一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统的制作方法

本实用新型涉及新能源科学技术领域，更具体的说是涉及一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统。

背景技术：

由于太阳能具有清洁无污染、能源总量极其丰富等优点，太阳能光伏发电的研究和应用得到了快速的发展。然而光伏组件是非线性非稳定电源，光照、温度、负载的改变均会引起光伏发电系统输出功率的变化，为有效利用太阳能，需要对其进行最大功率点跟踪。最大功率点跟踪算法在性能上主要有跟踪速度和跟踪效率两方面，跟踪效率又有静态效率和动态效率之分。测试最大功率点跟踪效率的一般方法是用跟踪到的最大功率除以组件的最大功率。跟踪最大功率需要动态地改变负载阻抗，使其与光伏电池的输出阻抗等值匹配。测试组件的最大功率需要扫描i-v特性曲线，其过程需要负载电阻从零到无穷大变化。因此，二者的测量不能同时进行。为了准确地测量mppt的性能，需要高效可靠的光伏阵列模拟器，然而光伏阵列模拟器的价格很高。

因此，如何提供实验成本低、测试周期短的光伏发电最大功率点实验跟踪系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统，通过测量光伏组件的伏安特性曲线和最大功率，避免使用昂贵的光伏阵列模拟器，减少了实验成本；还能够测试光照强度不变和动态变化时最大功率点控制算法的控制性能。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统，包括：光源、光伏组件、温度传感器、光照传感器、电压电流检测电路、伏安特性测试电路、mppt控制性能测试电路和mppt算法调试电路；其中，所述光源发出的光线照射在所述光伏组件表面；所述光照传感器安装在所述光伏组件表面，并用于采集所述光源的光照强度；所述温度传感器安装在所述光伏组件的背面；

所述电压电流检测电路的输入端与所述光伏组件电连接，输出端分别与所述mppt控制性能测试电路和所述mppt算法调试电路电连接；

所述伏安特性测试电路与光伏组件电连接，其用于测量不同光照强度和不同温度条件下光伏组件的伏安特性；

所述mppt控制性能测试电路分别与所述温度传感器、所述光照传感器和所述电压电流检测电路电性连接，其用于测量不同光照强度和不同温度条件下的已知最大功率点跟踪算法的跟踪速度和跟踪效率；

所述mppt算法调试电路分别与所述温度传感器、所述光照传感器和所述电压电流检测电路电性连接，其用于测试待验证的最大功率点跟踪算法的跟踪速度和跟踪效率。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述电压电流检测电路包括电压检测电路和电流检测电路；所述电压检测电路包括电压传感器lv28-p、运算放大器u1和运算放大器u2，所述电压传感器lv28-p、所述运算放大器u1和所述运算放大器u2通过外围电路依次连接；

所述电流检测电路包括包括霍尔电流传感器chb-50sf、运算放大器u3和运算放大器u4，霍尔电流传感器chb-50sf、所述运算放大器u3和所述运算放大器u4通过外围电路依次连接。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述伏安特性测试电路包括可变电阻r1、电压表v1和电流表a1；所述光伏组件、可变电阻r1和电流表a1串联，所述电压表v1和所述可变电阻并联。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述mppt控制性能测试电路包括第一dc/dc斩波电路、第一驱动电路、第一微控制器、第一负载r2和第一功率测量传感器；所述第一微控制器具有第一程序烧写端口，所述第一微控制器通过所述第一程序烧写端口烧写所述光伏组件的伏安特性计算程序和任意一种已知的最大功率点算法；所述电压电流检测电路、所述温度传感器、所述光照传感器、所述第一驱动电路和所述第一功率测量传感器分别与所述第一微控制器电性连接；所述光伏组件通过所述第一dc/dc斩波电路与所述第一负载r2连接；所述第一负载r2与所述第一功率测量传感器连接。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述mppt算法调试电路包括第二dc/dc斩波电路、第二驱动电路、第二微控制器、第二负载r3和第二功率测量传感器；所述第二微控制器具有第二程序烧写端口，所述第二微控制器通过所述第二程序烧写端口烧写所述光伏组件的伏安特性计算程序和待测试的最大功率点跟踪算法；所述电压电流检测电路、所述温度传感器、所述光照传感器、所述第二驱动电路和所述第二功率测量传感器分别与所述第二微控制器连接；所述光伏组件通过所述第二dc/dc斩波电路与所述第二负载r3连接；所述第二负载r3与所述第二功率测量传感器连接。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述第一dc/dc斩波电路与所述第二dc/dc斩波电路结构相同；所述第一dc/dc斩波电路包括第一场效应管p1、二极管d1和电感l1；所述第一场效应管p1的栅极与所述第一驱动电路连接，源极与所述光伏组件一端连接，漏极分别与所述二极管d1的阴极和所述电感l1的一端连接；所述电感l1的另一端与所述第一负载r2的一端连接，所述二极管d1的阳极分别与所述第一负载r2的另一端和所述光伏组件的另一端连接。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述第一驱动电路和所述第二驱动电路的结构相同；所述第一驱动电路包括pwm驱动芯片，所述pwm驱动芯片通过外围电路与所述第一场效应管p1连接。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述第一场效应管p1的型号为irfp250，所述pwm驱动芯片的型号为ir2103s。

