一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路及其控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路及其控制方法，包括电流源半桥变换电路、输入输出采样电路、下垂控制电路、单片机、端功率匹配电路以及PWM芯片电路；其控制方法依据所采集电流源半桥变换电路的输入输出电压和电流数据，匹配变换电路的工作模式，MPPT或下垂控制模式；再通过PWM芯片电路生成两路交错180°的驱动信号，用以驱动上述变换电路。所生成的驱动信号能够使电流源半桥变换电路从占空比小于0.5启动，而当其正常工作时，始终保证占空比大于0.5。本发明专利技术提供的控制方法及其实现电路不仅能完成上述光伏直流电路对光伏电池板的控制要求，还能实现其所述特定占空比的控制要求，且解决了启动及过压控制问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路及其控制方法
本专利技术涉及一种光伏直流模块的控制方法及其实现电路，具体的说是基于电流源半桥变换器的光伏直流电路及其控制方法。
技术介绍
光伏直流模块是模块式光伏发电系统的重要组成单元，其主要是针对每一块光伏电池板单独设计的光伏变换器，能够充分利用光伏电池发出的功率，解决光伏电池阵列应用中的部分阴影遮罩问题。光伏直流模块的输出一般通过并联经统一的逆变单元并网。由于一般光伏电池板的开路输出电压仅有几十伏，为将光伏电池的能力溃入电网，具有高升压比的变换器是光伏直流模块的适用变换器。然而，目前的高升压比直流变换器种类繁多，可实用的电路并不多。电流源半桥变换器是一种无需辅助电路的高升压比变换器，电路结构简单，能够通过工艺保证减小变压器漏感后实现变换器的高效率工作，是光伏直流模块的一种实用电路。该电路还存在的问题主要是其控制电路难以实现：为完成变换器对光伏电能的转换，该控制电路要满足光伏电池特性的基本控制策略，即包含输入端MPPT控制和输出端稳压控制；为减小变换器体积，变换器需要较高的开关信号频率；正常工作时，变换器的占空比必须大于0.5，存在控制信号的重叠，但变换器启动又需要占空比从小于0.5启动，所以存在一定的启动问题；空载时，变换器处于断续电流工作模式，无法进行稳定的电压闭环控制而存在过压问题。
技术实现思路
所要解决的技术问题：本专利技术的目的是为了完成对光伏电池的功率匹配控制，同时解决电流源半桥变换器的特定占空比要求，设计一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路及其控制方法。技术方案：为了实现以上功能，本专利技术提供了一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路，其特征在于：包括电流源半桥变换电路、输入采样电路、输出采样电路、下垂控制电路、功率匹配电路、PWM芯片电路、单片机；其中电流源半桥变换电路的输入端连接输入端采样电路，输入端采样电路与单片机相连，产生MPPT信号；电流源半桥变换电路的输出端连接输出端采样电路，输出端采样电路的输出端包含两路相同的输出信号，其中一路与输出端下垂控制电路相连，产生下垂控制信号；另一路与单片机相连，产生过压保护信号；所述MPPT信号、下垂控制信号与功率匹配电路的输入端连接，输出闭环控制信号，该信号与过压保护信号一同接入PWM芯片电路，经PWM芯片电路输出功率管所需的驱动信号；并产生两路经过功率放大的、可受过压保护信号限制且交错180°的驱动信号，直接与电流源半桥变换电路两个功率管的栅极和源极相连；所述功率匹配电路中包含PI控制环节，分别对MPPT信号、下垂控制信号进行PI控制，能够完成MPPT控制和输出功率控制，使电流源半桥变换电路能够在MPPT控制和输出功率控制之间的切换。所述PWM芯片电路包括载波生成电路、调制波生成电路、过压保护电路及图腾柱放大电路；其中PWM芯片第1、2、3引脚及第18引脚与载波生成电路连接，载波生成电路的输出有两路，依次连接在PWM芯片的第9、10引脚；所述调制波生成电路负责将闭环控制信号与固定信号相比较，再取较大值作为调制信号，与PWM芯片15脚连接；PWM芯片第15、16和17引脚共同构成了一个调制信号的跟随电路，可以提高信号的带负载能力；将PWM芯片17脚输出经输出电阻与PWM芯片第8、11引脚连接，构成PWM比较器所需的两路调制信号。所述过压保护信号与PWM芯片14脚连接；PWM芯片第4、7引脚分别与两路图腾柱放大电路相连，输出两路电流源半桥变换电路功率管所需的驱动信号。所述输出端过压保护电路采用跳频控制。所述PWM芯片为UC3637；所述单片机采用CC2530。所述调制波生成电路将闭环控制信号与固定信号比较前，对闭环控制信号与控制信号分别进行RC缓冲。一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路控制方法，其特征在于：首先，输入采样电路、输出采样电路分别对电流源半桥变换电路的输入输出电压和电流进行数据采集；其次，在输出端，一路输出信号用于判断负载电压是否大于额定电压，如果负载电压大于额定电压，单片机输出过压保护信号；另一路输出信号利用运算放大器生成下垂控制信号；接着，单片机对输出信号进行MPPT控制；此时，先对MPPT信号与下垂控制信号分别进行PI控制，再将两者输出通过二极管取小以实现功率匹配，取小后的信号作为闭环控制信号；最终，将闭环控制信号与过压保护信号一同接入PWM芯片电路，经PWM芯片电路输出功率管所需的驱动信号；过压保护信号使当负载电压大于额定电压时，PWM芯片电路的驱动输出信号被拉低，当负载电压回落到额定电压以下时，PWM芯片电路的驱动输出信号恢复正常；实现电流源半桥变换电路在MPPT控制和输出功率控制之间的切换。