一种用于阴影遮蔽的光伏功率优化器的制作方法

本发明属于光伏，具体涉及一种用于阴影遮蔽的光伏功率优化器。

背景技术：

1、光伏电池被阴影遮蔽，会造成功率损失使输出功率不稳定，无法达到最优功率输出，限制了光伏的功率利用，该现象通常有以下几种解决方法：

2、(1)优化组串逆变器的最大功率跟踪算法(优化mppt)

3、针对光伏电池被阴影遮挡后，会出现功率多峰值现象，在mppt点定时增加大步进电压扰动，迫使低功率组件的二极管导通旁路，使组串可以越过较低的峰值。但这样不仅降低了功率输出的稳定性，而且是以牺牲低功率组件的全部功率为代价的，仍会造成可观的能量损失。而组件的二极管长时间导通，会导致发热严重而大幅降低寿命。

4、(2)改变组串的拓扑结构(串联变并联)

5、用微型逆变器将直流串联变为交流并联。每个组件安装一个微型逆变器，替换原来的组串逆变器，将逆变单元分散化，可实现组件级的mppt，最大程度上挽回分布式光伏发电系统中组件不匹配、阴影遮蔽等因素损失的功率。但其需要的微型逆变器的数量较多，导致系统成本较高，目前尚难以推广。如果成本降低，在户用光伏中将占据优势。

6、因此，如何低成本，高效率地实现整个组串的最优功率输出，成为光伏领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对目前现有的光伏遮蔽条件下光伏组件输出功率存在的上述不便和缺陷，提供了一种用于阴影遮蔽的光伏功率优化器，以实现遮蔽条件下的整个光伏组串的最优功率输出。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于阴影遮蔽的光伏功率优化器，其特征在于，包括：电源模块、buck功率回路、控制模块、第一电流采样电路、第二电流采样电路、第一电压采样电路、第二电压采样电路；光伏组件输出的电压经buck功率回路后为负载供电；

3、所述电源模块用于将光伏组件输出的电压进行降压后给所述单片机和驱动电路供电；

4、所述第一电流采样电路和第二电流采样电路分别用于采集光伏组件的输出电流i1和buck功率回路的输出电流i2，所述第一电压采样电路、第二电压采样电路分别用于采集光伏组件的输出电压v1和buck功率回路的输出电压v2；

5、所述第一电流采样电路、第二电流采样电路、第一电压采样电路、第二电压采样电路的输出端与所述控制模块连接；

6、所述控制模块的输出端与所述buck功率回路连接，用于输出pwm信号控制所述buck功率回路，控制时根据负载情况进行工作模式切换实现mppt跟踪，所述工作模式包括直通模式、mppt跟踪模式和限流模式，所述mppt跟踪模式采用带功率前馈的变步长电导增量mppt算法更新占空比，所述直通模式占空比为100％，所述限流模式占空比为0。

7、所述控制模块根据负载情况进行工作模式切换的具体步骤为：

8、s301、上电后采集光伏组件的输出电流和电压，计算光伏板输出功率；

9、s302、然后判断电流是否超过第一阈值，若是，则进入限流模式，将pwm信号的占空比设置为0，并返回步骤s301，若否，则计算dp/du的值并进入下一步；

10、s303、判断dp/du的值是否小于第二阈值，若是，则进入直通模式，将pwm信号占空比设置为100％，并返回步骤s301；若否，则进入mppt跟踪模式，进行占空比更新赋值。

11、所述mppt跟踪模式的具体方法为：

12、s3031、采样光伏组件的输出电压v1和输出断流i1的值；

13、s3032、根据输出电压v1和输出断流i1的值计算电导和电导增量，并根据电导和电导增量确定占空比调整步长；

14、s3033、判断电压变化是否为零，若是，则进入步骤s304，若否，则进入步骤s305；

15、s3034、判断电流变化是否为零，若是，则根据电流变化调整本次占空比数值，并返回步骤s301进入下一次循环；若否，则直接返回步骤s301进入下一次循环；

16、s3035、判断电导和电导变化量的和是否为零，若是，则直接返回步骤s3031进入下一次循环，若否，则根据占空比调整步长调整输出步长v(k)，然后返回步骤s3031进入下一次循环，其中k表示第k次运算。

