一种光伏电池最大功率点跟踪控制电路及方法

本发明涉及一种能够实现光伏电池最大功率点跟踪(mppt)的电源技术，特别涉及一种光伏电池最大功率点跟踪控制电路及方法，一种根据恒电压法结合光伏电池输出电压和输出功率的逻辑关系，最终实现最大功率点跟踪的电源技术。

背景技术：

目前光伏电池的mppt控制技术种类很多，可通过mppt的特征以及实现的机理过程将其分为三大类：

1、基于参数选择的间接控制，主要有恒定电压法、短路电流比例系数法等；

2、基于采样数据的直接控制，主要包括扰动电压法和电导增量法；

3、基于现代控制理论的人工智能算法，有基于模糊理论的控制策略、滑膜控制法等等。

扰动观察法是如今最广泛应用的方法之一，因为其简单成本低还易于实现，但其精度不够高，难以兼顾控制精度和响应速度，光照强度剧烈变化时可能会出现失误的判别，寻找最合适扰动量时需要多次尝试且工作点只能在附近振荡，不够准确，会造成许多功率浪费；电导增量法则需要对微分进行计算，操作起来比较复杂，对实际应用的采样器要求也更高；模糊控制法因所依赖的控制规则缺乏在线自学习能力，控制器参数缺乏自调整能力，设计算法太复杂，不经济，成本高，控制不易实现，也难以满足实际控制需要。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种跟踪速度更快，精度更高的光伏电池最大功率点跟踪控制电路及方法，以恒电压法为基础，迅速跟踪至最大功率点附近，随后根据光伏电池输出电压和输出功率的逻辑关系实现最大功率点的准确跟踪，在寻求最大功率点的过程中不受pi控制器滞后效应的影响，使得跟踪速度更快，精度更高。

为解决上述技术问题，本发明设计的一种光伏电池最大功率点跟踪控制电路，包括电力变换电路、光伏电压检测电路1、光伏电流检测电路2、第一判断电路3、电压延迟电路4、乘法电路5、pi控制电路6、脉宽调制信号生成电路7、电压比较电路8、功率延迟电路9、功率比较电路10、乘法电路11、第二判断电路12、第三判断电路13和驱动电路14；

并联在光伏电池输出端两侧的光伏电压检测电路1的输出端分别与第一判断电路3的一个输入端、电压延迟电路4的输入端、乘法电路5的一个输入端、pi控制器电路6的一个输入端、电压比较电路8的同相输入端相连接；

串联在光伏电池输出端的光伏电流检测电路2的输出端与乘法电路5的另一个输入端相连接；

光伏电池输出并联电容c并联在boost电路输入端的两侧；

boost电路输出端连接用电负荷；

第一判断电路3的另一个输入端接入给定的电压区间信号um±η，其中um为给定的光伏电池在标准条件下最大功率点所对应的输出电压，η是所允许的电压波动范围的幅值，第一判断电路3的输出端与第三判断电路13的第一输入端相连接；

电压延迟电路4的输出端与电压比较电路8的反相输入端相连接；

乘法电路5的输出端与功率延迟电路9的输入端和功率比较电路10的同相输入端相连接；

pi控制器电路6的另一个输入端接入给定的光伏电压区间信号um±η，pi控制器电路6的输出端与脉宽调制信号生成电路7的输入端相连接；

脉宽调制信号生成电路7的输出端与第三判断电路13的第二输入端相连接；

电压比较电路8的输出端与乘法电路11的一个输入端相连接；

功率延迟电路9的输出端与功率比较电路10的反相输入端相连接；

功率比较电路10的输出端与乘法电路11的另一个输入端相连接；

乘法电路11的输出端信号与第二判断电路12的输入端相连接；

第二判断电路12的输出端与第三判断电路13的第三输入端相连接；

第三判断电路13的输出端与驱动电路14的输入端相连接；

驱动电路14的输出端与电力变换电路的电力电子开关器件的控制端相连接。

作为本发明的一个优选方案，电力变换电路为boost电路。

一种采用上述光伏电池最大功率点跟踪控制电路的控制方法，光伏电压检测电路1对光伏电池的输出电压进行实时检测，并将检测的结果以模拟信号的形式实时输出至第一判断电路3的一个输入端、电压延迟电路4的输入端、乘法电路5的一个输入端、pi控制器电路6的一个输入端、电压比较电路8的同相输入端，输出信号为upv；

