一種光伏電源結構及最大功率跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光伏電源結構及最大功率點跟蹤控制方法，該光伏電源結構包括：光伏組件，BOOST電路，最大功率跟蹤控制單元；光伏組件A、B的輸出端分別接一個BOOST電路，兩個BOOST電路的輸出端串聯(lián)后再并聯(lián)一個電容，電容的后級通過并網系統(tǒng)并網；最大功率控制單元對兩BOOST電路的輸出電壓進行比較，將差值通過PI調節(jié)器轉化為相應的占空比，然后將占空比轉化為相應的PWM波，來動態(tài)調節(jié)光伏組件的輸出功率，最終使光伏組件穩(wěn)定的工作在最大功率點。該方法控制簡單，不需要電流傳感器、存儲器和微處理器，只需要簡單的電路即可實現最大功率跟蹤，能大幅度降低成本。
【專利說明】一種光伏電源結構及最大功率跟蹤控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光伏發(fā)電【技術領域】，涉及一種光伏電源結構及最大功率點跟蹤控制方法。
【背景技術】
[0002]能源是發(fā)展國民經濟，提高人民生活水平的物質基礎。隨著經濟社會的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源日益減少，尋求新的能源來取代化石能源已成為能源發(fā)展的必然趨勢。太陽能具有儲量巨大，無需開采和運輸，沒有地域性限制等眾多優(yōu)點，因此在所有新能源發(fā)電中，太陽能發(fā)電地位突出，優(yōu)勢明顯，具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。
[0003]光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的主導。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如何使光伏系統(tǒng)獲得最大功率，提高整個系統(tǒng)的輸出效率至關重要。要使光伏系統(tǒng)獲得最大功率，首先得控制每個光伏組件工作在最大功率點。擾動觀察法是傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制方法，需要同時用到電流傳感器和電壓傳感器，還需要用到存儲器來存儲對上一時刻的數據進行存儲，電路結構復雜，成本高。而且當光照強度很低時，還容易失效。
[0004]基于傳統(tǒng)方案的不足，本發(fā)明提出一種光伏電源結構及最大功率跟蹤控制方法。與擾動觀察法相比，本方法只需要采樣電壓，電路結構簡單，不需要電流傳感器、存儲器和微處理器，只需要簡單的電路即可實現最大功率的跟蹤控制，能大幅度降低成本。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提出了一種光伏電源結構及最大功率點跟蹤控制方法，電路結構簡單，成本低，能快速有效實現最大功率點的跟蹤控制，大幅度降低成本。
[0006]發(fā)明的技術解決方案如下:
[0007](1)A、B為型號相同的兩光伏組件，它們工作于相鄰位置，也可認為它們工作的外部環(huán)境相同，因此兩組件的伏安特性曲線和最大功率點也大致相同。
[0008](2)兩BOOST電路輸出端采用串聯(lián)結構，輸出電流Iwt相等。光伏組件A的輸出功率ΡΑ=υΑ*Ι_，組件B的輸出功率PB=UB*Iwt，Ua和Ub分別為BOOST電路A和BOOST電路B的輸出電壓，因此比較光伏組件A、B的輸出功率大小,只用比較Ua和Ub的大小。
