CN209472554U - 光伏发电及储能的双向电源转换器 - Google Patents

光伏发电及储能的双向电源转换器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及涉及电气控制领域，具体地说，涉及一种光伏发电及储能的双向电源转换器。光伏发电及储能的双向电源转换器包括光伏板、同步降压/升压级、储能电池模块、微控制器、栅极驱动器、运算放大器、线性稳压器、双向电源指示开关和直流负载。光伏板的输出端连接着同步升压/降压级的输入端；同步升压/降压级连接着储能电池模块；同步升压/降压级输出端连接着直流负载；储能电池模块的输出端连接着运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接着微控制器的输入端；微控制器的输出端连接着栅极驱动器的输入端；栅极驱动器的输出端连接着同步升压/降压级；微控制器的输出端连接着双向电源指示开关的输入端；双向电源指示开关的输出端连接着光伏板的输入端；双向电源指示开关的输出端连接着直流负载；线性稳压器的输出端连接着微控制器的输入端。

Description

光伏发电及储能的双向电源转换器
技术领域
本实用新型涉及电气控制领域，具体地说，涉及一种基于光伏发电及储能的双向电源转换器。
背景技术
目前，随着传统能源如煤炭、石油的不断消耗，不仅能源危机问题日益严重，不可再生能源的使用还严重影响了生态环境。所以，新能源的发展引起了人们的高度重视，其可循环再生和环保的优点得到认可。太阳能作为新能源的一种，是最简单快捷的方式，主流的太阳能发电方式是光伏发电，但存在着易受环境影响、发电不稳定、效率低的缺点，有可能导致发电系统无法正常工作。
太阳能的应用(如独立太阳能路灯)需要太阳能电池板为铅酸蓄电池充电系统和电池驱动路灯系统这两个模块。在传统的方案中，需要两个功率级解决如上问题，系统冗杂且操作难度大。因此，提高光能转换效率和简化光伏发电储能系统是现在技术急需解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于光伏发电和储能的双向电源转换器，该转换器是两个系统的集成，可用作同步降压转换器或同步升压转换器，在直流电源和能量存储系统之间实现双向功率流，来解决目前技术上存在的上述问题。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种基于光伏发电及储能的双向电源转换器包含光伏板、同步降压/升压级、储能电池模块、微控制器(MCU)、栅极驱动器、运算放大器、线性稳压器、双向电源指示开关和直流负载，所述的光伏板的输出端连接着同步升压/降压级的输入端；所述的同步升压/降压级连接着储能电池模块；所述的同步升压/降压级输出端连接着直流负载；所述的储能电池模块的输出端连接着运算放大器的输入端；所述的运算放大器的输出端连接着微控制器的输入端；所述的微控制器的输出端连接着栅极驱动器的输入端；所述的栅极驱动器的输出端连接着同步升压/降压级；所述的微控制器的输出端连接着双向电源指示开关的输入端；所述的双向电源指示开关的输出端连接着光伏板的输入端；所述的双向电源指示开关的输出端连接着直流负载；所述的线性稳压器的输出端连接着微控制器的输入端。
作为本实用新型的进一步优化，本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述同步降压/升压级采用CSD88539ND MOSFET，具有极低的栅极电荷和导通电阻，可最大限度地降低开关级损耗。
作为本实用新型的进一步优化，本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述储能电池模块采用工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好(尤其适于干式荷电贮存)、造价较低的铅酸蓄电池。
作为本实用新型的进一步优化，本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述微控制器(MCU)采用MSP430F5132单片机，具有功能强大的16位精简指令集计算 (RISC)处理器，能够实现最大功率点跟踪器(MPPT)和四级电池充电算法，易于根据最终系统要求进行调制。
作为本实用新型的进一步优化，本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述栅极驱动器采用LM5109A，一款高压半桥栅极驱动器，具有1A峰值栅极电流，能够在高达90V的轨电压下工作，非常适合半桥和同步降压应用。
