CN101841272B - 一种太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能充电系统及其最大功率点跟踪装置和方法，在该方法中，第一侧调节：将当前太阳能电池阵列的输出电压做第一改变，若判断第一改变后的功率小于第一改变前的功率，则执行第二侧调节；若判断第一改变后的功率不小于第一改变前的功率，则将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并重复执行第一侧调节；第二侧调节：将当前太阳能电池阵列的输出电压做第二改变，若判断第二改变后的功率小于第二改变前的功率，则执行第一侧调节；若判断第二改变后的功率不小于第二改变前的功率，则将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并重复执行第二侧调节。实施本发明的技术方案，具有较好的最大功率点跟踪的稳态性能和动态性能。

Description

一种太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法

技术领域

本发明涉及太阳能发电领域，更具体地说，涉及一种太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法。

背景技术

随着社会的不断发展能源问题已经变得越来越重要，特别是不可再生能源的不断减少导致的能源危机的加聚，这就使开发新能源成了目前的主要任务，太阳能作为一种新能源，具有取之不尽、用之不竭以及无污染等优点，是未来解决能源问题的重要途径之一。

太阳能光伏发电是通过太阳能电池板将太阳光能转化为电能的一种方式，由太阳能电池的输出特性可知，太阳能电池存在唯一的最大功率点。图1A是相同光强（1000W/m²）不同温度下功率与电压的曲线图，图1B是相同温度（25°C）不同光强下功率与电压的曲线图，结合图1A和图1B，太阳能电池的输出特性受光强和温度的变化影响很大，这就使太阳能的输出特性不断改变，最大功率点也在不断改变，另外实际应用中负载的变化也会导致最大功率点的改变，在目前硅太阳能电池的转换效率还不是很高而价格又比较高的情况下，高效率的使用太阳能电池板是非常重要的，因此MPPT（Maximum Power PointTracking，最大功率点的跟踪）已经成为太阳能光伏发电的热点问题。MPPT是指能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。近些年来人们对最大功率跟踪技术进行了深入的研究，研究出了很多最大功率跟踪算法，下面简单介绍一下现有的最大功率跟踪算法。

一、基于太阳能自身特性的算法

这些算法都是基于太阳能电池的输出特性和对理论模型分析和论证得到的，如恒压法、开路电压法、短路电流法等方法。

⑴、恒电压法

恒电压法根据太阳能电池在不同的日照强度和一定的温度下最大功率点电压Vmpp基本不变的原理，通过控制光伏阵列的输出电压Vo恒定工作在电压Vmpp来完成对最大功率点的跟踪。恒电压法控制简单，成本低，但在实际应用中很难保证光伏阵列的温度一直不变，特别是在一些温差很大的地域，恒电压法的弊端就更加明显了。

⑵、开路电压法

开路电压法的基本原理是：当光伏阵列工作在最大功率点时，它的工作电压Vop跟它的开路电压Voc总是成一定的线性比例关系，即Vop=k×Voc,比例系数k一般都取为0.78（误差在±2％），因此可以让光伏阵列的工作电压设定为0.78倍的开路电压，此时光伏阵列即工作在最大功率点。这种方法类似于定电压跟踪法，但恒电压跟踪法是跟踪恒定的电压，而开路电压法跟踪变化的电压。开路电压法存在的主要问题是需要检测开路电压这样会带来供电短时中断和干扰，另外就是实际中开路电压和最大功率点电压之间的比例关系会因电池板的材料以及生产厂家的不同而不同。

⑶、短路电流法

短路电流法的基本原理和开路电压法类似，根据最大功率点电流和短路电流之间近似的比例关系，即Iop=k×I步骤Sc，通过检测短路电流来使太阳能电池工作在最大功率点附近。短路电流法的缺点和开路电压法也基本相同，检测短路电流会带来干扰，并且最大功率点电流和短路电流之间的比例关系也不好确定。

二、基于dP/dV=0的算法

这些算法根据太阳能电池的P—V曲线特性，在最大功率点时dP/dV=0，在最大功率点的左侧dP/dV>0，在最大功率点右侧dP/dV<0来实现最大功率跟踪的，如扰动观察法、增量电导法等方法。

