本發(fā)明涉及一種光伏發(fā)電MPPT領(lǐng)域，具體涉及一種分布式MPPT與集中式MPPT可切換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法。

背景技術(shù)：

近年來，光伏發(fā)電作為太陽能應(yīng)用的重要方式之一，由于清潔無污染、取之不盡、用之不完、便于分布式發(fā)電等優(yōu)點，其大范圍應(yīng)用前景極為廣闊。

由于光伏陣列的特性受太陽輻射強度和環(huán)境溫度影響，逆變器還必須滿足光伏陣列的運行要求，必須通過逆變器的調(diào)節(jié)使光伏陣列輸出電壓趨近最大功率點輸出電壓，以保證光伏陣列在最大功率點運行而獲得最大功率。光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著太陽輻射強度和溫度的變化具有強烈的非線性：當(dāng)光伏陣列處在相同的太陽輻射強度下時，該陣列輸出P-V曲線只有一個極值，為最大功率點(Maximum Power Point，MPP)；當(dāng)光伏陣列處在不同的太陽輻射強度下時，即局部光伏模塊上存在陰影(Partial Shading,PS),該陣列輸出P-V曲線有多個極值，但只有一個全局最大功率點(Global Maximum Power Point,GMPP)。因此在特定的工作環(huán)境下存在著一個唯一的最大功率輸出點。

在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的輻射強度及大氣的透光率均處在動態(tài)變化中，為了在同樣的太陽輻射強度和溫度下獲得盡最大的電能，就存在著一個最大功率輸出點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的問題。現(xiàn)有的技術(shù)中的單極值搜索算法，如擾動觀察法，該方法計算復(fù)雜度小，不能應(yīng)對PS條件下的MPPT；現(xiàn)有技術(shù)中的多極值搜索算法，如基于粒子群的MPPT算法，計算復(fù)雜度高，但在非PS條件下，該算法相對擾動觀察法，過于復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出的是一種的低復(fù)雜度、低成本、高效率、電氣可重構(gòu)的光伏MPPT用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種分布式MPPT與集中式MPPT可切換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括N個光伏模塊和控制器，每一個光伏模塊均通過一個二極管和一個Mos P開關(guān)接入同一升壓電路輸入端；相鄰兩個光伏模塊之間通過Mos S開關(guān)串聯(lián)連接，由末端光伏模塊接地；所述的控制器采集升壓電路的輸入電壓、輸入電流和每一個光伏模塊所接收的太陽輻射強度，并通過PWM波調(diào)制各個Mos開關(guān)。

進(jìn)一步，所述的升壓電路包括一個電感L、兩個Mos B開關(guān)和一個電容C，所述的電感L串聯(lián)一個Mos B開關(guān)并連接升壓電路的輸出端，其中在電感L與Mos B開關(guān)設(shè)有一個Mos B開關(guān)并接地，在升壓電路的輸出端設(shè)有一個電容C并接地。

進(jìn)一步，每一條由光伏模塊、二極管和Mos P開關(guān)組成的支路中，在光伏模塊和二極管中間通過電容接地。

本發(fā)明公開了一種分布式MPPT與集中式MPPT可切換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，通過控制器采集并判斷每一個光伏模塊所接收的太陽輻射強度，當(dāng)每一個光伏模塊所接收的太陽輻射強度都相同時，采用集中式MPPT；當(dāng)每一個光伏模塊所接收的太陽輻射強度不都相同時，采用分布式MPPT；

其中，當(dāng)采用集中式MPPT，電路動作為：

第一步，所有Mos S開關(guān)保持導(dǎo)通；

第二步，選擇其中一路由光伏模塊、二極管和Mos P開關(guān)組成的支路，其Mos P開關(guān)保持導(dǎo)通，其他Mos P開關(guān)斷開；

則整個系統(tǒng)構(gòu)成了集中式最大功率追蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)；

