CN107819350B - 太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路 - Google Patents

太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路，包括模式智能辨识子电路、多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路和最大功率控制子电路。模式辨识子电路连接电路电源端子A(AV+)和电源端子B(AV‑)，多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路连接整流桥的正极(PV+)和负极(B‑)，最大功率控制子电路的电压检测子电路连接在正极(VBUS+)和负极(GND)之间，其主要特征是：设计了模式智能辨识子电路、多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路。通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级(80～300VDC)的太阳能电池板，或者是交流(220VAC)电压，升压为直流(400VDC)电压(正极(VBUS+)和负极(GND)之间)，减少系统电流，降低了损耗，提高光伏水泵系统的利用率。

Description

太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路
技术领域
本发明属于太阳能光伏水泵技术领域，具体涉及一种太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路。
背景技术
当今，随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大量增加，日益恶化的生态环境，迫使世界各国积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到人类的重视，而其中，太阳能无疑处于最突出的地位。在我国大西北、西藏和内蒙古等远离电网的偏远地区，太阳能资源非常丰富，因此，在这些地区广泛推广应用太阳能光伏水泵技术，具有明显的经济效益和社会效益。
图1为目前广泛应用的太阳能光伏水泵控制电路。其中二极管T7D1(1)、电阻T7R1(2)、T7R2(25)和稳压二极管T7Z1(23)、场效应管T7(27)共同构成电路的防反接逻辑子电路。单独使用太阳能电池板时，太阳能电池板的正极必须接在B+/S+，太阳能电池板的负极必须接在B-/S-，电流由B+/S+经过二极管T7D1(1)、电阻T7R1(2)、电阻T7R2(25)，最后到达场效应管T7(27)。当太阳能电池板的正负极安装正确，在电阻T7R2(25)和稳压二极管T7Z1(23)两端上产生正向电压降，即在场效应管T7(27)的G-S端之间产生一定电压差(压差由稳压二级管T7Z1(23)稳压值确定)，根据场效应管T7(27)的特性，当场效应管T7(27)的G-S端之间没有压差时，场效应管T7(27)的S-D为单向导通，场效应管电流只能由D流向S，当场效应管T7(27)的G-S端之间产生一定电压差时，场效应管T7(27)的S-D双向导通，电流可由S流向D，也可以由D流向S，此时电路主回路接通，电源模块电路(3)形成回路，集中控制器(13)开始工作。如果太阳能电池板的正负极安装错误，在稳压二极管T7Z1(23)上产生不了正电压，则场效应管T7(27)的S-D为单向导通，场效应管电流只能由D流向S，不能由S流向D，从而电路主回路不能形成回路，电源模块电路(3)不能形成回路，集中控制器(13)不能工作。特别要注意的是，单独使用太阳能电池板时，如果把太阳能电池板的正极接在PV+，太阳能电池板的负极接在PV-，电流经由电源模块(3)到达场效应管T8(18)的时候，因为场效应管T8(18)的G-S端的电压是由集中控制器(13)的端口(13-1)产生，此时集中控制器(13)还没有供电，因此场效应管T8(18)的G-S端之间未产生一定电压差，场效应管T8(18)的S-D为单向导通，场效应管电流只能由D流向S，不能由S流向D，从而电路主回路不能形成回路，电源模块电路(3)不能形成回路，集中控制器(13)不能工作。特别要注意的是，使用太阳能电池板时，加载在太阳能直流光伏水泵两端的电压由太阳能电池板的开路电压决定。因此只能根据系统配置的太阳能电池板的开路电压选择合适的太阳能直流光伏水泵，以达到提高系统效率；或者根据太阳能直流光伏水泵的额定工作电压范围，配置太阳能电池板，这对太阳能电池板和太阳能直流水泵的匹配性要求较高。
