一种太阳能电池板最大功率跟踪装置、跟踪方法以及应用其的太阳能供电装置

摘要

本发明提供一种太阳能电池板最大功率点跟踪装置以及其应用的一种太阳能供电装置，包括一实时功率计算电路、一记忆功率发生电路、一比较电路和一复位电路，其中，所述实时功率计算电路，用以获得所述太阳能电池板当前的实时功率；所述记忆功率发生电路用以接收所述实时功率，以获得一记忆功率；所述比较电路比较实时功率和记忆功率；当检测到的实时功率处于下降状态时，改变控制信号的趋势；当检测到的实时功率持续上升时，所述太阳能供电装置维持正常工作；所述复位电路，与所述太阳能电池板连接，用以当检测到的实时功率下降后的一时间后，恢复所述控制信号，以保证所述太阳能供电装置工作于最大功率状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能供电系统，尤其涉及一种太阳能电池板的最大功率跟踪装置及其最大功率跟踪方法，以及应用其的太阳能供电装置和太阳能电池板阵列供电系统。

背景技术

太阳能放电作为一种新的电能生产方式，以其无污染、无噪音以及维护简单等特点显示出广阔的发展空间。但在实际应用中，由于太阳能电池板特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载等情况影响，如图1A和图1B所示，在一定的光照强度和环境温度下，太阳能电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才达到最大值，这时太阳能电池的工作点就达到了输出功率-输出电压曲线的最高点，即最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。

因此，需要采用最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制电路来实时跟踪最大功率点MPP电压，来控制太阳能电池板的输出电压，进而提高利用效率。

如图1C所示，以升压型拓扑接收为例，现有的一种太阳能电池板供电装置一般包括太阳能电池板101、太阳能电池板输出电压检测装置102、输出电流检测装置103、逻辑和驱动电路104、MPPT电路105，以及由晶体管105、电感107、输出二极管108和输出电容109组成的升压电路。逻辑和驱动电路104接收MPPT电路105输出的控制信号，进而据此产生相应的驱动信号至晶体管105，从而晶体管105进行相应的开关动作，以在输出电容109侧输出一定的电压信号，以保证输出电压为最大功率点对应的输出电压值，也就保证了太阳能电池能够工作在最大功率状态。

目前现有的太阳能电池板最大功率跟踪控制电路MPPT主要采用单片机或者DSP等数字IC控制实现。数字控制结构较为复杂，电路占用面积大，成本也较高，不利于较小的便携式设备的应用场合；并且，对于大型的电池板阵列，需要大量的数据采集系统，不便于太阳能供电系统的升级、管理，同时，系统的冗余性相对也较差。

现有的采用模拟控制方法实现的太阳能电池板最大功率跟踪控制芯片大多基于开路电压检测法，难以获得较高的太阳能电池板最大输出功率点跟踪精度，受光照、温度等环境因素的影响也较大，难以得到广泛的应用和推广。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的最大功率点跟踪装置和跟踪方法。本发明通过实时检测当前输出功率，判断输出功率的变化趋势，进而改变控制信号来调节太阳能供电装置的输出电压。

依据本发明的一种太阳能电池板最大功率点跟踪装置，应用于一太阳能供电装置，用以根据太阳能电池板的状态输出相应的控制信号至一逻辑和驱动电路，来控制所述太阳能供电装置工作于最大功率状态，包括一实时功率计算电路、一记忆功率发生电路、一比较电路和一复位电路，其中，

