專利名稱：一種獨立運行太陽能光伏電站控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及太陽能光伏電站控制器，特別是涉及獨立運行的太陽能光伏電站控制器。
背景技術(shù)：
隨著我國光伏事業(yè)的發(fā)展，運用獨立運行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島居民生活用電，通訊設(shè)施供電、輸油管道陰極保護(hù)以及邊防部隊生活用電問題發(fā)揮日益重要的作用。控制器是獨立運行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞將直接影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用效果?？刂破鞯闹饕δ苁菍崿F(xiàn)蓄電池充、放電管理，維持光伏系統(tǒng)的供電平衡，維護(hù)系統(tǒng)配套設(shè)備的安全性，充分利用太陽能資源，提高光伏電源的使用效率，延長配套設(shè)備的使用壽命。
國外設(shè)計研制的控制器較為小型化，有的控制器只有控制電路部分，而主電路部分往往需要另外配置，而且多數(shù)電路采用通斷控制的方式，有的控制器根據(jù)太陽能光電池的特點實現(xiàn)了最大功率跟蹤，但電壓等級較低，且較為小型化，不易擴(kuò)展，只適合小型戶用光伏電源系統(tǒng)。而國內(nèi)使用的控制器廣泛采用的主要有兩種控制技術(shù)，其一是由簡單的模擬電路采取多路控制的方式控制繼電器。主要通過檢測蓄電池電壓來實現(xiàn)蓄電池的充、放電控制，當(dāng)太陽能電池方陣充電使蓄電池達(dá)到允許上限值時，切斷充電；當(dāng)負(fù)載放電使蓄電池電壓下降至保護(hù)值時，切斷輸出。這種控制技術(shù)的缺點是由于蓄電池電壓的波動，會造成繼電器開關(guān)頻繁切換，故障率較高，蓄電池充電過程難以實現(xiàn)，充電效率較低，沒有考慮太陽能電池的性能；其二是采用MOSFET或IGBT等功率器件，通過判斷蓄電池電壓控制功率器件開通、關(guān)斷對蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)充電電流較大時運用PWM脈寬調(diào)制限制電流。這種方法雖然對蓄電池充電管理進(jìn)行了改進(jìn)，但由于太陽能電池受溫度、日照強度以及負(fù)載等影響，是不穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，該控制器沒有充分考慮太陽能電池的特點來進(jìn)行充電管理和利用有限的太陽能資源來提高充電效率，降低系統(tǒng)成本，因此該控制方法也存在明顯的缺點。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種新型的獨立運行太陽能光伏電站控制器，優(yōu)化目前太陽能光伏電站控制器的設(shè)計。該控制器采用模塊化設(shè)計，不需要設(shè)計不同容量的控制器，可以任意擴(kuò)展光伏電站容量。本實用新型主要由主電路和控制驅(qū)動電路兩部分組成主電路采用DC-DC變換電路，控制驅(qū)動電路采用模擬和數(shù)字混合電路，模擬部分實現(xiàn)主電路的驅(qū)動和保護(hù)，數(shù)字部分則實現(xiàn)充電管理算法，在此充電過程中實現(xiàn)最大功率跟蹤技術(shù)，由充電算法給出模擬部分的驅(qū)動信號。同時本實用新型具有液晶顯示和鍵盤操作以及通訊功能。
與上述控制器電路相比本實用新型具有以下優(yōu)點1、模塊化設(shè)計思路，可任意擴(kuò)展光伏電站容量，適宜批量生產(chǎn)；2、模擬、數(shù)字混合電路，結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，可靠性較高；3、根據(jù)太陽能電池的特性，有效控制蓄電池充電過程；4、充分利用太陽能資源，提高充電效率，降低系統(tǒng)成本；5、有效管理蓄電池充電過程，提高蓄電池使用壽命。
