CN102622034B

CN102622034B - 一种太阳能光伏***的mppt控制器及其控制方法

Info

Publication number: CN102622034B
Application number: CN201210066349.6A
Authority: CN
Inventors: 刘放; 孙俊; 韩雁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: CN102622034A

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏***MPPT控制器，包括温度传感器模块，控制模块，存储器模块，计数器模块，所述存储器模块接收温度传感器模块传输过来的数据和控制模块传输过来的电压电流数据，查找本地数据表，并查找出当前工作点调整到最大功率点所需的占空比数据，计数器模块根据占空比数据，输出一个对应于该占空比的方波到驱动电路模块。所述MPPT控制器控制方法，通过查表的方法，不需要现场计算或是搜寻出最大功率点的位置，而是利用之前存在表内的已经计算过的最大功率点的位置，一次性的调节DCDC电路的占空比，使太阳能电池工作在最大功率点状态。本发明避免了不断跟踪或是现场计算造成的功率损耗，同时有效地降低了电路份额复杂度。

Description

一种太阳能光伏***的MPPT控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏***的MPPT控制器及其控制方法。

背景技术

当今的光伏***大多通过太阳能电池板的串并联组成光伏阵列，然而当电池板处于遮蔽状态或各太阳能电池板不匹配等非理想情况出现时，光伏阵列的输出功率会有非常大的衰减。因此在光伏***中添加最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制器，就可以实现光伏***的最大功率输出。最好的情况就是将MPPT控制器置于每一个太阳能电池模块之后，一方面尽量避免光伏曲线多峰值的出现，另一方面可以使***的输出功率达到最大。

目前，MPPT控制器大多是利用DSP的算法，PWM产生电路以及DCDC电路实现的，如图1所示。这些算法包括扰动观察法，电导增量法等，这些算法共同的特点就是需要现场实时计算，根据当前的电压电流状况，计算出当前的功率，并与之前的功率作比较，得到功率的变化趋势，通过PWM产生电路调节DCDC电路的占空比，改变太阳能电池的等效负载，实现太阳能电池的最大功率跟踪。

然而由于需要实时计算，不断搜寻最大功率点，并且很难一次就定位到最大功率点，甚至可能出现在最大功率点附近振荡的状况，这样就大大增加了MPPT控制器的功耗，甚至可能出现追踪所多得到的功率还没有MPPT控制器消耗的功率多的情况。另外，由于实现MPPT控制器的电路需要电压电流采样电路，微处理器单元，PWM产生电路，驱动电路以及DCDC控制电路等，控制器内部电路十分复杂，很难通过集成的方式降低功耗，减小控制器内部电路的复杂度。

中国专利号为200910181624.7的发明专利公开了一种MPPT控制器，包括MPPT采样电路、驱动电路、电流采样电路以及电压采样电路，还包括由MPPT变步长跟踪模块、PWM产生模块、电压电流双闭环控制模块和锁相环构成的DSP处理器。该发明采用了DSP处理器，降低了控制器内部电路的复杂度，由于单片机或DSP都是基于算法的模块，在实际电路中，用来进行实时计算。然而，实时计算不仅功耗大，而且需要复杂的算法，但又很难用电路实现这些算法，无法集成，没办法使MPPT控制器集成化。

因此，避免不断搜寻最大功率点所造成的功率损失，有效降低器件带来的额外功耗是本领域需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种太阳能光伏***的MPPT控制器及其控制方法，一方面可以减少实时跟踪过程中不断搜寻最大功率点所造成的功率损失，另一方面可以实现MPPT控制器的集成，降低MPPT控制器内电路的复杂度，将MPPT控制器的尺寸大幅缩小，最大限度的降低器件带来的额外功耗，以进一步提高光伏阵列的输出功率。

一种太阳能光伏***的MPPT控制器，所述MPPT控制器包括用于采集电压电流的AD采样模块，温度传感器模块，控制模块，存储器模块，计数器模块以及驱动电路模块与DCDC模块，其中：

存储器模块，用于根据输入端输入的电压电流值和环境温度值，查找到当前该工作点要调整到最大功率点所需的占空比数据，并输出给计数器模块；

温度传感器模块，用于检测周围环境温度，其输出端与存储器模块的输入端相连；

控制模块，用于控制所述AD采样模块采样，并将采样得到的电压电流值送到存储器模块；

计数器模块，用于将存储器模块传输过来的占空比数据利用计数的方式，输出一个对应于该占空比的方波到驱动电路模块。

所述控制模块、存储器模块、计数器模块可以采用分立元器件实现或者集成在一块FPGA内，所述温度传感器模块、AD采样模块，控制模块、存储器模块、计数器模块和驱动电路模块甚至可以全部由专用芯片集成实现。

