CN110854985A - 一种基于dsp的最大功率独立供电*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP的最大功率独立供电***,包括DCDC变换电路,由储能电感、功率开关管、二极管、电容和负载电阻构成;所述功率开关管具有耦接储能电感输出端的集电极、以及耦合连接电压负极端的发射极;所述电容串联连接二极管导通端,且并联连接负载电阻;所述DCDC变换电路的功率开关管导通后,电源的电压加到储能电感上,电感电流成线性増长,二极管截止,负载由电容提供;维持负载电阻继续工作,所述DCDC变换电路与蓄电池组之间设有防反充二极管;当太阳能电池发的电不能满足负载需要时,蓄电池组对负载进行放电,当蓄电池组放电时,所述防反充二极管正向导通,反向截止。

Description

一种基于DSP的最大功率独立供电***
技术领域
本发明涉及供电技术领域,具体是一种基于DSP的最大功率独立供电***。
背景技术
太阳能供电***主要应用于太阳能路灯,太阳能时钟,太阳能草坪灯,太阳能喷泉,太阳能城市景观,太阳能广告灯箱,太阳能充电池,太阳能电动车等;太阳能发电被广泛当做首选的可再生清洁能源,原因有:太阳能在给蓄电池供电的过程是没有污染性的气体或者杂质排放出来;太阳能供电在各个地区都能设置装备,不需要为远距离传输配送电而烦恼,大大节省了人力物力的投入,申请号:201811559216.6的发明专利,通过太阳能电池板所产生的电流依次通过正板组、循环组、循环组、负板组对蓄电池进行充电;在发生断路时,对应的二极管被反向击穿,从而使断路的区域被导通,从而使整个供电***仍能继续工作;
在边远地区的山区等地方,由于地广人少,但在需要用电的地方,由于那些地方用电量需求太少,若是直接用电网给它们进行输电,光电的转换效率低,往往不能以最大功率输出供电,供电损耗大,无法满足用户的需求,基于目前的技术情况,急需对现有技术进行改革。
发明内容
本发明克服现有光电的转换效率低,往往不能以最大功率输出供电的问题,本发明提供一种基于DSP的最大功率独立供电***。
在一些可选实施例中,为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种基于DSP的最大功率独立供电***,包括:
DCDC变换电路,储能电感、功率开关管、二极管、电容和负载电阻,所述功率开关管具有耦接储能电感输出端的集电极,以及耦合连接电压负极端的发射极,所述电容串联连接二极管导通端,且并联连接负载电阻,
DCDC变换电路在整个***的作用是把输出的电压电流转换成负载(或蓄电池组)所需要的,由于太阳能板阵列的输出是非线性的,容易受到外部因素的影响,所以输出的电能不能直接给蓄电池组进行连接,需要在它们之间加DCDC变换电路来转化电能变成适合蓄电池组工作的需要的电能;
DCDC变换电路功率开关管导通后,电源的电压都加到储能电感L上,电感电流成线性増长,二极管截止,负载由电容C提供;功率开关管关断时,电感电流通过二极管D向输出侧流动,电源和储能电感的储能向负载和电容C转移,给电容C充电,维持负载电阻继续工作;
功率开关管与二极管接替工作过程中,功率开关管S导通时,通过功率开关管的电流为i;当开关管S截止时,通过二极管D的电流同样为i,通过叠加上述两个电流i就能求出升压电感电流。电路工作在稳态时,电容C的充电量与放电量是相等的,所以流经电容C的平均电流为0;通过二极管D的电流平均值就是负载电流。并且此时功率开关管S导通期间电感电流的增长量等于它在功率开关管S截止期间的减小量;
蓄电池组用于快速的把***发出的电量进行储存起來,以及当供电装置不能满足负载的供电时,蓄电池组对负载进行放电,使负载还能继续正常的工作;
所述DCDC变换电路与蓄电池组之间设有防反充二极管,当遇到阴雨天和光照不好时太阳能电池发的电不能满足负载需要时,需要蓄电池组对负载进行放电;当蓄电池组放电时,防反充二极管正向导通,反向截止,且防反充二极管能承受足够的电流,正向压降小,反向饱和电流小,有效的防止蓄电池组对太阳能板阵列进行放电;
测量模块,包括:
电压调节器、驱动电路、采样电路、DSP控制器和显示屏,对***的输出的电压、电流进行采样并存储起来,通过对信号进行处理后,放入DSP控制器的处理单元,再输出对DCDC里的占空比进行调整,控制蓄电池组的输出电压和电流,测量蓄电池组的充放电显示情况;