⑴、扰动观察法

扰动观察法主要是依据最大功率点时dP/dV=0，在最大功率点左侧dP/dV>0，在最大功率点右侧dP/dV<0。dP、dV分别代表相邻两个采样周期光伏器件的输出功率和输出电压的变化。该方法通过不断调节光伏器件MPPT电路的工作状态来比较电路调整前后光伏器件输出功率和输出电压来寻找最大功率点，扰动观察法的缺点就是始终存在扰动，并且当光强突变时算法的最大功率跟踪有可能会失败。

⑵、增量电导法

增量电导法也是常用的一种MPPT控制方法，其控制思想与扰动观察法类似，也是利用dP/dV的方向进行最大功率点跟踪控制，只是光伏器件工作在最大功率点时控制有所不同。由P=VI和最大功率点处的光伏器件特性dP/dV=0可推导出公式：首先假设光伏阵列模块工作在一给定工作点；然后采样光伏阵列模块的电压和电流，计算：△V(n)=V（n）-V（n-1)和△I=I(n)-I(n-1)，其中(n)表示新的采样值，(n-1)表示前一次的采样值；如果△V为0，表明工作电压没有改变，可以直接利用△I的符号判断最大功率点的位置；△I为0表明功率点没变返回进入下一调整周期，如果△I大于0调整占空比使电压升高来增大功率，如果△I小于0调整占空比使电压降低来减小功率（光强降低了），反之如果△V不为0则依据△I/△V+I/V的符号判断；最后根据前一次的电流参考值加上本次检测所得信息得到新的电流参考值。当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列模块工作在最大功率点。增量电导法在光强较强的时候最大功率跟踪的效果较好，光强稳定的时候算法可以稳定到最大功率点，算法的缺点就是光强较低的时候最大功率跟踪的效果下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述缺陷，提供一种太阳能充电控制器的最大功率跟踪点的方法，该方法具有较好的最大功率点跟踪的稳态性能和动态性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法，包括：

A.判断第一时间是否到达，若是，则进行步骤B；若否，则重复执行步骤A，所述第一时间大于最大功率点的跟踪时间，且小于光强变化预设幅度的时间；

B.通过将当前占空比增加第一预设值来减小当前太阳能电池阵列的输出电压，并判断占空比增加第一预设值后所对应的功率是否小于占空比增加第一预设值前所对应的功率，若是，则转步骤D；若否，则转步骤C；

C.将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并设定第一侧次数为零，进行步骤B；

D.将当前第一侧次数加1，并判断当前第一侧次数是否为预设的第一侧次数，若是，则转步骤E；若否，则转步骤B；

E.通过将当前占空比减小第二预设值来增加当前太阳能电池阵列的输出电压，并判断当前占空比是否小于最大功率点的占空比，若是，则转步骤F；若否，则重复执行该步骤；

F.判断占空比减小第二预设值后所对应的功率是否小于占空比减小第二预设值前所对应的功率，若是，则转步骤H；若否，则转步骤G；

G.将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并设定第二侧次数为零，进行步骤E；

H.将当前第二侧次数加1，并判断当前第二侧次数是否为预设的第二侧次数，若是，则转步骤I；若否，则转步骤E；

I.将最大功率点的占空比设定为当前占空比，并执行步骤A。

在本发明所述的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法中，在步骤A之前还包括：

A0.判断第二时间是否达到，所述第二时间为第一时间的整数倍，若是，则转步骤A1；若否，则转步骤A；

A1.通过全局最大功率点跟踪确定最大功率点的占空比，并将最大功率点的占空比设定为当前占空比，然后执行步骤A。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：由于每隔第一时间就跟踪一次最大功率点，所以即使光强发生了变化，也能快速的跟踪到变化后的最大功率跟踪点，另外，在光强稳定时，可以精确的稳定在最大功率点，因此，该方案具有较好的最大功率点跟踪的稳态性能和动态性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1A是相同光强（1000W/m²）不同温度下功率与电压的曲线图；

