一种模块化开源光伏发电控制器的制作方法

本实用新型实施例涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种模块化开源光伏发电控制器。

背景技术：

光伏发电是目前高校新能源科学与工程专业教学的重点，而光伏控制部分是课程内容的重要环节。传统的工业用控制器能够实现光伏发电的控制功能，但是工业设备集成化程度较高，学生无法了解其中的工作原理和控制方法。工业光伏发电控制器的控制电路中所有元器件都已经固化设计好，学生无法对其中的电路结构进行设计，而且工业光伏发电控制器的控制程序都是无法修改的，学生很难掌握其中的控制原理。

现有的工业光伏发电控制器不能满足学生实训需求的问题亟待解决。

技术实现要素：

本实用新型提供一种模块化开源光伏发电控制器，以解决工业光伏发电控制器不能满足学生实训需求的问题。

本实用新型实施例提供了一种模块化开源光伏发电控制器，包括：模拟光源、光伏组件、光伏控制器充电回路、充电回路驱动器、中央控制器、蓄电池、光伏控制器放电回路、放电回路驱动器以及辅助电源；

光伏组件与模拟光源电连接；

光伏控制器充电回路分别与光伏组件、充电回路驱动器和蓄电池电连接，用于调节光伏组件输出电能，并为蓄电池充电；

充电回路驱动器，用于为光伏控制器充电回路提供驱动信号；

中央控制器分别与充电回路驱动器、放电回路驱动器以及辅助电源电连接；

蓄电池与光伏控制器放电回路和辅助电源电连接；

光伏控制器放电回路与负载电连接；

放电回路驱动器与光伏控制器放电回路电连接，用于为光伏控制器放电回路提供驱动信号。

进一步地，负载包括可编程阻性负载和直流感性负载；

可编程阻性负载和直流感性负载分别与光伏控制器放电回路电连接。

进一步地，中央控制器包括人机交互通讯接口，人机交互通讯接口与上位机通讯连接。

进一步地，所述的模块化开源光伏发电控制器还包括：第一电压表、第一电流表、第二电压表和第二电流表；

第一电压表和第一电流表设置于光伏控制器充电回路；

第二电压表和第二电流表设置于光伏控制器放电回路。

进一步地，第一电压表和第二电压表用于检测直流电压；

第一电流表和第二电流表用于检测直流电流。

进一步地，所述的模块化开源光伏发电控制器，还包括：

实验板，模拟光源、光伏组件、光伏控制器充电回路、充电回路驱动器、中央控制器、蓄电池、光伏控制器放电回路、放电回路驱动器以及辅助电源通过铜柱固定于实验板的同侧。

本实用新型提供的模块化开源光伏发电控制器包括模拟光源、光伏组件、光伏控制器充电回路、充电回路驱动器、中央控制器、蓄电池、光伏控制器放电回路、放电回路驱动器以及辅助电源，光伏控制器充电回路用于调节光伏组件输出电能，并为蓄电池充电，充电回路驱动器用于为光伏控制器充电回路提供驱动信号，中央控制器分别与充电回路驱动器、放电回路驱动器以及辅助电源电连接，蓄电池与光伏控制器放电回路和辅助电源电连接，光伏控制器放电回路与负载电连接，放电回路驱动器与光伏控制器放电回路电连接，用于为光伏控制器放电回路提供驱动信号。本实用新型提供的模块化开源光伏发电控制器采用开放式的电路与控制方式，可以根据不同的负载与光伏组件特性设计不同的光伏发电控制器元器件、控制算法，辅助学生迅速理解和掌握光伏发电控制器的工作原理与设计方法，解决了工业光伏发电控制器不能满足学生实训需求的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种模块化开源光伏发电控制器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种模块化开源光伏发电控制器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种模块化开源光伏发电控制器的控制原理图；

图4是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的充电回路原理图；

图5是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的放电回路原理图；

图6是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的辅助电源的原理图；

图7是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的采样电路的原理图；

图8是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的可编程阻性负载控制原理图；

图9是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的可编程阻性负载主回路原理图；

图10是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1是本实用新型实施例提供的一种模块化开源光伏发电控制器的结构示意图。参见图1，本实用新型实施例提供的模块化开源光伏发电控制器包括模拟光源1、光伏组件2、光伏控制器充电回路3、充电回路驱动器4、中央控制器5、蓄电池6、光伏控制器放电回路7、放电回路驱动器8以及辅助电源9，光伏组件2与模拟光源1电连接，光伏控制器充电回路3分别与光伏组件2、充电回路驱动器4和蓄电池6电连接，用于调节光伏组件2输出电能，并为蓄电池6充电，充电回路驱动器4，用于为光伏控制器充电回路3提供驱动信号，中央控制器5分别与充电回路驱动器4、放电回路驱动器8以及辅助电源9电连接，蓄电池6与光伏控制器放电回路7和辅助电源9电连接，光伏控制器放电回路7与负载10电连接，放电回路驱动器8与光伏控制器放电回路7电连接，用于为光伏控制器放电回路7提供驱动信号。

