一种软开关MPPT控制器及光伏电源系统的制作方法

一种软开关mppt控制器及光伏电源系统
技术领域
1.本技术涉及新能源技术领域，尤其涉及一种软开关mppt控制器及光伏电源系统。


背景技术：

2.在光伏电源领域，mppt（maximum power point tracking，最大功率点跟踪）控制器是一种重要的功率变换系统，其能够实时侦测光伏电池的发电电压，并追踪最高电压电流值（vi），使系统以最大功率对蓄电池进行充电，协调太阳能电池板、蓄电池或负载的工作，是光伏系统的大脑。
3.传统的功率变换系统通常有两种技术路线，一种是硬开关，一种是软开关。硬开关电路，结构简单，控制方便，但是效率低，电磁干扰严重，并不适用于具有高功率密度需求的电源系统中。
4.而软开关电路，具有高转换效率、低电磁干扰的优势，在高功率电力电子领域被广泛使用。如专利公告号cn215186467u的专利，其公开了一种基于辅助电路实现软开关的交错式buck变换器，利用辅助回路控制交错式buck变换器的两条主回路都实现开通和关断，减小emi。然而，上述电路结构，需要额外增加辅助电路，尤其是辅助电路中的电感和辅开关管既增加成本和占用空间，又增加了控制的难度，从而增加电路失效的风险，因此同样不适用于具有高功率密度需求的电源系统中。更进一步地，该buck变换器也没有考虑mppt控制过程对电路控制复杂度的影响，因此其并不能用于光伏电源系统中。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种软开关mppt控制器及光伏电源系统，能够利用简单的电路结构同时实现太阳能最大功率点跟踪和电路结构的软开关，降低电路损耗和控制复杂度，提高系统的功率密度，实现由光伏电源高效率地为储能电池充电或为交流负载供电。
6.为此，本技术的一个实施例方面，提供一种软开关mppt控制器，包括：输入采样模块、控制模块和功率变换模块；所述输入采样模块的输入端连接第一电源，用于采集所述第一电源的输入电压和/或输入电流；所述控制模块的输入端连接所述输入采样模块的输出端，用于根据所述输入电压和/或输入电流，确定所述第一电源的最大功率点并生成驱动信号；所述功率变换模块的输入端连接所述控制模块的输出端并接收所述驱动信号，所述驱动信号使功率变换模块的储能电感l1工作于断续导通模式。
7.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，所述功率变换模块还包括：第一开关管s1、第二开关管s2和电容c3；所述第一开关管s1和所述第二开关管s2的栅极连接所述控制模块，所述第一开关管s1的漏极连接所述第一电源的正极，所述第一开关管s1的源极连接所述储能电感l1的第一端和所述第二开关管s2的漏极，所述储能电感l1的
第二端连接所述电容c3的第一端，所述第二开关管s2的源极连接所述第一电源的负极和电容c3的第二端。
8.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，所述储能电感l1的电感值大小被选择，以使得所述功率变换模块在所述断续导通模式中流过所述储能电感l1的电流方向发生改变。
9.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，所述储能电感l1的电感值大小满足以下不等式：；其中，v
in
为所述输入电压，v
out
为所述功率变换模块的输出电压，l为所述储能电感l1的电感值，d为所述第一开关管s1的占空比，t为所述第一开关管s1的工作周期，c1为所述第一开关管s1的结电容，c2为所述第二开关管s2的结电容，t
dead1
为所述第一开关管导通前的死区时间，i
out
为输出电流。
10.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，还包括输出采样模块，所述输出采样模块的输入端连接所述功率变换模块的输出端，用于检测所述功率变换模块的输出电压和/或输出电流并反馈至所述控制模块。
11.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，所述控制模块包括mppt控制单元、pid单元、pwm生成单元和驱动单元，所述mppt控制单元根据所述输入电压和/或输入电流通过pid单元确定所述第一电源的最大功率点，控制所述pwm生成单元生成pwm驱动信号，通过所述驱动单元驱动所述功率变换模块根据所述pwm驱动信号调整输出至第二电源的输出电压和/或输出电流。
12.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，所述控制模块控制所述功率变换模块在一个时间周期中按照以下六个模态循环工作：模态1、在t
