CN107733233A - 一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法 - Google Patents

一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法，太阳能电池板组件发出的不断变化的低压直流电被高效交错式光伏电源变换器转换成稳定的有效值为220V的直流电，并通过MPPT控制把电能不断高效地转换成热能存储在保温电热水器内以便随时使用，使用时只需把室外安装的太阳能电池板组件的输出端通过电线连接到交错式光伏电源变换器的输入端，再将交错式光伏电源变换器的输出端连接到洗浴室的保温电热水器的输入端，所述交错式光伏电源变换器具有体积小、重量轻、电能变换效率高的特点，成本低，寿命长。

Description

一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制 方法
技术领域：
本发明属于电学技术领域，涉及一种用太阳能电池板组件供电的太阳能电热水器，特别是一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法。
背景技术：
传统的太阳能热水器是由集热管、保温水箱、支架、连接管道等组成，其主要是依靠集热管的涂层吸收太阳光的幅射而将水加热并用于生产和生活。太阳能热水器按结构分普通式太阳能热水器和分体式热水器，普通式太阳能热水器是把集热管和保温水箱一体化安装在建筑物的房顶，成本较低，而分体式太阳能热水器则将二者分开，用于非顶层用户，成本相对较高。不论哪种结构形式，其原理都是把太阳光能直接转化成热能，使用寿命一般为10年，都存在着以下一些问题，如室外连接管道及其保温层在使用一段时间后易老化漏水或破损，寒冷天气下容易造成局部管道结冰而无法使用，真空玻璃集热管容易爆裂，整个安装程序复杂且日常维护麻烦。随着太阳能及其光伏产业的发展，光伏电池的售价已降到3元/瓦，而新型光伏电池的光电转换率高达20％，这为开发太阳能光伏电热水器创造了条件。因此，设计一种用太阳能电池板组件发电并通过高效光伏电源变换器供电的太阳能电热水器具有非常大的实用价值和现实意义。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器及控制方法，将太阳能电池板组件安装在窗户下方或房顶并使之朝向太阳，将其输出的不稳定的低压直流电作为输入，经过高效交错式光伏电源变换器变换成稳定的有效值为220V的直流电压输出为安装在洗浴室的保温电热水器供电，同时高效交错式光伏电源变换器还对太阳能电池板组件的功率输出进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制，以保证太阳能光伏发电得到最大效率利用；安装在洗浴室的保温电热水器可以是为高效利用太阳能而专门定制的保温电热水器，也可以是用户已在洗浴室安装的机械式或智能式电热水器，一般情况下保温电热水器通过切换开关与高效光伏电源变换器电气连接，但也可在急需时随时切换为工频交流220V供电，而后再切换回去，以便把太阳能电池板组件发出的电能不断转换成热能存储在保温电热水器内以便随时使用。
为了实现上述目的，本发明所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的主体结构包括第一路DC/DC变换器、第二路DC/DC变换器、切换开关、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第三电压采样电路、第四电压采样电路、隔离电压采样电路、DC/DC电源、控制单片机、第一驱动电路和第二驱动电路；第一路DC/DC变换器由第一反向截止二极管、第一滤波电容、第一谐振电容、第一开关管、第一续流二极管、第一高频变压器、第一高频整流电路、第一输出滤波电容电连接组成；第一路输入电压经第一反向截止二极管并由第一滤波电容滤波后作为后面电路的输入，其中，第一路输入电压为第一路太阳能电池板组件的输出电压，第一滤波电容用于吸收第一高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用，第一反向截止二极管用于防止反向电流流向第一路太阳能电池板组件；第一高频变压器的原边电感、第一谐振电容、第一开关管、第一续流二极管电连接组成第一单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；第一高频变压器由第一原边电感、第一磁芯、第一副边电感组成，其中，第一磁芯为带有气隙的磁芯，第一原边电感与第一副边电感的耦合系数为0.5-0.9，高频交流电施加在第一高频变压器原边电感两端，在第一高频变压器副边电感两端感应出正负幅值不对称的高频交流电压；第一单管谐振电路和第一高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流电路采用两种电路结构，当第一高频整流电路采用高频整流电路结构Ⅰ即高频倍压整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到二块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅰ由结构Ⅰ第一整流二极管、结构Ⅰ第二整流二极管、结构Ⅰ第一滤波电容、结构Ⅰ第二滤波电容电连接组成，用于对第一高频变压器副边的高频交流电进行整流滤波；当第一高频整流电路采用高频整流电路结构Ⅱ即高频全桥整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到三块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅱ由结构Ⅱ第一整流二极管、结构Ⅱ第二整流二极管、结构Ⅱ第三整流二极管、结构Ⅱ第四整流二极管电连接组成，用于对第一高频变压器副边的高频交流电进行整流；第一输出滤波电容用于对整流后的直流电进行滤波；第二路DC/DC变换器结构和电路元器件参数与第一路DC/DC变换器完全相同，但第二开关管的控制信号要与第一开关管的控制信号错开180°；两路DC/DC变换器输出侧串联，输出220V直流电压；切换开关用于在220Vdc输出和220Vac市电之间切换；整流滤波后的220Vdc电压经切换开关接入保温电热水器，当光照长时间不足临时急需热水时，可将切换开关接至220Vac市电继续加热，用后再切换回去；第一电压采样电路采集第一路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集第一路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的第一路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第一MPPT控制；第二电压采样电路采集第二路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第二电流采样电路采集第二路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的第二路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第二MPPT控制；第三电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，第四电压采样电路采集第二开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管、第二开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管、第二开关管漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管、第二开关管是否实现零电压开通；隔离电压采样电路采集变换器的直流输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机根据接收的变换器的直流输出电压信号，经过电压反馈控制程序，同时调整第一开关管和第二开关管的控制信号，进行电压反馈控制；DC/DC电源将太阳能电池板组件的输出电压降至+12V和+5V两路输出，+12V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧、第二驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、隔离电压采样电路输出侧、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第三电压采样电路、第四电压采样电路、隔离电压采样电路采集的电压电流信号，经由第一MPPT控制程序、第二MPPT控制程序、第一软开关判断程序、第二软开关判断程序、电压反馈控制程序、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)+脉冲频率调制(Pulse FrequencyModulation，PFM)控制程序共同生成第一开关管和第二开关管的控制信号并送至第一驱动电路和第二驱动电路；第一驱动电路和第二驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管和第二开关管的控制信号后经放大驱动第一开关管和第二开关管。
本发明所述保温电热水器包括以下三种：一是市售的普通机械式电热水器，220Vdc供电时只需要将进线改为光伏电源变换器供电即可，改装方便；二是市售的普通智能式电热水器，220Vdc供电时，智能电热水器的供电由220Vdc直接供电，其控制电路供电直接从220Vdc进线取电，需跳过整流电路；三是现有高效利用太阳能的保温电热水器，可以完全按照220Vdc供电进行设计，成本更低、安装更方便。
本发明实现大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器控制过程包括以下步骤：
(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管和第二开关管控制信号错开180°，采用PWM与PFM相结合的方式软启动，即给定第一开关管和第二开关管的初始开关频率与初始导通时间，按照设定的控制规律逐渐调整至设定值，使变换器输出电压达到220Vdc；
