CN102111088A - 一种光伏发电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组串式光伏发电控制系统，包括：系统主控制器和至少两个光伏直流组件；每个光伏直流组件包括太阳电池模块、光伏从控制器和蓄电池模块，光伏从控制器用于跟踪太阳电池模块的最大功率点，并使太阳电池模块输出的直流电压为蓄电池模块充放电，至少两个蓄电池模块组串式连接以输出高压直流电压；系统主控制器包括控制单元和逆变单元，控制单元用于控制逆变单元对高压直流电压进行逆变，并实时监控每个光伏直流组件，且实时切换发生异常的太阳电池模块和/或蓄电池模块。实施本发明的技术方案，多个光伏直流组件组串成高压直流电源，直接进行DC/AC逆变，省去传统的升压变压器，提高了光伏发电系统的能量转换效率。

Description

一种光伏发电控制系统

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，更具体地说，涉及一种光伏发电控制系统。 

背景技术

太阳能取之不尽，用之不竭，是人类的理想能源。早在100多年前，爱因斯坦就发现了光电效应，为人类利用太阳能提供了理论依据。1954年，美国贝尔实验室开发出光电转换效率为4.5％的单晶硅太阳电池，使人类直接利用太阳能发电的梦想成为现实。进入21世纪以来，美国、日本、德国等纷纷制定扶持政策和发展规划，光伏产业呈现出蓬勃发展的局面。光伏产业的发展速度之快，是现代工业中罕有的，甚至超过了以高速发展著称的半导体工业。在不久的未来它将是世界上主要的能源消耗组成部分，足以改变目前以石油和煤炭为主要能源的消费结构。 

但是现有的光伏发电控制系统的效率较低，且结构复杂。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的光伏发电控制系统效率低、结构复杂的缺陷，提供一种效率高、结构简单的光伏发电控制系统。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光伏发电控制系统，包括：系统主控制器和至少两个光伏直流组件；其中， 

每个光伏直流组件包括太阳电池模块、光伏从控制器和蓄电池模块，所述光伏从控制器用于跟踪太阳电池模块的最大功率点，并使所述太阳电池模块输出的直流电压为所述蓄电池模块充放电，所述至少两个光伏直流组件中的蓄电池模块组串式连接以输出高压直流电压； 

系统主控制器包括控制单元和逆变单元，其中，所述控制单元用于控制 逆变单元对所述高压直流电压进行逆变，并实时监控每个光伏直流组件，且实时切换发生异常的太阳电池模块和/或蓄电池模块。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，所述控制单元通过下列方式中的一种实时监控每个光伏直流组件，且实时切除发生异常的太阳电池模块和/或蓄电池模块：RS485总线、RS232总线、RS422总线。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，所述蓄电池模块包括至少两个蓄电池，所述至少两个蓄电池组串式连接。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，所述光伏直流组件还包括蓄电池充放电模块和开关矩阵，所述光伏从控制器通过控制开关矩阵的开关状态来切换发生异常的蓄电池模块；在所述蓄电池模块正常时，所述光伏从控制器通过控制蓄电池充放电模块而使所述太阳电池模块输出的直流电压为所述蓄电池模块充放电。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，所述光伏从控制器采用下列方法中的一种跟踪太阳电池模块最大功率点：恒压跟踪法、扰动观察法、电导增量法、基于最优梯度的电导增量法。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，所述光伏从控制器采用恒压跟踪法和基于最优梯度的电导增量法相结合的方法跟踪太阳电池模块最大功率点。即先采用恒压跟踪法使系统在启动时直接进入最大功率点的附近，然后改用基于最优梯度的电导增量法来进行最大功率点跟踪。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，基于最优梯度的电导增量法的方法为： 

A.采样太阳电池模块输出的当前电压和当前电流； 

B.根据当前电压、当前电流、前一时刻的电压、前一时刻的电流计算当前电压变化量、当前电流变化量、当前电导、当前电导变化量、当前功率变化量，并根据当前功率变化量和当前电压变化量计算当前梯度； 