[0009](3)控制光伏組件A、B輸出電流為一個較小差值Λ I。由光伏組件的功率-電流曲線知，最大功率點處有dP/dI=0，寫成差分形式[Ρ(Ι)-Ρ(Ι+Λ I)]/Λ 1=0，Λ I為一個較小值，當Ρ(Ι)=Ρ(Ι+ΛΙ)時，即認為光伏組件工作在最大功率點處。保持Α、Β兩BOOST電路的占空比為D和D+AD，根據BOOST電路的輸入與輸出電流的關系Iin=Iwt/D，A、B兩光伏組件的輸出電流分別為U/D和Itjut/(D+AD)，A、B兩組件電流差值Λ I=Ia-1b= Δ D*10Ut/[D(D+AD)] ^AD*10Ut/D2, ΛD為一較小正值，因此Λ I也為一個較小正值。
[0010](4)動態(tài)調節(jié)兩BOOST電路的輸出電壓，使Ua=Ub,即光伏組件的工作在最大功率點。光伏組件A的輸出電流始終比光伏組件B的輸出電流大Λ I，因此組件A的工作點始終在組件B的右側。對兩BOOST電路的輸出電壓Ua和Ub進行采樣，當UA>UB，此時A、B兩組件同時工作在最大功率點的左側，將它們的差值經PI調節(jié)器后，占空比D減小，光伏組件的輸出電流增大，工作點向右移動，逐漸向峰值靠攏。當UA〈UB，此時A、B兩組件同時工作在最大功率點的左側，將他們的差值經PI調節(jié)器后，占空比增大，光伏組件的輸出電流減小，工作點向左移動，逐漸向峰值靠攏。最終，組件A工作在峰值右側，組件B工作在峰值左側，Ua=Ub,兩光伏組件的輸出功率相等,可認為光伏組件工作于最大功率點處。Δ D值的大小決定了 ΛI值的大小，Λ I的大小決定了兩光伏組件功率相等時與實際最大功率點的逼近程度。ΛD值越小，穩(wěn)定工作時，光伏組件的工作點越接近于實際最大工作點，但相應的調節(jié)時間也越長。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:1) BOOST電路串聯(lián)結構保證了輸出電流相等，只需對電壓進行采樣和比較，不用計算出實際功率的大小，就能實現功率大小的比較，控制簡單；2)不需要電流傳感器、存儲器和微處理器，只需要簡單的電路就能實現最大功率的跟蹤，成本低，結構簡單；3) PI調節(jié)器加限幅，使其在光照強度很低時，也能很好的控制光伏組件工作在最大功率點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為光伏電源結構示意圖
[0013]圖2為光伏組件功率-電流曲線圖
[0014]圖3為兩光伏組件三種不同的工作狀態(tài)
[0015]圖4為光照強度lOOOw/m2溫度為25°C時，本發(fā)明方案與傳統(tǒng)擾動觀察法輸出功率曲線圖(圖a為本發(fā)明方案光伏組件輸出功率曲線圖，圖b為為擾動觀察法光伏組件輸出功率曲線圖)
[0016]圖5為光伏組件A、B外部環(huán)境短暫失配后，組件的工作狀態(tài)(圖a為光伏組件輸出功率曲線圖，圖b為占空比曲線圖)
【具體實施方式】
[0017]圖1為光伏電源結構結構不意圖。包括兩光伏組件、兩BOOST電路、一個最大功率跟蹤控制單元。光伏組件的一端與2mH的電感一端相連，電感的另一端與IGBT的集電極和前向導通二極管正極連接，光伏組件的另一端與IGBT的發(fā)射極連接。BOOST電路A中的IGBT的發(fā)射極與BOOST電路B的前向導通二極管的負極連接，保證了 BOOST電路的輸出電流U相等。BOOST電路A的前向導通二極管的負極與BOOST電路B中的IGBT的集電極之間接一個IOOOuF電容，電容后級通過并網系統(tǒng)并網。