0-t1时刻，控制所述第一开关管s1导通，所述储能电感l1上的电压为所述第一电源与所述第二电源的电压差，电感电流线性增加，t1时刻所述第一开关管s1关断；模态2、在t
1-t2时刻，所述第一开关管s1关断后，所述储能电感l1上的电流为正，对所述第二开关管s2的结电容c2放电，同时对所述第一开关管s1的结电容c1充电，所述第二开关管s2的v
ds
电压下降，直到所述第二开关管s2的v
ds
电压降至零；模态3、在t
2-t3时刻，当所述第二开关管s2的v
ds
电压降至零，所述第二开关管s2的寄生二极管d2导通，把所述第二开关管s2的v
ds
电压钳位在零电压状态；模态4、在t
3-t4时刻，当所述第二开关管s2的栅极驱动信号变为高电平时，所述第二开关管s2零电压开通，所述储能电感l1的电流流过所述第二开关管s2，所述储能电感l1上承受第二电源的电压，电流线性减小，直到变为负值，控制关断所述第二开关管s2；模态5、在t
4-t5时刻，所述储能电感l1的电流方向为负，对所述第一开关管s1的结电容c1放电，同时对所述第二开关管s2的结电容c2充电，所述第一开关管s1的v
ds
电压下降，直到所述第一开关管s1的v
ds
电压下降至零；
模态6、在t
5-t6时刻，当所述第一开关管s1的v
ds
电压下降至零，所述第一开关管s1的寄生二极管d1导通，将所述第一开关管s1的v
ds
电压钳位在零电压状态；继续循环至所述模态1；其中，所述v
ds
电压为漏源电压。
13.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，所述第一电源为光伏电池，所述第二电源为储能电池，所述光伏电池通过所述软开关mppt控制器为所述储能电池充电。
14.本技术的另一方面，提供一种光伏电源系统，包括如上任一所述的软开关mppt控制器、光伏电池和储能电池，所述光伏电池连接所述软开关mppt控制器的输入端，所述软开关mppt控制器的输出端连接所述储能电池，为所述储能电池充电。
15.可选地，结合上述任一方面，在本方面的另一种实现方式中，还设置有逆变器，所述逆变器两端分别连接所述软开关mppt控制器与负载，为负载提供适配的工作电压。
16.相比现有技术，本技术的有益效果在于：本技术提供了一种软开关mppt控制器和光伏电源系统，通过利用mppt控制单元调制电路控制方式，减小开关管电压和电流的重叠，降低了开关损耗，使得简单的硬件电路结构的两个开关管都能够实现软开关，以及整个mppt控制器实现太阳能最大功率点跟踪，降低控制复杂度，提高系统的功率密度，实现由光伏电源高效率地为储能电池充电或为交流负载供电。
17.提供上述发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步详细描述。上述发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。本技术所要求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
19.图1为本技术所提供实施例的结构示意图；图2为本技术所提供实施例的功率变换模块的电路示意图；图3为本技术所提供实施例功率变换模块的工作波形示意图；图中：10、第一电源；20、软开关mppt控制器；201、输入采样模块；202、功率变换模块；203、输出采样模块；204、控制模块；2041、mppt控制单元；2042、pid单元；2043、pwm生成单元；2044、驱动单元；30、第二电源；40、逆变模块；50、负载。
具体实施方式
20.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及
附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
21.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本技术不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
22.应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语"如果"可以被解释成为"在
……
时"或"当
……
时"或"响应于确定"。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。本技术使用的术语“或”、“和/或”、“包括以下至少一个”等可被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