C.将所述梯度与预设的比例系数相乘以得到一个电压改变值； 

H.判断当前电压变化量的绝对值是否为零，若是，则执行步骤D；若否，则执行步骤I； 

D.判断当前电流变化量的绝对值是否为零，若是，则返回；若否，则执行步骤E； 

E.判断当前电流变化量是否大于零，若是，则执行步骤F；若否，则执行步骤G； 

F.将当前电压加上所述电压改变值，然后返回； 

G.将当前电压减去所述电压改变值，然后返回； 

I.判断当前功率变化量的绝对值是否为零，若是，则返回；若否，则执行步骤J； 

J.判断当前电导变化量是否等于当前电导，若是，则返回；若否，则执行步骤K； 

K.判断当前电导变化量是否大于当前电导，若是，则执行步骤F；若否，则执行步骤G。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，所述光伏发电控制系统还包括交流负载、交流电源和切换装置，所述控制单元通过控制所述切换装置的切换状态使所述逆变单元输出的逆变电压或交流电源为所述交流负载供电。 

在本发明所述的光伏发电控制系统中，所述光伏发电控制系统还包括直流负载，所述蓄电池模块输出的直流电压为所述直流负载供电。 

实施本发明的技术方案，有以下有益效果： 

1.多个光伏直流组件组串成高压直流电源，直接进行DC/AC逆变，省去传统的升压变压器，提高了光伏发电系统的能量转换效率； 

2.系统主控制器与光伏直流组件进行全双工通讯，实现分布式控制； 

3.光伏发电和市电可自动切换，并在线监控系统的实时工作状态； 

4.可由开关矩阵实时切换异常的太阳电池组件和蓄电池组件； 

5.通过恒压法和基于最优梯度的电导增量法实现太阳电池最大输出功率点的高效跟踪。 

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1是本发明光伏发电控制系统第一实施例的结构示意图； 

图2是本发明光伏发电控制系统第一实施例的部分结构示意图； 

图3是本发明蓄电池的电压和电流与时间的曲线图； 

图4是本发明跟踪太阳电池模块最大功率点实施例一的光伏曲线图； 

图5是本发明跟踪太阳电池模块最大功率点实施例二的光伏曲线图。 

图6是本发明跟踪太阳电池模块最大功率点实施例三的流程图。 

具体实施方式

如图1所示，在本发明的光伏发电控制系统第一实施例中，该系统主要包括两个光伏直流组件110、系统主控制器120、RS485总线130、切换装置140、交流电源150、交流负载160和直流负载170。其中，每个光伏直流组件包括太阳电池模块111、光伏从控制器112和蓄电池模块113，光伏从控制器112用于跟踪太阳电池模块111的最大功率点，并使太阳电池模块111输出的直流电压为蓄电池模块113充放电，两个光伏直流组件110中的蓄电池模块113组串式连接(未示出)以输出高压直流电压。系统主控制器120包括控制单元122和逆变单元121，其中，控制单元122用于控制逆变单元121对多个蓄电池模块113组串式连接所输出的高压直流电压进行逆变，并通过RS485总线130与光伏从控制器112连接，用于实时监控每个光伏直流组件110，且实时切换发生异常的太阳电池模块111和/或蓄电池模块113。 

另外，控制单元122通过控制切换装置140的切换状态使逆变单元121输出的逆变电压或交流电源150为交流负载160供电。蓄电池模块113输出的直流电压为直流负载170供电。 

首先应当说明的是，本申请所提及的术语“组串式连接”是串并联连接，串联以增大电压，并联以增大电流。 

另外，还应当说明的是，图1虽然只示出了两个光伏直流组件110，但本发明不仅限于两个，也可为两个以上的其它数量。另外，本发明也不限于连接控制单元122和光伏从控制器112的为RS485总线，也可为RS485总线、RS232总线、RS422总线。 

图2是本发明光伏发电控制系统第一实施例的部分结构示意图，该实施 例中的光伏直流组件110相比实施例一，还包括蓄电池充放电模块115和开关矩阵114，光伏从控制器112通过控制开关矩阵114的开关状态来切换发生异常的蓄电池模块113。在所述蓄电池模块113正常时，光伏从控制器112通过控制蓄电池充放电模块115而使太阳电池模块(未示出)输出的直流电压为蓄电池模块113充放电。蓄电池模块113包括至少两个蓄电池，该至少两个蓄电池组串式连接。 

