CN203522637U - 光伏发电系统及光伏控制器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于光伏发电技术领域，提供了一种光伏发电系统及光伏控制器。本实用新型通过采用包括输入电容C1、电感L1、开关管、二极管D1、输出电容C2、电流采样电路、微处理器及脉宽调制驱动电路的光伏控制器，根据光伏控制器的输出电流的变化相应地调整开关管的开关占空比，经过反复调整以使光伏控制器的输出功率达到最大值，进而使光伏控制器的输入功率也达到最大值，而由于光伏电池板的输出功率等于光伏控制器的输入功率，因此能够不需要电压采样电路的情况下实现对光伏电池板的最大功率点跟踪，降低了成本且提高响应速度，简化了控制算法。

Description

光伏发电系统及光伏控制器
技术领域
本实用新型属于光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏发电系统及光伏控制器。
背景技术
在风能、太阳能、燃料电池等新能源利用高速发展的今天，新能源的应用得到了各级政府、高校科研院所及企业的大力重视，其中，太阳能发电将成为未来获取电力能源的重要途径之一。
在实现太阳能发电过程中，光伏阵列的输出特性是具有非线性特征的，其输出电压和输出电流受太阳光照强度和环境温度等因素额影响。在一定的太阳光照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压条件下，但只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率能达到最大值，且光伏阵列在此时的工作点也就达到了最大功率点。在光伏发电系统中，提高系统的整体效率的一个重要途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在最大功率点附近，这个过程被称之为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。
传统MPPT的实现方法有恒定电压控制法、扰动观察法、导纳增量控制法等。这些方法各有优劣，但都是通过采样光伏电池板输出的直流电压、直流电流或直流电压与直流电流的乘积作为判断其工作点的依据，进而实现最大功率点跟踪。而在现有技术中，扰动观察法是应用最为广泛且实现最为方便的方法之一，其原理是先扰动光伏电池板的输出电压，根据功率计算公式P=UI计算出光伏电池板在扰动前后的输出功率，并与扰动之前的功率值进行对比，若输出功率在扰动后增加，则说明此前的扰动能够提高光伏电池板的输出功率，下一次则往相同的电压扰动方向继续扰动光伏电池板的输出电压；反之，则说明扰动不利于提高光伏电池板的输出功率，下一次则往相反的电压扰动方向扰动。这种扰动观察法需采样光伏电池板的输出电压和输出电流，并将两者相乘以得到输出功率作为最大功率点的判断依据，这就需要采用电压采样电路和电流采样电路分别对光伏电池板的输出电压和输出电流进行采样，从而增加了光伏发电系统的成本，且同时还增加了中央处理器的数据处理任务，不利于快速响应并调整扰动方向。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种光伏控制器，旨在降低光伏发电系统的成本并提高扰动响应速度。
本实用新型是这样实现的，一种光伏控制器，所述光伏控制器的输入正端和输入负端分别连接光伏电池板的正极和负极，所述光伏控制器的输出正端和输出负端分别连接电池的正极和负极；
所述光伏控制器包括输入电容C1、电感L1、开关管、二极管D1、输出电容C2、电流采样电路、微处理器及脉宽调制驱动电路；
