CN101593795B - 用于光伏组件的有源p-v特性校正方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏组件的输出P-V特性校正方法，将光伏组件中串联的光伏电池元平均分组，保证每一电池元组的输出电压相等。针对光伏电池元平均分为三组的情况，本发明提供了校正电路，包括相并联的电容桥臂和两个MOSFET桥臂；电容桥臂由三个电容串联构成，两MOSFET桥臂结构相同，由P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的漏极串接构成，第一MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET漏极通过电感连接上述两相邻电容的相接点，第二MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET漏极通过另一电感连接另外两相邻电容的相接点。本发明将局部阴影条件下具有多个功率极值点的光伏组件P-V特性校正为仅有一个功率极值点，采用最大功率点跟踪方法保证系统运行在最大功率点，提高了光伏组件的输出功率。

Description

用于光伏组件的有源P-V特性校正方法与装置
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种用于光伏电源系统中光伏组件的有源P-V特性校正方法与装置，用于保证光伏组件在局部阴影条件下只有一个最大功率点。
背景技术
以清洁、可再生的太阳光为能源的光伏发电技术作为解决全球能源危机和环境问题，实现可持续发展的重要策略之一，受到了世界各国的重视。
在光伏发电系统中，由于光伏组件输出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性呈非线性、具有最大功率点，而且其最大功率点随着光照和环境温度等因素变化，为了最大化系统的输出功率，必须采用适当的最大功率点跟踪技术，保证系统总是运行在光伏组件最大功率点。
光伏组件在光照条件一致的情况下，其P-V特性曲线只有一个极值点，即最大功率点，如图1为光伏组件在不同光照条件下的I-V和P-V特性曲线。然而大量的光伏发电系统周围存在建筑物和树木等，它们在光伏组件上形成的局部阴影不仅导致光伏组件输出功率降低，而且其P-V特性曲线出现多个极值点，如图2所示为局部阴影条件下光伏组件的P-V特性曲线。由于光伏组件的P-V特性曲线出现了多个极值点，常用的扰动观察法和导纳增量法容易陷入局部极值点，并不能保证光伏组件运行在真正的全局最大功率点，造成能量损失。
为了提高具有多个功率极值点的光伏组件的输出功率，目前人们主要从改进和提出新型的全局最大功率点跟踪算法方面进行了一些研究，这些方法存在一个共同的问题：当光伏组件出现多个极值点后，这些方法只能被动的搜索光伏组件当前的全局最大功率点，此时全局最大功率点的功率远小于当前光伏组件可输出的功率，同时最大功率点跟踪算法的参数设计和实现比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光伏组件的有源P-V特性校正方法和装置，提高了光伏组件在局部阴影条件下的能量转化效率。
用于光伏组件的有源P-V特性校正方法，具体为：将光伏组件中串联的光伏电池元平均分组，保证每一电池元组的输出电压相等。
针对光伏电池元平均分为三组的情况，本发明提供了有源P-V特性校正装置，包括相并联的电容桥臂、第一MOSFET桥臂和第二MOSFET桥臂；电容桥臂由第一、二、三电容C1、C2、C3串联构成；第一，二MOSFET桥臂结构相同，由P沟道MOSFET S1的漏极和N沟道MOSFET S2的漏极串接构成，P沟道MOSFET S1的栅极和N沟道MOSFET S2的栅极分别连接电容桥臂的两端；第一MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET S1漏极通过第一电感L1连接第一，二电容C1，C2的相接点，第二MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET漏极通过第二电感L2连接第二，三电容C2，C3的相接点。
本发明的技术效果体现在：现有技术中，光伏组件主要由三组数量相同的光伏电池元串联，每组分别并联一个旁路二极管，当存在局部阴影时，三组光伏电池元的中部分旁路二极管可能导通，导致被旁路的光伏电池元的能量损失，大大降低了光伏组件的能量转化效率，同时光伏组件的输出P-V特性曲线出现多个极值点，常规的最大功率点跟踪算法容易陷入局部极值点，造成能量损失。采用本发明公开的方法控制光伏组件中三组电池元的输出电压相等，旁路二极管总处于截至状态，每组光伏电池元均能输出能量，从而提高了光伏组件的能量转化效率，同时光伏组件的输出P-V特性曲线只有一个最大功率点，采用常规的最大功率点算法即可搜索到全局最大功率点。
本发明为光伏组件中每组串联连接的光伏电池元并联一个有源P-V特性校正电路实现的等效电压源，通过控制四个MOSFET的开关占空比保持各组光伏电池元的输出电压之比为1，可将局部阴影条件下具有多个功率极值点的光伏组件的P-V特性校正为仅有一个功率极值点的特性，采用扰动观察法或导纳增量法等常用的最大功率点跟踪方法即可保证系统运行在最大功率点，提高了光伏组件的输出功率。
本发明电路简洁，成本低，能有效解决局部阴影条件下常用最大功率点跟踪算法容易陷入局部极值点的问题，适用于局部阴影问题较严重的各种光伏电源系统。既适用于独立型光伏发电系统，也适用于并网型光伏发电系统，还可广泛应用于光伏照明等小型光伏系统，特别适合于光伏组件集成变换器应用。
附图说明
图1为不同光照条件下光伏组件的P-V特性曲线示意图。
图2为局部阴影条件下光伏组件的P-V特性曲线示意图。
图3为应用本发明的最大功率点跟踪系统框图。
图4为光伏组件的内部接线图。
图5为有源P-V特性校正电路图。
图6为经有源P-V特性校正电路校正前后的光伏组件的P-V特性曲线示意图。
具体实施方式
图3为应用本发明有源P-V特性校正电路的最大功率点跟踪系统框图，包括光伏组件1、有源P-V特性校正电路2、光伏发电变换器3、负载4和光伏发电控制器5。
光伏组件1的内部接线图如图4所示，光伏组件1为具有以下特征的商用光伏组件：由大量光伏电池元串联构成，平均分为三组，分别并联三个旁路二极管。光伏组件的正极、中间一个旁路二极管的阴极、中间一个旁路二极管的阳极和光伏组件的负极分别为光伏组件1的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端。
有源P-V特性校正电路2的具体电路如图5所示，有源P-V特性校正电路2包括两个P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)管S1和S3、两个N沟道MOSFET管S2和S4、两个电感L1和L2，三个电容构成C1、C2和C3。其中S1的漏极与S2漏极相连，串联为第一MOSFET桥臂，S3的漏极与S4漏极相连，串联为第二MOSFET桥臂，三个电容C1、C2和C3依次串联连接构成一个电容桥臂，两个MOSFET桥臂与电容桥臂并联连接，两个MOSFET桥臂的中点分别通过电感L1和L2与电容桥臂中间的电容C2的上端和下端相连。S1的源极、电容桥臂中间电容的上端、电容桥臂中间的电容的下端和S2的源极分别为有源P-V特性校正电路的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端，四个MOSFET的四个栅极为驱动信号输入端。
光伏组件1的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端分别对应与有源P-V特性校正电路2的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端相连。有源P-V特性校正电路2接在光伏组件1和光伏发电变换器3之间。
光伏发电变换器3为可满足光伏组件能量变换要求的不同电路拓扑，负载4可为蓄电池或后级并网逆变器等不同负载。
最大功率点跟踪控制器5以单片机或者数字信号处理器为核心实现常规的扰动观察法和导纳增量法等不同最大功率点跟踪算法以及光伏发电变换器3的控制。
最大功率点跟踪控制器5输出四路驱动信号，其中P沟道MOSFET S1与S2的驱动信号互补，且存在适当的死区防止桥臂直通，S2的驱动信号为占空比为1/3的方波，N沟道MOSFET S3与S4的驱动信号互补，且存在适当的死区防止桥臂直通，S3的驱动信号与S2的驱动信号完全相同。
图6中曲线a为未经过校正的光伏组件的P-V特性曲线，曲线b为校正后的光伏组件的P-V特性曲线。由图3可以看出经过有源P-V特性校正之后，光伏组件的P-V特性曲线只有一个极值点，且最大功率点的输出功率比未校正前大大增加。可以看出，本发明有效解决常用的最大功率点跟踪算法在具有多个功率极值点的光伏组件中应用时，容易陷入局部极值点，造成能量损失的问题。

