CN202231648U - 一种光伏电池最大功率跟踪装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种光伏电池最大功率跟踪装置及跟踪方法，电压电流检测电路、BOOST升压电路的输入端均连接光伏电池的输出端，电压电流检测电路的检测信号经过调理电路调理后，输出到主控制器的AD模块，驱动电路的输入端连接主控制器的DA模块，其输出端连接BOOST电路主控开关MOSFET，BOOST电路输出端连接负载，RS485通信输入端连接主控器的UART口，其输出端连接上位机或逆变器主控制器串口，数据存储模块的输入端连接主控制器的I/O，LCD显示模块输入端连接主控制器的I/O模块，主控制器增加占空比步长在线调整，采用占空比变步长扰动自适应控制，可以很好的克服扰动观察法和电导增量法无法快速准确跟踪最大功率点变化以及系统设计复杂等缺点。

Description

一种光伏电池最大功率跟踪装置
技术领域
本实用新型涉及一种光伏发电技术，特别涉及一种光伏电池最大功率跟踪装置。
背景技术
在光伏发电系统中，如何提高光伏电池发电效率一直是研究重点。由于光伏电池的非线性特征使得光伏电池在受到的光照强度和光伏电池工作温度发生变化时，其输出功率也会随之发生非线性变化，快速准确的跟踪光伏电池最大功率点的变化并稳定在最大功率点处可以有效地提高光伏电池发电效率。
现有的光伏电池最大功率跟踪方法主要有恒压法、扰动观察法、电导增量法等。恒压法是将光伏电池最大功率点处对应的电压作为控制系统的给定，不断的调整光伏电池的输出电压使其与给定电压相符实现光伏电池的最大功率跟踪。这种方法的优点是实现简单，但是由于光伏电池的工作环境不断变化，进而导致其最大功率点对应电压是不断变化的，该方法对最大功率点变化适应差。扰动观察法是周期性的增加或减少光伏电池输出电压去跟踪光伏电池最大功率点，易于实现，但是，由于在最大功率点处扰动的方向不断变化，会造成在最大功率点附近不断振荡。电导增量法是根据光伏电池最大功率点处增量电导和电导变化关系来改变输出电压，优点是稳定性好，但是对系统精度要求高，算法实现复杂。扰动观察法和电导增量法共同的问题是扰动步长大小选择。步长较小，会使系统无法快速跟踪最大功率点；步长较大，会使系统无法稳定在最大功率点处。另一个问题是上述的方法都是在确定电压或电流调整方向后，再通过调整PWM波占空比来实现光伏电池输出电压的调整。可见，在设计系统时会相对复杂。
发明内容
本实用新型是针对现在控制方法无法快速准确跟踪最大功率点，以及系统设计复杂的问题，提出了一种光伏电池最大功率跟踪装置，可快速跟踪控制，设计简单化。
本实用新型的技术方案为：一种光伏电池最大功率跟踪装置，包括光伏电池、BOOST升压电路、电压检测电路、电流检测电路以及信号调理电路、主控制器、驱动电路、LCD显示模块、数据存储模块、RS485通信，电压电流检测电路以及BOOST升压电路的输入端均连接光伏电池的输出端，电压电流检测电路的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接主控制器内部自带的10位AD模块，驱动电路的输入端连接主控制器的DA模块，其输出端连接BOOST电路主控开关MOSFET，BOOST电路输出端连接负载，RS485通信输入端连接主控器的UART口，其输出端连接上位机或逆变器主控制器串口，数据存储模块的输入端连接主控制器的I/O，LCD显示模块输入端连接主控制器的I/O模块，电压传感器获得光伏电池输出电压，电流传感器获得光伏电池输出电流，BOOST电路将光伏电池输出电压升压后供给负载，各功能模块集成在一个电路板上通过光耦隔离实现控制电路同主拓扑电路隔离。
所述光伏电池输出端正负极分别接串联的两个KΩ级电阻分压，两电阻中间连接点接信号调理电路输入端。
所述电流检测电路采用MAXIM生产的MAX471，MAX471的RS+与RS-之间外接一个10欧姆5瓦的电阻, 将电流信号转换为电压信号，MAX471的输出端OUT通过接地电阻接地，从输出端OUT引出采样电压信号连接信号调理电路。
所述主控制器采用Philips LPC2132芯片，可编程PWM单元输出一路PWM波通过高速光耦隔离器6N136实现强弱电隔离后输出到驱动电路驱动BOOST电路。
所述数据保存模块电路，通过主控制芯片LPC2132I2C总线模块将AD采样电压以及输出功率保存到数据保存芯片EEPROMCAT1025中，实时显示在LCD中，CAT1025的SCL、SDA引脚分别连接至LP2132 P0.2 P0.3。
所述信号调理电路由电压跟随器、反相放大器和滤波电容组成，将电压检测电路和电流检测电路输出的信号降为0～3.3v信号后输入到主控制器A/D口。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置及跟踪方法，采用占空比变步长扰动自适应控制，可以很好的克服扰动观察法和电导增量法无法快速准确跟踪最大功率点变化以及系统设计复杂等缺点。
附图说明
图1为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置原理图；
图2为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中光伏电池P-D特性曲线图；
