本发明属于清洁能源技术领域，涉及一种太阳能发电组件的控制装置、发电装置及控制方法。
背景技术：
近年来，移动能源、能源共享的概念已经越来越普及，应用较多的太阳能移动能源即属于其中一个比较新的概念，而由于太阳能移动能源大多数是应用晶硅组件来制备，以及传统晶硅组件具有不可弯曲、电池芯片容易碎裂等缺陷，使得其成为制约太阳能移动能源快速发展的一个重要因素，于是，人们又研究出了柔性薄膜太阳能发电组件，其天然的可弯曲性决定了薄膜化将是太阳能移动能源的主流发展方向。
目前市面上可见的太阳能移动能源主要包括光伏发电纸、太阳能背包等产品，受光伏的光电转换效率以及相应产品尺寸的限制，上述太阳能移动能源的额定功率一般不超过40w，而从节约成本、高温环境下的适应性角度考虑，该类型产品一般不增加储能装置，均是采用简单的buck、boost或buck-boost电路实现输出电压调节，利用简单的棒棒(bang-bang)控制原理根据负荷电压变化(也是接口的输出电压)调整输出占空比进而调整输出电流和功率。
该类型的太阳能移动电源的缺陷包括：1)为了追踪mppt(maximumpowerpointtracking，最大功率点跟踪)功能，不控制输出电压，通过较大的输出电压波动并配合电源管理芯片来传递输入侧能量，使得电压质量差；2)不具备最大功率跟踪功能，即使太阳能发电组件输出功率已小于负载输入功率时，太阳能发电组件仍不能运行在最大功率点处。
因此，现有技术一般都是舍弃电压质量，采用mppt专用控制芯片来追踪最大功率，使得太阳能发电组件输出功率稳定在最大，但却无法在单级dc/dc变换电路上实现最大功率跟踪和输出电压稳定的双重控制功能。
技术实现要素：
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种实现最大功率跟踪和输出电压稳定的双重控制功能的一种太阳能发电组件的控制装置、发电装置及控制方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种太阳能发电组件的控制装置，包括：采集器，分别连接至太阳能发电组件和转换电路，用于分别采集太阳能发电组件的输出电压和输出电流，以及转换电路的输出电压并发送至控制器；控制器，与采集器连接，并连接至转换电路，用于基于太阳能发电组件的输出电压和输出电流，以及转换电路的输出电压计算得到占空比，并控制占空比作用于转换电路，使太阳能发电组件输出的电压稳定且输出功率达到当前环境下的最大值。
进一步地，所述控制器包括：最大功率控制器，与所述采集器连接，用于基于所述太阳能发电组件的输出电压和输出电流进行最大功率跟踪计算，得到第一子占空比；补偿器，与所述转换电路连接，用于基于所述转换电路的输出电压进行计算，得到第二子占空比，所述第二子占空比用于补偿所述第一子占空比；叠加器，分别与所述最大功率控制器和所述补偿器连接，用于基于所述第一子占空比和所述第二子占空比进行叠加计算，得到所述占空比。
进一步地，所述基于所述转换电路的输出电压进行计算，包括：判断所述转换电路的输出电压是否在预定范围内；若所述转换电路的输出电压超出预定范围，则基于所述输出电压超出预定范围的误差值计算得到第二子占空比。
进一步地，在基于所述误差值计算得到第二子占空比之前，还包括：判断所述太阳能发电组件的输出电压是否达到设定阈值；若所述转换电路的输出电压超出正常范围，且所述太阳能发电组件的输出电压达到设定阈值，则执行基于所述误差值计算得到第二子占空比的步骤。
进一步地，所述转换电路包括：驱动器，用于将所述占空比和载波比较，并生成驱动脉冲；至少一个开关管，与所述驱动器连接，用于基于所述驱动脉冲进行相应的导通或关断，以使所述太阳能发电组件的输出电压保持在一预定范围，且使所述输出功率达到当前环境下的最大值。
根据本发明的另一个方面，本发明的第二方面提供了一种太阳能发电装置，包括一种太阳能发电组件的控制装置，还包括：太阳能发电组件和转换电路，太阳能发电组件和转换电路分别与采集器连接，转换电路还与控制器连接。
