基于分時(shí)自適應(yīng)mct算法的dmppt光伏發(fā)電模塊的制作方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種基于分時(shí)自適應(yīng)最大電流追蹤算法的子光伏板級(jí)別分布式最大功率跟蹤光伏發(fā)電模塊。
【【背景技術(shù)】】
[0002]面對(duì)由化石燃料引起的全球能源危機(jī)和環(huán)境問題，太陽(yáng)能是目前最有應(yīng)用前景的清潔可再生能源。然而，由于實(shí)際中存在的非理想條件，比如陰影遮擋、污點(diǎn)、熱梯度、傾斜等，光伏系統(tǒng)的表現(xiàn)受到嚴(yán)重的影響。對(duì)于傳統(tǒng)集中式或者光伏串級(jí)別的最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)光伏系統(tǒng)，光伏板之間的失配現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的功率-電壓曲線出現(xiàn)多峰值，難以定位到全局的最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point，MPP)。即使追蹤到了全局的最大功率點(diǎn)，該全局最大功率也低于光伏陣列中所有光伏板可輸出的最大功率之和。
[0003]為了解決這些問題，在傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)中引入了光伏優(yōu)化模塊，構(gòu)成了基于分布式最大功率跟蹤(Distributed Maximum Power Point Tracking，DMPPT)的光伏系統(tǒng)。DMPPT的概念是將一個(gè)DC-DC變換器與一塊標(biāo)準(zhǔn)光伏板相連構(gòu)成一個(gè)模塊(稱之為“光伏優(yōu)化模塊”)，再以該模塊為基本單元進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)光伏陣列。相比于傳統(tǒng)集中式或者光伏串級(jí)別的MPPT光伏系統(tǒng)，光伏板級(jí)別的DMPPT系統(tǒng)可以允許所有光伏板在失配條件下工作在各自的最大功率點(diǎn)。由于每個(gè)DC-DC變換器都需要一組MPPT控制芯片和電壓電流傳感器，DMPPT光伏系統(tǒng)的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)集中式或者光伏串級(jí)別的光伏系統(tǒng)。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明基于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出了一種DMPPT光伏發(fā)電模塊，同時(shí)提出了一種只檢測(cè)總輸出電流的分時(shí)自適應(yīng)最大電流跟蹤(Maximum Current Tracking，MCT)算法，以進(jìn)一步解決常見的小范圍的失配問題和提高光伏優(yōu)化模塊的集成度。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]基于分時(shí)自適應(yīng)MCT算法的DMPPT光伏發(fā)電模塊，括若干串聯(lián)的集成光伏板，所述集成光伏板包括三個(gè)光伏晶元串和一個(gè)MPPT控制芯片，每個(gè)光伏晶元串連接一個(gè)Buck變換器，三個(gè)Buck變換器的輸出端串聯(lián)，并由所述MPPT控制芯片控制實(shí)現(xiàn)該集成光伏板的最大功率追蹤。
[0007]進(jìn)一步的，所述若干串聯(lián)的集成光伏板連接到中央逆變器。
[0008]進(jìn)一步的，所述DMPPT光伏發(fā)電模塊中存在一快一慢兩個(gè)控制環(huán)；在較慢的控制環(huán)中，中央逆變器應(yīng)用擾動(dòng)觀測(cè)法不斷更新光伏板的輸出電壓Vci;而在較快的控制環(huán)中，Buck變換器以更高的頻率迭代，使得此V。下的光伏板總輸出電流I ^達(dá)到最大。
[0009]進(jìn)一步的，MPPT控制芯片采樣集成光伏板中每個(gè)光伏晶元串的輸出電壓Vpvl，Vpv2，Vpv3和集成光伏板的總輸出電流I。作為輸入，經(jīng)分時(shí)自適應(yīng)MCT算法計(jì)算并輸出三個(gè)參考電壓信號(hào)Vrafl，Vref2, Vraf3;三個(gè)參考電壓信號(hào)Vraf和三個(gè)光伏晶元串輸出電壓Vpv經(jīng)過電壓外環(huán)生成一個(gè)參考電流信號(hào)，這個(gè)參考電流信號(hào)和總輸出電流I。經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)生成一個(gè)控制電壓信號(hào)；該控制電壓經(jīng)脈寬調(diào)制器生成具有相應(yīng)占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)去控制Buck變換器的開關(guān)，使得光伏晶元串工作在該參考電壓Vraf處;MPPT控制芯片不斷調(diào)整每個(gè)光伏晶元串的工作電壓，最終保證每個(gè)Buck變換器輸入端均工作在相應(yīng)光伏晶元串當(dāng)前的最大功率點(diǎn)處。
