专利名称：一种太阳能最大功率点跟踪系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光伏发电技术领域，，特别涉及一种太阳能最大功率点跟踪系统， 系统具有变周期变步长进行扰动观察对太阳电池最大功率点进行跟踪的功能，能够简化太阳能发电系统的硬件与软件开销，降低功率变换电路的动态功耗，可用于太阳能电池独立发电系统、并网发电系统等。
背景技术：
太阳能是一种洁净无污染的巨大能源，最大限度的开发利用太阳能将是人类科技发展的重要方向；由于全球性能源危机和环境保护的紧迫性，世界重大核事故的警示，使世界各国政府正在积极地推出一系列开发利用太阳能和其他新型可再生能源的鼓励性政策和法规；全球在光伏发电等新能源领域的投资正在呈现快速发展的趋势，包括政府投资、风险资本和私人股本等，该产业已经成为投资的热门领域；全球从事这一领域的科学研究和技术开发人员队伍不断壮大，远远超过了其他所有领域。目前我国已经成为太阳能光伏发电模组的产能大国，正处于市场发展和应用发展的关键阶段，因此自主开发专利技术，对发展我国光伏产业、新能源技术、分布式电网等相关技术与产业具有重要意义。实际上，由于太阳能电池属于半导体器件，具有明显的非线性特性，为了实现光伏发电系统输出功率的最大化，对工作中的太阳电池进行最大功率点跟踪，是太阳电池发电的关键技术之一。目前人们已经掌握了太阳电池最大功率点跟踪的原理，已经有多种太阳电池最大功率点跟踪方法被提了出来，如恒定电压控制法，扰动观测法，导纳增量法，模糊控制法，神经网络控制法，自适应控制法等等。但是太阳电池发电系统是一种比较复杂的系统，受到多种因素的影响，不仅与太阳电池本身有关，而且与发电系统的结构、功率转换电路的拓扑、负载类型以及负载的工作状态等有关。上面所述的各种方法，在实际应用中各有优缺点，如恒定电压控制法控制简单、稳定性好，但是控制精度差、适应性差；而模糊控制法控制精度高、动态和稳态性能好，但是算法复杂，需要复杂的CPU控制器，系统本身的成本与功耗增加。到目前为止还没有一种比较理想的太阳电池最大功率点跟踪技术。对实际的太阳电池发电系统分析，最大功率点跟踪的目的是在安全工作的前提下，最大限度的获取太阳电池发出的电能，所以结构简单、效率高、工作稳定、适应性的强的系统才能满足光伏发电系统需要。
发明内容本实用新型的目的就是为克服现有技术的不足，提出了一种变周期变步长的扰动观察最大功率点跟踪系统的设计方案与实现方法，在环境条件变化大的情况下能够快速跟踪太阳电池最大功率点，而在环境条件稳定的情况下，系统能够处于静态工作状态，有效降低自身耗电。从而简化电路结构，提高系统效率。本实用新型是通过这样的技术方案实现的一种太阳电池最大功率点跟踪系统， 其特征在于，系统电路由前端状态检测电路、开关电路、控制器、后端状态检测电路、后端信号调理电路、扰动步长发生器、扰动周期发生器和前端信号调理电路构成；所述前端状态检测电路的输入端分别与外部太阳电池、外部环境温度传感器、外部光强传感器和控制器的一组数字输出端相连，其输出端与前端信号调理电路的输入端相连；所述前端信号调理电路的输入端与前端状态检测电路的输出端相连，其输出端分别与扰动周期发生器的模拟信号输入端和扰动步长发生器的模拟信号输入端相连；所述后端状态检测电路的输入端分别与开关电路的负载直流母线输出端、外部负载温度传感器和控制器的一组数字输出端相连，其输出端与后端信号调理电路的输入端相连；所述后端信号调理电路的输入端与后端状态检测电路的输出端相连，其输出端与扰动周期发生器的模拟信号输入端相连；所述扰动周期发生器的模拟信号输入端分别与前端信号调理电路的模拟信号输出端和后端信号调理电路的模拟信号输出端相连，其数字控制信号端与控制器的一组数字控制信号端相连，数据总线DATA与控制器的数据总线相连，其输出端与扰动步长发生器的一个输入端相连；所述扰动步长发生器的模拟信号输入端与前端信号调理电路的模拟信号输出端相连，其数字控制信号端与控制器的一组数字控制信号端相连，数据总线DATA与控制器的数据总线相连；控制器通过数据总线DATA读取扰动步长发生器内部扰动步长寄存器的内容；所述控制器的数字控制端口分别与前端状态检测电路的数字控制信号端、后端状态检测电路的数字控制信号端、扰动步长发生器的数字控制信号端、扰动周期发生器的数字控制信号端相连，其数据总线分别与扰动步长发生器和扰动周期发生器的数据总线DATA 端相连，其控制输出端与开关电路的控制输入端相连；所述开关电路的控制输入端与控制器的控制输出端相连；电源输入端与外部太阳电池相连，其电源输出端与外部负载直流母线相连；所述的前端状态检测电路内部由调零校准电路、隔离电路和输出驱动电路组成； 外部光强传感器、温度传感器和太阳电池输出的电压和电流信号通过调零校准电路以后， 在隔离电路中分别经过独立的隔离器件进行隔离，然后经过输出驱动电路缓冲后输出到前端信号调理电路的模拟信号输入端；控制器输出的数字控制信号用来控制调零校准电路， 实现对每一路模拟信号进行相互独立的调零和校准。所述的前端信号调理电路内部由低通滤波器和信号归一化处理电路组成；低通滤波器用于对采集的信号进行低通滤波，滤除高频干扰信号；信号归一化处理电路将光强信号、温度信号、光伏电池的电压信号和电流信号处理成为一种统一标准的O到3V电压信号， 输出到扰动周期发生器和扰动步长发生器的模拟信号输入端。所述的后端状态检测电路内部结构所述的前端状态检测电路内部结构相同；外部负载温度传感器和本系统输出的直流母线电压与电流信号经过调零校准、隔离和输出驱动电路以后输出到后端信号调理电路的输入端。所述的后端信号调理电路与前端信号调理电路内部结构相同；由低通滤波器和信号归一化处理电路组成；负载电路温度信号和本系统输出的直流母线电压与电流信号经过滤波和归一化处理以后，变成0-3V电压信号输出到扰动周期发生器的模拟信号输入端；所述的前端状态检测电路和前端信号调理电路处理四路独立的模拟信号，用于太阳电池最大功率点跟踪；而后端状态检测电路和后端信号调理电路处理三路独立的模拟信号，用于负载跟踪。