光伏电流检测电路2对光伏电池的输出电流进行实时检测，并将检测的结果以模拟信号的形式实时输出至乘法电路5的另一个输入端，输出信号为ipv；

第一判断电路3判断upv与给定的电压区间信号um±η大小关系，当um-η<upv<um+η，第一判断电路3输出高电平信号，反之则输出低电平信号，输出信号传输至第三判断电路13的第一输入端；

电压延迟电路4将输入信号upv延迟给定时间后输出至电压比较电路8的反相输入端；

电压比较电路8对两个输入信号进行比较，当同相输入端信号大于反相输入端信号时，其输出信号为正，表明此时光伏电池输出电压是逐渐上升的，反之输出为负，表明此时光伏电池输出电压是逐渐下降的；

乘法电路5对upv和ipv进行乘法运算，得到当前光伏电池的输出功率值，并将运算结果以模拟信号的形式实时输出至功率延迟电路9的输入端和功率比较电路10的同相输入端；

光伏功率延迟电路9将输入信号延迟固定时间后，输出至功率比较电路10的反相输入端；

功率比较电路10对两个输入信号进行比较，当同相输入端信号大于反相端输入信号时，输出信号为正，表明此时光伏电池的输出功率是逐渐上升的，反之输出为负，表明此时光伏电池的输出功率是逐渐下降的；

电压比较电路8与功率比较电路10输出的信号传送至乘法电路11，乘法电路11的输出传送至第二判断电路12；当乘法电路11的输出信号为负时，此时光伏电池的工作点位于p-u特性曲线上的最大功率点右侧，第二判断电路12的输出信号为高电平；当乘法电路11的输出信号为正时，此时光伏电池的工作点位于p-u特性曲线上的最大功率点左侧，第二判断电路12的输出信号为低电平；第二判断电路12的输出信号传输至第三判断电路13的第三输入端；

pi控制器电路6将upv作为反馈信号，给定的光伏电压区间信号um±η作为给定信号，利用pi控制器输出调节信号传输至脉宽调制信号生成电路7；

脉宽调制信号生成电路7的输出信号传输至第三判断电路13的第二输入端；

第一判断电路3的输出为低电平时，第三判断电路13将脉宽调制信号生成电路7的输出传送至驱动电路14，对电力变换电路进行控制，利用恒电压法使光伏电池的输出功率扰动到最大功率点附近；当第一判断电路3的输出为高电平时，第三判断电路13将第二判断电路12的输出传送至驱动电路14，对电力变换电路进行控制，当第二判断电路12的输出信号为高电平时，令电力变换电路中的电力电子开关器件导通，光伏电池的工作点沿着p-u特性曲线逐步左移至最大功率点，当第二判断电路12的输出信号为低电平时，令电力变换电路的电力电子开关器件关断，光伏电池的工作点沿着p-u特性曲线逐步右移至最大功率点。

本发明的有益效果：和现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可以迅速跟踪到最大功率点，解决了最大功率点跟踪初始阶段时间过长的问题，进一步提高了跟踪速度，实用性强。

(2)利用了光伏电池的输出电压与输出功率的变化情况，通过逻辑关系来控制boost电路中电力电子开关器件的工作状态，方法简单易于实现，无需进行扰动量的调节，进一步提高了跟踪精度。

附图说明

图1本发明一种光伏电池最大功率点跟踪控制电路结构图。

具体实施方式

结合图1，本发明中所提出的光伏电源主要由电力变换电路、控制电路等构成。电力变换电路为典型的boost电路。控制电路主要包括：光伏电压检测电路1、光伏电流检测电路2、判断电路3、光伏电压延迟电路4、乘法电路5、pi控制电路6、脉宽调制信号生成电路7、光伏电压比较电路8、光伏功率延迟电路9、光伏功率比较电路10、乘法电路11、判断电路12、判断电路13、驱动电路14。

控制电路连接关系为：

a、b两点为光伏电池的连接点，光伏电压检测电路1并联在光伏电池输出端两侧，检测光伏电池的输出电压信号，其输出分别与判断电路3的输入端、光伏电压延迟电路4、乘法电路5、pi控制器电路6、光伏电压比较电路8的同相输入端的对应输入端相连接；

光伏电流检测电路2与光伏电池输出端串联，检测光伏电池的输出电流，输出电流信号传递至乘法电路5中；

电容c并联在boost电路输入端的两侧，boost电路的输出端与c、d点相连接，c、d点之间可接入各种用电负荷；

判断电路3的另一个输入端接入的是给定的光伏电池最大功率点附近的光伏电压区间信号um±η，其中um为给定的光伏电池在标准条件下最大功率点所对应的输出电压，η是采用恒电压法控制时所允许的输出电压波动范围的幅值，η的大小可根据控制需求和光伏电池的输出特性来进行选取，电路的输出端与判断电路13的一个输入端相连接；