(2)检测变换器的输出电压是否变化，当变换器的输出电压不稳定时，通过PFM控制方法同时控制第一开关管和第二开关管的开关频率，稳定变换器的输出电压；隔离电压采样电路采集变换器的直流输出电压信号并送到控制单片机，经过电压反馈控制程序与给定值比较、数字PID补偿后，对第一开关管和第二开关管进行PFM控制；若变换器的输出电压稳定不变时，则保持第一开关管和第二开关管既定的驱动控制信号，若变换器的输出电压变大，则同时发出增大第一开关管和第二开关管开关频率的信号，若变换器的输出电压变小，则同时发出减小第一开关管和第二开关管开关频率的信号，从而稳定变换器的输出电压；
(3)通过检测第一开关管开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管是否实现零电压开通，通过第一中断用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管的零电压开通，第一中断的优先级优于其他中断；在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，第三电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，若第一软开关判断程序判断第一开关管漏源极间的电压不为零，则第一开关管没有实现零电压开通，进入第一中断，减小第一开关管控制信号的脉冲宽度基准值，第一中断返回，等待下一次检测；第二开关管零电压开通的控制方法与第一开关管零电压开通的控制方法完全相同，通过第二中断来实现，第二中断的优先级次于第一中断、优于其他中断；
(4)当第一路太阳能电池板组件的最大功率点发生偏移时，通过第三中断控制第一开关管驱动信号的占空比，来调节第一路DC/DC变换器及负载的等效阻抗与第一路太阳能电池板组件的等效内阻相等，以实现MPPT，第三中断的优先级次于第一中断和第二中断；第一电压采样电路、第一电流采样电路采集到第一路太阳能电池板组件的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，每隔n秒进入一次第三中断，n的取值由程序设定，第一MPPT控制程序在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至第一路DC/DC变换器工作在最大功率点，第三中断返回；第二路太阳能电池板组件的MPPT控制与第一路太阳能电池板组件的MPPT控制完全相同，通过第四中断来实现，第四中断的优先级次于第一中断、第二中断和第三中断；
(5)判断变换器是否需要停止工作，若变换器需要停止工作，则封锁输出第一开关管和第二开关管的驱动信号；若变换器不需要停止工作，则重新检测变换器的输出电压，重复上述步骤，实现变换器的控制；整个控制过程中切换开关的切换由用户根据实际情况自主完成。
本发明与现有技术相比，太阳能电池板组件发出的不断变化的低压直流电被高效交错式光伏电源变换器转换成稳定的有效值为220V的直流电，并通过MPPT控制把电能不断高效地转换成热能存储在保温电热水器内以便随时使用，所构成的新型高效太阳能电热水器具有以下一些特点：一是安装非常简便、免维护，只需把室外安装的太阳能电池板组件的输出端通过电线连接到交错式光伏电源变换器的输入端，再将交错式光伏电源变换器的输出端连接到洗浴室的保温电热水器的输入端即可，交错式光伏电源变换器具有体积小、重量轻、电能变换效率高的特点，可方便地安装到室外、室内或洗浴室的某个方便固定的地方；二是成本相对较低、寿命长，按太阳能光伏电池组件3元/瓦的成本核算，同容量且加热效果相同的新型太阳能电热水器成本已低于普通式太阳能热水器，与分体式太阳能热水器相比成本更低，随着太阳能电池板性价比的不断提高，其优势会越来越大，而新型太阳能电热水器的寿命可达25年；三是不像太阳能热水器那样存在着连接管道漏水或结冰、管道保温层破损、真空玻璃集热管爆裂等质量隐患现象，除可专门用于太阳能电热水器外，也可用于其他中小型隔离升压DC/DC变换器；当把光伏电源变换器的输出电压由220Vdc调整为400Vdc并做相应的电路参数调整，也可作为中小型太阳能光伏并网或离网逆变器的前级，或中小型不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)的前级。
附图说明：
图1为本发明所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的主体结构电路原理示意图。
图2为本发明所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的控制工艺流程图。
图3为本发明所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的工作波形图，其中Ugs1为第一开关管Q1的驱动电压，Uds1为第一开关管Q1漏源极之间的电压，UP1为第一谐振电容Cr1两端的电压，IP1为第一原边电感LP1的电流，Ugs2为第二开关管Q2的驱动电压，Uds2为第二开关管Q2漏源极之间的电压，UP2为第二谐振电容Cr2两端的电压，IP2为第二原边电感LP2的电流。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例：