所述的扰动周期发生器内部由多路选择器A、模数转换电路A、数据锁存器A、数值比较器、周期设定逻辑电路、周期设定寄存器和系统存储器组成；多路选择器A的模拟信号输入端分别与前端信号调理电路的四个模拟信号输出端和后端信号调理电路的三个模拟信号输出端相连，其数字控制信号输入端C5、C6、C7与控制器的一组控制信号端口对应相连；多路选择器A的输出端与模数转换电路A的模拟信号输入端相连，模数转换电路A的数字信号输入端C8、C9和一个数字信号输出端ClO与控制电路的一组控制信号端口相连，模数转换电路A的输出端分别与数值比较器的一组数据输入端和数据锁存器A的数据输入端相连；数据锁存器A的数据输出端与数值比较器的一组数据输入端相连，其地址控制端与控制器的一组控制信号端口相连，接收控制器的控制信号；数值比较器的输出端与周期设定逻辑电路的输入端相连；周期设定寄存器的输入端与周期设定逻辑电路的输出端相连， 其输出端与所述的扰动步长发生器的输入端E相连，数值比较器和周期设定寄存器通过数据总线DATA与控制器连在一起，控制器通过DATA总线可以把初始值写入周期设定寄存器， 也可以把模拟信号的极限保护值写入数值比较器内部的16单元数据锁存器中。所述的扰动步长发生器内部由多路选择器B、模数转换电路B、时序电路、数据锁存器B、斜率计算电路、步长设定逻辑电路和步长设定寄存器组成；多路选择器B的模拟信号输入端与前端信号调理电路的四个模拟信号输出端相连，其输出端与模数转换电路B的模拟信号输入端相连，其数字控制输入端与时序电路的三个数字输出端相连；模数转换电路B的两个数字输入端C20、C21与时序电路的数字输出端相连，其数字输出端C22与时序电路的一个数字输入端相连，其一组数据输出端与斜率计算电路的一组数据输入端相连， 另一组数据输出端与数据锁存器B的数据输入端相连；斜率计算电路的另一组数据输入端与数据锁存器B的数据输出端相连，斜率计算电路有一组数字信号输入输出端与时序电路相连；斜率计算电路的输出端与步长设定逻辑电路的输入端相连，将信号的变化率数据输出到步长设定逻辑电路；而时序电路的一组数字控制信号端C13、C14与控制器相连，用于启动时序电路和斜率计算结束的标志信号；步长设定逻辑电路的另一个输出端C15与控制器的一个数字控制信号端口相连，其另一个输出端与步长设定寄存器相连；步长设定寄存器的输入端与步长设定逻辑电路的输出端相连；步长设定寄存器通过数据总线DATA与控制器连在一起，控制器通过DATA总线可以把初始值写入步长设定寄存器，也可以从步长设定寄存器读取数据。所述的控制器由用户可编程的单片机来实现，通过软件设定控制器的控制功能； 控制器根据扰动步长发生器设定的步长和周期发生器设定的周期，输出控制信号来改变开关电路的占空比，从而实现太阳电池的最大功率点跟踪和负载跟踪。所述的前端状态检测电路中的调零校准电路由双开关器件a、双开关器件b、双开关器件C、双开关器件d、2_4译码器、双开关器件e、双开关器件f、双开关器件g和双开关器件h组成，构成四路独立的模拟信号调零校准开关电路；调零校准电路的四路模拟信号输入端与外部传感器相连，四路数字控制信号输入端与控制器相连，其输出端是四路模拟信号输出端和隔离电路的输入端相连；2-4译码器有两路数字控制信号输入端与控制器相连，用于分时的选择四路开关电路中的一路对模拟信号进行调零与校准。本实用新型的优点和积极效果本实用新型提供的太阳能最大功率点跟踪系统， 采用了变周期变步长扰动的控制方法，可以将控制器、数据采集电路和逻辑控制电路设计成为一个集成电路，采用高效率的简单控制软件来实现，具有电路结构简单，软件算法简单等特点，能够降低系统本身的电源功耗，具有低功耗、高效率的特点；同时本实用新型实现了太阳电池最大功率点跟踪和负载跟踪的控制方法，能够提供负载保护，特别适合于一些中小规模的太阳能蓄电池充电电路和独立运行的太阳电池电站。
图1是变周期变步长扰动的太阳能最大功率点跟踪系统结构框图；图2是前端状态检测电路1的结构框图；图3是前端信号调理电路8的结构框图；图4是扰动周期发生器7的结构框图；图5是扰动步长发生器6的结构框图；图6是调零与校准电路9的结构框图；图7是数值比较器17的结构框图。图中6.扰动步长发生器，7.扰动周期发生器，8.前端信号调理电路，9.调零校准电路，10.隔离电路，11.输出驱动电路，12.低通滤波器，13.信号归一化处理电路，14.多路选择器A，15.模式转换电路A，16.数据锁存器A，17.数值比较器，18.周期设定逻辑电路，19.周期设定寄存器，20.系统存储器，21.多路选择器B，22.模式转换电路B，23.时序电路，24.数据锁存器B，25.斜率计算电路，26.步长设定逻辑电路，27.步长设定寄存器， 28.双开关器件a，29.双开关器件b，30.双开关器件c，31.双开关器件d，32. 2_4译码器， 33.双开关器件e，34.双开关器件f，35.双开关器件g，36.双开关器件h，33-36.双开关器，37. 16单元数据锁存器，38.比较器，39.保护状态寄存器，40.输出数据锁存器，41.减法器，42.计数器，43.第一次数据锁存器，44.第二次数据锁存器。
具体实施方式