本實用新型不僅完成了控制器需要實現(xiàn)的基本功能，而且根據(jù)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，硬件電路采用混合電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了最大功率點跟蹤，解決了上述光伏電站控制器存在的不足。


圖1為太陽能光伏系統(tǒng)原理框圖。
圖2為本實用新型控制器原理框圖。
圖3為本實用新型控制器具體實施方式
電路圖。
圖4為本實用新型主電路控制部分原理圖。
圖5為本實用新型微處理器及其擴(kuò)展部分原理圖。
圖6為本實用新型輔助電源部分原理圖。
圖7為本實用新型蓄電池充電管理與最大功率跟蹤協(xié)調(diào)原理框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步描述。
圖1為太陽能光伏電站系統(tǒng)原理圖。如圖所示，光伏陣列由太陽電池組件組成，它在太陽光的照射下產(chǎn)生直流電，經(jīng)控制器向蓄電池充電，同時向逆變器供電，在光幅射較弱時或無太陽光的照射下，蓄電池通過控制器向逆變器直接供電，逆變器把直流電變成交流電向負(fù)載供電?？刂破髦饕δ苁钦{(diào)節(jié)控制光伏電壓、電流向蓄電池充電，同時具備對蓄電池進(jìn)行過充、過放等保護(hù)功能。
本實用新型控制器原理框圖如圖2所示主要由DC-DC變換主電路、驅(qū)動隔離電路、集成PWM及保護(hù)電路、微處理控制電路以及輔助電源電路組成。主電路采用DC-DC變換電路，驅(qū)動隔離主要用于功率器件的驅(qū)動放大、隔離，集成PWM及保護(hù)電路主要用于功率器件的驅(qū)動和過流保護(hù)以及反饋給微處理器過流故障；微處理控制電路通過采集蓄電池電壓、電流，估算蓄電池容量，結(jié)合最大功率跟蹤輸出PWM波形進(jìn)行蓄電池充電管理。將驅(qū)動隔離電路、集成PWM和保護(hù)電路以及輔助電源電路構(gòu)成模擬控制部分，微處理器電路、鍵盤顯示電路和通訊電路構(gòu)成數(shù)字控制電路，如圖2控制器原理框圖所示的A部分和B部分。
本實用新型控制器具體實施方式
電路如圖3所示由DC-DC變換主電路1、驅(qū)動隔離電路2、集成PWM及保護(hù)電路3、微處理控制電路4以及輔助電源電路5組成。DC-DC變換主電路1分別與驅(qū)動隔離電路2連接，DC-DC變換主電路1的輸出端輸出電壓19、輸出電流14分別連接集成PWM及保護(hù)電路3的電路20和電路6，DC-DC變換主電路1分別與驅(qū)動隔離電路2連接，DC-DC變換主電路1的輸入端輸入電壓18、輸入電流17分別連接微處理控制電路4的限幅電路7的a和b，蓄電池電壓15和蓄電池電流16分別連接微處理控制電路4的電路7的d、c。驅(qū)動隔離電路2分別與DC-DC變換主電路1、輔助電源電路5連接，驅(qū)動隔離電路2的22電路和23電路連接DC-DC變換主電路1的電路21，連接輔助電源電路5的9、10電路。集成PWM及保護(hù)電路3分別與驅(qū)動隔離電路2、微處理器控制電路4、輔助電源電路5連接，集成PWM及保護(hù)電路3的電路24連接驅(qū)動隔離電路2的電路22、電路23和輔助電源電路5的電路11，集成PWM及保護(hù)電路3的24電路和微處理控制電路4的26、27電路相連，連接PI調(diào)節(jié)電路20、電流放大電路6。微處理控制電路4分別與輔助電源電路5、采集蓄電池電壓15、蓄電池電流16、主電路輸入電壓電路17(光伏陣列電壓)、主電路輸入電流電路18(光伏陣列電流)連接。微處理控制電路4的25電路與輔助電源電路的12連接，微處理控制電路4的25電路分別與A/D轉(zhuǎn)換限幅電路7，隔離輸入電路26、隔離輸出電路27、PC機(jī)通訊電路、鍵盤操作與LCD顯示電路、LED顯示電路連接，同時電路25I/O輸出過放控制電路e連接蓄電池輸出控制電路46。