所述存储器存储有不同温度不同光照下的太阳能电池输出曲线数据以及不同曲线不同点所对应最大功率点的占空比数据。

一种太阳能光伏***的MPPT控制器的控制方法，包括步骤：

1)、每隔一段时间，调节计数器模块，使其输出占空比为1的方波到驱动电路模块，驱动DCDC模块工作；

2)、控制模块控制AD采集模块启动，此时AD采样模块开始采集光伏电池模块的电压电流，AD采样模块将采集到的电压电流送到控制器模块，控制模块关断AD采样模块，并将所述的电压电流送到存储器模块；

3)、温度传感器模块采集的环境温度变量，也送到存储器模块；

4)、存储器模块，接收温度传感器模块传输过来的数据和控制模块传输过来的电压电流数据，查找本地数据表，找出该温度下，不同光强对应的太阳能电池输出曲线数据，以及找到该电压电流对应的曲线，并查找出当前工作点调整到最大功率点所需的占空比；

5)、存储器模块将所述占空比数据输出到计数器模块；

6)、所述计数器模块将存储器模块传输过来的占空比数据利用计数的方式，输出一个对应于该占空比的方波到驱动电路模块，通过驱动电路的驱动，将输出的经过驱动的方波信号传输给DCDC模块；

7)、DCDC模块中的MOS开关管在方波信号的作用下周期性通断，控制电感电容周期性充放电，实现升降压的功能，进而实现了太阳能电池模块的最大功率输出。

其中所述步骤1)包括步骤：

每隔一段时间，控制模块输出一个特定的地址给存储器模块，存储器模块中该地址存放的就是满占空比数据，使得存储器模块输出满占空比数据到计数器模块，令计数器模块输出占空比为1的方波到驱动电路，驱动DCDC模块工作。

本发明所公开的太阳能光伏***的MPPT控制器，电路中没有现有技术中DSP等需要复杂算法的模块，降低了电路的复杂程度，更加有利于MPPT控制器的集成，进一步减少器件带来的额外功率损耗。

另外，现有技术中的DA转换模块和PWM波产生模块是用来产生占空比可调的方波信号，而本发明则省去了复杂的数模转换过程，直接用计数器模块，通过计数的方式产生占空比可调的方波信号，大大减小了原复杂过程的功耗。

同时本发明公开的太阳能光伏***的MPPT控制器控制方法，通过查表的方法，不需要现场计算或是搜寻出最大功率点的位置，而是利用之前存在表内的已经计算过的最大功率点的位置，一次性的调节DCDC电路的占空比，使太阳能电池工作在最大功率点状态，避免了不断跟踪或是现场计算造成的功率损耗，同时也避免了出现在最大功率点附近振荡的情况。

附图说明

图1为现有技术MPPT控制器框图；

图2为采用本发明MPPT控制器构成的光伏阵列示意图；

图3为本发明所述的基于查表法的MPPT控制器框图；

图4为太阳能电池输出光伏曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为利用本发明构成的光伏阵列的一个实施例的示意图，如图2所示，在本实施例中包含太阳能电池模块1，基于查表法的MPPT控制器2。每个太阳能电池模块1后紧跟一个基于查表法的MPPT控制器2，用来实现每个太阳能电池模块1的最大功率点跟踪。

图3为本发明所述的基于查表法的MPPT控制器的一个实施例的示意图。如图3所示，在本实施例中包含温度传感器模块21，AD采样模块22，控制模块23，存储器模块24，计数器模块25，驱动电路模块26，DCDC模块27。

所述温度传感器模块21感受周围环境温度，输出端与存储器模块24的输入端相连；所述AD采样模块22的输入端输入太阳能电池的输出电压以及输出电流，AD采样模块22的输出端与控制所述AD采样模块22的控制模块23的输入端相连；所述控制模块的输出端与存储器模块的输入端相连；所述计数器模块25的输入端连接存储器模块24的输出端，计数器模块25的输出端与驱动电路模块26的输入端相连；所述驱动电路26的输出端与DCDC模块27相连。

所述控制模块23，存储器模块24，计数器模块25既可以由分立器件实现，也可以由FPGA实现。而温度传感器模块21、AD采样模块22，控制模块23、存储器模块24、计数器模块25和驱动电路模块26甚至可以全部由专用芯片集成实现。

图4为某一温度下的太阳能电池输出光伏曲线，不同温度下，光伏曲线电压电流变化的趋势相似。图4中的曲线为不同光照下的太阳能电池的输出曲线，直线为某一固定负载的负载线，负载线与电池输出曲线的交点即为当前条件下的工作点，即实心点。而空心点则为当前外界条件下太阳能电池的最大功率点。

每隔一段时间，控制模块23输出一个特定的地址给存储器模块24，存储器模块24中该地址存放的就是满占空比数据，使得存储器模块24输出满占空比数据到计数器模块25，令计数器模块25输出占空比为1的方波到驱动电路26，驱动DCDC模块27工作。

