专利名称：太阳能电源装置及其最大功率点跟踪控制方法
技术领域：
本发明涉及一种利用太阳能的电源装置，特别涉及一种能够根据入射到太阳能电池板上的太阳光强度和太阳能电池周围温度来调节输出电压和电流，使之始终工作在该环境下的最大功率点的太阳能电源装置，同时也涉及到使太阳能电源装置在不同的环境状态下始终工作在其最大功率点的跟踪控制方法，属于太阳能电源技术领域。
背景技术：
太阳能是一种清洁无污染的原始能源，既可缓解一次能源的危机，又能大大改善生态环境。国外在1975年就有了简单的太阳能水泵。80年代以来，欧洲、美国和日本等发达国家及国内先后开发了太阳能电源系统和太阳能照明系统。为了充分利用太阳能资源，已开发的电源系统大部分采用了最大功率点跟踪控制技术。这一技术是这样的如图1所示，图中的1A曲线即为输出电流—输出电压关系曲线，1B曲线为输出功率—输出电压关系曲线，从图中可以看出，在一定的环境下，太阳能电源系统的输出功率随着输出电压的不同而有所变化，其中有一个最大功率点，太阳能电池板在该点状态下对外输出最大的功率。图2所示为随入射太阳光强度变化而变化的太阳能电池输出电压—电流特性曲线。图3所示为随周围温度变化而变化的的太阳能电池输出电压—电流特性曲线。从图中可以看出，太阳能电池的输出电压和输出电流会随入射太阳光的强度和周围温度的变化而发生变化，相应的，太阳能电池的输出功率也会随之发生变化。因此，有必要发展出对太阳能电池板的输出电压和输出电流进行动态调节，以使其始终工作在其最大功率点或者其附近的控制技术，即太阳能电池板最大功率点跟踪控制技术。目前，人们已经在这一方面做了很多工作，比较典型的有日本东芝公司1993申请的美国专利US 5268832，Hirofumi Nakata 1998年申请的美国专利US 5719758，Masaki Madenokouji 2000年申请的美国专利US 6046919，国内清华大学的赵争鸣于2000年申请的中国专利CN 01264201等等。以上专利分别采用不同的方法实现对太阳能电源的功率变换控制和最大功率跟踪控制。图4即为CN 01264201的控制框图，它利用数字信号处理器实现对太阳能电源最大功率的跟踪控制。上述方法存在一个共同的不足太阳能电源的最大功率控制实现方法比较复杂，都需要利用计算机或数字信号处理器来实现，成本比较高，但速度却比较慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的太阳能电源转置，该装置能够根据入射到太阳能电池板上的太阳光强度和太阳能电池板周围温度的变化动态调节其输出电压和电流，使之始终工作在该环境下的最大功率点。
本发明的另一个目的是提供一种与上述新型太阳能电源装置相配合的太阳能电源最大功率点跟踪控制方法。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案一种太阳能电源装置，包括太阳能电池，其特征在于所述太阳能电源装置还具有电流检测器、电压检测器、功率变换器、输出电流检测器、功率控制单元、PWM控制单元和驱动单元；太阳能电池的输出接功率变换器，在太阳能电池和功率变换器之间接有电压检测器和电流检测器，电压检测器和电流检测器接功率控制单元，功率控制单元接PWM控制单元，PWM控制单元接驱动单元，驱动单元驱动所述功率变换器，功率变换器外接负载，在功率变换器与负载之间接有输出电流探测器，所述输出电流探测器与PWM控制单元相连接。
一种利用上述太阳能电源装置实现太阳能电源最大功率点跟踪控制的方法，包括如下步骤(1)由功率控制单元中的电压变换电路和电流变换电路分别对太阳能电池的输出电压和输出电流进行标定变换，经变换后电压变换电路的输出记为U1，电流变换电路的输出记为U2；(2)U1和U2进入一个比较电路中进行比较；(3)将比较电路得出的结果与门限电路提供的门限电压Ug进行比较，结果送入输出电流给定电路；(4)输出电流给定电路分下列不同情况调整对外的输出，从而实现最大功率点跟踪控制a.当U1-U2＞Ug时，输出电流给定电路的输出增大；b.当U1-U2＜-Ug时，输出电流给定电路的输出减小；c.当-Ug＜U1-U2＜Ug时，输出电流给定电路的输出保持不变。