图3为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中电压检测电路图；
图4为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中电流检测电路图；
图5为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中MPPT算法程序流程图；
图6为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中数据保存模块接线图；
图7为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中检测信号调理电路图；
图8为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中RS458模块接线图；
图9为本实用新型光伏电池最大功率跟踪装置中LCD显示模块接线图。
具体实施方式
如图1所示光伏电池最大功率跟踪装置原理图，包括光伏电池1、BOOST升压电路4、电压检测电路2、电流检测电路3以及信号调理电路6、主控制器8、驱动电路7、LCD显示模块11、数据存储模块9、RS485通信10。电压电流检测电路2、3以及BOOST升压电路4的输入端均连接光伏电池1的输出端，电压电流检测电路2、3的输出端均连接信号调理电路6的输入端，信号调理电路6的输出端连接主控制器8内部自带的10位AD模块。驱动电路7的输入端连接主控制器8的DA模块，其输出端连接BOOST电路4主控开关MOSFET。BOOST电路4输出端连接负载5。RS485通信10输入端连接主控器8的UART口，其输出端连接上位机或逆变器主控制器串口。数据存储模块9的输入端连接主控制器8的I/O，LCD显示模块11输入端连接主控制器8的I/O模块。电压传感器获得光伏电池输出电压，电流传感器获得光伏电池输出电流，BOOST电路将光伏电池输出电压升至适当电压供给负载。其余模块可以集成在一个电路板上通过光耦隔离实现控制电路同主拓扑电路隔离。
所述主控制器内部包括MPPT算法模块，采用占空比变步长扰动自适应控制，可以很好的克服扰动观察法和电导增量法无法快速准确跟踪最大功率点变化以及系统设计复杂等缺点。
利用功率与占空比之间关系，直接增加或减少占空比扰动实现最大功率点跟踪，简化了系统设计。一般光伏发电系统中MPPT控制器通过调整PWM波占空比来改变光伏电池输出特性，所以光伏电池输出功率与占空比之间存在非线性关系光伏电池P-D特性曲线如图2所示。当dP/dD =0时表示光伏电池输出功率达到最大。通过当前功率与前一时刻功率差值正负从而决定占空比D扰动方向。这种方法将占空比D作为直接控制参数，简化控制系统设计。
通过加入占空比步长d在线调整器（如式1所示）可以实现占空比变步长扰动，在距离最大功率点较远区域采用较大步长进行扰动使系统快速跟踪最大功率点。在距离最大功率点较近区域采用较小步长进行扰动控制可以将光伏电池输出功率稳定在最大功率点处避免出现在最大功率点处振动。
占空比步长d(k)=M|△P|/d(k-1)（1），其中d(k)表示第K+1时刻占空比调整量，△P=P（k）- P（k-1）为功率差，d(k-1)表示第k-1时刻占空比调整量，M为调整系数可以根据实际控制要求确定值。
当|△P|/d(k-1)较小时，表示功率P的变化主要是由于占空比D步长的调整引起的，此时d(k)较d(k-1)变化不应很大。而当|△P|/d(k-1)较大时，则表示功率P的变化主要是由电池表面温度、日照强度等外界因素造成的。此时若最大功率点大幅度漂移，则步长d(k)变大，从而保证能够快速跟踪到新的最大功率点。当功率P变化较小时，调整器会假设系统已经处于稳态，d(k)变小来保证控制信号的平滑性。
所述电压检测电路2如图3所示，基于成本和性能考虑采用如图3所示的电阻分压法。该方法简单易行，电阻R2、R3阻值均为KΩ级的为负载的几十倍 ，因而消耗的输出功率非常小。VIN+ 、VIN- 分别连接光伏电池输出端正负极。Vout连接电压信号调理电路输入端DIN （2路信号调理电路，一路用于电压采样，一路用于电流采样）。
所述电流检测电路2考虑到成本问题，不采用霍尔传感器而采用MAXIM生产的MAX471，MAX471可以测得电流上下限为±3A，可以通过外接一个电阻，将电流信号转换为电压信号。如图4所示，RS+与RS-之间外接一10mΩ 5W电阻R17,输出端OUT通过电阻R16接地，从输出端OUT引出采样电压信号连接电流信号调理电路。
所述主控制器8采用Philips LPC2132芯片，2132属于低功耗芯片适合对功耗要求高的光伏发电系统中，其多I/O口可以满足绝大部分场合的要求。其内部自带10位8路AD、1路DA可以满足系统精度要求；可编程PWM单元输出一路PWM波通过驱动电路驱动BOOST电路。其UART串口可以实现与上位机或者逆变器的通信。可以利用其自带的I2C总线外扩EEPROM防止掉电或者出现故障时数据的丢失。
所述驱动电路7可以根据BOOST电路4主开关管MOSFET的参数特性选择，设计驱动电路7的目的在于隔离并放大LPC2132所产生的PWM信号，并让此控制信号足以驱动MOSFET可靠导通与截止。该装置采用高速光耦隔离器东芝公司生产的6N136实现强弱电隔离。具体电路接法可参考6N136数据手册。
