光伏供電系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種光伏供電系統及其控制方法，用于給直流負載供電，所述光伏供電系統少包括：光伏陣列，用于將光能轉換為電能；最大功率點跟蹤器，用于追蹤所述光伏陣列的最大功率點，并輸出直流電；單向直流/直流轉換器，用于將所述最大功率點跟蹤器輸出的直流電轉換為預定電平的直流電。其中，所述光伏供電系統還包括：雙向直流/直流轉換器，當所述光伏陣列輸出的電能大于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器控制將多余的電能用于給蓄電池模塊充電；當所述光伏陣列輸出的電能小于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器控制由所述蓄電池模塊補充所述直流負載所需的電能不足的部分。
【專利說明】光伏供電系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光能供電系統，特別是涉及一種基于雙向直流/直流轉換器的光伏供電系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]圖1所示為現有技術的一種光伏供電系統的結構框圖。如圖所示，該光伏供電系統用于給負載19(例如，包括輻熱爐，電磁爐，冰箱等直流負載和交流負載)供電，其進一步包括光伏陣列10 (例如,太陽能電池板)，最大功率點跟蹤器12 (Maximum Power PointTracking,簡稱MPPT)，直流/直流轉換器14，直流/交流轉換器16以及電池模塊18。
[0003]該光伏供電系統的工作過程如下:由光伏陣列10輸出的電經過MPPT12采集光伏陣列10輸出的最大功率點，再由直流/直流轉換器14將最大功率點電壓升壓至360V的直流電，接著再經由直流/交流轉換器16逆變為220V的交流電，隨即向負載19中的交流負載供電。該光伏供電系統還包括電池模塊18用于在光能不足的條件下直接給直流/直流轉換器14輸出能量進而使負載19的供電不受環境條件影響。然而，前述這種光伏供電系統的轉換環節多，且每個環節都會造成不容忽視的能量損耗，因此導致整個光伏供電系統的光電轉換效率降低，此外，前述這種光伏供電系統的成本較高，不利于新能源應用的推廣。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題在于提供一種更高效且成本較低的光伏供電系統及其控制方法。
[0005]本發明提供了一種光伏供電系統，用于給直流負載供電，所述光伏供電系統少包括:光伏陣列，用于將光能轉換為電能；最大功率點跟蹤器，用于追蹤所述光伏陣列的最大功率點，并輸出直流電；單向直流/直流轉換器，用于將所述最大功率點跟蹤器輸出的直流電轉換為預定電平的直流電。其中，所述光伏供電系統還包括:雙向直流/直流轉換器，當所述光伏陣列輸出的電能大于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器控制將多余的電能用于給蓄電池模塊充電；當所述光伏陣列輸出的電能小于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器控制由所述蓄電池模塊補充所述直流負載所需的電能不足的部分。
[0006]本發明的光伏供電系統還包括數字信號處理控制器，其一端連接所述雙向直流/直流轉換器，用于控制所述雙向直流/直流轉換器，其另一端經由反饋回路連接至所述直流負載。
[0007]本發明的數字信號處理控制器進一步包括:A/D采樣單元，用于通過采樣程序用事物管理器的定時器定時地觸發對所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓的采樣操作；計算單元，用于將檢測到的所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓與參考電壓相比較，得到偏差信號；接著，使用PI調節器、計算、限幅、比較環節得到導通比；隨后，通過將所述導通比與三角波相比較；以及PWM信號發生器，根據所述導通比與三角波的比較結果生成PWM信號，以將所述雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。