如圖4所示所述的DC-DC變換主電路1由兩組DC-DC變換電路21共負(fù)極組成，DC-DC變換電路1由功率開關(guān)管28、二極管29、濾波電感30、濾波電容31組成，兩組電路共有兩對功率開關(guān)管28、二極管29、濾波電感30、濾波電容31。由驅(qū)動波形驅(qū)動功率開關(guān)管28的導(dǎo)通、關(guān)斷來控制輸出電壓和輸出電流，二極管29續(xù)流作用，濾波電感30使功率開關(guān)管工作在電感電流連續(xù)和斷續(xù)狀態(tài)，濾波電感31濾掉輸出紋波。主電路輸入端為太陽能光電池，輸出端進(jìn)入蓄電池。
如圖3所示所述的驅(qū)動隔離電路2由隔離放大電路22和23組成，隔離放大電路22和23分別連接兩個主電路的功率器件驅(qū)動端，隔離放大電路光藕22和23由輔助電源9、10分別提供+15V電源進(jìn)行放大驅(qū)動。
如圖3所示所述的集成PWM及保護(hù)電路3是由集成PWM電路24、電流放大電路6、主電路輸出采樣電壓電路19和電壓調(diào)節(jié)電路20組成。集成PWM電路24是核心器件，可以實現(xiàn)較多的功能，其中由集成PWM電路24通過反饋的監(jiān)測電壓和電流信號去實現(xiàn)主電路保護(hù)功能，由輔助電源11提供的+15V電源電壓供給集成PWM電路24電源，接收來自微處理器發(fā)出的電壓調(diào)節(jié)信號27，由分流器14采集的主回路輸出電流經(jīng)電流放大電路6送至集成PWM電路24通過內(nèi)部比較電路監(jiān)測電流的變化，對過流、短路作出反應(yīng)；由采樣電壓電路19采集主電路輸出電壓，經(jīng)PI調(diào)節(jié)電路20送至集成PWM電路24，通過電壓反饋由集成PWM電路24調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。
如圖3所示所述的微處理器控制電路4是由微處理器及其擴(kuò)展電路25、模擬量輸入限幅電路7、模擬量輸出PWM隔離濾波電路27、由集成PWM電路24構(gòu)成的保護(hù)電路反饋經(jīng)隔離輸入電路26以及PC機(jī)通訊串口、鍵盤、LCD顯示組成。微處理器及其擴(kuò)展電路25分別連接模擬量輸入限幅電路7、模擬量輸出PWM隔離濾波電路27、反饋隔離輸入電路26以及PC機(jī)通訊串口、鍵盤、LCD顯示。
如圖5所示所述的微處理器控制電路4的微處理器及其擴(kuò)展電路25由主控制器Intel芯片40 80C196MC、兩片地址擴(kuò)展總線芯片36、37、數(shù)據(jù)總線芯片38、RAM擴(kuò)展芯片35和ROM擴(kuò)展芯片39、鍵盤和LCD顯示擴(kuò)展芯片40，A/D轉(zhuǎn)換電路32、D/A轉(zhuǎn)換電路33(PWMO)、LED顯示擴(kuò)展芯片41組成。另外還包括輸入、輸出I/O電路48、47，與PC機(jī)通訊串口電路45。上述電路中，通常由主控芯片連接擴(kuò)展地址總線、數(shù)據(jù)總線、鍵盤和LCD擴(kuò)展，D/A轉(zhuǎn)換電路，本身帶有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、輸入、輸出I/O電路。A/D轉(zhuǎn)換電路33(PWMO)連接模擬量輸出PWM隔離濾波電路27，D/A轉(zhuǎn)換電路32連接模擬量輸入限幅電路7，鍵盤和LCD顯示擴(kuò)展芯片40連接鍵盤42和LCD 43，LED顯示擴(kuò)展芯片41連接LED顯示44，輸入I/O電路48與保護(hù)電路反饋隔離輸入電路26連接，由兩片8位地址擴(kuò)展總線芯片36、37組成16位地址總線連接RAM擴(kuò)展芯片35和ROM擴(kuò)展芯片39，數(shù)據(jù)總線芯片38分別與RAM擴(kuò)展芯片35、ROM擴(kuò)展芯片39、鍵盤和LCD顯示擴(kuò)展芯片40、LED顯示擴(kuò)展芯片41連接。
