CN203456934U - 一种太阳能光伏系统控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能光伏系统控制装置，该装置包括用于采集电压电流的ＡＤ采样模块，控制环路电路以及驱动电路模块与DC\DC模块，控制环路电路有三个控制环，分别由ARM处理器发出的三个PWM信号来调节和控制，第一路PWM信号控制控制器的最大输出功率跟踪，让控制器处于工作在最大功率点，第二路PWM信号用来调节控制器使其处于恒压状态。第三路PWM信号用来调节控制器对电池的充电电流，使其处于恒流充电模式。三个控制环无缝的交替变换工作，让MPPT控制器智能的始终处于最优工作状态。本实用新型有效的提高了MPPT跟踪精度，高达99%以上，稳定可靠，不会出现误判现象，明显的降低了控制器出现的故障情况。

Description

一种太阳能光伏系统控制装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏系统控制领域，特别涉及一种充分利用太阳能光伏系统控制装置。 

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源需求越来越大，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源越来越受到人们的广泛关注。在太阳能光伏系统控制方法中，最重要的方法之一就是太阳能MPPT（Maximum Power Point Tracking最大功率跟踪）控制方法。目前，采用这种太阳能MPPT方法的太阳能光伏系统控制装置中，只有一个实现太阳能MPPT控制方法的太阳能光伏系统控制装置，在该太阳能光伏系统控制装置中，采用太阳能MPPT控制器，太阳能MPPT控制器通过检测太阳能电池的实时输出功率，利用微处理器根据事先确定的控制方案，控制太阳能电池输出最大的功率，充分地利用太阳能。 

在当前，作为电源，太阳能电池输出在需要实现最大功率输出的同时，还需要有其它控制输出，如恒压输出和恒流输出。 

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述缺陷，提供一种太阳能光伏系统的控制装置。使太阳能电池实现恒压输出和恒流输出。 

本实用新型的技术方案是： 

一种太阳能光伏系统控制装置，该装置包括具有开关管Q1的直流/直流转换电路，太阳能最大功率跟踪器，脉宽调制控制器； 

所述的直流/直流转换电路的直流输入端接所述的太阳能电池板的输出，所述的直流/直流转换电路的直流输出端接蓄电池和负载； 

所述的脉宽调制控制器的反馈端与所述的太阳能最大功率跟踪器相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出最大功率的脉宽调制信号接所述的直流/直 流转换电路的开关管Q1的控制端； 

还包括恒压跟踪器和恒流跟踪器，所述的脉宽调制控制器的反馈端分别与所述的恒压跟踪器和恒流跟踪器，分别产生控制所述的直流/直流转换电路输出恒压或者恒流的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的开关管Q1的控制端； 

所述的太阳能最大功率跟踪器、恒压跟踪器和恒流跟踪器异步工作。 

进一步的，上述的太阳能光伏系统控制装置中：所述的直流/直流转换电路中还包括续流二极管D2，太阳能电池板防反接、反充二极管D1、滤波器，所述的滤波器包括电感L1和滤波电容C2；所述的防反接、反充二极管D1的阳极接太阳能电池板的正极，阴极接所述的开关管Q1的漏极，所述的开关管Q1的源极接所述的电感L1的一端；所述的电感L1的另一端通过滤波电容C2接地，所述的滤波电容C2两端为所述的直流/直流转换电路的直流输出端；所述的续流二极管D2连接在所述的开关管Q1的源极和地之间，所述的二极管D2的阳极接地。 

进一步的，上述的太阳能光伏系统控制装置中：所述的直流/直流转换电路中还包括滤波电容C1，所述的滤波电容C1的两端分别接所述的二极管D1的阴极和地之间。 

进一步的，上述的太阳能光伏系统控制装置中：所述的最大功率跟踪器包括最大功率跟踪环、检测所述的太阳能电池板的输出电压和输出电流的第一检测电路、生成调节最大功率跟踪基准信号的最大功率基准信号产生模块； 

