CN201887700U

CN201887700U - 一种多路光伏电源mppt控制装置

Info

Publication number: CN201887700U
Application number: CN2010206794064U
Authority: CN
Inventors: 张建成; 王丽萍; 强玉尊
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2020-12-24

Abstract

一种多路光伏电源MPPT控制装置，用于降低光伏发电成本。其技术方案是：它由单片机和多个光伏电源控制单元组成，每个光伏电源控制单元的电能输入端接一组光伏电池，电能输出端通过中枢点母线接负载或并网系统，光伏电源控制单元的控制端接单片机的控制信号输出端，各光伏电源控制单元所包含的信号传感器的输出端分别接单片机的相应信号输入端。本实用新型使用同一单片机来控制不同位置上的光伏电源，使它们均可追踪到最大功率点，避免了同一时间不同地点由于太阳光照强度、温度等条件差异所造成的能量损失，在提高光能利用率的同时，还节省了芯片资源，降低了发电成本。

Description

一种多路光伏电源MPPT控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种能够同时对多路光伏电源进行最大功率点跟踪控制的装置，属控制技术领域。

背景技术

光伏发电是太阳能利用的有效方式，具有安全可靠、无噪声、无污染、可自由索取等优点，这些优点都是其他发电方式所不可比拟的。由于目前光伏电池的价格较高，转换效率较低，导致发电成本较高，限制了光伏发电的推广应用。为了最大限度地提高太阳能利用率、降低光伏发电成本，需要对光伏发电系统进行最大功率点跟踪控制MPPT (Maximum Power Point Tracking“最大功率点跟踪”)，以便在外界环境和负载发生变化时，太阳能电池板始终能输出与环境条件相对应的最大功率。

由于障碍物、云层遮蔽等原因，同一时间内不同位置的光照强度和环境温度有所不同，使不同位置的光伏电池的实际发电量存在一定的差异。因此，现有的光伏电池一般分组布置并分别设置独立的MPPT控制电路，导致发电系统的成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足、提供一种多路光伏电源MPPT控制装置，以减少控制电路数量，降低光伏发电系统的成本。

本实用新型所述问题是以下述技术方案实现的：

一种多路光伏电源MPPT控制装置，由单片机和多个光伏电源控制单元组成，每个光伏电源控制单元的电能输入端接一组光伏电池，电能输出端通过中枢点母线接负载或并网系统，光伏电源控制单元的控制端接单片机的控制信号输出端，各光伏电源控制单元所包含的信号传感器的输出端分别接单片机的相应信号输入端。

上述多路光伏电源MPPT控制装置，每个光伏电源控制单元均包括IGBT、电感、二极管、输出滤波电容、PWM驱动芯片、输入电压传感器、输入电流传感器以及由各光伏电源控制单元共用的母线电压传感器，所述IGBT、电感、二极管和输出滤波电容接成Boost型升压电路，所述Boost型升压电路的输入端接光伏电池，输出端接中枢点母线，IGBT的控制端接PWM驱动芯片的输出端；所述PWM驱动芯片采用EXB841，其信号输入端接单片机的控制信号输出端；所述输入电压传感器和输入电流传感器接于光伏电池的输出端，它们的输出端接单片机的相应信号输入端；所述母线电压传感器的输入端接中枢点母线电压，其输出端接单片机的信号输入端。

上述多路光伏电源MPPT控制装置，所述光伏电源控制单元的构成中还包括安装在光伏电池上的温度传感器和光强传感器，所述温度传感器和光强传感器的输出端接单片机的信号输入端。

上述多路光伏电源MPPT控制装置，所述光伏电源控制单元的构成中还包括输入滤波电容，所述输入滤波电容并接在光伏电池的输出端。

上述多路光伏电源MPPT控制装置，所述单片机采用Intel80C196MC，所述光伏电源控制单元设置三个，三个光伏电源控制单元中的三个PWM驱动芯片输入端分别接单片机的P6.0、P6.2和P6.4端，三个输入电压传感器的输出端分别接单片机的P0.1、P0.5和P1.0端，三个输入电流传感器的输出端分别接单片机的P0.0、P0.4和P0.7端，三个经验公式计算单元的输出端分别接单片机的P0.3、P0.6和P1.1端，母线电压传感器的输出端接单片机的P0.2端。

