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一种用于太阳能发电的mppt模拟控制芯片 Download PDF

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Abstract

构造简单，成本低的一种基于扰动观察法的全模拟最大功率点跟踪MPPT芯片，包括样保持比较电路、逻辑判断电路和RC充电电路；采样保持比较电路由比较器、触发脉冲信号控制的开关和电容C1构成，比较器“+”输入端一路信号，比较器“－”输入端与电容C1和所述开关连接后接另一路信号，电容C1另一端接地；逻辑判断电路由一同或门和一DQ锁存器构成，同或门的一输入端与比较器的输出端连接，同或门的输出端与DQ锁存器的输入端连接；RC充电电路由5V电压源、一npn型三极管和二组RC支路构成，三极管的b极与逻辑判断电路的输出端连接，c极与5V电压源连接，e极与二组RC支路连接后接地，并经电容C2连接端输出。本发明用于太阳能光伏发电系统。

Description

一种用于太阳能发电的MPPT模拟控制芯片
技术领域
本发明属于新能源发电领域，涉及太阳能发电的MPPT控制。本发明实现扰动观察法进行MPPT的全模拟化，是光伏发电的一种高性能、低成本的解决方案。
背景技术
随着石化能源的不断消耗和环境污染问题的日益严峻，人类对清洁可再生的新能源的需求不断增长。太阳能因为其分布广、易获取、清洁高效和可持续等特性成为新能源研究的热点。
太阳能电池板是太阳能转化为电能的媒介。电阳能电池板输出具有非线性，其P-V曲线呈单峰特性。为了最大程度的获取太阳能，需要太阳能电池板工作在最大功率点(MPP)。如今电路控制都有着成熟的模拟控制方案(如PI控制，峰值电流控制等)，而最大功率点追踪(MPPT)技术通常需要用数字控制器实现。因此导致光伏发电系统必须依赖数字控制。如果实现MPPT技术的模拟化，则整个系统可以做到纯模拟控制，从而大大降低系统成本。
如今也出现一些模拟的MPPT控制方案，但绝大部分需要用到模拟乘法器。模拟乘法器的价格昂贵，同样是制约成本控制的关键。因此高性能，更简化的用于太阳能发电的MPPT模拟设计很有意义。
发明内容
本发明目的是提供一种高性能且更加简化的太阳能发电的模拟MPPT控制芯片，所述芯片采用简单的电路结构实现MPPT，计算出最大功率点处的电压基准，并可以和现有的许多成熟的电路控制方案结合。为此，本发明提供了一种用于太阳能发电的MPPT模拟控制芯片。
本发明采用的技术方案其特殊之处征在于：
所述MPPT芯片由采样保持比较电路、逻辑判断电路、RC充电电路和相位延迟器组成；
所述采样保持比较电路由一比较器、一触发脉冲信号控制的开关和一电容C1构成，比较器的“+”输入端与输入信号一路连接，比较器的“－”输入端与所述电容C1和触发脉冲信号控制的开关连接后与输入信号另一路连接，电容C1另一端接地，所述比较器的输出端即所述采样保持比较电路的输出端；
所述逻辑判断电路由一同或门和一DQ锁存器构成，同或门的一输入端与所述比较器的输出端连接，同或门的输出端与DQ锁存器的输入端连接，DQ锁存器的输出端与所述同或门的另一输入端连接，DQ锁存器的输出端并且作为所述逻辑判断电路的输出端，所述相位延迟器一端与所述触发脉冲信号连接，相位延迟器另一端与DQ锁存器的控制端连接；
所述RC充电电路由5V电压源、一npn型三极管和电阻R1、电阻R2、电容C2组成的二组RC支路构成，所述三极管的b极与所述逻辑判断电路的输出端连接，三极管的c极与所述5V电压源连接，三级管的e极与所述电阻R1、电阻R2并接，所述电容C2跨接于电阻R1、电阻R2另一端，且电阻R2另一端接地，电阻R1与电容C2连接端为所述RC充电电路输出端，该输出端即所述芯片输出端。
本发明中所述触发脉冲信号由外部晶振电路提供。
本发明中所述5V电压源可以取自所述芯片的供电电压源。
本发明的芯片输入信号依次经过采样保持比较电路、逻辑判断电路和RC充电电路处理计算后，得到芯片的输出。所需信号经外部采样调理电路调理后，作为芯片的输入信号Input输入至采样保持比较电路中；Input信号一路直接接入比较器的“+”端，另一路经过开关接入比较器“-”端。该开关由特定频率的脉冲触发控制。比较器“-”通过接地电容来维持电压的稳定。比较器输出即为该采样保持比较电路的输出。
所采样保持比较电路的输出作为所述逻辑判断电路的输入。该输入与所述逻辑判断电路的同或门的一个输入端连接，同或门的输出端与DQ锁存器的输入端连接，DQ锁存器的输出端则与逻辑判断电路的同或门的另一个输入端连接，同时DQ锁存器的输出亦作为该逻辑判断电路的输出。DQ锁存器亦需要触发脉冲信号控制。
所述逻辑判断电路的输出作为所述RC充电电路的输入，输入信号接三级管b极，三级管e极通过两组支路接地：一组支路仅有电阻R2，另一组支路为电阻R1和电容C2串联。取C2电容上的电压作为该级电路的输出，亦即整个芯片的输出。
所述触发脉冲由外部晶振电路提供，该晶振信号输入芯片后，直接作为采样保持比较电路中开关的控制信号，同时经过相位延迟器延迟后作为逻辑判断电路中DQ锁存器的触发信号。
进一步，芯片的输入为经外部采样调理电路处理后的采样信号，该输入应为比例缩小后的输出电流或电压信号(具体视电路结构定)，该信号电压最大值应低于芯片供电电压5V。芯片的输出为一电压信号，该信号与光伏电池板的最大功率点电压成正比，可表征最大功率点的电压值。