本发明所述的太阳能电源装置与现有的装置相比，电路结构要简单得多，因此可以降低装置的成本。利用本发明所述的最大功率点跟踪控制方法，由于其步骤得到简化，对最大功率点的跟踪控制速度要快于现有的方法。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
图1为太阳能电池的输出特性曲线图。
图2所示为随入射太阳光强度变化而变化的太阳能电池输出电压—电流特性曲线。
图3所示为随周围温度变化而变化的的太阳能电池输出电压—电流特性曲线。
图4为中国专利CN 01264201的控制框图。
图5为本发明所述的太阳能电源装置的系统框图。
图6为电源装置中功率控制单元的框图。
图7所示为一种最简单的线性近似变换电路。
图8为原始状态下的太阳能电池电压—电流输出特性曲线图。
图9为经过标定变换的太阳能电池电压—电流输出特性曲线图。
图10和图11所示的是标定变换前后的太阳能电池电压—电流输出特性曲线图中对应点的关系。
图12为本发明所述的太阳能电源最大功率点跟踪控制的方法的流程图。
具体实施例方式
图5为本发明所述的太阳能电源装置的系统框图。该装置包括太阳能电池、电流检测器、电压检测器、功率变换器、输出电流检测器、功率控制单元、PWM控制单元和驱动单元。其中太阳能电池的输出送入功率变换器中。在太阳能电池和功率变换器之间的线路上接有电压检测器和电流检测器。电压检测器和电流检测器采集到的电压信号和电流信号送入功率控制单元中。功率控制单元接PWM控制单元，PWM控制单元接驱动单元。由驱动单元驱动功率变换器。功率变换器接负载对外输出。在功率变换器与负载之间的线路上有一个输出电流探测器。它探测输出电流，并反馈到PWM控制单元中。通过各个单元之间的连接，太阳能电池产生的电能经功率变换器供给负载或并入电网。上述功率变换器可以是DC/DC变换器或DC/AC变换器。电流检测器、电压检测器、输出电流检测器、PWM控制单元和驱动单元均为现有的成熟电路，在此就不赘述了。
在本太阳能电源装置中，功率控制单元是实现最大功率点跟踪控制的核心部分。图6是功率控制单元的原理框图。它包括电压变换电路，电流变换电路，比较电路，门限电路和输出电流给定电路几部分。其中电压变换电路接上述电压探测器，它的功能是实现太阳能电池输出电压的标定变换，电流变换电路接上述电流探测器，它的功能是实现太阳能电池输出电流的标定变换。电压变换电路的输出电压记为U1，电流变换电路的输出电压记为U2，它们共同接入一个比较电路中，由比较电路完成U1和U2的比较。比较电路的输出接门限电路，其输出和门限电路提供的门限电压Ug进行比较。门限电压是根据需要预先设定的一个较小的电压。与门限电路连接的输出电流给定电路按照下列的控制规律调整对外的输出(1)当U1-U2＞Ug时，输出电流给定电路的输出增大；(2)当U1-U2＜-Ug时，输出电流给定电路的输出减小；(3)当-Ug＜U1-U2＜Ug时，输出电流给定电路的输出保持不变。
在上文中，所谓的标定变换是指将图8所示的原始状态下的太阳能电池电压—电流输出特性线性近似转换为图9所示的理想对称电压—电流输出特性的过程。这一过程是通过图7所示的线性近似变换电路完成的。图7所示的是一种最简单的线性近似变换电路，它实际上是一个基于运算放大器的典型比例运算电路。太阳能电池的输出电压先进行平移变换，而后进行比例变换，从而实现所需要的标定变换。
本太阳能电源装置通过上述的方法即可实现太阳能电池的最大功率输出，详细说明如下图10为原始状态下的一种太阳能电池的输出特性，其上的A、B、C、D、E为太阳能电池的工作点，经过电压变换电路和电流变换电路的变换，太阳能电池的输出特性可变为如图11所示的理想对称的电压—电流输出特性，与变换前A、B、C、D、E对应的工作点为A1、B1、C1、D1、E1。由于是线性近似变换，各点对应太阳能电池工作点的特性没变，即在图10和图11中A和A1分别代表最大功率点。A1点的特征在于U1＝U2，这是最大功率点在电压和电流经过线性近似变换后的特征。实际中，U1和U2很难做到完全相等，它们之间的差值只要小于预设的门限电压Ug就算满足了要求。图10中的B点和C点为门限控制对应的工作点。相对应的，图11中门限控制对应的工作点为B1点和C1点。