所述DSP控制器集成安装有工作电压为3.3V以及内核电压为1.8v的缓冲存储器,该缓冲存储器通过输出3.3V和1.8V的电压调节器对其供电;
所述采样电路设有电流传感器和电压跟随器;所述电流传感器用于对光伏电池的输出电流测量;所述电流传感器具有在不消耗能量情况下,将化流转换为电压进行测量的特性;所述采样电路将从太阳能电池输出的电压通过采样储存于DSP控制器内;
所述电压跟随器设置于电压采样电路后端,减少后级电路对前级电路的干扰,实现采样电路的隔离,使得采样电路对太阳能电池输出的电压采集更加准确;
所述驱动电路设有IGBT(电压控制器件)、阻尼滤波器、阻尼振荡器和门极电阻;所述阻尼滤波器由电阻和电容组成的RC电路构成,所述IGBT的栅极和发射极之间连接RC电路组成的阻尼滤波器,用于消除出现的电路振荡现象;所述驱动电路的门源端并联连接由1欧姆电阻和0.3微法的电容器组成的阻尼振荡器;用于抑制输入信号的振荡,所述IGBT的输入端串联连接门极电阻,用于防止集电极和发射极间处于高压状态时烧坏IGBT;
测量模块实现了对负载进行最大功率独立供电,同时也给蓄电池组充电,当遇到阴雨天或者阳光不足的情况下,由蓄电池组补充对负载供电,来满足负载的需求;
所述驱动电路设有过流保护电路,该过流保护电路选用单电源供电,产生15V和-5V的驱动电压,使得IGBT能够导通和关断,所述过流保护电路选用告诉光耦隔离其他电路,保护驱动电流的关断;
MPPT控制模块(最大功率点跟踪模块),包括:PI调节器(比例积分调节器)、零阶保持器、PWM模块(脉冲宽度调制模块)和直流升压电路,其中,所述PI调节器是一种线性调节器,所述直流升压电路主要由电感、二极管、开关管、电容器和负载组成的;
通过控制DCDC变换电路,调节负载成两端的电压,使它的数值等于电源电压的U/2,使得外部负载的的等效內阻值等于太阳能电池内部的等效电阻值,使得功率达到最大值,解决电池的输出效率低的问题,减少电能损失,使太阳能方阵的输出能到达最大功率点处的输出,使光电的转换效率更高、更稳定。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的供电结构电路框图;
图2是本发明的测量模块对电流电压采样电路图;
图3是本发明的跟踪最大功率输出仿真波形图;
图4是本发明测量模块驱动电路图;
图5是本发明驱动电路过流保护电路图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案,以使本领域的技术人员能够实践它们,下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
参考图1,给出了本发明的供电结构电路框图;
本发明的一个可选实施例一种基于DSP的最大功率独立供电***,DCDC变换电路,储能电感、功率开关管、二极管、电容和负载电阻,所述功率开关管具有耦接储能电感输出端的集电极,以及耦合连接电压负极端的发射极,所述电容串联连接二极管导通端,且并联连接负载电阻,
DCDC变换电路在整个***的作用是把输出的电压电流转换成负载(或蓄电池组)所需要的。由于太阳能板阵列的输出是非线性的,容易受到外部因素的影响,所以输出的电能不能直接给蓄电池组进行连接,需要在它们之间加DCDC变换电路来转化电能变成适合蓄电池组工作的需要的电能;
DCDC变换电路功率开关管导通后,电源的电压都加到储能电感L上,电感电流成线性増长,二极管截止,负载由电容C提供;功率开关管关断时,电感电流通过二极管D向输出侧流动,电源和储能电感的储能向负载和电容C转移,给C充电,维持负载电阻继续工作;功率开关管与二极管接替工作过程中,功率开关管S导通时,通过功率开关管的电流为i;当开关管S截止时,通过二极管D的电流同样为i。通过叠加上述两个电流i就能求出升压电感电流。电路工作在稳态时,电容C的充电量与放电量是相等的,所以流经电容C的平均电流为0。通过二极管D的电流平均值就是负载电流。并且此时功率开关管S导通期间电感电流的增长量等于它在功率开关管S截止期间的减小量;
蓄电池组用于快速的把***发出的电量进行储存起來,以及当供电装置不能满足负载的供电时,蓄电池组对负载进行放电,使负载还能继续正常的工作;