作为本实用新型的进一步优化，本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述运算放大器采用OPA170，一款低噪声精密放大器，具有宽工作电压范围、高带宽和出色的共模抑制比(CMRR)。
作为本实用新型的进一步优化，本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述线性稳压器采用TLV704，是一款超低静态电流低压差(LDO)稳压器，非常适合极其功耗敏感的应用。
作为本实用新型的进一步优化，本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述双向电源指示开关采用CSD88539ND MOSFET，具有极低的栅极电荷和导通电阻，可最大限度地降低开关级损耗。
本实用新型的有益效果：单一双向功率级同时充当同步降压电池充电器和同步升压 CC/CV转换器，使光伏发电储能系统得到简化，且转换器具有很高的效率，在用作充电器来存储能量时，效率达95％，在用作CC/CV转换器为负载供电时，效率达90％；光伏发电板基于扰动观察(P&O)的MPPT跟踪算法，输出效率得到极大提高；该转换器具有内置过流、过压和反向极性连接保护功能的稳健功率级。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器的结构示意图。
图2为本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述的同步降压/升压级模块的电路图。
图3为本实用新型光伏发电及储能的双向电源转换器所述的双向电源指示开关的电路图。
具体实施方式
结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式所述光伏发电及储能的双向电源转换器包含光伏板、同步降压/升压级、储能电池模块、微控制器(MCU)、栅极驱动器、运算放大器、线性稳压器、双向电源指示开关和直流负载。
其中所述同步降压/升压级采用CSD88539ND MOSFET，通过MSP430F5132微控制器管理控制决定何时将功率级作为同步降压转换器或同步升压转换器运行。当作为同步降压转换器工作时，Q1A MOSFET用作主开关MOSFET，当该MOSFET导通时，功率从太阳能电池板流过电池，通过电感，然后返回太阳能电池板，此时Q1B MOSFET用作同步 MOSFET。关闭Q1AMOSFET后，通过电感的电流通过电池和Q1B MOSFET的体二极管续流。在一个小的死区时间后，Q1B MOSFET导通，允许电感电流流过Q1B的主体。当作为同步升压转换器工作时，Q1BMOSFET用作主开关MOSFET。当MOSFET导通时，电源从电池流入电感并返回电池，此时Q1AMOSFET用作同步MOSFET。关闭Q1B电流通过电感充电输出电容，通过电池和Q1A主体二极管。在一个小的死区时间后，Q1A导通，允许电感电流流过Q1A的主体二极管。从而实现转换器的两种操作模式：电池充电模式和恒压恒流(CC-CV)DC-DC转换器模式。在充电模式期间，MCU运行所需的控制回路将功率级作为同步降压转换器运行，并为铅酸蓄电池提供四级充电模式。在CC-CV DC-DC驱动器模式下，MCU运行控制环路以操作同步升压转换器维持CC-CV操作。
所述栅极驱动器采用LM5109A，其输出端连接着同步降压/升压级，输入端连接着微控制器。一款经济高效的高压栅极驱动器，设计用于驱动同步降压或半桥配置的高端和低端 N沟道MOSFET。输出由TTL兼容输入阈值独立控制。强大的电平转换技术可在高速运行，同时消耗低功耗，并提供从控制输入逻辑到高端栅极驱动器的干净电平转换，低侧和高侧电源轨均提供欠压锁定。该器件能够在高达90V的轨电压下工作，非常适合半桥和同步降压应用。高栅极驱动电流减少了MOSFET的开关时间，有效地降低了MOSFET的损耗并提高了系统的效率。LM5109A器件提供两个晶体管-晶体管逻辑(TTL)兼容输入引脚，连接到MSP430Timer_D产生的互补PWM输出，这两个引脚的输入独立控制LM5109A的输出。
所述运算放大器采用OPA170，其输入端连接着铅酸蓄电池，输出端连接着微控制器。其是一款低噪声精密放大器，具有宽工作电压范围、高带宽和出色的共模抑制比(CMRR)，可在2.7V至36V单电源下工作，用于测量共模输入电压可能非常高的差分放大器配置中的电池充电电流。