23.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.如图1所示，本技术的第一实施例提供了一种软开关mppt控制器20，应用于电源系统中，可以实现由第一电源10为第二电源30充电或为交流负载50供电。
25.优选地，本实施例中的第一电源10可以为直流输出电源，例如，第一电源10可以为光伏电池；第二电源30可以为储能电池，例如，第二电源30可以为磷酸铁锂电池或者三元锂电池。优选地，第一电源10的输出电压高于第二电源30的输入电压，第一电源10通过软开关mppt控制器20为第二电源30提供适配的充电电压，或者为负载50提供适配的工作电压。
26.作为一种实施方式，本实施例中的软开关mppt控制器20包括输入采样模块201、控制模块204和功率变换模块202。所述输入采样模块201的输入端连接第一电源10，用于采集所述第一电源10的输入电压和/或输入电流；所述控制模块204的输入端连接所述输入采样模块201的输出端，用于根据所述输入电压和/或输入电流，确定所述第一电源10的最大功率点并生成驱动信号；所述功率变换模块202的输入端连接所述输入采样模块201的输出端和所述控制模块204的输出端，所述功率变换模块202根据所述驱动信号使功率变换模块202的储能电感l1工作于断续导通模式。
27.作为一种实施方式，本实施例中的输入采样模块201可以包括输入电流采样模块和/或输入电压采样模块，即，输入采样模块201可以仅采样第一电源10的输入电压，或者仅采样第一电源10的输入电流，或者同时采样第一电源10的输入电压和输入电流，可以基于控制模块204的控制策略选择具体的采样方式，在此不作特别限定。
28.优选地，输入采样模块201可以同时包括输入电流采样模块和输入电压采样模块，
以为控制模块204同时提供电压环和电流环控制，提高控制的精准度和鲁棒性。所述输入电压采样模块可以包括分压电路、rc滤波电路和钳位电路，从主电路检测的电压信号通过分压电路进行电阻分压处理后，转变为控制电路所需的低压信号，再经rc滤波电路滤除噪声干扰后，将检测到的弱电信号送给控制模块204的采样端口以确定输入电压，钳位电路用于将输入电压采样模块的输出电压钳位在固定范围，保护控制模块204。所述输入电流采样模块可以包括线性电流传感器、差分运放电路、rc滤波电路和钳位电路，线性电流传感器将从主电路检测到的电流信号转变成电压信号，再经过差分运放电路和rc滤波电路的调理滤波，以及钳位电路的钳位后输出至控制模块204。
29.如图2所示，作为一种实施方式，本实施例中的功率变换模块202包括储能电感l1、第一开关管s1、第二开关管s2和电容c3；所述第一开关管s1和所述第二开关管s2的栅极连接所述控制模块204，所述第一开关管s1的漏极连接所述第一电源10的正极，所述第一开关管s1的源极连接所述储能电感l1的第一端和所述第二开关管s2的漏极，所述储能电感l1的第二端连接所述电容c3的第一端，所述第二开关管s2的源极连接所述第一电源10的负极和电容c3的第二端。本实施例采用的功率变换模块202使用的功率器件数量少，有助于减小功率变换模块202的体积，还便于降低两个开关管的控制复杂度。
30.储能电感l1对功率变换模块202的工作状态影响巨大，在不同的电感值大小下功率变换模块202可能会工作在不同的模式，如连续导通模式、边界导通模式或者断续导通模式。通常而言，为了减小输出电流的纹波，一般要求功率变换模块202工作在连续导通模式。然而，工作在连续导通模式下的功率变换模块202并不能使开关管工作在软开关状态，导致开关损耗大，效率降低。
31.在本实施方式中，所述储能电感l1数值大小需要使得所述功率变换模块202工作在所述断续导通模式（dcm），如图3所示，流过所述储能电感l1的电流方向发生改变，反向的储能电感l1电流可以对开关管的结电容进行充放电，由此可以使得第一开关管s1和第二开关管s2都能工作在理想的软开关状态。
32.可选地，在本实施方式中，储能电感l1的电感值大小应设计得足够小，以使得在所述断续导通模式下，反向电感电流能够对开关管的结电容放电。基于此，储能电感l1的电感值大小应满足以下不等式（1）：；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，v
in
为所述输入电压，v
out
为所述输出电压，l为所述储能电感l1的电感值，d为所述第一开关管s1的占空比，t为所述第一开关管s1的工作周期，c1为所述第一开关管s1的结电容，c2为所述第二开关管s2的结电容，t
dead1