本实用新型使用同一单片机来控制不同位置上的光伏电源，使它们均可追踪到最大功率点，避免了同一时间不同地点由于太阳光照强度、温度等条件差异所造成的能量损失，在提高光能利用率的同时，还节省了芯片资源，降低了发电成本。

光伏电池工程所用数学模型的经验公式计算单元可利用温度传感器和光强传感器输出的温度信号和光强信号计算出光伏电池在此条件下的近似最大功率点所对应的电压、电流及功率，单片机将这些参数作为控制的起始点，从而大大提高了最大功率点的跟踪速度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

图1是本实用新型的电原理图；

图2是本实用新型MPPT原理算法流程图。

图中各标号为：U1、单片机；U2、PWM驱动芯片；U3、经验公式计算单元；CTRL-1、CTRL-2、CTRL-3、光伏电源控制单元；PV、光伏电池；L、电感；D、二极管；IGBT、绝缘栅双极型晶体管；AT、输入电流传感器；PT1、输入电压传感器；PT2、母线电压传感器；B、并网系统；S、光强传感器；T、温度传感器；C1、输入滤波电容；C2、输出滤波电容；BUS、中枢点母线。

具体实施方式

参看图1，本实用新型包括：单片机U1、三个光伏电源控制单元CTRL-1、CTRL-2、CTRL-3、母线电压传感器PT2。每个光伏电源控制单元包括： PWM驱动芯片U2、经验公式计算单元U3、电感L、二极管D、绝缘栅双极型晶体管IGBT、输入电流传感器AT、输入电压传感器PT1、光强传感器S、温度传感器T、输入滤波电容C1、输出滤波电容C2。每一路光伏电池PV的发电都是相互独立的，互不影响，在此以第一路光伏电池PV的最大功率点跟踪为例说明本实用新型装置的工作原理，光伏电池PV的输出端接由IGBT、电感L、二极管D和输出滤波电容C2接成Boost型升压电路的输入端；Boost型升压电路的输出端接中枢点母线Bus的输入端；中枢点母线Bus的输出端接负载或者并网系统B；在Boost型升压电路前面并联一输入滤波电容C1，该电路能稳定光伏电池输出的电压。输入电压传感器PT1、输入电流传感器AT的输入端接光伏电池PV的输出端；温度传感器T、光强传感器S的输出端接光伏电池工程所用数学模型的经验公式计算单元U3的输入端；Boost型升压电路的输出端接母线电压传感器PT2的输入端；输入电流传感器AT、输入电压传感器PT1、母线电压传感器PT2、光伏电池工程所用数学模型的经验公式计算单元U3的输出端分别接单片机Intel80C196MC的A/D转换单元输入端P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口；单片机Intel80C196MC的PWM单元的输出端P6.0口接PWM驱动芯片U2（EXB841）的输入端；PWM驱动芯片U2的输出端接Boost型升压电路的IGBT控制端。

本实用新型中的经验公式计算单元U3可以使用单片机，也可以使用电路搭建。

本实用新型的单片机U1采用Intel80C196MC，它的引脚接口较多，可以适用于多路（不超过三路）光伏电源的最大功率点跟踪。Intel80C196MC的A/D采样单元有两个接口可供使用：P0（P0.0-P0.7）和P1（P1.0-P1.3）口，PWM单元由P6口输出，但是只有P6.0、P6.2、P6.4可用于PWM波的输出。

图2是本实用新型MPPT控制装置的算法流程图，从图中可以看出，本电路将光伏电池工程数学模型与二次插值法配合使用，以实现最大功率点跟踪。

（1）经验公式计算单元U3通过温度传感器T和光强传感器S对外界的条件进行直接检测，然后利用工程所用的数学模型里的经验公式计算出近似最大功率点的电压、电流及功率值，这些参数将作为MPPT算法的初值。不同的温度、光强所对应的近似最大功率点的电压、电流是不同的，通过计算可以快速跟踪到最大功率点附近。

（2）二次插值法的原理：在光伏电池正常工作时，每隔一段时间采样一个电压、电流值，一次循环需3个有效点，利用二次插值函数替代P-U曲线，对其求最大值，即为最大功率点的准确电压值。

