一種光伏電池最大功率跟蹤裝置的製作方法

2024-03-23 14:44:05

專利名稱：一種光伏電池最大功率跟蹤裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光伏發電技術，特別涉及一種光伏電池最大功率跟蹤裝置。
背景技術：
在光伏發電系統中，如何提高光伏電池發電效率一直是研究重點。由於光伏電池的非線性特徵使得光伏電池在受到的光照強度和光伏電池工作溫度發生變化時，其輸出功率也會隨之發生非線性變化，快速準確的跟蹤光伏電池最大功率點的變化並穩定在最大功率點處可以有效地提高光伏電池發電效率。現有的光伏電池最大功率跟蹤方法主要有恆壓法、擾動觀察法、電導增量法等。恆壓法是將光伏電池最大功率點處對應的電壓作為控制系統的給定，不斷的調整光伏電池的輸出電壓使其與給定電壓相符實現光伏電池的最大功率跟蹤。這種方法的優點是實現簡單，但是由於光伏電池的工作環境不斷變化，進而導致其最大功率點對應電壓是不斷變化的，該方法對最大功率點變化適應差。擾動觀察法是周期性的增加或減少光伏電池輸出電壓去跟蹤光伏電池最大功率點，易於實現，但是，由於在最大功率點處擾動的方向不斷變化，會造成在最大功率點附近不斷振蕩。電導增量法是根據光伏電池最大功率點處增量電導和電導變化關係來改變輸出電壓，優點是穩定性好，但是對系統精度要求高，算法實現複雜。擾動觀察法和電導增量法共同的問題是擾動步長大小選擇。步長較小，會使系統無法快速跟蹤最大功率點；步長較大，會使系統無法穩定在最大功率點處。另一個問題是上述的方法都是在確定電壓或電流調整方向後，再通過調整PWM波佔空比來實現光伏電池輸出電壓的調整。可見，在設計系統時會相對複雜。
發明內容本實用新型是針對現在控制方法無法快速準確跟蹤最大功率點，以及系統設計複雜的問題，提出了一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，可快速跟蹤控制，設計簡單化。本實用新型的技術方案為一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，包括光伏電池、 BOOST升壓電路、電壓檢測電路、電流檢測電路以及信號調理電路、主控制器、驅動電路、IXD 顯示模塊、數據存儲模塊、RS485通信，電壓電流檢測電路以及BOOST升壓電路的輸入端均連接光伏電池的輸出端，電壓電流檢測電路的輸出端均連接信號調理電路的輸入端，信號調理電路的輸出端連接主控制器內部自帶的10位AD模塊，驅動電路的輸入端連接主控制器的DA模塊，其輸出端連接BOOST電路主控開關M0SFET，BOOST電路輸出端連接負載， RS485通信輸入端連接主控器的UART 口，其輸出端連接上位機或逆變器主控制器串口，數據存儲模塊的輸入端連接主控制器的1/0，LCD顯示模塊輸入端連接主控制器的1/0模塊， 電壓傳感器獲得光伏電池輸出電壓，電流傳感器獲得光伏電池輸出電流，BOOST電路將光伏電池輸出電壓升壓後供給負載，各功能模塊集成在一個電路板上通過光耦隔離實現控制電路同主拓撲電路隔離。所述光伏電池輸出端正負極分別接串聯的兩個ΚΩ級電阻分壓，兩電阻中間連接
3CN 點接信號調理電路輸入端。所述電流檢測電路採用MAXIM生產的MAX471，MAX471的RS+與RS-之間外接一個 10歐姆5瓦的電阻，將電流信號轉換為電壓信號，MAX471的輸出端OUT通過接地電阻接地，從輸出端OUT引出採樣電壓信號連接信號調理電路。所述主控制器採用Philips LPC2132晶片，可編程PWM單元輸出一路PWM波通過高速光耦隔離器6N136實現強弱電隔離後輸出到驅動電路驅動BOOST電路。所述數據保存模塊電路，通過主控制晶片LPC2132I2C總線模塊將AD採樣電壓以及輸出功率保存到數據保存晶片EEPR0MCAT1025中，實時顯示在IXD中，CAT1025的SCL、 SDA引腳分別連接至LP2132 P0. 2 P0. 3。所述信號調理電路由電壓跟隨器、反相放大器和濾波電容組成，將電壓檢測電路和電流檢測電路輸出的信號降為0 3. 3v信號後輸入到主控制器A/D 口。本實用新型的有益效果在於本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置及跟蹤方法，採用佔空比變步長擾動自適應控制，可以很好的克服擾動觀察法和電導增量法無法快速準確跟蹤最大功率點變化以及系統設計複雜等缺點。

