一种串联型MPPT能源管理系统的制作方法

本发明涉及光伏发电直流变换电路控制技术领域，具体是指一种适用于分布式光伏发电的串联型mppt能源管理系统。

背景技术：

随着人类探索太空活动的日益频繁以及空间技术的快速发展，高性能的空间飞行器对大功率电源系统需求迫切。目前，空间飞行器广泛采用光伏-蓄电池供电体系，主要包括太阳电池阵、能源管理单元和蓄电池组成，实现了飞行器的能量平衡，满足飞行器的长期在轨要求。为了实现电源系统的大功率输出能力，需要解决大规模光伏的功率调节难题。

目前，民用光伏系统中功率优化器大多采用两级拓扑架构，实现分布式光伏系统的功率调节、并网等功能。这种拓扑架构中前级电路主要实现光伏mppt(maximumpowerpointtracking最大功率点跟踪)功能，后级电路实现稳定母线或并网等功能。两级电路之间通过总线进行通信，实现数据的传输，解决前后级功率电路的电压匹配问题。但是大规模光伏系统中由于光伏组件输出电压高，导致光伏组件失配问题严重，而且前级电路中功率器件电压应力高，器件选型难度较大，不适合应用在空间电源系统中。

此外，上述两级拓扑架构中，前后级电路需要通过总线进行数据传输。当两级电路空间距离较远时，由于信号干扰导致通信不稳定，而且线路较多，系统重量大，不适合空间飞行器轻量化设计需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种串联型mppt能源管理系统，适用于大型分布式光伏能源系统的功率调节。本发明包含通过中间母线电性连接的前后两级电路。前级采用若干个输出端串联连接的功率优化器，解决了高压太阳电池阵组件失配的问题，并降低了功率优化器中功率器件的电压应力。后级采用buck型电路实现中间母线与蓄电池组的电压匹配。前后级架构相互独立，不需要总线通信实现数据传输。

为了达到上述目的，本发明提供一种串联型mppt能源管理系统，包含：n个太阳电池阵、相同的n个功率优化器、功率变换器、蓄电池组；

所述太阳电池阵，转化太阳能为直流电能；

所述n个功率优化器，分别为第一功率优化器至第n功率优化器；一个功率优化器对应一个太阳能电池阵；功率优化器的输入端电性连接对应的太阳能电池阵，构成一个分布式单元；n个功率优化器的输出端依次串联连接；通过功率优化器，提升对应太阳电池阵的输出电压，跟踪对应太阳能电池阵峰值功率，实现对应太阳能电池阵的最大功率输出；

功率变换器，功率变换器的输入端通过中间母线电性连接第一功率优化器的输出端和第n功率优化器的输出端；通过功率变换器转换中间母线电压为蓄电池组的输入电压；

蓄电池组，电性连接功率变换器的输出端，存储功率变换器输出的直流电能。

所述功率优化器包含：boost型电路拓扑、第一信号采样电路、mppt策略执行电路和第一驱动电路；

所述boost型电路拓扑包含：升压电感l1、功率开关管q1、功率开关管q2、太阳电池阵滤波电容c1、中间母线滤波电容c2；其中升压电感l1的第一端连接对应太阳电池阵的正极、太阳电池阵滤波电容c1的第一端；升压电感l1的第二端连接功率开关管q1的漏极、功率开关管q2的漏极；功率开关管q2的源极连接中间母线滤波电容c2的第一端；中间母线滤波电容c2的第二端、功率开关管q2的源极、太阳电池阵滤波电容c1的第二端连接对应太阳电池阵的负极；

所述第一信号采样电路采集升压电感l1第一端的电压信号uin1、电流信号iin1，以及功率开关管q2的源极的电压信号uout1、电流信号iout1，并将采集到的信号转换为对应的数字量信号；

mppt策略执行电路输入端电性连接所述第一采样电路的输出端，根据数字量的电压信号uin1、uout1和数字量电流信号iin1、iout1生成第一控制信号；

第一驱动电路的输入端电性连接mppt策略执行电路的输出端，第一驱动电路的输出端电性连接功率开关管q1的门极、功率开关管q2的门极；第一驱动电路根据接收的第一控制信号生成对应的第一驱动信号，通过所述第一驱动信号通断功率开关管q1、功率开关管q2。