最大功率跟蹤控制單元將兩BOOST電路的輸出電壓作差，將差值通過PI調節(jié)器，轉化為相應的占空比D，其中PI調節(jié)器的比例系數Kp=0.1，積分系數K1=KKL控制光伏組件A、B的占空比分別為D和D+ Λ D，PWM脈沖發(fā)生器根據占空比產生相應的脈沖，來動態(tài)調節(jié)光伏組件的工作點。由BOOST電路輸入與輸出電流的關系IinUD,則光伏組件A、B的輸出電流分別為Iwt/D和Itjut/ (D+ Λ D)，A、B兩組件電流差值Λ I=Ia-1b= AD*10Ut/[D(D+AD)]?AD*10Ut/D2，AD 取值 0.01。
[0018]圖2為光伏組件功率-電流曲線圖，該圖為一條開口向下的光滑曲線，由曲線知:最大功率點處有dP/dI=0，寫成差分形式[Ρ(Ι)-Ρ(Ι+Λ I)]/Λ 1=0。Λ I為一較小值，Ρ(Ι)=Ρ(Ι+Λ I)時，即可認為光伏組件工作在最大功率點，且ΛΙ?*，Ρ(Ι)=Ρ(Ι+ΛΙ)時，光伏組件工作點越接近于實際的最大功率點。
[0019]圖3為兩光伏組件三種不同的工作狀態(tài)，由于光伏組件A的輸出電流始終比組件B的電流大，所以組件A的工作點始終在組件B的右邊。圖a為兩光伏組件都工作在最大功率點的左側，輸出功率PA>PB，因此BOOST電路的輸出電壓UA>UB，將Ub與Ua的差值經PI調節(jié)器后，占空比D減小，光伏組件的輸出電流增大，工作點向右移動，逐漸向峰值靠攏。圖b為兩光伏組件都工作在最大功率點的右側，輸出功率PA〈PB，因此BOOST電路的輸出電壓UA〈UB，將Ub與Ua的差值經PI調節(jié)器后，占空比D增大，光伏組件的輸出電流減小，工作點向左移動，逐漸向峰值靠攏。最終，兩光伏組件的工作狀態(tài)會穩(wěn)定在圖c所示的狀態(tài)，即組件A工作在峰值右側，組件B工作在峰值左側，Pa=Pb，此時可認為光伏組件工作于最大功率點處。
[0020]圖4為光照強度lOOOw/m2溫度為25°C時，本發(fā)明方案與傳統(tǒng)擾動觀察法性能對t匕。圖a和圖b分別為本方案與傳統(tǒng)擾動觀察法的功率-時間曲線。本方案穩(wěn)定輸出功率有效值為187W，擾動觀察法輸出功率有效值為181W。對比兩個曲線圖可知，本方案比擾動觀察法調節(jié)速度快，穩(wěn)態(tài)時的脈動小，這也使得本方案輸出功率有效值比擾動觀察法稍大。
[0021]圖5為初始時刻組件A、B的光照強度都是1000W/m2，0.1s時組件A光照強度降到600ff/m2,0.2s時，組件A的光照強度重新變?yōu)?000W/m2時，光伏組件的工作狀態(tài)。仿真開始后，最大功率跟蹤控制模塊迅速介入，輸出功率達到183W;0.1s后，組件A光照強度降低時，限幅模塊開始工作，占空比限制在0.67，輸出功率50W ；0.2s后，最大功率跟蹤控制模塊重新起作用，功率輸出恢復到183W。因此外部環(huán)境的短暫變化，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作，控制光伏組件工作在最大功率點處。
【權利要求】
1.一種光伏電源結構及其最大功率點跟蹤控制方法，該結構由A、B兩個光伏組件、兩個BOOST電路和一個最大功率跟蹤控制單元組成，每個光伏組件輸出端分別接一個BOOST電路,兩BOOST電路輸出端串聯(lián)后再并聯(lián)一個電容，電容的后級通過并網系統(tǒng)并網。
2.根據權利要求1所述的光伏組件，其特征在于兩光伏組件為相鄰的光伏組件，可認為它們工作的外部環(huán)境相同，因此兩光伏組件的伏安特性曲線和最大功率點也基本相同。
