池的输出电压和输出电流。

所述的控制电路模块设有减法运算电路、比例运算电路、积分运算电路、加法运算电路、电压比较器组成模拟电路判断光伏电池输出电流和光伏电池最大输出功率之间的线性关系，产生PWM信号驱动DC-DC变换模块中的功率开关器件。

所述的控制器包括自供电电路模块接DC-DC变换模块的输入端，自供电电路模块设有恒压输出电路产生恒定的12V电压给太阳能控制器本身供电。

一种自供电式太阳能控制器，由于采用上述的结构，本发明的优点在于：1、虚地技术和自供电技术的应用，避免了额外电源的接入，使得本发明的太阳能控制器可以使用在太空、海上、野外等供电不便的场所。2、纯模拟电路组成的控制电路，使得本发明的太阳能控制器体积小、成本低，能准确跟踪光伏电池的最大功率点，避免了常规最大功率点跟踪算法的功率振荡，提高了光伏电池的光电转换效率。3、通过可调电位器，负载电路能够接入电压为3～12V负载；通过三档拨动开关，蓄电池充电电路能对5V、9V、12V三种电压的蓄电池进行限压恒流充电。这使得本发明的太阳能控制器使用方便、灵活。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明一种自供电式太阳能控制器结构框图；

图2为本发明一种自供电式太阳能控制器中光伏电池的特性曲线图；

图3为本发明一种自供电式太阳能控制器中光伏电池的主电路图；

图4为本发明一种自供电式太阳能控制器中电流采集模块的电路图；

图5为本发明一种自供电式太阳能控制器中光照度采集模块的电路图；

图6为本发明一种自供电式太阳能控制器中虚地产生电路；

图7为本发明一种自供电式太阳能控制器中控制电路模块的电路图；

图8为本发明一种自供电式太阳能控制器中负载电路模块的电路图；

图9为本发明一种自供电式太阳能控制器中蓄电池充电电路模块的电路图；

图10为本发明一种自供电式太阳能控制器中自供电电路模块的电路图；

在图1中，1、光伏电池；2、电流采集模块；3、控制电路模块；4、光照度采集模块；5、DC-DC变换模块；6、负载电路模块；7、蓄电池充电电路；8、自供电电路模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括光伏电池1输出的电压通过DC-DC变换模块5降压后为负载电路模块6和蓄电池充电电路7供电，光伏电池1同时连接电流采集模块2；控制器同时设有光照度采集模块4将采集到的光照信息与电流采集模块2的电流信息一并传递给控制电路模块3，控制电路模块3输出PWM信号驱动DC-DC变换模块5的功率开关器件进行工作。

电流采集模块2，采用高精度、大功率和低阻值的电流感测电阻，把电流信号转换成电压信号，提高采样精度，降低成本。所述的电流采集模块，还通过由LM358组成的差分比例运算电路对采集的电压进行调理。

光照度采集模块4由光敏二极管和信号调理电路组成。光敏二极管把光照度转换成电流信号，再通过电阻把电流信号转换成电压信号。然后，由LM358组成的同相比例运算电路对电压信号进行调理。

DC-DC变换模块5采用BUCK降压斩波电路，用于将光伏电池输出的30V左右电压变换成16V左右的电压，其中的功率开关器件PWM驱动信号由控制电路产生，从而控制光伏电池的输出电压和输出电流。

控制电路模块3，由LM358组成的减法运算电路、比例运算电路、积分运算电路、加法运算电路、电压比较器，以及ICL8038组成，通过组成的模拟电路判断光伏电池输出电流和光伏电池最大输出功率之间的线性关系，以产生驱动所述DC-DC变换模块5中功率开关器件的PWM信号，从而实现光伏电池最大功率点的跟踪。