在该实施例中，当光伏从控制器112在线检测到某一蓄电池组件异常时，通过控制开关矩阵114及时切换相应蓄电池组113，以满足系统直流负载所需，并通过RS485总线130告知系统主控制器120，由其对逆变单元121进行实时调整，以满足系统交流负载所需。 

传统的蓄电池充电多采用恒压或恒流充电等简单策略，充电时间长且效率低。由于不同季节日照强度不同，温度发生变化，蓄电池容易出现欠充现象。为避免蓄电池在欠充状态，将蓄电池组分成容量较小的几个组，通过光伏从控制器120控制开关矩阵114对不同蓄电池模块113进行循环充电，使各组均达到充满状态。以太阳电池模块111提供的电流不超过每组蓄电池最大允许充电电流和每组蓄电池单独对负载放电电流控制在蓄电池厂家推荐容量的放电率为分组原则。为避免充电过程中产生振荡，充电控制电路的传输特性呈滞回形式，放电控制电线则用以控制蓄电池的放电深度，以延长其使用寿命。 

该系统包括涓流、恒流、过压、浮充四个充电阶段，如图3所示，其中，当蓄电池的电压低于所设定门槛电压V_ch时，以电流I_tr进行涓流充电(T0～T1)；当蓄电池电压逐渐升至V_ch时，则以电流I_bulk进行恒流充电(T1～T2)；蓄电池容量快速增加，直到蓄电池电压上升至略高于蓄电池额定电压的恒定电压V_oc，进入过压充电阶段(T2～T3)，充电电流则逐渐减小；当充电电流逐渐减小至I_oct时，蓄电池被充满并进入浮充阶段(T3～)。在此阶段，系统提供一个恒定的带有温度补偿的电压V_f给蓄电池，以维持蓄电池容量保持不变，同时提供很小的浮充电流，以弥补蓄电池自身放电造成的容量损失。当蓄电池由于使用电压下降到V_oc的90％，系统自动进入涓流充电或恒流充电状态。 

图4和图5分别是本发明跟踪太阳电池模块最大功率点实施例一和二的光伏曲线图，为使太阳电池始终工作在最佳输出状态，有效提高光伏发电的效率，需要快速准确地对太阳电池进行最大功率点跟踪(MPPT)。对于太阳电池MPPT的目的就是要在图4和图5所示P-V特性曲线上求出该曲线的最大值。常用的MPPT方法有：恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法(P&O)、电导增量法(IncCond)等。 

恒压法将光伏电池的最大功率输出点看作是针对某一恒定电压输出的，从而大大简化了MPPT的实现，但该方法忽略了温度对光伏电池开路电压的影响，准确性和适应性较差，尤其是不利于使用在早晚和四季温差变化剧烈的地区；扰动观察法通过不断扰动太阳能光伏发电系统的工作点来寻找最大功率点的方向，跟踪方法简单，对传感器精度要求不高，扰动参数少，但其输出功率易在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，存在跟踪步长的设定难以兼顾跟踪精度和响应速度的缺点；电导增量法可使系统在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能，在辐照度和温度变化时，太阳能电池阵列的输出电压能平稳追随环境的变化，且输出电压摆动小。但是，该算法也存在步长的设定难以兼顾跟踪精度和响应速度的情况。最优梯度是以梯度为基础的多维无约束最优化问题的数值计算法。 

图6是本发明跟踪太阳电池模块最大功率点实施例三的流程图。由于太阳电池端电压有界，把梯度法运用到MPPT，所搜寻到的最大功率点必是全域的。为此，本发明还提出了基于最优梯度的电导增量法，通过最优梯度动态改变MPPT的步长，兼顾MPPT的跟踪精度和响应速度，以解决因固定步长设置不当而导致系统工作效率低下等问题，该方法具体包括以下步骤： 