优选的，在上述一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统中，所述第一微控制器通过线束连接有第一显示器；所述第二微控制器通过线束连接有第二显示器。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型分为三个模块，可分别开展三个类别的实验，三个模块共用同一个光源、组件、温度和光照度传感器。

第一个模块由光源、光伏组件、温度传感器和光照度传感器、可变电阻r1、电压表v1和电流表a1组成，可以测量不同光照强度、不同温度条件下光伏组件的伏安特性。

第二个模块由光源、光伏组件、温度传感器、光照度传感器、电压电流检测电路、第一dc/dc斩波电路、第一微控制器和第一驱动电路组成。其中，第一微控制器中已经烧写好组件伏安特性计算程序和其中一种已知的最大功率点算法，如扰动观测法的程序，该模块可以开展最大功率点跟踪算法的跟踪速度和跟踪效率的测试实验。

第三个模块由光源、光伏组件、温度传感器、光照度传感器、电压电流检测电路、第二dc/dc斩波电路、第二微控制器和第二驱动电路组成。第二微控制器中仅烧写好组件伏安特性的计算程序，最大功率点跟踪的算法程序需要实验者自行设计并烧写。该模块可以验证实验者设计的最大功率点跟踪算法的有效性，并测试算法的跟踪速度和跟踪效率。

本实用新型实验成本低，解决了新能源科学与工程专业师生或相关科研人员进行光伏发电最大功率点跟踪控制实验时需要自行搭建实验平台的诸多不变。具有以下优点：1)通过测量光伏组件的温度和其表面的光照强度来算出组件的伏安特性曲线和最大功率，从而可以避免使用昂贵的光伏阵列模拟器，减小了实验系统的成本。2)不仅可以测试光照强度不变时最大功率点控制算法的控制性能，还可以测试光照强度动态变化时最大功率点控制算法的控制性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本实用新型提供的一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统的结构示意图；

图2附图为本实用新型提供的电压检测电路的结构示意图；

图3附图为本实用新型提供的电流检测电路的结构示意图；

图4附图为本实用新型提供的第一驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种光伏发电最大功率点跟踪实验系统，包括：光源1、光伏组件2、温度传感器3、光照传感器4、电压电流检测电路5、伏安特性测试电路6、mppt控制性能测试电路7和mppt算法调试电路8；其中，光源1发出的光线照射在光伏组件2表面；光照传感器4安装在光伏组件2表面，并用于采集光源1的光照强度；温度传感器3安装在光伏组件2的背面；

电压电流检测电路5的输入端与光伏组件2电连接，输出端分别与mppt控制性能测试电路7和mppt算法调试电路8电连接；

伏安特性测试电路6与光伏组件2电连接，其用于测量不同光照强度和不同温度条件下光伏组件2的伏安特性；

mppt控制性能测试电路7分别与温度传感器3、光照传感器4和电压电流检测电路5电性连接，其用于测量不同光照强度和不同温度条件下的已知最大功率点跟踪算法的跟踪速度和跟踪效率；

mppt算法调试电路8分别与温度传感器3、光照传感器4和电压电流检测电路5电性连接，其用于测试待验证的最大功率点跟踪算法的跟踪速度和跟踪效率。

具体的，如图2和图3所示，电压电流检测电路5包括电压检测电路和电流检测电路；电压检测电路包括电压传感器lv28-p、运算放大器u1和运算放大器u2，电压传感器lv28-p、运算放大器u1和运算放大器u2通过外围电路依次连接；具体地，电压传感器lv28-p的ht引脚通过串联电阻r4连接至待测直流电压高电平端，电压传感器lv28-p的-ht引脚连接至待测直流电压低电平端，电压传感器lv28-p的m(测量输出端)引脚通过电阻r6与运算放大器u1的输入端连接，运算放大器u1的输出端通过电阻r10与运算放大器u2连接。