所述输入电容C1的第一端和所述电感L1的第一端的共接点作为所述光伏控制器的输入正端，所述输入电容C1的第二端作为所述光伏控制器的输入负端，所述电感L1的第二端与所述开关管的输入端共接于所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极与所述输出电容C2的第一端的共接点作为所述光伏控制器的输出正端，所述开关管的输出端与所述输入电容C1的第二端、所述输出电容C2的第二端以及所述电流采样电路的第一端共接于地，所述电流采样电路的第二端为所述光伏控制器的输出负端，所述电流采样电路的输出端连接所述微处理器的采样反馈端，所述微处理器的开关控制信号端连接所述脉宽调制驱动电路的输入端，所述脉宽调制驱动电路的输出端连接所述开关管的控制端；
所述电流采样电路对所述光伏控制器进行输出电流采样，并将所生成的电流采样信号输出至所述微处理器，所述微处理器根据所述电流采样信号获取所述光伏控制器的输出电流值，并对所述输出电流值与前一次所获取的输出电流值进行比较，且根据比较结果确定占空比调整趋势并相应地输出脉宽调制信号至所述脉宽调制驱动电路，所述脉宽调制驱动电路控制所述开关管按照所述脉宽调制信号所包含的占空比实现开关动作以调整所述光伏控制器的输出电流。
本实用新型的另一目的还在于提供一种光伏发电系统，其包括光伏电池板、电池以及上述的光伏控制器。
本实用新型通过采用包括输入电容C1、电感L1、开关管、二极管D1、输出电容C2、电流采样电路、微处理器及脉宽调制驱动电路的光伏控制器，电流采样放大电路对所述光伏控制器进行输出电流采样，并将所生成的电流采样信号输出至微处理器，微处理器根据电流采样信号获取光伏控制器的输出电流值，并对输出电流值与前一次所获取的输出电流值进行比较，且根据比较结果确定占空比调整趋势并相应地输出脉宽调制信号至脉宽调制驱动电路，脉宽调制驱动电路控制开关管按照脉宽调制信号所包含的占空比实现开关动作以调整光伏控制器的输出电流，通过反复调整使光伏控制器的输出功率达到最大值，进而使光伏控制器的输入功率也达到最大值，而由于光伏电池板的输出功率等于光伏控制器的输入功率，因此能够不需要电压采样电路的情况下实现对光伏电池板的最大功率点跟踪，降低了成本且提高响应速度。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的光伏控制器的结构图；
图2是本实用新型实施例提供的光伏控制器的示例电路结构图；
图3是本实用新型另一实施例提供的光伏控制器的示例电路结构图；
图4是本实用新型实施例提供的基于图1所示的光伏控制器的最大功率点跟踪方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型实施例通过采用包括输入电容C1、电感L1、开关管、二极管D1、输出电容C2、电流采样电路、微处理器及脉宽调制驱动电路的光伏控制器，根据光伏控制器的输出电流的变化相应地调整开关管的开关占空比，经过反复调整以使光伏控制器的输出功率达到最大值，进而使光伏控制器的输入功率也达到最大值，而由于光伏电池板的输出功率等于光伏控制器的输入功率，因此能够不需要电压采样电路的情况下实现对光伏电池板的最大功率点跟踪，降低了成本且提高响应速度。
以下以在光伏发电系统中的应用为例对本实用新型实施例提供的光伏控制器进行详细说明：
光伏发电系统包括光伏控制器100、光伏电池板200及电池300，如图1所示，光伏控制器100的输入正端和输入负端分别连接光伏电池板200的正极PV+和负极PV-，光伏控制器100的输出正端和输出负端分别连接电池300的正极+和负极-。
光伏控制器100包括输入电容C1、电感L1、开关管101、二极管D1、输出电容C2、电流采样电路102、微处理器103及脉宽调制驱动电路104。
输入电容C1的第一端和电感L1的第一端的共接点作为光伏控制器100的输入正端，输入电容C1的第二端作为光伏控制器100的输入负端，电感L1的第二端与开关管101的输入端共接于二极管D1的阳极，二极管D1的阴极与输出电容C2的第一端的共接点作为光伏控制器100的输出正端，开关管101的输出端与输入电容C1的第二端、输出电容C2的第二端以及电流采样电路102的第一端共接于地，电流采样电路102的第二端为光伏控制器100的输出负端，电流采样电路102的输出端连接微处理器103的采样反馈端，微处理器103的开关控制信号端连接脉宽调制驱动电路104的输入端，脉宽调制驱动电路104的输出端连接开关管101的控制端。
