CN201203813Y - 一种光伏发电输出匹配控制器 - Google Patents

Abstract

一种光伏发电输出匹配控制器，属控制技术领域，用于解决光电转换效率问题。其技术方案是：它由电流采样电路、电压采样电路、单片机和直流斩波电路组成，所述电流采样电路和电压采样电路的输入端接太阳能光伏电池的输出端，输出端接单片机的输入端，所述直流斩波电路的输入端接太阳能光伏电池，输出端接负载，单片机的输出端接直流斩波电路的控制端。本实用新型能使光伏发电装置在接任何负载时都输出最大功率，有效提高了光伏发电装置的光电转换效率。

Description

一种光伏发电输出匹配控制器

技术领域

本实用新型涉及一种能使光伏发电装置输出最大功率的控制器，属控制技术领域。

背景技术

随着全球化学能源的日益枯竭，光伏发电越来越受到人们的重视。使用光伏发电装置给负载供电时，一般都是将太阳能光伏电池的输出端直接与负载相连，由于太阳能光伏电池在一定光强下都有其特定的伏安特性，而不同的负载有不同的伏安特性，太阳能光伏电池的输出功率由其伏安特性曲线与负载伏安特性曲线的交点而定，如附图3所示。这样，当负载改变时，太阳能光伏电池与负载之间很难实现优化匹配，导致太阳能光伏电池不能输出最大电功率，降低了光电转换效率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足、提供一种能使光伏发电装置对任何负载都可输出最大功率的光伏发电输出匹配控制器。

本实用新型所述问题是以下述技术方案实现的：

一种光伏发电输出匹配控制器，由电流采样电路、电压采样电路、单片机U1和直流斩波电路组成，所述电流采样电路和电压采样电路的输入端接太阳能光伏电池GV的输出端，两者的输出端接单片机U1的输入端；所述直流斩波电路的输入端接太阳能光伏电池GV，输出端接负载Z，单片机U1的输出端接直流斩波电路的控制端。

上述光伏发电输出匹配控制器，所述直流斩波电路由三极管Q、滤波电感L和滤波电容C2构成，所述三极管Q的集电极经电流采样电阻接于太阳能光伏电池GV的输出端，其输出的脉冲信号经滤波电感L和滤波电容C2滤波后接负载Z，在滤波电感L的前端还设有续流二极管D，单片机U1的P6.0端经驱动电路QD接三极管Q的基极。

上述光伏发电输出匹配控制器，所述电流采样电路由电流采样电阻R1、耦合电阻R2、反馈电阻R3和运算放大器F组成，电流采样电阻R1连接于太阳能光伏电池GV的输出端，运算放大器F与耦合电阻R2和反馈电阻R3接成线性放大器电路，线性放大器的正输入端经电流采样电阻R1太阳能光伏电池GV的输出端，线性放大器的输出端接单片机U1的P6.0端。

上述光伏发电输出匹配控制器，所述电流采样电阻R1与两个分压电阻串接后连接于太阳能光伏电池的输出端，所述两串接的分压电阻构成了电压采样电路，其串接点的输出信号接单片机U1的P6.1端。

本实用新型利用电流采样电路、电压采样电路采集太阳能光伏电池的输出电流和输出电压，并将所采集的信号送到单片机，单片机根据此信号计算当前光伏发电装置的输出功率，并通过调节直流斩波电路的占空比改变接到太阳能光伏电池的等效电阻，使光伏发电装置输出最大功率。本实用新型能使光伏发电装置在连接任何负载时都输出最大功率，有效提高了光伏发电装置的光电转换效率。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的电原理框图；

图2是电原理图；

图3是太阳能光伏电池输出功率与不同负载关系示意图；

图4是输出功率调节过程中工作曲线变化示意图；

图5是最大功率跟踪(MPPT)实现过程示意图。

图中各标号为：F、运算放大器；U1、单片机；QD、驱动电路；Q、三极管；L、滤波电感；C1、蓄能电容；C2、滤波电容；D、续流二极管；Z、负载；GV、太阳能光伏电池；R1、电流采样电阻；R2、耦合电阻；R3、反馈电阻；R4、R5、分压电阻；L1、不经过MPPT的负载的伏安特性曲线；L2、经过MPPT的负载的等效伏安特性曲线；L3、太阳能光伏电池的伏安特性曲线；Pmax、最大功率。

具体实施方式

参见附图3，实线表示太阳能光伏电池在一定光强下的伏安特性，三条虚斜线表示不同负载的伏安特性曲线，分别与太阳能光伏电池的伏安特性曲线交于A、B、C点，可以看出，交于C点时太阳能光伏电池的输出功率最大。如果我们通过调节电池板的电压(也可以看作改变太阳能光伏电池的负载阻抗)，使太阳能光伏电池时刻工作在C点，太阳能光伏电池就可以输出最大的功率，实现太阳能光伏电池的最大功率跟踪(MPPT)，使太阳能光伏电池的发电能力充分发挥出来，提高太阳能光伏电池的效率。