17、s3032中，电导和电导增量的计算公式为：

18、g＝i(k)/u(k)；

19、dg＝di(k)/du(k)；

20、其中，g表示电导，dg表示电导变化量；i(k)和u(k)分别表示第k次采样得到的电流和电压值；du(k)和di(k)分别表示第k次得到的电压和电流的变化量，其表达式为：

21、du(k)＝u(k)-u(k-1)；

22、di(k)＝i(k)-i(k-1)；

23、其中，u(k-1)和i(k-1)表示第k-1次采样得到的电压和电流的变化量；

24、占空比调整步长的计算公式为：

25、step＝n*(g+dg)；

26、其中，step表示占空比调整步长，n为参考系数。

27、s3034中，占空比数值的调整公式为：

28、d(k)＝i(k)/i(k-1)*d(k-1)；

29、s3035中，输出步长v(k)的调整公式为：

30、v(k)＝v(k-1)+step；

31、其中，step表示占空比调整步长。

32、所述第一电压采样电路包括：电阻r18、电阻r19、电阻r24、电容c41、电容c43、电阻r20，所述电阻r18的一端与光伏组件的输出引脚pv+连接，另一端经电阻r19、电阻r20后与所述控制模块的输入端连接；所述电阻r20的输入端经并联连接的电容c41和电阻r24接地，输出端经电容c43接地；

33、所述第二电压采样电路包括：电阻r21、电阻r22、电阻r25、电容c44、电容c45、电阻r23，所述电阻r21的一端与buck功率回路的输出引脚vo+连接，另一端经电阻r22、电阻r23后与所述控制模块的输入端连接；所述电阻r23的输入端经并联连接的电容c44和电阻r25接地，输出端经电容c45接地。

34、所述第一电流采样电路包括第一采样电阻r2、第一采样电流芯片、电阻r32、电阻r35、电阻r37、电容c55、电容c50、电阻r28、电阻r29，第一采样电阻r2设置在光伏组件的输出引脚pv-上，另一端接地，所述电阻r35的一端与第一采样电阻r2的一端连接连接，另一端与所述第一采样电流芯片的输入引脚+in连接，第一电流采样芯片的输入引脚-in经电阻r32接地，输出引脚out经电阻r28与所述控制模块的输入端连接；电阻r29和电容c50并联连接后一端与第一电流采样芯片的输入引脚-in连接，另一端与第一电流采样芯片的输出引脚out连接；电阻r37和电容c55并联连接后一端与第一电流采样芯片的输入引脚+in连接，另一端接地；电容c48连接在电阻r28的输出端与地之间；

35、所述第二电流采样电路包括第二采样电阻r5、第二采样电流芯片、电阻r31、电阻r33、电阻r34、电容c52、电容c56、电阻r38、电阻r30和电容c49，第二采样电阻r5设置在buck功率回路的输出负极上，所述电阻r33的一端与第二采样电阻r5的一端连接连接，另一端与所述第二采样电流芯片的输入引脚+in连接，第二电流采样芯片的输入引脚-in经电阻r31与所述第二采样电阻r5的另一端连接，输出引脚out经电阻r38与所述控制模块的输入端连接；电阻r34和电容c52并联连接后一端与第二电流采样芯片的输入引脚-in连接，另一端与第二电流采样芯片的输出引脚out连接；电阻r30和电容c49并联连接后一端与第二电流采样芯片的输入引脚+in连接，另一端接地；电容c56连接在电阻r28的输出端与地之间。

36、所述电源模块包括第一电压转换电路、第二电压转换电路，所述光伏组件输出的电压经第一电压转换电路后变成第一直流电压给所述驱动电路供电，所述第一直流电压经第二电压转换电路后转换为第二直流电压给所述第一电流采样电路和第二电流采样电路和所述控制模块供电；

37、所述第一电压转换电路包括：稳压二极管ts2、双向稳压二极管f1、二极管vd9、电阻r3、三极管v3、双绕组耦合电感l2、dcdc芯片u4、稳压二极管ts3、电容c35、电阻r10、电阻r13、电阻r14、电容c36、人呀二极管ts1、电容c31，所述稳压二极管ts2的阳极与光伏组件的引脚pv+连接，阴极与三极管v3的集电极连接，阴极还通过电阻r12与三极管v3的基极连接；三极管v3的基极经二极管vd9与dcdc芯片的引脚en连接，发射极与dcdc芯片u4的引脚vin连接；双向稳压二极管f1的一端与光伏组件的引脚pv+连接，另一端与dcdc芯片u4的引脚en连接；