为了更清楚的理解本实用新型，结合附图和实施例详细描述本实用新型如图1至图7所示，系统电路由前端状态检测电路1、开关电路2、控制器3、后端状态检测电路4、后端信号调理电路5、扰动步长发生器6、扰动周期发生器7和前端信号调理电路8构成；前端状态检测电路1的输入端分别与外部太阳电池、外部环境温度传感器、外部光强传感器和控制器3的一组数字输出端相连，其输出端与前端信号调理电路8的输入端相连；前端信号调理电路8的输入端与前端状态检测电路1的输出端相连，其输出端分别与扰动周期发生器7的模拟信号输入端和扰动步长发生器6的模拟信号输入端相连；后端状态检测电路4的输入端分别与开关电路2的负载直流母线输出端、外部负载温度传感器和控制器3的一组数字输出端相连，其输出端与后端信号调理电路5的输入端相连；后端信号调理电路5的输入端与后端状态检测电路4的输出端相连，其输出端与扰动周期发生器7的模拟信号输入端相连；扰动周期发生器7的模拟信号输入端分别与前端信号调理电路8的模拟信号输出端和后端信号调理电路5的模拟信号输出端相连，其数字控制信号端与控制器3的一组数字控制信号端相连，数据总线DATA与控制器3的数据总线相连，其输出端与扰动步长发生器6的一个输入端相连；扰动步长发生器6的模拟信号输入端与前端信号调理电路8的模拟信号输出端相连，其数字控制信号端与控制器3的一组数字控制信号端相连，数据总线DATA与控制器3 的数据总线相连；控制器3通过数据总线DATA读取扰动步长发生器6内部扰动步长寄存器的内容；控制器3的数字控制端口分别与前端状态检测电路1的数字控制信号端、后端状态检测电路4的数字控制信号端、扰动步长发生器6的数字控制信号端、扰动周期发生器7 的数字控制信号端相连，其数据总线分别与扰动步长发生器6和扰动周期发生器7的数据总线DATA端相连，其控制输出端与开关电路2的控制输入端相连；开关电路2的控制输入端与控制器3的控制输出端相连；电源输入端与外部太阳电池相连，其电源输出端与外部负载直流母线相连；前端状态检测电路1内部由调零校准电路9、隔离电路10和输出驱动电路11组成；外部光强传感器、温度传感器和太阳电池输出的电压和电流信号通过调零校准电路9 以后，在隔离电路10中分别经过独立的隔离器件进行隔离，然后经过输出驱动电路11缓冲后输出到前端信号调理电路8的模拟信号输入端；控制器3输出的数字控制信号用来控制调零校准电路9，实现对每一路模拟信号进行相互独立的调零和校准。前端信号调理电路8内部由低通滤波器12和信号归一化处理电路13组成；低通滤波器12用于对采集的信号进行低通滤波，滤除高频干扰信号；信号归一化处理电路13将光强信号、温度信号、光伏电池的电压信号和电流信号处理成为一种统一标准的0到3V电压信号，输出到扰动周期发生器7和扰动步长发生器6的模拟信号输入端。后端状态检测电路4内部结构所述的前端状态检测电路1内部结构相同；外部负载温度传感器和本系统输出的直流母线电压与电流信号经过调零校准、隔离和输出驱动电路以后输出到后端信号调理电路5的输入端；后端信号调理电路5与前端信号调理电路8内部结构相同；由低通滤波器和信号归一化处理电路组成；负载电路温度信号和本系统输出的直流母线电压与电流信号经过滤波和归一化处理以后，变成0-3V电压信号输出到扰动周期发生器7的模拟信号输入端；前端状态检测电路1和前端信号调理电路8处理四路独立的模拟信号，用于太阳电池最大功率点跟踪；而后端状态检测电路4和后端信号调理电路5处理三路独立的模拟信号，用于负载跟踪。扰动周期发生器7内部由多路选择器A14、模数转换电路A15、数据锁存器A16、数值比较器17、周期设定逻辑电路18、周期设定寄存器19和系统存储器20组成；多路选择器 A14的模拟信号输入端分别与前端信号调理电路8的四个模拟信号输出端和后端信号调理电路5的三个模拟信号输出端相连，其数字控制信号输入端C5、C6、C7与控制器3的一组控制信号端口对应相连；多路选择器A14的输出端与模数转换电路A15的模拟信号输入端相连，模数转换电路A15的数字信号输入端C8、C9和一个数字信号输出端ClO与控制电路3 的一组控制信号端口相连，模数转换电路A15的输出端分别与数值比较器17的一组数据输入端和数据锁存器A16的数据输入端相连；数据锁存器A16的数据输出端与数值比较器17 的一组数据输入端相连，其地址控制端与控制器3的一组控制信号端口相连，接受控制器3 的控制信号；数值比较器17的输出端与周期设定逻辑电路18的输入端相连；周期设定寄存器19的输入端与周期设定逻辑电路18的输出端相连，其输出端与所述的扰动步长发生器6的输入端E相连，数值比较器17和周期设定寄存器19通过数据总线DATA与控制器3 连在一起，控制器3通过DATA总线可以把初始值写入周期设定寄存器19，也可以把模拟信号的极限保护值写入数值比较器17内部的16单元数据锁存器36中。扰动步长发生器6内部由多路选择器B21、模数转换电路B22、时序电路23、数据锁存器B24、斜率计算电路25、步长设定逻辑电路沈和步长设定寄存器27组成；多路选择器 B21的模拟信号输入端与前端信号调理电路8的四个模拟信号输出端相连，其输出端与模数转换电路B22的模拟信号输入端相连，其数字控制输入端与时序电路23的三个数字输出端相连；模数转换电路B22的两个数字输入端C20、C21与时序电路23的数字输出端相连， 其数字输出端C22与时序电路23的一个数字输入端相连，其一组数据输出端与斜率计算电路25的一组数据输入端相连，另一组数据输出端与数据锁存器B24的数据输入端相连；斜率计算电路25的另一组数据输入端与数据锁存器BM的数据输出端相连，斜率计算电路25 有一组数字信号输入输出端与时序电路23相连；斜率计算电路25的输出端与步长设定逻辑电路沈的输入端相连，将信号的变化率数据输出到步长设定逻辑电路沈；而时序电路23 的一组数字控制信号端C13、C14与控制器3相连，用于启动时序电路23和斜率计算结束的标志信号；步长设定逻辑电路26的另一个输出端C15与控制器3的一个数字控制信号端口相连，其另一个输出端与步长设定寄存器27相连；步长设定寄存器27的输入端与步长设定逻辑电路沈的输出端相连；步长设定寄存器27通过数据总线DATA与控制器3连在一起， 控制器3通过DATA总线可以把初始值写入步长设定寄存器27，也可以从步长设定寄存器 27读取数据。