[0010]進(jìn)一步的，采用時(shí)長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的使能信號(hào)來(lái)控制MCT的執(zhí)行:使能信號(hào)初始值設(shè)為1，對(duì)光伏晶元串I進(jìn)行MCT ;當(dāng)光伏晶元串I達(dá)到其最大功率點(diǎn)即總輸出電流達(dá)到最大之后，使能信號(hào)立即變?yōu)?，對(duì)光伏晶元串2做MCT;當(dāng)光伏晶元串2也達(dá)到其最大功率點(diǎn)，使能信號(hào)變?yōu)?1，對(duì)光伏晶元串3做MCT ;當(dāng)三個(gè)光伏晶元串均達(dá)到各自的最大功率點(diǎn)之后，使能信號(hào)變?yōu)橹芷谛孕盘?hào)，周期為3T，其值在1，0，-1之間以時(shí)間間隔T變化；當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，此時(shí)使能信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?，先對(duì)光伏晶元串I進(jìn)行MCT，擾動(dòng)光伏晶元串I的輸出電壓；直到該光伏晶I元串達(dá)到其最大功率點(diǎn)；之后使能信號(hào)會(huì)立即變到0，對(duì)光伏晶元串2做MCT，從而追蹤到光伏晶元串2在變化的輻照度下的新的最大功率點(diǎn)，也即光伏板在變化的輻照度下的新的最大總輸出電流；當(dāng)三個(gè)光伏晶元串在環(huán)境突變后都工作在最大功率點(diǎn)后，使能信號(hào)變?yōu)橹芷谛孕盘?hào)，周期為3T，其值在1，0，-1之間以時(shí)間間隔T變化。
[0011]進(jìn)一步的，MCT算法包括:
[0012]clock信號(hào)為1，0，_1分別代表對(duì)光伏晶元串1，2，3做最大功率追蹤；傳感器采樣三個(gè)光伏晶元串的輸出電壓Vpvl，Vpv2, Vpv3和光伏板總的輸出電流I k，Vk IjP I k i是一組用于擾動(dòng)觀測(cè)法運(yùn)算的公共變量；
[0013]首先，把\和I淑值賦給Vk:和I k 1;如果clock信號(hào)等于c i，則把當(dāng)前的光伏晶元串i的輸出電壓Vpvl，參考電壓Vrafl和光伏板的總輸出電流I。分別賦值給V k，Vref^P I k;變量c用于記錄clock值的變化；為了防止最大功率點(diǎn)附近的振蕩，設(shè)定電流變化量的閾值Λ I ;當(dāng)I k i的差值小于Λ I時(shí)，認(rèn)為I ^已達(dá)到最大值，不再繼續(xù)做MCT，clock的值將發(fā)生跳變以啟動(dòng)下一個(gè)光伏晶元串的MCT ;當(dāng)IdP I k i的差值大于Λ I，則對(duì)光伏晶元串i執(zhí)行基于P&0算法的MCT，得到更新之后的參考電壓Vraf;如果clock等于c即clock保持了之前的值C1,說明此時(shí)仍在對(duì)光伏晶元串i做MCT，故將Vraf賦值給V —;若clock不等于c即clock值發(fā)生了跳變，那么就不進(jìn)行此參考電壓的賦值過程；最終輸出三個(gè)參考電壓信
Vrefl，Vref2，Vref3 0
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]本發(fā)明公開了一種基于PI雙閉環(huán)控制的子光伏板級(jí)別DMPPT模塊，同時(shí)公開了一種只檢測(cè)總輸出電流的分時(shí)自適應(yīng)的最大電流跟蹤算法。該光伏模塊和算法可以保證無(wú)論在什么光照條件下，使用最少數(shù)目的控制芯片和傳感器，使得所有光伏單元均輸出各自的最大功率。相比于現(xiàn)有的光伏板級(jí)別的產(chǎn)品，該模塊和算法僅用一個(gè)電流傳感器和控制芯片就能完全彌補(bǔ)光伏板內(nèi)的失配問題造成的功率損失，可以用于光伏優(yōu)化器的進(jìn)一步集成。
[0016]為了降低設(shè)備成倍增加帶來(lái)的成本，在DMPPT系統(tǒng)中引入了分時(shí)MPPT控制。相比于傳統(tǒng)的DMPPT光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)所需要的MPPT控制芯片和電壓電流傳感器的數(shù)量都大大降低。然而，由于樹葉、鳥糞、灰塵等造成的陰影遮擋或者光伏晶元的損壞，光伏板內(nèi)的某些部分不能如預(yù)期工作。因此，整個(gè)光伏板級(jí)別的DMPPT光伏系統(tǒng)的功率輸出也會(huì)大大降低?！尽靖綀D說明】】