當(dāng)采用分布式MPPT，電路動作為：

第一步，所有Mos S開關(guān)保持?jǐn)嚅_；

第二步，由光伏模塊、二極管和Mos P開關(guān)組成的支路中，Mos P開關(guān)依次交替導(dǎo)通；

第三步，重復(fù)步驟二；

則整個系統(tǒng)構(gòu)成了分布式最大功率追蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

進(jìn)一步，準(zhǔn)備斷開的Mos P_i開關(guān)與準(zhǔn)備導(dǎo)通的Mos P_(i+1)開關(guān)在開關(guān)時序之間，設(shè)置重疊時間t，以保持電力的延續(xù)性。

進(jìn)一步，太陽輻射強度檢測的采樣周期需為分布式MPPT周期的整數(shù)倍。

本發(fā)明的工作原理是結(jié)合了分布式MPPT與集中式MPPT的優(yōu)點，用電力電子開關(guān)的通斷來改變光伏陣列的連接方式，在并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式上進(jìn)行切換，從而實現(xiàn)了分布式MPPT與集中式MPPT的切換，兼顧兩種MPPT方式的優(yōu)點。

本發(fā)明的有益效果是：相對于每個光伏模塊集成一個DC-DC的分布式MPPT，本發(fā)明的MPPT用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效，易于產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)；相對于采用全局優(yōu)化算法的集中式MPPT，本發(fā)明的MPPT用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以簡化MPPT算為單極值搜索優(yōu)化算法，如擾動觀察法，更易于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為第一光伏模塊與第二光伏模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為第一光伏模塊與第二光伏模塊在分布式MPPT時開關(guān)驅(qū)動信號示意圖；

圖4為第一光伏模塊與第二光伏模塊在分布式MPPT下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為第一光伏模塊工作時的分布式MPPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為第二光伏模塊工作時的分布式MPPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為第一光伏模塊與第二光伏模塊在集中式MPPT時開關(guān)驅(qū)動信號示意圖；

圖8為第一光伏模塊與第二光伏模塊在集中式MPPT下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為集中式MPPT與分布式MPPT切換策略。

具體實施方式

下面通過實施并結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明有N個光伏模塊和一個控制器組成，每一個光伏模塊均連接一個二極管D和一個Mos P開關(guān)后連接升壓電路的輸入端，此外，每一個相鄰的光伏模塊之間通過Mos S開關(guān)串聯(lián)，第N個光伏模塊通過Mos S開關(guān)接地。每一個光伏模塊與其相鄰的二極管D之間通過電容C接地。在升壓電路中，升壓電路的輸入端連接有電感L，電感L串聯(lián)一個Mos B開關(guān)后連接升壓電路的輸出端并連接負(fù)荷電路3。在電感L和Mos B開關(guān)之間設(shè)有一個接地的Mos B開關(guān)，在升壓電路的輸出端設(shè)有一個接地的電阻C?？刂破鞑杉龎弘娐非暗妮斎腚妷篤pv、電流Ipv以及每個光伏模塊所接收的太陽輻射強度Irra_PVm1、Irra_PVm2、…、Irra_PVmN，控制器通過采集這些數(shù)據(jù)將其處理為數(shù)字信號并以PWM波的形式進(jìn)行輸出；同時通過控制器判斷每一個光伏模塊所接收的太陽輻射強度，以此來改變該電路的不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其控制方式為：當(dāng)每一個光伏模塊所接收的太陽輻射強度都相同時，采用集中式MPPT；當(dāng)每一個光伏模塊所接收的太陽輻射強度不都相同時，采用分布式MPPT。

光伏模塊的數(shù)量N的選擇要根據(jù)具體的選用的控制器的采集口數(shù)目和PWM波的輸出數(shù)目來具體選擇；當(dāng)控制器選用DSP時，光伏模塊的數(shù)量N不超過5較為合適。