如圖3所示所述的輔助電源電路5是多路輸出的反激式開關(guān)電源，由穩(wěn)壓電路9、10、11、12和主電路13組成。穩(wěn)壓電路9、10、11、12和主電路13連接，提供高質(zhì)量的電源，穩(wěn)壓電路9連接驅(qū)動隔離電路2的隔離放大電路22，穩(wěn)壓電路10連接驅(qū)動隔離電路2的隔離放大電路23，穩(wěn)壓電路11連接集成PWM及保護(hù)電路3的集成PWM電路24，穩(wěn)壓電路12連接微處理器控制電路4的微處理器及其擴(kuò)展電路25，主電路13原邊由蓄電池電壓提供電源，副邊經(jīng)整流濾波后連接穩(wěn)壓電路9、10、11、12。
如圖6所示所述的輔助電源電路5的主電路13由短路、過流保護(hù)電路28、單路輸入多路輸出工頻變壓器電路30、整流電路50、51、52、53，濾波電路54、55、56、57，功率開關(guān)管31、PWM控制電路29組成。PWM控制電路29是核心器件，本身具備多種功能，通過起調(diào)節(jié)功率開關(guān)管31，讓變壓器輸出穩(wěn)定的交流電壓，其外圍需擴(kuò)展檢測和PI調(diào)節(jié)電路實現(xiàn)其強大的功能。過流保護(hù)28連接蓄電池輸入，然后連接到工頻變壓器電路30的原邊，下頻變壓器電路30的原邊下端連接功率開關(guān)管31，功率開關(guān)管31連接PWM控制電路29，工頻變壓器電路30的副邊輸出連接整流電路50、51、52、53，整流輸出之后經(jīng)濾波電路54、55、56、57分別連接穩(wěn)壓電路9、10、11、12，最后輸出所需的直流電壓。
下面進(jìn)一步對本發(fā)明的工作過程進(jìn)行描述由兩路共負(fù)極的太陽能電池組正端經(jīng)防反二極管后輸入主電路，主電路由兩個BUCK電路共負(fù)極連接而成。主電路功率開關(guān)管28由驅(qū)動電路22、23驅(qū)動工作，驅(qū)動電路驅(qū)動按照專用PWM集成電路24的輸出去驅(qū)動主電路，專用PWM集成電路24的輸出由微處理器電路25的A/D電路33給出給定值進(jìn)行調(diào)整，主電路按照設(shè)計的輸出電壓電流值進(jìn)行工作。下面將圖2控制器原埋框圖所示的A部分和B部分工作過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。
A部分即模擬控制部分以專用PWM集成電路24為核心，由專用PWM集成電路24輸出兩路驅(qū)動信號，輸出經(jīng)光藕22、23隔離放大后驅(qū)動每個BUCK支路中的開關(guān)器件28。專用PWM集成電路24由輔助電源電路9提供，由微處理器25輸出的PWM波形經(jīng)濾波電路，光藕進(jìn)行隔離，PI調(diào)節(jié)穩(wěn)壓后送至專用PWM集成電路24，通過調(diào)整功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間來調(diào)節(jié)輸出電壓電流，調(diào)整輸出電壓到給定值。同時檢測主電路反饋電壓和反饋電流，反饋電壓由輸出電壓經(jīng)電路19電阻分壓后，得到控制電壓與周期波形比較后輸出脈寬調(diào)制波，整形放大后經(jīng)PI調(diào)節(jié)電路20給驅(qū)動專用PWM集成電路24，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。反饋電流檢測采用分流器14經(jīng)LM358電路6放大后送至專用PWM集成電路24。PWM集成電路24有比較電路，當(dāng)電流超過設(shè)定值，專用PWM集成電路24會立刻進(jìn)行保護(hù)，封鎖PWM輸出，同時通過隔離電路26通知微處理器停止PWM輸出，保護(hù)主電路功率開關(guān)管28。模擬控制部分的輔助電源較為重要，有較多路輸出電壓，主回路采用單端反激式開關(guān)電源，輸入端由保險管作短路保護(hù)電路28，選用電流型控制芯片UC3845作為PWM控制芯片29，功率開關(guān)器件采用MOSFET 31，通過反激單路輸入多路輸出的工頻變壓器30，在副邊輸出有3路直流，經(jīng)半波整流電路50、51、52、53、經(jīng)濾波電容54、55、56、57后，經(jīng)7812芯片9、10、11穩(wěn)壓后輸出3路15伏直流電源，經(jīng)7805芯片12穩(wěn)壓后輸出1路5伏直流電源，供后面的專用PWM集成電路24和驅(qū)動放大電路22、23工作，以及供給微處理器電路25做電源使用。集成PWM及保護(hù)電路3采用SG3525A，光藕22、23采用TLP250，分流器為FLQ88-30A/47mA。