[0017]圖1為所提出的基于雙閉環(huán)控制的子光伏板級(jí)別DMPPT模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為PI雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為所提出的自適應(yīng)分時(shí)最大電流跟蹤算法的示意圖。
[0020]圖4為所提出的自適應(yīng)分時(shí)最大電流跟蹤算法的流程圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0021](一)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)采集
[0022]本發(fā)明一種DMPPT光伏發(fā)電模塊如圖1所示。一個(gè)光伏板由三個(gè)光伏晶元串組成，每個(gè)光伏晶元串連接一個(gè)Buck變換器，三個(gè)Buck變換器的輸出端串聯(lián)，并由一個(gè)MPPT控制芯片控制實(shí)現(xiàn)該光伏板的最大功率追蹤。多個(gè)這樣集成的光伏板串聯(lián)再連接到中央逆變器。MPPT控制芯片采樣每個(gè)光伏晶元串的輸出電壓Vpvl，Vpv2，Vpv3和光伏板的總輸出電流I。作為輸入，經(jīng)分時(shí)自適應(yīng)MCT算法計(jì)算并輸出三個(gè)參考電壓信號(hào)VrafpVgyVrm。參考電壓信號(hào) Vref (Vref I，^ref2 7 ^ref3 )和光伏晶元串輸出電壓Vpv(Vpvl，Vpv2, Vpv3)經(jīng)過電壓外環(huán)生成一個(gè)參考電流信號(hào)，這個(gè)參考電流信號(hào)和總輸出電流Ici經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)生成一個(gè)控制電壓信號(hào)。該控制電壓經(jīng)脈寬調(diào)制器生成具有相應(yīng)占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)去控制Buck變換器的開關(guān)，使得光伏晶元串工作在該參考電壓Vraf處。照此，MPPT控制芯片不斷調(diào)整每個(gè)光伏晶元串的工作電壓，最終保證每個(gè)Buck變換器輸入端均工作在相應(yīng)光伏晶元串當(dāng)前的最大功率點(diǎn)處，因此彌補(bǔ)了光伏板內(nèi)失配問題帶來(lái)的功率損失。
[0023]在這個(gè)子光伏板級(jí)別的DMPPT模塊中存在一快一慢兩個(gè)控制環(huán)。在較慢的控制環(huán)中，中央逆變器應(yīng)用擾動(dòng)觀測(cè)(Perturb and Observe, P&0)法不斷更新光伏板的輸出電壓Vc^而在較快的控制環(huán)中，Buck變換器以更高的頻率迭代，使得此Vci下的光伏板總輸出電流Ici達(dá)到最大。由于Buck變換器工作在很高的頻率，其時(shí)間常數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中央逆變器的時(shí)間常數(shù)。因此，在任一時(shí)間，光伏板的輸出電壓Vci可以被視為常數(shù)。所以，最大功率跟蹤(MPPT)就等價(jià)于在給定的暫時(shí)可視為常數(shù)的V。下進(jìn)行最大電流跟蹤(MCT)，這也正是MCT算法的目標(biāo)。既然Vci可暫時(shí)視為常數(shù)，那么在光伏板的輸出端，只需檢測(cè)總的輸出電流10O總輸出電流的變化即代表著總輸出功率的變化，而總輸出功率的變化在任一時(shí)間，即等于正在進(jìn)行MPPT的光伏板的功率變化。為了應(yīng)用P&0算法進(jìn)行MCT，還需要檢測(cè)三個(gè)光伏晶元串的輸出電壓Vpvl，Vpv2和V pv3。
[0024]三個(gè)Buck電路為串聯(lián)連接，故輸出端電流相等。Buck變換器的電感電流與其輸出端電流之間僅差一個(gè)電容濾波環(huán)節(jié)，所以采用總輸出電流I。代替電感電流込作為電流內(nèi)環(huán)的被控電流。這樣，電流傳感器的數(shù)目就減少到了一個(gè)。具體的PI雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
[0025](二)自適應(yīng)分時(shí)最大電流跟蹤(MCT)算法
[0026]由于光照的變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于