为所述第一开关管s1导通前的死区时间，i
out
为输出电流。在此电路中，电感l1的数值很小，电流可以双向流通，因此可以进一步减小整个系统的体积。
33.可选地，尽管功率变换模块202工作在断续导通模式可以使得开关管实现软开关，但电感电流过分断续会造成电路的电应力和纹波电流过大。因此，储能电感l1的电感值大
小在满足上述不等式（1）的基础上，还应优选满足以下经验不等式（2）：；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，v
in
为所述输入电压，v
out
为所述输出电压，l为所述储能电感l1的电感值，d为所述第一开关管s1的占空比，t为所述第一开关管s1的工作周期，c1为所述第一开关管s1的结电容，c2为所述第二开关管s2的结电容，t
dead2
为所述第二开关管s2导通前的死区时间，i
out
为输出电流。需要说明的是，上述不等式（2）是根据系统方案，经过反复计算、试验和校正得到的经验不等式，其对电路参数设计、器件选型具有指导意义，但其仅作为本实施例的优选方案，不应将其理解为对本实施例范围的限制。
34.作为一种实施方式，本实施例中的软开关mppt控制器20还包括输出采样模块203，所述输出采样模块203的输入端连接所述功率变换模块202的输出端，以检测所述功率变换模块202的输出电压和/或输出电流并反馈至所述控制模块204。所述输出采样模块203的第一输出端连接外部负载50，所述输出采样模块203的第二输出端反馈至所述控制模块204，以便于控制模块204根据输出电压或者输出电流调整驱动信号。
35.可选地，所述控制模块204包括mppt控制单元2041、pid单元2042、pwm生成单元2043和驱动单元2044，所述mppt控制单元2041根据所述输入电压和/或输入电流通过pid单元2042确定所述第一电源10的最大功率点，控制所述pwm生成单元2043生成pwm驱动信号，通过所述驱动单元2044驱动所述功率变换模块202根据所述pwm驱动信号调整输出至第二电源30的输出电压和/或输出电流。
36.在本实施方式中，可以假设功率变换模块202的效率为一定值，因此输入采样模块201可以采样输入电压和输入电流中的至少一个，并且输出采样模块203也可以采用输出电压和输出电流中的至少一个，由此结合转换效率即可计算出所有的输入输出参数。优选地，为了控制的准确性，作为一种优选的实施方式，输入采样模块201采集第一电源10的输入电压和输入电流，输出采样模块203采集功率变换模块202的输出电压和输出电流，因此可以实现电压外环和电流内环的双环控制，增加系统控制的鲁棒性。
37.可选地，所述控制模块204还设置有驱动单元2044，所述驱动器的输入端连接所述控制模块204，所述驱动器的输出端连接所述功率变换模块202，以驱动所述功率变换模块202根据所述pwm驱动信号调整输出的工作电压或工作电流。
38.在本实施方式中，mppt控制单元2041采用扰动观察策略来控制追踪第一电源10的最大功率点，并通过调节pwm驱动信号的占空比和周期来调节控制器的输出电压和/或输出电流，以使得第一电源10能够以最大功率输出。在实际工作过程中，第一电源10的输出功率受外界环境因素的影响较大，第一电源10的最大功率点电压会在一个较大的范围内发生变化，因此为了实现最大功率点的跟踪，pwm驱动信号的占空比也会对应在较大范围内发生变化，因此对于确保功率变换模块202始终实现理想的软开关状态提出了挑战。为解决该问题，使用可调电压源来模拟第一电源10，通过测试调节可调电压源来模拟不同输入电压，并调节开关管的占空比和工作周期，通过波形判断其是否工作在软开关状态，并记录下软开
关状态下的输入电压、输出电流、占空比和工作周期，进而拟合成一个符合软开关状态要求的非线性关系，并依据该经验参数来调节pwm驱动信号的占空比和工作周期，使得功率变换器能够同时实现最大功率点跟踪和电路结构的软开关。
39.在本实施方式中，所述控制模块204通过调节输出的pwm驱动信号的占空比和工作周期，控制所述功率变换模块202在一个时间周期中按照以下六个模态循环工作，其工作波形如图3所示：模态1、在t
0-t1时刻，控制所述第一开关管s1导通时，所述储能电感l1上的电压为所述第一电源10与所述第二电源30的电压差，电感电流线性增加，直到t1时刻，所述第一开关管s1关断，该模态结束。
40.模态2、在t
1-t2时刻，所述第一开关管s1关断后，所述储能电感l1上的电流为正，对所述第二开关管s2的结电容c2放电，对所述第一开关管s1的结电容c1充电，所述第二开关管s2的v
ds
电压下降，直到所述第二开关管s2的v
ds