通过上面论述，可以看出目前广泛应用的太阳能光伏水泵控制电路的主要缺陷在于：一是电路不能自动判断是太阳能电池板供电还是交流电源供电，同时太阳能光伏直流供电和交流电源供电不能互换使用；二是在太阳能电池板供电模式时，不同功率等级的太阳能电池板提供的开路电压相差比较大，需要配不同电压等级的太阳能直流光伏水泵以适应不同开路电压的太阳能电池板，需要水泵的种类多，不利于产品的使用和推广，同时对于开路电压较低的太阳能电池板，驱动大功率太阳能直流光伏水泵时，电流也较大，这样带来的损耗也比较大，导致太阳能电池板利用率低。
发明内容
本发明专利的目的是针对目前广泛应用的太阳能光伏水泵控制电路所存在的问题和不足之处，提供一种太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路，特别是一种对太阳能光伏水泵可自动判断是太阳能电池板供电还是交流供电的智能辨识控制电路，通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级(80～300VDC)的太阳能电池板，或者是交流(220VAC)电压，升压为直流(400VDC)电压(正极(VBUS+)和负极(GND)之间)，为光伏水泵提供稳定的电源。
本发明专利的解决方案是：一种太阳能光伏水泵智能辨识控制电路，包括模式智能辨识子电路、多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路和最大功率控制子电路，模式智能辨识子电路连接电路的电源端子A(AV+)和电源端子B(AV-)，多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路连接全桥的正极(PV+)和负极(B-)之间，最大功率控制子电路的电压检测子电路连接在正极(VBUS+)和负极(GND)之间，最大功率控制子电路的电流检测子电路串联在负极(B-)和负极(GND)之间。本发明设计了模式智能辨识子电路和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路设计。该电路可以自动进行供电模式识别，通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级(80～300VDC)的太阳能电池板，或者是交流(220VAC)电压，升压为直流(400VDC)电压(正极(VBUS+)和负极(GND)之间)，为光伏水泵提供稳定的电压。同时通过提高太阳能水泵供电电压，在相同功率等级条件下，减少系统电流，降低了系统的损耗，提高系统的利用率。
本发明专利解决方案中所述模式智能辨识子电路，是由电阻R1(1)、电阻R3(3)、电阻R2(23)、电阻R4(22)、施密特触发器(4)和运算放大器U1(2)构成。其中电阻R1(1)、电阻R3(3)、电阻R2(23)、电阻R4(22)是分压作用，它们与运算放大器U1(2)共同作用构成差分放大电路，运算放大器U1(2)采用单电源供电。当交流电源无论以何种方式接在电源端子A(AV+)和电源端子B(AV-)时，通过运算放大器U1(2)的输出端口会产生0～3.3V的正弦波信号，最后通过施密特触发器(4)波形整理电路，将模拟信号波形调整为高、低电平的数字方波信号；当太阳能电池正极接入电源端子A(AV+)和太阳能电池板的负极接入电源端子B(AV-)时，通过差分放大电路，在运算放大器U1(2)的输出端口输出3.3V的信号；当太阳能电池正极接入电源端子B(AV-)和太阳能电池板的负极接入电源端子A(AV+)时，通过差分放大电路，由于采用单电源供电，在运算放大器U1(2)的输出端口输出0V的信号，最后通过施密特触发器波形整理电路，将模拟信号波形整形为高、低电平的数字信号，集中控制器(13)的端口(13-2)通过检测数字信号为高低变化或高低稳定的信号来确定系统的供电模式。
本发明专利解决方案中所述多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路设计，是由整流桥(5)、电感L1(9)、肖特基二极管(10)、场效应管T1(18)、电阻R7(19)、电阻R8(20)和PFC专用模块集成芯片(8)构成。通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级(80～300VDC)的太阳能电池板，或者是交流(220VAC)电压，升压为直流(400VDC)电压(正极(VBUS+)和负极(GND)之间)。该电路在满载时功率因数最大可达到0.95以上，同时也可以消除由复杂负载产生的交流谐波电流，提高系统的使用效率、电源的功率因数并降低总体谐波失真(THD)从而实现更高效的系统利用率。
本发明专利解决方案中所述最大功率控制子电路，由电阻R5(6)、电阻R6(21)、运算放大器U2(7)、电阻R9(15)和运算放大器U3(12)组成。其中电阻R5(6)、电阻R6(21)、运算放大器U2(7)构成电压检测子电路，电阻R9(15)和运算放大器U3(12)构成电流检测子电路，在太阳能电池板供电模式下，集中控制器(13)通过电压检测子电路和电流检测子电路检测系统正常运行时的电压和电流值，通过控制光伏水泵(14)运行做太阳能电池板最大功率点(TMPPT)算法，提高太阳能电池板的利用率。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
