專利名稱：一種太陽能光伏系統(tǒng)的mppt控制器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池技術領域，尤其涉及一種太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器及其控制方法。
背景技術：
當今的光伏系統(tǒng)大多通過太陽能電池板的串并聯(lián)組成光伏陣列，然而當電池板處于遮蔽狀態(tài)或各太陽能電池板不匹配等非理想情況出現(xiàn)時，光伏陣列的輸出功率會有非常大的衰減。因此在光伏系統(tǒng)中添加最大功率點跟蹤MPPT (Maximum Power Point Tracking) 控制器，就可以實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率輸出。最好的情況就是將MPPT控制器置于每一個太陽能電池模塊之后，一方面盡量避免光伏曲線多峰值的出現(xiàn)，另一方面可以使系統(tǒng)的輸出功率達到最大。目前，MPPT控制器大多是利用DSP的算法，PWM產(chǎn)生電路以及EOC電路實現(xiàn)的，如圖I所示。這些算法包括擾動觀察法，電導增量法等，這些算法共同的特點就是需要現(xiàn)場實時計算，根據(jù)當前的電壓電流狀況，計算出當前的功率，并與之前的功率作比較，得到功率的變化趨勢，通過PWM產(chǎn)生電路調節(jié)DCDC電路的占空比，改變太陽能電池的等效負載，實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤。然而由于需要實時計算，不斷搜尋最大功率點，并且很難一次就定位到最大功率點，甚至可能出現(xiàn)在最大功率點附近振蕩的狀況，這樣就大大增加了 MPPT控制器的功耗， 甚至可能出現(xiàn)追蹤所多得到的功率還沒有MPPT控制器消耗的功率多的情況。另外，由于實現(xiàn)MPPT控制器的電路需要電壓電流采樣電路，微處理器單元，PWM產(chǎn)生電路，驅動電路以及 DCDC控制電路等，控制器內部電路十分復雜，很難通過集成的方式降低功耗，減小控制器內部電路的復雜度。中國專利號為200910181624. 7的發(fā)明專利公開了一種MPPT控制器，包括MPPT采樣電路、驅動電路、電流采樣電路以及電壓采樣電路，還包括由MPPT變步長跟蹤模塊、PWM 產(chǎn)生模塊、電壓電流雙閉環(huán)控制模塊和鎖相環(huán)構成的DSP處理器。該發(fā)明采用了 DSP處理器，降低了控制器內部電路的復雜度，由于單片機或DSP都是基于算法的模塊，在實際電路中，用來進行實時計算。然而，實時計算不僅功耗大，而且需要復雜的算法，但又很難用電路實現(xiàn)這些算法，無法集成，沒辦法使MPPT控制器集成化。因此，避免不斷搜尋最大功率點所造成的功率損失，有效降低器件帶來的額外功耗是本領域需要解決的技術問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器及其控制方法，一方面可以減少實時跟蹤過程中不斷搜尋最大功率點所造成的功率損失，另一方面可以實現(xiàn)MPPT 控制器的集成，降低MPPT控制器內電路的復雜度，將MPPT控制器的尺寸大幅縮小，最大限度的降低器件帶來的額外功耗，以進一步提高光伏陣列的輸出功率。
一種太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器，所述MPPT控制器包括用于采集電壓電流的AD采樣模塊，溫度傳感器模塊，控制模塊，存儲器模塊，計數(shù)器模塊以及驅動電路模塊與 D⑶C模塊，其中存儲器模塊，用于根據(jù)輸入端輸入的電壓電流值和環(huán)境溫度值，查找到當前該工作點要調整到最大功率點所需的占空比數(shù)據(jù)，并輸出給計數(shù)器模塊；溫度傳感器模塊，用于檢測周圍環(huán)境溫度，其輸出端與存儲器模塊的輸入端相連； 控制模塊，用于控制所述AD采樣模塊采樣，并將采樣得到的電壓電流值送到存儲器模塊；
計數(shù)器模塊，用于將存儲器模塊傳輸過來的占空比數(shù)據(jù)利用計數(shù)的方式，輸出一個對應于該占空比的方波到驅動電路模塊。所述控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊可以采用分立元器件實現(xiàn)或者集成在一塊FPGA內，所述溫度傳感器模塊、AD采樣模塊，控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊和驅動電路模塊甚至可以全部由專用芯片集成實現(xiàn)。所述存儲器存儲有不同溫度不同光照下的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)以及不同曲線不同點所對應最大功率點的占空比數(shù)據(jù)。