數(shù)字控制部分B采用Intel公司80C196MC 16位微處理器作為主控制器芯片，該處理器不僅有多路A/D轉(zhuǎn)換電路，具有6路輸出的波形發(fā)生器(WG)，特別適應(yīng)于控制三相交流電機(jī)和各種橋式逆變電路，還具有兩種PWM輸出，另外，80C196MC具有外部保護(hù)中斷功能，對主電路的過流、短路、過壓作實時保護(hù)，并具有可編程的死區(qū)時間設(shè)定功能，只要將脈寬調(diào)制信號所對應(yīng)的脈沖寬度輸入相應(yīng)的寄存器，即可實現(xiàn)脈寬調(diào)制。
本實用新型數(shù)字控制部分B采用Intel80C196芯片40作為控制核心，配置擴(kuò)展RAM36和擴(kuò)展ROM39，8255芯片40擴(kuò)展鍵盤和LCD顯示，由霍爾元件采集光伏電壓17和光伏電流18和由LEM模塊采集匯流排蓄電池電壓15和電流16，都轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，經(jīng)限幅電路7后送至D/A口32進(jìn)行采集計算。I/O口輸出控制線連接LCD顯示43，以及輸出開關(guān)量控制直流接觸器防止蓄電池過放發(fā)生，I/O口48輸入模擬控制部分經(jīng)隔離電路26提供的故障信號，來封鎖輸出信號，實現(xiàn)保護(hù)功能，同時LCD上顯示報警。LED 44顯示控制器工作正常(綠)，出現(xiàn)故障(紅)，由74LS377擴(kuò)展芯片41連接，80C196MC芯片40通過D/A轉(zhuǎn)換33得到的蓄電池電壓、蓄電池電流、光伏電壓、光伏電流、環(huán)境溫度等蓄電池狀態(tài)，通過A/D轉(zhuǎn)換33輸出可調(diào)的PWM波形，同時軟件編程實現(xiàn)蓄電池充電過程的控制算法(包括最大功率跟蹤控制算法)，將充電算法轉(zhuǎn)化為PWM輸出，由自身帶有的A/D轉(zhuǎn)換電路33輸出PWM控制波形，輸出的波形經(jīng)6N136芯片27濾波，光藕隔離，控制集成PWN芯片24輸出去驅(qū)動主電路，調(diào)整主電路輸出電壓到給定值。80C196芯片還配置MAX232通訊接口芯片45與PC機(jī)進(jìn)行通訊，通過鍵盤操作42選擇查看當(dāng)前運行數(shù)據(jù)，修改蓄電池保護(hù)點設(shè)置，通過LCD電路43查看運行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)。
下面介紹蓄電池充電過程控制算法，按三個階段分別進(jìn)行詳細(xì)描述(1)當(dāng)檢測蓄電池電壓低于某一值虧電時，控制器開始充電，在這個過程，微處理器采用最大功率跟蹤，保證太陽能電池最大功率輸出。采用固定電壓跟蹤點的辦法，首先確定出太陽能電池工作在最大功率點時太陽電池的輸出電壓值Vref，然后改變太陽電池對蓄電池的充電電流使太陽電池穩(wěn)定在Vref，實現(xiàn)了最大功率跟蹤(詳細(xì)在后面介紹)。同時實時監(jiān)測蓄電池電壓和蓄電池充電電流，通過蓄電池電流估算蓄電池容量，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到一定值和蓄電池充電電流降低到一定程度時，停止最大功率跟蹤轉(zhuǎn)入下一個階段充電過程。當(dāng)光照強烈時，蓄電池電壓上升很快，監(jiān)測蓄電池充電電流，這時蓄電池充電電流仍較大，表明這時蓄電池充電容量未達(dá)到要求，需要PWM調(diào)制限制充電電流，將蓄電池電壓降下來，繼續(xù)充電，這樣避免了僅檢測蓄電池電壓虛高而切斷輸入，造成能量的浪費和蓄電池的充電不足。