所述的最大功率基准信号产生模块与所述的第一检测电路的输出相连； 

所述的最大功率跟踪环包括电阻R7、电阻R8、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C3、运放U1B； 

所述的太阳能电池板的正极通过电阻R7和电阻R8串连接地，电阻R7和电 阻R8的连接点通过电阻R4接所述的运放U1B的同相端； 

所述的最大功率基准信号产生模块输出的最大功率基准信号通过电阻R3接所述的运放U1B的异相端，所述的电阻R1并联在运放U1B的异相端与输出之间； 

运放U1B的输出端接所述的脉宽调制控制器的反馈脚。 

进一步的，上述的太阳能光伏系统控制装置中：所述的恒压跟踪器包括电压环、检测所述的太阳能电池板的输出电压和输出电流、蓄电池的电压的第二检测电路、生成调节恒压基准信号的恒压基准信号产生模块； 

所述的第二检测电路的输出接恒压基准信号产生模块； 

所述的电压环包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6、电容C7、电容C8、运放U2A； 

所述的负载的输入端通过电阻R13和电阻R14串连接地，所述的电容C8与所述的电阻R14并联，电阻R13和电阻R14的连接点通过电阻R12接所述的运放U2A的异相端； 

所述的恒压基准信号产生模块输出的恒压基准信号通过电阻R11接所述的运放U2A的同相端； 

所述的电阻R6和电容C6串连可与所述的电容C7并联后串接到所述的运放U2A的异相端与输出之间。 

进一步的，上述的太阳能光伏系统控制装置中：所述的恒流跟踪器包括电流环、检测所述的太阳能电池板的输出电压和输出电流、蓄电池的电压的第三检测电路、生成调节恒流基准信号的恒流基准信号产生模块； 

所述的第三检测电路的输出端接恒流基准信号产生模块； 

所述的电流环包括电阻R2、电阻R5、电阻R6和电容C4、电容C5、运放U1A； 

所述的负载输入电流的模拟信号通过电阻R6接所述的运放U1A的异相端； 

所述的恒流基准信号产生模块输出的恒流基准信号通过电阻R5接所述的运放U1A的同相端； 

所述的电阻R2与电容C4串连后与所述的电容C5并联后串接到所述的运放U1A的异相端与输出之间。 

本实用新型中，太阳能光伏系统的控制装置中除最大功率跟踪控制器外，还有恒压跟踪器和恒流跟踪器；使该太阳能光伏系统作为电源更加多样可靠。 

以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。 

附图说明

图1为：本实用新型的总原理框图。 

图2为：本实用新型的控制环原理图。 

图3为：实用新型的模式转换流程图。 

图4为：本实用新型的ARM控制原理图。 

图5为：局部遮阴下多峰值光伏曲线图。 

具体实施方式

以下内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。 

本实用新型的实施例1是一种太阳能光伏系统控制装置，通过该控制装置的控制，太阳能光伏系统的太阳能电池将有三种输出状态，首选是最大功率跟踪状态，输出的是最大功率，其次是恒压方式，太阳能光伏系统一个恒压电源，最后还是恒流方式，太阳能光伏系统成为恒流源。 

本实施例中，最大功率基准信号产生模块、恒压基准信号产生模块、恒流基准信号产生模块都是智能模块，采用处理器利用保存的程序根据第一、二、三 检测装置检测到的信号获得所需的信号。 

本实施例从硬件上讲主要包括ARM处理器、采样电路、DC\DC电路、最大功率跟踪控制环路电路、恒压跟踪控制环路电路、恒流控制环路电路、PWM控制器以及其它电路。如图1所示。 

