CN102315792B - 一种太阳能发电系统的最大功率跟踪装置及跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能发电系统的最大功率跟踪装置及跟踪方法，所述最大功率跟踪装置包括采样模块，驱动模块和控制模块，所述驱动模块分别与所述DC/DC变换器和控制模块电连接，所述采样模块分别与太阳能电池的输出端和控制模块电连接；所述采样模块，用于检测太阳能电池的输出电流和输出电压；所述驱动模块，用于根据控制信号来输出的驱动信号，以调节所述DC/DC变换器的输出功率；所述控制模块，用于根据输出电流、输出电压和电流设定值计算电流目标值，以及根据输出电流和电流目标值调节控制模块输出的控制信号，以使输出电流接近电流目标值。该装置及方法在追踪太阳能最大功率点同时能扩大太阳能电池的输出电压范围。

Description

一种太阳能发电系统的最大功率跟踪装置及跟踪方法

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能发电系统的最大功率跟踪装置及跟踪方法。

背景技术

众所周知，太阳能是一种无污染的新型能源，取之方便，而且也不会对环境造成污染。但是太阳能电池的转换效率低，所以需要进行最大功率跟踪，即MPPT。而且太阳能电池的输出功率还受到日照强度和温度的影响，在一定的日照强度和温度下，太阳能电池输出的最大功率是一定的，因此想要提高太阳能电池的工作效率，就必须控制太阳能电池一直工作在其最大功率点上。另外，由于太阳能电池的最大功率点的输出电压是会低于其开路电压的，因此太阳电池工作在最大功率点时的输出电压范围会受到限制。目前，现有的太阳能发电系统无法在追踪太阳能最大功率点同时又能扩大最大功率点的输出电压范围，从而导致太阳能的资源浪费。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的太阳能发电系统无法在追踪太阳能最大功率点的同时扩大最大功率点的输出电压范围的问题，提供一种在追踪太阳能最大功率点同时能扩大太阳能电池的输出电压范围的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置及跟踪方法。

本发明提供一种太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，所述太阳能发电系统包括太阳能电池，与所述太阳能电池电连接的DC/DC变换器，所述最大功率跟踪装置包括采样模块，驱动模块和控制模块，所述驱动模块分别与所述DC/DC变换器和控制模块电连接，所述采样模块分别与太阳能电池的输出端和控制模块电连接；

所述采样模块，用于检测太阳能电池的输出电流和输出电压；

所述驱动模块，用于根据控制信号来输出的驱动信号，以调节所述DC/DC变换器的输出功率；

所述控制模块，用于根据输出电流、输出电压和电流设定值计算电流目标值，以及根据输出电流和电流目标值调节控制模块输出的控制信号，以使输出电流接近电流目标值。

本发明还提供一种太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，包括以下步骤：

检测太阳能电池的输出电流值和输出电压值；

根据输出电流值、输出电压值和电流设定值计算电流目标值；

根据输出电流值和电流目标值调节控制模块输出的控制信号，以使输出电流值接近电流目标值。

本发明提供的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置及跟踪方法与现有技术相比，根据输出电流、输出电压和电流设定值计算电流目标值，使系统的工作电流趋向于电流目标值，从而使太阳能电池能工作在最大功率点上，同时通过所述DC/DC变换器调节太阳能电池输出电压的大小，从而在追踪太阳能最大功率点同时又能扩大太阳能电池的输出电压范围。

附图说明

图1为本发明太阳能发电系统的最大功率跟踪装置一种实施例的结构框图。

图2为本发明中DC/DC变换器的一种实施例的电路图。

图3为本发明跟踪方法的第一实施例的流程图。

图4为本发明PI 调节一种实施例的流程图。

图5为本发明跟踪方法的第二实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种实施例的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，所述太阳能发电系统包括太阳能电池1，与所述太阳能电池1电连接的DC/DC变换器2，所述最大功率跟踪装置包括采样模块3，驱动模块4和控制模块5，所述驱动模块4分别与所述DC/DC变换器2和控制模块5电连接，所述采样模块3分别与太阳能电池1的输出端和控制模块5电连接；

所述采样模块3，用于检测太阳能电池1的输出电流和输出电压；

所述驱动模块4，用于根据控制信号来输出的驱动信号，以调节所述DC/DC变换器2的输出功率；

所述控制模块5，用于根据输出电流、输出电压和电流设定值计算电流目标值，以及根据输出电流和电流目标值调节控制模块5输出的控制信号，以使输出电流接近电流目标值。

进一步改进，所述控制模块5包括MPPT单元51和比例积分调节单元，比例积分调节单元简称PI单元52，所述MPPT单元51分别与所述PI单元52和采样模块3电连接，所述PI单元52分别与所述采样模块3和驱动模块4电连接；

