專利名稱：智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于不同入射輻照度情況下的光伏電池板輸出最大功率的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器及其控制方法，屬于新能源利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)日益臨近，新能源已經(jīng)成為今后世界上的主要能源之一，近年來，以太陽能為代表的可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中一般選用性能一致的光伏電池板通過串、并聯(lián)的方式構(gòu)成光伏電池陣列，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要遵循光伏電池板盡可能不被遮蔽等原則，這樣能最大限度的利用太陽能，隨著智能電網(wǎng)的提出和實(shí)施，太陽能發(fā)電與建筑相結(jié)合等分布式系統(tǒng)將在太陽能發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)越來越大的比重，在這樣的分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)就可能存在電池板被遮蔽的情況，而且即便選了一致 性好的光伏電池板，但由于光伏電池板老化的緣故也將導(dǎo)致光伏電池板輸出不一致，目前，為防止遮蔽以及光伏電池板不匹配等原因?qū)е鹿夥姵匕宓摹盁岚咝?yīng)”，一般采用并聯(lián)旁路二極管的方法解決，盡管采用旁路二極管能夠起到對光伏電池板組件保護(hù)的作用，但當(dāng)旁路二極管起作用時(shí)被旁路的光伏電池板組件將不產(chǎn)生任何電能，由于當(dāng)串聯(lián)的光伏電池板組件的若有一個(gè)光伏電池板組件產(chǎn)生的光電流較小(發(fā)電量小)當(dāng)其對應(yīng)得旁路二極管還未起作用，則所用串聯(lián)組件的輸出光電流都會(huì)被限制在這個(gè)較小值，導(dǎo)致這些光伏電池板組件不能工作在最大功率點(diǎn)上，大大影響了整個(gè)光伏電池陣列的發(fā)電量，美國國家半導(dǎo)體公司的一項(xiàng)試驗(yàn)還表明當(dāng)8%至16%的光伏電池板被遮蔽，將導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量跌幅高達(dá)35%至40%，這對光伏電池陣列的照度不均勻情況下的發(fā)電量影響非常大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器及其控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同入射輻照度的光伏電池板在不失配的情況下，所有的光伏電池板組件均能夠輸出最大電能，使整個(gè)光伏電池陣列的發(fā)電量達(dá)到最優(yōu)，具有良好的應(yīng)用前景。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于包括正、負(fù)輸入端子、兩組功率場效應(yīng)管、電感、控制器和正、負(fù)輸出端子，所述正、負(fù)輸入端子作為組件優(yōu)化器的輸入端外接光伏電池板的輸出端，并通過第一組功率場效應(yīng)管與電感的一端相連接，所述電感的另一端通過第二組功率場效應(yīng)管與所述正、負(fù)輸出端子相連接，所述正、負(fù)輸出端子作為組件優(yōu)化器的輸出端外接輸電線纜，所述兩組功率場效應(yīng)管的控制輸入端還分別與所述控制器相連接。前述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述正、負(fù)輸入端子與第一組功率場效應(yīng)管之間還設(shè)有輸入濾波電容，所述正、負(fù)輸出端子與第二組功率場效應(yīng)管之間還設(shè)有輸出濾波電容。
前述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述正、負(fù)輸出端子之間還設(shè)有二極管，所述二極管的正極與負(fù)輸出端子相連接，所述二極管的負(fù)極與正輸出端子相連接。前述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述正、負(fù)輸入端子和正、負(fù)輸出端子均采用標(biāo)準(zhǔn)MC-4連接件。前述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述控制器包括DSP處理器、功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和狀態(tài)指示電路，所述DSP處理器通過功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路分別與兩組功率場效應(yīng)管的控制輸入端相連接，所述DSP處理器還與狀態(tài)指示電路相連接。