具体地，模拟光源1模拟太阳光特性，为光伏组件2发电提供光照环境，模拟光源1照射在光伏组件2上，使光伏组件2发电，光伏组件2在模拟光源1提供的光照环境下输出电能，光伏组件2连接到光伏控制器充电主回路上，光伏控制器充电回路3将所述光伏组件2输出的电能进行调节，可供蓄电池6充电，蓄电池6的输出加到光伏控制器放电回路7上，使蓄电池6放电，光伏控制器放电回路7的输出接到负载上。辅助电源9由蓄电池6供电，辅助电源9输出给中央控制器5、放电回路驱动器8和充电回路驱动器4，中央控制器5将驱动pwm信号输出给充电回路驱动器4和放电回路驱动器8，充电回路驱动器4将信号给光伏控制器充电回路3，放电回路驱动器8将信号给光伏控制器放电回路7。模块化开源光伏发电控制器能根据不同的负载与光伏组件特性构成不同的光伏发电控制器元器件和控制算法，控制方式灵活。

本实用新型提供的模块化开源光伏发电控制器包括模拟光源、光伏组件、光伏控制器充电回路、充电回路驱动器、中央控制器、蓄电池、光伏控制器放电回路、放电回路驱动器以及辅助电源，光伏控制器充电回路用于调节光伏组件输出电能，并为蓄电池充电，充电回路驱动器用于为光伏控制器充电回路提供驱动信号，中央控制器分别与充电回路驱动器、放电回路驱动器以及辅助电源电连接，蓄电池与光伏控制器放电回路和辅助电源电连接，光伏控制器放电回路与负载电连接，放电回路驱动器与光伏控制器放电回路电连接，用于为光伏控制器放电回路提供驱动信号。本实用新型提供的模块化开源光伏发电控制器采用开放式的电路与控制方式，可以根据不同的负载与光伏组件特性设计不同的光伏发电控制器元器件、控制算法，辅助学生迅速理解和掌握光伏发电控制器的工作原理与设计方法，解决了工业光伏发电控制器不能满足学生实训需求的问题。

可选地，图2是本实用新型实施例提供的另一种模块化开源光伏发电控制器的结构示意图。参见图2，负载10包括可编程阻性负载11和直流感性负载12，可编程阻性负载11和直流感性负载12分别与光伏控制器放电回路7电连接。

具体地，光伏控制器放电回路7分别与可编程阻性负载11和直流感性负载12相连，光伏控制器放电回路7为可编程阻性负载11和直流感性负载12工作提供电能。可以根据可编程阻性负载11和直流感性负载12的不同负载特性与光伏组件特性，设计不同的光伏发电控制器元器件和控制算法，辅助学生迅速理解和掌握光伏发电控制器的工作原理与设计方法。

可选地，中央控制器5包括人机交互通讯接口，人机交互通讯接口与上位机通讯连接。

具体地，通过人机交互通讯接口容易实现各模块之间采用开放式的电路与灵活是控制方式，辅助学生更好地理解和掌握光伏发电控制器的工作原理与设计方法，人机交互性好。

可选地，继续参见图2，模块化开源光伏发电控制器还包括第一电压表13、第一电流表14、第二电压表15和第二电流表16，第一电压表13和第一电流表14设置于光伏控制器充电回路3，第二电压表15和第二电流表16设置于光伏控制器放电回路7。

具体地，第一电压表13和第一电流表14设置于光伏控制器充电回路3，可以测得光伏控制器充电回路3的输入、输出的电压和电流，第二电压表15和第二电流表16设置于光伏控制器放电回路7，可以测得光伏控制器放电回路7的输入、输出的电压和电流，根据测得的电压电流相对比其中的关系。通过将第一电压表13和第一电流表14设置于光伏控制器充电回路3，将第二电压表15和第二电流表16设置于光伏控制器放电回路7，能通过电压和电流值辅助学生迅速理解和掌握光伏发电控制器的工作原理与设计方法，解决了工业光伏发电控制器不能满足学生实训需求的问题。

