CN100555155C - 一种太阳能光伏电池最大功率点追踪的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于太阳能光伏电池领域的一种太阳能光伏电池最大功率点追踪方法。包括下列步骤：(1)计算不同日照强度下的太阳能光伏电池给定电压并储存于控制芯片中；(2)读取日照强度数值，根据此数值读取日照强度下太阳能光伏电池的给定电压值；(3)读取太阳能光伏电池实际输出电压，该数值与步骤(2)的给定电压的差值经过PI调节，调节结果与三角波比较得到PWM脉冲，PWM脉冲驱动功率器件，调节太阳能光伏电池的负载阻抗。本发明在控制算法上，用一条特定斜率的直线去追踪光伏电池的最大功率点，使运算十分简单、可靠，抗干扰能力强，简化控制器的硬件结构，降低成本，有效地改善了系统的控制精度，提高光伏发电系统的转换效率。

Description

一种太阳能光伏电池最大功率点追踪的方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏电池领域，特别涉及一种太阳能光伏电池最大功率点追踪的方法。
背景技术
太阳能作为一种无污染、可再生的新能源有着非常广阔的发展前景，在国内外得到了广泛应用。
我国是太阳能资源比较丰富的国家，在沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆和少数民族地区，太阳能发电成为解决生产和生活能源的一种可靠途径，可以取得很好的经济效益和社会效益。据统计，全球的太阳能潜在资源达120000Tw，实际可开采600Tw，这是唯一能够保证人类未来能源需求的能量来源。光伏发电是太阳能利用的一种重要方式，截止到2005年底，国内的光伏电池生产能力已达200Mw以上。
在一个光伏发电系统中，通常要求在任一瞬时，能够引出光伏电池转换的最大电功率，即系统要能够跟踪光伏电池输出的最大功率点。光伏电池有着十分独特的电气特性，如说明书附图1、2所示，各曲线分别对应于该光伏电池在不同日光照射强度时的伏安和功率特性，各曲线均有各自的最大电功率点(如说明书附图1、2中自上而下的连线所示)，当日光照射强度(包括温度等)经常变化时，要想充分利用在当前条件下光伏电池所转换的最大电功率，必须在光伏电池和负载之间加入阻抗变换器，按照一定的算法和控制方式，使光伏发电系统总能够以最大电功率输出，以达到尽可能充分利用太阳能的目的，即光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)。
目前较常用的是恒电压跟踪控制技术(以下简称CVT法)，原理如下：(参见说明书附图4)，当温度一定时，近似认为各种日照情况下，光伏电池的最大功率点落在同一根垂直线的两侧邻近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U＝const(通常经验选取为(0.75-0.80)倍的开路电压)的一根垂直线，亦即只要认为光伏电池的输出端电压为常数，再考虑当时日照强度下相应的电流，就可以大致追踪到在该时刻光伏电池输出最大功率，据此，把较复杂的最大功率点跟踪算法，简化为恒电压跟踪(CVT)。这种方法，不仅运算十分简单、可靠，抗干扰能力强，而且一定程度上简化了控制器的硬件结构，因此该法在中小型光伏发电产品中，得到了广泛应用。但CVT在控制精度上，显然存在误差，特别当在电压选取不当、早晚和四季温差变化剧烈以及日照强度较弱等情况时，误差更大，从而最终降低了光伏电池的转换效率。
数学意义上，真正的最大功率追踪是指系统在任何温度和日照条件下都能够准确跟踪太阳电池的最大功率，也称为TMPPT。目前，最常用的控制方法是扰动观察法。
如说明书附图之图2，扰动观察法通过对光伏电池输出电压、电流的检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的记忆功率相比较，从而确定给定参考电压调整的方向。若Δp＞0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若Δp＜0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。依此逐渐追踪到最大功率点。
扰动观察法，算法准确，控制精度高，同时也可能出现仅追踪出“局部最优”的情况，且对应的硬件结构复杂，制造成本高，可靠性较差。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单、制造成本低、能够提高最大功率点追踪精度，从而提高光伏发电系统的转换效率的太阳能光伏电池最大功率点追踪的方法。
本发明的技术方案是：一种太阳能光伏电池最大功率点追踪方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)计算不同日照强度下的太阳能光伏电池给定电压值，并储存于控制器中，具体包括下列步骤；
①按照太阳能光伏电池的额定数据，最大开路电压U0m和标称峰瓦值Wp，确定其一个最大功率点A，在太阳能光伏电池伏安特性曲线表中A点坐标为(k*U0m，Wp/(k*U0m)，其中0.75≤k≤0.85，具体数值由光伏电池的材料及控制策略决定；
②测量太阳能光伏电池输出电流在(0.05-0.15)安培之间时的一短路电流Ik及其开路电压Uok，并依此确定另一最大功率点B的坐标为(k*U0k，Ik)；
③根据太阳能光伏电池伏安特性曲线表，计算由A、B二点确定的直线与太阳能光伏电池伏安特性曲线的交叉点的电压值，即为太阳能光伏电池各日照强度下的给定电压值；
(2)读取日照强度数值，根据此数值读取该日照强度下太阳能光伏电池的给定电压值；
(3)控制器读取太阳能光伏电池实际输出电压，该数值与步骤(2)的给定电压的差值经过PI调节，调节结果与三角波比较得到PWM脉冲，PWM脉冲驱动功率器件，调节太阳能光伏电池的负载阻抗。
还包括下列步骤：测量太阳能光伏电池输出电流在(0.05-0.15)安培时的一组短路电流Ik及其开路电压Uok数据，通过太阳能光伏电池输出功率试验结果，选择太阳能光伏电池实际输出功率为最大功率时的输出电流点作为B点坐标。
本发明的效果是：在各日照强度下，在控制算法上，用一条特定斜率的直线(替代CVT法的垂直线)，去追踪光伏电池的最大功率点，从而一方面，继承了CVT法的优点，运算十分简单、可靠，抗干扰能力强，简化控制器的硬件结构，降低成本，另一方面，算法的改进，使最大功率点追踪精度，更接近TMPPT，有效地改善了系统的控制精度，从而提高光伏发电系统的转换效率。
本发明的工作原理是：如说明书附图5所示，显然，在不同日光照射强度时光伏电池各最大功率点的连线更接近为一条非垂线的直线，本发明提出采用一条特定斜率的直线(替代CVT法的垂直线)去追踪光伏电池的最大功率点的算法，该直线可由如下方法获得：如图5示，在最大日照强度情况时，找到其一个最大功率点A，在较小日照强度情况时，找到其另一个最大功率点B，由A、B二点确定的直线，即为所求。具体斜线的选择，可根据当地的日照情况而定，通过软件程序找到适宜某地区的斜线，而无需变动硬件。大量实验结果显示，采用本方法，在不同日光照射强度时的平均功率计算精度，比CVT法提高9.1％。
本发明综合了上述二种方法的优点，在CVT法简单、实用、可靠，成本低廉的硬件基础上，采用一条特定斜率的直线(替代CVT法的垂直线)，去追踪光伏电池的最大功率点，算法比扰动观察法等真MPPT大为简化，但系统控制精度更接近TMPPT，且大大优于CVT法，从而提高光伏发电系统的转换效率。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为太阳能光伏电池伏安特性曲线；
图2为太阳能光伏电池功率特性曲线；
图3为太阳能光伏电池恒电压跟踪CVT控制原理图；
图4为太阳能光伏电池恒电压跟踪CVT给定电压计算图表；
图5为本发明太阳能光伏电池最大功率点追踪方法给定电压计算图表。
具体实施方式
图5所示为本发明太阳能光伏电池最大功率点追踪方法给定电压计算图表。
太阳能光伏电池最大功率点追踪方法，包括下列步骤：
(1)计算不同日照强度下的太阳能光伏电池给定电压Usp’并储存于控制器中，具体包括下列步骤；
①按照太阳能光伏电池的额定数据，最大开路电压U0m和标称峰瓦值Wp，确定其一个最大功率点A，在太阳能光伏电池伏安特性曲线表中A点坐标为(k*U0m，Wp/(k*U0m))，其中0.75≤k≤0.85，具体数值由光伏电池的材料及控制策略决定；
②测量太阳能光伏电池输出电流在(0.05-0.15)安培之间时的一短路电流Ik及其开路电压Uok，并依此确定另一最大功率点B的坐标为(k*U0k，Ik)，根据日照强度实际情况选择测量太阳能光伏电池输出电流在(0.05-0.15)安培时的一组短路电流Ik及其开路电压Uok数据，通过太阳能光伏电池输出功率试验结果，选择太阳能光伏电池实际输出功率为最大功率时的输出电流点作为B点坐标。
③根据太阳能光伏电池伏安特性曲线表，计算由A、B二点确定的直线与太阳能光伏电池伏安特性曲线的交叉点的电压值，即为太阳能光伏电池各日照强度下的给定电压值；
(2)读取日照强度数值，根据此数值读取日照强度下太阳能光伏电池的给定电压值Usp’；
(3)控制器读取太阳能光伏电池实际输出电压Usp，该数值与步骤(2)的给定电压Usp’的差值经过PI调节，调节结果与三角波比较得到PWM脉冲，PWM脉冲驱动功率器件，调节太阳能光伏电池的负载阻抗，控制原理图见图3。