电流采样电路102对光伏控制器100进行输出电流采样，并将所生成的电流采样信号输出至微处理器103，微处理器103根据电流采样信号获取光伏控制器100的输出电流值，并对该输出电流值与前一次所获取的输出电流值进行比较，且根据比较结果确定占空比调整趋势并相应地输出脉宽调制信号至脉宽调制驱动电路104，脉宽调制驱动电路104控制开关管101按照所述脉宽调制信号所包含的占空比实现开关动作以调整光伏控制器100的输出电流。
上述的电流采样信号可以是通过对光伏控制器100进行输出电流采样所相应生成的电压信号或电流信号，采样方式的不同决定所生成的电流采样信号的类型不同，所以，电流采样信号既可以是电压信号，也可以是电流信号；此外，电流采样电路102所输出的电流采样信号可以是经过或不经过放大处理的电压信号或电流信号，是否进行放大处理可根据实际应用情况加以选择。
其中，开关管101可以是三极管、MOS管、IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶闸管）或者其他具备开关特性的半导体器件，例如，当开关管101为NMOS管Q1（如图2所示）时，NMOS管Q1的栅极、源极和漏极分别为开关管101的控制端、输入端和输出端。
如图2所示，电流采样电路102包括：
第一端和第二端分别为电流采样电路102的第一端和第二端，对光伏控制器100进行输出电流采样并生成相应的电压信号的采样电阻R1；
第一采样端和第二采样端分别连接采样电阻R1的第一端和第二端，对所述电压信号进行放大处理的采样放大电路1021。此处的采样电阻R1可以替换为康铜丝。
另外，在本实用新型另一实施例中，如图3所示，电流采样电路102还可以包括：
第一端和第二端分别为电流采样电路102的第一端和第二端，对光伏控制器100进行输出电流采样并生成相应的电压信号的霍尔线性器件1022；
采样端连接霍尔线性器件1022的输出端，对所述电压信号进行放大处理的采样放大电路1023。此处的霍尔线性器件1022可以替换为能够对电流进行采样的电流采样芯片或互感器等。
微处理器103可以是单片机、ARM处理器或者其他具备数据逻辑处理能力的可编程控制器。
脉宽调制驱动电路104是根据微处理器103所输出的脉宽调制信号的占空比输出相应的高低电平控制开关管101的通断的开关驱动电路。
在光伏发电系统中，由于光伏控制器100的输入功率等于光伏电池板200的输出功率，所以要是光伏电池板200的输出功率最大以达到最大功率点跟踪的目的，则需要使光伏控制器100的输入功率最大，而由于上述的光伏控制器100实际上是一个电力转换电路，其输入功率Pin是输出功率Pout与功率损耗Ploss之和（即Pin=Pout+Ploss），而在任一时刻，由于Ploss是固定不变的，所以当Pout为某一固定值时，Pin也相应地为固定的某一个功率值，即光伏控制器100在某一时刻的转换效率η是一个确定的值，因此，如果光伏控制器100的输出功率增大，其输入功率也必然增大，由此可知，当光伏控制器100的输出功率最大时，其输入功率也相应地达到最大值。所以，光伏电池板200的最大输出功率的实现可以通过使光伏控制器100的输出功率达到最大值来实现。
再者，由于电池300的电压是一个稳定的值，所以在此可以认为电池300的电压是一个恒定值，而光伏控制器100的输出功率Pout等于其输出电流Iout与电池300的电压UBAT的乘积，即Pout=Iout×UBAT，因UBAT为恒定值，所以要使输出功率Pout最大，则只需要使输出电流Iout达到最大即可。
另外，电感L1、开关管101、二极管D1、输出电容C2组成BOOST电路拓扑，其输入电压Vin与输出电压Vout之间的关系如下式：
Vout = 1 1 - D · Vin - - - ( 1 )
其中，D为控制开关管101在实现开关动作的脉宽调制信号的占空比。