所述功率变换器包含：buck型电路拓扑、第二信号采样电路、pwm控制电路、驱动电路；

所述buck型电路拓扑包含：功率开关管q3、降压电感l2、蓄电池滤波电容c3、功率二极管d1；其中功率开关管q3的漏极连接中间母线的正极，功率开关管q3的源极连接降压电感l2的第一端、功率二极管d1的负极，降压电感l2的第二端连接蓄电池滤波电容c3的第一端、蓄电池组的正极；功率二极管d1的正极、蓄电池滤波电容c3的第二端、蓄电池组的正极连接中间母线的负极；

所述第二信号采样电路采集功率开关管q3的漏极的电压信号uin2、电流信号iin2，以及降压电感l2第二端的电压信号uout2、电流信号iout2，并将采集到的信号转换为对应的数字量信号；

所述pwm控制电路的输入端连接第二信号采样电路的输出端，根据数字量的电压信号uin2、电流信号iin2、电压信号uout2、电流信号iout2生成对应的pwm控制信号；

所述第二驱动电路的输入端连接pwm控制电路，第二驱动电路的输出端连接功率开关管q3的门极；第二驱动电路根据接收的pwm控制信号控制功率开关管q3的通断。

所述生成第一控制信号具体是指，mppt策略执行电路数字量的根据uin1、uout1、iin1、iout1判断uout1是否超过预设的最高输出电压；当uout1未超过最高输出电压，执行mppt功能，生成第一控制信号；当uout1超过最高输出电压，mppt策略执行电路等待一个工作周期后，重复上述步骤。

所述n个功率优化器各自独立，相互之间不需要通信。

第一功率优化器和功率变换器之间、第n功率优化器和功率变换器之间仅需通过中间母线连接，无需数据总线即可实现传送n个功率优化器串联的电压、电流信号给功率变换器。

与现有技术相比，本发明的串联型mppt能源管理系统优点在于：

(1)本发明采用的前级拓扑中，每个太阳电池阵连接一个功率优化器，每个功率优化器仅需跟踪对应的太阳电池阵最大输出功率，使对应太阳电池阵均工作在最大功率点，解决了分布式光伏系统远距离传输下的功率调节难题；

(2)本发明采用的前级拓扑中通过功率优化器串联输出，解决了高压光伏组件失配问题，同时降低了功率优化器中功率器件的电压应力。每个功率优化器相互独立，不需要通信，降低了系统线路连接的复杂度。

(3)本发明的前后级拓扑之间只需母线连接，不需要额外通过总线通信进行数据传输，实现了能源系统的轻量化设计，具有重要的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明的串联型mppt能源管理系统结构示意图；

图2为本发明的能源管理系统中的功率优化器示意图；

图3为本发明的能源管理系统中的功率变换器示意图；

图中：1、太阳能电池阵；2、功率优化器；3、功率变换器；4、蓄电池组；5、分布式单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种串联型mppt能源管理系统，包含：n个太阳电池阵、相同的n个功率优化器2、功率变换器3、蓄电池组4。

所述太阳电池阵，转化太阳能为直流电能；

所述n个功率优化器2，分别为第一功率优化器至第n功率优化器。在本应用实施例中，功率优化器2的额定电压为60v，最大输出功率为200w。n个功率优化器2各自独立，相互之间不需要通信。一个功率优化器2对应一个太阳能电池阵1，功率优化器的输入端电性连接对应的太阳能电池阵1，构成一个分布式单元5，n个功率优化器的输出端依次串联连接。通过功率优化器2，提升对应太阳电池阵的输出电压，跟踪对应太阳能电池阵峰值功率，实现对应太阳能电池阵1的最大功率输出。