控制器3由用户可编程的单片机来实现，通过软件设定控制器3的控制功能；控制器3根据扰动步长发生器设定的步长和周期发生器设定的周期，输出控制信号来改变开关电路2的占空比，从而实现太阳电池的最大功率点跟踪和负载跟踪。前端状态检测电路1中的调零校准电路9由双开关器件a28、双开关器件1^29、双开关器件c30、双开关器件d31、2-4译码器32、双开关器件e33、双开关器件f34、双开关器件g35和双开关器件h36组成，构成四路独立的模拟信号调零校准开关电路；调零校准电路 9的四路模拟信号输入端与外部传感器相连，四路数字控制信号输入端与控制器3相连，其输出端是四路模拟信号输出端和隔离电路10的输入端相连；2-4译码器32有两路数字控制信号输入端与控制器3相连，用于分时的选择四路开关电路中的一路对模拟信号进行调零与校准。实施例1 如图1所示的太阳能最大功率点跟踪系统，将各单元电路集成在一起，把开关电路2、调零校准电路9和隔离电路10作为片外元件设计成一块系统电路板，其中前端状态检测电路1的模拟信号输入端有四个，分别与外部太阳电池电压传感器、太阳电池电流传感器、外部温度传感器和外部光强传感器相连；数字控制信号端与控制器3的一组数字控制信号端相连；其四个模拟信号输出端与前端信号调理电路8的输入端相连；前端状态检测电路1在控制器3的控制下工作，完成对太阳电池电压、电流、温度和光强信号当前状态的检测。前端信号调理电路8的输入端有四个，分别与前端状态检测电路1的四个模拟信号输出端相连，其输出端与扰动步长发生器6和扰动周期发生器7的模拟信号输入端相连； 前端信号调理电路8实现对四路模拟信号的低通滤波和信号归一化处理电路。后端状态检测电路4的模拟信号输入端有三个，分别与负载直流母线电压传感器、负载直流母线电流传感器和负载温度传感器相连；数字控制信号端与控制器3的一组数字控制信号端相连；其三个模拟信号输出端与后端信号调理电路5的输入端相连；后端状态检测电路4在控制器3的控制下工作，完成对负载直流母线的电压、电流和负载电路温度信号当前状态的检测。后端信号调理电路5的输入端有三个，分别与后端状态检测电路4的三个模拟信号输出端相连，其输出端与扰动周期发生器7的模拟信号输入端相连；后端信号调理电路5 实现对三路模拟信号的低通滤波和信号归一化处理电路。扰动步长发生器6模拟信号输入端与前端信号调理电路8的模拟信号输出端相连，其数据总线DATA与控制器3相连，使能控制输入端E与扰动周期发生器7的使能控制输出端相连，数字控制信号输入端与控制器3相连；扰动步长发生器6在控制器3的控制下工作；扰动步长发生器6内部由多路选择器B21、模数转换电路B21、时序电路23、数据锁存器B24、斜率计算电路M、步长设定逻辑电路沈和步长设定寄存器27组成，其中多路选择器B21的数字信号输入端与时序电路23的数字信号输出端相连，其输出端与模数转换电路B21的模拟输入端相连；模数转换电路B21的模拟信号输入端与多路选择器B21的输出端相连，其数据输出端有两组，分别与数据锁存器BM和斜率计算电路M相连，其数字控制信号端与时序电路23相连，在时序电路23的控制下工作；数据锁存器BM的数据输入端与模数转换电路B21的数据输出端相连，其数据输出端与斜率计算电路M相连，其地址与数字控制端与时序电路23相连，在时序电路23的控制下工作；斜率计算电路M的数据输入端有两组，分别与模数转换电路B21和数据锁存器BM相连，其输出端与步长设定逻辑电路沈相连，其工作启动与工作完成标志信号与时序电路23相连；步长设定逻辑电路沈的输入端与斜率计算电路M相连，其数据输出端与步长设定寄存器27相连，其数字信号输出端与控制器3相连；步长设定寄存器27的数据输入端与步长设定逻辑电路沈相连，步长设定逻辑电路沈和控制器3都能够通过数据总线DATA对步长设定寄存器27进行读写；时序电路23产生各种逻辑控制信号来控制扰动步长发生器6的工作，时序电路23通过一组数字控制信号端C13 C14与控制器3通讯。扰动周期发生器7的模拟信号输入端与前端信号调理电路8和后端信号调理电路 5的模拟信号输出端相连，其数据总线DATA与控制器3相连，使能控制输出端E与扰动步长发生器6的使能控制输入端相连，数字控制信号输入端与控制器3相连；扰动周期发生器 7在控制器3的控制下工作；扰动周期发生器7内部由多路选择器A14、模数转换电路A15、 数据锁存器A16、数值比较器17、周期设定逻辑电路18和周期设定寄存器19组成，其中多
10路选择器A15的数字信号输入端与控制器3的数字控制信号端相连，其输出端与模数转换电路A15的模拟输入端相连；模数转换电路A15的模拟信号输入端与多路选择器A14的输出端相连；模数转换电路A15的数据输出端有两组，分别与数据锁存器A16和数值比较器 17相连，其数字控制信号端与控制器3相连，在控制器3的控制下工作；数据锁存器A16的数据输入端与模数转换电路A15的数据输出端相连，其数据输出端有两个，分别与数值比较器17和系统存储器20相连，其地址与数字控制端与控制器3相连，在控制器3的控制下工作；数值比较器17的数据输入端有两组，分别与模数转换电路A15和数据锁存器A16相连，其输出端与周期设定逻辑电路18相连，其一组数据比较完成标志信号端Cll与控制器 3相连；周期设定逻辑电路18的输入端与数值比较器17相连，其数据输出端与周期设定寄存器19相连，周期设定值写入周期设定寄存器的状态信号端C12与控制器3相连；周期设定寄存器19的数据输入端与周期设定逻辑电路18相连，周期设定逻辑电路18和控制器3 都能够通过数据总线DATA对周期设定寄存器19进行读写。