一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器的控制方法，其特征在于基于上述組件優(yōu)化器的控制方法，包括以下步驟，(I)將多個(gè)功率不同的組件優(yōu)化器的正、負(fù)輸入端子分別與對應(yīng)的功率的光伏電池板的輸出端相連接；(2)將各個(gè)組件優(yōu)化器上電，組件優(yōu)化器會(huì)進(jìn)行自檢；(3)控制各個(gè)組件優(yōu)化器中的兩組功率場效應(yīng)管中的場效應(yīng)管的通斷，使組件優(yōu)化器不進(jìn)行直流變換，組件優(yōu)化器工作在組件模式；(4)各個(gè)組件優(yōu)化器在組件模式穩(wěn)定工作后，進(jìn)入升壓模式，所述升壓模式控制各個(gè)組件優(yōu)化器中的兩組功率場效應(yīng)管中的場效應(yīng)管的通斷實(shí)現(xiàn)升壓直流變換，各個(gè)組件優(yōu)化器均按照電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)搜索；(5)在最大功率點(diǎn)搜索中，各個(gè)組件優(yōu)化器的檢測輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的關(guān)系，若Vin〈l. IVout時(shí)，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近升壓拓?fù)渲兄绷髯儞Q調(diào)節(jié)裕度的臨 界點(diǎn)，便停止升壓模式，進(jìn)入降壓模式；gVin>0. 93Vout時(shí)，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近降壓拓?fù)渲兄绷髯儞Q調(diào)節(jié)裕度的臨界點(diǎn)，便停止降壓模式，進(jìn)入升壓模式；(6)根據(jù)步驟(5)的各個(gè)組件優(yōu)化器工作在升壓模式或者降壓模式時(shí)，直到滿足最大功率點(diǎn)跟蹤，則不在進(jìn)行升壓或者降壓模式切換，使光伏電池板穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)處。前述的一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器的控制方法，其特征在于步驟
(4)所述各個(gè)組件優(yōu)化器均按照電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)搜索，所述電導(dǎo)增量法具體包括以下步驟，I)列出光伏電池板的功率-電壓曲線；2)搜索功率-電壓曲線的最大功率點(diǎn)功率-電壓曲線存在唯一的極值點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)典的導(dǎo)納增量法的判斷依據(jù)公式(1)，
r n dP T d! d! I,.、 -二 I l·-= O^-=----I I )
dVdV dV V 其中P為功率-電壓曲線的功率，V為功率-電壓曲線的電壓，I為功率-電壓曲線的電流，根據(jù)功率對電壓的導(dǎo)數(shù)WZd7與^ =*的關(guān)系，(In為當(dāng)前第η次采
η η- η
樣得到的電流、Vn為當(dāng)前第η次采樣得到的電壓，In^1為第η-l次采樣得到的電流、Vlri為第η-l次采樣得到的電壓)，在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零處搜索功率-電壓曲線的最大功率點(diǎn)索。前述的一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器的控制方法，其特征在于步驟
(2)所述在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零的附近進(jìn)行最大功率點(diǎn)的搜索為每隔IOms改變一次直流變化控制占空比，所述控制占空比的變化步長為前各控制占空比的的O. 25%，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的精確搜索。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器是將高頻直流開關(guān)電源技術(shù)引用至分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可根據(jù)直流變換調(diào)節(jié)裕度選擇直流變換拓?fù)洌蛏龎?，或降壓，或不進(jìn)行直流斬波變換，組件優(yōu)化器的控制器以高性能高速DSP處理器為核心，通過實(shí)時(shí)觀測前級輸入電壓、電流與后級輸出電壓和電流的控制方法來選擇組件優(yōu)化器的工作模式，使得在任意輻照度情況下，光伏電池板組件之間不會(huì)產(chǎn)生失配現(xiàn)象，同時(shí)每個(gè)組件都能最大功率輸出，進(jìn)而極大的收獲了因輻照度不均而損失的光伏電池陣列的電量，使整個(gè)光伏電池陣列的發(fā)電使用率達(dá)到最優(yōu)，具有良好的應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的組件優(yōu)化器與光伏組件連接的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。