[0008]本發明還提供一種光伏供電系統的控制方法，其應用于包括有雙向直流/直流轉換器的光伏供電系統，所述光伏供電系統的控制方法至少包括以下步驟:執行采樣操作，并判斷采樣值是否正常；當所述采樣值為正常時，根據相應的算法計算相關的信號參數；當所述采樣值非正常時，執行中斷服務；輸出相應的PWM信號進而將所述雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。
[0009]本發明的光伏供電系統的控制方法，其中，所述根據相應的算法計算相關的信號參數的步驟進一步包括:通過采樣程序用事物管理器的定時器定時地觸發對所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓的采樣操作；將檢測到的所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓與參考電壓相比較，得到偏差信號；使用PI調節器、計算、限幅、比較環節得到導通比；通過將所述導通比與三角波相比較；以及根據所述導通比與三角波的比較結果生成PWM信號，以將所述雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。
[0010]與現有技術相比，本發明的包含有雙向直流/直流轉換器的光伏供電系統減少了逆變環節，即在最大功率追蹤器輸出直流電后，僅僅經由單向直流/直流轉換器便直接傳送給直流負載，因此可以大大減少整個光伏供電系統的能量損耗，從而提高光伏轉換的效率。另外，本發明的包含有數字信號處理控制器的光伏供電系統滿足了光伏供電系統對時間實時性的要求，采用數字控制技術取代傳統的模擬控制技術，其一方面可以明顯減少硬件電路的器件，提高控制的精度，另一方面消除了溫漂現象，從而進一步有效地降低了光伏供電系統的成本并提高了功效。
[0011]以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明，以使本發明的特性和優點更為明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1所示為現有技術的一種光伏供電系統的結構框圖；
[0013]圖2所不為本發明一個實施例的基于雙向直流/直流轉換器的光伏供電系統的結構框圖；
[0014]圖3所示為本發明如圖2所示實施例的光伏供電系統中的雙向直流/直流轉換器的電路不意圖；
[0015]圖4所示為如圖3所示實施例的雙向直流/直流轉換器工作在降壓模式下的等效電路不意圖；
[0016]圖5所示為如圖3所示實施例的雙向直流/直流轉換器工作在升壓模式下的等效電路不意圖；
[0017]圖6所示為本發明如圖3所示實施例的雙向直流/直流轉換器的控制電路連接示意圖；
[0018]圖7所示為本發明如圖6所示實施例的DSP控制器的結構框圖；
[0019]圖8所示為如圖7所示實施例的DSP控制器的控制方法的流程示意圖；以及
[0020]圖9所示為圖8所示實施例的DSP控制器的中斷服務的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0021]以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。盡管本發明將結合一些【具體實施方式】進行闡述和說明，但需要注意的是本發明并不僅僅只局限于這些實施方式。相反，對本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
[0022]另外，為了更好的說明本發明，在下文的【具體實施方式】中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外一些實例中，對于大家熟知的方法、流程、元件和電路未作詳細描述，以便于凸顯本發明的主旨。
[0023]圖2所不為本發明一個實施例的基于雙向直流/直流轉換器的光伏供電系統的結構框圖。本實施例的基于雙向直流/直流轉換器的光伏供電系統用于給直流負載29供電，其進一步包括光伏陣列20 (例如，太陽能電池板)，MPPT22，單向直流/直流轉換器24，雙向直流/直流轉換器26以及蓄電池模塊28。其中，本發明的光伏供電系統還包括數字信號處理控制器(Digital Signal Processing,簡稱DSP控制器)27,該DSP控制器27的一端連接至雙向直流/直流轉換器26，用于控制該雙向直流/直流轉換器26 ;該DSP控制器27的另一端經由反饋回路連接至直流負載29。