控制器3内部包括CPU和内部存储器，其输入端与系统数据线DATA，通过数据线能够读取所有锁存器、寄存器和存储器的内容；其输出端是系统的各种控制信号，分别与前端状态检测电路1、开关电路2、控制器3、后端状态检测电路4、后端信号调理电路5、扰动步长发生器6、扰动周期发生器7和前端信号调理电路8相连。开关电路2内部包括驱动器和大功率开关器件，开关电路2是系统的执行器件，电源输入端与太阳电池相连，控制输入端与控制器3相连，输出端与负载电路相连。前端状态检测电路1和后端状态检测电路4内部由调零校准电路、隔离电路和输出驱动电路组成，其中调零校准电路的结构如图6所示，其实施过程为调零校准电路的四个模拟信号输入端与外部传感器相连，其四个数字控制信号端与控制器3相连，其四个模拟信号输出端分别与后面的前端信号调理电路8或后端信号调理电路5相连；控制器3通过2-4译码器32来控制四路模拟信号的调零与校准，当2-4译码器32的输入端C18和C19 都为0时，2-4译码器32的输出使双开关器件27闭合，其他双开关器件断开，此时控制器 3输出的数字控制信号通过端子C16、C17与双开关器件32接通，系统可以对由双开关器件 32控制的模拟信号进行调零和校准；调零时，C16=1,C17=0双开关器件32的第一个开关触点与地相接，另一个触点直通，由双开关器件32输出0信号，就可以对该信号处理电路进行调零；校准时，C16=0, C17=l双开关器件32的第二个开关触点与参考电压Vref相接，另一个触点直通，因此后面的电路可以通过Vref基准电压进行校准；同理，当C18 C19=0 1，C18 C19=l 0, C18 C19=l 1时，调零与校准电路9可以实现对其余三路模拟信号进行调零与校准。调零校准电路9采用继电器式双开关器件，能够在模拟信号隔离电路的前面实现模拟信号的调零与较准。实施例2 本实用新型的太阳能最大功率点跟踪系统的实现依次经过下述步骤第一、系统上电后，控制器3通过数据总线DATA为扰动步长发生器6内部的步长设定寄存器27和扰动周期发生器7内部的周期设定寄存器19设置初值；同时将模拟信号的极限保护值写入数值比较器17的16单元数据锁存器37中。第二、控制器3发出控制信息，启动后端状态检测电路4测试负载的电压、电流和负载电路温度的和当前值，并对采集的信号进行滤波和归一化处理。[0063]第三、扰动周期发生器7内部的数值比较器17对采集的数据与16单元数据锁存器37中预存的数据进行比较，如果有一个数据超过了保护极限值，则系统进入保护状态， 包括需要充电的蓄电池满电、负载轻载或负载故障(如蓄电池温度过高等)，这种情况下扰动周期发生器7设置周期设定寄存器19为最大值，此时控制器3和开关电路2进入负载跟踪工作状态，根据负载的用电情况调节开关电路2，满足负载需求或关闭；如果数值比较器 17分析所有的数据都在正常范围内，则比较器38使能减法器41，按采集的数据设置周期设定寄存器19的内容，系统进入太阳电池最大功率点跟踪程序。第四、控制器3发出控制信息，启动前端状态检测电路1测试太阳电池输出的电压、电流太阳电池板的温度和光强等参数的变化率和当前值，并对采集的信号进行滤波和归一化处理。扰动步长发生器6的内部电路比较与分析前端状态检测电路1采集的数据， 根据太阳电池电压、太阳电池电流、太阳电池温度和光强的变化率，设置步长设定寄存器27 的值。第五、控制器3通过DATA数据线读取步长设定寄存器27和周期设定寄存器19的内容，确定当前太阳电池最大功率点跟踪程序的扰动周期与步长，进入正常工作状态。第六、在正常工作情况下，扰动周期发生器7不断地进行扰动周期的计算(周期即需要多长时间对太阳电池输出的功率进行扰动观察与跟踪)。扰动周期发生器7将前端状态检测电路1测得的数据进行处理，对当前太阳电池电压、电流、温度和光强信号，将连续两次的测试数据通过数值比较器17进行减法操作，差值的绝对值越大，周期设定逻辑电路 18写入周期设定寄存器19的值越小，周期设定寄存器19的内容取值在N和M之间(N<M); N值对应的周期时间最小为一秒，M值对应的周期时间最大为一小时。第七、在正常工作情况下，扰动步长发生器6不断地进行扰动步长的计算(步长即控制器以多大的步长跟踪太阳电池的最大功率点)。扰动步长发生器6将测试数据的当前值分时的送到模数转换电路B21进行模数转换，然后将数据送入斜率计算电路M，计算出的结果表明信号变化的快慢，如果太阳电池的电压和电流变化的快，需要快速跟踪其变化， 步长设定逻辑电路26将较大的扰动步长(步长)写入步长设定寄存器27，实现最大功率点快速跟踪；反之步长设定逻辑电路26将较小的扰动步长(步长)写入步长设定寄存器27，实现最大功率点较慢的跟踪；步长设定寄存器27的取值范围在X和Y之间；X的值对应的扰动步长最小为0，Y的值对应的扰动步长最大为太阳电池电压额定值的20%。第八、只要步长设定寄存器27和周期设定寄存器19的数据得到刷新，控制器3立即重新读取其中的数值，相应的改变驱动频率和占空比，驱动开关电路2进行太阳电池最大功率点跟踪或负载跟踪。第九、当斜率计算电路M计算的结果很小，或者数值比较器17减法操作结果差值很小，表明信号变化缓慢或在一段时间不变化时，周期设定寄存器19和步长设定寄存器27 的内容就不改写，控制器3对开关电路2的占空比不进行扰动，系统近似于静态工作。第十、在太阳电池最大功率点跟踪程序，系统进入变步长恒定电压法控制的太阳电池最大功率点跟踪状态。实施例3:本发明的太阳电池最大功率点跟踪系统的太阳电池最大功率点跟踪工作流程如下[0073]变周期变步长扰动的太阳电池最大功率点跟踪系统的结构如图1所示，系统稳定工作的流程为第一步，前端状态检测电路1和后端状态检测电路4将循环采集太阳电池电压、太阳电池电流、太阳电池温度、太阳辐照光强、负载直流母线电压、负载直流母线电流和负载电路温度。第二步，前端信号调理电路8和后端信号调理电路5对七路模拟信号分别进行低通滤波和信号归一化处理，低通滤波器滤除信号中50Hz及以上的高频干扰，信号归一化处理电路将模拟信号进行放大和电平移位，输出的0到3V的标准电压信号分别送到扰动步长发生器6和扰动周期发生器7。