光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置的製作方法

2023-05-06 06:10:26

專利名稱：光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力電子及自動控制技術領域，尤其涉及一種太陽能光伏發電系 統工作在複雜條件下的全局最大功率點跟蹤裝置。
背景技術：
最大功率點跟蹤(MPPT)技術就是針對提高太陽能電池發電效率進行研究的。在太陽能光伏發電系統中，太陽能電池是最基本的環節，若要提高整個系統的效 率必須要提高太陽能電池的轉換效率，使其輸出功率為最大。然而，太陽能光伏電池的P-V 特性具有非線性，並且它隨著外界環境(溫度、日照強度、遮擋等)的變化而變化，所以不 好控制。但是，在某一特定的溫度或日照強度總存在著一個最大功率點(Maximum Power Point, MPP)。因此，通過一定的算法加上相應的系統控制，可使太陽電池始終工作在MPP 上，以實現最大功率輸出，提高電池的轉換效率。太陽能電池陣列的最大功率輸出主要基於在變化的環境條件下調整負載曲線來 完成，這也是目前所有最大功率跟蹤方法的根本依據。因此隨著溫度和太陽強度的變化，要 不斷地調整輸出負載工作點，使太陽能電池陣列一直處在對應的最大輸出功率點上。太陽能光伏發電系統常用的最大功率點跟蹤(MPPT)方法有擾動觀察法、電導增 量法、定電壓跟蹤、功率回授法、最優梯度法、滯環比較法、間歇掃描法、模糊控制法、實時監 控法、神經網絡預測法以及功率匹配法。MPPT在控制理論方面的研究主要集中在(1)優化控制，即通過建立優化效率數學模型，構造求解方法，從而得出光伏發電 系統最大功率的輸出；(2)模糊邏輯控制，它不需要調製輸出電壓從而避免了部分功率損失，通過定義輸 入量及輸出量並藉助MATLAB工具箱中的模糊邏輯原理來完成MPPT的控制；(3)人工神經網絡控制，在天氣發生間歇性變化的情況下，使得系統的精度及穩定 性得到了提高，有效的輸出最大功率；(4)自適應控制，針對固定步長尋優的缺點進行改進，能較快的跟蹤太陽能光伏陣 列的最大功率，並具有較高的跟蹤精度；(5) 二次插值法，雖然太陽能光伏電池的輸出特性呈非線性，但是在某一時刻其輸 出功率相對於佔空比是連續可導的，有且僅有一個極點，因此採用二次插值法來進行最大 功率點跟蹤具有較好的跟蹤性能。從最大功率點跟蹤研究的進展來看，無論是電力電子技術應用方面還是在控制理 論方面，其研究基礎都是基於兩種方法之上，即擾動觀察法、電導增量法。這些方法主要適 應於P-V特性上存在單個峰值點情況，然而光伏發電系統的電池板在部分遮擋的條件下 P-V特性曲線將存在多個局部最大功率點，所以常規的MPPT方法不能很好地適應在環境突 變，及其在部分遮擋(如雲層、建築物、植物等)等複雜條件下，光伏發電系統最大功率輸出 的工作狀況。因此設計快速的尋找全局最大功率點的方法是非常有意義的，同時設計能提
3高光電轉換效率又能降低成本的全局最大功率點跟蹤裝置是非常必要的。 發明內容本實用新型的目的是提供一種結構簡單、成本低並且具有較高太陽能電池發電效 率的光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置。為實現上述目的，本實用新型採取以下設計方案一種光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置，其包括光伏電池陣列及光伏電池陣 列的輸出電壓、輸出電流檢測電路；其還包括一控制器，其帶有A/D轉換和PWM (脈寬調製)輸出，控制器晶片內置有全局最大 功率點跟蹤控制算法程序；一 BOOST電路；所述光伏電池陣列的輸出一路接光伏電池陣列的輸出電壓檢測電 路，一路接輸出電流檢測電路，所述光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流檢測電路的輸出端 接所述控制器的輸入；所述控制器的控制輸出經PWM驅動電路控制BOOST電路；光伏電池 陣列的輸出接BOOST電路的輸入；BOOST電路的輸出接負載。所述控制器採用型號為TMS320F28027的DSP晶片為佳。本實用新型光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置是基於複雜條件下的全局最 大功率點跟蹤技術(Global Maximum Power Point Tracking，GMPPT)來提高光伏電池陣列 的電能轉化效率，使得光伏電池陣列在環境突變，及其在部分遮擋(如雲層、建築物、植物 等)等複雜條件下，光伏發電系統始終工作在最大功率輸出點。控制器中裝有GMPPT控制 算法程序，通過檢測光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流，利用GMPPT控制軟體中建立的基 於擾動觀察法和自適應法相結合的GMPPT數學模型來判斷系統中最大功率點的位置，採用 PWM(脈寬調製)控制方法，自動調整光伏發電系統的輸出電流來跟蹤全局最大功率點，由 此實現GMPPT功能。本實用新型的優點是(1)該控制器具有在複雜條件下的全局最大功率點跟蹤算法，能夠根據實際情況 自動調整以實現光伏電池陣列最大的輸出功率，使其具有較高的的電能轉化效率。(2)成本較低，相比較於目前同類控制器成本低、結構簡單，具有廣闊的市場前景。