可选地，第一电压表13和第二电压表15用于检测直流电压，第一电流表14和第二电流表16用于检测直流电流。

可选地，模块化开源光伏发电控制器还可以包括实验板，模拟光源1、光伏组件2、光伏控制器充电回路3、充电回路驱动器4、中央控制器5、蓄电池6、光伏控制器放电回路7、放电回路驱动器8以及辅助电源9通过铜柱固定于实验板的同侧。

具体地，学生可以根据不同的负载与光伏组件2特性，设计不同的光伏发电控制器元器件和控制算法，辅助学生迅速理解和掌握光伏发电控制器的工作原理与设计方法。实验板展示了整个光伏发电控制的工作电路，配备有标准的安全接口，学生可以参与到电路设计中，进行硬件的连接和系统搭建工作。模块化开源光伏发电控制器是针对新能源科学与工程专业教学而开发的实训设备，光伏发电控制器是光伏发电离网系统的核心部件，采用开放式的电路与控制方式，学生能够了解光伏发电控制器的整个工作原理，熟悉光伏控制器充电回路与光伏控制器放电回路的工作模式与电路特点，掌握中央控制器的控制原理与控制算法。

可选地，模块化开源光伏发电控制器还可以包括显示模块，显示模块与中央控制器5电连接，显示模块用于显示负载的阻值、电流值、电压值等相关参数，使学生更加深刻的理解负载的变化。显示模块可以为液晶显示屏，型号可以为1602。

图3是本实用新型实施例提供的一种模块化开源光伏发电控制器的控制原理图。参见图3，中央控制器5可以为单片机，型号可以为pic16f1937，其引脚rd1是光伏控制器充电回路3的pwm控制脚；引脚rb3是光伏控制器充电回路3的pwm关断脚；引脚re2是光伏控制器放电回路7的pwm控制脚。中央控制器5的输出引脚rc4、输出引脚rc5以及输出引脚rc6经过芯片u5(74hc244)增大控制信号驱动能力，用于给显示模块驱动显示。由电阻r34和电容c23组成复位电路，复位电路的输出给单片机的mclr管脚，pgd管脚和pgc管脚为中央控制器5烧写程序时的读写管脚，p1为下载接口，p2为显示模块的驱动接口。晶振y1(16m)、电容c19和电容c20组成中央控制器5的时钟电路，电解电容c21和独石电容c22组成滤波电路，给予中央控制器5稳定的5v电平。

图4是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的充电回路原理图。结合图2和图4，在充电回路驱动器4电路中，由接口rd1输入pwm信号，经过二极管d4，二极管d4的型号可以为1n4148，二极管d4的作用是防止反冲电压进入中央控制器5，电阻r3作为充电回路驱动器4的限流电阻，电阻r5作为充电回路驱动器4的下拉电阻，电阻r5用于在电路关闭时，快速释放电流，电阻r10作为限流电阻，接口re0作为关断芯片u41的关断脚，芯片u41的型号可以为ir2104，芯片u41是给予光伏控制器充电主回路的驱动芯片，二极管d1作为防反二极管，在芯片u41的引脚5和引脚7之间形成方向相反并带有500ns死区时间的pwm波，由二极管d2、电阻r1和电阻r2组成引脚7上的自举驱动电路，二极管d6、电阻r8和电阻r11组成引脚5的普通驱动电路。光伏控制器充电回路3的接线端子jp1由光伏组件2输入，由电阻r4、电阻r6、二极管d7以及晶体管q3组成光伏组件2的电压防反电路，当光伏组件2输入的正负极反接时，光伏控制器充电回路3将不工作，电解电容c2用于给输入回路滤波，再经过晶体管q1、晶体管q2及电感l1组成同步buck电路，其中q1的控制端信号gb_buck为芯片u41的引脚7输出的，晶体管q1的源极信号gs_vs1为芯片u41的引脚6输出的，晶体管q2的控制信号gz_buck是芯片u41的引脚5给的信号。经过电解电容c3可以使输出电压稳定，电阻r7作为主回路的电流采样电阻，二极管d3作为蓄电池6防反二极管。

图5是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的放电回路原理图。结合图2和图5，在放电回路驱动器8电路中，由端口re2输入pwm信号，经过二极管d11，防止中央控制器5受到反冲电压，再接电阻r14，电阻r14作为限流电阻，电阻r15作为下拉电阻，端口re1为中央控制器5输出给芯片u52的关断信号，芯片u52的型号可以为ir2104，在芯片u52的引脚7输出pwm信号gs_out，加载到光伏控制器放电主回路中的晶体管q4上，其中芯片u52的引脚6输出的信号gs_vs2加到晶体管q4的源极上。在光伏控制器放电回路7上，接口jp3为蓄电池6接口，完成蓄电池6可控放电，由晶体管q4、二极管d12和电感l2组成buck降压电路，电解电容c6和电解电容c7作为滤波电容，分别保证输入电压与输出的电压稳定，二极管d10作为防反二极管，接线端子jp4接到负载上。