由于Vout等于电池的电压UBAT，所以Vout也是一个恒定值。当微处理器103调整其所输出的脉宽调制信号的占空比D时，根据上式（1），输入电压Vin也会相应地发生变化，而当D的调整使得输出电流Iout达到最大值（即Pout最大）时，Vin也就相应地等于光伏电池板200的输出功率最大时所对应的电压值Vmp，则光伏电池板200的输出功率达到最大值。因此，通过调整占空比D还可以使Vin=Vmp。
因此，本实用新型实施例还提供了基于上述光伏控制器100的最大功率点跟踪方法以实现对光伏电池板200的最大功率点跟踪，如图4所示，最大功率点跟踪方法包括以下步骤：
S1.电流采样电路102对光伏控制器100进行输出电流采样，并将所生成的电流采样信号输出至微处理器103；
S2.微处理器103根据所述电流采样信号获取光伏控制器100的输出电流值；
S3.微处理器103对输出电流值与前一次所获取的输出电流值进行比较，根据比较结果确定占空比调整趋势并相应地输出脉宽调制信号；
S4.脉宽调制驱动电路104控制开关管101按照所述脉宽调制信号所包含的占空比实现开关动作以调节光伏控制器100的输出电流。
其中，步骤S3中根据比较结果确定占空比调整趋势并相应地输出脉宽调制信号的步骤具体为：
如果输出电流值大于前一次所获取的输出电流值，且微处理器130所输出的当前脉宽调制信号所包含的占空比以递增比例大于前一次所输出的脉宽调制信号所包含的占空比时，则微处理器130按照所述递增比例增大当前脉宽调制信号所包含的占空比，并输出包含该增大后的占空比的脉宽调制信号；
如果输出电流值小于前一次所获取的输出电流值，且微处理器130所输出的当前脉宽调制信号所包含的占空比以递增比例大于前一次所输出的脉宽调制信号所包含的占空比时，则微处理器130按照预设递减比例减小当前脉宽调制信号所包含的占空比，并输出包含该减小后的占空比的脉宽调制信号；
如果输出电流值大于前一次所获取的输出电流值，且微处理器130所输出的当前脉宽调制信号所包含的占空比以递减比例小于前一次所输出的脉宽调制信号所包含的占空比时，则微处理器130按照所述递减比例减小当前脉宽调制信号所包含的占空比，并输出包含该减小后的占空比的脉宽调制信号；
如果输出电流值小于前一次所获取的输出电流值，且微处理器130所输出的当前脉宽调制信号所包含的占空比以递减比例小于前一次所输出的脉宽调制信号所包含的占空比时，则微处理器130按照预设递增比例增大当前脉宽调制信号所包含的占空比，并输出包含该增大后的占空比的脉宽调制信号。
对于上述四种情况，以下通过具体实例进一步进行说明：
（1）假设当前的输出电流值为2.3A，前一次所获取的输出电流值2.0A，则2.3A>2.0A，当前占空比为55%，前一次的占空比为50%，则两者之间的递增比例为5%，所以，则微处理器130按照5%增大当前占空比至60%，并输出包含60%占空比的脉宽调制信号。
（2）假设当前的输出电流值为2.0A，前一次所获取的输出电流值2.3A，则2.0A<2.3A，当前占空比为55%，前一次的占空比为50%，则两者之间的递增比例为5%，所以，则微处理器130按照预设递减比例（如5%）减小当前占空比至50%，并输出包含50%占空比的脉宽调制信号。
（3）假设当前的输出电流值为2.3A，前一次所获取的输出电流值2.0A，则2.3A>2.0A，当前占空比为50%，前一次的占空比为55%，则两者之间的递减比例为5%，所以，则微处理器130按照5%减小当前占空比至45%，并输出包含45%占空比的脉宽调制信号。
（4）假设当前的输出电流值为2.0A，前一次所获取的输出电流值2.3A，则2.0A<2.3A，当前占空比为50%，前一次的占空比为55%，则两者之间的递减比例为5%，所以，则微处理器130按照预设递增比例（如5%）增大当前占空比至55%，并输出包含55%占空比的脉宽调制信号。