第三步，完成扰动步长发生器6的内部工作，确定最大功率点跟踪的扰动步长太阳电池电压、太阳电池电流、太阳电池温度、太阳辐照光强四路模拟输入信号进入多路选择器B 21的输入端；控制器3通过数字控制信号C9启动扰动步长发生器6内部的时序电路 23，时序电路23通过三条控制端来控制多路选择器B21和数据寄存器B23，三条控制端的状态从000到011变化时可以顺序的选择一路模拟信号，输出到12位模数转换电路B 21进行模数转换，同时顺序的确定数据寄存器B23的一个存储地址；时序电路23控制多路选择器B 21、模数转换电路B 21和数据寄存器B23在规定时间内对某一路模拟信号连续采集 2次；时序电路23通过三条数字信号线控制模数转换电路B 21的工作，时序电路23设置 C20、C21=0 0时，模数转换电路B 21开始第一次模数转换，此时模数转换电路B21的数据输出端与数据锁存器BM相连，模数转换结束后，模式转换器B 22将数字信号C22拉高，同时将数据锁存到数据锁存器B24;然后时序电路23设置C20、C21=1 0，启动模数转换器B21 进行第二次模数转换，此时数转换器B 21先将数字信号C22拉低，然后开始模数转换，C20、 C21=l 0时，模数转换电路B21的数据输出端与斜率计算电路M的一组数据输入端相连， 等第二次模数转换结束后，模式转换器B 22将数字信号C22拉高，同时将数据输出到斜率计算电路M，时序电路23设置C20、C21=1 1，模式转换器B 22处于等待状态；斜率计算电路对利用两次采集的数据计算该模拟信号的变化率；计算完后，斜率计算电路对发出控制信号给时序电路23开始下一个模拟信号的采集与计算，同时时序电路23通过信号线ClO 通知控制器3本次斜率计算结束；步长设定逻辑电路沈锁存斜率计算电路M的计算结果， 等到一组四个数据被锁存后，步长设定逻辑电路沈分析与比较四个数据，如果温度、光强、 太阳电池电压、太阳电池电流有一个发生变化，表明太阳电池最大功率点发生变化，这四个数据中哪个变化最大，则判断太阳电池最大功率点的变化是由该因素引起的，就依据该信号的变化率设定扰动步长，步长设定逻辑电路26根据斜率计算电路M计算的数值，改写步长设定寄存器27的值，增加或减少扰动步长，循环这一过程使四个信号的变化率减小至平衡，找到新的太阳电池最大功率点。第四步，完成扰动周期发生器7的内部工作，确定最大功率点跟踪的扰动周期前面的七路模拟输入信号进入多路选择器A 14的输入端，如下顺序处理七路模拟信号1)、 本系统输出的电压，2)、本系统输出的电流，3)、负载电路温度，4)、太阳电池电压，5)、太阳电池电流，6)、太阳电池温度，7)、太阳辐照光强；控制器3通过多路选择器A14的三个控制端C5、C6、C7来控制多路选择器A14和数据锁存器A16的地址，三个控制端C5、C6、C7的状态从0 0 0到1 1 0变化时可以顺序的选择一路模拟信号，输出到12位模数转换器A 15进行模数转换；控制器3通过模数转换器A 15的三个控制端C8、C9、ClO来控制模数转换器A 15的工作，当控制端C8、C9=0 0时，模数转换器A 15将ClO置0，开始模数转换，当模数转换结束后，模数转换器A 15将ClO置1，控制器3使控制端C8、C9=1 0，模数转换器A 15将转换后的数据锁存到数据锁存器A16，然后控制器3等待一个软件延时后，再设置C8、 C9=0 0，启动模数转换器A 15将ClO置0，第二次采集同一个模拟信号，模数转换结束后， 模数转换器A 15将ClO置1，控制器3设置C8C9=11，模数转换器A 15的输出送到数值比较器17 ；数值比较器17将该值与16单元数据锁存器37中相应值进行比较，如果数据没有超出极限保护值范围，则从数据锁存器A16中读出前一次锁存的数据与当前值进行减法运算，并将运算结果锁存到周期设定逻辑电路18，同时数值比较器17通过控制信号C7通知控制器3本次比较结束；控制器3改变C5、C6、C7三个控制端的值，对下一个模拟信号进行测试，连续将七个模拟信号处理完毕为一个周期；周期设定逻辑电路18接收数值比较器17 输出的连续七个12位误差信号，在前面三个数据均在正常范围内时，进入太阳电池最大功率点跟踪工作状态，对其余四个数据进行比较与分析，特别是温度和光强两个数据变化越大，则表明当前太阳电池工作点距离最大功率点越远，这四个数据中哪个变化越大，则判断太阳电池最大功率点的变化就是由于该参数引起的，周期设定逻辑电路18就选择该数据作为改写周期设定寄存器19的依据；所设定的扰动周期在一秒到一个小时之间，12位误差信号的值越大，所设定的周期越短，就是说太阳电池的电压、太阳电池的电流、温度和光强， 只要有一个发生大的变化，则本系统将以最小一秒的周期对太阳电池最大功率点进行快速跟踪，如果四个变量都没有明显的变化，则本系统将以最大一个小时的周期使系统近于静态工作状态。这样系统根据太阳电池的环境状态，自动的通过逻辑电路设定跟踪太阳电池最大功率点的扰动周期。只要这四个参数变化，周期设定逻辑电路18就会改写周期设定寄存器19的值，控制器3就会改变扰动的频率。实施例4 本发明的太阳电池最大功率点跟踪系统的负载跟踪流程如下系统上电后，控制器3通过数据总线DATA为扰动步长发生器6内部的步长设定寄存器27设置初始值0. 1，为扰动周期发生器7内部的周期设定寄存器19设置初始值60 秒；同时将模拟信号的极限保护值写入数值比较器17的特殊寄存器中，设定负载蓄电池的额定电压为48V，最高极限保护值为58. 8V，最低极限保护值为42. 3V，其他参数正常。