图1B是相同温度（25℃）不同光强下功率与电压的曲线图；

图2是本发明的太阳能充电系统实施例一的逻辑图；

图3是本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪装置实施例一的逻辑图；

图4是本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪装置实施例二的逻辑图；

图5是本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法的实施例二的流程图；

图6是本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法的实施例三的流程图。

具体实施方式

在图2示出的本发明的太阳能充电系统实施例一的逻辑图中，该太阳能充电系统包括太阳能电池阵列300、最大功率跟踪点装置100、PWM驱动模块200和变换器400，其中，最大功率跟踪点装置100根据所采样的太阳能电池阵列输出的电压和电流来控制PWM驱动模块200，使PWM驱动模块200向变换器400输出相应占空比的PWM驱动信号，变换器400根据相应占空比的PWM驱动信号变换太阳能电池阵列300输出的电压并输出至蓄电池。应当说明的是，若要保证太阳能电池阵列300工作在最大功率点，就要保证太阳能电池阵列300向变换器400输出最大的功率点所对应的电压，在蓄电池对变换器400输出电压的箝位作用下，只要最大功率跟踪装置根据最大功率跟踪方法发出相应占空比的PWM驱动信号，就可以使太阳能电池阵列以最大功率输出。

图3是本发明太阳能充电系统的最大功率点的跟踪装置实施例一的逻辑图，在本实施例中，该最大功率点的跟踪装置100可以包括相互连接的第一时间控制单元111、第一侧调节单元112和第二侧调节单元113，其中，

第一时间控制单元111，用于在每隔第一时间到达时，启动第一侧调节单元112和第二侧调节单元113，所述第一时间大于最大功率点的跟踪时间，且小于光强变化预设幅度的时间，在此应当说明的是，本申请中所提及的最大功率点的跟踪时间为执行最大功率点跟踪方法找到最大功率点的时间，光强变化预设幅度的时间则认为是光强发生明显变化的时间，光强变化预设幅度的时间可以依据实际测试光强发生突变时间确定。

第一侧调节单元112，用于将当前太阳能电池阵列的输出电压做第一改变，在判断第一改变后的功率小于第一改变前的功率时，启动第二侧调节单元113；在判断第一改变后的功率不小于第一改变前的功率时，将当前太阳能电池阵列的输出电压所对应的占空比设定为最大功率点的占空比，并重复地执行该第一侧调节单元112的功能，在此应当说明的是，功率的计算是根据所采样的电压和电流计算的。

第二侧调节单元113，用于将当前太阳能电池阵列的输出电压做第二改变，且所述第二改变与所述第一改变互为反运算，在判断第二改变后的功率小于第二改变前的功率时，启动所述第一侧调节单元112；在判断第二改变后的功率不小于第二改变前的功率时，则将当前太阳能电池阵列的输出电压所对应的占空比设定为最大功率点的占空比，并重复地执行该第二侧调节单元113的功能。

图4是本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪装置实施例二的逻辑图，应当说明的是，该最大功率点的跟踪装置与图3所示装置的相同部分请参考上述说明，在此不做赘述，下面仅说明该装置与图3所示装置所不同的地方，相比图3所示的装置，本实施例的装置还可以包括：

第二时间控制单元114，用于在每隔第二时间到达时，启动最大功率点确定单元115，所述第二时间为第一时间的整数倍；

最大功率点确定单元115，用于在第二时间到达时，通过全局最大功率点跟踪以确定最大功率点，并将最大功率所对应的占空为设定为当前占空比，在通过全局最大功率点跟踪以确定最大功率点的过程中，可通过调节占空比来改变太阳能电池阵列输出电压，使所述太阳能电池阵列的输出电压在大于蓄电池电压且小于预设上限电压范围内逐渐变化，以找到最大功率点，并将该最大功率点所对应的占空比设定为最大功率点的占空比。另外，预设上限电压的确定可参考标准光强下(STC)时的开路电压，或者参考光强更强温度更低的条件下的开路电压，以该开路电压所对应的最大功率点电压为参考来设定上限电压，同时可保留一定的余量就一定能满足光强低于STC条件而温度远远高于STC温度条件时的电压上限。通过该方法进行全局最大功率点跟踪，可减小全局最大功率跟踪的范围，从而减小功率损失和扰动。