电流检测电路包括包括霍尔电流传感器chb-50sf、运算放大器u3和运算放大器u4，霍尔电流传感器chb-50sf、运算放大器u3和运算放大器u4通过外围电路依次连接。具体地，霍尔电流传感器chb-50sf的ht引脚通过电阻r12与待测电流高电平端连接，霍尔电流传感器chb-50sf的-ht引脚与待测电流低电平端连接，霍尔电流传感器chb-50sf的m(测量输出端)引脚通过电阻r14与运算放大器u3的输入端连接，运算放大器u3的输出端通过电阻r18与运算放大器u4连接。

下面结合附图2对电压传感器的引脚做简要介绍：

ht为待测直流电压高电平端

-ht为待测直流电压低电平端

+15v和-15v为电压传感器的供电端

m为电压传感器测量输出端

具体地，上述实施例中所用运算放大器的型号均为lm358。

在一个实施例中，伏安特性测试电路包括可变电阻r1、电压表v1和电流表a1；光伏组件2、可变电阻r1和电流表a1串联，电压表v1和可变电阻并联。可变电阻r1的阻值为200ω。

具体的，mppt控制性能测试电路7包括第一dc/dc斩波电路71、第一驱动电路72、第一微控制器73、第一负载r2和第一功率测量传感器74；第一微控制器73具有第一程序烧写端口731，第一微控制器71通过第一程序烧写端口731烧写光伏组件2的伏安特性计算程序和任意一种已知的最大功率点算法；电压电流检测电路5、温度传感器3、光照传感器4、第一驱动电路72和第一功率测量传感器74分别与第一微控制器73电性连接；光伏组件2通过第一dc/dc斩波电路71与第一负载r2连接；第一负载r2与第一功率测量传感器74连接。

具体的，mppt算法调试电路8包括第二dc/dc斩波电路81、第二驱动电路82、第二微控制器83、第二负载r3和第二功率测量传感器84；第二微控制器83具有第二程序烧写端口831，第二微控制器83通过第二程序烧写端口831烧写光伏组件2的伏安特性计算程序和待测试的最大功率点跟踪算法；电压电流检测电路5、温度传感器3、光照传感器4、第二驱动电路82和第二功率测量传感器84分别与第二微控制器83连接；光伏组件2通过第二dc/dc斩波电路81与第二负载r3连接；第二负载r3与第二功率测量传感器84连接。

如图1所示，第一dc/dc斩波电路71与第二dc/dc斩波电路81结构相同；第一dc/dc斩波电路71包括第一场效应管p1、二极管d1和电感l1；第一场效应管p1的栅极与第一驱动电路72连接，源极与光伏组件2一端连接，漏极分别与二极管d1的阴极和电感l1的一端连接；电感l1的另一端与第一负载r2的一端连接，二极管d1的阳极分别与第一负载r2的另一端和光伏组件2的另一端连接。

第二dc/dc斩波电路81包括第二场效应管p2、二极管d2和电感l2；第一场效应管p2的栅极与第二驱动电路82连接，源极与光伏组件2一端连接，漏极分别与二极管d2的阴极和电感l2的一端连接；电感l2的另一端与第二负载r3的一端连接，二极管d2的阳极分别与第二负载r3的另一端和光伏组件2的另一端连接。

如图4所示，第一驱动电路72和第二驱动电路82的结构相同；第一驱动电路72包括pwm驱动芯片，pwm驱动芯片通过外围电路与第一场效应管p1连接。外围电路包括电阻r20、电阻r21以及瞬态电压抑制二极管tvs，其中，r20＝10ω，r21＝10kω，瞬态电压抑制二极管tvs的型号是p4ke24a，第一场效应管p1的型号为irfp250，pwm驱动芯片的型号为ir2103s。