根据本发明的又一个方面，本发明的第三方面提供了一种太阳能发电组件的控制方法，包括：采集太阳能发电组件的输出电压和输出电流，以及转换电路的输出电压；基于太阳能发电组件的输出电压和输出电流，以及转换电路的输出电压计算占空比；基于占空比控制转换电路，使太阳能发电组件输出的电压稳定且输出功率达到当前环境下的最大值。
进一步地，所述基于所述占空比控制所述转换电路，包括：基于所述太阳能发电组件的输出电压和输出电流进行最大功率跟踪计算，得到第一子占空比；基于所述转换电路的输出电压进行计算，得到第二子占空比，其中，第二子占空比用于补偿所述第一子占空比；将所述第一子占空比和所述第二子占空比进行叠加计算，得到所述占空比。
进一步地，所述转换电路的输出电压进行计算，包括：判断所述转换电路的输出电压是否在预定范围内；若所述转换电路的输出电压超出预定范围，则基于所述输出电压超出预定范围的误差值计算得到第二子占空比。
进一步地，该控制方法还包括：判断所述太阳能发电组件的输出电压是否达到设定阈值；若所述转换电路的输出电压超出正常范围，且所述太阳能发电组件的输出电压达到设定阈值，则执行基于所述误差值计算得到第二子占空比的步骤。
进一步地，该控制方法还包括：将所述占空比和载波比较，并生成驱动脉冲；基于所述驱动脉冲进行相应的导通或关断，以使所述太阳能发电板的输出电压保持在一预定范围，以及所述输出功率达到当前环境下的最大值。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：通过采集器采集太阳能发电组件101的输出电压、输出电流，以及采集转换电路102的输出电压，并发送至控制器103，由控制器103基于太阳能发电组件101的输出电压和输出电流，以及转换电路102的输出电压计算得到占空比，从而基于占空比控制转换电路102中开关管的导通或关断，从而同时控制太阳能发电组件101输出的电压稳定且输出功率达到当前环境下的最大值。
附图说明
图1是现有技术中太阳能发电组件的工作电压与输出功率曲线图；
图2是本发明实施例一的一种太阳能发电组件的控制装置的结构示意图；
图3是本发明实施例二的一种太阳能发电组件的控制装置的结构示意图；
图4是本发明实施例三的一种基于buck电路的太阳能发电组件的控制装置的结构示意图；
图5是本发明实施例四的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图；
图6是本发明实施例五的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图；
图7是本发明实施例六的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图；
图8是本发明实施例七的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图；
图9是本发明实施例八的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图。
附图标记：
1：采集器；101：太阳能发电组件；102：转换电路；1021：驱动器；1022：开关管；103：控制器；1031：最大功率控制器；1032：补偿器；1033：叠加器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
技术术语：
单级能量变换dc-dc(directcurrent-directcurrent，直流-直流)电路：是指包含buck电路(降压式变换电路)、boost电路(开关直流升压电路)、buck-boost电路(降压-升压电路)以及半桥、全桥或其他拓扑结构等的隔离或非隔离电路，该电路的特点是控制了输出功率则无法兼顾输出电压或控制了输出电压则无法兼顾输出功率。即在将单级能量变换dc-dc电路接入太阳能电路后，若太阳能发电组件运行在其最大功率点处，则无法控制输出电压，导致输出电压可能过压或者欠压。同理，控制输出电压后，无法始终让太阳能发电组件运行在最大功率点处。