3.根據權利要求書I所述的BOOST電路，其特征在于該BOOST電路由一個2mH的電感、一個IGBT和一個前向導通二極管組成；電感的一端與光伏組件的正極相連，另一端與IGBT的集電極和前向導通二極管的陽極相連，光伏組件的負極與IGBT的發(fā)射極相連；B00ST電路A中IGBT的發(fā)射極與BOOST電路B中二極管的陰極連接，BOOST電路A中二極管的陰極與BOOST電路B中IGBT的發(fā)射極之間接一個1000uF的電容。
4.基于權利要求1所述的最大功率控制單元，其特征在于，通過一個加法器、一個PI調節(jié)器、一個限幅、一個PWM脈沖發(fā)生器來實現最大功率點跟蹤控制；加法器用于計算兩BOOST電路的輸出電壓差值，PI調節(jié)器對差值進行適當調理，使差值轉變?yōu)橄鄳恼伎毡菵，所述PI調節(jié)器的比例系數為0.1，積分系數為100 ;限幅電路用于防止占空比過大而導致光伏組件工作于開路狀態(tài)，限幅值為0.9*UMf/UA，其中Uref為光伏組件的開路電壓，Ua為BOOST電路A的輸出電壓；PWM脈沖發(fā)生器將占空比值轉化為對應的PWM脈沖，其載波頻率為 IOKHz。
5.權利要求1所述的最大功率點跟蹤控制方法的原理及步驟: (1)A、B為型號和內部參數相同的兩光伏組件，它們工作于相鄰位置，也可認為它們工作的外部環(huán)境相同，因此兩組間的伏安特性曲線和最大功率點也相同； (2)兩BOOST電路輸出采用串聯(lián)結構，保證BOOST電路輸出電流Itjut相等；光伏組件A的輸出功率ΡΑ=υΑ*Ι_，組件B的輸出功率ΡΒ=υΒ*Ι_，Ua和Ub分別為BOOST電路A和BOOST電路B的輸出電壓，因此比較光伏組件A、B的輸出功率大小，只用比較Ua和Ub的大?。? (3)控制光伏組件A、B輸出電流差值ΛI為一個較小值，由光伏組件的功率-電流曲線知，最大功率點處有dP/dI=0，寫成差分形式[P (I) -P (I+ Λ I) ]/ Λ 1=0，Λ I為一個較小值，當P⑴=Ρ(Ι+Λ I)時，即認為光伏組件工作在最大功率點處；保持Α、B兩BOOST電路的占空比為D和D+AD，根據BOOST電路的輸入與輸出電流的關系Iin=Iwt/D，A、B兩光伏組件的輸出電流分別為U/D和Iwt/(D+ Δ D)，A、B兩組件電流差值Λ I=Ia-1b ^Λ D*10Ut/D2, AD為一較小正值，取AD=0.01，因此Λ I也為一個較小正值，AD越小，Λ I就越小，當P (I) =P (I+ Δ I)，光伏組件的工作點越逼近于最大功率點； (4)動態(tài)調節(jié)兩BOOST電路的輸出電壓，使Ua=Ub,即光伏組件工作在最大功率點；光伏組件A的輸出電流始終比光伏組件B的輸出電流大Λ I，因此組件A的工作點始終在組件B的右側；對兩BOOST電路的輸出電壓Ua和Ub進行采樣，當UA>UB，此時A、B兩組件同時工作在最大功率點的左側，將Ub和Ua的差值經PI調節(jié)器后，占空比D減小，光伏組件的輸出電流增大，工作點向右移動，逐漸向峰值靠攏；當隊〈仏，此時4、8兩組件同時工作在最大功率點的左側，將UjPUA的差值經PI調節(jié)器后，占空比增大，光伏組件的輸出電流減小，工作點向左移動，逐漸向峰值靠攏；最終，組件A工作在峰值右側，組件B工作在峰值左側，Ua=Ub,兩光伏組件的輸出功率相等，可認為光伏組件工作于最大功率點處； (5)Λ D值的大小決定了Λ I值的大小，取0.01。
【文檔編號】H02S10/00GK103647501SQ201310660111
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權日:2013年12月9日
【發(fā)明者】榮飛, 趙志, 劉仲欽, 劉方榮 申請人:湖南大學