更有利的，第一微控制器73通过线束连接有第一显示器75；第二微控制器83通过线束连接有第二显示器85。

本实用新型由三个模块组成，分别为伏安特性测试电路6、mppt控制性能测试电路7和mppt算法调试电路8，第一个模块伏安特性测试电路6可以进行伏安组件的伏安特性的测量实验，主要用于新能源科学与工程专业的教学。实验电路图如图1所示，改变可变电阻r1的阻值，光伏组件2两端的电压和电流会发生改变，其值可由电压表v1和电流表a1读出，由此可以得到光伏组件的伏安特性曲线。改变光源1的亮度，重复上述测量，可以得到不同光照强度下光伏组件2的伏安特性。

第二个模块mppt控制性能测试电路7是最大功率点跟踪算法的控制性能测试模块，可以进行光照强度不变、光照强度缓慢变化和光照强度突变三种情况下跟踪算法的性能测试。第一微控制器73中已写入调试好的扰动观测法的控制程序和光伏组件2伏安特性曲线及最大功率的计算程序。光照强度不变时，利用可变电阻r1、电压表v1和电流表a1测量出当前光照强度和温度时光伏组件2的i-v特性曲线并算出最大功率。启动mppt控制程序，测量输出端两端的功率，与第一功率测量传感器74测量得到的最大功率进行比较，可以得到最大功率点算法的跟踪速度和跟踪精度。

测试光照强度缓慢变化情况下的跟踪性能时，控制光照强度在15min的时间内由设定的初始值变化到终了值，测量变化过程中的光照强度和温度，同时启动最大功率点的跟踪控制程序。

由测量得到的光照强度、温度和组件伏安特性计算程序可以得到当前光照强度、温度情况下组件的伏安特性曲线和最大功率，其原理如下：

设由可变电阻r1、电压表v1和电流表a1测量出的光伏组件2的开路电压、短路电流、峰值电压、峰值电流分别为uoc1、isc1、um1、im1，对应的光照强度和温度分别为s1、t1，光照强度变化过程中某时刻测量得到的光照强度和温度分别为s2、t2，对应的组件的开路电压、短路电流、峰值电压、峰值电流分别为uoc2、isc2、um2、im2，则uoc2、isc2、um2、im2可由下式算出

其中系数α、β、γ的典型值为α＝0.0025/℃，β＝0.5，γ＝0.00288/℃，δt1、δt2、δs1、δs2分别是一般工况与标准工况的温度差和相对辐照度比：

δt1＝t1-tref

δt2＝t2-tref

得到uoc2、isc2、um2、im2后，再根据光伏电池伏安特性的工程算法

即可得到组件的伏安特性曲线，并可由此计算出s2、t2条件下组件的最大功率。

最大功率点跟踪的过程是：电压检测电路51和电流检测电路53将检测得到的光伏组件2的电压和电流信号转化成0-3v的电压信号，然后送入第一微控制器73，经第一微控制器73中最大功率点的控制算法生成buck电路场效应管p1的pwm驱动信号，再由第一驱动电路72驱动电路场效应管p1工作，从而实现最大功率点跟踪。

将输出端跟踪到的功率与程序计算到的最大功率进行比较，即可得到光照强度动态变化时的跟踪效率。

测试光照强度突变情况下的跟踪性能时，先打开光源1，启动最大功率点的跟踪控制程序，待系统稳定后改变光源1的光照强度，测试输出端的功率并与光伏组件2的最大功率进行比较即可得出控制算法的跟踪速度和跟踪精度，光伏组件2的最大功率依然可以由程序算出，计算的方法如前所述。

第三个模块是mppt算法调试电路8，该模块的第二微控制器83只写入了光伏组件2的i-v特性曲线的计算程序，没有写入最大功率点跟踪控制程序，可以验证实验者提出的最大功率点跟踪算法的有效性并测试其跟踪性能。实验者可以将设计好的最大功率点跟踪控制程序通过第二程序烧写端口831写入第二微控制器83，然后进行第二个模块所述的光照强度不变、光照强度缓慢变化和光照强度突变三种情况下跟踪算法的性能测试。

本实用新型具有以下优点：1)通过测量光伏组件的温度和其表面的光照强度来算出组件的伏安特性曲线和最大功率，从而可以避免使用昂贵的光伏阵列模拟器，减小了实验系统的成本。2)不仅可以测试光照强度不变时最大功率点控制算法的控制性能，还可以测试光照强度动态变化时最大功率点控制算法的控制性能

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。