图6是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的辅助电源的原理图。结合图1至图6，辅助电源9作为光伏发电控制器的辅助电源9部分，辅助电源9分为两路输出，由芯片u62组成的升降压电路，将蓄电池6的电压转变成15v输出，给驱动芯片u52供电，芯片u62的型号可以为mc34063。蓄电池6的正极经过电阻r62进行限流，电阻r67作为电流采样电阻，晶体管q61为pnp三极管，用于调整输入电压，由电感l63和二极管d62组成boost升压电路，在二极管d62输出19v电压，由电阻r64和电阻r69组成分压电路，使输出电压达到19v，再经过芯片u61使输出电压稳定在15v，其中芯片u61的型号可以为78l15。芯片u63的型号可以为lm2575s-5.0，芯片u63的电源输入端由蓄电池6输入，经由电容c610滤波，芯片u63与电感l64、快恢复二极管d64组成buck降压电路使电压稳定输出为5v。电解电容c612、电解电容c613、独石电容c614和电感l65组成滤波电路。

图7是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的采样电路的原理图。结合图1至图7，图7是光伏发电控制器的采样部分，分别需要对光伏组件2、蓄电池6和负载10的电压及电流进行检测，使中央控制器5做出对应的动作。组件电流采样电路由运算放大器lm324，其pv1a部分将光伏组件2的电流采样电阻的电压值进行放大，电阻r75和电阻r76形成放大倍数，再经过电阻r71和电容c71的rc滤波电路进入pv1b的组成电压跟随器，输出给中央控制器5的端口ra0。组件电压采样电路将光伏组件2的正极经过电阻r725和电阻r727分压电路，再经过pv1c的电压跟随器，输出到中央控制器5的端口ra1中。同理，充电电流采样是光伏控制器充电回路3给蓄电池6的充电电流，输出到端口ra2，原理同上。电池电压采样时采集蓄电池6的电压，输出到端口ra3，原理同上。放电电流采样是采集蓄电池6经过光伏控制器放电回路7的给予负载10的电流，输出到端口ra4，原理同上。放电电压采样是采集负载10两端的电压，输出到端口ra5，采样原理同上。

图8是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的可编程阻性负载控制原理图。结合图1至图8，可编程直流负载的控制原理，芯片u81为stc单片机，作为主控芯片，其引脚14和引脚15接入电容c85和电容c86，晶振y81提供单片机的时钟，接口p83上的vcc、gnd、rxd及txd组成isp的单片机烧写方式。由接口p81接入12v电源，经过电解电容c81和独石电容c83滤波，再接入芯片u85，芯片u85用于将12v直流电降压为5v电压，芯片u85的型号可以为7805，电容c82和电容c84组成滤波电路，由电阻r82和发光二极管d81组成指示灯。在单片机的i/o口，即接口p20、接口p21及接口p22分别接入按键s1、按键s2和按键s3，与接口p82上的显示模块组成人机交互界面，由芯片u81的接口p13和接口p14输出的两组8位pwm波，经过电阻r85、电阻r88和电阻r89组成16位pwm波，再经过电容c88、电容c89和电阻r87组成滤波电路，将滤波后的set1信号加在主回路上。由电阻r84、稳压芯片u86、电阻r86以及电容c87组成2.5v的基准电压，用于进行电压电流采样ad的比较，其中，稳压芯片u86的型号可以为tl431。

图9是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的可编程阻性负载主回路原理图。结合图1至图9，运算放大器u93a的型号可以为lm358，电阻r91、电阻r93、电阻r97以及电阻r98组成差分放大电路，将采样负载两端的电压值，经差分放大电路，由电阻r95和电容c91滤波输出端adc2输出给单片机采样，单片机输出后的seti给运算放大器u92a，再由电阻r913和电容c93组成积分放大电路，运算放大器u92a的输出端经电阻r911和电阻r915输出给mos管q91的控制端，r925为电流采样电阻，经过运算放大器u92b部分，由电阻r919、电阻r917、电阻r927及电阻r928组成差分放大电路，运算放大器u92b的放大输出端经过电阻r922和电容c96滤波后，反馈到运算放大器u92a的反相输入端，进行负载电阻值调整，接口adc4为采样到主回路的电流。