如图2所示，所述功率优化器2包含：boost型电路拓扑、第一信号采样电路、mppt策略执行电路和第一驱动电路。

所述boost型电路拓扑包含：升压电感l1、功率开关管q1、功率开关管q2、太阳电池阵滤波电容c1、中间母线滤波电容c2。其中升压电感l1的第一端连接对应太阳电池阵的正极、太阳电池阵滤波电容c1的第一端；升压电感l1的第二端连接功率开关管q1的漏极、功率开关管q2的漏极；功率开关管q2的源极连接中间母线滤波电容c2的第一端；中间母线滤波电容c2的第二端、功率开关管q2的源极、太阳电池阵滤波电容c1的第二端连接对应太阳电池阵的负极。

所述第一信号采样电路采集升压电感l1第一端的电压信号uin1、电流信号iin1，以及功率开关管q2的源极的电压信号uout1、电流信号iout1，并将采集到的信号转换为对应的数字量信号。

mppt策略执行电路输入端电性连接第一采样电路的输出端，mppt策略执行电路数字量的根据uin1、uout1、iin1、iout1判断uout1是否超过预设的最高输出电压；当uout1未超过最高输出电压，执行mppt功能，生成第一控制信号；当uout1超过最高输出电压，mppt策略执行电路等待一个工作周期后，重复上述步骤。在本应用实施例中，uout1不能超过功率优化器2的额定电压60v。

第一驱动电路的输入端电性连接mppt策略执行电路的输出端，第一驱动电路的输出端电性连接功率开关管q1的门极、功率开关管q2的门极；第一驱动电路根据接收的第一控制信号生成对应的第一驱动信号，通过所述第一驱动信号通断功率开关管q1、功率开关管q2。

功率变换器3，功率变换器的输入端通过中间母线电性连接第一功率优化器的输出端和第n功率优化器的输出端，无需数据总线即可实现传送n个功率优化器2串联的电压、电流信号给功率变换器3。蓄电池组4，电性连接功率变换器的输出端，通过功率变换器3转换中间母线电压为蓄电池组4的工作电压，使蓄电池组4存储功率变换器3输出的直流电能。

如图3所示，所述功率变换器3包含：buck型电路拓扑、第二信号采样电路、pwm控制电路、驱动电路。

所述buck型电路拓扑包含：功率开关管q3、降压电感l2、蓄电池滤波电容c3、功率二极管d1；其中功率开关管q3的漏极连接中间母线的正极，功率开关管q3的源极连接降压电感l2的第一端、功率二极管d1的负极，降压电感l2的第二端连接蓄电池滤波电容c3的第一端、蓄电池组的正极；功率二极管d1的正极、蓄电池滤波电容c3的第二端、蓄电池组的正极连接中间母线的负极。

所述第二信号采样电路采集功率开关管q3的漏极的电压信号uin2、电流信号iin2，以及降压电感l2第二端的电压信号uout2、电流信号iout2，并将采集到的信号转换为对应的数字量信号。

所述pwm控制电路的输入端连接第二信号采样电路的输出端，根据数字量的电压信号uin2、电流信号iin2、电压信号uout2、电流信号iout2生成对应的pwm控制信号。

所述第二驱动电路的输入端连接pwm控制电路，第二驱动电路的输出端连接功率开关管q3的门极；第二驱动电路根据接收的pwm控制信号控制功率开关管q3的通断。

与现有技术相比，本发明的串联型mppt能源管理系统优点在于：

(1)本发明采用的前级拓扑中，每个太阳电池阵连接一个功率优化器2，每个功率优化器2仅需跟踪对应的太阳电池阵最大输出功率，使对应太阳电池阵均工作在最大功率点，解决了分布式光伏系统远距离传输下的功率调节难题；

(2)本发明采用的前级拓扑中通过功率优化器2串联输出，解决了高压光伏组件失配问题，同时降低了功率优化器2中功率器件的电压应力。每个功率优化器2相互独立，不需要通信，降低了系统线路连接的复杂度。

(3)本发明的前后级拓扑之间只需母线连接，不需要额外通过总线通信进行数据传输，实现了能源系统的轻量化设计，具有重要的工程应用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。