所述DCDC变换电路与蓄电池组之间设有防反充二极管,当遇到阴雨天和光照不好时太阳能电池发的电不能满足负载需要时,需要蓄电池组对负载进行放电;当蓄电池组放电时,防反充二极管正向导通,反向截止,且防反充二极管能承受足够的电流,正向压降小,反向饱和电流小,有效的防止蓄电池组对太阳能板阵列进行放电;
参考图2,给出了本发明的测量模块对电流电压采样电路图;
测量模块,包括:
电压调节器、驱动电路、采样电路、DSP控制器和显示屏,对***的输出的电压、电流进行采样并存储起来,通过对信号进行处理后,放入DSP控制器的处理单元,再输出对DCDC里的占空比进行调整,控制蓄电池组的输出电压和电流,测量蓄电池组的充放电显示情况;
所述DSP控制器集成安装有工作电压为3.3V以及内核电压为1.8v的缓冲存储器,该缓冲存储器通过输出3.3V和1.8V的电压调节器对其供电;
所述采样电路设有电流传感器和电压跟随器;所述电流传感器用于对光伏电池的输出电流测量;所述电流传感器具有在不消耗能量情况下,将化流转换为电压进行测量的特性;所述采样电路将从太阳能电池输出的电压通过采样储存于DSP控制器内;
所述电压跟随器设置于电压采样电路后端,减少后级电路对前级电路的干扰,实现采样电路的隔离,使得采样电路对太阳能电池输出的电压采集更加准确;
参考图4,给出了本发明测量模块驱动电路图;
所述驱动电路设有IGBT(电压控制器件)、阻尼滤波器、阻尼振荡器和门极电阻;所述阻尼滤波器由电阻和电容组成的RC电路构成,所述IGBT的栅极和发射极之间连接RC电路组成的阻尼滤波器,用于消除出现的电路振荡现象;所述驱动电路的门源端并联连接由1欧姆电阻和0.3微法的电容器组成的阻尼振荡器;用于抑制输入信号的振荡,所述IGBT的输入端串联连接门极电阻,用于防止集电极和发射极间处于高压状态时烧坏IGBT;
测量模块实现了对负载进行最大功率独立供电,同时也给蓄电池组充电,当遇到阴雨天或者阳光不足的情况下,由蓄电池组补充对负载供电,来满足负载的需求;
参考图5,给出了本发明驱动电路过流保护电路图;
若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极和发射极之间加上电压后,随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极与发射极之间会有电流流过,这是如果集电极和发射极间处于高压状态时会导致所述IGBT发热烧坏;
所述驱动电路设有过流保护电路,该过流保护电路选用单电源供电,产生15V和-5V的驱动电压,使得IGBT能够导通和关断,所述过流保护电路选用告诉光耦隔离其他电路,保护驱动电流的关断;
当发生过流时IGBT的G-E两瑞的电压升高,此时D9反向关断,于是C点电压随C1充电电压的上升而增加,当过流现象持续发生15uS左右时,C点电压使稳压管D6导通,Q3也随之导通,经Q3、D4、D1将IGBT的GE两端电压降至10V左右,若C点电压在10uS之内又恢复到低电平,则为假过流现象且Q3截止,电路恢复到正常工作状态;若过电流现象发生时间10us以上,即出现真过流故障,C点电压继续上升,从而使隐压管D5导通,Q4立即导通,D点电位为低电平,Q1导通,由于C1的放电作用,所以IGBT慢速关断,同时E点电位经由两个与非门组成的RS锁存器锁定在高电平,高速光耦一直处于导通状态,实现对驱动电路的过流保护;
MPPT控制模块(最大功率点跟踪),包括:PI调节器、零阶保持器、PWM模块和直流升压电路,其中直流升压电路主要由电感、二极管、开关管、电容器和负载组成的;
通过控制DCDC变换电路,调节负载成两端的电压,使它的数值等于电源电压的U/2,使得外部负载的的等效內阻值等于太阳能电池内部的等效电阻值,使得功率达到最大值,解决电池的输出效率低的问题,减少电能损失,使太阳能方阵的输出能到达最大功率点处的输出,使光电的转换效率更高,更稳定。
所述PI调节器用于处理采样电路采集到光伏电池输出电流和电压值,所述零阶保持器用于采集离散信号电流电压,将两次采样的电压和功率值相比较,确定扰动方向和跟踪步长,进而完成最大功率点的跟踪:根据功率值的变化值的大小来选择合理的跟踪少长,就可以实现变步长MPPT控制,
