一种太阳能独立发电控制器、太阳能发电系统及方法与流程

本发明涉及一种结合物联网的高效太阳能发电系统，具体地说，涉及一种可以实现太阳能高效转化太阳能独立发电控制器，以及可以通过物联网技术实现远程实时监控和显示用户在使用过程中每日发电量变化的智能太阳能发电系统。

背景技术：

以煤、石油和天然气为主的能源消耗结构使环境污染问题日益严重，加上非可再生能源的枯竭，开发和利用绿色环保可再生能源，优化能源结构已经成为世界各国和民众的共同诉求。在诸多可替代的能源选择方案当中，太阳能是非常符合可持续发展战略的理想绿色能源。

由于太阳能电池板特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载等情况影响，在一定的光照强度和环境温度下，太阳能电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才达到最大值，这时太阳能电池的工作点就达到了输出功率-输出电压曲线的最高点，即最大功率点(maximumpowerpoint，mpp)。因此，需要采用最大功率跟踪(maximumpowerpointtracking，mppt)控制电路来实时跟踪最大功率点mpp电压，来控制太阳能电池板的输出电压，进而提高利用效率。

现有采用mppt电路的一种太阳能电池板供电装置，还需要防倒灌功能，一般是采用传统二极管及继电器电路防倒灌，缺点是其产生大量功率损耗和大量发热量，而采用继电器方式占用大量空间及成本且耗能严重。为此，需要将防倒灌与太阳能最大功率点跟踪技术进一步改进，使其具备防倒灌功能的高效转化电路。

作为进一步改进，目前大多数太阳能发电系统都是通过面对面进行按键屏幕进行人机交互的，这对人的行动造成了很大的限制，而且难以实时监测充电情况，有的发电控制器甚至不带有人机交互使使用者难以直观的知道当前工作状态；虽然现在有部分太阳能发电系统可以实现远程监测充电情况，但是却不能建立相应的数据库，为用户提供一个长时间段内的发电信息。为此，还有必要结合物联网技术，做成具有远程监测功能和数据库的智能太阳能发电系统，是非常有必要的。

技术实现要素：

为解决防倒灌与太阳能最大功率点跟踪技术进一步改进结合，本发明的目的在于提供具备防倒灌功能及高效转化的太阳能独立发电控制器、太阳能发电系统及方法。

本发明提供的第一种方案是：太阳能独立发电控制器，应用于一太阳能发电系统，控制所述太阳能供电装置工作于最大功率状态，用以根据太阳能电池板的状态输出相应的控制信号及输出电压给蓄电池，其特征在于，包括：主电路、采样电路、微处理控制电路、mos管驱动电路、电源电路，其中

电源电路，将蓄电池电压转换成工作电压用于为微处理控制电路和mos管驱动电路提供相应的工作电压；主电路，其输入端接太阳能电池板，输出端接蓄电池，用于将输入的电压进行dc-dc转换升压输出给蓄电池；采样电路，用于将主电路输入输出电压、输出电流及温度转换成微处理控制电路输入信号；微处理器控制电路，用于接收采样电路输出的采样值检测，并使用最大功率点跟踪算法实现对主电路控制，保证太阳能最大功率向蓄电池充电；mos管驱动电路，微处理控制电路通过mos管驱动电路连接主电路，mos管驱动电路包括防倒灌mos管，当微处理控制电路检测到输入端电压低于输出端电压，控制mos管驱动电路打开防倒灌mos管nmos-in达到防倒灌；当微处理控制电路检测到输入端电压高于输出端电压，mos管驱动电路导通，使微处理控制电路控制主电路给蓄电池充电。

所述mos管驱动电路分为高端mos管驱动电路和低端mos管驱动电路；微处理控制电路输出控制信号pwm、以及与pwm互补且带有死区的pwmn；高端mos管驱动电路输入端与微处理控制电路输出pwm波的引脚相连，输出端与主电路高端mos管相连；低端mos管驱动电路输入端与微处理控制电路输出pwmn波的引脚相连，输出端与主电路低端mos管相连。