(2)在這個階段，不能再進(jìn)行最大功率跟蹤，只是限制蓄電池電壓不能超過過充電壓而充電，同時檢測充電電流，當(dāng)檢測到電流為很小時，說明蓄電池已接近充滿，轉(zhuǎn)入下一過程。
(3)在這個階段，將蓄電池浮充電壓恒壓，維持蓄電池自身放電的需要，當(dāng)蓄電池電壓降到一定程度時，將重復(fù)開始上面第一個過程。
蓄電池放電過程控制在蓄電池放電過程中，需要監(jiān)測蓄電池的電壓，當(dāng)電壓低于一定值時，要切斷向外輸出，當(dāng)負(fù)載容量較大導(dǎo)致放電電流很大時，引起蓄電池電壓大幅度下降，通過監(jiān)測蓄電池的電流需要調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件導(dǎo)通角，減小輸出電流，提升蓄電池電壓的保護(hù)點而防止過早切斷。
值得一提的是，蓄電池各階段保護(hù)電壓值由蓄電池生產(chǎn)廠家來提供，但蓄電池電壓容易受溫度影響而發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)溫度的變化設(shè)置蓄電池充、放電電壓保護(hù)點。溫度補償?shù)挠嬎惴椒ㄊ荲b(T)＝[V25+at(T-25)]NcVb(T)表示蓄電池在T℃下的電壓；V25表示蓄電池在25℃下的電壓(標(biāo)準(zhǔn))；at表示蓄電池溫度系數(shù)(由廠家提供)；Nc表示蓄電池數(shù)量；下面描述最大功率跟蹤控制算法1、最大功率點跟蹤原理最人功率點跟蹤是一個自尋優(yōu)過程，采用“爬山法”即可跟蹤最大功率點。通過對光伏電池當(dāng)前輸出電壓和電流的檢測，得到當(dāng)前光伏電池的輸出功率，再與已存儲的前一時刻光伏電池功率作比較，舍小存大，再檢測，再比較。如此不停地周而復(fù)始，便可使光伏電池動態(tài)地工作在最大功率點上。光伏電池的I-V輸出特性I＝f(U)關(guān)系是一個單值函數(shù)，因此，只要保持光伏電池的輸出電壓Vpv，在任何太陽輻照度及溫度下，都能實時地保持相應(yīng)的最大功率點所對應(yīng)的電壓值，就可以保證在任何瞬間都輸出其最大功率。
2、最大功率點跟蹤算法
本控制器通過控制Vref的值來跟蹤光伏電池的最大功率點，具體的方法是通過采取周期的增減光伏電池輸出參考電壓Vref，光伏電池的實際輸出電壓Vpv通過閉環(huán)控制跟蹤Vref來使工作點跟蹤最大功率點。
設(shè)測得光伏電池當(dāng)前的輸出功率為P(K)，被存儲的前一時刻的記憶功率為P(k-1)，a(k-1)和a(k)分別為前一時刻和當(dāng)前時刻Vref的電壓增量。若測得有P(K)＞P(k-1)，則繼續(xù)判斷前一時刻Vref的增量a(k-1)值的符號。若a(k-1)＞0則說明系統(tǒng)工作在P-V曲線上最大功率點的左側(cè)為接近最大功率點，置當(dāng)前時刻Vref的增量a(k)＝dV，則Vref(k)＝Vref(k-1)+dV。若a(k-1)＜0，則說明系統(tǒng)工作在P-V曲線上最大功率點的右側(cè)。為接近最大功率點，置a(k)＝dV，則Vref(k)＝Vref(k-1)-dv。反之，若測得有P(K)＞P(k-1)，同理進(jìn)行相反的操作。從而，可實時跟蹤光伏電池的最大輸出功率點并動態(tài)保持。
圖7提供了本實用新型蓄電池充電管理與最大功率跟蹤協(xié)調(diào)原理框圖，蓄電池充電過程控制算法中已進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
本實用新型太陽能光伏電站控制器有如下積極效果1、結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，易于擴(kuò)展功能；2、數(shù)、模電路結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢；3、采用模塊化結(jié)構(gòu)，可靠性較高，適合批量生產(chǎn)；4、可操作性好，能適應(yīng)較差的運行環(huán)境。