电压降至零，优选地，所述第二开关管s2的v
ds
电压降至零，该模态结束。
41.模态3、在t
2-t3时刻，当所述第二开关管s2的v
ds
电压降至零，所述第二开关管s2的寄生二极管d2导通，把所述第二开关管s2的v
ds
电压钳位在零电压状态，为开关管s2的零电压导通创造条件，此模态结束。
42.模态4、在t
3-t4时刻，当所述第二开关管s2的栅极驱动信号变为高电平时，所述第二开关管s2零电压开通，所述储能电感l1的电流流过所述第二开关管s2，所述储能电感l1上承受第二电源30的电压，电流线性减小，直到变为负值，控制关断所述第二开关管s2，此模态结束。
43.模态5、在t
4-t5时刻，所述储能电感l1的电流方向为负，对所述第一开关管s1的结电容c1放电，对所述第二开关管s2的结电容c2充电，所述第一开关管s1的v
ds
电压下降，直到所述第一开关管s1的v
ds
电压下降至零，优选地，所述第一开关管s1的v
ds
电压降至零，此模态结束。
44.模态6、在t
5-t6时刻，当所述第一开关管s1的v
ds
电压下降至零，所述第一开关管s1的寄生二极管d1导通，将所述第一开关管s1的v
ds
电压钳位在零电压状态，为开关管s1的零电压导通创造了条件。
45.继续循环至所述模态1，开关管s1在零电压条件下导通，进入下一周期。
46.其中，所述v
ds
电压为漏源电压。
47.如图3所示，基于该控制策略，第一开关管s1和第二开关管s2都实现了软开关。可选地，第一开关管s1和第二开关管s2可以选择mosfet或者igbt来实现。
48.作为一种可选的实施方式，所述软开关mppt控制器20还可以包括辅助电源模块（未图示），其可以采用电源芯片来实现，由所述第一电源10的输出电压供电，并通过电源电路输出具有适当电压值的电源电压，并提供给包括mppt控制单元2041、驱动单元2044、输入采样模块201以及输出采样模块203在内的电路模块中。
49.传统的开关管在开关过程中，存在电流和电压的重叠，产生开关损耗。在本实施例中，开关管的电压与电流不发生重叠，从而达到减小开关损耗的目的。通过利用mppt控制单元2041调制电路控制方式，减小开关管电压和电流的重叠，降低了开关损耗，使得简单的硬件电路结构的两个开关管都能够实现软开关，以及整个mppt控制器实现太阳能最大功率点
跟踪，降低控制复杂度，提高系统的功率密度，实现由光伏电源高效率地为储能电池充电或为交流负载供电。
50.基于相同的发明思想，本技术还提供一种光伏电源系统，包括如上所述的一种软开关mppt控制器20与光伏电池、储能电池，所述外部光伏电池连接所述软开关mppt控制器20的输入端，所述软开关mppt控制器20的输出端连接负载50，为储能电池充电。
51.为提高所述光伏电源系统的适配度，还设置有逆变模块40，所述逆变模块40两端分别连接所述软开关mppt控制器20与储能电池或负载50，为储能电池或负载50提供适配的交流工作电压。
52.本实施例中的系统与前述实施例中的控制器是基于同一发明构思下的两个方面，在前面已经对控制器实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施中的系统的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
53.在本技术中，对于相同或相似的术语概念、技术方案和/或应用场景描述，一般只在第一次出现时进行详细描述，后面再重复出现时，为了简洁，一般未再重复阐述，在理解本技术技术方案等内容时，对于在后未详细描述的相同或相似的术语概念、技术方案和/或应用场景描述等，可以参考其之前的相关详细描述。
54.在本技术中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
55.本技术技术方案的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本技术记载的范围。
56.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本技术的技术方案中涉及到控制策略的部分本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上的一个存储介质（如rom/ram、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台电力电子设备（可以是用电设备或者控制设备等）执行本技术每个实施例的方法。
57.以上仅为本技术的优选实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。