在本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法的实施例一中，每隔第一时间，通过下述步骤进行一次最大功率点的跟踪，所述第一时间大于最大功率点的跟踪时间，且小于光强变化预设幅度的时间：

第一侧调节：将当前太阳能电池阵列的输出电压做第一改变，若判断第一改变后的功率小于第一改变前的功率，则执行第二侧调节；若判断第一改变后的功率不小于第一改变前的功率，则将当前太阳能电池阵列的输出电压所对应的占空比设定为最大功率点的占空比，并重复执行第一侧调节；

第二侧调节：将当前太阳能电池阵列的输出电压做第二改变，若判断第二改变后的功率小于第二改变前的功率，则执行所述第一侧调节；若判断第二改变后的功率不小于第二改变前的功率，则将当前太阳能电池阵列的输出电压所对应的占空比设定为最大功率点的占空比，并重复执行第二侧调节。

应当说明的是，所述第一改变为通过调节占空比以增加太阳能电池阵列的输出电压，所述第二改变则为通过调节占空比以减小太阳能电池板阵列的输出电压；或所述第一改变为通过调节占空比以减小太阳能电池阵列的输出电压，所述第二改变则为通过调节占空比以增加太阳能电池板阵列的输出电压。

实施本实施例的最大功率点的跟踪方法，由于每隔第一时间就跟踪一次最大功率点，所以即使在光强发生了变化，也能快速的跟踪到最大功率跟踪点的变化，另外，在光强稳定时，可以精确的稳定在最大功率点，因此，具有较好的最大功率点跟踪的稳态性能和动态性能。

图5示出了本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法的实施例二的流程图，在该方法中，第一时间记为t，每隔t时间跟踪一次最大功率点，所述第一时间t大于最大功率点的跟踪时间，且小于光强变化预设幅度的时间，该方法具体包括以下步骤：

步骤S200.判断第一时间是否达到，若是，则转步骤S 201；若否，则重复执行步骤S200；

步骤S201.通过将当前占空比增加第一预设值来减小当前太阳能电池阵列的输出电压；

步骤S202.判断占空比增加第一预设值后所对应的功率是否小于占空比

增加第一预设值前所对应的功率，若是，则转步骤S204；若否，则转步骤S203；

步骤S203.将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并设定第一侧次数为零，然后执行步骤S201；

步骤S 204.将当前第一侧次数加1；

步骤S205.判断当前第一侧次数是否为预设的第一侧次数，若是，则转步骤S206；若否，则转步骤S201；应当说明的是，步骤S 204和步骤S205主要用于防止误判断，避免因误判断而使最大功率点跟踪错误；

步骤S206.通过将当前占空比减小第二预设值来增加当前太阳能电池阵列的输出电压；

步骤S207.判断当前占空比是否小于最大功率点的占空比，若是，则转步骤S208；若否，则转步骤S206；

步骤S208.判断占空比减小第二预设值后所对应的功率是否小于占空比减小第二预设值前所对应的功率，若是，则转步骤S210；若否，则转步骤S209；

步骤S209.将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并设定第二侧次数为零，进行步骤S206；

步骤S210.将当前第二侧次数加1；

步骤S211.判断当前第二侧次数是否为预设的第二侧次数，若是，则转步骤S212；若否，则转步骤S206；同样地，步骤S211和步骤S212主要用于防止误判断，避免因误判断而使最大功率点跟踪错误；

步骤S212.将最大功率点的占空比设定为当前占空比，然后执行步骤S200。

在本实施例的方法中，第一预设值可等于第二预设值，也可以不等于第二预设值。预设的第一侧次数可以等于预设的第二侧次数，也可不等于预设的第二侧次数。实施本实施例的最大功率点的跟踪方法，相比实施例一所示的方法，还可避免因误判断而导致的最大功率点的跟踪错误。