圖1為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置原理圖；圖2為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中光伏電池P-D特性曲線圖；圖3為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中電壓檢測電路圖；圖4為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中電流檢測電路圖；圖5為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中MPPT算法程序流程圖；圖6為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中數據保存模塊接線圖；圖7為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中檢測信號調理電路圖；圖8為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中RS458模塊接線圖；圖9為本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置中IXD顯示模塊接線圖。
具體實施方式如圖1所示光伏電池最大功率跟蹤裝置原理圖，包括光伏電池1、BOOST升壓電路 4、電壓檢測電路2、電流檢測電路3以及信號調理電路6、主控制器8、驅動電路7、IXD顯示模塊11、數據存儲模塊9、RS485通信10。電壓電流檢測電路2、3以及BOOST升壓電路4的輸入端均連接光伏電池1的輸出端，電壓電流檢測電路2、3的輸出端均連接信號調理電路6 的輸入端，信號調理電路6的輸出端連接主控制器8內部自帶的10位AD模塊。驅動電路7 的輸入端連接主控制器8的DA模塊，其輸出端連接BOOST電路4主控開關M0SFET。BOOST 電路4輸出端連接負載5。RS485通信10輸入端連接主控器8的UART 口，其輸出端連接上位機或逆變器主控制器串口。數據存儲模塊9的輸入端連接主控制器8的1/0，IXD顯示模塊11輸入端連接主控制器8的1/0模塊。電壓傳感器獲得光伏電池輸出電壓，電流傳感器獲得光伏電池輸出電流，BOOST電路將光伏電池輸出電壓升至適當電壓供給負載。其餘模塊可以集成在一個電路板上通過光耦隔離實現控制電路同主拓撲電路隔離。 所述主控制器內部包括MPPT算法模塊，採用佔空比變步長擾動自適應控制，可以很好的克服擾動觀察法和電導增量法無法快速準確跟蹤最大功率點變化以及系統設計複雜等缺點。利用功率與佔空比之間關係，直接增加或減少佔空比擾動實現最大功率點跟蹤， 簡化了系統設計。一般光伏發電系統中MPPT控制器通過調整PWM波佔空比來改變光伏電池輸出特性，所以光伏電池輸出功率與佔空比之間存在非線性關係光伏電池P-D特性曲線如圖2所示。當dP/dD =0時表示光伏電池輸出功率達到最大。通過當前功率與前一時刻功率差值正負從而決定佔空比D擾動方向。這種方法將佔空比D作為直接控制參數，簡化控制系統設計。通過加入佔空比步長d在線調整器(如式1所示)可以實現佔空比變步長擾動，在距離最大功率點較遠區域採用較大步長進行擾動使系統快速跟蹤最大功率點。在距離最大功率點較近區域採用較小步長進行擾動控制可以將光伏電池輸出功率穩定在最大功率點處避免出現在最大功率點處振動。佔空比步長d(k)=M| AP|/d(k_l)(l)，其中d(k)表示第K+1時刻佔空比調整量， Δ P=P (k)- P (k-1)為功率差，d(k-l)表示第k-1時刻佔空比調整量，M為調整係數可以根據實際控制要求確定值。