光伏电压延迟电路4的输出端与光伏电压比较电路8的反相输入端相连接；

乘法电路5的输出端与光伏功率延迟电路9、光伏功率比较电路10的同相输入端相连接；

pi控制器电路6的另一个输入端为给定的光伏电池最大功率点附近的光伏电压区间信号um±η，其输出端与脉宽调制信号生成电路7输入端相连接；

脉宽调制信号生成电路7的输出信号与判断电路13的一个输入端相连接；

光伏电压比较电路8的输出端与乘法电路11的一个输入端处相连接；

光伏功率延迟电路9的输出端与光伏功率比较电路10的反相输入端相连接；

光伏功率比较电路10的输出端与乘法电路11的另一个输入端相连接；

乘法电路11的输出端信号与异或逻辑电路12的输入端相连接；

判断电路12的输出端与判断电路13的一个输入端相连接；

判断电路13的输入端有三个端口，分别与比较电路3的输出端、脉宽调制信号生成电路7的输出端、判断电路12的输出端相连接，其输出端与驱动电路14的输入端相连接；

驱动电路14的输出端与boost电路的电力电子开关器件的控制端相连接。

各个电路的具体功能如下所述：

光伏电压检测电路1的作用是对光伏电池的输出电压进行实时检测，并将检测的结果以模拟信号的形式实时输出，输出信号为upv；

光伏电流检测电路2的作用是对光伏电池的输出电流进行实时检测，并将检测的结果以模拟信号的形式实时输出，输出信号为ipv；

判断电路3的作用是将光伏电池的输出电压与所给定的光伏电池最大功率点附近的光伏电压区间信号的大小进行判断，当输出电压在所给定的光伏电池最大功率点附近的光伏电压区间内，即um-η<upv<um+η，此时电路输出高电平信号，反之则输出低电平信号；

光伏电压延迟电路4和光伏功率延迟电路9的作用是将输入信号延迟一段时间后再输出，即输出信号与输入信号的波形完全一致，只是输出信号波形在时间上滞后于输入信号波形一个固定时间段；

乘法电路5的作用是对光伏电流检测电路2的输出和光伏电压检测电路1的输出进行乘法运算，即得到当前光伏电池的输出功率值，并将运算结果以模拟信号的形式实时输出；

pi控制器电路6利用输入的光伏电池输出电压信号和所给定的光伏电池光伏电池最大功率点附近的光伏电压区间信号，采用pi控制，输出调节信号，目的是让光伏电池的输出电压可以迅速到达最大光伏功率点附近的电压值，使得光伏电池可以迅速跟踪到最大功率点附近；

脉宽调制信号生成电路7的作用是根据输入调节信号的大小生成频率恒定、占空比变化的pwm信号；

光伏电压比较电路8和光伏功率比较电路10的作用是对各自的两个输入信号进行比较，当同相输入端信号大于反相输入端信号时，电路输出信号为正；当同相输入端信号小于反相输入端信号时，电路输出信号为负；

乘法电路11的作用是将光伏电压比较电路8和光伏功率比较电路10所输出的信号相乘得到新的输出信号；

判断电路12的作用是对乘法电路11的输出信号进行判断，如果输入信号为负，则输出高电平，反之输出为低电平；

判断电路13的作用是将判断电路3输出的高低电平信号作为判断条件进行输出脉冲信号的选择判断，当判断电路3的输出为高电平时，其输出信号为判断电路12所提供的输入信号，当判断电路3的输出为低电平时，其输出的脉冲信号为脉宽调制信号生成电路7所提供的输入信号；

驱动电路14的作用是对判断电路13所输出的信号进行电气隔离和功率放大处理，使之能够实现对boost电路中的电力电子开关器件的驱动。

本发明所提出的光伏电源与光伏电池、用电负荷正确连接后，在正常的工作过程中，其工作原理如下所述：

电压检测电路1与电流检测电路2分别对光伏电池的输出电压与输出电流进行采集；

当输出电压在所给定的光伏电池最大功率点附近的光伏电压区间内，即um-η<upv<um+η，判断电路3的输出高电平信号，反之判断电路3输出低电平信号；

pi控制器电路6将光伏电池输出电压信号upv作为反馈信号，所给定的光伏电池光伏电池最大功率点附近的光伏电压区间信号um±η作为给定信号，利用pi控制器输出调节信号；