Claims (2)

1.用于光伏组件的有源P-V特性校正方法，具体为：将光伏组件中串联的光伏电池元平均分为三组，每组分别并联一个旁路二极管，光伏组件的正极、中间一个旁路二极管的阴极、中间一个旁路二极管的阳极和光伏组件的负极分别为光伏组件的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端；将光伏组件的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端分别与有源P-V特性校正装置的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端相连；
所述有源P-V特性校正装置包括相并联的电容桥臂、第一MOSFET桥臂和第二MOSFET桥臂；电容桥臂由第一、二、三电容(C1、C2、C3)串联构成；第一，二MOSFET桥臂结构相同，由P沟道MOSFET(S1)的漏极和N沟道MOSFET(S2)的漏极串接构成，P沟道MOSFET(S1)的栅极和N沟道MOSFET(S2)的栅极分别连接电容桥臂的两端；第一MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET漏极通过第一电感(L1)连接第一，二电容(C1，C2)的相接点，第二MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET漏极通过第二电感(L2)连接第二，三电容(C2，C3)的相接点；S1的源极、电容桥臂中间电容的上端、电容桥臂中间的电容的下端和S2的源极分别为有源P-V特性校正电路的“+”端、“A”端、“B”端和“-”端；
四个MOSFET的四个栅极接收驱动信号，其中P沟道MOSFETS1与S2的驱动信号互补，且存在适当的死区防止桥臂直通，S2的驱动信号为占空比为1/3的方波，N沟道MOSFET S3与S4的驱动信号互补，且存在适当的死区防止桥臂直通，通过控制四个MOSFET的开关占空比保持各组光伏电池元的输出电压之比为1，从而将局部阴影条件下具有多个功率极值点的光伏组件的P-V特性校正为仅有一个功率极值点的特性。
2.实现权利要求1所述方法的有源P-V特性校正装置，包括相并联的电容桥臂、第一MOSFET桥臂和第二MOSFET桥臂；电容桥臂由第一、二、三电容(C1、C2、C3)串联构成；第一，MOSFET桥臂结构相同，由P沟道MOSFET(S1)的漏极和N沟道MOSFET(S2)的漏极串接构成，P沟道MOSFET(S1)的栅极和N沟道MOSFET(S2)的栅极分别连接电容桥臂的两端；第一MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET漏极通过第一电感(L1)连接第一，二电容(C1，C2)的相接点，第二MOSFET桥臂中的P沟道MOSFET漏极通过第二电感(L2)连接第二，三电容(C2，C3)的相接点。
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