几个计数周期后，控制模块23控制AD采集模块22启动，此时AD采样模块22开始采集光伏电池模块1的电压电流，AD采样模块22将采集到的电压电流送到控制器模块23，控制模块23关断AD采样模块22，将刚刚采样得到的电压电流送到存储器模块24。

于此同时，温度传感器模块21将采集的环境温度变量也送到存储器模块24中。

存储器模块24存放的是不同温度不同光照下的太阳能电池输出曲线数据以及不同曲线不同点所对应最大功率点的占空比数据。这些数据都是之前针对特定的太阳能电池模块测量并计算好的，然后存放到存储器的表中。利用温度传感器模块21传输过来的数据，找到该温度下，不同光强对应的太阳能电池输出曲线数据，如图4所示。再利用控制模块23传输过来的电压电流数据，通过查找表的方式找到该电压电流对应的曲线。找到了曲线，就可以在表中找到该工作点要调整到最大功率点所需的占空比。将该占空比数据输出，传输到计数器模块25中。

查表的过程首先根据温度值，找到某一温度对应的图表，接着，由于曲线是二维坐标，只要根据输入的电流电压值即可找到它的点所对应的光伏曲线，找到了光伏曲线，也就找到了当前条件下的最大功率点。接着查找到该最大功率点对应的占空比数据，并输出到后续电路，就可以实现调节，使得工作点由实心点转变为空心点，实现最大功率输出。

所述计数器模块25将存储器模块24传输过来的占空比数据利用计数的方式，输出一个对应于该占空比的方波到驱动电路模块26，通过驱动电路的驱动，将输出的经过驱动的方波信号传输给DCDC模块27。

DCDC模块27中的MOS开关管在方波信号的作用下周期性通断，控制电感电容周期性充放电，实现升降压的功能，进而实现了太阳能电池模块1的最大功率输出。

所述DCDC模块27可由DCDC变换电路构成，DCDC电路主要由电感、电容、二极管和开关MOS管组成，通过占空比可调的方波信号来控制MOS管的通断，实现升降压调节。

Claims

1.一种太阳能光伏***的MPPT控制器，所述MPPT控制器包括用于采集电压电流的AD采样模块，以及驱动电路模块与DCDC模块，其特征在于，所述MPPT控制器包括：

存储器模块，用于根据输入端输入的电压电流值和环境温度值，查找到当前工作点要调整到最大功率点所需的占空比数据，并输出给计数器模块；

温度传感器模块，用于检测周围环境温度，其输出端与存储器模块的输入端相连；所述存储器模块存储有不同温度不同光照下的太阳能电池输出曲线数据以及不同曲线不同点所对应最大功率点的占空比数据;

2.如权利要求1所述的太阳能光伏***的MPPT控制器，其特征在于，所述控制模块、存储器模块、计数器模块集成在一块FPGA内。

3.如权利要求1所述的太阳能光伏***的MPPT控制器，其特征在于，所述温度传感器模块、AD采样模块，控制模块、存储器模块、计数器模块和驱动电路模块由专用芯片集成实现。

4.一种基于权利要求1所述的太阳能光伏***的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

1）、每隔一段时间，调节计数器模块，使其输出占空比为1的方波到驱动电路模块，驱动DCDC模块工作；

2）、控制模块控制AD采样模块启动，此时AD采样模块开始采集光伏电池模块的电压电流，AD采样模块将采集到的电压电流送到控制模块，控制模块关断AD采样模块，并将所述的电压电流送到存储器模块；

3）、温度传感器模块采集的环境温度变量，也送到存储器模块；

4）、存储器模块，接收温度传感器模块传输过来的温度数据和控制模块传输过来的电压电流数据，查找本地数据表，找出该温度下，不同光强对应的太阳能电池输出曲线数据，以及找到该电压电流对应的曲线，并查找出当前工作点调整到最大功率点所需的占空比数据；

5）、存储器模块将所述占空比数据输出到计数器模块；

6）、所述计数器模块将存储器模块传输过来的占空比数据利用计数的方式，输出一个对应于该占空比的方波到驱动电路模块，通过驱动电路的驱动，将输出的经过驱动的方波信号传输给DCDC模块；

7）、DCDC模块中的MOS开关管在方波信号的作用下周期性通断，控制电感电容周期性充放电，实现升降压的功能，进而实现了太阳能电池模块的最大功率输出。

5.如权利要求4所述的太阳能光伏***的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤1）包括步骤：

6.如权利要求5所述的太阳能光伏***的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述存储器模块存储有不同温度不同光照下的太阳能电池输出曲线数据以及不同曲线不同点所对应最大功率点的占空比数据。

7.如权利要求4所述的太阳能光伏***的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述控制模块、存储器模块、计数器模块是通过集成在一块FPGA内来实现的。

8.如权利要求4所述的太阳能光伏***的MPPT控制器的控制方法，其特征在于，所述温度传感器模块、AD采样模块，控制模块、存储器模块、计数器模块和驱动电路模块由专用芯片集成实现。