所述实时功率计算电路，用以接收所述太阳能电池板的实时输出电压和输出电流，以获得所述太阳能电池板当前的实时功率；

所述记忆功率发生电路，与所述实时功率计算电路连接，用以接收所述实时功率，以在保持电平范围内获得一记忆功率；

所述比较电路的第一输入端与所述实时功率计算电路连接，以接收所述实时功率，其第二输入端与所述记忆功率发生电路连接，以接收所述记忆功率，比较结果控制所述控制信号；

所述复位电路，与所述太阳能电池板连接，其输出结果控制所述控制信号；

当检测到的实时功率持续上升时，维持所述控制信号的趋势，所述太阳能供电装置维持正常工作；

当检测到的实时功率处于下降状态时，改变所述控制信号的趋势；

并且，在检测到的实时功率下降后的一定时间后，恢复所述控制信号。

优选的，当检测到的实时功率持续上升时，控制信号维持不变；当检测到的实时功率下降时，翻转控制信号。

优选的，所述实时功率计算电路为一乘法器，其第一输入端接收所述太阳能电池板的实时输出电压，其第二输入端接收所述太阳能电池板的实时输出电流，并在输出端输出所述实时功率。

优选的，所述复位电路包括一迟滞比较器和一平均输出电压检测器；其中，

所述平均输出电压检测器接收所述太阳能电池板的输出电压，并对其进行平均值运算，以获得一平均输出电压；

所述迟滞比较器的第一输入端接收所述太阳能电池板的实时输出电压，第二输入端与所述平均输出电压检测器连接，用以接收所述平均输出电压；所述迟滞比较器具有一定值的迟滞门限；

当所述太阳能电池板的实时输出电压与所述平均输出电压的差值大于所述迟滞门限后，复位所述太阳能供电装置。

优选的，所述记忆功率发生电路和所述比较电路的工作频率大于所述太阳能供电装置的工作频率。

优选的，所述记忆功率发生电路为一采样保持电路。

进一步的，还包括一触发器，其置位端与所述比较电路的输出连接，复位端与所述复位电路的输出连接，用以根据所述比较电路和输出和所述复位电路的输出产生相应的控制信号，来控制所述太阳能供电装置；当检测到的实时功率持续上升时，维持所述控制信号的趋势；当检测到的实时功率下降时，改变所述控制信号的趋势。

进一步的，还包括一高频电路，用以接收所述比较电路和输出和所述复位电路的输出，产生一具有固定的较高工作频率的控制信号；当检测到的实时功率持续上升时，所述控制信号的占空比持续增大；当检测到的实时功率下降时，控制信号的占空比持续减小。

进一步的，所述变频电路包括第一恒流源、第二恒流源、第一开关电路、第二开关电路、一比较器、一反相器和一电容，

所述电容的第一端分别与所述第一恒流源的第一端、第二恒流源的第一端和所述比较器的第一输入端连接，所述电容的第二端连接至地；所述比较器的第二输入端接收一参考锯齿波信号；所述第一恒流源的第二端通过所述第一开关电路连接至所述触发器的输出端；所述第二恒流源的第二端通过所述第二开关电路和所述反相器连接至所述触发器的输出端；

当检测到的实时功率持续上升时，第一恒流源对电容进行充电，电容电压持续上升，所述比较器输出的控制信号的占空比持续增大；当检测到的实时功率下降时，电容处于放电状态，电容电压持续下降，所述比较器输出的控制信号的占空比持续减小。

优选的，所述电容的充电和放电频率低于所述太阳能供电装置的工作频率。

依据本发明的一种太阳能电池板最大功率跟踪方法，包括：

接收太阳能电池板当前的输出电压和输出电流，并得到实时功率；

将实时功率与记忆功率进行比较，

当实时功率上升时，维持控制信号的趋势；

当实时功率下降时，改变控制信号的趋势，并检测太阳能电池板的实时输出电压和平均输出电压，当实时输出电压大于平均输出电压一定值后，恢复所述控制信号。

依据本发明的另一种太阳能电池板最大功率跟踪方法包括：

接收太阳能电池板当前的输出电压和输出电流，并得到实时功率；

将实时功率与记忆功率进行比较，

当实时功率上升时，连续增大控制信号；

当实时功率下降时，连续减小控制信号，并检测太阳能电池板的实时输出电压和平均输出电压，当实时输出电压大于平均输出电压一定值后，恢复所述控制信号。

依据本发明的一种太阳能供电装置，包括以上所述的任一项太阳能电池板最大功率点跟踪装置，还包括：一功率级电路和一逻辑和驱动电路，

所述逻辑和驱动电路分别与所述功率级电路和所述太阳能电池板最大功率点跟踪装置连接，用以接收所述太阳能电池板最大功率点跟踪装置输出的控制信号，并据此产生相应的驱动信号；