本实施例所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的主体结构包括第一路DC/DC变换器、第二路DC/DC变换器、切换开关S、第一电压采样电路4、第一电流采样电路5、第二电压采样电路6、第二电流采样电路7、第三电压采样电路8、第四电压采样电路9、隔离电压采样电路10、DC/DC电源11、控制单片机12、第一驱动电路19和第二驱动电路20；第一路DC/DC变换器由第一反向截止二极管D1、第一滤波电容Ci1、第一谐振电容Cr1、第一开关管Q1、第一续流二极管DQ1、第一高频变压器1-1、第一高频整流电路2-1和第一输出滤波电容Co1电连接组成；第一路输入电压Ui1经第一反向截止二极管D1并由第一滤波电容Ci1滤波后作为后面电路的输入，其中，第一路输入电压Ui1为第一路太阳能电池板组件的输出电压，第一滤波电容Ci1用于吸收第一高频变压器1-1原边电感LP1回馈的能量，同时起到滤波作用，第一反向截止二极管D1用于防止反向电流流向第一路太阳能电池板组件；第一高频变压器1-1的原边电感LP1、第一谐振电容Cr1、第一开关管Q1、第一续流二极管DQ1电连接组成第一单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；第一高频变压器1-1由第一原边电感LP1、第一磁芯T1、第一副边电感LS1组成，其中，第一磁芯T1为带有气隙的磁芯，第一原边电感LP1与第一副边电感LS1的耦合系数为0.5-0.9，高频交流电施加在第一高频变压器1-1原边电感LP1两端，在第一高频变压器1-1副边电感LS1两端感应出正负幅值不对称的高频交流电压；第一单管谐振电路和第一高频变压器1-1用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流电路2-1可以采用两种电路结构，当第一高频整流电路2-1采用高频整流电路结构Ⅰ即高频倍压整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到二块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅰ由结构Ⅰ第一整流二极管DⅠ1、结构Ⅰ第二整流二极管DⅠ2、结构Ⅰ第一滤波电容CⅠ1、结构Ⅰ第二滤波电容CⅠ2电连接组成，用于对第一高频变压器1-1副边的高频交流电进行整流滤波；当第一高频整流电路2-1采用高频整流电路结构Ⅱ即高频全桥整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到三块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅱ由结构Ⅱ第一整流二极管DⅡ1、结构Ⅱ第二整流二极管DⅡ2、结构Ⅱ第三整流二极管DⅡ3、结构Ⅱ第四整流二极管DⅡ4电连接组成，用于对第一高频变压器1-1副边的高频交流电进行整流。第一输出滤波电容Co1用于对整流后的直流电进行滤波；第二路DC/DC变换器结构和电路元器件参数与第一路DC/DC变换器完全相同，但第二开关管Q2的控制信号要与第一开关管Q1的控制信号错开180°；两路DC/DC变换器输出侧串联，输出220V直流电压；切换开关S用于在220Vdc输出和220Vac市电之间切换。整流滤波后的220Vdc电压经切换开关S接入保温电热水器3，当光照长时间不足临时急需热水时，可将切换开关S接至220Vac市电继续加热，用后再切换回去；第一电压采样电路4采集第一路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机12，第一电流采样电路5采集第一路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机12，控制单片机12接收到采集来的第一路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第一MPPT控制；第二电压采样电路6采集第二路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机12，第二电流采样电路7采集第二路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机12，控制单片机12接收到采集来的第二路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第二MPPT控制；第三电压采样电路8采集第一开关管Q1漏源极间的电压信号并送至控制单片机12，第四电压采样电路9采集第二开关管Q2漏源极间的电压信号并送至控制单片机12，在第一开关管Q1、第二开关管Q2当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管Q1、第二开关管Q2漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管Q1、第二开关管Q2是否实现零电压开通；隔离电压采样电路10采集变换器的直流输出电压信号并送至控制单片机12，控制单片机12根据接收的变换器的直流输出电压信号，经过电压反馈控制程序17，同时调整第一开关管Q