还包括防反向升压电路，微处理控制电路输出pwmn波的引脚连接防反向升压电路，防反向升压电路输出端连接低端mos管驱动电路输入端，当输入端电压低于输出端电压、正向电流为零时关闭低端mos管，此时主控电路不输出pwm，防止对蓄电池电压反向升压破坏控制器；当输入端电压大于输出端电压时，低端mos管导通，使微处理控制电路控制主电路给蓄电池充电。

主电路为双相交错并联同步buck电路，微处理控制电路输出pwm1、与pwm互补且带有死区的pwm1n，以及pwm2、与pwm互补且带有死区的pwm2n，驱动高端mos管、第一相buck电路的pwm1与驱动高端mos管、第二相buck电路的pwm2相位差180°

太阳能独立发电控制器还包括显示屏及wifi模块；显示屏与控制电路串口相连显示当前发电信息；所述wifi模块将控制电路发来的数据通过wifi发送到云服务器；所述云服务器对wifi模块发来的数据进行处理并基于此建立相应数据库；所述客户端通过网络与云服务器通讯，可以实时显示和控制太阳能独立发电控制器的工作状态以及了解用户每天的发电量的变化、一定时间段内的发电量等信息。

本发明提供的第二种方案是：一种高效太阳能发电系统，包括：太阳能电池板、太阳能独立发电控制器及蓄电池，太阳能独立发电控制器包括主电路模块，其输入端与太阳能电池板连接，用于输入电压，其输出端与蓄电池连接，用于输出电压，其特征在于，包括权利要求1-6所述的任一项太阳能独立发电控制器。

本发明提供的第三种方案是：一种高效太阳能发电及防倒灌方法，其特征在于，微处理控制电路输出pwm、与pwm互补且带有死区的pwmn，pwm输入高端mos管驱动电路，pwmn低端输入mos管驱动电路；当输入端电压低于输出端电压、正向电流为零时防反向升压电路关闭低端mos管，所有mos管都关闭，此时微处理控制电路不输出pwm；当输入端电压大于输出端电压时，mos管导通，微处理控制电路根据最大功率点跟踪算法输出pwm，控制主电路向蓄电池输出电压。

主电路为双相交错并联同步buck电路，微处理控制电路输出pwm1、与pwm互补且带有死区的pwm1n，以及pwm2、与pwm互补且带有死区的pwm2n，驱动高端mos管、第一相buck电路的pwm1与驱动高端mos管、第二相buck电路的pwm2相位差180°。

本发明的优点：

1、设计了带有基于mos管的防倒灌电路与防反向升压保护电路，当输入端电压低于输出端电压所有mos管都关闭，此时微处理控制电路不输出pwm；当输入端电压大于输出端电压时，mos管导通，基于单片机pid算法的微处理控制电路，保证太阳能电池板工作在最大功率点上，基于mos管的防倒灌电路省去了传统二极管防倒灌的大量功率损耗和大量发热量，省去了继电器防倒灌占用的大量空间及成本。

2、主电路未双相交错同步buck高效转化电路，微处理控制电路输出驱动高端mos管、第一相buck电路的pwm1与驱动高端mos管、第二相buck电路的pwm2相位差180°，双相交错180°可以使一相电感电流的上升阶段与另一相电感电流的下降阶段叠加，减小总体的电流纹波，从而在电感电流不变的情况下减小电感尺寸和电感值，减小电感损耗。将扰动范围快速限制在一定区间内，可以加快最大功率点跟踪速度，同时能适当减小步长，减小在最大功率点附近的波动，实现高效转化。

3、将太阳能发电与物联网技术结合起来，在实现对太阳能功率高效利用的同时，可以远程实时监控太阳能发电系统的发电信息，同时能利用用户的发电信息建立数据库，为用户提供自己每天的发电量的变化、一定时间段内的发电量等用户关注的信息。