ARM处理器，根据采样得到的输入电压电流、输出电压电流、环境温度以及根据太阳能电池板的输出特性曲线，调节各个功能模块，实现太阳能电源。 

采样电路，用来将输入电压电流、输出电压电流以及温度等信号转换到ARM处理器所能接受采样的模拟信号。 

DC\DC电路，由MOS管、整流二极管、电感、电池板防反接二极管和滤波电容组成,采样BUCK拓扑结构。控制环路通过调节PWM控制器产生的PWM波占空比，来控制DC-DC电路中开关管的导通时间，就可以控制输出电压，改变了太阳能电池板的等效负载，从而实现太阳能电池的最大功率点跟踪、恒压输出、恒流输出等。 

PWM控制器，由脉宽调制芯片、驱动电路组成，根据控制环输出的反馈信号产生相应占空比的PWM波。 

控制环路电路也是本实用新型中最核心的部分，它共有三个控制环如图2所示，分别为MPPT环、电压环和电流环，都由ARM处理器发出的三个基准信号（VS＿MPPT、VS＿I、VS＿V）调节和控制，ARM处理器根据采样的输入电压电流、输出电压电流和负载电池变化情况来调节控制器的工作状态。MPPT环用来控制MPPT控制器的最大输出功率跟踪，让控制器能有效的工作在最大功率点，即处于MPPT模式。电压环用来调节控制器使其处于恒压模式。电流环用来调节控制器对电池负载的充电电流，使其处于恒流充电模式。三个控制环输出信号最终共同连接到PWM控制芯片的反馈脚，控制DC-DC的转换，使整个MPPT控制器无 缝交替的变换工作，让MPPT控制器始终处于智能的最优工作状态。 

具体控制过程如下： 

A、检测太阳能电池板的输出电压和电流、检测蓄电池的电压，通过AD转换进入到处理器ARM中，以下在ARM中进行处理； 

B、判断太阳能电池的输出功率是否大于设定的最小功率，若是否定的，则进入待机方式，否则转向步骤C；此时有两种情况，一种情况是晚上时，太阳能电池板有输出电压，另外一种情况是指太阳光比较弱，没有利用的价值，此时输出功率非常小，一般设定的一个最小的功率点，当小于该功率时，进入待机状态。 

C、判断蓄电池容量是否充满，如果没有充满，则转向步骤D，否则转向步骤E； 

D、控制太阳能电池采用最大功率跟踪方式输出，转向步骤A； 

E、控制太阳能电池采用恒压方式输出； 

F、若太阳能电池的输出电流大于设定的限流点时，控制太阳能电池采用恒流方式输出，转向步骤A。 

如图1为本实用新型的控制器的整体框图，太阳能电池板的输出给蓄电池充电和其他负载供电，直流/直流转换电路（DC-DC转换电路）采用降压(Buck)电路，接在输入源和负载之间。在电路的具体实现中，ARM处理器的AD采样模块检测控制器输入的电压、电流以及蓄电池电压等模拟信号，判断出当前系统的状态，输出三路PWM信号，通过RC滤波电路转换成MPPT环、电压环和电流环的基准，通过三路环路调节控制，将环路输出信号引入到PWM控制芯片的反馈脚，来达到控制DC-DC的转换，来实现对蓄电池的充电和负载的供电。调节输出电压的变化，就改变了太阳能电池板的等效负载，从而实现太阳能电池的 最大功率点跟踪、恒压电源、恒流电源。 

如图2为本实用新型的控制环原理图，电流环、电压环和MPPT环的基准信号分别为VS＿I、VS＿V和VS＿MPPT，反馈电压信号分别为控制器输出电流放大后信号（BAT_I）、输出电压信号（OUT+）和输入电压信号（PV+）。任一时刻，三个环中只有其中一环工作，三个环的输出信号通过D3、D4、D5连接到脉宽调制芯片（即PWM控制芯片，目前主流的开关电源均采用的一种控制IC，在控制电路输出频率不变的情况下，通过其反馈脚接入的输入电压大小来调整其输出占空比，从而达到稳定输出电压的目的）的反馈脚，反馈脚外接上拉VCC，当任意一环的工作时，其环路输出将会拉低反馈脚，使反馈脚电压变化，从而使PWM控制芯片调整其输出PWM波占空比。不工作的环路，运放输出为高电平信号，接近运放工作电压，对反馈脚电压改变不起作用。 