Claims (2)

1、一种太阳能光伏电池最大功率点追踪方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)计算不同日照强度下的太阳能光伏电池给定电压值，并储存于控制器中，具体包括下列步骤；
①按照太阳能光伏电池的额定数据，最大开路电压U0m和标称峰瓦值Wp，确定其一个最大功率点A，在太阳能光伏电池伏安特性曲线表中A点坐标为(k*U0m，Wp/(k*U0m))，其中0.75≤k≤0.85，具体数值由光伏电池的材料及控制策略决定；
②测量太阳能光伏电池输出电流在(0.05-0.15)安培之间时的一短路电流Ik及其开路电压Uok，并依此确定另一最大功率点B的坐标为(k*U0k，Ik)；
③根据太阳能光伏电池伏安特性曲线表，计算由A、B二点确定的直线与太阳能光伏电池伏安特性曲线的交叉点的电压值，即为太阳能光伏电池各日照强度下的给定电压值；
(2)读取日照强度数值，根据此数值读取日照强度下太阳能光伏电池的给定电压值；
(3)控制器读取太阳能光伏电池实际输出电压与步骤(2)的给定电压的差值经过PI调节，调节结果与三角波比较得到PWM脉冲，PWM脉冲驱动功率器件，调节太阳能光伏电池的负载阻抗。
2、根据权利要求1所述的太阳能光伏电池最大功率点追踪方法，其特征在于包括下列步骤：测量太阳能光伏电池输出电流在(0.05-0.15)安培时的一组短路电流Ik及其开路电压Uok数据，通过太阳能光伏电池输出功率试验结果，选择太阳能光伏电池实际输出功率为最大功率时的输出电流点作为B点坐标。
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