前端状态检测电路1和后端状态检测电路4同时开始工作，将检测到的太阳电池电压、太阳电池电流、太阳电池温度、光强、蓄电池母线电压、蓄电池充电电流和蓄电池温度，分别通过前端信号调理电路8和后端信号调理电路5送到扰动周期发生器7和扰动步长发生器6，扰动周期发生器7内部的多路选择器A14在控制器3的控制下，按顺序将采集的七个模拟电压送到模数转换电路A15的输入端，对于蓄电池的电压数据，将第一次转换后的电压数据锁存到数据锁存器A16中，数值比较器17将模数转换电路A15第二次转换的电压数据与16单元数据锁存器37中相应数据进行比较，如果此时测得的蓄电池的电压为 58. 8V，达到了蓄电池电压的最大极限保护值，比较器38输出控制信号W无效，减法器不工作，同时比较器根据计数器42输出的数值，从保护状态寄存器39读出状态码通过输出数据锁存器40写入周期设定寄存器19，设定逻辑电路18将控制信号C23拉高，控制器3不再对太阳电池进行最大功率点跟踪扰动，使系统处于负载跟踪工作状态，控制器3将不断地通过数据线DATA读取蓄电池电压、电流和蓄电池工作温度的数据，根据负载的工作情况调节开关电路2的输入控制信号的频率和占空比。实施例5 本发明的太阳能最大功率点跟踪系统的调零校准电路9的实施工作流程如下前端状态检测电路1内部的调零校准电路9如图6所示，由双开关器件a28、双开关器件1^29、双开关器件c30、双开关器件d31、双开关器件e33、双开关器件f34、双开关器件g35、双开关器件h36和2-4译码器32组成，构成四路独立的模拟信号调零校准开关电路；其四个模拟信号输入端与外部传感器相连，其四个数字控制信号端与控制器3相连，其四个模拟信号输出端分别与后面的前端信号调理电路8相连；控制器3通过2-4译码器32 来控制四路模拟信号的调零与校准，当2-4译码器32的输入端C18C19=00时，2_4译码器 32的输出使双开关器件27闭合，其他双开关器件断开，此时控制器3输出的数字控制信号通过端子C16、C17与双开关器件32接通，系统可以对由双开关器件32控制的模拟信号进行调零和校准；调零时，C16=1，C17=0双开关器件32的第一个开关触点与地相接，另一个触点直通，双开关器件32输出0信号，就可以对该信号的处理电路进行调零；校准时，C16=0, C17=l，双开关器件32的第二个开关触点与参考电压Vref相接，另一个触点直通，因此后面的电路可以通过Vref基准电压进行校准；同理，当C18C19=01，C18C19=10, C18C19=11时， 调零校准电路9可以实现对其余三路模拟信号进行调零与校准。调零与校准电路9采用继电器式双开关器件，能够在模拟信号隔离电路的前面实现模拟信号的调零与较准，对信号的调零与校准可以在一个模拟信号采集之前进行，也可以在任何需要对信号进行调零或校准信号时进行。根据上述说明，结合本领域技术可实现本实用新型的方案。
权利要求1.一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，系统电路由前端状态检测电路(1)、 开关电路(2)、控制器(3)、后端状态检测电路(4)、后端信号调理电路(5)、扰动步长发生器(6)、扰动周期发生器(7)和前端信号调理电路(8)构成；所述前端状态检测电路(1)的输入端分别与外部太阳电池、外部环境温度传感器、外部光强传感器和控制器(3)的一组数字输出端相连，其输出端与前端信号调理电路(8)的输入端相连；所述前端信号调理电路(8)的输入端与前端状态检测电路(1)的输出端相连，其输出端分别与扰动周期发生器(7)的模拟信号输入端和扰动步长发生器(6)的模拟信号输入端相连；所述后端状态检测电路(4) 的输入端分别与开关电路(2)的负载直流母线输出端、外部负载温度传感器和控制器(3) 的一组数字输出端相连，其输出端与后端信号调理电路(5)的输入端相连；所述后端信号调理电路(5)的输入端与后端状态检测电路(4)的输出端相连，其输出端与扰动周期发生器(7)的模拟信号输入端相连；所述扰动周期发生器(7)的模拟信号输入端分别与前端信号调理电路(8)的模拟信号输出端和后端信号调理电路(5)的模拟信号输出端相连，其数字控制信号端与控制器(3)的一组数字控制信号端相连，数据总线DATA与控制器(3)的数据总线相连，其输出端与扰动步长发生器(6)的一个输入端相连；所述扰动步长发生器(6) 的模拟信号输入端与前端信号调理电路(8)的模拟信号输出端相连，其数字控制信号端与控制器(3)的一组数字控制信号端相连，数据总线DATA与控制器(3)的数据总线相连；所述控制器(3)的数字控制端口分别与前端状态检测电路(1)的数字控制信号端、后端状态检测电路(4)的数字控制信号端、扰动步长发生器(6)的数字控制信号端、扰动周期发生器(7)的数字控制信号端相连，其数据总线分别与扰动步长发生器(6)和扰动周期发生器(7) 的数据总线DATA端相连，其控制输出端与开关电路(2)的控制输入端相连；所述开关电路 (2)的控制输入端与控制器(3)的控制输出端相连；电源输入端与外部太阳电池相连，其电源输出端与外部负载直流母线相连。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，所述的前端状态检测电路(1)内部由调零校准电路(9)、隔离电路(10)和输出驱动电路(11)组成；外部光强传感器、温度传感器和太阳电池输出端、调零校准电路(9)、隔离电路(10)依次连接， 然后经过输出驱动电路(11)连接到前端信号调理电路(8)的模拟信号输入端；控制器(3) 控制调零校准电路(9)。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，所述的前端信号调理电路(8)内部由低通滤波器(12)和信号归一化处理电路(13)组成；低通滤波器 (12)连接信号归一化处理电路(13)，信号归一化处理电路(13)为扰动周期发生器(7)和扰动步长发生器(6)提供标准的0到3V电压信号。