参见附图4，L1是未经最大功率跟踪(MPPT)的负载的伏安特性曲线；L2是经最大功率跟踪(MPPT)的负载的等效伏安特性曲线；L3是太阳能光伏电池的伏安特性曲线。

调节过程如下：

假定目前光伏发电系统的稳态工作点在A点，经过最大功率跟踪，负载的工作特性曲线由L1→L2；则跟踪后光伏发电的稳态工作点A→B，系统工作在了最大功率点处。

参见附图2，由运算放大器F、电阻R1、R2、R3组成的电流采样电路和由分压电阻R4、R5组成的电压采样电路分别采集光伏发电装置的输出电流和输出电压，并将所采集的信号送到单片机U1的P6.0和P6.1端，单片机根据此信号计算当前光伏发电装置的输出功率，并由P2.1端输出脉冲信号，此信号加到三极管Q的基极，调节直流斩波电路的占空比，改变太阳能光伏电池的电压(也可以看作改变太阳能光伏电池的负载阻抗)，使光伏发电装置输出最大功率。蓄能电容C1的作用是当三极管Q截止时，接受太阳能光伏电池的充电电流，储存电能；当三极管Q导通时，与太阳能光伏电池一起向负载供电。

三极管Q、滤波电感L和滤波电容C2构成直流斩波电路，也可称DC/DC Buck电路，我们知道DC/DC Buck中的控制量为占空比D，我们规定以下变量：

E₁ DC/DC Buck电路原边输入电压，等于太阳能光伏电池GV的输出电压U；

E₂ DC/DC Buck电路副边输出电压，等于负载电压；

I₁ DC/DC Buck电路原边输入电流，即太阳能光伏电池GV的输出电流；

I₂ DC/DC Buck电路副边输出电流，即负载电流。

四个变量存在以下关系：

$E_1=\frac{E_2}{D};$ I₁＝I₂·D； $R=\frac{E_2}{I_2}$

太阳能光伏电池两端的等效电阻R_eq为：

$\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{eq}}=\frac{E_1}{I_1}=\frac{E_2}{D^2\&CenterDot;I_2}=\frac{R}{D^2}& (0<D<1)\end{array}$

所以可以通过调节占空比D，来调节接在太阳能光伏电池两端的等效电阻R_eq，从而实现负载曲线从L1→L2，实现最大功率跟踪。

参见附图5，最大功率跟踪(MPPT)的目标是实现太阳能光伏电池的输出功率为P_max，具体实现方法为：单片机U1检测与计算太阳能光伏电池的输出功率，比如得到的输出功率为P₁，然后改变一下占空比，即给太阳能光伏电池电压一个增量ΔU，此时光板的电压为U₂，输出功率为P₂，说明此时的调节处于I阶段，如果想实现最大功率跟踪，此时应该控制占空比，使电压继续增加。如果上次的充电功率为P₁＇，太阳能光伏电池的工作电压为

，给一个电压增量后侧得太阳能光伏电池的电压为

，输出功率为，说明此时的调节处于II阶段，应该减小电压，如此调节下去即可实现太阳能光伏电池最终工作在最大功率点处。

为降低功率损耗，该控制器采样的单片机为MSP430系列的超低功耗单片机。

Claims (4)

1、一种光伏发电输出匹配控制器，其特征是，它由电流采样电路、电压采样电路、单片机(U1)和直流斩波电路组成，所述电流采样电路和电压采样电路的输入端接太阳能光伏电池(GV)的输出端，两者的输出端接单片机(U1)的输入端，所述直流斩波电路的输入端接太阳能光伏电池(GV)，输出端接负载(Z)，单片机(U1)的输出端接直流斩波电路的控制端。

2、根据权利要求1所述光伏发电输出匹配控制器，其特征是，所述直流斩波电路由三极管(Q)、滤波电感(L)和滤波电容(C2)构成，所述三极管(Q)的集电极经电流采样电阻接于太阳能光伏电池(GV)的输出端，其输出的脉冲信号经滤波电感(L)和滤波电容(C2)滤波后成为连接负载(Z)的电压输出端，在滤波电感(L)的前端还设有续流二极管(D)，单片机(U1)的P6.0端经驱动电路(QD)接三极管(Q)的基极。

3、根据权利要求1或2所述光伏发电输出匹配控制器，其特征是，所述电流采样电路由电流采样电阻(R1)、耦合电阻(R2)、反馈电阻(R3)和运算放大器(F)组成，电流采样电阻(R1)连接于太阳能光伏电池(GV)的输出端，运算放大器(F)与耦合电阻(R2)和反馈电阻(R3)接成线性放大器电路，线性放大器的正输入端经电流采样电阻(R1)接于太阳能光伏电池GV的输出端，输出端接单片机(U1)的P6.0端。

4、根据权利要求3所述光伏发电输出匹配控制器，其特征是，所述电流采样电阻(R1)与两个分压电阻串接后连接于太阳能光伏电池的输出端，所述两串接的分压电阻构成了电压采样电路，其串接点的输出信号接单片机(U1)的P6.1端。

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