CN105450168B - Mppt统一控制电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种MPPT统一控制电路，包含：最大功率点跟踪模块，其固定太阳能电池阵在最大功率点；恒压控制模块，其调节母线电压保持恒定；限流控制模块，其保持蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流；逻辑控制模块，其根据不同工况实现各种功能模式的自动切换。本发明的MPPT统一控制电路包含太阳能电池阵MPPT功能、恒压控制功能和限流控制功能，并实现了不同功能模式的自主切换，实现了能源系统的最优化控制策略，适合于长航时太阳能飞行器能源系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源系统直流变换电路控制技术，具体涉及一种太阳能无人机能源系统不调节母线MPPT统一控制电路及其控制方法。
背景技术
太阳能无人机顾名思义主要是依靠获取太阳能为能量的飞行器。太阳能无人机具有巡航时间长，飞行高度高，覆盖区域广等优点，可以执行多种任务，具备常规飞行器不可替代的优点。太阳能在航空器的应用研究，是我国未来航空、航天重点发展的一个新领域，也是各国航空工业研究的一个新热点。太阳能无人机的工作原理是：白天，依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时对机载二次电源充电；夜间，太阳能无人机释放二次电源中储存的电能，维持整个系统的正常运行。如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要，则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。目前国外机构已经对这类飞行器能源系统进行了深入研究，而国内目前还处于前期探索阶段。
太阳能无人机能源系统是无人机平台的一个重要组成部分，负责并承担飞行器在光照期和地影期各阶段，产生、储蓄、调节、变换、分配、传输和管理电能，并在整个寿命期间内，为飞行器提供不间断、安全、可靠供电的任务。
如图1所示，为一种太阳能无人机能源系统，采用不调节母线架构，包含：太阳能电池阵101、电路连接太阳能电池阵101的功率调节电路102、输出端电路连接功率调节电路102的MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率跟踪）统一控制电路103、电路连接功率调节电路102的锂离子蓄电池组104，和通过开关连接锂离子蓄电池组104的载荷105。其中MPPT统一控制电路103需要实现太阳能电池阵功率调节、最大功率点跟踪、恒压控制和限流控制等功能，才能实现太阳能无人机能源系统效能的最大发挥，以满足无人机昼夜等复杂工况下的能源供给。
发明内容
本发明提供一种MPPT统一控制电路及其控制方法，保证能源系统在不同工况下的稳定运行和太阳能电池阵功率输出的最大化。
为实现上述目的，本发明提供一种MPPT统一控制电路，其特点是，该控制电路包含：
最大功率点跟踪模块，其采样太阳能电池阵电流和电压，搜索太阳能电池阵的最大功率点，调节太阳能电池阵电流和电压，固定太阳能电池阵在最大功率点；
恒压控制模块，其采样母线电压，通过电压参考值调节母线电压保持恒定；
限流控制模块，其采样蓄电池组充电电流，通过电流参考量调节蓄电池组充电电流，保持蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流；
逻辑控制模块，其接收最大功率点跟踪模块输出的太阳能电池阵电流和电压、恒压控制模块输出的母线电压、限流控制模块输出的蓄电池组充电电流的情况，根据太阳能电池阵功率输出情况、载荷功率需求以及蓄电池组状态的工况，判定最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块启动工作。
上述最大功率点跟踪模块包含：
太阳能电池阵功率采样电路，其实时采样太阳能电池阵电压和电流；
MPPT跟踪电路，其接收太阳能电池阵电压和电流，并搜索太阳能电池阵的最大功率点；
太阳能电池阵功率自主调节电路，其根据MPPT跟踪电路搜索得的最大功率点和太阳能电池阵功率采样电路实时采样的太阳能电池阵电压和电流调节太阳能电池阵功率，使太阳能电池阵固定在最大功率点。