下面分两种情况分析最大功率点跟踪控制的工作过程(1)当太阳能电池的原始工作点为D(D1)时，太阳能电池工作在开路侧，输出电压比较大，电流比较小，经电路变换后U1-U2＞Ug，功率控制单元中的输出电流给定电路输出增大，从而使太阳能电池的工作点向C(C1)移动，直至工作点移入B(B1)和C(C1)之间，输出电流给定电路的输出不再变化为止。
(2)当太阳能电池的原始工作点为E(E1)时，太阳能电池工作在短路侧，输出电压比较小，电流比较大，经电路变换后U1-U2＜-Ug，功率控制单元中的输出电流给定电路输出减小，从而使太阳能电池的工作点向B(B1)移动，直至工作点移入B(B1)和C(C1)之间，输出电流给定电路的输出不再变化为止。
需要指出的是，对不同的太阳能电池而言，其线性变换方法和变换系数是不同的，这需要在装置安装调试时依据太阳能电池的种类，安装地点的气候参数和地理参数确定。
权利要求
1.一种太阳能电源装置，包括太阳能电池，其特征在于所述太阳能电源装置还具有电流检测器、电压检测器、功率变换器、输出电流检测器、功率控制单元、PWM控制单元和驱动单元；太阳能电池的输出接功率变换器，在太阳能电池和功率变换器之间接有电压检测器和电流检测器，电压检测器和电流检测器接功率控制单元，功率控制单元接PWM控制单元，PWM控制单元接驱动单元，驱动单元驱动所述功率变换器，功率变换器外接负载，在功率变换器与负载之间接有输出电流探测器，所述输出电流探测器与PWM控制单元相连接。
2.如权利要求1所述的太阳能电源装置，其特征在于所述功率控制单元包括电压变换电路，电流变换电路，比较电路，门限电路和输出电流给定电路；电压变换电路接所述电压探测器，电流变换电路接所述电流探测器，它们共同接入一个比较电路中，比较电路的输出接门限电路，门限电路与输出电流给定电路相连接。
3.如权利要求1或2所述的太阳能电源转置，其特征在于所述电压变换电路和电流变换电路为一个基于运算放大器的比例运算电路。
4.如权利要求1所述的太阳能电源装置，其特征在于所述功率变换器是DC/DC变换器或者DC/AC变换器。
5.一种利用所述太阳能电源装置实现太阳能电源最大功率点跟踪控制的方法，包括如下步骤(1)由功率控制单元中的电压变换电路和电流变换电路分别对太阳能电池的输出电压和输出电流进行标定变换，经变换后电压变换电路的输出记为U1，电流变换电路的输出记为U2；(2)U1和U2进入一个比较电路中进行比较；(3)将比较电路得出的结果与门限电路提供的门限电压Ug进行比较，结果送入输出电流给定电路；(4)输出电流给定电路分下列不同情况调整对外的输出，从而实现最大功率点跟踪控制a.当U1-U2＞Ug时，输出电流给定电路的输出增大；b.当U1-U2＜-Ug时，输出电流给定电路的输出减小；c.当-Ug＜U1-U2＜Ug时，输出电流给定电路的输出保持不变。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能电源装置，也公开了一种利用该装置实现太阳能电源最大功率点跟踪控制的方法。该装置中的太阳能电池的输出送入功率变换器中。在太阳能电池和功率变换器之间的线路上接有电压检测器和电流检测器。电压检测器和电流检测器采集到的电压信号和电流信号送入功率控制单元中。功率控制单元接PWM控制单元，PWM控制单元通过驱动单元驱动功率变换器。功率变换器接负载对外输出。在功率变换器与负载之间的线路上有一个输出电流探测器。它探测输出电流，并反馈到PWM控制单元中。本太阳能电源装置及其最大功率点跟踪控制方法具有电路结构简单，成本低，控制速度快的优点。
文档编号G05F1/66GK1512286SQ02159728
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者杜中义 申请人:北京通力环电气股份有限公司