所述功率级电路分别与所述太阳能电池板和所述逻辑和驱动电路连接，用以接收所述驱动信号，以进行相应的开关动作，进而输出一定的电压信号。

优选的，所述功率级电路为降压、升压、升降压或者反激拓扑结构。

优选的，将太阳能电池板最大功率点跟踪装置和功率级电路中的开关器件集成于一集成电路。

依据本发明一种太阳能电池板阵列供电系统，包括上述所述的太阳能供电装置，还包括一高频逆变电源模块、一逆变电路控制电路和一电容，所述电容接收一组太阳能供电装置的输出电压，并对其进行滤波转换为直流母线电压；

所述高频逆变电源模块和逆变电路控制电源分别接收所述直流母线电压，逆变电路控制电路控制所述高频逆变电源模块，以将直流母线电压转换为一交流电信号，输入至市电网络。

采用本发明的太阳能电池板最大功率点跟踪装置和跟踪方法，在每一开关周期内进行跟踪和调节处理，因此具有快速跟踪和低扰动的优点，能够使太阳能电池板长期工作于最大功率输出状态；并且硬件设计基于简单的模拟电路设计，便于模块化集成，提高了可靠性及可扩展性，并且减小了成本。

附图说明

图1A所示为太阳能电池电压-电流曲线图；

图1B所示为太阳能电池电压-功率曲线图；

图1C所示为采用现有技术的一种太阳能电池供电装置的原理框图；

图2所示为依据本发明的太阳能电池板最大功率跟踪装置的第一实施例的原理框图；

图3所示为依据本发明的太阳能电池板最大功率跟踪装置的第二实施例的原理框图；

图4A所示为依据本发明的太阳能电池板最大功率跟踪装置的第三实施例的原理框图；

图4B所示图4A所示的依据本发明的太阳能电池板最大功率跟踪装置的第二实施例的工作波形图；

图5所示为依据本发明的太阳能电池板最大功率跟踪方法的第一实施例的原理框图；

图6所示为依据本发明的太阳能电池板最大功率跟踪方法的第二实施例的原理框图；

图7所示为依据本发明的太阳能电池板供电装置的一实施例的原理框图；

图8所示为依据本发明的太阳能电池板供电系统的一实施例的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2，所示为依据本发明的一种太阳能电池板最大功率跟踪装置的第一实施例的原理框图。其包括一实时功率计算电路201、一记忆功率发生电路202、一比较电路203和一复位电路204，在工作过程中：

所述实时功率计算电路201接收所述太阳能电池板101的实时输出电压V_in和输出电流I_in，以获得所述太阳能电池板当前的实时功率P_PV ；

所述记忆功率发生电路202与所述实时功率计算电路201连接，接收所述实时功率P_PV，以获得一记忆功率P_PV’；

所述比较电路203的第一输入端与所述实时功率计算电路201连接，以接收所述实时功率P_PV，其第二输入端与所述记忆功率发生电路202连接，以接收所述记忆功率P_PV’，以产生相应的控制信号并输入至所述逻辑和驱动电路104；

当检测到的实时功率P_PV处于下降状态时，改变所述控制信号的趋势；

当检测到的实时功率P_PV持续上升时，所述太阳能供电装置维持正常工作；

所述复位电路204，与所述太阳能电池板101连接，用以当检测到的实时功率P_PV下降后的一时间后，恢复所述控制信号。

其中，为了实现对实时功率和记忆功率的实时检测，所述记忆功率发生电路202和所述比较电路203的工作频率应大于所述太阳能供电装置的工作频率，以保证所述最大功率点跟踪装置的精度，例如可以为10倍以上。