图10是本实用新型实施例的一种模块化开源光伏发电控制器的控制流程图。结合图2和图10，本实用新型实施例的模块化开源光伏发电控制器的控制方法包括：

步骤s1，将实验导线连接好后，打开模拟光源1。

步骤s2，将光伏组件2输出口连接到光伏控制器充电回路3上。

步骤s3，打开光伏控制器充电回路3。

步骤s4，选择模式，选择手动充电模式时，进入步骤s5，选择手动放电模式时，进入步骤s9，选择自动模式时，进入步骤s13。

步骤s5，开始使用手动方式给蓄电池6充电，进入步骤s6。

步骤s6，选择充电控制pwm占空比。

步骤s7，pwm占空比增大，蓄电池6的充电输出电压则增大。

步骤s8，pwm占空比减小，蓄电池6的充电输出电压则减小。

步骤s9，同步骤s4选择，开始使用手动方式使蓄电池6放电给负载10，进入步骤s10。

步骤s10，手动选择占空比。

步骤s11，pwm占空比增大，则蓄电池6的放电电压增大，同负载端电压增大。

步骤s12，pwm占空比减小，则蓄电池6的放电电压减小，同负载端电压减小。

步骤s13，同步骤s4选择，进入自动运行模式，在此模式中，控制器工作在自动三段式充电、自动放电、光控可调以及时控可调的模式下，可做到无人看管。

步骤s14，自动运行模式中的模式选择，有4种模式，即光控关、时控关、放电输出电压可选；光控开、时控关、放电输出电压可选；光控关、时控开、放电电压可选；光控开、时控开、放电电压可选。

步骤s15，选择光控关、时控关、放电输出电压可调，同时进行步骤s19、步骤s20。

步骤s16，选择光控开、时空关、放电输出电压可调，同时进行步骤s19、步骤s20。

步骤s17，选择光控关、时控开、放电输出电压可调，同时进行步骤s19、步骤s20。

步骤s18，选择光控开、时控开、放电输出电压可调，同时进行步骤s19、步骤s20。

步骤s19，判断蓄电池6的电压。

步骤s20，判断组件有无电压。

步骤s21，控制器对蓄电池6进行三段式充电，可编程阻性负载11工作，直流感性负载12工作；在选择模式步骤s15时：实时采集蓄电池6当前电压，实时调整充电电压，实现三段式充电方式，控制器放电回路给可编程阻性负载11和直流感性负载12供电，调整输出pwm占空比，使负载10两端电压达到预设定值。判断组件有电压时，充电回路工作；判断组件无电压时，充电回路不工作。在选择步骤s16时：实时采集蓄电池6当前电压，实时调整充电电压，实现三段式充电方式，控制器放电回路给可编程阻性负载11和直流感性负载12供电，调整输出pwm占空比，使负载10两端电压达到预设定值。判断组件有电压时，充电回路工作，放电回路不工作；判断组件无电压时，充电回路不工作，放电回路工作。在选择步骤s17时：实时采集蓄电池6当前电压，实时调整充电电压，实现三段式充电方式，控制器放电回路给可编程阻性负载11和直流感性负载12供电，调整输出pwm占空比，使负载10两端电压达到预设定值。判断组件有无电压，若有电压，则充电回路工作；若无电压，则充电回路不工作，放电回路工作，在预设时间结束后，停止放电。若选择步骤s18，实时采集蓄电池6当前电压，实时调整充电电压，实现三段式充电方式，控制器放电回路给可编程阻性负载11和直流感性负载12供电，调整输出pwm占空比，使负载10两端电压达到预设定值。判断组件有无电压，若有电压，则充电回路工作，放电回路不工作；若无电压，则充电回路不工作，放电回路工作，放电回路工作在预设时间之后则不工作。

本实用新型例提出的模块化开源光伏发电控制器，适用于新能源专业学生，用于在学完光伏控制原理课程之后，开展实验课或课程设计。本实用新型可以使学生更加深刻的理解光伏控制的原理，并能利用模块化开源光伏发电控制器开展更加深入的课程设计或电路设计的学习。本实用新型采用pic的微控制器，更加集中地使整个控制器的操作统一，采用集成驱动芯片ir2104和军工级功率管，使学生能够清晰的理解光伏发电控制器原理，提高了整个控制器的稳定性。在操作性上的，也是方便老师和学生的操作。通过本实用新型提供的电路拓扑，控制方法，标准模块设计，并可以手动配置相关参数，极大提高学生对光伏发电控制器的设计水平。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。