1和第二开关管Q2的控制信号，进行电压反馈控制；DC/DC电源11将太阳能电池板组件的输出电压降至+12V和+5V两路输出，+12V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路19驱动侧、第二驱动电路20驱动侧供电；+5V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机12、隔离电压采样电路10输出侧、第一驱动电路19控制信号侧、第二驱动电路20控制信号侧供电；控制单片机12接收到第一电压采样电路4、第一电流采样电路5、第二电压采样电路6、第二电流采样电路7、第三电压采样电路8、第四电压采样电路9、隔离电压采样电路10采集的电压电流信号，经由第一MPPT控制程序13、第二MPPT控制程序14、第一软开关判断程序15、第二软开关判断程序16、电压反馈控制程序17、PWM+PFM控制程序18共同生成第一开关管Q1和第二开关管Q2的控制信号并送至第一驱动电路19和第二驱动电路20，第一驱动电路19和第二驱动电路20接收到控制单片机12发来的第一开关管Q1和第二开关管Q2的控制信号后经放大驱动第一开关管Q1和第二开关管Q2。
本实施例所述保温电热水器3包括以下三种：一是市售的普通机械式电热水器，220Vdc供电时只需要将进线改为光伏电源变换器供电即可，改装方便；二是市售的普通智能式电热水器，220Vdc供电时，智能电热水器的供电由220Vdc直接供电，其控制电路供电直接从220Vdc进线取电，需跳过整流电路；三是现有高效利用太阳能的保温电热水器，可以完全按照220Vdc供电进行设计，成本更低、安装更方便。
本实施例实现大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器控制的过程包括以下步骤：
(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管Q1和第二开关管Q2控制信号错开180°，采用PWM与PFM相结合的方式软启动，即给定第一开关管Q1和第二开关管Q2的初始开关频率与初始导通时间，按照设定的控制规律逐渐调整至设定值，使变换器输出电压达到220Vdc；
(2)检测变换器的输出电压是否变化，当变换器的输出电压不稳定时，通过PFM控制方法同时控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的开关频率，稳定变换器的输出电压；隔离电压采样电路10采集变换器的直流输出电压信号并送到控制单片机12，经过电压反馈控制程序17与给定值比较、数字PID补偿后，对第一开关管Q1和第二开关管Q2进行PFM控制；若变换器的输出电压稳定不变时，则保持第一开关管Q1和第二开关管Q2既定的驱动控制信号，若变换器的输出电压变大，则同时发出增大第一开关管Q1和第二开关管Q2开关频率的信号，若变换器的输出电压变小，则同时发出减小第一开关管Q1和第二开关管Q2开关频率的信号，从而稳定变换器的输出电压；
(3)通过检测第一开关管Q1开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管Q1是否实现零电压开通，通过第一中断①用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管Q1的零电压开通，第一中断①的优先级优于其他中断；在第一开关管Q1当前驱动信号上升沿到来之前，第三电压采样电路8采集第一开关管Q1漏源极间的电压信号并送至控制单片机12，若第一软开关判断程序15判断第一开关管Q1漏源极间的电压不为零，则第一开关管Q1没有实现零电压开通，进入第一中断①，减小第一开关管Q1控制信号的脉冲宽度基准值，第一中断①返回，等待下一次检测；第二开关管Q2零电压开通的控制方法与第一开关管Q1零电压开通的控制方法完全相同，通过第二中断②来实现，第二中断②的优先级次于第一中断①、优于其他中断；
(4)当第一路太阳能电池板组件的最大功率点发生偏移时，通过第三中断③控制第一开关管Q1驱动信号的占空比，来调节第一路DC/DC变换器及负载的等效阻抗与第一路太阳能电池板组件的等效内阻相等，以实现MPPT，第三中断③的优先级次于第一中断①和第二中断②；第一电压采样电路4、第一电流采样电路5采集到第一路太阳能电池板组件的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机12，每隔n秒进入一次第三中断③，n的取值由程序设定，第一MPPT控制程序13在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至第一路DC/DC变换器工作在最大功率点，第三中断③返回；第二路太阳能电池板组件的MPPT控制与第一路太阳能电池板组件的MPPT控制完全相同，通过第四中断④来实现，该中断的优先级次于第一中断①、第二中断②和第三中断③；
(5)判断变换器是否需要停止工作，若变换器需要停止工作，则封锁输出第一开关管Q1和第二开关管Q2的驱动信号；若变换器不需要停止工作，则重新检测变换器的输出电压，重复上述步骤，实现变换器的控制；整个控制过程中切换开关S的切换由用户根据实际情况自主完成。