如圖I及圖2所示，本發(fā)明提供的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器2是將高頻直流開關(guān)電源技術(shù)引用至分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可根據(jù)直流變換調(diào)節(jié)裕度選擇直流變換拓?fù)洌蛏龎耗Ｊ?，或降壓模式，?shí)現(xiàn)光伏電池板穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)處，組件優(yōu)化器的控制器以高性能高速DSP處理器為核心，通過實(shí)時(shí)觀測前級輸入電壓、電流與后級輸出電壓和電流的控制方法來選擇組件優(yōu)化器2的工作模式，使得在任意輻照度情況下，光伏電池板組件I之間不會(huì)產(chǎn)生失配現(xiàn)象，同時(shí)每個(gè)組件都能最大功率輸出，進(jìn)而極大的收獲了因輻照度不均而損失的光伏電池陣列的電量，使整個(gè)光伏電池陣列的發(fā)電量達(dá)到最優(yōu)，本發(fā)明的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器2，包括正負(fù)輸入端子201、負(fù)輸入端子202、兩組功率場效應(yīng)管、電感206、控制器211、正輸出端子212和負(fù)輸出端子212，所述正、負(fù)輸入端子作為組件優(yōu)化器的輸入端外接光伏電池板I的正輸出端1-1和負(fù)輸出端1-2，并通過第一組功率場效應(yīng)管與電感206的一端相連接，電感206的另一端通過第二組功率場效應(yīng)管與正、負(fù)輸出端子相連接，正、負(fù)輸出端子作為組件優(yōu)化器2的輸出端外接輸電線纜，兩組功率場效應(yīng)管的控制輸入端還分別與控制器211相連接，其中第一組功率場效應(yīng)管為包括第一功率場效應(yīng)管204、第二功率場效應(yīng)管205，第二組功率場效應(yīng)管包括第三功率場效應(yīng)管208、第四功率場效應(yīng)管207，第一功率場效應(yīng)管204的輸入端與組件優(yōu)化器的正輸入端子201相連接，第一功率場效應(yīng)管204的輸出端與電感206的一端相連接，第二功率場效應(yīng)管205的輸入端也與電感206的一端相連接，第二功率場效應(yīng)管205的輸出端與組件優(yōu)化器的負(fù)輸入端子202相連接，第三功率場效應(yīng)管208的輸入端與電感206的另一端相連接，第三功率場效應(yīng)管208的輸出端與正輸出端子212相連接，第四功率場效應(yīng)管207的輸入端也與電感206的另一端相連接，第四功率場效應(yīng)管207的輸出端與負(fù)輸出端子213的一端連接，其中控制器211能將脈寬調(diào)制信號(hào)處理后控制功率場效應(yīng)管204、205、208的通斷。所述正、負(fù)輸入端子與第一組功率場效應(yīng)管之間還設(shè)有輸入濾波電容203，所述正、負(fù)輸出端子與第二組功率場效應(yīng)管之間還設(shè)有輸出濾波電容209，其中輸入濾波電容203和輸出濾波電容209能濾除輸入端或者輸出端的電壓的波動(dòng)，保證電壓的平滑性；所述正、負(fù)輸出端子之間還設(shè)有二極管210，二極管210的正極與負(fù)輸出端子213相連接，二極管210的負(fù)極與正輸出端子212相連接，二極管210用于實(shí)現(xiàn)組件優(yōu)化器通過輸電線纜連接的直流短路開關(guān)的直流電源串聯(lián)的同步啟動(dòng)。所述正、負(fù)輸入端子和正、負(fù)輸出端子均采用標(biāo)準(zhǔn)MC-4連接件，用于與任何光伏電池板或者輸電專用線纜的相互連接。
所述控制器211包括DSP處理器、功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和狀態(tài)指示電路214，DSP處理器通過功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路分別與兩組功率場效應(yīng)管的控制輸入端相連接，DSP處理器還與狀態(tài)指示電路214相連接，狀態(tài)指示電路214用于提醒用戶控制器211的當(dāng)前工作狀態(tài)，功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)兩組功率場效應(yīng)管的通斷。本發(fā)明的組件優(yōu)化器外殼采用金屬材料，外殼與光伏電池板的地線相連接，該接線為系統(tǒng)接地線，組件優(yōu)化器可通過金屬支架與螺釘固定在光伏電池板的背面，能夠減少雨水或灰塵的正面滲入?；谏鲜鼋M件優(yōu)化器的智能太陽能光伏電池板的控制方法，包括以下步驟，第一步，將多個(gè)功率不同的組件優(yōu)化器的正、負(fù)輸入端子分別與對應(yīng)的功率的光伏電池板的輸出端相連接；第二步，將各個(gè)組件優(yōu)化器上電，組件優(yōu)化器會(huì)進(jìn)行自檢；檢測內(nèi)容包括是否空載、有無故障信息等，組件優(yōu)化器自檢一切正常后，進(jìn)入第