图2所示的太阳能电池板最大功率点跟踪装置通过实时检测当前输出功率，来判断当前输出功率的变化趋势，进而改变控制信号来调节太阳能供电装置的输出电压使其工作于最大功率点。

可见，采用图2所示的依据本发明的太阳能电池板最大功率点跟踪装置在每一开关周期内进行跟踪和调节处理，因此具有快速跟踪和低扰动的优点，能够使太阳能电池板长期工作于最大功率输出状态；并且硬件设计基于简单的模拟电路设计，便于模块化集成，提高了可靠性及可扩展性，并且减小了成本。

参考图3，所示为依据本发明的一种太阳能电池板最大功率跟踪装置的第二实施例的原理框图。

在该实施例中，实时功率计算电路201为一乘法器301，其接收所述太阳能电池板101的实时输出电压V_in和输出电流I_in，以获得所述太阳能电池板当前的实时功率P_PV；

记忆功率发生电路202为一采样保持电路302，其与所述乘法器301连接，接收所述实时功率P_PV，以在保持电平范围内获得一记忆功率P_PV；所述采样保持电路302可以采用任何合适的具有采样保持功能的电路结构；

比较电路203为一比较器303，其同相输入端与乘法器301连接，以接收所述实时功率P_PV，其反相输入端与所述采样保持电路302连接，以接收所述记忆功率P_PV’；比较结果输入至RS触发器308的置位端；

复位电路204由平均输出电压检测电路306和迟滞比较器307组成；平均输出电压检测电路306接收太阳能电池板的输出电压并将其转换为平均输出电压V_in’；迟滞比较器307具有一迟滞门限V_th，其同相输入端接收太阳能电池板的实时输出电压V_in，反相输入端与所述平均输出电压检测电路连接，以接收平均输出电压V_in’，比较结果输入至RS触发器的复位端；进一步的，所述平均输出电压检测电路306包括依次串联连接在输入电压V_in和地之间的电阻304和电容305。

在工作过程中，当比较器303检测到的实时功率P_PV’大于记忆功率P_PV’时，比较器303的输出置位RS触发器308，RS触发器308的输出一直持续，从而维持控制信号，所述太阳能供电装置维持正常工作；

当比较器303检测到的实时功率P_PV小于记忆功率P_PV’时，RS触发器308的输出翻转，进而翻转控制信号；同时迟滞比较器307检测实时输出电压V_in和平均输出电压V_in’的数值大小，当实时输出电压V_in高于平均输出电压V_in’所述迟滞门限V_th后，RS触发器308复位，恢复控制信号。周而复始，所述太阳能电池板最大功率点跟踪装置保持跟踪最大功率点电压。

其中，迟滞比较器307的迟滞门限可以根据电路参数进行相应的选择，以使所述最大功率点跟踪装置工作于最优状态。

可见，图3所示的太阳能电池板最大功率点跟踪装置通过实时检测当前输出功率和记忆功率来判断当前输出功率的变化趋势，当实时功率处于下降状态时，关断其输出；然后，通过检测实时输出电压和平均输出电压的大小关系，来判断何时恢复最大功率点跟踪装置的输出；当实时输出电压超出平均输出电压的一定的迟滞门限后，恢复最大功率点跟踪装置的输出。

可见，采用图2所示的依据本发明的太阳能电池板最大功率点跟踪装置在每一开关周期内进行跟踪和调节处理，因此具有快速跟踪和低扰动的优点，能够使太阳能电池板长期工作于最大功率输出状态；并且硬件设计基于简单的模拟电路设计，便于模块化集成，提高了可靠性及可扩展性，并且减小了成本。