上述恒压控制模块包含：
母线电压采样电路，其实时采样母线电压；
母线恒压自主调节电路，其通过预设的电压参考量和母线电压采样电路采样的母线电压调节母线电压，使母线电压保持恒定。
上述限流控制模块包含：
蓄电池电流采样电路，其实时采样蓄电池组充电电流；
蓄电池电流自主调节电路，其通过预设的电流参考量和蓄电池电流采样电路采样的蓄电池组充电电流调节蓄电池组充电电流，使蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流。
上述逻辑控制模块包含：
逻辑电路，其接收最大功率点跟踪模块输出的太阳能电池阵电流和电压、恒压控制模块输出的母线电压、限流控制模块输出的蓄电池组充电电流的情况，判定最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块启动工作；
驱动电路，其电路连接逻辑电路输出端，根据逻辑电路的判定，驱动最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块工作；
功率电路，其电路连接驱动电路输出端，控制最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块的工作功率。
一种上述的MPPT统一控制电路的控制方法，其特点是，该方法包含：
逻辑控制模块通过采样太阳能电池阵电流和电压，判定太阳能电池阵未工作于最大功率点时，控制最大功率点跟踪模块启动工作，将太阳能电池阵固定在最大功率点；
逻辑控制模块通过采样母线电压，判定母线电压变化时，控制恒压控制模块启动工作，以控制母线电压保持恒定；
逻辑控制模块通过采样蓄电池组充电电流，判定蓄电池组充电电流大于预设的充电电流阈值时，控制限流控制模块启动工作，控制蓄电池组充电电流小于等于蓄电池最大组充电电流。
上述最大功率点跟踪模块固定太阳能电池阵在最大功率点的方法包含：
太阳能电池阵功率采样电路实时采样太阳能电池阵电压Vsa和电流Isa；
MPPT跟踪电路控制太阳能电池阵功率自主调节电路对太阳能电池阵电压Vsa和电流Isa进行扰动，直至太阳能电池阵功率变化小于1%，则停止扰动，将太阳能电池阵固定在最大功率点。
上述MPPT跟踪电路将太阳能电池阵电压Vsa和电流Isa进行扰动至aVsa和bIsa；其中a、b为系数，0.95≤a≤0.98，0.95≤b≤0.98。
上述恒压控制模块调节母线电压保持恒定的方法包含：
母线电压采样电路实时采样母线电压；
母线恒压自主调节电路通过预设的电压参考量和母线电压采样电路采样的母线电压调节母线电压，使母线电压保持恒定。
上述限流控制模块保持蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流的方法包含：
蓄电池电流采样电路实时采样蓄电池组充电电流；
蓄电池电流自主调节电路通过预设的电流参考量和蓄电池电流采样电路采样的蓄电池组充电电流调节蓄电池组充电电流，使蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流。
本发明MPPT统一控制电路及其控制方法和现有技术的太阳能无人机能源系统相比，其优点在于，本发明的MPPT统一控制电路包含太阳能电池阵MPPT功能、恒压控制功能和限流控制功能，并实现了不同功能模式的自主切换。当控制电路检测到太阳能电池阵供电且蓄电池未充满时，统一控制电路切换到MPPT模式，通过功率电路调节控制太阳能电池阵工作在最大功率点，保证太阳能电池阵的最大输出功率。统一控制电路检测到蓄电池充满时，自动切换到恒压控制功能模式，太阳能电池阵偏离最大功率点，以保证蓄电池不过充电，并且满足载荷的正常功率需求；此外统一控制电路实时检测蓄电池组充电电流，保证蓄电池组充电电流不大于蓄电池组最大允许充电电流，保证能源系统的稳定运行。该统一控制电路实现了不同工作模式的统一控制，实现了能源系统的最优化控制策略，适合于长航时太阳能飞行器能源系统，具有重要的研究价值和应用前景。
附图说明
图1为太阳能无人机能源系统的；
图2为本发明MPPT统一控制电路的电路模块图；