算法具体步骤如下：

步骤一：首先利用温度传感器T、光强传感器S输出的温度、光强信号计算出近似的最大功率点电压、电流和功率值，将其作为MPPT算法的初始值，将此初始值送入单片机U1；

步骤二：调节Boost型升压电路中PWM波的占空比，给占空比一个步长，采样第二个点；

步骤三：对比第二个点的功率值与第一个点的功率值，若第二个点的功率值大于第一个点的功率值则在第二个点基础上继续按原步长的方向采样第三个点；若第二个点的功率值小于第一个点的功率值则在第二个点的基础上按原步长相反的方向采样第三个点；若两者相同则在第二个点的基础上按原步长的方向但是步长减小一半采样第三个点；

步骤四：将三组采样值送入单片机U1的算法单元，利用二次插值法计算出最大功率点出的电压、功率值；

步骤五：求出的最大功率点功率与第一个点的功率对比，若求出的最大功率点的功率与第一个点的功率差值小于预先设定的值时，则功率波动较小，将在二次插值法中循环，寻求更优解；若求出的最大功率点的功率与第一个点的功率差值大于预先设定的值时，说明功率波动很大，可能外界条件发生了大的变化，需要重新检测光照强度和温度，重新循环，这样就能实时地跟踪外界的变化，提高效率。

本实用新型可以实时地检测环境温度和光照强度，当外界环境突变时，能迅速改变MPPT算法的初始值，进行新一轮的追踪计算。该电路跟踪迅速快，适用于环境温度和负载经常变化的情况。

Claims

1.一种多路光伏电源MPPT控制装置，其特征是，它由单片机（U1）和多个光伏电源控制单元组成，每个光伏电源控制单元的电能输入端接一组光伏电池（PV），电能输出端通过中枢点母线接负载或并网系统（B），光伏电源控制单元的控制端接单片机（U1）的控制信号输出端，各光伏电源控制单元所包含的信号传感器的输出端分别接单片机（U1）的相应信号输入端。

2.根据权利要求1所述多路光伏电源MPPT控制装置，其特征是，每个光伏电源控制单元均包括IGBT、电感（L）、二极管（D）、输出滤波电容（C2）、PWM驱动芯片（U2）、输入电压传感器（PT1）、输入电流传感器（AT）以及由各光伏电源控制单元共用的母线电压传感器（PT2），所述IGBT、电感（L）、二极管（D）和输出滤波电容（C2）接成Boost型升压电路，所述Boost型升压电路的输入端接光伏电池（PV），输出端接中枢点母线（BUS），IGBT的控制端接PWM驱动芯片（U2）的输出端；所述PWM驱动芯片（U2）采用EXB841，其信号输入端接单片机（U1）的控制信号输出端；所述输入电压传感器（PT1）和输入电流传感器（AT）接于光伏电池（PV）的输出端，它们的输出端接单片机（U1）的相应信号输入端；所述母线电压传感器（PT2）的输入端接中枢点母线电压，其输出端接单片机（U1）的信号输入端。

3.根据权利要求1或2所述多路光伏电源MPPT控制装置，其特征是，所述光伏电源控制单元的构成中还包括光伏电池工程所用数学模型的经验公式计算单元（U3）以及安装在光伏电池（PV）上的温度传感器（T）和光强传感器（S），所述温度传感器（T）和光强传感器（S）的输出端接经验公式计算单元（U3）的输入端，所述经验公式计算单元（U3）的输出端接单片机（U1）的信号输入端。

4.根据权利要求3所述多路光伏电源MPPT控制装置，其特征是，所述光伏电源控制单元的构成中还包括输入滤波电容（C1），所述输入滤波电容（C1）并接在光伏电池（PV）的输出端。

5.根据权利要求4所述多路光伏电源MPPT控制装置，其特征是，所述单片机（U1）采用Intel80C196MC，所述光伏电源控制单元设置三个，三个光伏电源控制单元中的三个PWM驱动芯片（U2）的输入端分别接单片机（U1）的P6.0、P6.2和P6.4端，三个输入电压传感器（PT1）的输出端分别接单片机（U1）的P0.1、P0.5和P1.0端，三个输入电流传感器（AT）的输出端分别接单片机（U1）的P0.0、P0.4和P0.7端，三个经验公式计算单元（U3）的输出端分别接单片机（U1）的P0.3、P0.6和P1.1端，母线电压传感器（PT2）的输出端接单片机（U1）的P0.2端。