4、使用了低成本电源芯片uc3843设计了低功率反激电源作为系统供电电源，同时还能简单地通过增加变压器绕组得到用于驱动mos管的隔离电源，省去了价格较高的驱动芯片，且隔离驱动提高了电路的安全性。使用了低成本电压比较器lm393的硬件层防反向升压保证了以蓄电池为负载时低占空比下同步buck的安全工作。

附图说明

图1是高效太阳能发电系统系统总体框图；

图2是太阳能独立发电控制器内部框图；

图3a、3b、3c是电源电路；

图4是主电路；

图5a是输入电压采样电路，5b是输出电压采样电路，5c是温度检测电路，5d是输出电流采样电路；

图6a、6b是控制电路；

图7是wifi模块、显示屏的连接线路图；

图8是防反向升压电路；

图9a是防倒灌mos管驱动电路，9b是高端mos管驱动电路，9c是低端mos管驱动电路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍。

参照图1，一种太阳能高效发电系统，包括太阳能电池板，太阳能独立发电控制器，

蓄电池组，wifi模块，云服务器，客户端。

参照图2，太阳能独立发电控制器，包括电源电路1、显示屏2、防反向升压电路3、微处理控制电路4、mos管驱动电路5、主电路6和采样电路7。1电源电路分别为2显示屏、3防反向升压电路、微处理控制电路4和mos管驱动电路5提供相应的工作电压；微处理控制电路分别与显示屏、防反向升压电路、mos管驱动电路、wifi模块相连。mos管驱动电路以防反向升压电路和微处理控制电路作为输入，然后输出可以驱动主电路中mos管的pwm波。采样电路从主电路采集输入输出电压电流及温度，然后输入到微处理控制电路。

参照图3a、3b、3c，电源电路以蓄电池作为输入，经u1与变压器t1构成的反激电源，u1的drv端根据c104与r105的值输出一定频率的pwm波控制变压器主绕组回路的mos管q1开关，形成变化的高频电流，从而出现变化的磁通，在次级绕组上也形成感生电流，后经二极管整流及电容蓄能：在5、6绕组形成5v电源；在3、4绕组形成12v电源；在11、12绕组形成基于主电路vs1点电位的隔离12v电源；在9、10绕组形成基于主电路vs2点电位的隔离12v电源；在7、8绕组形成基于太阳能电池板正极电位pv+的隔离12v电源，总共5组电源。u1芯片为uc3843，是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设置，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱式输出。

变压器t1采用12引脚的ee22卧式变压器。5v电源经过u2芯片后输出3.3v电源供控制电路使用，u2是低压差ldo电源芯片ams1117-3.3。

参考图4，主电路为双相交错并联同步buck电路，其输入端接太阳能电池板正负极pv+及pv-，输出端接蓄电池正负极charge+及gnd。其工作原理如下：控制电路根据采样电路检测输入输出端电压值，只有当输入端电压高于输出端电压时，控制电路才控制防倒灌电路的驱动电路打开防倒灌mos管nmos-in达到防倒灌的目的；以上面第一项buck为例，假设当前pwm1的占空比为d1，由于各路pwm的频率预设为20khz，即周期为50us，则在0—50*d1时间内高端mos管nmos1导通，太阳能电池板电流从nmos1经电感l1给滤波电容c2和蓄电池充电，同时电感电流线性上升；在50*d1—50us时间内，nmos1关闭，经500ns极短时间的死区后低端mos管nmos1n打开，电感电流不能突变而形成左负右正的电动势，电感电流经回路l1--蓄电池—电流采样电阻r_i—nmos1n—l1给蓄电池充电；而并联的另外一路buck2电路工作时序滞后buck1电路180°。综上，驱动第一相buck高端mos管的pwm1与驱动第二相buck高端mos管的pwm2相位差180°，而驱动低端mos管的pwm1n和pwm2n分别为带有500ns死区时间的与其对应高端pwm互补的波形，驱动波形如下图所示。mos管型号为irfb4110，其反向耐压值为100v，导通电阻为4毫欧，具有极低的导通损耗。