图3为本发明MPPT统一控制电路的MPPT控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图2所示，为一种用于太阳能无人机能源系统不调节母线的MPPT统一控制电路的实施例，实现太阳能电池阵功率调节、最大功率点跟踪、恒压控制和限流控制等功能，实现太阳能无人机能源系统效能的最大发挥。该控制电路包含：太阳能电池阵电压采样电路201、电路连接太阳能电池阵功率采样电路201输出端的太阳能电池阵功率自主调节单路205，电路连接太阳能电池阵功率采样电路201输出端的MPPT跟踪电路204，母线电压采样电路202，电路连接母线电压采样电路202输出端的母线恒压自主调节电路206，蓄电池电流采样电路203、电路连接蓄电池电流采样电路203输出端的蓄电池电流自主调节电路207、电路连接太阳阵功率自主调节单路205、母线恒压自主调节电路206和蓄电池电流自主调节电路207输出端的逻辑电路208、电路连接逻辑电路208输出端的驱动电路209、电路连接驱动电路209输出端的功率电路210，功率电路210反馈至母线电压采样电路202和蓄电池电流采样电路203。
太阳能电池阵电压采样电路201用于实时采样太阳能电池阵电压和电流。
MPPT跟踪电路204接收太阳能电池阵电压采样电路201采集的太阳能电池阵电压和电流，并通过扰动太阳能电池阵电压和电流，查看太阳能电池阵扰动后功率变化大小，从而搜索和判断太阳能电池阵的最大功率点。
太阳能电池阵功率自主调节电路205与MPPT跟踪电路204协同操作，根据MPPT跟踪电路204搜索得的最大功率点和太阳能电池阵功率采样电路201实时采样的太阳能电池阵的电压和电流，太阳能电池阵功率自主调节电路205在MPPT跟踪电路204的配合下扰动和调节太阳能电池阵功率，使太阳能电池阵固定在最大功率点。
太阳能电池阵电压采样电路201、太阳能电池阵功率自主调节单路205、MPPT跟踪电路204组成最大功率点跟踪模块，最大功率点跟踪模块用于对系统运行MPPT功能模式，采样太阳能电池阵电流和电压，搜索太阳能电池阵的最大功率点，调节太阳能电池阵电流和电压，固定太阳能电池阵在最大功率点。
母线电压采样电路202用于实时采样太阳能无人机能源系统电路中的母线电压。
母线恒压自主调节电路206接收母线电压采样电路202采样的母线电压，并通过预设的电压参考量对母线电压进行自主调节，使母线电压保持恒定。
母线电压采样电路202和母线恒压自主调节电路206组成恒压控制模块，恒压控制模块用于对系统实现恒压控制功能，采样母线电压，通过电压参考值调节母线电压保持恒定。
蓄电池电流采样电路203用于实时采样蓄电池组充电电流。
蓄电池电流自主调节电路207用于接收蓄电池电流采样电路203采样的蓄电池组充电电流，通过预设的电流参考量对蓄电池组充电电流进行调节，使蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流。
蓄电池电流采样电路203和蓄电池电流自主调节电路207组成限流控制模块，限流控制模块用于系统在正常运行时对蓄电池组充电电流进行限流功能，其采样蓄电池组充电电流，通过电流参考量调节蓄电池组充电电流，保持蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流。
逻辑电路208用于接收最大功率点跟踪模块输出的太阳能电池阵电流和电压、恒压控制模块输出的母线电压、限流控制模块输出的蓄电池组充电电流的情况，判定最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块启动工作。基于不调节母线的MPPT统一控制电路的三种功能电路根据逻辑电路进行统一控制，根据太阳阵功率输出情况、载荷功率需求以及蓄电池组状态等不同工况，判定进行各种功能模式的自动切换。
驱动电路209电路连接逻辑电路输出端，根据逻辑电路的判定，驱动最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块工作。
功率电路210电路连接驱动电路输出端，控制最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块的工作功率。同时，功率电路210还将其输出反馈至母线电压采样电路202和蓄电池电流采样电路203。