38、dcdc芯片u4的引脚sw与双绕组耦合电感l2的引脚2连接，引脚fb通过电阻r13和电阻r10与双绕组耦合电感l2的引脚4连接，引脚fb还通过电阻r14接地。

39、所述驱动电路包括驱动芯片u3，电阻r7、电阻r8、电阻r9、电容c29、电容c30、二极管vd8、电容c34；

40、所述驱动芯片u3的引脚in和引脚sd分别通过电阻r7、电阻r8接地，引脚sd还通过电阻r9与所述控制模块的sd信号输出端连接，引脚in还与所述控制模块的pwm信号输出端连接，电容c34的一端与驱动芯片u3的引脚sd连接，另一端接地；驱动芯片u3的引脚vcc与电源正极连接，引脚vb通过二极管vd8与引脚vcc连接，引脚vs与所述双绕组耦合电感l2的引脚1连接，引脚vb通过稳压二极管ts1与所述双绕组耦合电感l2的引脚3连接，引脚ho、引脚lo和引脚vs分别与buck功率回路中的pwmh信号输入端、pwml信号输入端和buck信号输入端连接。

41、所述第二电压转换电路包括ldo芯片u1和ldo芯片u2，第一直流电压经ldo芯片u1后转换为6.6v直流电压给所述第一电流采样电路和第二电流采样电路供电，第一述直流电压经ldo芯片u2后转换为3.3v直流电压给所述控制模块供电，

42、所述ldo芯片u1的引脚in与第一直流电压正极连接，引脚out通过电阻r3与引脚cnd连接，引脚cnd通过电阻r6接地，引脚out通过电容c25接地；所述ldo芯片u2的引脚in与第一直流电压正极连接，引脚cnd接地，引脚out通过电容c27接地；

43、所述buck功率回路包括mos管v1和mos管v2，所述mos管v1的漏极与光伏组件的pv+引脚连接，源极与mos管v2的源极连接，mos管v2的漏极与光伏组件的pv-引脚连接，mos管v1的栅极为buck功率回路中的pwmh信号输入端，mos管v2的栅极为buck功率回路中的pwml信号输入端，mos管v1的源极为buck功率回路中的buck信号输入端。

44、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

45、1、本发明提供了一种用于阴影遮蔽的光伏功率优化器，通过带功率前馈的变步长电导增量mppt算法实现mppt功率跟踪，其中，步长通过电导增量法进行确定，功率前馈通过电流调节pwm信号的占空比，绕过缓慢的pi环节，直接改变积分输出值，将迅速重建功率平衡，响应速度快、稳态波动小、控制精度高、抗扰能力强，适应光照强度不断变换的情况。其mppt效率可超过99％，此外，相比于微型逆变器，本发明的功率优化器只需在被遮蔽的组件上安装，从而可极大的减小投资成本，可实现整个光伏系统的最优性价比。

46、2、本发明电路采样同步buck功率回路将光伏组件输出的电压进行电压转换后给负载供电，第一电流采样电路和第二电流采样电路分别采集光伏组件的输出电流i1和buck功率回路的输出电流i2，所述第一电压采样电路、第二电压采样电路分别用于采集光伏组件的输出电压v1和buck功率回路的输出电压v2，当光伏组件被遮挡后，限流值降低，输出功率减小，则控制模块根据采集的电流电压信号，输出sd信号，驱动电路根据控制模块输出的sd信号，生成pwm控制信号，控制buck功率回路，使其达到降压升流的效果，进而实现光伏组件的功率优化。

47、3、此外，本发明中，基于电源模块的输入为光伏组件的输出，具有输入电压范围宽，输入幅值高，降压跨度大的特点，而buck功率回路的上半桥mosfet存在常开的情况，此时专用驱动芯片的电荷泵失效，需要另外提供驱动电源。因此，本发明将第一电压转换电路中的滤波电感换成双绕组耦合电感，变为反激拓扑，以最简化的电路提供一路隔离的驱动电源。