光伏电压延迟电路4将输入信号延迟固定时间后，传输到光伏电压比较电路8的反相输入端；

光伏电压比较电路8将两个输入信号进行比较，当同相输入端信号大于反相端输入信号时，其输出信号为正，表明此时光伏电池输出电压是逐渐上升的，反之输出为负，表明此时光伏电池输出电压是逐渐下降的；

乘法电路5将输出电流信号与输出电压信号相乘得到此时的光伏电池的输出功率信号；

光伏功率延迟电路9将输入信号延迟固定时间后，输出至光伏功率比较电路10的反相输入端；

光伏功率比较电路10将输入端两端的光伏功率信号进行比较，当同相输入端信号大于反相端输入信号时，输出信号为正，表明此时光伏电池的输出功率是逐渐上升的，反之输出为负，表明此时光伏电池的输出功率是逐渐下降的；

光伏电压比较电路8与光伏功率比较电路10输出的信号传送至乘法电路11，乘法电路11的输出再传送至判断电路12。当乘法电路11的输出信号为负时，此时有两种情况：一种是输出电压处于增加状态，但是输出功率处于下降状态；另一种情况是输出电压处于下降状态，但是输出功率处于增加状态。根据光伏电池的p-u特性可知，此时光伏电池的工作点位于p-u特性曲线上的最大功率点右侧，此时只有让输出电压下降才可以追踪到最大功率点，因此判断电路12的输出信号为高电平，令boost变换器中的电力电子开关器件导通，光伏电池的工作点就会沿着p-u特性曲线逐步左移至最大功率点。当乘法电路11的输出信号为正时，此时有两种情况：一种是输出电压和输出功率都处于增加状态；另一种情况是输出电压和输出功率都处于下降状态。根据光伏电池的p-u特性可知，此时光伏电池的工作点位于p-u特性曲线上的最大功率点左侧，此时只有让输出电压上升才可以追踪到最大功率点，因此判断电路12的输出信号为低电平，令boost变换器中的电力电子开关器件关断，光伏电池的工作点就会沿着p-u特性曲线逐步右移至最大功率点。

判断电路3的输出为低电平时，判断电路13将脉宽调制信号生成电路7的输出传送至驱动电路14，实现对boost电路的控制，即利用恒电压法使光伏电池的输出功率迅速扰动到最大功率点附近(和最大功率点之间的误差与η的大小相关)。当判断电路3的输出为高电平时，判断电路13将判断电路12的输出传送至驱动电路14，实现对boost电路的控制，使得光伏电池能够运行在最大功率点处。

以上过程不断反复进行，在各种运行工况下光伏电池的输出功率点都会稳定在p-u特性曲线的最大功率点处，最终实现对光伏电池的最大功率点跟踪。

boost电路内部器件选型和参数计算与现有的boost电路的器件选型和参数计算完全一致。

电容c的选取和参数设计与现有的光伏电池输出并联电容的选取和设计方法完全一致。

电压检测电路1可参照现有的各种能够对电压进行检测的电路进行设计和实现，例如可以采用霍尔型电压传感器辅以相应的信号处理电路。

电流检测电路2可参照现有的各种能够对电流进行检测的电路进行设计和实现，例如可以采用霍尔型电流传感器辅以相应的信号处理电路。

乘法电路5和乘法电路11可以采用具有乘法功能的乘法器来实现，例如ad834芯片辅以相应的外围电路。

光伏电压比较电路8和光伏功率比较电路10可以采用现有的具有输入量比较功能的电路来实现，例如以运算放大器为核心辅以相应的外围电路。为了提高电路的抗干扰性能，也可以采用滞环比较器(窗口比较器)来实现。

光伏电压延迟电路4和光伏功率延迟电路9可以采用现有的各种具有延迟功能的电路来实现，例如延迟线电路、采样保持电路等，例如可以采用shc5320芯片辅以相应的外围电路。延迟时间的长短，需要根据实际情况予以设定。

pi控制器电路6可采用现有的能够实现数据通讯和pi控制器功能的电路构成。例如可采用数字信号处理器(dsp)，通过内部的编程计算实现pi控制器功能，pi控制器的初始比例系数和初始积分系数的选取，可参照现有pi控制器控制参数的设计方法。

脉宽调制信号生成电路7可采用现有的各种脉宽调制信号生成电路，也可以利用具有pwm输出功能的数字信号处理器(dsp)或者单片机来实现。

判断电路3、判断电路12与判断电路13可采用现有的逻辑判断电路或其他芯片辅以相应的外围电路实现。

驱动电路14可采用与boost电路中的电力电子开关器件相匹配的各种现有驱动电路来实现。