PWM模块为输出可变占空比的方波来驱动IGBT,功率开关管的驱动是由PWM模块输出的可变占空比的方波来实现的;通过调节DCDC变换电路中开关管的间歇性导通来实现的。为了把不可控的输入直流量变为可控的输出直流量,通过变步长扰动控制和PWM波进行驱动,实现对开关管状态的控制行最大功率跟踪,将开路电压法跟变步长扰动法结合起来使用来跟踪输出功率,
参考图3,给出了本发明的跟踪最大功率输出仿真波形图;
跟踪发生于在0-0.2秒过程中,曲线増加的速度很快,***能快速的进行准确的进行MPPT跟踪,且几乎没有谐振即使在0.5秒光照强度变化剧烈,***就自寻优的选择大步长扰动,保证了算法跟踪的快速性,在靠近最大功率点很近时,选择小步长进行扰动,满足其跟踪稳定性的问题,追踪最大功率点的速度比较快,自动变步长跟踪精度高,从而实现快速的对最大功率的追踪满足供电需求;
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于DSP的最大功率独立供电***,其特征在于,包括:
DCDC变换电路,由储能电感、功率开关管、二极管、电容和负载电阻构成;
所述功率开关管具有耦接储能电感输出端的集电极、以及耦合连接电压负极端的发射极;
所述电容串联连接二极管导通端,且并联连接负载电阻;
所述DCDC变换电路的功率开关管导通后,电源的电压加到储能电感上,电感电流成线性増长,二极管截止,负载由电容提供;
所述功率开关管关断时,电感电流通过二极管向输出侧流动,电源和储能电感的储能向负载和电容转移,给电容充电,维持负载电阻继续工作;
测量模块,由电压调节器、驱动电路、采样电路和DSP控制器构成;
所述驱动电路设有IGBT(电压控制器件)、阻尼滤波器、阻尼振荡器和门极电阻;所述IGBT的栅极和发射极之间连接RC电路组成的阻尼滤波器,用于消除出现的电路振荡现象;
所述驱动电路的门源端并联连接由1欧姆电阻和0.3微法电容器组成的阻尼振荡器,用于抑制输入信号的振荡;
所述IGBT的输入端串联连接门极电阻,用于防止集电极和发射极间处于高压状态时烧坏IGBT;
所述驱动电路设有过流保护电路,该过流保护电路选用单电源供电,产生15V和-5V的驱动电压,使得IGBT能够导通和关断。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的最大功率独立供电***,其特征在于,所述DCDC变换电路与蓄电池组之间设有防反充二极管;
当太阳能电池发的电不能满足负载需要时,蓄电池组对负载进行放电;
当蓄电池组放电时,所述防反充二极管正向导通,反向截止;
所述防反充二极管具有正向压小,且反向饱和电流小的特性。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的最大功率独立供电***,其特征在于,所述功率开关管与二极管接替工作过程中,所述功率开关管导通时,通过功率开关管的电流与当开关管截止时通过二极管的电流相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的最大功率独立供电***,其特征在于,所述DCDC电路工作在稳态时,所述电容的充电量与放电量相等;而且,通过所述二极管的电流平均值等于负载电流值。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的最大功率独立供电***,其特征在于,所述DSP控制器集成安装有工作电压为3.3V以及内核电压为1.8v的缓冲存储器,该缓冲存储器通过输出3.3V和1.8V的电压调节器对其供电。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的最大功率独立供电***,其特征在于,所述采样电路设有电流传感器和电压跟随器;
所述电流传感器具有在不消耗能量情况下,将化流转换为电压进行测量的特性,用于对光伏电池的输出电流测量。
7.根据权利要求6所述的一种基于DSP的最大功率独立供电***,其特征在于,所述电压跟随器设置于电压采样电路后端,减少后级电路对前级电路的干扰,实现采样电路的隔离。
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