所述MPPT算法模块，LPC2132AD模块检测得到第K时刻电压V（K），I(K)。然后计算第K时刻功率P(K)、功率差△P=P(K)-P(K-1)。然后判断|△P|是否小于某个常数C(可以根据实际控制要求设定，)，若小于常数C则说明已经接近最大功率点，可以不进行扰动输出功率稳定在当前功率点；若大于常数C则继续判断△P的正负号Sign，若Sign为正继续按原先方向增加扰动，若Sign为负则改变扰动方向。根据式（1）调整占空比扰动变量d(k),最后获得第K+1时刻占空比D(K+1)=D(K)+d(k)*Sign。LPC2132PWM单元利用占空比D(K+1)编程实现PWM波输出第K+1时刻功率、电压。程序流程图如图5所示。
所述数据保存模块电路如图6所示，利用LPC2132I2C总线模块可以实现将AD采样电压以及输出功率保存在EEPROMCAT1025中，实时显示在LCD中。CAT1025 SCL、SDA引脚分别连接至LP2132 P0.2 P0.3口具体的程序实现时序可以参考CAT1025C数据手册以及LPC2132串口模块。
所述信号调理电路6如图7所示由电压跟随器U1和反相放大器U2构成，将电压电流信号降为适合输入主控制器A/D口的0～3.3v信号。VT1和VT2两个稳压管起到保护控制电路作用，当出现过压或者过流时可以有效保护控制电路。电容C1和C2均起到滤波作用，信号调理电路输出接入主控制器AD输入口。
所述RS485通信模块如图8所示，采用ADM2582，可以配置成半双工或者全双工模式，数据传输速率高达500Kbs,供电电源3.3V。电源VDD要求与GDN1之间有一个去耦电容，电容值在0.01uf～0.1uf之间。RE接受使能端低电平有效，DE发送使能高电平有效。A、B分别为同相反相输入端，Y、Z分别为同相反相输出端。A(或B)和Z(或Y)分别连接上位机通信接口两端或者逆变器通信口两端。RE和DE分别接LPC2132 P0.15、P0.10口控制发送接受。RXD和TXD分别连接P0.8和P0.9口接收和发送数据。
所述LCD显示模块，如图9所示，采用12864液晶屏显示光伏电池输出电压输出功率。调节电阻R14可以调整LCD对比度，P0.16～P0.23为数据输入口，可以向LCD中写控制字写地址数据，实现电压功率的实时动态显示。

Claims (6)

1.一种光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于，包括光伏电池、BOOST升压电路、电压检测电路、电流检测电路以及信号调理电路、主控制器、驱动电路、LCD显示模块、数据存储模块、RS485通信，电压电流检测电路以及BOOST升压电路的输入端均连接光伏电池的输出端，电压电流检测电路的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接主控制器内部自带的10位AD模块，驱动电路的输入端连接主控制器的DA模块，其输出端连接BOOST电路主控开关MOSFET，BOOST电路输出端连接负载，RS485通信输入端连接主控器的UART口，其输出端连接上位机或逆变器主控制器串口，数据存储模块的输入端连接主控制器的I/O，LCD显示模块输入端连接主控制器的I/O模块，电压传感器获得光伏电池输出电压，电流传感器获得光伏电池输出电流，BOOST电路将光伏电池输出电压升压后供给负载，各功能模块集成在一个电路板上通过光耦隔离实现控制电路同主拓扑电路隔离。
2.根据权利要求1所述光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于，所述光伏电池输出端正负极分别接串联的两个KΩ级电阻分压，两电阻中间连接点接信号调理电路输入端。
3.根据权利要求1所述光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于，所述电流检测电路采用MAXIM生产的MAX471，MAX471的RS+与RS-之间外接一个10欧姆5瓦的电阻, 将电流信号转换为电压信号，MAX471的输出端OUT通过接地电阻接地，从输出端OUT引出采样电压信号连接信号调理电路。
4.根据权利要求1所述光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于，所述主控制器采用Philips LPC2132芯片，可编程PWM单元输出一路PWM波通过高速光耦隔离器6N136实现强弱电隔离后输出到驱动电路驱动BOOST电路。
5.根据权利要求1所述光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于，所述数据保存模块电路，通过主控制芯片LPC2132I2C总线模块将AD采样电压以及输出功率保存到数据保存芯片EEPROMCAT1025中，实时显示在LCD中，CAT1025的SCL、SDA引脚分别连接至LP2132 P0.2 P0.3。
6.根据权利要求1所述光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于，所述信号调理电路由电压跟随器、反相放大器和滤波电容组成，将电压检测电路和电流检测电路输出的信号降为0～3.3v信号后输入到主控制器A/D口。
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