占空比：指电路被接通的时间占整个电路工作周期的百分比。对于buck电路来讲，如果输入为5v，则在电流连续工作模式下，输出为输入乘以占空比50％，等于2.5v。
最大功率跟踪点：电池板的最大输出功率随着光照的变化也在随时变化，如果输出电流过大，电压会迅速下降(接近零)，此时功率也接近零，因此要控制输出电流，使电压保持在理想值，此时功率最大，称之为最大功率。在最大功率点处，如果输出电压太大，电流迅速减小，输出功率降低，反之，如果输出电压减小，虽然电流有稍微的上升，但功率为二者的乘积，相乘后的功率仍然减小，从图1的曲线上可以看到，只有输出电压在最大功率点对应的电压时，二者相乘后即输出功率最大。
最大功率点跟踪的原理：太阳能发电组件与负载通过dc/dc电路连接，最大功率跟踪即是通过不断检测太阳能发电组件的电流电压变化，并根据其变化对dc/dc变换器的pwm驱动信号占空比进行调节。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然太阳能发电组件和dc/dc转换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，只要调节dc-dc转换电路的等效电阻使它始终等于太阳能发电组件的内阻，就可以实现太阳能发电组件的最大输出，也就实现了太阳能发电组件的最大功率跟踪。
图1是现有技术中最大功率跟踪点的原理图。
太阳能发电组件的电压电流曲线呈非线性，而功率为两者乘积，因此，功率-电压或功率-电流曲线不是单调曲线，而是在某个电压或某个电流时，存在最大功率值，因此如果太阳能发电组件始终工作在此最大功率点或其附近，就能输出更多的能量，带来更高的系统效率。但由于最大功率点不是固定不变的，而随着辐射强度和环境温度的变化移动。而太阳能发电组件本身又不具备自动跟踪最大功率点的功能，因此需要采用一定的控制电路和控制算法来加以跟踪。
如图1所示，首先假设太阳能发电组件的工作电压可控制为逐渐增大，可以看到，最初，太阳能发电组件工作在pm点上，由于工作电压的增大，下一时刻工作点移至了pm+1，此时有pm<pm+1，工作电压的继续增加使得工作点沿着功率曲线向上爬升到最大功率点pm0处，接着工作点继续向右移，又出现pn>pn+1，在这冲情况下，可以通过改变工作电压的变化方向，即使工作电压逐渐减小，则可以实现使工作点从另外一个方向由向峰顶爬升，如此反复控制太阳能发电组件工作点电压的改变，就能够实现工作点最终稳定工作在最大功率点附近。
通过现有技术，发明人发现如下问题：要实现最大功率跟踪，则需要对太阳能发电组件的输出电压不断进行调节，在调节过程中，输出电压会不断变化，即变大或变小，这样势必会引起控制器后端输出电压不稳定，过压、欠压等电压质量差的问题。以常规的单级buck电路为例，其无法同时满足太阳能发电组件最大功率跟踪和控制输出电压稳定于目标电压值的原因在于：如果某一负载工作在额定状态下，则太阳能发电组件输出功率与负载的吸收功率匹配，而如果太阳能发电组件运行的工作点转移到最大功率点处，则太阳能发电组件的输出功率大于负载的功率，dc/dc变换电路就会因输入输出的功率不匹配而无法工作，因此常规的buck电路无法同时控制二者。
通过对现有技术进行研究，发现人可以通过对负载输出电压进行检测，并基于检测结果对太阳能发电组件的输出电压进行调节，使其稳定在一定范围内，而不至于使得输出电压波动太大，引起电压质量差。具体请参见本发明以下实施例的介绍。
图2是本发明实施例一的一种太阳能发电组件的控制装置的结构示意图。
如图2所示，一种太阳能发电组件的控制装置，包括：采集器100，分别连接至太阳能发电组件101和转换电路102，用于分别采集太阳能发电组件101的输出电压和输出电流，以及转换电路102的输出电压并发送至控制器103；控制器103，分别与采集器100和转换电路102连接，用于基于太阳能发电组件101的输出电压和输出电流，以及转换电路102的输出电压计算得到占空比，并控制占空比作用于转换电路102，使太阳能发电组件101输出的电压稳定且输出功率达到当前环境下的最大值。
