專利名稱：一種光伏電池最大功率跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光伏發(fā)電技術(shù)，特別涉及一種光伏電池最大功率跟蹤裝置。
背景技術(shù)：
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如何提高光伏電池發(fā)電效率一直是研究重點。由于光伏電池的非線性特征使得光伏電池在受到的光照強度和光伏電池工作溫度發(fā)生變化時，其輸出功率也會隨之發(fā)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并穩(wěn)定在最大功率點處可以有效地提高光伏電池發(fā)電效率?，F(xiàn)有的光伏電池最大功率跟蹤方法主要有恒壓法、擾動觀察法、電導增量法等。恒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(tǒng)的給定，不斷的調(diào)整光伏電池的輸出電壓使其與給定電壓相符實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤。這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但是由于光伏電池的工作環(huán)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，易于實現(xiàn)，但是，由于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(jù)光伏電池最大功率點處增量電導和電導變化關(guān)系來改變輸出電壓，優(yōu)點是穩(wěn)定性好，但是對系統(tǒng)精度要求高，算法實現(xiàn)復雜。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(tǒng)無法快速跟蹤最大功率點；步長較大，會使系統(tǒng)無法穩(wěn)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(diào)整方向后，再通過調(diào)整PWM波占空比來實現(xiàn)光伏電池輸出電壓的調(diào)整?？梢?，在設(shè)計系統(tǒng)時會相對復雜。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型是針對現(xiàn)在控制方法無法快速準確跟蹤最大功率點，以及系統(tǒng)設(shè)計復雜的問題，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(shè)計簡單化。本實用新型的技術(shù)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(diào)理電路、主控制器、驅(qū)動電路、IXD 顯示模塊、數(shù)據(jù)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(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接主控制器內(nèi)部自帶的10位AD模塊，驅(qū)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(guān)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(shù)據(jù)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后供給負載，各功能模塊集成在一個電路板上通過光耦隔離實現(xiàn)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(lián)的兩個ΚΩ級電阻分壓，兩電阻中間連接
3CN 點接信號調(diào)理電路輸入端。所述電流檢測電路采用MAXIM生產(chǎn)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(zhuǎn)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引出采樣電壓信號連接信號調(diào)理電路。所述主控制器采用Philips LPC2132芯片，可編程PWM單元輸出一路PWM波通過高速光耦隔離器6N136實現(xiàn)強弱電隔離后輸出到驅(qū)動電路驅(qū)動BOOST電路。所述數(shù)據(jù)保存模塊電路，通過主控制芯片LPC2132I2C總線模塊將AD采樣電壓以及輸出功率保存到數(shù)據(jù)保存芯片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(diào)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信號后輸入到主控制器A/D 口。本實用新型的有益效果在于本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置及跟蹤方法，采用占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(tǒng)設(shè)計復雜等缺點。

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(shù)據(jù)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(diào)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(diào)理電路6、主控制器8、驅(qū)動電路7、IXD顯示模塊11、數(shù)據(jù)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(diào)理電路6 的輸入端，信號調(diào)理電路6的輸出端連接主控制器8內(nèi)部自帶的10位AD模塊。驅(qū)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(guān)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(shù)據(jù)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。其余模塊可以集成在一個電路板上通過光耦隔離實現(xiàn)控制電路同主拓撲電路隔離。 所述主控制器內(nèi)部包括MPPT算法模塊，采用占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(tǒng)設(shè)計復雜等缺點。利用功率與占空比之間關(guān)系，直接增加或減少占空比擾動實現(xiàn)最大功率點跟蹤， 簡化了系統(tǒng)設(shè)計。一般光伏發(fā)電系統(tǒng)中MPPT控制器通過調(diào)整PWM波占空比來改變光伏電池輸出特性，所以光伏電池輸出功率與占空比之間存在非線性關(guān)系光伏電池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占空比D擾動方向。這種方法將占空比D作為直接控制參數(shù)，簡化控制系統(tǒng)設(shè)計。通過加入占空比步長d在線調(diào)整器(如式1所示)可以實現(xiàn)占空比變步長擾動，在距離最大功率點較遠區(qū)域采用較大步長進行擾動使系統(tǒng)快速跟蹤最大功率點。在距離最大功率點較近區(qū)域采用較小步長進行擾動控制可以將光伏電池輸出功率穩(wěn)定在最大功率點處避免出現(xiàn)在最大功率點處振動。占空比步長d(k)=M| AP|/d(k_l)(l)，其中d(k)表示第K+1時刻占空比調(diào)整量， Δ P=P (k)- P (k-1)為功率差，d(k-l)表示第k-1時刻占空比調(diào)整量，M為調(diào)整系數(shù)可以根據(jù)實際控制要求確定值。當I AP|/d(k-l)較小時，表示功率P的變化主要是由于占空比D步長的調(diào)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(diào)整器會假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)態(tài)，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，基于成本和性能考慮采用如圖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(diào)理電路輸入端Din (2路信號調(diào)理電路，一路用于電壓采樣，一路用于電流采樣)。