负载电路模块6，由LM317、可调电位器及其它元器件构成，通过调节可调电位器实现对供电电压为3～12V负载进行恒压供电。

蓄电池充电电路7，由LM317、三档拨动开关及其它元器件构成限压恒流充电电路，通过拨动三档拨动开关实现对电压为5V、9V、12V的蓄电池进行充电，以减少对电池寿命的影响。

本发明设有自供电电路模块8，自供电电路模块8包括LM317组成的恒压输出电路，其输入接所述DC-DC变换模块5的输入端，输出产生恒定的12V电压给太阳能控制器本身供电。

图2为光伏电池1JAP660-260在光照度为20mW/cm²、40mW/cm²、60mW/cm²、80mW/cm²、100mW/cm²时的I-P特性曲线。可以发现，所有的最大功率点都近似处在一条过零点直线上。因此，对每一种特定的光伏电池，通过绘出它的I-P特性曲线，就可以确定一条近似直线，然后假定所有的最大功率点都处在这条近似直线上。所以，通过近似直线和光照度就可以确定最大功率点电流和最大功率点功率。

推论过程如下：

光伏电池等效模型的数学表达式如下：

I = I_{p h} - I_{s a t} [\exp (\frac{q V}{k T A}) - 1]

公式中，I、V分别是光伏电池输出电流和电压；Iph是光伏电池产生的电流；Isat是反向饱和电流；q是一个电子的电荷量；k是玻尔兹曼常数；T是光伏电池的温度；A是光伏电池的理想因数。

光伏电池输出功率P＝VI，令可求得最大功率点电流I和最大功率点功率P之间的关系式：

P = \frac{k T A}{q} \cdot \frac{I^{2}}{I_{p h} + I_{s a t} - I}

通过matlab等仿真软件可以绘出如图1所示的光伏电池I-P特性曲线以及最大功率点电流I和最大功率点功率P之间的近似直线。

图3为光伏电池1和DC-DC变换模块5组成的主电路图。R1为电流感测电阻，其阻值为mΩ级别。电容C1、C2，功率开关IGBT Q1，二极管D1，电感L1组成BUCK降压斩波电路，其中Q1的驱动PWM信号由控制电路产生。Vpv作为自供电电路模块的输入点，VDD作为负载电路和蓄电池充电电路的输入点。

图4为电流采集模块的电路图，电流感测电阻R1两端电压通过由LM358组成的差分比例运算电路输出Vin+信号，由Vin+信号反映光伏电池实际输出电流的大小。图4中，R2＝R3，R4＝R5，则：

V_{i n +} = \frac{R_{4}}{R_{2}} (V_{R 1 +} - V_{R 1 -})

图5为光照度采集模块的电路图，当光照度不同时，光敏二极管VD通过的电流会发生改变，从而改变电阻R6两端的电压VR6，VR6通过由LM358组成的同相比例运算电路输出Vin-信号。由Vin-信号反映当前光照度下最大功率点电流大小：

V_{i n -} = (1 + \frac{R_{8}}{R_{7}}) V_{R 6}

图6为虚地产生电路，电源VCC由电阻R13、R14分压后，通过由LM358组成的电压跟随器输出电压Vb，电压Vb作为后续信号处理电路的虚地。图6中，R13＝R14，则Vb＝VCC/2。

图7为控制电路模块的电路图，U1B的LM358完成减法运算电路，实现Vin+信号和Vin-信号的差值运算；U3A和U3B的LM358分别作为积分器和比例器对误差信号做积分、比例运算；U4A的LM358完成加法运算电路。图7中，R9＝R10，R11＝R12，R17＝R20，则

V_{o u t 2} = \frac{R_{21}}{R_{17}} [\frac{1}{R_{16} C_{5}} \cdot \frac{R_{11}}{R_{10}} \cdot &Integral; (V_{i n +} - V_{i n -}) d t + \frac{R_{19}}{R_{18}} (V_{i n +} - V_{i n -})] + V_{b} .