權(quán)利要求1.一種獨立運行太陽能光伏電站控制器，其特征在于它由DC-DC變換主電路[1]、驅(qū)動隔離電路[2]、集成PWM及保護(hù)電路[3]、微處理控制電路[4]以及輔助電源電路[5]組成；DC-DC變換主電路[1]分別與驅(qū)動隔離電路[2]連接，DC-DC變換主電路[1]的后端輸出電壓[19]、輸出電流[14]分別連接集成PWM及保護(hù)電路[3]的電路[20]和電路[6；DC-DC變換主電路[1]的前端輸入電壓[18]、輸入電流[17]分別連接微處理控制電路[4]的電路[7]的[a]、[b]，蓄電池電壓[15]和蓄電池電流[16]分別連接微處理控制電路[4]的電路[7]的[c]、[d]；驅(qū)動隔離電路[2]分別與DC-DC變換主電路[1]、輔助電源電路[5]連接，驅(qū)動隔離電路[2]的[22]電路和[23]電路連接DC-DC變換主電路[1]的電路[21]，連接輔助電源電路[5]的[9]、[10]電路；集成PWM及保護(hù)電路[3]分別與驅(qū)動隔離電路[2]、微處理器控制電路[4]、輔助電源電路[5]連接，集成PWM及保護(hù)電路[3]的[24]電路連接驅(qū)動隔離電路[2]的[22]電路、[23][電路和輔助電源電路[5]的電路[11]，集成PWM及保護(hù)電路[3]的[24]電路和微處理控制電路[4]的[26]、[27]電路相連，連接PI調(diào)節(jié)電路[20]、電流放大電路[6]；微處理控制電路[4]分別與輔助電源電路[5]、采集蓄電池電壓[15]、蓄電池電流[16]、光伏陣列電壓[17]、光伏陣列電流[18]連接；微處理控制電路[4]的[25]電路與輔助電源電路的[12]連接，微處理控制電路[4]的[25]電路分別與A/D轉(zhuǎn)換限幅電路[7]，隔離輸入電路[26]、隔離輸出電路[27]、PC機(jī)通訊電路、鍵盤操作與LCD顯示電路、LED顯示電路連接，同時電路[25]I/O輸出過放控制電路e連接蓄電池輸出控制電路[46]。
2.按照權(quán)利要求1所說的一種獨立運行太陽能光伏電站控制器，其特征在于DC-DC變換主電路[1]由兩組DC-DC變換電路[21]共負(fù)極組成，DC-DC變換電路[21]由功率開關(guān)管[28]、二極管[29]、濾波電感[30]、濾波電容[31]組成；由驅(qū)動波形驅(qū)動功率開關(guān)管[28]的導(dǎo)通、關(guān)斷來控制輸出電壓和輸出電流，二極管[29]續(xù)流作用，濾波電感[30]使功率開關(guān)管工作電流連續(xù)和斷續(xù)，濾波電感[31]濾掉輸出紋波。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種獨立運行太陽能光伏電站控制器，其特征在于驅(qū)動隔離電路[2]由隔離放大電路[22]和[23組成，隔離放大電路[22]和[23]分別連接兩個主電路的功率器件驅(qū)動端，采用光藕和輔助電源提供的+15V電源進(jìn)行隔離放大；集成PWM及保護(hù)電路[3]是由集成PWM電路[24]、電流放大電路[6]、主電路輸出采樣電壓電路[19]和電壓調(diào)節(jié)電路[20]組成；集成PWM電路[24]由輔助電源提供+15V電源電壓，接收來自微處理器發(fā)出的電壓調(diào)節(jié)信號，由分流器[14]采集的主回路輸出電流經(jīng)電流放大電路[6]送至集成PWM電路監(jiān)測電流的變化，對過流、短路作出反應(yīng)；由采樣電壓電路[19]采集主電路輸出電壓，經(jīng)PI調(diào)節(jié)電路[20]送至集成PWM電路[24]，通過電壓反饋調(diào)節(jié)功率開關(guān)管進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。