[0024]結合圖2和圖1可知，相較于如圖1所示的現有技術的光伏供電系統，本發明的包含有雙向直流/直流轉換器26的光伏供電系統減少了逆變環節，即在MPPT22輸出直流后，僅僅經由單向直流/直流轉換器24便直接傳送給直流負載29，因此可以大大減少整個光伏供電系統的能量損耗，從而提高光伏轉換的效率。另外，本發明的包含有DSP控制器27的光伏供電系統滿足了光伏供電系統對時間實時性的要求，采用數字控制技術取代傳統的模擬控制技術，其一方面可以明顯減少硬件電路的器件，提高控制的精度，另一方面消除了溫漂現象，從而進一步有效地降低了光伏供電系統的成本并提高了功效。
[0025]接著,請參閱圖3至圖5。其中，圖3所示為本發明如圖2所示實施例的光伏供電系統中的雙向直流/直流轉換器26的電路示意圖。圖4所示為如圖3所示實施例的雙向直流/直流轉換器26工作在降壓模式下的等效電路示意圖。圖5所示為如圖3所示實施例的雙向直流/直流轉換器26工作在升壓模式下的等效電路示意圖。以下將結合圖2至圖5詳細地說明本發明的光伏供電系統的操作。
[0026]光伏陣列20輸出的電經由MPPT22升壓后輸出，當光照充足時，即此時光伏陣列20輸出的電能大于直流負載29所需的電能時，通過控制雙向直流/直流轉換器26，多余的電能將用于給蓄電池模塊28充電，此時，雙向直流/直流轉換器26工作在降壓模式下。
[0027]參閱圖4，當雙向直流/直流轉換器26工作在降壓模式下時，S1、S4作為一對開關管，S2、S3作為另外一對開關管接入電路。當SI和S4都導通，S2和S3都關斷時，變壓器一次側N3處的電壓為正，變壓器二次側NI和N2處的感應電壓都為正，此時位于變壓器二次側NI的支路上的二極管D5不導通，位于變壓器二次側N2的支路上的二極管D6導通，進而對直流負載29(圖4未示出)施加上正下負的電壓，并對電容充電，形成回路。當S2和S3都導通，SI和S4都關斷時，變壓器一次側N3處的電壓為負，變壓器二次側NI和N2處的感應電壓都為負，此時位于變壓器二次側N2的支路上的二極管D6不導通，位于變壓器二次側NI的支路上的二極管D5導通，進而對直流負載29(圖4未示出)施加上正下負的電壓，并對電容充電，形成回路。變壓器一次側的LC電路具有濾波功能，以防止高頻電壓對直流負載產生干擾，進而抑制電壓尖峰的現象。在一個較佳的實施例中，變壓器T的變比為η =Ν3/Ν1 = Ν3/Ν2 = 2，通過1/2變壓器的二級側為負載提供上正下負的Uin/2電壓，從而實現了降壓的功能。
[0028]光伏陣列20輸出的電經由MPPT22升壓后輸出，當光照不足時，即光伏陣列20輸出的電能不能滿足直流負載29所需要的電能時，通過控制雙向直流/直流轉換器26，不足的部分由蓄電池模塊28通過雙向直流/直流轉換器26匯集，再通過單向直流/直流轉換器24 —起給直流負載29，補充所需要的電能，此時雙向直流/直流轉換器26工作在升壓模式下。
[0029]參閱圖5，當雙向直流/直流轉換器26工作在升壓模式下時，變壓器推挽側的S5、S6作為一對開關管，由于變壓器推挽側連接至光伏陣列20(圖5未示出)，電壓不太穩定，因此需要在變壓器推挽側串聯接入一個電感。當S5導通，S6關斷時，變壓器一次側NI處的電壓為正，變壓器二次側N3處的感應電壓為正，于是變壓器二次側N3處連接的二極管D2、D3作為整流二極管導通工作，為直流負載(圖5未示出)提供上正下負的電壓，同時為電容充電，形成一個回路。當S5關斷，S6導通時，變壓器一次側N2出的電壓為負，變壓器二次側N3處的感應電壓為負，于是變壓器二次側N3處連接的二極管D4、Dl作為整流二極管導通工作，為直流負載(圖5未示出)提供上正下負的電壓，同時為電容充電，形成一個回路。由于變壓器推挽側有電感的存在，因此在S5和S6的占空比大于50%。在一個較佳的實施例中，變壓器T變比為η = Ν3/Ν1 = Ν3/Ν2 = 2，則變壓器二次側為負載提供上正下負的2Uin電壓，從而實現了升壓的作用。
[0030]除了圖4所示的降壓模式以及圖5所示的升壓模式之外，當在晚上或者陰雨天的時候，光伏陣列20輸出的電能為零時，此時MPPT22停止工作，通過控制雙向直流/直流轉換器26用蓄電池模塊28(例如，48V的蓄電池模塊)單獨給直流負載29提供電能。由于雙向直流/直流轉換器26的輸出電壓與蓄電池模塊28的輸出電壓等級差比較大,在一個較佳的實施例中，雙向直流/直流轉換器26采用隔離型的結構；此外，由于反激式雙向直流/直流轉換器具有結構簡單、成本比較低以及瞬態響應較快等優點，因此，在一個較佳的實施例中，雙向直流/直流轉換器26為基于推挽電路拓撲結構電流型雙向直流/直流轉換器。