进一步，本发明采用扰动观察法的原理来实现MPPT。使用采样保持电路来存储扰动前的电流信息，通过比较器比较扰动前后电流大小，结果输出到逻辑判断电路进行判断。相较传统采样保持电路电容后级需要高输入阻抗的运放来维持电容电压稳定。本发明利用前级采样电路中的运放和后级比较器来构建采样保持电路，在达到预期效果的同时简化了电路结构，减少了元件数量并降低了成本。
进一步，本发明中逻辑判断电路由一个同或门和一个DQ锁存器构成。采样保持比较电路的输出作为同或门的一个输入，同或门自身输出信号经DQ锁存器锁存作为另一个输入，从而实现扰动观察法的逻辑判断。DQ锁存器触发脉冲频率与采样保持比较电路的采样脉冲频率相等，相位滞后角度θ。θ大小由采样保持电路参数决定，频率由设计扰动速度和精度决定。合理的参数设计可以滤除前级采样保持电路工作时产生的干扰信号，从而获得正确的逻辑判断输出，控制后级RC充电电路生成正确的MPP电压基准。
进一步，本发明中逻辑判断电路输出信号通过控制一个三极管控制RC充电电路对电容的充放电。RC充电电路拥有不同的充放电参数，实现在MPP附近时充放电速度基本一致。RC电路电容和电阻的参数决定扰动观察法的扰动速率和精度。电容上的电压即为输出的MPP电压基准。
进一步，本发明应有外部的电路控制器配合使用，控制电池板使其工作在芯片计算出的最大功率点电压处。芯片本身不具备电路控制功能，仅计算出实际最大功率点对应的电压值参考。
本发明应用于太阳能发电的MPPT控制中，给出了高性能低成本的模拟解决方案。本发明设计是通过分析负载特性，简化采样电路获取功率信息。通过简化的采样保持电路和逻辑判断电路完成扰动观察。然后控制RC充电电路生成最大功率点的电压参考基准，然后通过外部的电路控制器控制太阳能电池板输出电压跟随这一基准，从而实现系统工作在最大功率点处。所述设计结构简单，成本低廉，容易和现有的电路控制方案相结合，控制简便，是一种低成本光伏应用场合的行之有效的解决方案。
附图说明
图1是应用本发明设计的BOOST光伏发电系统原理图；
图2是本发明所述芯片的结构框图；
图3是本发明所述芯片工作时序图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的实施方式。
如图1所示，为应用所述模拟MPPT芯片的基于BOOST变换器的光伏发电系统结构示意图，外部电路控制器以PI控制器为例。
如图2所示，为所述模拟MPPT芯片的内部结构框图，由采样保持比较电路、逻辑判断电路和连有相位延迟器的RC充电电路组成，各器件连接结构如图2所示。图中“逻辑电路”即逻辑判断电路，“相位延迟”即相位延迟电路。
所述MPPT芯片由采样保持比较电路、逻辑判断电路、RC充电电路和相位延迟器组成；
所述采样保持比较电路由一比较器、一触发脉冲信号控制的开关和一电容C1构成，比较器的“+”输入端与输入信号一路连接，比较器的“－”输入端与所述电容C1和触发脉冲信号控制的开关连接后与输入信号另一路连接，电容C1另一端接地，所述比较器的输出端即所述采样保持比较电路的输出端；
所述逻辑判断电路由一同或门和一DQ锁存器构成，同或门的一输入端与所述比较器的输出端连接，同或门的输出端与DQ锁存器的输入端连接，DQ锁存器的输出端与所述同或门的另一输入端连接，DQ锁存器的输出端并且作为所述逻辑判断电路的输出端，所述相位延迟器一端与所述触发脉冲信号连接，相位延迟器另一端与DQ锁存器的控制端连接；
所述RC充电电路由5V电压源、一npn型三极管和电阻R1、电阻R2、电容C2组成的二组RC支路构成，所述三极管的b极与所述逻辑判断电路的输出端连接，三极管的c极与所述5V电压源连接，三级管的e极与所述电阻R1、电阻R2并接，所述电容C2跨接于电阻R1、电阻R2另一端，且电阻R2另一端接地，电阻R1与电容C2连接端为所述RC充电电路输出端，该输出端即所述芯片输出端。
所述触发脉冲信号由外部晶振电路提供。所述5V电压源取自所述芯片的供电电压源。
关键元件参数设计如下：
扰动观察法扰动频率即为触发脉冲信号频率f；比较器输入阻抗R0通常在MΩ-10MΩ级别，则C1与R0构成的RC充电电路其时间常数应满足：
Figure BDA0001393060480000051
若扰动精度设计为ε，则RC充电电路参数应有：
Figure BDA0001393060480000061
Figure BDA0001393060480000062
其中MPP点的电压VMPP和芯片供电电压Vcc差值由芯片外部比例采样电路决定，可根据实际电压等级和电池板参数调节。
如图3所示，为所述模拟MPPT芯片的工作时序图。采样保持电路定期采样功率信息并保持，比较器比较光伏电池板输出功率(即输入信号)和存储功率(即采样保持电路输出)得出当前功率变化方向(即逻辑判断电路输出)。逻辑判断电路根据逻辑表1决定下一步的电压扰动方向。值1表示电压增大，值0表示电压减小。
功率增减情况 1 1 0 0
上次扰动方向 1 0 1 0
当前扰动方向 1 0 0 1
表1
逻辑判断电路的输出控制RC充电电路给电容的充放电。输出为1时电容充电，电容电压即MPP基准电压上升，反之则下降。
电路开始工作时，光伏工作点在最大功率点左侧，电池板输出功率随电压增大而增大。因此逻辑判断电路输出恒为1，基准电压Vmpp持续上升。当电压基准超过最大功率点时，逻辑判断电路输出为0，电容放电，电压基准减小。因此使得电池板在最大功率点处振荡工作。