逻辑电路208、驱动电路209和功率电路210组成逻辑控制模块，逻辑控制模块用于接收最大功率点跟踪模块输出的太阳能电池阵电流和电压、恒压控制模块输出的母线电压、限流控制模块输出的蓄电池组充电电流的情况，从而获取太阳阵功率输出情况、载荷功率需求以及蓄电池组状态等不同工况，并且根据该太阳阵功率输出情况、载荷功率需求以及蓄电池组状态等不同工况，判定最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块启动工作。
如图3所示，本发明还公开了一种MPPT统一控制电路的控制方法，实现太阳能无人机能源系统的MPPT功能、恒压控制功能和限流控制功能，例如，当能源系统供电时首先检测系统工作状态，在锂离子蓄电池组未充满电时，统一控制电路处于MPPT功能模式，跟踪太阳电池阵最大功率点电压，使太阳电池阵输出最大功率；当锂离子蓄电池组充满电后，统一控制电路处于恒压控制功能模式，太阳电池阵工作点电压根据后端负载需求功率变化，偏离最大功率点。
该MPPT统一控制电路的控制方法具体包含：
逻辑控制模块接收最大功率点跟踪模块采样的太阳能电池阵电流和电压，判定太阳能电池阵未工作于最大功率点时，控制最大功率点跟踪模块启动工作，太阳能无人机能源系统运行在MPPT功能。如图3所示，MPPT控制方法包含以下流程：MPPT跟踪电路首先针对太阳能电池阵的电流Isa、电压Vsa进行采样，然后与太阳能电池阵功率自主调节电路配合对电压Vsa、电流Isa进行扰动，分别扰动到aVsa和bIsa。其中a、b为系数，0.95≤a<1，0.95≤b<1，系数需要根据太阳电池阵I-V曲线进行调整。在进行电压扰动过程中实时计算太阳电池阵输出功率。经过若干循环后，功率变化小于1%时，则停止扰动，实时计算当前功率并计时60s，若在60s结束前功率变化持续小于1%，即实现了太阳电池阵最大功率点工作；若在60s结束前采样得太阳电池阵输出功率变化大于3%，则MPPT跟踪电路继续执行扰动程序，直至功率变化持续小于1%；若在60s计时结束时，测算功率变化在：大于等于1%，且小于等于3%，则继续进行60s计时和功率变化测算。本实施例中，优选a取0.97，b取0.97。该MPPT控制方法在搜索到太阳电池阵最大功率点后停止继续搜索，使太阳电池阵固定在当前时刻的最大功率点，适合于太阳能无人机在巡航时太阳电池阵I-V曲线变化不大，防止继续搜索损失太阳电池阵输出功率，造成太阳能无人机的能源浪费。
逻辑控制模块接收恒压控制模块采样的母线电压，当其判定母线电压有变化时，则控制恒压控制模块启动工作，太阳能无人机能源系统运行在恒压控制功能，以控制母线电压保持恒定。该调节母线电压保持恒定的方法包含：母线电压采样电路实时采样母线电压；母线恒压自主调节电路通过预设的电压参考量与母线电压采样电路采样的母线电压进行PI控制调节，控制功率电路MOS管的开关时间，从而调节母线电压，使母线电压保持恒定，防止锂离子蓄电池组过充。
在太阳能无人机能源系统在正常运行时，逻辑控制模块接收限流控制模块采样的蓄电池组充电电流，当判定蓄电池组充电电流大于预设的充电电流阈值时，控制限流控制模块启动工作，太阳能无人机能源系统运行在限流控制功能，将蓄电池组充电电流与预设的电流参考值进行PI控制调节，确保充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流，保护蓄电池组性能。
其中，上述三种功能，即MPPT功能、恒压控制功能、限流控制功能，基于不调节母线的MPPT统一控制电路根据逻辑电路进行统一控制，根据太阳阵功率输出情况、载荷功率需求以及蓄电池组状态等不同工况实现各种功能模式的自动切换。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种MPPT统一控制电路，用于太阳能无人机能源系统，其特征在于，该控制电路包含：
最大功率点跟踪模块，其采样太阳能电池阵电流和电压，搜索太阳能电池阵的最大功率点，调节太阳能电池阵电流和电压，固定太阳能电池阵在最大功率点；
恒压控制模块，其采样母线电压，通过电压参考值调节母线电压保持恒定；
限流控制模块，其采样蓄电池组充电电流，通过电流参考量调节蓄电池组充电电流，保持蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流；
逻辑控制模块，其接收最大功率点跟踪模块输出的太阳能电池阵电流和电压、恒压控制模块输出的母线电压、限流控制模块输出的蓄电池组充电电流的情况，根据太阳能电池阵功率输出情况、载荷功率需求以及蓄电池组状态的工况，判定最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块启动工作；