[0031]圖6所示為本發明如圖3所示實施例的雙向直流/直流轉換器26的控制電路連接示意圖。如圖6所示，DSP控制器27根據光伏陣列20的輸出以及直流負載29的狀態控制雙向直流/直流轉換器26中的功率開關管SI至S6的導通與否，從而將雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式，DSP控制器27與雙向直流/直流轉換器26之間還可以進一步包括驅動電路25。在一個較佳的實施例中，該DSP控制器27可以是TMS320F2407芯片。進一步地，該DSP控制器27進一步包括A/D采樣單元270，計算單元272以及PWM信號發生器 274。
[0032]接著，請參閱圖7至圖9。圖7所示為本發明如圖6所示實施例的DSP控制器27的結構框圖。圖8所示為如圖7所示實施例的DSP控制器27的控制方法的流程示意圖。圖9所示為圖8所示實施例的DSP控制器27的中斷服務的流程示意圖。以下結合圖7至圖9詳細地說明如圖6所示實施例的DSP控制器27的操作。
[0033]DSP控制器27在開始操作之后執行步驟SlO。在步驟SlO中，執行采樣操作，并判斷采樣值是否正常。在一個實施例中，DSP控制器27中的A/D采樣單元270通過采樣程序用事物管理器的定時器定時地觸發對單向直流/直流轉換器24的輸入電壓U2的采樣操作，并判斷采樣值是否正常，若正常，則執行步驟S12，若不正常，則執行步驟S14。在一個實施例中，A/D采樣單元270在采樣時采用級聯模式，一次做16個轉換，轉換通道分別為0-15。轉換完成后，在DSP控制器27的中斷服務子程序中讀出轉換結果，該中斷服務子程序完成一次A/D米樣。
[0034]在步驟S12中，根據相應的算法計算相關的信號參數。在一個實施例中，首先，DSP控制器27中的計算單元272將檢測到的單向直流/直流轉換器24的輸入電壓U2與參考電壓U3(例如，輸入電壓期望值)相比較，得到偏差信號e ;接著，通過計算單元272中的PI控制單元2720使用PI調節器、計算、限幅、比較環節得到導通比α。
[0035]在步驟S14中，執行中斷服務。下文將結合圖9對一個實施例進行詳細地說明。
[0036]在步驟S16中，生成PWM信號，以將雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。在一個實施例中，通過將計算得到的導通比α與計算單元272中的比較器2722產生三角波相比較，生成驅動PWM信號，進而控制單向直流/直流轉換器24的輸入電壓。更詳細地說，經過以上步驟，生成的PWM有兩種情況:①當測得U2小于U3，說明光伏陣列20不能滿足直流負載29所需要的電能，DSP控制器27將生成占空比大于50%的PWM信號，從而使光伏供電系統的雙向直流/直流轉換器26工作在升壓模式當測得U2大于U3，說明光伏陣列20產生的電能大于直流負載27所需要的電能，DSP控制器27將生成占空比小于50%的PWM信號，從而使光伏供電系統的雙向直流/直流轉換器26工作在降壓模式。
[0037]圖9所示，進入DSP控制器27的中斷服務之后進一步包括如下步驟:在步驟S20中，進行電流電壓采樣；接著，在步驟S22中，執行運行控制；隨后，在步驟S24中，進行電流PI調節；最后，在步驟S26中，調節PWM信號的占空比。
[0038]上文【具體實施方式】和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明范圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、布局、比例、材料、元素、組件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用于說明而非限制，本發明之范圍由后附權利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
【權利要求】
1.一種光伏供電系統，用于給直流負載供電，所述光伏供電系統少包括:光伏陣列，用于將光能轉換為電能；最大功率點跟蹤器，用于追蹤所述光伏陣列的最大功率點，并輸出直流電；單向直流/直流轉換器，用于將所述最大功率點跟蹤器輸出的直流電轉換為預定電平的直流電； 其特征在于，所述光伏供電系統還包括: 雙向直流/直流轉換器，當所述光伏陣列輸出的電能大于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器控制將多余的電能用于給蓄電池模塊充電；當所述光伏陣列輸出的電能小于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器控制由所述蓄電池模塊補充所述直流負載所需的電能不足的部分。