Claims (3)

1.一种基于扰动观察法的全模拟MPPT芯片，其特征在于：
所述MPPT芯片由采样保持比较电路、逻辑判断电路、RC充电电路和相位延迟器组成；
所述采样保持比较电路由一比较器、一触发脉冲信号控制的开关和一电容C1构成，比较器的“+”输入端与输入信号一路连接，比较器的“－”输入端与所述电容C1和触发脉冲信号控制的开关连接后与输入信号另一路连接，电容C1另一端接地，所述比较器的输出端即所述采样保持比较电路的输出端；
所述逻辑判断电路由一同或门和一DQ锁存器构成，同或门的一输入端与所述比较器的输出端连接，同或门的输出端与DQ锁存器的输入端连接，DQ锁存器的输出端与所述同或门的另一输入端连接，DQ锁存器的输出端并且作为所述逻辑判断电路的输出端，所述相位延迟器一端与所述触发脉冲信号连接，相位延迟器另一端与DQ锁存器的控制端连接；
所述RC充电电路由5V电压源、一npn型三极管和电阻R1、电阻R2、电容C2组成的二组RC支路构成，所述三极管的b极与所述逻辑判断电路的输出端连接，三极管的c极与所述5V电压源连接，三级管的e极与所述电阻R1、电阻R2并接，所述电容C2跨接于电阻R1、电阻R2另一端，且电阻R2另一端接地，电阻R1与电容C2连接端为所述RC充电电路输出端，该输出端即所述芯片输出端；
采样保持电路定期采样功率信息并保持，比较器比较光伏电池板输出功率即输入信号和存储功率即采样保持电路输出得出当前功率变化方向即逻辑判断电路输出，逻辑判断电路根据逻辑表决定下一步的电压扰动方向；
逻辑表如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，值1表示电压增大，值0表示电压减小；
逻辑判断电路的输出控制RC充电电路给电容的充放电，输出为1时电容充电，电容电压即MPP基准电压上升，反之则下降；
电路开始工作时，逻辑判断电路输出恒为1，基准电压Vmpp持续上升，当电压基准超过最大功率点时，逻辑判断电路输出为0，电容放电，电压基准减小，因此使得电池板在最大功率点处振荡工作。
2.如权利要求1所述的芯片，其特征是所述触发脉冲信号由外部晶振电路提供。
3.如权利要求1或2所述的芯片，其特征是所述5V电压源取自所述芯片的供电电压源。
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