如圖2所示，本實施例采用DSP控制器，光伏模塊的數(shù)量為2。即該電路結(jié)構(gòu)為第一光伏模塊串聯(lián)二極管D1和Mos P_1開關(guān)，第二光伏模塊串聯(lián)二極管D2和Mos P_2開關(guān)，第一光伏模塊與第二光伏模塊之間通過Mos S_1連接，第二光伏模塊通過Mos S_2接地，第一光伏模塊與二極管D1之間連接電容C1并接地，第二光伏模塊與二極管D2之間連接電容C2并接地。Mos P_1開關(guān)與Mos P_2開關(guān)均連接在升壓電路的輸入端的電感L上，電感L與Mos B_1開關(guān)和Mos B_2開關(guān)連接，Mos B_1開關(guān)接地，Mos B_2開關(guān)連接負(fù)荷電路，電容C3連接在Mos B_2開關(guān)與負(fù)荷電路之間并接地。DSP將升壓電路輸入端的輸入電壓Vpv和輸入電流Ipv以及第一和第二光伏模塊所接受的太陽輻射強度Irra_PVm1、Irra_PVm2經(jīng)數(shù)字信號處理后以PWM波形式調(diào)制各個Mos開關(guān)。

在本實施例中，DSP的控制方法如下所示：

當(dāng)太陽輻射強度Irra_PVm1與Irra_PVm2不均勻時，因為P-V曲線上有多個極值，所以如果用集中式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)MPPT，則需要使用比較復(fù)雜的全局MPPT方法，如基于粒子群優(yōu)化算法的MPPT算法。相反，采用本發(fā)明提出的分布式MPPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仍然可以使用普通的單極值MPPT方法就可以實現(xiàn)MPPT。

在圖2中，Mos B_1和Mos B_2為升壓電路的功率開關(guān)，用帶死區(qū)時間的互補驅(qū)動信號來周期性的開閉Mos B_1開關(guān)與Mos B_2開關(guān)，其工作頻率即為升壓電路的工作頻率；Mos S_1、Mos S_2、Mos P_1、Mos P_2的開關(guān)驅(qū)動信號如圖3所示，Mos P_1、Mos P_2在切換時，有一個較短的重合時間T0,Mos S_1與Mos S_2始終關(guān)斷。則系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變?yōu)榉植际組PPT，如圖4所示。第一光伏模塊與第二光伏模塊并行工作，分別交替與升壓電路聯(lián)起來，任何時間只有一個光伏模塊與升壓電路相連——當(dāng)Mos P_1導(dǎo)通，Mos P_2斷開，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示；當(dāng)Mos P_1斷開，Mos P_2導(dǎo)通，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

當(dāng)太陽輻射強度均勻時，因為P-V曲線上為單極值，所以采用集中式模式，用普通的單極值MPPT方法就可以實現(xiàn)MPPT，如可以使用擾動觀察法。Mos S_1、Mos S_2、Mos P_1、Mos P_2的開關(guān)驅(qū)動信號如圖7所示，Mos S_1、Mos S_2、Mos P_1始終保持導(dǎo)通，Mos P_2始終保持關(guān)閉，即第一光伏模塊與第二光伏模塊串聯(lián)起來，則整個系統(tǒng)構(gòu)成了光伏電池串聯(lián)的由一個升壓電路進(jìn)行最大功率追蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中Mos B_1和Mos B_2為升壓電路的功率開關(guān)，用帶死區(qū)時間的互補驅(qū)動信號來周期性的開閉Mos B_1、Mos B_2，其工作頻率即為升壓電路的工作頻率，集中模式MPPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

分布式MPPT模式與集中式MPPT模式的切換策略如圖9所示。其中i為計數(shù)變量，每完成一個MPPT周期T_MPPT，i增加1，N的大小決定了檢測光伏模塊太陽能輻射強度的周期T_Irra，即T_Irra＝N*T_MPPT。