~- j_hi二少；第三步，控制各個(gè)組件優(yōu)化器中的兩組功率場效應(yīng)管中的場效應(yīng)管的通斷，第一場效應(yīng)管204和第三場效應(yīng)管208導(dǎo)通，第二場效應(yīng)管205和第四場效應(yīng)管207關(guān)斷，使組件優(yōu)化器不進(jìn)行直流變換，組件優(yōu)化器工作在組件模式；第四步，各個(gè)組件優(yōu)化器在組件模式穩(wěn)定工作后，進(jìn)入升壓模式，所述升壓模式控制各個(gè)組件優(yōu)化器中的兩組功率場效應(yīng)管中的場效應(yīng)管的通斷實(shí)現(xiàn)升壓直流變換，第一場效應(yīng)管204完全導(dǎo)通，通過控制器211中的功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)第三場效應(yīng)管208和第四場效應(yīng)管207按照同步整流的方式交替導(dǎo)通，升壓模式中各個(gè)組件優(yōu)化器均按照電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)搜索；第五步，在最大功率點(diǎn)搜索中，各個(gè)組件優(yōu)化器的檢測輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的關(guān)系，若Vin〈l. IVout時(shí)，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近升壓拓?fù)渲兄绷髯儞Q調(diào)節(jié)裕度的臨界點(diǎn)，便停止升壓模式，進(jìn)入降壓模式；若Vin>0. 93Vout時(shí)，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近降壓拓?fù)渲兄绷髯儞Q調(diào)節(jié)裕度的臨界點(diǎn)，便停止降壓模式，進(jìn)入升壓模式；第六，步根據(jù)第五步的各個(gè)組件優(yōu)化器工作在升壓模式或者降壓模式時(shí)，直到滿足最大功率點(diǎn)跟蹤，則不在進(jìn)行升壓或者降壓模式切換，并始終保持光伏電池板穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)處。其中第四步的所述各個(gè)組件優(yōu)化器均按照電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)搜索，所述電導(dǎo)增量法具體包括以下步驟，I)列出光伏電池板的P-V(Power-voItage)曲線；2)搜索PV曲線上的最大功率點(diǎn)，由于PV曲線上的最大功率點(diǎn)(Pmax，對應(yīng)電流、電壓為Imax、Vniax)的附近有當(dāng)V〈Vmax 時(shí)，dI/dV>I/V當(dāng)V>Vmax 時(shí)，dI/dV<I/V當(dāng)V=Vmax 時(shí)，dI/dV=I/V功率-電壓曲線存在唯一的極值點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)典的導(dǎo)納增量法的判斷依據(jù)公式(1)，

權(quán)利要求
1.一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于包括正、負(fù)輸入端子、兩組功率場效應(yīng)管、電感、控制器和正、負(fù)輸出端子，所述正、負(fù)輸入端子作為組件優(yōu)化器的輸入端外接光伏電池板的輸出端，并通過第一組功率場效應(yīng)管與電感的一端相連接，所述電感的另一端通過第二組功率場效應(yīng)管與所述正、負(fù)輸出端子相連接，所述正、負(fù)輸出端子作為組件優(yōu)化器的輸出端外接輸電線纜，所述兩組功率場效應(yīng)管的控制輸入端還分別與所述控制器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述正、負(fù)輸入端子與第一組功率場效應(yīng)管之間還設(shè)有輸入濾波電容，所述正、負(fù)輸出端子與第二組功率場效應(yīng)管之間還設(shè)有輸出濾波電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述正、負(fù)輸出端子之間還設(shè)有二極管，所述二極管的正極與負(fù)輸出端子相連接，所述二極管的負(fù)極與正輸出端子相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述正、負(fù)輸入端子和正、負(fù)輸出端子均采用標(biāo)準(zhǔn)MC-4連接件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器，其特征在于所述控制器包括DSP處理器、功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和狀態(tài)指示電路，所述DSP處理器通過功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路分別與兩組功率場效應(yīng)管的控制輸入端相連接，所述DSP處理器還與狀態(tài)指示電路相連接。