图6是本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法的实施例三的流程图，在该方法中，若第二时间记为T，第一时间记为t，且第二时间为第一时间的整数倍，也即，将T分成若干段，每段的时间为t，且每隔T时间通过全局最大功率点跟踪确定一次最大功率点，每隔t时间跟踪一次最大功率点，所述第一时间大于最大功率点的跟踪时间，且小于光强变化预设幅度的时间。应当说明的是，该方法与图5所示方法的相同步骤请参考上述说明，在此不做赘述，下面仅说明该方法与图5所示方法所不同的地方，相比图5所示的方法，本实施例的方法还包括：

步骤S213.判断第二时间是否达到，若是，则转步骤S 214；若否，则转步骤S200；

步骤S214.通过全局最大功率点跟踪以确定最大功率点的占空比，并将最大功率点的占空比设定为当前占空比，然后执行步骤S200；在通过全局最大功率点跟踪以确定最大功率点的过程中，通过调节占空比改变太阳能电池阵列输出电压，使所述太阳能电池阵列的输出电压在大于蓄电池电压且小于预设上限电压范围内逐渐变化，以找到最大功率点，并将该最大功率点所对应的占空比设定为最大功率点的占空比。另外，预设上限电压的确定可参考标准光强下(STC)时的开路电压，或者参考光强更强温度更低的条件下的开路电压，以该开路电压所对应的最大功率点电压为参考来设定上限电压，同时可保留一定的余量就一定能满足光强低于STC条件而温度远远高于STC温度条件时的电压上限。通过该方法进行全局最大功率点跟踪，可减小全局最大功率跟踪的范围，从而减小功率损失和扰动。

实施本实施例的最大功率点的跟踪方法，将全局最大功率点跟踪和局部最大功率点的跟踪结合了起来，这样相比上述实施例二所示的方法还具有以下效果：即使太阳能电池阵列被局部遮挡或被局部覆盖产生了多个最大功率点，也能通过全局最大功率点跟踪找到真正的最大功率点。

另外，本发明的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法可以和其他在光强较强的时候最大功率跟踪效果较好但光强较弱时最大功率跟踪效果下降的算法结合起来使用，如和增量电导法结合可以解决增量电导法光强低的时候最大功率跟踪效果下降的问题，现有对增量电导法在光强较低的时候最大功率跟踪效果较差的方法是采用开路电压法进行改进，但是开路电压法需要开路检测开路电压这样会造成供电中断和干扰。采用本算法可以不检测开路电压而且光强较低的时候也可以精确的找到最大功率点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法，其特征在于，包括：

A.判断第一时间是否到达，若是，则进行步骤B；若否，则重复执行步骤A，所述第一时间大于最大功率点的跟踪时间，且小于光强变化预设幅度的时间；

B.通过将当前占空比增加第一预设值来减小当前太阳能电池阵列的输出电压，并判断占空比增加第一预设值后所对应的功率是否小于占空比增加第一预设值前所对应的功率，若是，则转步骤D；若否，则转步骤C；

C.将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并设定第一侧次数为零，进行步骤B；

D.将当前第一侧次数加1，并判断当前第一侧次数是否为预设的第一侧次数，若是，则转步骤E；若否，则转步骤B；

E.通过将当前占空比减小第二预设值来增加当前太阳能电池阵列的输出电压，并判断当前占空比是否小于最大功率点的占空比，若是，则转步骤F；若否，则重复执行该步骤；

F.判断占空比减小第二预设值后所对应的功率是否小于占空比减小第二预设值前所对应的功率，若是，则转步骤H；若否，则转步骤G；

G.将当前占空比设定为最大功率点的占空比，并设定第二侧次数为零，进行步骤E；

H.将当前第二侧次数加1，并判断当前第二侧次数是否为预设的第二侧次数，若是，则转步骤I；若否，则转步骤E；

I.将最大功率点的占空比设定为当前占空比，并执行步骤A。

2.根据权利要求1所述的太阳能充电系统的最大功率点的跟踪方法，其特征在于，在步骤A之前还包括：

A0.判断第二时间是否达到，所述第二时间为第一时间的整数倍，若是，则转步骤A1；若否，则转步骤A；

A1.通过全局最大功率点跟踪确定最大功率点的占空比，并将最大功率点的占空比设定为当前占空比，然后执行步骤A。

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