参考图4A，所示为依据本发明的一种太阳能电池板最大功率跟踪装置的第三实施例的原理框图。

图4A所示的太阳能电池板最大功率跟踪装置在图3所示的太阳能电池板最大功率跟踪装置的实施例的基础上增加了高频电路410。其包括第一恒流源402、第二恒流源405、由开关401和403组成的第一开关电路、由开关404和406组成的第二开关电路、一比较器408、一反相器409和一电容407。

所述电容407的第一端分别与所述第一恒流源402的第一端、第二恒流源的第一端405和所述比较器408的同相输入端连接，所述电容407的第二端连接至地；

所述比较器408的反相输入端接收一参考锯齿波信号V_saw；所述第一恒流源402的第二端通过所述开关401连接至所述触发器308的输出端；所述第二恒流源405的第二端通过所述开关404和所述反相器409连接至所述触发器的输出端；开关406与所述第二恒流源405并联，并且接收RS触发器308的输出信号；开关403与所述第一恒流源402并联，并且接收反相器409的输出信号。即触发器308的输出控制开关401和开关406的动作，反相器409的输出控制开关403和开关404的动作。

图4A所示的太阳能电池板最大功率跟踪装置的工作波形图如图4B所示。当检测到的实时功率P_PV持续上升时，RS触发器308的输出为高，第一恒流源402对电容407持续充电，电容电压V_tria持续上升，从而所述比较器408输出的控制信号PWM的占空比持续增大；

当检测到的实时功率P_PV下降时，RS触发器308的输出为低，电容407放电，电容电压持续下降；从而电容电压V_tria为一三角波信号。

比较器408接收参考锯齿波电压和所述电容电压，并进行比较，从而获得一占空比变化的控制信号PWM。

结合图4B所示的图4A所示的太阳能电池板最大功率跟踪装置的工作波形可知，当RS触发器308的输出为高时，即实时功率持续上升时，电容持续充电，控制信号PWM的占空比持续增加；当RS触发器308的输出为低时，即实时功率持续下降时，电容持续放电，控制信号PWM的占空比持续减小，从而获得一具有较高工作频率，占空比连续变化的控制信号，从而太阳能电池板供电装置工作于最大功率点。并且所述电容407的充电和放电频率要低于所述太阳能供电装置的工作频率。

可见，采用图4A所示的太阳能供电装置，可以设置参考锯齿波的频率，因此太阳能供电装置可以工作在一较高的频率，因此更方便于硬件电路的模块化集成。

以下结合具体实施例详细说明依据本发明的太阳能电池板最大功率跟踪方法。

参考图5，所示为依据本发明太阳能电池板最大功率点跟踪方法的第一实施例的流程框图，其包括以下步骤：

S501：接收太阳能电池板当前的输出电压和输出电流，并得到实时功率以及记忆功率；

S502：将实时功率与记忆功率进行比较，

S503：判断实时功率是否大于记忆功率；

S504：当实时功率大于记忆功率时，表明实时功率处于上升状态，维持控制信号的趋势；

S505：当实时功率小于记忆功率时，表明实时功率处于下降状态，改变控制信号的趋势；

S506：判断实时输出电压是否高于平均输出电压一阈值；

S507：当实时输出电压大于平均输出电压一阈值后，恢复所述控制信号；反之，继续检测和判断实时输出电压和平均输出电压的大小。

对于控制信号趋势的改变，可以通过信号翻转的方式来获得。例如，当实时功率小于记忆功率时，表明实时功率处于下降状态，则此时翻转所述控制信号。

图5所示的依据本发明的太阳能电池板最大功率点跟踪方法通过实时检测当前输出功率和记忆功率来判断当前输出功率的变化趋势，当实时功率处于下降状态时，改变控制信号的趋势；然后，通过检测实时输出电压和平均输出电压的大小关系，来判断何时恢复控制信号；当实时输出电压超出平均输出电压的一定的阈值后，恢复控制信号。可见，通过上述方法可以方便的实现对最大功率点的快速跟踪以及较低的扰动，能够长期工作于最大功率输出状态。