本实施例所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的工作过程包括以下阶段：
t0-t1时段：在t0时刻，第一开关管Q1的驱动电压Ugs1变为高电平，此时第一原边电感LP1的电流为负，第一开关管Q1不导通，第一原边电感LP1通过第一滤波电容Ci1和第一续流二极管DQ1续流，第一开关管Q1漏源极间的电压为零；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加，到t1时刻，第二开关管Q2的驱动电压Ugs2变为低电平，第二开关管Q2关断；
t1-t2时段：第一原边电感LP1通过第一滤波电容Ci1和第一续流二极管DQ1续流，第一原边电感LP1的电流逐渐减小，第一开关管Q1漏源极间的电压为零；第二谐振电容Cr2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加，到t2时刻，第二谐振电容Cr2的电压降为零，第二原边电感LP2的电流增加到最大；
t2-t3时段：第一原边电感LP1通过第一滤波电容Ci1和第一续流二极管DQ1续流，第一原边电感LP1的电流逐渐减小，第一开关管Q1漏源极间的电压为零，到t3时刻，第一原边电感LP1的电流减小到零，第一开关管Q1导通，第一开关管Q1实现了零电压开通；第二原边电感LP2反向为第二谐振电容Cr2充电，第二谐振电容Cr2的电压反向增大；
t3-t4时段：第一路输入电压Ui1为第一原边电感LP1充电，第一原边电感LP1的电流逐渐增加；第二原边电感LP2反向为第二谐振电容Cr2充电，第二谐振电容Cr2的电压继续反向增大，到t4时刻，第二原边电感LP2的电流减小到零，第二谐振电容Cr2的电压反向增加到最大；
t4-t5时段：第一路输入电压Ui1为第一原边电感LP1充电，第一原边电感LP1的电流逐渐增加；第二谐振电容Cr2为第二原边电感LP2反向充电，到t5时刻，第二谐振电容Cr2的电压降为零，第二原边电感LP2的电流反向增加到最大；
t5-t6时段：第一路输入电压Ui1为第一原边电感LP1充电，第一原边电感LP1的电流逐渐增加；第二原边电感LP2为第二谐振电容Cr2充电，第二谐振电容Cr2的电压逐渐增加，到t6时刻，第二谐振电容Cr2的电压增加到与第二滤波电容Ci2的电压相等，第二开关管Q2漏源极间的电压为零；
t6-t7时段：第一路输入电压Ui1为第一原边电感LP1充电，第一原边电感LP1的电流逐渐增加；第二原边电感LP2通过第二滤波电容Ci2和第二续流二极管DQ2续流，第二开关管Q2漏源极间的电压为零，到t7时刻，第二开关管Q2的驱动电压Ugs2变为高电平，此时第二原边电感LP2的电流为负，第二开关管Q2不导通；
t7-t8时段：第一路输入电压Ui1为第一原边电感LP1充电，第一原边电感LP1的电流逐渐增加；第二原边电感LP2通过第二滤波电容Ci2和第二续流二极管DQ2续流，第二开关管Q2不导通，到t8时刻，第二原边电感LP2的电流减小到零，第二开关管Q2导通，第二开关管Q2实现了零电压开通；
t8-t9时段：第一路输入电压Ui1为第一原边电感LP1充电，第一原边电感LP1的电流逐渐增加，到t9时刻，第一开关管Q1的驱动电压Ugs1变为低电平，第一开关管Q1关断；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加；
t9-t10时段：第一谐振电容Cr1为第一原边电感LP1充电，第一原边电感LP1的电流逐渐增加，到t10时刻，第一谐振电容Cr1的电压降为零，第一原边电感LP1的电流增加到最大；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加；
t10-t11时段：第一原边电感LP1反向为第一谐振电容Cr1充电，第一谐振电容Cr1的电压反向增大，到t11时刻，第一原边电感LP1的电流减小到零，第一谐振电容Cr1的电压反向增加到最大；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加；
t11-t12时段：第一谐振电容Cr1为第一原边电感LP1反向充电，到t12时刻，第一谐振电容Cr1的电压降为零，第一原边电感LP1的电流反向增加到最大；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加；
t12-t13时段：第一原边电感LP1为第一谐振电容Cr1充电，第一谐振电容Cr1的电压逐渐增加，到t13时刻，第一谐振电容Cr1的电压增加到与第一滤波电容Ci1的电压相等，第一开关管Q1漏源极间的电压为零；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加；
t13-t14时段：第一原边电感LP1通过第一滤波电容Ci1和第一续流二极管DQ1续流，第一开关管Q1漏源极间的电压为零，到t14时刻，第一开关管Q1的驱动电压Ugs1变为高电平，此时第一原边电感LP1的电流为负，第一开关管Q1不导通；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加；