(1)提供了一种自动判断是太阳能电池板供电还是交流供电的智能辨识控制电路，该电路不但可以自动辨识供电模式，同时解决了交流与直流不能同时使用的问题，无需因为供电模式不同，导致使用方案不同，使安装使用简单；
(2)通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级(80～300VDC)的太阳能电池板，或者是交流(220VAC)电压，升压为直流(400VDC)电压(正极(VBUS+)和负极(GND)之间)，减少了所需太阳能光伏水泵的种类，使用方便简单；
(3)通过升压电路设计，减少母线电流，降低了系统的损耗，提高太阳能电池板利用率。
附图说明
图1是目前广泛应用的太阳能光伏水泵控制电路图。
图2是为本发明太阳能光伏水泵智能辨识控制电路图。
图2中：1、电阻R1；2、运算放大器U1；3、电阻R2；4、斯密特触发器；5、全整流器桥；6、电阻R5；7、运算放大器U2；8、PFC专用模块集成芯片；9电感L1；10、肖特基二极管D1；11、电源模块电路；12、运算放大器U3；13、集中控制器；13-1、集中控制器端口；13-2、集中控制器端口；14、太阳能光伏水泵；15、电阻R9；16、电容C2；17、电容C1；18、场效应管T1；19、电阻R7；20、电阻R8；21、电阻R6；22、电阻R4；23、电阻R2。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明专利，下面结合附图及具体实施方式对本发明专利作进一步的详细描述。
图2为本发明的太阳能光伏水泵智能辨识控制电路。该电路包括模式辨识子电路、多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路和最大功率控制子电路，首先将太阳能电池板或者是交流(220V)接入电源端子A(AV+)和电源端子B(AV-)，通过模式辨识子电路判断为何种供电模式，通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级(80～300VDC)的太阳能电池板，或者是交流(220VAC)电压，升压为直流(400VDC)电压(正极(VBUS+)和负极(GND)之间)。如果集中控制器判读为太阳能电池板供电模式，集中控制器通过电压检测子电路和电流检测子电路检测系统正常运行时的电压和电流值，做最大功率点(TMPPT)算法，提高太阳能电池板的利用率。
本发明专利解决方案中所述模式辨识子电路，太阳能光伏水泵的供电模式是太阳能电池板供电，或者是交流(220V)供电，可以通过模式辨识子电路自动识别，太阳能电池板供电工作时，太阳能电池板的正极接在电源端子A(AV+)，太阳能电池板的负极接在电源端子B(AV-)，此时电源端子A(AV+)的电流经过电阻R1(1)经由电阻R3(3)流经运算放大器U1(2)，电源端子B(AV-)的电流经过电阻R2(23)经由电阻R4(22)流经过1.65V，此时在运算放大器U1(2)的输出端口便会产生大于1.65V小于3.3V的模拟信号，通过施密特触发器(4)波形整理电路，将1.65V～3.3V模拟信号波形整形为高电平的数字信号，集中控制器(13)的端口(13-2)通过检测数字信号来确定系统的供电模式；当太阳能电池板的正极接在电源端子B(AV-)，太阳能电池板的负极接在电源端子A(AV+)，此时电源端子A(AV+)的电流经过电阻R1(1)经由电阻R3(3)流经运算放大器U1(2)，此时电源端子B(AV-)的电流经过电阻R2(23)经由电阻R4(22)流经过1.65V，在运算放大器U1(2)的两个输入端口之间会产生负向电压，由于运算放大器U1(2)采用单电源供电，此时在运算放大器U1(2)的输出端口便会产生0V模拟信号，通过施密特触发器(4)波形整理电路，将0V模拟信号波形整形为低电平数字信号，集中控制器(13)的端口(13-2)通过检测数字信号来确定系统的供电模式。
无论交流电源如何接在电源端子A(AV+)和电源端子B(AV-)，此时电源端子A(AV+)的电流经过电阻R1(1)经由电阻R3(2)流经运算放大器U1(2)，电源端子B(AV-)的电流经过电阻R2(23)经由电阻R4(22)流经过1.65V，在运算放大器U1(2)的两个输入端口之间会产生0～3.3V的正弦波信号，通过施密特触发器(4)波形整理电路，将0～3.3V的正弦波模拟信号波形整形为方波数字信号，集中控制器(13)的端口(13-2)通过检测数字信号来确定系统的供电模式。