一種太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器的控制方法，包括步驟I)、每隔一段時間，調節(jié)計數(shù)器模塊，使其輸出占空比為I的方波到驅動電路模塊，驅動DCDC模塊工作；2)、控制模塊控制AD采集模塊啟動，此時AD采樣模塊開始采集光伏電池模塊的電壓電流，AD采樣模塊將采集到的電壓電流送到控制器模塊，控制模塊關斷AD采樣模塊，并將所述的電壓電流送到存儲器模塊；3)、溫度傳感器模塊采集的環(huán)境溫度變量，也送到存儲器模塊；4)、存儲器模塊，接收溫度傳感器模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)和控制模塊傳輸過來的電壓電流數(shù)據(jù)，查找本地數(shù)據(jù)表，找出該溫度下，不同光強對應的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)， 以及找到該電壓電流對應的曲線，并查找出當前工作點調整到最大功率點所需的占空比；5)、存儲器模塊將所述占空比數(shù)據(jù)輸出到計數(shù)器模塊；6)、所述計數(shù)器模塊將存儲器模塊傳輸過來的占空比數(shù)據(jù)利用計數(shù)的方式，輸出一個對應于該占空比的方波到驅動電路模塊，通過驅動電路的驅動，將輸出的經(jīng)過驅動的方波信號傳輸給DCDC模塊；7)、D⑶C模塊中的MOS開關管在方波信號的作用下周期性通斷，控制電感電容周期性充放電，實現(xiàn)升降壓的功能，進而實現(xiàn)了太陽能電池模塊的最大功率輸出。其中所述步驟I)包括步驟每隔一段時間，控制模塊輸出一個特定的地址給存儲器模塊，存儲器模塊中該地址存放的就是滿占空比數(shù)據(jù)，使得存儲器模塊輸出滿占空比數(shù)據(jù)到計數(shù)器模塊，令計數(shù)器模塊輸出占空比為I的方波到驅動電路，驅動DCDC模塊工作。所述存儲器存儲有不同溫度不同光照下的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)以及不同曲線不同點所對應最大功率點的占空比數(shù)據(jù)。所述控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊可以采用分立元器件實現(xiàn)或者集成在一塊FPGA內，所述溫度傳感器模塊、AD采樣模塊，控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊和驅動電路模塊甚至可以全部由專用芯片集成實現(xiàn)。本發(fā)明所公開的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器，電路中沒有現(xiàn)有技術中DSP等需要復雜算法的模塊，降低了電路的復雜程度，更加有利于MPPT控制器的集成，進一步減少器件帶來的額外功率損耗。另外，現(xiàn)有技術中的DA轉換模塊和PWM波產(chǎn)生模塊是用來產(chǎn)生占空比可調的方波信號，而本發(fā)明則省去了復雜的數(shù)模轉換過程，直接用計數(shù)器模塊，通過計數(shù)的方式產(chǎn)生占空比可調的方波信號，大大減小了原復雜過程的功耗。同時本發(fā)明公開的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器控制方法，通過查表的方法，不需要現(xiàn)場計算或是搜尋出最大功率點的位置，而是利用之前存在表內的已經(jīng)計算過的最大 功率點的位置，一次性的調節(jié)DCDC電路的占空比，使太陽能電池工作在最大功率點狀態(tài)， 避免了不斷跟蹤或是現(xiàn)場計算造成的功率損耗，同時也避免了出現(xiàn)在最大功率點附近振蕩的情況。


圖I為現(xiàn)有技術MPPT控制器框圖；圖2為采用本發(fā)明MPPT控制器構成的光伏陣列示意圖；圖3為本發(fā)明所述的基于查表法的MPPT控制器框圖；圖4為太陽能電池輸出光伏曲線。
具體實施例方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清晰完整的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出任何創(chuàng)造性勞動所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。圖2為利用本發(fā)明構成的光伏陣列的一個實施例的示意圖，如圖2所示，在本實施例中包含太陽能電池模塊1，基于查表法的MPPT控制器2。每個太陽能電池模塊I后緊跟一個基于查表法的MPPT控制器2，用來實現(xiàn)每個太陽能電池模塊I的最大功率點跟蹤。圖3為本發(fā)明所述的基于查表法的MPPT控制器的一個實施例的示意圖。如圖3 所示，在本實施例中包含溫度傳感器模塊21，AD采樣模塊22，控制模塊23，存儲器模塊24， 計數(shù)器模塊25，驅動電路模塊26，DCDC模塊27。