MPPT环为开环控制，由电阻R7、R8、R1、R3、R4、电容C3、运放U1B构成，PV+为控制器的输入电压信号，即太阳能电池板的输出电压，通过R7和R8分压，分压后信号作为运放同相端的反馈信号，运放输出的误差信号送入到PWM控制芯片，PWM控制芯片拾取这个误差电压信号，转化为合适的占空比去控制开关管Q1，调节输出电压的变化，改变了电池板的等效负载，从而实现改变控制器输入电压的变化。控制器工作在MPPT模式时，三环中只有MPPT环起调节作用，电压换和电流环不工作，ARM处理器有规律的调节VS_MPPT基准信号，就可以调节控制器的输入电压在整个范围内变化，输入电流也随着变化，ARM处理器实时计算出每次调节变化后控制器的输入功率值（即太阳能电池板的输出功率），通过软件处理，从而找出功率最大点。 

电压环为闭环控制，可以快速响应输出电压的动态变化，由电阻R10、R11、R12、R13、R14、电容C6、C7、C8、运放U2A构成，OUT+为控制器的输出电压信 号，通过R13和R14分压作为反馈信号，这个反馈电压送入误差放大器的反相端，使之与ARM处理器产生VS_V基准信号相比较而产生一个误差电压信号。PWM控制芯片拾取这个误差电压信号，转化为合适的占空比去控制开关管Q1，从而将输出电压稳定在一个设置的电压值。电压环不工作时，误差放大器的输出电压信号接近运放的工作电压，所以对环路不起作用。 

电流环为闭环控制，可以快速响应输出电流的变化，将输出电流恒定在设定的限流值。由电阻R2、R5、R6、电容C4、C5、运放U1A构成，BAT_I为控制器输出电流放大后的信号，通过R6电阻反馈到误差放大器的反相端，使之与ARM处理器产生VS_I基准信号相比较而产生一个误差电压信号。PWM控制芯片拾取这个误差电压信号，转化为合适的占空比去控制开关管Q1，从而将输出电流恒定在一个设置的电流限流值。电流环不工作时，误差放大器的输出电压信号接近运放的工作电压，所以对环路不起作用。 

三个环相互交替工作，控制策略为：控制器检测其输出电压、输出电流，如果检测到输出电压低于设定的电压点下限值，则所接蓄电池容量还未充满以及不能满足负载正常，此时，MPPT环起作用，ARM处理器线性改变VS＿MPPT信号，MPPT环工作，进入MPPT模式，实现太阳能电池的最大功率点跟踪，尽快将电池充满以及给负载正常工作。如果控制器输出电压达到设定的电压值并且输出电流低于设定的门限值时，认为电池已充满，负载也能正常工作，关闭VS＿MPPT信号，执行电压环，将进入恒压模式。改变电压环基准信号VS＿V，控制器输出电压也相应改变；可以固定基准信号，使控制器固定在一个稳定的输出电压，如果控制器输出电流超过设定的限流点时，MPPT环和电压环被关闭，电流环自动起作用，进入恒流模式。如果改变电流环基准信号VS＿I，则可以相应改变控制器输出限流电流。如果太阳能电池板输入电压低和输出功率不够，或者已无 太阳光，ARM处理器控制三个环均不工作，MPPT控制器进入待机模式。 

如图3为本实用新型的模式转换流程图。具体描述如下： 

1）控制器上电后，首选检测太阳能电池的输出功率是否大于最低门限值。此时，ARM处理器的AD检测模块检测控制器的输入电压和输入功率是否大于最低门限值，如果不满足条件，控制器进入待机模式。如果满足，则跳转到（2）； 