具体地，采集器100是采集太阳能发电组件101的输出电压和输出电流，以及转换电路102的输出电压，并发送至控制器103，以使控制器103基于太阳能发电组件101的输出电压和输出电流，以及转换电路102的输出电压和输出电流计算占空比，计算得到的占空比会被作用于转换电路102，对转换电路102内部的开关管的占空比进行调节，该占空比能够达到两个作用：(1)使得转换电路的等效内阻与太阳能电池的内阻相同，从而使太阳能发电组件达到最大功率输出点；(2)将太阳能发电组件的输出电压稳定，减小电压波动性，提高电压质量。具体地，是通过控制转换电路102中的开关管的通电时间，从而调节太阳能发电组件101的输出电压，使得太阳能发电组件101输出的电压稳定且输出功率达到当前温度或光照工况环境下的最大值。占空比的应用举例为，若计算得到的占空比为30％，以及转换电路102中的开关管的工作周期为10s，则转换电路102中开关管的通电时间为3s。
进一步地，由于采集器100采集的太阳能发电组件101的输出电压和输出电流，以及转换电路102的输出电压均为模拟信号，因此，将采集器选择为调理电路，即将采集的模拟信号调理为适合控制器的采样输入范围的数字信号。
在本发明实施例一中，采集器是作为一个单独的模块存在于电路中，作为一种可选的实施方式，为了简化电路，还可以将采集器内置于控制器中。
图3是本发明实施例二的一种太阳能发电组件的控制装置的结构示意图。
如图3所示，控制器103包括最大功率控制器1031、补偿器1032和叠加器1033，最大功率控制器1031和补偿器1032分别与叠加器1033连接，叠加器1033与转换电路102连接；最大功率控制器1031，与太阳能发电组件101连接，用于基于太阳能发电组件的输出电压和输出电流进行最大功率跟踪计算，得到第一子占空比；补偿器1032，与转换电路102连接，用于基于转换电路102的输出电压，即负载的输入电压进行计算，得到用于补偿第一子占空比的第二子占空比；叠加器1033，分别与最大功率控制器1031和补偿器1032连接，用于基于第一子占空比和第二子占空比进行叠加计算，得到占空比。
具体地，在计算第二子占空比时，需要判断转换电路102的输出电压是否在预定范围内；若转换电路102的输出电压超出预定范围，则基于输出电压超出预定范围的误差值计算得到第二子占空比。若未超出预定范围，则不需要进行补偿。例如：若负载的正常工作电压为4.3v-5v，而检测得到的转换电路102的输出电压超出正常工作电压的范围，则需要将转换电路102的输出电压调节至正常范围，第二子占空比即为将转换电路102的输出电压调节至正常范围的占空比。
进一步地，由于有时候会存在误补偿的情况，即由于外界干扰等因素使得负载的输入电压波动超出正常范围，而并非由于太阳能发电组件的输出电压造成，因此，需要对太阳能发电组件的输出电压设定一阈值，进而判断太阳能发电组件的输出电压是否达到设定阈值；若转换电路102的输出电压超出预定范围，且太阳能发电组件的输出电压达到设定阈值，则执行基于误差值计算得到第二子占空比的步骤；而若转换电路102的输出电压超出正常范围，但太阳能发电组件的输出电压未达到设定阈值，则不进行补偿，即不执行基于误差值计算得到第二子占空比的步骤。
在本发明实施例中，第一子占空比在作用于转换电路102后，能够使得太阳能发电组件101的输出功率达到最大功率跟踪点，但是，如图1所示的现有技术中存在的问题，如果仅追踪最大功率点，则会存在输出电压波动较大的问题。因此本发明通过对转换电路的输出电压进行采集，并采用补偿控制算法对转换电路的输出电压进行计算，得到第二子占空比，用于调节太阳能发电组件的输出电压以使其稳定在某一预定范围内，该预定范围为负载正常工作的功率范围，可以由人为根据经验来设定。该预定范围能够使得太阳能发电组件的输出电压波动较小，进而提高输出电压质量。