所述线性稳压器采用TLV70433DBVR，是一款超低静态电流低压差(LDO)稳压器，非常适合极其功耗敏感的应用，在整个负载电流和环境温度范围内，静态电流几乎保持不变，可在2.5V至24V的宽工作输入电压范围内工作，用于向MSP430F5132器件提供稳压3.3 V电压。
所述的双向电源指示开关采用CSD88539ND MOSFET，目的是根据系统状态引导来自面板或负载的电流。当系统处于电池充电状态时，MOSFET Q3A导通，MOSFET Q3B截止，从面板到电池发生功率流动。如果Q3A关闭，则功率流不能反向传播(即从电池到面板)，因为MOSFET的内部二极管会阻止流动。当系统处于CC-CV驱动器状态时， MOSFET Q3B导通，Q3A关闭，此时电力从电池流向负载。MOSFET开关Q3A和Q3B通过MSP430器件控制，根据面板电压条件和电池电压条件(通过ADC检测)，MSP430控制开关Q3A和Q3B的状态，以启用电池充电或CC-CV驱动器。
当系统作为电池充电器时，MSP430F5132器件在同步降压配置中运行功率级，该系统能够从开路电压为15V至44V的光伏(PV)面板为12V铅酸电池充电。MSP430F5132 器件采用基于扰动和观察的最大功率点跟踪(MPPT)算法，从光伏电池板中提取最大功率，并使用四级充电曲线为铅酸电池充电。通过执行扰动并观察功率输出，系统开始在靠近面板的最大功率点(MPP)的情况下操作，并且在MPP周围略微振荡，扰动的大小决定了系统与MPP的接近程度，有时候这个算法会陷入局部最大值而不是全局最大值，但是这个问题可以通过对算法的微小调整来解决。
当太阳能电池板没有电力传输时，功率级由MSP430器件配置为同步升压转换器。作为同步升压转换器，该系统可以驱动高达45V和1A电流的直流负载，效率接近92％。该系统特别适用于必须以CC模式驱动的DC负载，例如LED串等。同步升压转换器的控制组件使用MSP430器件实现，MSP430器件使用内部定时器产生所需的脉冲宽度调制 (PWM)，并通过ADC将负载电压和负载电流作为反馈，然后使用所获得的负载电压和负载电流信息来控制PWM占空比，以实现转换器的CC-CV控制。
虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述光伏发电及储能的双向电源转换器包括光伏板、同步降压/升压级、储能电池模块、微控制器、栅极驱动器、运算放大器、线性稳压器、双向电源指示开关和直流负载，所述的光伏板的输出端连接着同步升压/降压级的输入端；所述的同步升压/降压级连接着储能电池模块；所述的同步升压/降压级输出端连接着直流负载；所述的储能电池模块的输出端连接着运算放大器的输入端；所述的运算放大器的输出端连接着微控制器的输入端；所述的微控制器的输出端连接着栅极驱动器的输入端；所述的栅极驱动器的输出端连接着同步升压/降压级；所述的微控制器的输出端连接着双向电源指示开关的输入端；所述的双向电源指示开关的输出端连接着光伏板的输入端；所述的双向电源指示开关的输出端连接着直流负载；所述的线性稳压器的输出端连接着微控制器的输入端。
2.根据权利要求1所述的光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述同步降压/升压级采用CSD88539ND MOSFET。
3.根据权利要求1所述的光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述储能电池模块采用铅酸蓄电池。
4.根据权利要求1所述的光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述微控制器采用MSP430F5132单片机。
5.根据权利要求1所述的光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述栅极驱动器采用一款高压半桥栅极驱动器LM5109A。
6.根据权利要求1所述的光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述运算放大器采用OPA170。
7.根据权利要求1所述的光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述线性稳压器采用一款超低静态电流低压差稳压器TLV704。
8.根据权利要求1所述的光伏发电及储能的双向电源转换器，其特征在于：所述双向电源指示开关采用CSD88539ND MOSFET。
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