6.一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器的控制方法，其特征在于基于上述組件優(yōu)化器的控制方法，包括以下步驟， (I)將多個(gè)功率不同的組件優(yōu)化器的正、負(fù)輸入端子分別與對應(yīng)的功率的光伏電池板的輸出端相連接； (2 )將各個(gè)組件優(yōu)化器上電，組件優(yōu)化器會(huì)進(jìn)行自檢； (3)控制各個(gè)組件優(yōu)化器中的兩組功率場效應(yīng)管中的場效應(yīng)管的通斷，使組件優(yōu)化器不進(jìn)行直流變換，組件優(yōu)化器工作在組件模式； (4 )各個(gè)組件優(yōu)化器在組件模式穩(wěn)定工作后，進(jìn)入升壓模式，所述升壓模式控制各個(gè)組件優(yōu)化器中的兩組功率場效應(yīng)管中的場效應(yīng)管的通斷實(shí)現(xiàn)升壓直流變換，各個(gè)組件優(yōu)化器均按照電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)搜索； (5)在最大功率點(diǎn)搜索中，各個(gè)組件優(yōu)化器的檢測輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的關(guān)系，若Vin〈l. IVout時(shí)，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近升壓拓?fù)渲兄绷髯儞Q調(diào)節(jié)裕度的臨界點(diǎn)，便停止升壓模式，進(jìn)入降壓模式；若Vin>0. 93Vout時(shí)，表明組件優(yōu)化器逐漸靠近降壓拓?fù)渲兄绷髯儞Q調(diào)節(jié)裕度的臨界點(diǎn)，便停止降壓模式，進(jìn)入升壓模式； (6 )根據(jù)步驟(5 )的各個(gè)組件優(yōu)化器工作在升壓模式或者降壓模式時(shí)，直到滿足最大功率點(diǎn)跟蹤，則不在進(jìn)行升壓或者降壓模式切換，使光伏電池板穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)處。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器的控制方法，其特征在于步驟(4)所述各個(gè)組件優(yōu)化器均按照電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)搜索，所述電導(dǎo)增量法具體包括以下步驟 O列出光伏電池板的功率-電壓曲線； 2)搜索功率-電壓曲線的最大功率點(diǎn)功率-電壓曲線存在唯一的極值點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)典的導(dǎo)納增量法的判斷依據(jù)公式(1)，
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器的控制方法，其特征在于所述步驟2)，在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零的附近進(jìn)行最大功率點(diǎn)的搜索為每隔IOms改變一次直流變化控制占空比，所述控制占空比的變化步長為前各控制占空比的O. 25%，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的精確搜索。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能太陽能光伏電池板的組件優(yōu)化器及其控制方法，組件優(yōu)化系統(tǒng)包括的組件優(yōu)化器的控制器以高性能高速DSP處理器為核心，是將高頻直流開關(guān)電源技術(shù)引用至分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可根據(jù)直流變換調(diào)節(jié)裕度選擇直流變換拓?fù)?，或升壓、或降壓，并通過實(shí)時(shí)觀測前級輸入電壓、電流與后級輸出電壓和電流的控制方法來選擇組件優(yōu)化器的工作模式，使得在任意輻照度情況下，光伏電池板組件之間不會(huì)產(chǎn)生失配現(xiàn)象，同時(shí)每個(gè)組件都能最大功率輸出，進(jìn)而極大的收獲了因輻照度不均而損失的光伏電池陣列的電量，使整個(gè)光伏電池陣列的發(fā)電使用率達(dá)到最優(yōu)，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102780398SQ20121029433
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者丁坤, 劉海皓, 卞新高, 張經(jīng)煒, 彭韜 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)