需要说明的是，本发明实施例中采用的补偿器原理是采用具有pid闭环控制功能的误差补偿器作为输出电压的调节算法，补偿器通过采集太阳能发电组件输出电压vpv、输出电流ipv，以及变换电路的输出电压vout，进而通过误差补偿算法求得补偿转换电路中开关管的第二子占空比d2；但本发明不以此为限，还可以采用调节器、误差控制器采用误差进行补偿。
在本发明实施例中，叠加器可以是加法器，将第一子占空比和第二子占空比相加得到占空比。即d＝d1+d2，其中，d2有正负性，当d2为正，则意味着负载输出电压过低，例如：负载输出电压低于输出电压下限值4.3v，需要在当前负载输出电压的占空比基础上加上补偿值d2，将其拉回预定范围，使其保持在正常工作范围内；当d2为负值，则意味着负载输出电压过高，例如：负载输出电压高于输出电压上限值5v，需要在当前负载输出电压的占空比基础上减去补偿值d2，将其拉回预定范围，使其保持在正常工作范围内。
在另一个实施例中，转换电路102至少包括：
驱动器1021，用于将占空比和载波比较，并生成驱动脉冲；
至少一个开关管1022，与驱动器1021连接，用于基于驱动脉冲进行相应的导通或关断，以使太阳能发电组件101的输出电压保持在一预定范围，且使输出功率达到当前环境下的最大值。具体地，该预定范围的设定可参照实施例二的介绍。
其中，在太阳能发电装置中，转换电路102一般采用直流-直流转换电路。直流-直流转换电路可以是buck电路、boost电路、buck-boost电路，以及能够实现一级能量变换的隔离dc-dc(directcurrent-directcurrent，直流-直流转换电路)变换电路或者非隔离dc-dc(directcurrent-directcurrent，直流-直流转换电路)变换电路。
下面以经典的buck电路为例，对本发明实施例二的控制过程进行说明：即包括两个开关管(功率开关管q1、功率开关管q2)，但本发明不以此为限，对于一个开关管或两个以上开关管的一级能量变换dc-dc电路也在本发明的保护范围内。图4是本发明实施例三的一种基于buck电路的太阳能发电组件的控制装置的结构示意图。
如图4所示，在本发明实施例一和实施例二的基础上，转换电路的电路结构包括：光伏母线电容c、功率开关管q1、功率开关管q2，电感l0、输出母线电容c0、pwm驱动器；其中，光伏母线电容c并联于太阳能发电组件两端，最大功率控制器采集太阳能发电组件的输出电压vpv和输出电流ipv，并计算得到第一子占空比d1，送入叠加器；同时，由补偿器采集变换电路的输出电压vout(母线电容c0两端的电压)，并根据变换电路的输出电压vout和目标电压的误差，以及此时太阳能发电组件的输出电压vpv计算得到补偿功率开关管q1第二子占空比，送入叠加器，叠加器将第一、第二子占空比叠加得到占空比d发送至pwm驱动器，pwm驱动器分别与功率开关管q1、q2连接，以根据当前占空比d与载波比较产生功率开关管q1、q2的驱动脉冲，驱动变换电路的功率开关管q1、q2达到最大功率跟踪的同时稳定了变换电路输出的电压。
其中，功率开关管q1和q2是互补输出，即q1开通的时候，q2关闭，反之亦然，例如：如果q1占空比为30％，那q2就是70％。经过与载波比较产生驱动脉冲信号驱动开关管q1，该脉冲信号反相驱动开关管q2，开关管q2起同步整流作用。
本发明还可以提供一种太阳能发电装置，其包括前述所有实施例介绍的一种太阳能发电组件的控制装置，还包括：太阳能发电组件和转换电路，太阳能发电组件和转换电路分别与采集器连接，转换电路还与控制器连接。
图5是本发明实施例四的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图。
如图5所示，一种太阳能发电组件的控制方法，包括：
s1，采集太阳能发电组件的输出电压和输出电流，以及转换电路的输出电压；
s2，基于太阳能发电组件的输出电压和输出电流，以及转换电路的输出电压计算一占空比；
s3，基于占空比控制转换电路，使太阳能发电组件输出的电压稳定且输出功率达到当前环境下的最大值。
图6是本发明实施例五的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图。