圖1是本實用新型光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置的構成原理方框圖。圖2是本實用新型光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置的電路原理圖。圖3是光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置內置的GMPPT算法程序流程圖。圖4是本光伏電池陣列全局最大功率點跟蹤裝置GMPP追蹤方式。
以下結合附圖及具體實施例對本實用新型做進一步詳細說明具體實施方式
參閱圖1所示，本實用新型光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置包括有光伏電 池陣列1及光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流檢測電路3、4 ；其創新點在於還設計有一控 制器6及一 BOOST電路2 ；所述的控制器帶有A/D轉換和PWM(脈寬調製)輸出，且控制器 內置有全局最大功率點跟蹤(GMPPT)控制算法程序；所述光伏電池陣列的輸出一路接光伏 電池陣列的輸出電壓檢測電路，一路接輸出電流檢測電路，所述光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流檢測電路3、4的輸出端接所述控制器6的輸入；控制器6的控制輸出經PWM驅動 電路5控制BOOST電路2 ；BOOST電路的輸出接負載7 (Rl)。圖2是本實用新型光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置的電路原理圖，該實施 例中對於控制器6採用了型號為TMS320F28027DSP晶片，該DSP晶片中嵌有光伏電池陣列 在複雜條件下的全局最大功率點跟蹤算法程序。該控制器核心部件DSP晶片U5的38腳輸 出P麗控制信號，通過P麗驅動電路U4 (M0SFET驅動器UCC27424)控制BOOST電路，以完 成在複雜變化的環境條件下調整負載曲線來實現太陽能電池陣列的最大功率輸出。其中， BOOST電路單元包括了電路原理圖中的M1，L1，D1，C1部分，是通用型的單元電路，光伏電池 陣列的輸出通過電感Ll連接到大功率管Ml的漏極，同時連接到肖特基二極體Dl的陽極， 肖特基二極體Dl的陰極連接到電解電容Cl的正極，再連接至負載RL。控制器核心部件DSP 晶片U5的38腳輸出PWM控制信號到PWM驅動器U4的2腳，U4的7腳輸出至大功率管Ml 的柵極。光伏電池的陰極與大功率管Ml的源極、電解電容Cl的負極、負載連接到地。參見圖2所示，所述光伏電池陣列的輸出電壓檢測電路由第一電阻Rl和第二電 阻R2分壓電路及比例放大器構成，其中，光伏電池陣列1的電壓輸出經第一電阻Rl和第二 電阻R2分壓後的UA通過電阻R5再接入比例放大器U3A的反相輸入端2腳，比例放大器 U3A的輸出接到DSP晶片U5的A/D輸入端8腳。圖2中，在光伏電池陣列的輸出迴路中串聯加一小電阻R3，通過檢測兩端電壓，送 至電流檢測晶片U1A，將UlA的輸出接到電壓跟隨器U2A，電壓跟隨器U2A的輸出連接到DSP 晶片的A/D輸入端9腳，用於光伏電池陣列輸出電流檢測。在實際工作中，光伏電池陣列在陽光強度突變條件下，以及在遮擋條件下太陽能 光伏電池陣列的最大輸出功率也不同，而且這個特性還與電池板的溫度有關，溫度升高，電 池板的輸出功率就下降。為了在不同條件下從光伏電池陣列上獲取最大的輸出功率，需要 選取最佳的光伏電池陣列的電壓和電流的工作點。本實用新型光伏電池陣列全局最大功率 點跟蹤裝置採用的DSP控制器中設計了 GMPPT控制算法，能夠實現最大的輸出功率，從而提 高了太陽能的轉化率。該GMPPT控制算法是將常規擾動觀察法和自適應法相結合設計的一 種新的算法程序，參見圖3，首先，系統初始化(包括DSP處理器的用於A/D轉換的定時器 初始化等)；斷開負載，DSP處理器採集光伏電池陣列開路電壓Voc，隨後設置光伏電池陣 列給定電壓V, = Voc*90% ；判定DSP處理器的用於A/D轉換的定時器採樣時間到否？若 到，則採集光伏電池陣列電壓V和電流I，並由此計算此時刻的功率P ；如是第一次A/D轉 換的定時器時間到，則設置標誌位Direction = _1，表明將在此電壓點左邊進行擾動，設 Vr = V+AV*Directi0n，其中Δ V約為一塊光伏電池開路電壓的60%，為擾動單位步長，則 轉回上步驟判定DSP處理器A/D轉換的定時器採樣時間到否的程序；非第一次A/D轉換定
dP
時器時間到，則繼續執行計算；，基於常規擾動觀察法(P&0)原理尋找局部最大功率點
αν
dP
(LocalMaximum Power Point，LMPP)，若一- > 0，則設置標誌位 Direction = 1，表明將在
dV
此電壓點右邊進行擾動，設Vr = V+ Δ ^Direction，轉回上步驟判定DSP處理器A/D轉換的
dP
定時器採樣時間到否的程序繼續循環；若"^<0，則設置標誌位Direction = _1，表明將
αν