所述電流檢測電路2考慮到成本問題，不采用霍爾傳感器而采用MAXIM生產(chǎn)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(zhuǎn)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引出采樣電壓信號連接電流信號調(diào)理電路。所述主控制器8采用Philips LPC2132芯片，2132屬于低功耗芯片適合對功耗要求高的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其多I/O 口可以滿足絕大部分場合的要求。其內(nèi)部自帶10位8 路AD、1路DA可以滿足系統(tǒng)精度要求；可編程PWM單元輸出一路PWM波通過驅(qū)動電路驅(qū)動 BOOST電路。其UART串口可以實現(xiàn)與上位機或者逆變器的通信?？梢岳闷渥詭У腎2C總線外擴EEPROM防止掉電或者出現(xiàn)故障時數(shù)據(jù)的丟失。所述驅(qū)動電路7可以根據(jù)BOOST電路4主開關(guān)管MOSFET的參數(shù)特性選擇，設(shè)計驅(qū)動電路7的目的在于隔離并放大LPC2132所產(chǎn)生的PWM信號，并讓此控制信號足以驅(qū)動 MOSFET可靠導通與截止。該裝置采用高速光耦隔離器東芝公司生產(chǎn)的6N136實現(xiàn)強弱電隔離。具體電路接法可參考6N136數(shù)據(jù)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。然后計算第K時刻功率P(K)、功率差ΔΡ=Ρ(Κ)-Ρ(Κ-1)。然后判斷ι ΔΡ|是否小于某個常數(shù)C(可以根據(jù)實際控制要求設(shè)定，)，若小于常數(shù)C則說明已經(jīng)接近最大功率點，可以不進行擾動輸出功率穩(wěn)定在當前功率點；若大于常數(shù)C則繼續(xù)判斷Δ P的正負號Sign，若Sign為正繼續(xù)按原先方向增加擾動，若Sign為負則改變擾動方向。根據(jù)式(1)調(diào)整占空比擾動變量d(k)，最后獲得第K+1時刻占空比0(1(+1)=0 0()+(100朽丨811。LPC2132PWM單元利用占空比D(K+1)編程實現(xiàn)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(shù)據(jù)保存模塊電路如圖6所示，利用LPC2132IV總線模塊可以實現(xiàn)將AD采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?qū)崿F(xiàn)時序可以參考CAT1025C數(shù)據(jù)手冊以及 LPC2132串口模塊。所述信號調(diào)理電路6如圖7所示由電壓跟隨器Ul和反相放大器U2構(gòu)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(wěn)壓管起到保護控制電路作用，當出現(xiàn)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(diào)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，采用ADM2582，可以配置成半雙工或者全雙工模式，數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)送接受。RXD和T)(D分別連接P0. 8和P0. 9 口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。所述IXD顯示模塊，如圖9所示，采用1觀64液晶屏顯示光伏電池輸出電壓輸出功率。調(diào)節(jié)電阻R14可以調(diào)整IXD對比度，P0. 16 P0. 23為數(shù)據(jù)輸入口，可以向IXD中寫控制字寫地址數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電壓功率的實時動態(tài)顯示。
權(quán)利要求1.一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于，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(diào)理電路、主控制器、驅(qū)動電路、LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)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(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接主控制器內(nèi)部自帶的10位AD模塊，驅(qū)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(guān)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(shù)據(jù)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后供給負載，各功能模塊集成在一個電路板上通過光耦隔離實現(xiàn)控制電路同主拓撲電路隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述光伏電池輸出端正負極分別接串聯(lián)的兩個ΚΩ級電阻分壓，兩電阻中間連接點接信號調(diào)理電路輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述電流檢測電路采用MAXIM生產(chǎn)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(zhuǎn)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引出采樣電壓信號連接信號調(diào)理電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述主控制器采用 Philips LPC2132芯片，可編程PWM單元輸出一路PWM波通過高速光耦隔離器6N136實現(xiàn)強弱電隔離后輸出到驅(qū)動電路驅(qū)動BOOST電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)保存模塊電路，通過主控制芯片LPC2132I2C總線模塊將AD采樣電壓以及輸出功率保存到數(shù)據(jù)保存芯片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(jù)權(quán)利要求1所述光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述信號調(diào)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信號后輸入到主控制器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(jīng)過調(diào)理電路調(diào)理后，輸出到主控制器的AD模塊，驅(qū)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(guān)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(shù)據(jù)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，主控制器增加占空比步長在線調(diào)整，采用占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(tǒng)設(shè)計復雜等缺點。
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(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者畢玉成, 江濤, 胡姍姍 申請人:上海理工大學