2）控制器的AD检测模块再判断其输出电压，如果控制器输出电压达到设定的电压值并且输出电流低于设定的门限值时，电池已充满，负载也能正常工作，执行电压环，将进入恒压模式。否则跳转到（3）； 

3）如果检测到输出电压低于设定的电压点下限值，则所接蓄电池容量还未充满以及不能满足负载正常，MPPT环工作，进入MPPT模式，实现太阳能电池的最大功率点跟踪。 

4）在执行（2）（3）过程中，如果控制器输出电流超过设定的限流点时，MPPT环和电压环被关闭，电流环自动起作用，进入恒流模式。否则跳转到（1），又重新开始循环。 

本实用新型实施例的智能部件是ARM，如图4所示，整个智能控制电路由ARM处理器、电阻R9、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、电容C9、C10、C18、C19、C20、C21以及其他电路构成，ARM处理器为意法半导体公司的Cortex ^TM-M3核的STM32F103处理器。CPU工作主频最高72MHz，可以有多路PWM输出，输出频率在17Khz时，占空比分辨率能达到12位。STM32F103处理器14脚位Sun_In_V为太阳能电池板输出电压检测信号，15脚位Sun_In_I为太阳能电池板输出电流检测信号，16脚位Out_V为太阳能控制器输出电压检测信号，17脚位Out_I为太阳能控制器输出电流检测信号，11脚位Temp_Detect为环境温度检测信号，这五路均传送至处理器内部高精度AD采样模块。STM32F103处理器 内部的PWM模块产生三路PWM，分别为PWM1、PWM2和PWM3。PWM1信号为MPPT环PWM，经过R16、R19和电容C18、C19组成的RC低通滤波器，调整成MPPT环的基准信号VS_MPPT。PWM2信号为电压环PWM，经过R17、R18和电容C20、C21组成的RC低通滤波器，调整成电压环的基准信号VS_V。PWM3信号为电流环PWM，经过R20、R21和电容C9、C10组成的RC低通滤波器，调整成电压环的基准信号VS_I。因为STM32F103处理器具有这么高精度的PWM和AD采样模块，在MPPT模式扫描最大功率点时，能进行非常精准细微的调节和精确的计算，MPPT跟踪在全范围输入范围内精度高达99.5%以上。 

图5为太阳能电池板在局部遮阴情况下的多峰值光伏曲线图，光伏阵列的输出受光照强度、环境温度、天气条件、遮盖状况和外界负载的影响，其输出特性具有非线性特征。在日出和日落时，太阳能电池板周围的建筑物和树木等形成的阴影会造成局部遮阴情况，从而光伏曲线呈现出多峰值情况。如图5可见，电池板输出功率曲线具有两个峰值，P1为局部最大功率点，若系统稳定工作在此点，则输出并非当前条件下的最大功率点，真正的最大功率点在P2点。本实用新型具有三个环路控制，通过调节其中的MPPT环，可以调节控制器在整个输入电压范围内工作，从而达到扫描出整个太阳能电池板输出电压范围内的功率值，ARM处理器实时计算比较出每次调节变化时控制器的输入功率值，从而快速找出全局最大功率点，当调节控制器工作输入电压在110V时，即找出了全局最大功率点P2。不需通过复杂的软件算法就可快速有效跟踪到最大功率点。 

本实用新型实施例利用和太阳能光伏电池板测试证明，在各种电压功率以及太阳能电池板局部遮阴的情况下，基于ARM处理器的太阳能光伏系统ＭＰＰＴ控制器均能在10秒内找到全局最大功率点，并且跟踪精度高达99.5%以上。 

Claims (6)

1.一种太阳能光伏系统控制装置，包括具有开关管Q1的直流/直流转换电路，太阳能最大功率跟踪器，脉宽调制控制器；

所述的直流/直流转换电路的直流输入端接所述的太阳能电池板的输出，所述的直流/直流转换电路的直流输出端接蓄电池和负载；

所述的脉宽调制控制器的反馈端与所述的太阳能最大功率跟踪器相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出最大功率的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的开关管Q1的控制端；