所述溫度傳感器模塊21感受周圍環(huán)境溫度，輸出端與存儲器模塊24的輸入端相連；所述AD米樣模塊22的輸入端輸入太陽能電池的輸出電壓以及輸出電流，AD米樣模塊 22的輸出端與控制所述AD采樣模塊22的控制模塊23的輸入端相連；所述控制模塊的輸出端與存儲器模塊的輸入端相連；所述計數(shù)器模塊25的輸入端連接存儲器模塊24的輸出端，計數(shù)器模塊25的輸出端與驅動電路模塊26的輸入端相連；所述驅動電路26的輸出端與D⑶C模塊27相連。所述控制模塊23，存儲器模塊24，計數(shù)器模塊25既可以由分立器件實現(xiàn)，也可以由FPGA實現(xiàn)。而溫度傳感器模塊21、AD采樣模塊22，控制模塊23、存儲器模塊24、計數(shù)器模塊25和驅動電路模塊26甚至可以全部由專用芯片集成實現(xiàn)。圖4為某一溫度下的太陽能電池輸出光伏曲線，不同溫度下，光伏曲線電壓電流變化的趨勢相似。圖4中的曲線為不同光照下的太陽能電池的輸出曲線，直線為某一固定負載的負載線，負載線與電池輸出曲線的交點即為當前條件下的工作點，即實心點。而空心點則為當前外界條件下太陽能電池的最大功率點。每隔一段時間，控制模塊23輸出一個特定的地址給存儲器模塊24，存儲器模塊24 中該地址存放的就是滿占空比數(shù)據(jù)，使得存儲器模塊24輸出滿占空比數(shù)據(jù)到計數(shù)器模塊 25，令計數(shù)器模塊25輸出占空比為I的方波到驅動電路26，驅動D⑶C模塊27工作。幾個計數(shù)周期后，控制模塊23控制AD采集模塊22啟動，此時AD采樣模塊22開始采集光伏電池模塊I的電壓電流，AD采樣模塊22將采集到的電壓電流送到控制器模塊 23，控制模塊23關斷AD采樣模塊22，將剛剛采樣得到的電壓電流送到存儲器模塊24。于此同時，溫度傳感器模塊21將采集的環(huán)境溫度變量也送到存儲器模塊24中。存儲器模塊24存放的是不同溫度不同光照下的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)以及不同曲線不同點所對應最大功率點的占空比數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都是之前針對特定的太陽能電池模塊測量并計算好的，然后存放到存儲器的表中。利用溫度傳感器模塊21傳輸過來的數(shù)據(jù)，找到該溫度下，不同光強對應的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)，如圖4所示。再利用控制模塊23傳輸過來的電壓電流數(shù)據(jù)，通過查找表的方式找到該電壓電流對應的曲線。找到了曲線，就可以在表中找到該工作點要調整到最大功率點所需的占空比。將該占空比數(shù)據(jù)輸出， 傳輸?shù)接嫈?shù)器模塊25中。查表的過程首先根據(jù)溫度值，找到某一溫度對應的圖表，接著，由于曲線是二維坐標，只要根據(jù)輸入的電流電壓值即可找到它的點所對應的光伏曲線，找到了光伏曲線，也就找到了當前條件下的最大功率點。接著查找到該最大功率點對應的占空比數(shù)據(jù)，并輸出到后續(xù)電路，就可以實現(xiàn)調節(jié)，使得工作點由實心點轉變?yōu)榭招狞c，實現(xiàn)最大功率輸出。所述計數(shù)器模塊25將存儲器模塊24傳輸過來的占空比數(shù)據(jù)利用計數(shù)的方式，輸出一個對應于該占空比的方波到驅動電路模塊26，通過驅動電路的驅動，將輸出的經(jīng)過驅動的方波信號傳輸給DCDC模塊27。DCDC模塊27中的MOS開關管在方波信號的作用下周期性通斷，控制電感電容周期性充放電，實現(xiàn)升降壓的功能，進而實現(xiàn)了太陽能電池模塊I的最大功率輸出。 所述D⑶C模塊27可由D⑶C變換電路構成，D⑶C電路主要由電感、電容、二極管和開關MOS管組成，通過占空比可調的方波信號來控制MOS管的通斷，實現(xiàn)升降壓調節(jié)。
權利要求
1.一種太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器，所述MPPT控制器包括用于采集電壓電流的AD采樣模塊，以及驅動電路模塊與DCDC模塊，其特征在于，所述MPPT控制器包括 存儲器模塊，用于根據(jù)輸入端輸入的電壓電流值和環(huán)境溫度值，查找到當前該工作點要調整到最大功率點所需的占空比數(shù)據(jù)，并輸出給計數(shù)器模塊； 溫度傳感器模塊，用于檢測周圍環(huán)境溫度，其輸出端與存儲器模塊的輸入端相連； 控制模塊，用于控制所述AD采樣模塊采樣，并將采樣得到的電壓電流值送到存儲器模塊； 計數(shù)器模塊，用于將存儲器模塊傳輸過來的占空比數(shù)據(jù)利用計數(shù)的方式，輸出ー個對應于該占空比的方波到驅動電路模塊。
2.如權利要求I所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器，其特征在于，所述控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊集成在ー塊FPGA內。