在此電壓點左邊進行擾動，設Vr = V+Δ V^Direction,之後也轉回上步驟判定DSP處理器A/D轉換的定時器採樣時間到否的程序繼續循環；若；=0，則表明找到0^，設置左擾
αν
標誌Direction = -1，並將此點(LMPP)電壓、功率的值存入Vmax_last、Pmax_last，繼續執 行下步驟判定A/D轉換的定時器採樣時間到否？若到，DSP處理器採集本採樣時刻光伏陣 列電池的電壓V和電流I，並計算此時刻的功率P，得到新的功率增量ΔΡ = P-Pmax_last ； 將ΔΡ與ΔΡ1、ΔΡ2做比較若AP1 < | ΔΡ < Δ P2，表明太陽輻照度有突變，或有遮擋發 生，或從遮擋到不遮擋，則調用追蹤GMPP子程序(參見圖4所示，此處不贅述)。這裡AP1 是指在一個採樣周期內，正常的太陽能輻照變化所引起的光伏陣列輸出的功率的最大變化 值。ΔP2是指電池陣列所能承受的最大功率變化值。若I ΔΡ|彡八？工或I ΔΡ|彡八&，表 明光照無突變或不存在遮擋，或ΔΡ異常。繼續轉回上步驟判定DSP處理器A/D轉換的定 時器採樣時間到否的程序循環。其中常規擾動觀察法用於尋找局部最大功率點LMPP，自適應法在尋優的方向方面 進行改進，能較快的跟蹤太陽能光伏電池陣列的最大功率，並具有較高的跟蹤精度。首先根 據光伏電池陣列的開路電壓，設置光伏電池陣列的給定電壓，並通過追蹤局部最大值LMPP， 逐步逼近光伏電池陣列的最大功率點(GMPP)，從而得出光伏發電系統最大功率的輸出。從全局最大功率點追蹤(GMPPT)算法設計上，可以判斷出從無遮擋到有遮擋的情 況，並能從無遮擋時的P-V特性曲線跳到有遮擋時的P-V特性曲線，進行全局最大功率點 GMPP的追蹤，從而達到最大功率點跟蹤(MPPT)過程的快速性、穩定性和準確性，實現光伏 陣列在光照突變以及在部分遮擋等複雜條件下光伏發電系統太陽能電池的最大功率輸出。上述各實施例可在不脫離本實用新型的範圍下加以若干變化，故以上的說明所包 含及附圖中所示的結構應視為例示性，而非用以限制本實用新型申請專利的保護範圍。
權利要求一種光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置，其包括光伏電池陣列及光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流檢測電路；其特徵在於還包括一控制器，其帶有A/D轉換和PWM脈寬調製輸出，控制器內置有全局最大功率點跟蹤控制算法程序；一BOOST電路；所述光伏電池陣列的輸出一路接光伏電池陣列的輸出電壓檢測電路，一路接輸出電流檢測電路，該光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流檢測電路的輸出端分別再接所述控制器的輸入端；所述控制器的控制輸出端經PWM驅動電路控制BOOST電路；所述光伏電池陣列的另一路輸出接BOOST電路的輸入，BOOST電路的輸出接負載。
2.根據權利要求1所述的光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置，其特徵在於所述 控制器採用型號為TMS320F28027的DSP晶片。
3.根據權利要求1所述的光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置，其特徵在於所述 光伏電池陣列的輸出電流檢測電路由一電流檢測晶片及一電壓跟隨器構成，電流檢測晶片 的輸出接電壓跟隨器的輸入，電壓跟隨器的輸出連接到控制器的輸入端。
4.根據權利要求1所述的光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置，其特徵在於所述 光伏電池陣列的輸出電壓檢測電路由第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)分壓電路及比例放大 器構成，第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)分壓後接比例放大器的輸入，比例放大器的輸出連 接到控制器的輸入端。
專利摘要本實用新型公開了一種光伏發電系統全局最大功率點跟蹤裝置，其包括光伏電池陣列及光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流檢測電路；還包括一控制器，其帶有A/D轉換和PWM脈寬調製輸出，控制器內置有全局最大功率點跟蹤控制算法程序；一BOOST電路；所述光伏電池陣列的輸出一路接光伏電池陣列的輸出電壓檢測電路，一路接輸出電流檢測電路，該光伏電池陣列的輸出電壓、輸出電流檢測電路的輸出端分別再接所述控制器的輸入端；所述控制器的控制輸出端經PWM驅動電路控制BOOST電路；所述光伏電池陣列的另一路輸出接BOOST電路的輸入，BOOST電路的輸出接負載。其能夠根據實際情況自動調整以實現光伏電池陣列最大的輸出功率，使系統具有較高的電能轉化效率。
文檔編號H02N6/00GK201690377SQ201020113478
公開日2010年12月29日 申請日期2010年2月8日 優先權日2010年2月8日
發明者於重重, 吳軍, 嶽朋, 廉小親, 張曉力, 段振剛, 王偉, 解欣業, 鄧晶 申請人:北京工商大學;威海中玻光電有限公司