参考图5a、5b、5c、5d，图5a中输入电压经过rpv1和rpv2电阻分压后经过r301和c301组成的rc滤波后输入到控制电路ad采样接口，为了保护控制电路，使用d301进行钳位；图5b中输出电压经过rvo1和rvo2电阻分压后经过r302和c302组成的rc滤波后输入到控制电路ad采样接口，为了保护控制电路，使用d302进行钳位；图5c中温度检测电路由1％温敏电阻rntc和1％的10k电阻r306分压后经过r305和c305组成的rc滤波后输入到控制电路ad采样接口，为了保护控制电路，使用d304进行钳位；图5d中，电流经过主电路中的0.005r电流采样电阻r_i转化为电压信号后，经过u10组成的放大电路放大后经过r303和c303组成的rc滤波，然后输入到控制电路ad采样接口，为了保护控制电路，使用d303进行钳位，其中u10为sgm8581，是sgmicro生产的高精度、低成本的轨到轨运放。

参考图6a、6b，控制电路是由stm32f103c8t6组成的最小系统。它是基于armcortex-m3内核的32位单片机，具有1μs的12位adc，4兆位/秒的uart，18兆位/秒的spi，18mhz的i/o翻转速度。在72mhz时消耗36ma(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μa。具有集成度高，功耗低，速度快，精度高的特点。

参考图7，为液晶屏和wifi模块与控制电路的接口连接关系，其中液晶屏使用的串口屏，只需要通过串口发送预定义的指令就可以实现界面显示；wifi模块使用的是乐鑫的esp8266模块，内置32位低功耗cpu，内置tcp/ip协议栈，内置tr开关、balun、lna、功率放大器和匹配网络，控制电路只需要发送简单的at指令就可以完成配置。

参考图8，u8为比较器lm393，通过比较pv-和gnd的电位来检测电流的方向，其输出分别与控制电路输出的tim1_ch1n和tim1_ch3n输入到u9的与门芯片74hc08，然后输出的lm_ch1n和lm_ch3n作为低端mos管驱动电路的输入。

参考图9a、9b、9c，mos管驱动电路分为防倒灌mos管驱动电路、高端mos管驱动电路和低端mos管驱动电路。u3、u4、u5、u6和u7都为tlp350，是东芝公司生产的igbt门驱动光电耦合器，最大上升时间15ns，最大下降时间8ns。

本发明的工作原理为：首先接上太阳能电池板和蓄电池，此时电源电路开始工作并输出相应的不同电压，控制电路采集输入输出端电压决定是否开启防倒灌mos管从而决定充电是否进行。若进行充电，控制电路快速增大驱动高端mos管的pwm占空比，将太阳能电池板端电压控制到0.6-0.9倍的开路电压范围内，随后控制电路根据采集到的输入端电压电流信息计算当前功率和上一次功率，使用小步长的扰动观察法进行最大功率点跟踪；同时控制电路不断采集输出端的电压电流信息，进行软件层的过压过流保护；采集温度信息控制允许光伏充电控制器工作的最大功率，防止烧毁硬件；硬件层的防反向升压电路则根据电流流向结合pwm1n和pwm2n控制低端mos管的工作状态，可以有效阻止电流反向流动形成反向升压状况；控制电路通过串口1不断发送当前的充电信息给液晶屏显示，通过串口3将充电信息发送给wifi模块，wifi模块则将这些信息发送给云服务器，服务器对接收到的数据进行处理并建立数据库，用户可以通过客户端对控制器进行远程实时监控，也可以查看自己每天的发电量的变化、一定时间段内的发电量等信息。