2.根據權利要求1所述的光伏供電系統，其特征在于，當所述光伏陣列輸出的電能為零時，停止所述最大功率點追蹤器，所述雙向直流/直流控制由所述蓄電池模塊單獨給所述直流負載供電。
3.根據權利要求1所述的光伏供電系統，其特征在于，所述光伏供電系統還包括數字信號處理控制器，其一端連接所述雙向直流/直流轉換器，用于控制所述雙向直流/直流轉換器，其另一端經由反饋回路連接至所述直流負載。
4.根據權利要求1所述的光伏供電系統，其特征在于，當所述光伏陣列輸出的電能大于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器工作在降壓模式下。
5.根據權利要求1所述的光伏供電系統，其特征在于，當所述光伏陣列輸出的電能小于所述直流負載所需的電能時，所述雙向直流/直流轉換器工作在升壓模式下。
6.根據權利要求1所述的光伏供電系統，其特征在于，所述雙向直流/直流轉換器采用隔離型的結構。
7.根據權利要求1所述的光伏供電系統，其特征在于，所述雙向直流/直流轉換器為基于推挽電路拓撲結構電流型雙向直流/直流轉換器。
8.根據權利要求3所述的光伏供電系統，其特征在于，所述數字信號處理控制器根據所述光伏陣列的輸出以及所述直流負載的狀態控制所述雙向直流/直流轉換器中的功率開關管的導通與關閉，從而將所述雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。
9.根據權利要求8所述的光伏供電系統，其特征在于，所述數字信號處理控制器與所述雙向直流/直流轉換器之間包括驅動電路。
10.根據權利要求3所述的光伏供電系統，其特征在于，所述數字信號處理控制器進一步包括: A/D采樣單元，用于通過采樣程序用事物管理器的定時器定時地觸發對所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓的采樣操作； 計算單元，用于將檢測到的所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓與參考電壓相比較，得到偏差信號；接著，使用PI調節器、計算、限幅、比較環節得到導通比；隨后，通過將所述導通比與三角波相比較；以及 PWM信號發生器，根據所述導通比與三角波的比較結果生成PWM信號，以將所述雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。
11.根據據權利要求3所述的光伏供電系統，其特征在于，所述數字信號處理控制器為TMS320F2407 芯片。
12.一種光伏供電系統的控制方法，其應用于包括有雙向直流/直流轉換器的光伏供電系統，其特征在于，所述光伏供電系統的控制方法至少包括以下步驟: 執行采樣操作，并判斷采樣值是否正常； 當所述采樣值為正常時，根據相應的算法計算相關的信號參數； 當所述采樣值非正常時，執行中斷服務； 輸出相應的PWM信號進而將所述雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。
13.根據權利要求12所述的光伏供電系統的控制方法，其特征在于，所述根據相應的算法計算相關的信號參數的步驟進一步包括: 通過采樣程序用事物管理器的定時器定時地觸發對所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓的采樣操作； 將檢測到的所述單向直流/直流轉換器的輸入電壓與參考電壓相比較，得到偏差信號; 使用PI調節器、計算、限幅、比較環節到導通比； 通過將所述導通比與三角波相比較；以及 根據所述導通比與三角波的比較結果生成PWM信號，以將所述雙向直流/直流轉換器切換至合適的工作模式。
【文檔編號】H02S10/20GK104184396SQ201410398457
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月13日 優先權日:2014年8月13日
【發明者】林貞汛, 蔣贏, 潘婷, 藍培芝, 董玉龍, 唐良美, 黃遠康, 賀翔宇 申請人:上海電機學院