Vout2作为U4B LM358构成的电压比较器的同相输入，ICL8038产生的20KHz三角波作为电压比较器的反相输入。电压比较器输出的PWM信号用来驱动DC-DC变换模块中功率开关器件Q1。

图8为负载电路模块，主要由LM317，可调电位器R22，电阻R23等构成一个可调恒压源。改变可调电位器R22的阻值，就可以改变输出电压Vload，调节范围为3～12V之间，以便用于不同的负载。

图9为蓄电池充电电路，是由LM317及其外围电路构成。其中，电阻R24、R25、R26、R27以及三档拨动开关构成恒压输出电路，用三档拨动开关选择电阻R24、R25、R26以控制输出电压为5V、9V和12V。电阻R28，二极管D2、D3以及蓄电池构成恒流充电回路，改变电阻R28阻值就可以控制充电电流大小。电阻R29和发光二极管LED1构成充电指示回路。当蓄电池接入到Vbat和GND之间，且蓄电池欠压，则LM317的ADJ引脚被拉低，电阻R24、R25、R26、R27构成的恒压偏置电路不工作，而电阻R28、二极管D2、D3以及蓄电池组成的恒流源电路工作，进入恒流充电状态。而电阻R29和发光二极管LED1构成的充电指示回路由于此时电阻R28两端电压使得LED1由灭转亮。当蓄电池充满后，LM317的Vout引脚电位被拉到设定的恒压值，电路进入恒压充电状态，电阻R29和发光二极管LED1构成的充电指示回路由于电阻R27电压偏低使得LED1由亮转灭，指示电池已经充满。

图10为自供电电路模块的电路图，主要由LM317，电阻R30、R31组成恒压输出电路。Vpv接DC-DC变换模块输入端，VCC和GND之间产生恒定12V电压给太阳能控制器本身供电。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的控制器包括光伏电池(1)输出的电压通过DC-DC变换模块(5)降压后为负载电路模块(6)和蓄电池充电电路(7)供电，光伏电池(1)同时连接电流采集模块(2)；控制器同时设有光照度采集模块(4)将采集到的光照信息与电流采集模块(2)的电流信息一并传递给控制电路模块(3)，控制电路模块(3)输出PWM信号驱动DC-DC变换模块(5)的功率开关器件进行工作。

2.根据权利要求1所述的一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的控制器采用直线近似最大功率点电流和最大功率点功率之间函数关系，并由模拟电路判断近似直线，通过光照度、光伏电池输出电流和模拟电路精确跟踪光伏电池最大功率点。

3.根据权利要求1所述的一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的电流采集模块(2)将电流信号转换成电压信号，连接差分比例运算电路对采集的电压进行调理。

4.根据权利要求1所述的一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的光照度采集模块(4)为光敏二极管连接信号调理电路；光敏二极管把光照度转换成电流信号，再通过电阻把电流信号转换成电压信号，最后连接同相比例运算电路对电压信号进行调理。

5.根据权利要求1所述的一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的DC-DC变换模块(5)设有BUCK降压斩波电路，将光伏电池(1)输出的30V左右电压变换成16V左右的电压，同时设有功率开关器件控制光伏电池(1)的输出电压和输出电流。

6.根据权利要求1所述的一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的控制电路模块(3)设有减法运算电路、比例运算电路、积分运算电路、加法运算电路、电压比较器组成模拟电路判断光伏电池(1)输出电流和光伏电池(1)最大输出功率之间的线性关系，产生PWM信号驱动DC-DC变换模块(5)中的功率开关器件。

7.根据权利要求1所述的一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的控制器设有虚假接地电路，控制电路模块(3)采用单电源供电。

8.根据权利要求1所述的一种自供电式太阳能控制器，其特征在于：所述的控制器包括自供电电路模块(8)接DC-DC变换模块(5)的输入端，自供电电路模块(8)设有恒压输出电路产生恒定的12V电压给太阳能控制器本身供电。