其特征在于：还包括恒压跟踪器和恒流跟踪器，所述的脉宽调制控制器的反馈端分别与所述的恒压跟踪器和恒流跟踪器，分别产生控制所述的直流/直流转换电路输出恒压或者恒流的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的开关管Q1的控制端；

所述的太阳能最大功率跟踪器、恒压跟踪器和恒流跟踪器异步工作。

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统控制装置，其特征在于：所述的直流/直流转换电路中还包括续流二极管D2，太阳能电池板防反接、反充二极管D1、滤波器，所述的滤波器包括电感L1和滤波电容C2；所述的防反接、反充二极管D1的阳极接太阳能电池板的正极，阴极接所述的开关管Q1的漏极，所述的开关管Q1的源极接所述的电感L1的一端；所述的电感L1的另一端通过滤波电容C2接地，所述的滤波电容C2两端为所述的直流/直流转换电路的直流输出端；所述的续流二极管D2连接在所述的开关管Q1的源极和地之间，所述的二极管D2的阳极接地。

3.根据权利要求2所述的太阳能光伏系统控制装置，其特征在于：所述的直流/直流转换电路中还包括滤波电容C1，所述的滤波电容C1的两端分别接所述的二极管D1的阴极和地之间。

4.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统控制装置，其特征在于：所述的最大功率跟踪器包括最大功率跟踪环、检测所述的太阳能电池板的输出电压和输出电流的第一检测电路、生成调节最大功率跟踪基准信号的最大功率基准信号产生模块；

所述的最大功率基准信号产生模块与所述的第一检测电路的输出相连；

所述的最大功率跟踪环包括电阻R7、电阻R8、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C3、运放U1B；

所述的太阳能电池板的正极通过电阻R7和电阻R8串连接地，电阻R7和电阻R8的连接点通过电阻R4接所述的运放U1B的同相端；

所述的最大功率基准信号产生模块输出的最大功率基准信号通过电阻R3接所述的运放U1B的异相端，所述的电阻R1并联在运放U1B的异相端与输出之间；

运放U1B的输出端接所述的脉宽调制控制器的反馈脚。

5.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统控制装置，其特征在于：所述的恒压跟踪器包括电压环、检测所述的太阳能电池板的输出电压和输出电流、蓄电池的电压的第二检测电路、生成调节恒压基准信号的恒压基准信号产生模块；

所述的第二检测电路的输出接恒压基准信号产生模块；

所述的电压环包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6、电容C7、电容C8、运放U2A；

所述的负载的输入端通过电阻R13和电阻R14串连接地，所述的电容C8与所述的电阻R14并联，电阻R13和电阻R14的连接点通过电阻R12接所述的运放U2A的异相端；

所述的恒压基准信号产生模块输出的恒压基准信号通过电阻R11接所述的运放U2A的同相端；

所述的电阻R6和电容C6串连可与所述的电容C7并联后串接到所述的运放U2A的异相端与输出之间。

6.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统控制装置，其特征在于：所述的恒流跟踪器包括电流环、检测所述的太阳能电池板的输出电压和输出电流、蓄电池的电压的第三检测电路、生成调节恒流基准信号的恒流基准信号产生模块；

所述的第三检测电路的输出端接恒流基准信号产生模块；

所述的电流环包括电阻R2、电阻R5、电阻R6和电容C4、电容C5、运放U1A；

所述的负载输入电流的模拟信号通过电阻R6接所述的运放U1A的异相端；

所述的恒流基准信号产生模块输出的恒流基准信号通过电阻R5接所述的运放U1A的同相端；

所述的电阻R2与电容C4串连后与所述的电容C5并联后串接到所述的运放U1A的异相端与输出之间。

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