當I AP|/d(k-l)較小時，表示功率P的變化主要是由於佔空比D步長的調整引起的，此時d(k)較d(k-l)變化不應很大。而當I AP|/d(k-l)較大時，則表示功率P的變化主要是由電池表面溫度、日照強度等外界因素造成的。此時若最大功率點大幅度漂移，則步長d(k)變大，從而保證能夠快速跟蹤到新的最大功率點。當功率P變化較小時，調整器會假設系統已經處於穩態，d(k)變小來保證控制信號的平滑性。所述電壓檢測電路2如圖3所示，基於成本和性能考慮採用如圖3所示的電阻分壓法。該方法簡單易行，電阻R2、R3阻值均為K Ω級的為負載的幾十倍，因而消耗的輸出功率非常小。VIN+、VIN_分別連接光伏電池輸出端正負極。V。ut連接電壓信號調理電路輸入端Din (2路信號調理電路，一路用於電壓採樣，一路用於電流採樣)。所述電流檢測電路2考慮到成本問題，不採用霍爾傳感器而採用MAXIM生產的 MAX471, MAX471可以測得電流上下限為士3A，可以通過外接一個電阻，將電流信號轉換為電壓信號。如圖4所示，RS+與RS-之間外接一 ΙΟπιΩ 5W電阻R17，輸出端OUT通過電阻 R16接地，從輸出端OUT引出採樣電壓信號連接電流信號調理電路。所述主控制器8採用Philips LPC2132晶片，2132屬於低功耗晶片適合對功耗要求高的光伏發電系統中，其多I/O 口可以滿足絕大部分場合的要求。其內部自帶10位8 路AD、1路DA可以滿足系統精度要求；可編程PWM單元輸出一路PWM波通過驅動電路驅動 BOOST電路。其UART串口可以實現與上位機或者逆變器的通信。可以利用其自帶的I2C總線外擴EEPROM防止掉電或者出現故障時數據的丟失。所述驅動電路7可以根據BOOST電路4主開關管MOSFET的參數特性選擇，設計驅動電路7的目的在於隔離並放大LPC2132所產生的PWM信號，並讓此控制信號足以驅動 MOSFET可靠導通與截止。該裝置採用高速光耦隔離器東芝公司生產的6N136實現強弱電隔離。具體電路接法可參考6N136數據手冊。所述MPPT算法模塊，LPC2132AD模塊檢測得到第K時刻電壓V (K)，I⑷。然後計算第K時刻功率P(K)、功率差ΔΡ=Ρ(Κ)-Ρ(Κ-1)。然後判斷ι ΔΡ|是否小於某個常數C(可以根據實際控制要求設定，)，若小於常數C則說明已經接近最大功率點，可以不進行擾動輸出功率穩定在當前功率點；若大於常數C則繼續判斷Δ P的正負號Sign，若Sign為正繼續按原先方向增加擾動，若Sign為負則改變擾動方向。根據式(1)調整佔空比擾動變量d(k)，最後獲得第K+1時刻佔空比0(1(+1)=0 0+(100朽丨811。LPC2132PWM單元利用佔空比D(K+1)編程實現PWM波輸出第K+1時刻功率、電壓。程序流程圖如圖5所示。所述數據保存模塊電路如圖6所示，利用LPC2132IV總線模塊可以實現將AD採樣電壓以及輸出功率保存在EEra0MCAT1025中，實時顯示在LCD中。CAT1025 SCL、SDA引腳分別連接至LP2132 P0. 2 P0. 3 口具體的程序實現時序可以參考CAT1025C數據手冊以及 LPC2132串口模塊。所述信號調理電路6如圖7所示由電壓跟隨器Ul和反相放大器U2構成，將電壓電流信號降為適合輸入主控制器A/D 口的0 3. 3v信號。VTl和VT2兩個穩壓管起到保護控制電路作用，當出現過壓或者過流時可以有效保護控制電路。電容Cl和C2均起到濾波作用，信號調理電路輸出接入主控制器AD輸入口。所述RS485通信模塊如圖8所示，採用ADM2582，可以配置成半雙工或者全雙工模式，數據傳輸速率高達500Kbs，供電電源3. 3V。電源VDD要求與GDm之間有一個去耦電容，電容值在0. Oluf 0. Iuf之間。RE接受使能端低電平有效，DE發送使能高電平有效。 A、B分別為同相反相輸入端，Y、Z分別為同相反相輸出端。A(或B)和Z(或Y)分別連接上位機通信接口兩端或者逆變器通信口兩端。RE和DE分別接LPC2132 Ρ0. 15、P0. 10 口控制發送接受。RXD和T)(D分別連接P0. 8和P0. 9 口接收和發送數據。所述IXD顯示模塊，如圖9所示，採用1觀64液晶屏顯示光伏電池輸出電壓輸出功率。調節電阻R14可以調整IXD對比度，P0. 16 P0. 23為數據輸入口，可以向IXD中寫控制字寫地址數據，實現電壓功率的實時動態顯示。