A.采样太阳电池模块输出的当前电压和当前电流； 

B.根据当前电压、当前电流、前一时刻的电压、前一时刻的电流计算当前电压变化量、当前电流变化量、当前电导、当前电导变化量、当前功率变化量，并根据当前功率变化量和当前电压变化量计算当前梯度； 

C.将所述梯度与预设的比例系数相乘以得到一个电压改变值； 

H.判断当前电压变化量的绝对值是否为零，若是，则执行步骤D；若否， 则执行步骤I； 

D.判断当前电流变化量的绝对值是否为零，若是，则返回；若否，则执行步骤E； 

E.判断当前电流变化量是否大于零，若是，则执行步骤F；若否，则执行步骤G； 

F.将当前电压加上所述电压改变值，然后返回； 

G.将当前电压减去所述电压改变值，然后返回； 

I.判断当前功率变化量的绝对值是否为零，若是，则返回；若否，则执行步骤J； 

J.判断当前电导变化量是否等于当前电导，若是，则返回；若否，则执行步骤K； 

K.判断当前电导变化量是否大于当前电导，若是，则执行步骤F；若否，则执行步骤G。 

应当说明的是，在图6中，视|dP_k|＜ε₁、|dU_k|＜ε₂、|dI_k|＜ε₃为dP_k、dU_k、dI_k约等于零的情况。 

在该方法中，设正梯度为g_k，则梯度法之迭代算法可定义为： 

X_k+1＝X_k+a_kg_k    (1) 

其中，a_k为非负常数，搜寻函数的最大值点总是沿着g_k的方向搜寻。 

根据太阳电池电气特性，忽略其串联电阻效应，由式(1)得太阳电池输出功率P和输出电压U之间的关系： 

$P=U(I_{\mathrm{sc}}-I_0{e}^{\frac{\mathrm{qU}}{\mathrm{AKT}}})---\left(2\right)$

P_PV为一阶连续可微非线性函数，且以U_PV作为唯一变量，对其求关于U_PV的梯度： 

$g_k=g_{\left(U_k\right)}=\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{PV}}}{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{PV}}}{|}_{U_{\mathrm{PV}}=U_k}=(I_{\mathrm{sc}}-I_0{e}^{\frac{\mathrm{qU}}{\mathrm{AKT}}}-I_0\frac{\mathrm{qU}}{\mathrm{AKT}}{e}^{\frac{\mathrm{qU}}{\mathrm{AKT}}}){|}_{U=U_k}---\left(3\right)$

由式(1)、(3)得基于最优梯度的电压迭代算式： 

U_k+1＝U_k+a_kg_k        (4) 

在此基础上，设太阳电池最大功率点电压为U_m，由P＝UI得： 

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}=I+U\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}---\left(5\right)$

所以，当dP/dU＞0时，U＜U_m，dI/dU＞-I/U；当dP/dU＜0时，U＞U_m，dI/dU＜-I/U；当dP/dU＝0时，U＝U_m，dI/dU＝-I/U。 

若dU＝0，dI＝0，则找到最大功率点，光伏发电系统的工作点无需调整。如果dU＝0，dI≠0，依据dI的正负调整系统参考电压U_r。若dU≠0，则根据dI/dU与-I/U之间的关系来调整工作点电压，以实现最大功率点跟踪。 

当工作点偏离最大功率点较远时，工作点电压将以较大的幅度变化；当工作点位于最大功率点较近时，工作点电压将以较小的幅度变化；当工作点位于最大功率点左边时，系统将增大工作点电压，相反则减少工作点电压。当工作点距最大功率点很近时，由于斜率非常小，则使工作点在这个非常小的范围内稳定下来并认为是最大功率点。 