参考图6，所示为依据本发明太阳能电池板最大功率点跟踪方法的第二实施例的流程框图，其包括以下步骤：

S601：接收太阳能电池板当前的输出电压和输出电流，并得到实时功率以及记忆功率；

S602：将实时功率与记忆功率进行比较，

S603：判断实时功率是否大于记忆功率；

S604：当实时功率大于记忆功率时，表明实时功率处于上升状态，增大控制信号；

S605：当实时功率小于记忆功率时，表明实时功率处于下降状态，减小控制信号；

S606：判断实时输出电压是否高于平均输出电压一阈值；

S607：当实时输出电压大于平均输出电压一阈值后，增大所述控制信号；反之，继续检测和判断实时输出电压和平均输出电压的大小。

另外，实时功率的上升和下降状态可以在相应的时间段内通过对一电容充放电操作而得到一三角波电容电压，然后与一具有较高工作频率的参考锯齿波进行比较，从而相应的调整所述控制信号占空比的大小。因此，图6所示的太阳能电池板最大功率点跟踪方法在图5的基础上，可以更加灵活和方便对控制信号进行调整，从而工作频率可以很高，因此，电路器件可以选择参数相对较小的器件，方便于电路器件的集成。

以下结合具体实施例详细说明依据本发明的太阳能供电装置。

参考图7，所示为依据本发明的太阳能供电装置的一实施例的原理框图。与图2所示的现有的太阳能供电装置不同的是，其进一步包括太阳能电池板最大功率点跟踪装置701，一功率级电路702和一逻辑和驱动电路703，其中所述逻辑和驱动电路703分别与所述功率级电路702和所述太阳能电池板最大功率点跟踪装置701连接，用以接收所述太阳能电池板最大功率点跟踪装置输出的控制信号，并据此产生相应的驱动信号；所述功率级电路702用以接收所述驱动信号，以进行相应的开关动作，进而输出一定的电压信号，从而使所述太阳能供电装置以最大功率点工作。

其中，太阳能电池板最大功率点跟踪装置701可以为图3、图4A和图5所示的任一一种最大功率点跟踪装置。所述功率级电路702可以为降压、升压、升降压或者反激等任何合适的电源拓扑结构。

为了便于系统的模块化、减小成本和提高效率，可以将太阳能电池板最大功率点跟踪装置和功率级电路中的开关器件集成于一集成电路，形成一具有MPPT控制的电源芯片，然后再与功率级电路中的储能和滤波电路以及太阳能电池板进行相应的连接，组成一具有模块化设计的太阳能供电装置。

参考图8，所示为依据本发明的一种大规模太阳能电池板阵列供电系统的一优选实施例。其中，包括由n²个具有模块化设计的太阳能供电装置组成的供电阵列801，电容804、高频逆变电源模块802和逆变电路控制电路803。供电阵列801包括连接在太阳能电池板输出端的n个支路，每一支路又包括n个依次连接的具有模块化设计的太阳能供电装置。所述电容804接收一组太阳能供电装置的输出电压，并对其进行滤波转换为直流母线电压；所述高频逆变电源模块802和逆变电路控制电路803分别接收所述直流母线电压，逆变电路控制电路803控制所述高频逆变电源模块802，以将直流母线电压转换为一交流电信号，输入至市电网络。

采用上述模块化的电路设计，在保证最大功率功率状态的同时，能够方便超大规模集成电路的设计，有利于在便携式产品乃至大规模太阳能电池板阵列场合应用

以上对依据本发明的优选实施例的太阳能电池板最大功率点跟踪装置和跟踪方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等，例如任何合适的开关类型、比较器类型、平均值计算电路均可应用于所述实施例。对控制信号趋势的改变可以通过不同的方式或者方法来体现，并不仅仅限于说明书中提及的对控制信号的翻转实现方式，以及增大或者减小控制信号的占空比的实现方式。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。