所述逻辑控制模块包含：
逻辑电路，其接收最大功率点跟踪模块输出的太阳能电池阵电流和电压、恒压控制模块输出的母线电压、限流控制模块输出的蓄电池组充电电流的情况，判定最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块启动工作；
驱动电路，其电路连接逻辑电路输出端，根据逻辑电路的判定，驱动最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块工作；
功率电路，其电路连接驱动电路输出端，控制最大功率点跟踪模块、或恒压控制模块、或限流控制模块的工作功率。
2.如权利要求1所述的MPPT统一控制电路，其特征在于，所述最大功率点跟踪模块包含：
太阳能电池阵功率采样电路，其实时采样太阳能电池阵电压和电流；
MPPT跟踪电路，其接收太阳能电池阵电压和电流，并搜索太阳能电池阵的最大功率点；
太阳能电池阵功率自主调节电路，其根据MPPT跟踪电路搜索得的最大功率点和太阳能电池阵功率采样电路实时采样的太阳能电池阵电压和电流调节太阳能电池阵功率，使太阳能电池阵固定在最大功率点。
3.如权利要求1所述的MPPT统一控制电路，其特征在于，所述恒压控制模块包含：
母线电压采样电路，其实时采样母线电压；
母线恒压自主调节电路，其通过预设的电压参考量和母线电压采样电路采样的母线电压调节母线电压，使母线电压保持恒定。
4.如权利要求1所述的MPPT统一控制电路，其特征在于，所述限流控制模块包含：
蓄电池电流采样电路，其实时采样蓄电池组充电电流；
蓄电池电流自主调节电路，其通过预设的电流参考量和蓄电池电流采样电路采样的蓄电池组充电电流调节蓄电池组充电电流，使蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流。
5.一种如权利要求1至4中任意一项权利要求所述的MPPT统一控制电路的控制方法，其特征在于，该方法包含：
逻辑控制模块通过采样太阳能电池阵电流和电压，判定太阳能电池阵未工作于最大功率点时，控制最大功率点跟踪模块启动工作，将太阳能电池阵固定在最大功率点；
逻辑控制模块通过采样母线电压，判定母线电压变化时，控制恒压控制模块启动工作，以控制母线电压保持恒定；
逻辑控制模块通过采样蓄电池组充电电流，判定蓄电池组充电电流大于预设的充电电流阈值时，控制限流控制模块启动工作，控制蓄电池组充电电流小于等于蓄电池最大组充电电流。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述最大功率点跟踪模块固定太阳能电池阵在最大功率点的方法包含：
太阳能电池阵功率采样电路实时采样太阳能电池阵电压Vsa和电流Isa；
MPPT跟踪电路控制太阳能电池阵功率自主调节电路对太阳能电池阵电压Vsa和电流Isa进行扰动，直至太阳能电池阵功率变化小于1%，则停止扰动，将太阳能电池阵固定在最大功率点。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述MPPT跟踪电路将太阳能电池阵电压Vsa和电流Isa进行扰动至aVsa和bIsa；其中a、b为系数，0.95≤a≤0.98，0.95≤b≤0.98。
8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述恒压控制模块调节母线电压保持恒定的方法包含：
母线电压采样电路实时采样母线电压；
母线恒压自主调节电路通过预设的电压参考量和母线电压采样电路采样的母线电压调节母线电压，使母线电压保持恒定。
9.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述限流控制模块保持蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流的方法包含：
蓄电池电流采样电路实时采样蓄电池组充电电流；
蓄电池电流自主调节电路通过预设的电流参考量和蓄电池电流采样电路采样的蓄电池组充电电流调节蓄电池组充电电流，使蓄电池组充电电流小于等于蓄电池组最大充电电流。
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