4.根据权利要求1或2所述的一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，所述的后端状态检测电路(4)内部结构所述的前端状态检测电路(1)内部结构相同；外部负载温度传感器和本系统输出的直流母线、调零校准电路、隔离电路、输出驱动电路、后端信号调理电路(5)依次连接。
5.根据权利要求1或3所述的一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，所述的后端信号调理电路(5)与前端信号调理电路(8)内部结构相同；由低通滤波器和信号归一化处理电路组成；负载电路温度信号和本系统输出的直流母线电压与电流信号端经过低通滤波器和信号归一化处理电路，为扰动周期发生器(7)、前端状态检测电路(1)和前端信号调理电路(8 )提供0-3V电压信号。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，所述的扰动周期发生器(7)内部由多路选择器A (14)、模数转换电路A (15)、数据锁存器A (16)、数值比较器(17)、周期设定逻辑电路(18)、周期设定寄存器(19)和系统存储器(20)组成；多路选择器A (14)的模拟信号输入端分别与前端信号调理电路(8)的四个模拟信号输出端和后端信号调理电路(5)的三个模拟信号输出端相连，其数字控制信号输入端C5、C6、C7与控制器(3)的一组控制信号端口对应相连；多路选择器A (14)的输出端与模数转换电路A (15)的模拟信号输入端相连，模数转换电路A (15)的数字信号输入端C8、C9和一个数字信号输出端ClO与控制电路(3)的一组控制信号端口相连，模数转换电路A (15)的输出端分别与数值比较器(17)的一组数据输入端和数据锁存器A (16)的数据输入端相连；数据锁存器A (16)的数据输出端与数值比较器(17)的一组数据输入端相连，其地址控制端与控制器(3)的一组控制信号端口相连，接收控制器(3)的控制信号；数值比较器(17)的输出端与周期设定逻辑电路(18)的输入端相连；周期设定寄存器(19)的输入端与周期设定逻辑电路(18)的输出端相连，其输出端与所述的扰动步长发生器(6)的输入端E相连，数值比较器(17)和周期设定寄存器(19)通过数据总线DATA与控制器(3)连在一起。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，所述的扰动步长发生器(6)内部由多路选择器B (21)、模数转换电路B (22)、时序电路(23)、数据锁存器B (对)、斜率计算电路(25)、步长设定逻辑电路(26)和步长设定寄存器(27)组成；多路选择器B (21)的模拟信号输入端与前端信号调理电路(8)的四个模拟信号输出端相连，其输出端与模数转换电路B (22)的模拟信号输入端相连，其数字控制输入端与时序电路(23) 的三个数字输出端相连；模数转换电路B (22)的两个数字输入端C20、C21与时序电路(23) 的数字输出端相连，其数字输出端C22与时序电路(23)的一个数字输入端相连，其一组数据输出端与斜率计算电路(25)的一组数据输入端相连，另一组数据输出端与数据锁存器B (24)的数据输入端相连；斜率计算电路(25)的另一组数据输入端与数据锁存器B (24)的数据输出端相连，斜率计算电路(25)有一组数字信号输入输出端与时序电路(23)相连；斜率计算电路(25)的输出端与步长设定逻辑电路(26)的输入端相连，将信号的变化率数据输出到步长设定逻辑电路(26);而时序电路(23)的一组数字控制信号端C13、C14与控制器 (3)相连，用于启动时序电路(23)和斜率计算结束的标志信号；步长设定逻辑电路(26)的另一个输出端C15与控制器(3)的一个数字控制信号端口相连，其另一个输出端与步长设定寄存器(27)相连；步长设定寄存器(27)的输入端与步长设定逻辑电路(26)的输出端相连；步长设定寄存器(27)通过数据总线DATA与控制器(3)连在一起。
8.根据权项要求2所述的一种太阳能最大功率点跟踪系统，其特征在于，所述的前端状态检测电路(1)中的调零校准电路(9)由双开关器件a ( )、双开关器件b (四)、双开关器件c (30)、双开关器件d (31),2-4译码器(32)、双开关器件e (33)、双开关器件f (34)、 双开关器件g (35)和双开关器件h (36)组成，构成四路独立的模拟信号调零校准开关电路；调零校准电路(9)的四路模拟信号输入端与外部传感器相连，四路数字控制信号输入端与控制器(3)相连，其输出端是四路模拟信号输出端和隔离电路(10)的输入端相连；2-4 译码器(32)有两路数字控制信号输入端与控制器(3)相连。
专利摘要本实用新型涉及一种太阳能最大功率点跟踪系统，系统电路由前端状态检测电路、开关电路、控制器、后端状态检测电路、后端信号调理电路、扰动步长发生器、扰动周期发生器和前端信号调理电路构成；采用了变周期变步长扰动的控制方法，可以将控制器、数据采集电路和逻辑控制电路设计成为一个集成电路，采用高效率的简单控制软件来实现，具有电路结构简单，软件算法简单等特点，能够降低系统本身的电源功耗，具有低功耗、高效率的特点；同时实现了太阳电池最大功率点跟踪和负载跟踪的控制方法，能够提供负载保护，特别适合于一些中小规模的太阳能蓄电池充电电路和独立运行的太阳电池电站。
文档编号G05D3/12GK202205098SQ201120254270
公开日2012年4月25日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日
发明者吕前进, 周锎, 杜学伟, 耿卫东, 郑海华 申请人:天津光电惠高电子有限公司