如图6所示，一种太阳能发电组件的控制方法中的步骤s2包括：
s21，基于太阳能发电组件的输出电压和输出电流进行最大功率跟踪计算，得到第一子占空比；
s22，基于转换电路的输出电压进行计算，得到第二子占空比；
s23，将第一子占空比和第二子占空比进行叠加计算，得到占空比。
其中，步骤s31和步骤s32不区分先后执行顺序，可以同时执行，也可以先执行步骤s31，再执行步骤s32，还可以是先执行步骤s32，再执行步骤s31。
图7是本发明实施例六的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图。
如图7所示，步骤s22包括：
s220，判断转换电路102的输出电压是否在预定范围内；
s221a，若转换电路102的输出电压超出预定范围，则基于输出电压超出预定范围的误差值计算得到第二子占空比；
s221b，若转换电路102的输出电压未超出预定范围，则不需要进行补偿。
图8是本发明实施例七的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图。
如图8所示，在步骤s220之后以及s221a或s221b之前，包括：
s2200，判断太阳能发电组件的输出电压是否达到设定阈值；
s221a1，若转换电路102的输出电压超出预定范围，且太阳能发电组件的输出电压达到设定阈值，则执行基于误差值计算得到第二子占空比的步骤；
s221a2，若转换电路102的输出电压超出正常范围，太阳能发电组件的输出电压未达到设定阈值，则不执行基于误差值计算得到第二子占空比的步骤。
图9是本发明实施例八的一种太阳能发电组件的控制方法的流程图。
如图9所示，一种太阳能发电组件的控制方法，还包括：
s4，将占空比和载波比较，并生成驱动脉冲；
具体地，由于q1或q2的开通关断是由脉冲驱动的，因此，在开通的时候，是给门极一个高电平，关断时候，驱动电平为0，脉冲的形成是靠载波和调制波(即占空比信号)比较产生的，比如，调制波是三角波，从0计数到100然后复位再从0计数到100，假设需要产生80％的占空比，那么占空比信号设定为80，调制波从0开始计数的时候，设定输出高电平，当计数达到80％(比较)，电平反转，这样驱动信号的占空比就是80％。
s5，基于驱动脉冲进行相应的导通或关断，以使太阳能发电组件的输出电压保持在一预定范围，以及输出功率达到当前环境下的最大值。
本发明具有以下有益效果：
本发明的太阳能发电组件的控制装置与传统的dc/dc变换电路相比，不仅能实时跟踪太阳能发电组件的最大输出功率，同时能够实现dc/dc变换电路的输出电压达到与目标值相同的精确控制，从而稳定输出电压，提高输出电压质量。
另外，控制器通过引入输出电压误差的补偿控制方法和最大功率跟踪算法极大的提高了该装置的转换效率。且由于整个算法只设计到加减乘运算，循环一周最长运算只是3次乘法、5次加减法，经过实际测试，24mhz的单片机花费时间约50us，因此该方法无需很大的计算量，便于控制器实现。
本发明之所以能够实现太阳能发电最大功率跟踪实时在线、输出电压稳定的双重目的原因在于，如图3所示，(1)当光照、温度或负载变化引起太阳能发电组件输出的功率小于负载的输入功率时，mppt算法实时保证太阳能发电组件工作在最大功率点处，以最大能力提供负载所需要的功率，维持负载运行；当负载功率超过太阳能发电组件能接受的范围，由控制器控制负载的电压降低到临界值以下，dc/dc变换电路停止工作。(2)当太阳能发电组件输出功率大于负载输入功率时，负载两端的电压会上升，当电压超过设定值后，启动补偿器，补偿变换电路的输出电压，与最大功率控制器共同作用于开关管，控制输出电压达到设定的目标电压值。通过改变补偿器的误差精度门限值，可以实现在太阳能发电输出功率大于负载输入功率情况下的输出电压稳定，同时保证在太阳能发电输出功率小于负载输入功率时可立刻运行在太阳能发电组件的最大输出功率点上。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。