有益效果：本专利技术的控制实现电路可以完成以下功能：在电流源半桥变换器正常工作时，变换器的占空比大于0.5，且存在控制信号的重叠；当电流源半桥变换器启动时占空比从小于0.5启动；空载时，变换器处于断续电流工作模式，通过过压保护电路实现对变换器的过压控制。与现有技术相比，本专利技术提供的控制实现电路不仅可以完成基于电流源半桥变换器的光伏直流模块对光伏电池板的基本控制要求，还能实现其特定的占空比控制要求，同时解决了变换器的启动问题和轻载过压问题。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明：图1为：本专利技术一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路的框图；图2为：PWM控制芯片及其外围电路；图3为：用于光伏直流模块的变换器所需满足的控制需求图；图4为：PWM控制芯片UC3637实现双路交错PWM信号输出原理图；图5为：过压保护软件流程图；图6为：输入电压36V、输入功率250W、输出电压380V时电感电流、输入电流及驱动波形图；图7为：输入开路电压45V，输入端串联电阻10Ω，负载2.5kΩ启动时输入电压输出电压波形图；图8为：输入开路电压60V，负载2.5kΩ，输入串联电阻10Ω～20Ω～10Ω（输入功率大～小～大）（MPPT转稳压转MPPT）时输入输出电压波形图；图9为：输入电压45V变换器空载时，变换器驱动及输出电压波形图；图中：101-电流源半桥变换电路、102-输入电压电流采样电路、103-输出电压电流采样电路；104-单片机、105-下垂控制电路、106-功率匹配电路、107-PWM芯片电路、201-PWM芯片、202-载波生成电路、203-调制波生成电路、204-图腾柱放大电路、205-过压保护电路。具体实施方式本专利技术提供一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路及其控制方法，为使本专利技术的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1中，组件102和组件103利用电阻分压及运放，对电流源半桥变换电路的输入输出电压电流进行采样。组件104是单片机，本例中采用了CC2530单片机。单片机对输入信号进行数据采集后，利用扰动观测法算法对变换器进行MPPT控制，生成MPPT控制信号；单片机对输出信号进行数据采集后，判断输出电压是否大于额定电压，并输出过压保护信号。判断过程的程序流程图如图5所示，输出电压采样后与400V电压进行比较，大于400V即过压时，令单片机P0_7IO口输出高电平即过压保护信号，反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路，其特征在于：包括电流源半桥变换电路、输入采样电路、输出采样电路、下垂控制电路、功率匹配电路、PWM芯片电路、单片机；其中电流源半桥变换电路的输入端连接输入端采样电路，输入端采样电路与单片机相连，产生MPPT信号；电流源半桥变换电路的输出端连接输出端采样电路，输出端采样电路的输出端包含两路相同的输出信号，其中一路与输出端下垂控制电路相连，产生下垂控制信号；另一路与单片机相连，产生过压保护信号；所述MPPT信号、下垂控制信号与功率匹配电路的输入端连接，输出闭环控制信号，该信号与过压保护信号一同接入PWM芯片电路，经PWM芯片电路输出功率管所需的驱动信号；并产生两路经过功率放大的、可受过压保护信号限制且交错180°的驱动信号，直接与电流源半桥变换电路两个功率管的栅极和源极相连；所述功率匹配电路中包含PI控制环节，分别对MPPT信号、下垂控制信号进行PI控制，能够完成MPPT控制和输出功率控制，使电流源半桥变换电路能够在MPPT控制和输出功率控制之间的切换。

【技术特征摘要】
1.一种基于电流源半桥变换器的光伏直流电路，其特征在于：包括电流源半桥变换电路、输入端采样电路、输出端采样电路、下垂控制电路、功率匹配电路、PWM芯片电路、单片机；其中电流源半桥变换电路的输入端连接输入端采样电路，输入端采样电路与单片机相连，产生MPPT信号；电流源半桥变换电路的输出端连接输出端采样电路，输出端采样电路的输出端包含两路相同的输出信号，其中一路与下垂控制电路相连，产生下垂控制信号；另一路与单片机相连，产生过压保护信号；所述MPPT信号、下垂控制信号与功率匹配电路的输入端连接，输出闭环控制信号，所述闭环控制信号与过压保护信号一同接入PWM芯片电路，经PWM芯片电路输出功率管所需的驱动信号；并产生两路经过功率放大的、可受过压保护信号限制且交错180°的驱动信号，直接与电流源半桥变换电路两个功率管的栅极和源极相连；所述功率匹配电路中包含PI控制环节，分别对MPPT信号、下垂控制信号进行PI控制，能够完成MPPT控制和输出功率控制，使电流源半桥变换电路能够在MPPT控制和输出功率控制之间的切换；所述PWM芯片电路包括载波生成电路、调制波生成电路、过压保护电路及图腾柱放...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晨，王烨，谢少军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32