3.如權利要求I所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器，其特征在于，所述溫度傳感器模塊、AD采樣模塊，控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊和驅動電路模塊由專用芯片集成實現(xiàn)。
4.如權利要求2或3所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器，其特征在于，所述存儲器存儲有不同溫度不同光照下的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)以及不同曲線不同點所對應最大功率點的占空比數(shù)據(jù)。
5.ー種基于權利要求I所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器的控制方法,其特征在于，包括步驟 1)、每隔一段時間，調節(jié)計數(shù)器模塊，使其輸出占空比為I的方波到驅動電路模塊，驅動DCDC模塊工作； 2)、控制模塊控制AD采集模塊啟動，此時AD采樣模塊開始采集光伏電池模塊的電壓電流，AD采樣模塊將采集到的電壓電流送到控制器模塊，控制模塊關斷AD采樣模塊，并將所述的電壓電流送到存儲器模塊； 3)、溫度傳感器模塊采集的環(huán)境溫度變量，也送到存儲器模塊； 4)、存儲器模塊，接收溫度傳感器模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)和控制模塊傳輸過來的電壓電流數(shù)據(jù)，查找本地數(shù)據(jù)表，找出該溫度下，不同光強對應的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)，以及找到該電壓電流對應的曲線，并查找出當前工作點調整到最大功率點所需的占空比數(shù)據(jù)； 5)、存儲器模塊將所述占空比數(shù)據(jù)輸出到計數(shù)器模塊； 6)、所述計數(shù)器模塊將存儲器模塊傳輸過來的占空比數(shù)據(jù)利用計數(shù)的方式，輸出ー個對應于該占空比的方波到驅動電路模塊，通過驅動電路的驅動，將輸出的經(jīng)過驅動的方波信號傳輸給DCDC模塊； 7)、DCDC模塊中的MOS開關管在方波信號的作用下周期性通斷，控制電感電容周期性充放電，實現(xiàn)升降壓的功能，進而實現(xiàn)了太陽能電池模塊的最大功率輸出。
6.如權利要求5所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述步驟I)包括步驟 每隔一段時間，控制模塊輸出ー個特定的地址給存儲器模塊，存儲器模塊中該地址存放的就是滿占空比數(shù)據(jù)，使得存儲器模塊輸出滿占空比數(shù)據(jù)到計數(shù)器模塊，令計數(shù)器模塊輸出占空比為I的方波到驅動電路，驅動ECDC模塊工作。
7.如權利要求6所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述存儲器存儲有不同溫度不同光照下的太陽能電池輸出曲線數(shù)據(jù)以及不同曲線不同點所對應最大功率點的占空比數(shù)據(jù)。
8.如權利要求7所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊是通過集成在一塊FPGA內來實現(xiàn)的。
9.如權利要求7所述的太陽能光伏系統(tǒng)的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述溫度傳感器模塊、AD采樣模塊，控制模塊、存儲器模塊、計數(shù)器模塊和驅動電路模塊由專用芯片集成實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制器，包括溫度傳感器模塊，控制模塊，存儲器模塊，計數(shù)器模塊，所述存儲器模塊接收溫度傳感器模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)和控制模塊傳輸過來的電壓電流數(shù)據(jù)，查找本地數(shù)據(jù)表，并查找出當前工作點調整到最大功率點所需的占空比數(shù)據(jù)，計數(shù)器模塊根據(jù)占空比數(shù)據(jù)，輸出一個對應于該占空比的方波到驅動電路模塊。所述MPPT控制器控制方法，通過查表的方法，不需要現(xiàn)場計算或是搜尋出最大功率點的位置，而是利用之前存在表內的已經(jīng)計算過的最大功率點的位置，一次性的調節(jié)DCDC電路的占空比，使太陽能電池工作在最大功率點狀態(tài)。本發(fā)明避免了不斷跟蹤或是現(xiàn)場計算造成的功率損耗，同時有效地降低了電路份額復雜度。
文檔編號G05F1/67GK102622034SQ201210066349
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月14日 優(yōu)先權日2012年3月14日
發(fā)明者劉放, 孫俊, 韓雁 申請人:浙江大學