太阳电池最大功率点输出电压大约在开路电压U_oc的75％左右，若在系统启动时将太阳电池的输出电压直接设置到U_oc的75％，使工作点从一开始就进入最大功率点附近，即采用CVT启动模式，待进入最大功率点附近后系统自动切换成基于最优梯度的电导增量法进行MPPT控制，则可以有效提高其进入稳态的速度。其中，视|dP_k|＜ε₁、|dU_k|＜ε₂、|dI_k|＜ε₃为dP_k、dU_k、dI_k约等于零的情况。如果满足dP_k＝0，dU_k＝dI_k＝0，或者ΔG＝G，则视太阳电池输出在最大功率点，否则根据ΔG和G的关系来判断工作点是在最大工作点的左侧或是右侧来调整工作点电压。当dU_k等于零而dI_k不等于零时，则根据dI_k是否大于零来判断增加或减少工作点电压以寻找并达到最大功率点。 

以上所述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 (9)

1.一种光伏发电控制系统，其特征在于，包括：系统主控制器和至少两个光伏直流组件；其中，

每个光伏直流组件包括太阳电池模块、光伏从控制器和蓄电池模块，所述光伏从控制器用于跟踪太阳电池模块的最大功率点，并使所述太阳电池模块输出的直流电压为所述蓄电池模块充放电，所述至少两个光伏直流组件中的蓄电池模块组串式连接以输出高压直流电压；

系统主控制器包括控制单元和逆变单元，其中，所述控制单元用于控制逆变单元对所述高压直流电压进行逆变，并实时监控每个光伏直流组件，且实时切换发生异常的太阳电池模块和/或蓄电池模块。

2.根据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述控制单元通过下列方式中的一种实时监控每个光伏直流组件，且实时切除发生异常的太阳电池模块和/或蓄电池模块：RS485总线、RS232总线、RS422总线。

3.根据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述蓄电池模块包括至少两个蓄电池，所述至少两个蓄电池组串式连接。

4.根据权利要求3所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述光伏直流组件还包括蓄电池充放电模块和开关矩阵，所述光伏从控制器通过控制开关矩阵的开关状态来切换发生异常的蓄电池模块；在所述蓄电池模块正常时，所述光伏从控制器通过控制蓄电池充放电模块而使所述太阳电池模块输出的直流电压为所述蓄电池模块充放电。

5.根据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述光伏从控制器采用下列方法中的一种跟踪太阳电池模块最大功率点：恒压跟踪法、扰动观察法、电导增量法、基于最优梯度的电导增量法。

6.根据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述光伏从控制器采用恒压跟踪法和基于最优梯度的电导增量法相结合的方法跟踪太阳电池模块最大功率点。即先采用恒压跟踪法使系统在启动时直接进入最大功率点的附近，然后改用基于最优梯度的电导增量法来进行最大功率点跟踪。

7.根据权利要求6所述的光伏发电控制系统，其特征在于，基于最优梯度的电导增量法的方法为：

A.采样太阳电池模块输出的当前电压和当前电流；

B.根据当前电压、当前电流、前一时刻的电压、前一时刻的电流计算当前电压变化量、当前电压变化量、当前电导、当前电导变化量、当前功率变化量，并根据当前功率变化量和当前电压变化量计算当前梯度；

C.将所述梯度与预设的比例系数相乘以得到一个电压改变值；

H.判断当前电压变化量的绝对值是否为零，若是，则执行步骤D；若否，则执行步骤I；

D.判断当前电流变化量的绝对值是否为零，若是，则返回；若否，则执行步骤E；

E.判断当前电流变化量是否大于零，若是，则执行步骤F；若否，则执行步骤G；

F.将当前电压加上所述电压改变值，然后返回；

G.将当前电压减去所述电压改变值，然后返回；

I.判断当前功率变化量的绝对值是否为零，若是，则返回；若否，则执行步骤J；

J.判断当前电导变化量是否等于当前电导，若是，则返回；若否，则执行步骤K；

K.判断当前电导变化量是否大于当前电导，若是，则执行步骤F；若否，则执行步骤G。

8.根据权利要求1至7任一项所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述光伏发电控制系统还包括交流负载、交流电源和切换装置，所述控制单元通过控制所述切换装置的切换状态使所述逆变单元输出的逆变电压或交流电源为所述交流负载供电。

9.根据权利要求8所述的光伏发电控制系统，其特征在于，所述光伏发电控制系统还包括直流负载，所述蓄电池模块输出的直流电压为所述直流负载供电。

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