輔助電源電路[5]是多路輸出的反激式開關(guān)電源，由穩(wěn)壓電路[9]、[10]、[11]、[12]和主電路[13]組成；穩(wěn)壓電路[9]、[10]、[11]、[12]提供高質(zhì)量的電源，穩(wěn)壓電路[9]連接驅(qū)動隔離電路[2]的隔離放大電路[22]，穩(wěn)壓電路[10]連接驅(qū)動隔離電路[2]的隔離放大電路[23]，穩(wěn)壓電路[11]連接集成PWM及保護(hù)電路[3]的集成PWM電路[24]，穩(wěn)壓電路[12]連接微處理器控制電路[4]的微處理器及其擴(kuò)展電路[25]，主電路[13]由蓄電池電壓提供電源；其中主電路[13]由短路、過流保護(hù)電路[28]、單路輸入多路輸出工頻變壓器電路[30]、整流電路[50]、[51]、[52]、[53]，濾波電路[54]、[55]、[56]、[57]，功率開關(guān)管[31]、PWM控制電路[29]組成；過流保護(hù)[28]連接蓄電池輸入，濾波電路[54]、[55]、[56]、[57]分別連接穩(wěn)壓電路[9]、[10]、[11]、[12]，輸出所需的直流電壓。
4.按照權(quán)利要求1至3的任何一項所述的一種獨立運行太陽能光伏電站控制器，其特征在于微處理器控制電路[4]是由微處理器及其擴(kuò)展電路[25]、模擬量輸入限幅電路[7]、模擬量輸出PWM隔離濾波電路[27]、保護(hù)電路反饋隔離輸入電路[26]以及PC機(jī)通訊串口、鍵盤、LCD顯示組成；微處理器控制電路[4]的微處理器及其擴(kuò)展電路[25]由主控制器Intel芯片4080C196MC、兩片地址擴(kuò)展總線芯片[36]、[37]、數(shù)據(jù)總線芯片[38]、RAM擴(kuò)展芯片[35]和ROM擴(kuò)展芯片[39]、鍵盤和LCD顯示擴(kuò)展芯片[40]，A/D轉(zhuǎn)換電路[32]、D/A轉(zhuǎn)換電路[33](PWMO)、LED顯示擴(kuò)展芯片[41]組成，還包括輸入、輸出I/O電路[48]、[47]，與PC機(jī)通訊串口電路[45]；D/A轉(zhuǎn)換電路[33](PWMO)連接模擬量輸出PWM隔離濾波電路[27]，A/D轉(zhuǎn)換電路[32]連接模擬量輸入限幅電路[7]，鍵盤和LCD顯示擴(kuò)展芯片[40]連接鍵盤[42]和LCD[43]，LED顯示擴(kuò)展芯片[41]連接LED顯示[44]，輸出I/O電路[48]與保護(hù)電路反饋隔離輸入電路[26]連接，由兩片8位地址擴(kuò)展總線芯片[36]、[37]組成16位地址總線連接RAM擴(kuò)展芯片[35]和ROM擴(kuò)展芯片[39]，數(shù)據(jù)總線芯片[38]分別與RAM擴(kuò)展芯片[35]、ROM擴(kuò)展芯片[39]、鍵盤和LCD顯示擴(kuò)展芯片[40]、LED顯示擴(kuò)展芯片[41]連接。
專利摘要一種獨立運行太陽能光伏電站控制器，由主電路和控制驅(qū)動電路兩部分組成主電路采用DC－DC變換電路，控制驅(qū)動電路采用模擬和數(shù)字混合電路，模擬部分實現(xiàn)主電路的驅(qū)動和保護(hù)，數(shù)字部分則實現(xiàn)充電管理算法，在此充電過程中實現(xiàn)最大功率跟蹤技術(shù)，由充電算法給出模擬部分的驅(qū)動信號。同時本實用新型具有液晶顯示和鍵盤操作以及通訊功能。本實用新型的優(yōu)點是模塊化設(shè)計思路，可任意擴(kuò)展光伏電站容量，適宜批量生產(chǎn)；模擬、數(shù)字混合電路，結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，可靠性較高；根據(jù)太陽能電池的特性，有效控制蓄電池充電過程；充分利用太陽能資源，提高充電效率，降低系統(tǒng)成本；有效管理蓄電池充電過程，提高蓄電池使用壽命。
文檔編號H02J7/35GK2672938SQ200320131510
公開日2005年1月19日 申請日期2003年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月29日
發(fā)明者武鑫, 趙斌, 許洪華, 江燕興, 劉光啟 申請人:中國科學(xué)院電工研究所