通过上述根据输出电流值对脉宽调制信号的占空比进行反复调整，即可使输出电流Iout达到最大值，进而使光伏控制器100的输出功率达到最大化，由此即可获得最大输出电流所对应的功率点，从而使光伏电池板200的输出功率最大，实现最大功率点跟踪。
本实用新型实施例通过采用包括输入电容C1、电感L1、开关管、二极管D1、输出电容C2、电流采样电路、微处理器及脉宽调制驱动电路的光伏控制器，电流采样电路对光伏控制器进行输出电流采样，并将所生成的电流采样信号输出至微处理器，微处理器根据电流采样信号获取光伏控制器的输出电流值，并对输出电流值与前一次所获取的输出电流值进行比较，且根据比较结果确定占空比调整趋势并相应地输出脉宽调制信号至脉宽调制驱动电路，脉宽调制驱动电路控制开关管按照脉宽调制信号所包含的占空比实现开关动作以调整光伏控制器的输出电流，通过反复调整使光伏控制器的输出功率达到最大值，进而使光伏控制器的输入功率也达到最大值，而由于光伏电池板的输出功率等于光伏控制器的输入功率，因此能够不需要电压采样电路的情况下实现对光伏电池板的最大功率点跟踪，降低了成本且提高响应速度，简化了控制算法。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光伏控制器，所述光伏控制器的输入正端和输入负端分别连接光伏电池板的正极和负极，所述光伏控制器的输出正端和输出负端分别连接电池的正极和负极；其特征在于，所述光伏控制器包括输入电容C1、电感L1、开关管、二极管D1、输出电容C2、电流采样电路、微处理器及脉宽调制驱动电路； 
所述输入电容C1的第一端和所述电感L1的第一端的共接点作为所述光伏控制器的输入正端，所述输入电容C1的第二端作为所述光伏控制器的输入负端，所述电感L1的第二端与所述开关管的输入端共接于所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极与所述输出电容C2的第一端的共接点作为所述光伏控制器的输出正端，所述开关管的输出端与所述输入电容C1的第二端、所述输出电容C2的第二端以及所述电流采样电路的第一端共接于地，所述电流采样电路的第二端为所述光伏控制器的输出负端，所述电流采样电路的输出端连接所述微处理器的采样反馈端，所述微处理器的开关控制信号端连接所述脉宽调制驱动电路的输入端，所述脉宽调制驱动电路的输出端连接所述开关管的控制端； 
所述电流采样电路对所述光伏控制器进行输出电流采样，并将所生成的电流采样信号输出至所述微处理器，所述微处理器根据所述电流采样信号获取所述光伏控制器的输出电流值，并对所述输出电流值与前一次所获取的输出电流值进行比较，且根据比较结果确定占空比调整趋势并相应地输出脉宽调制信号至所述脉宽调制驱动电路，所述脉宽调制驱动电路控制所述开关管按照所述脉宽调制信号所包含的占空比实现开关动作以调整所述光伏控制器的输出电流。 
2.如权利要求1所述的光伏控制器，其特征在于，所述开关管为三极管、 MOS管或者IGBT。 
3.如权利要求2所述的光伏控制器，其特征在于，所述开关管为NMOS管Q1，NMOS管Q1的栅极、源极和漏极分别为所述开关管的控制端、输入端和输出端。 
4.如权利要求1所述的光伏控制器，其特征在于，所述电流采样电路包括： 
第一端和第二端分别为所述电流采样电路的第一端和第二端，对所述光伏控制器进行输出电流采样并生成相应的电压信号的采样电阻R1；以及 
第一采样端和第二采样端分别连接所述采样电阻R1的第一端和第二端，对所述电压信号进行放大处理的采样放大电路。 
5.如权利要求1所述的光伏控制器，其特征在于，所述电流采样电路包括： 
第一端和第二端分别为所述电流采样电路的第一端和第二端，对所述光伏控制器进行输出电流采样并生成相应的电压信号的霍尔线性器件；以及 
采样端连接所述霍尔线性器件的输出端，对所述电压信号进行放大处理的采样放大电路。 
6.一种光伏发电系统，包括光伏电池板和电池，其特征在于，所述光伏发电系统还包括如权利要求1至5任一所述的光伏控制器。 
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