本发明专利解决方案中所述多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路设计，由电感L1(9)、肖特基二极管D1(10)、场效应管T1(18)、电阻R7(19)、电阻R8(20)和PFC专用模块集成芯片(8)构成。多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路设计中，PFC专用模块集成芯片(8)的端口OPFC引脚驱动场效应管T1(18)，当专用模块集成芯片(8)的端口OPFC引脚输出低电平时，场效应管T1(18)的G-S端之间没有压差时，场效应管T7(18)的S-D为单向导通，场效应管电流只能由D流向S，电路不能由D流向S，此时电感L1放电；当专用模块集成芯片(8)的端口OPFC引脚输出高电平，场效应管T1(18)的G-S端之间产生一定电压差时，场效应管T1(18)的S-D双向导通，电流可由S流向D，也可以由D流向S，此时电感L1(9)充电。本发明专利的专用模块集成芯片(8)的端口OPFC还具有过流保护的功能，当其流过电流过大时，专用模块集成芯片(8)强行关断内部MOS管控制回路电流。电感L1(9)的输出通过电容C1(17)、电容C2(16)的平滑滤波后可以得到稳定的VBUS+(400V)电压输出值，供给太阳能光伏水泵驱动使用。由于PFC专用模块集成芯片(8)的效率为输出功率和输入功率的比值，和输入电压与输出电压的差值没有关系，所以该电路在满载时功率因数最大可达到0.95，同时也可以消除由复杂负载产生的交流谐波电流，提高系统的使用效率、电源的功率因数并降低总体谐波失真(THD)从而实现更高效的系统利用率。同时通过选择合适的工作参数，如开关频率、电感和输出电容，本系统的实际转换效率可达90％。
本发明专利最大的特点是降低了使用要求、方便安装系统，提供了一种自动判断是太阳能电池板供电还是交流供电的智能辨识控制电路，其有益效果是，不但可以自动辨识供电模式，同时解决了兼容交流、直流供电的使用问题；无需因为供电模式不相同，导致安装不同，使用简单；通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级(80～300VDC)的太阳能电池板，或者是交流(220VAC)电压，升压为直流(400VDC)电压(正极(VBUS+)和负极(GND)之间)，减少了所需太阳能光伏水泵的种类，产品使用方便简单；通过提高太阳能水泵供电电压，减少系统电流，降低了系统的损耗，提高太阳能电池板利用率。

Claims (3)

1.一种太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路，其特征在于，包括模式智能辨识子电路、多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路和最大功率控制子电路；所述模式智能辨识子电路，由电阻R1(1)、电阻R3(3)、电阻R2(23)、电阻R4(22)、施密特触发器(4)和运算放大器U1(2)构成，且运算放大器U1(2)的输出端口通过施密特触发器(4)连接集中控制器(13)的端口(13-2)，其中电阻R1(1)、电阻R3(3)、电阻R2(23)、电阻R4(22)起分压作用，它们与运算放大器U1(2)共同作用构成差分放大电路，运算放大器U1(2)采用单电源供电；模式智能辨识子电路连接电路的电源正端子(AV+)和电源负端子(AV-)，多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路连接整流桥的正极(PV+)和负极(B-)，最大功率控制子电路的电压检测子电路连接在正极(VBUS+)和负极(GND)之间，最大功率控制子电路的电流检测子电路串联在负极(B-)和负极(GND)之间；所述电路可以自动进行供电模式识别，通过整流桥和多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，将开路电压等级80～300VDC的太阳能电池板或者是交流220VAC电压升压为直流400VDC电压，为光伏水泵提供稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路，其特征在于：所述多级开关电源的连续导通模式(CCM)PFC子电路，由整流桥(5)、电感L1(9)、肖特基二极管D1(10)、场效应管T1(18)、电阻R7(19)、电阻R8(20)和PFC专用模块集成芯片(8)构成，且PFC专用模块集成芯片(8)的输出端口连接集中控制器(13)的端口(13-1)。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏水泵交直流智能辨识控制电路，其特征在于：所述最大功率控制子电路，由电阻R5(6)、电阻R6(21)、运算放大器U2(7)、电阻R9(15)和运算放大器U3(12)组成，其中电阻R5(6)、电阻R6(21)、运算放大器U2(7)构成电压检测子电路，电阻R9(15)和运算放大器U3(12)构成电流检测子电路。
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