權利要求1.一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特徵在於，包括光伏電池、BOOST升壓電路、電壓檢測電路、電流檢測電路以及信號調理電路、主控制器、驅動電路、LCD顯示模塊、數據存儲模塊、RS485通信，電壓電流檢測電路以及BOOST升壓電路的輸入端均連接光伏電池的輸出端，電壓電流檢測電路的輸出端均連接信號調理電路的輸入端，信號調理電路的輸出端連接主控制器內部自帶的10位AD模塊，驅動電路的輸入端連接主控制器的DA模塊，其輸出端連接BOOST電路主控開關MOSFET，BOOST電路輸出端連接負載，RS485通信輸入端連接主控器的UART 口，其輸出端連接上位機或逆變器主控制器串口，數據存儲模塊的輸入端連接主控制器的1/0，IXD顯示模塊輸入端連接主控制器的I/O模塊，電壓傳感器獲得光伏電池輸出電壓，電流傳感器獲得光伏電池輸出電流，BOOST電路將光伏電池輸出電壓升壓後供給負載，各功能模塊集成在一個電路板上通過光耦隔離實現控制電路同主拓撲電路隔離。
2.根據權利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特徵在於，所述光伏電池輸出端正負極分別接串聯的兩個ΚΩ級電阻分壓，兩電阻中間連接點接信號調理電路輸入端。
3.根據權利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特徵在於，所述電流檢測電路採用MAXIM生產的MAX471，MAX471的RS+與RS-之間外接一個10歐姆5瓦的電阻，將電流信號轉換為電壓信號，MAX471的輸出端OUT通過接地電阻接地，從輸出端OUT引出採樣電壓信號連接信號調理電路。
4.根據權利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特徵在於，所述主控制器採用 Philips LPC2132晶片，可編程PWM單元輸出一路PWM波通過高速光耦隔離器6N136實現強弱電隔離後輸出到驅動電路驅動BOOST電路。
5.根據權利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特徵在於，所述數據保存模塊電路，通過主控制晶片LPC2132I2C總線模塊將AD採樣電壓以及輸出功率保存到數據保存晶片EEPR0MCAT1025中，實時顯示在LCD中，CAT1025的SCL、SDA引腳分別連接至LP2132 P0. 2 P0. 3。
6.根據權利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特徵在於，所述信號調理電路由電壓跟隨器、反相放大器和濾波電容組成，將電壓檢測電路和電流檢測電路輸出的信號降為0 3. 3v信號後輸入到主控制器A/D 口。
專利摘要本實用新型涉及一種光伏電池最大功率跟蹤裝置及跟蹤方法，電壓電流檢測電路、BOOST升壓電路的輸入端均連接光伏電池的輸出端，電壓電流檢測電路的檢測信號經過調理電路調理後，輸出到主控制器的AD模塊，驅動電路的輸入端連接主控制器的DA模塊，其輸出端連接BOOST電路主控開關MOSFET，BOOST電路輸出端連接負載，RS485通信輸入端連接主控器的UART口，其輸出端連接上位機或逆變器主控制器串口，數據存儲模塊的輸入端連接主控制器的I/O，LCD顯示模塊輸入端連接主控制器的I/O模塊，主控制器增加佔空比步長在線調整，採用佔空比變步長擾動自適應控制，可以很好的克服擾動觀察法和電導增量法無法快速準確跟蹤最大功率點變化以及系統設計複雜等缺點。
文檔編號H02N6/00GK202231648SQ20112038350
公開日2012年5月23日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者畢玉成, 江濤, 胡姍姍 申請人:上海理工大學