t14-t15时段：第一开关管Q1的驱动电压Ugs1变为高电平，此时第一原边电感LP1的电流为负，第一开关管Q1不导通，第一原边电感LP1通过第一滤波电容Ci1和第一续流二极管DQ1续流，第一开关管Q1漏源极间的电压为零；第二路输入电压Ui2为第二原边电感LP2充电，第二原边电感LP2的电流逐渐增加，到t15时刻，第二开关管Q2的驱动电压Ugs2变为低电平，第二开关管Q2关断。

Claims (3)

1.一种大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器，其特征在于主体结构包括第一路DC/DC变换器、第二路DC/DC变换器、切换开关、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第三电压采样电路、第四电压采样电路、隔离电压采样电路、DC/DC电源、控制单片机、第一驱动电路和第二驱动电路；第一路DC/DC变换器由第一反向截止二极管、第一滤波电容、第一谐振电容、第一开关管、第一续流二极管、第一高频变压器、第一高频整流电路、第一输出滤波电容电连接组成；第一路输入电压经第一反向截止二极管并由第一滤波电容滤波后作为后面电路的输入，其中，第一路输入电压为第一路太阳能电池板组件的输出电压，第一滤波电容用于吸收第一高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用，第一反向截止二极管用于防止反向电流流向第一路太阳能电池板组件；第一高频变压器的原边电感、第一谐振电容、第一开关管、第一续流二极管电连接组成第一单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；第一高频变压器由第一原边电感、第一磁芯、第一副边电感组成，其中，第一磁芯为带有气隙的磁芯，第一原边电感与第一副边电感的耦合系数为0.5-0.9，高频交流电施加在第一高频变压器原边电感两端，在第一高频变压器副边电感两端感应出正负幅值不对称的高频交流电压；第一单管谐振电路和第一高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流电路采用两种电路结构，当第一高频整流电路采用高频整流电路结构Ⅰ即高频倍压整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到二块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅰ由结构Ⅰ第一整流二极管、结构Ⅰ第二整流二极管、结构Ⅰ第一滤波电容、结构Ⅰ第二滤波电容电连接组成，用于对第一高频变压器副边的高频交流电进行整流滤波；当第一高频整流电路采用高频整流电路结构Ⅱ即高频全桥整流电路时，第一路太阳能电池板组件可由一到三块输出电压为34.4V、输出功率为300W的太阳能电池板组成，高频整流电路结构Ⅱ由结构Ⅱ第一整流二极管、结构Ⅱ第二整流二极管、结构Ⅱ第三整流二极管、结构Ⅱ第四整流二极管电连接组成，用于对第一高频变压器副边的高频交流电进行整流；第一输出滤波电容用于对整流后的直流电进行滤波；第二路DC/DC变换器结构和电路元器件参数与第一路DC/DC变换器完全相同，但第二开关管的控制信号要与第一开关管的控制信号错开180°；两路DC/DC变换器输出侧串联，输出220V直流电压；切换开关用于在220Vdc输出和220Vac市电之间切换；整流滤波后的220Vdc电压经切换开关接入保温电热水器，当光照长时间不足临时急需热水时，可将切换开关接至220Vac市电继续加热，用后再切换回去；第一电压采样电路采集第一路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集第一路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的第一路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第一MPPT控制；第二电压采样电路采集第二路太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第二电流采样电路采集第二路太阳能电池板组件的输出电流信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的第二路太阳能电池板组件的输出电压信号和输出电流信号进行第二MPPT控制；第三电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，第四电压采样电路采集第二开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管、第二开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管、第二开关管漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管、第二开关管是否实现零电压开通；隔离电压采样电路采集变换器的直流输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机根据接收的变换器的直流输出电压信号，经过电压反馈控制程序，同时调整第一开关管和第二开关管的控制信号，进行电压反馈控制；DC/DC电源将太阳能电池板组件的输出电压降至+12V和+5V两路输出，+12V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧、第二驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与第一路太阳能电池板组件的负极、第二路太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、隔离电压采样电路输出侧、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第三电压采样电路、第四电压采样电路、隔离电压采样电路采集的电压电流信号，经由第一MPPT控制程序、第二MPPT控制程序、第一软开关判断程序、第二软开关判断程序、电压反馈控制程序、脉冲宽度调制+脉冲频率调制控制程序共同生成第一开关管和第二开关管的控制信号并送至第一驱动电路和第二驱动电路；第一驱动电路和第二驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管和第二开关管的控制信号后经放大驱动第一开关管和第二开关管。
2.根据权利要求1所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器，其特征在于所述保温电热水器包括以下三种：一是市售的普通机械式电热水器，220Vdc供电时只需要将进线改为光伏电源变换器供电即可；二是市售的普通智能式电热水器，220Vdc供电时，智能电热水器的供电由220Vdc直接供电，其控制电路供电直接从220Vdc进线取电，需跳过整流电路；三是现有高效利用太阳能的保温电热水器，完全按照220Vdc供电进行设计。
3.一种如权利要求2所述大容量太阳能电热水器用交错式光伏电源变换器的控制方法，其特征在于具体控制过程包括以下步骤：
(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管和第二开关管控制信号错开180°，采用PWM与PFM相结合的方式软启动，即给定第一开关管和第二开关管的初始开关频率与初始导通时间，按照设定的控制规律逐渐调整至设定值，使变换器输出电压达到220Vdc；
(2)检测变换器的输出电压是否变化，当变换器的输出电压不稳定时，通过PFM控制方法同时控制第一开关管和第二开关管的开关频率，稳定变换器的输出电压；隔离电压采样电路采集变换器的直流输出电压信号并送到控制单片机，经过电压反馈控制程序与给定值比较、数字PID补偿后，对第一开关管和第二开关管进行PFM控制；若变换器的输出电压稳定不变时，则保持第一开关管和第二开关管既定的驱动控制信号，若变换器的输出电压变大，则同时发出增大第一开关管和第二开关管开关频率的信号，若变换器的输出电压变小，则同时发出减小第一开关管和第二开关管开关频率的信号，从而稳定变换器的输出电压；
(3)通过检测第一开关管开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管是否实现零电压开通，通过第一中断用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管的零电压开通，第一中断的优先级优于其他中断；在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，第三电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，若第一软开关判断程序判断第一开关管漏源极间的电压不为零，则第一开关管没有实现零电压开通，进入第一中断，减小第一开关管控制信号的脉冲宽度基准值，第一中断返回，等待下一次检测；第二开关管零电压开通的控制方法与第一开关管零电压开通的控制方法完全相同，通过第二中断来实现，第二中断的优先级次于第一中断、优于其他中断；
(4)当第一路太阳能电池板组件的最大功率点发生偏移时，通过第三中断控制第一开关管驱动信号的占空比，来调节第一路DC/DC变换器及负载的等效阻抗与第一路太阳能电池板组件的等效内阻相等，以实现MPPT，第三中断的优先级次于第一中断和第二中断；第一电压采样电路、第一电流采样电路采集到第一路太阳能电池板组件的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，每隔n秒进入一次第三中断，n的取值由程序设定，第一MPPT控制程序在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至第一路DC/DC变换器工作在最大功率点，第三中断返回；第二路太阳能电池板组件的MPPT控制与第一路太阳能电池板组件的MPPT控制完全相同，通过第四中断来实现，第四中断的优先级次于第一中断、第二中断和第三中断；
(5)判断变换器是否需要停止工作，若变换器需要停止工作，则封锁输出第一开关管和第二开关管的驱动信号；若变换器不需要停止工作，则重新检测变换器的输出电压，重复上述步骤，实现变换器的控制；整个控制过程中切换开关的切换由用户根据实际情况自主完成。
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