所述MPPT单元51，用于根据输出电流、输出电压计算输出功率，并根据输出功率和电流设定值改变MPPT单元输出值的大小；

所述PI单元52，用于根据MPPT单元的输出值计算电流目标值，并根据电流目标值和输出电流计算控制信号的占空比，以使输出电流接近电流目标值。

进一步改进，采样模块3包括电压传感器和电流传感器，从而对太阳能电池的输出电压和输出电流进行检测。

进一步改进，DC/DC变换器2为双向DC/DC变换器，所述变换器包括第一正端U1+，第二正端U2+，第一负端U1-和第二负端U2-，通过双向DC/DC变换器可以实现对太阳电池最大功率点的输出电压进行升压和降压，从而扩大最大功率点的电压范围。

如图2所示，本实施例中双向DC/DC变换器的具体电路如下，所述变换器的第一正端U1+分别连接电感L1和第一电容C1的一端，电感L1的另一端分别连接第一开关管T1的漏极连接和第二开关管T2的源极连接，第一开关管T1的源极和第一电容C1的另一端均与第一负端U1-、第二负端U2-连接，第二开关管T2的漏极分别与第二正端U2+和第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端均与第一负端U1-、第二负端U2-连接，第一开关管T1和第二开关管T2的栅极分别与控制模块5的输出端连接，通过控制模块5的控制信号控制第一开关管T1和第二开关管T2的导通时间，而且当第一开关管T1导通时，第二开关管T2断开，而当第二开关管T2导通时，第一开关管T1断开。

进一步改进，当所述变换器的第一正端U1+和第一负端U1-之间连接太阳能电池1，变换器的第二正端U2+和第二负端之间U2-连接负载7时，通过控制第一开关管T1导通，第二开关管T2断开，使所述变换器2对太阳能电池的电压进行升压。当所述变换器的第二正端U2+和第二负端U2-之间连接太阳能电池1，变换器的第一正端U1+和第一负端U1-之间连接负载7时，通过控制第二开关管T2导通，第一开关管T1断开，使所述变换器2对太阳能电池的电压进行降压，从而扩大最大功率点的电压范围。

本发明还提供一种实施例的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，包括以下步骤：

检测太阳能电池的输出电流值和输出电压值；

根据输出电流值、输出电压值和电流设定值计算电流目标值；

根据输出电流值和电流目标值调节控制模块输出的控制信号，以使输出电流值接近电流目标值。

进一步改进，如图3所示，该跟踪方法的第一实施例具体包括以下步骤：

步骤01，设置电流设定值I_△，MPPT单元根据电流设定值分别输出两个数值M₁，M₂；

步骤02，检测当前太阳能电池的输出电流，并根据MPPT单元的第一输出值M₁和输出电流进行第一次PI调节以计算控制信号的占空比，使得输出电流接近第一电流目标值；

步骤03，检测第一次PI调节后太阳能电池的输出电流和输出电压，计算第一次PI调节后太阳能电池的输出功率；

步骤04，检测当前太阳能电池的输出电流，并根据MPPT单元的第二输出值M₂、输出电流以及第一次PI调节后的第一电流目标值进行第二次PI调节以计算控制信号的占空比，使得输出电流接近第二电流目标值；

步骤05，检测第二次PI调节后太阳能电池的输出电流和输出电压，计算第二次PI调节后太阳能电池的输出功率P2；

步骤06，比较第一次PI调节后与第二次PI调节后太阳能电池的输出功率P1、P2，根据比较结果和电流设定值I_△计算MPPT单元的第三输出值M₃的大小；

步骤07，检测当前太阳能电池的输出电流，并根据MPPT单元的第三输出值M₃、输出电流以及第二次PI调节后的第二电流目标值进行第三次PI调节以计算控制信号的占空比，使得输出电流接近第三电流目标值。

进一步改进，当MPPT单元的输出值为正值时，说明MPPT单元进行正向扰动，当MPPT单元的输出值为负值时，说明MPPT单元进行负向扰动，步骤01中，M₁= I_△，M₂=-2 I_△，即M₂=-2 M₁，是为了保证MPPT单元进行正向扰动和负向扰动的幅值是相等的，也就使电流正向变化和负向变化的范围一样大，才能进一部根据太阳能电池输出功率的变化来准确跟踪太阳能电池的最大功率点，当然该跟踪方法也可以先进行负向扰动，在进行正向扰动，那么M₁= -I_△，M₂=2 I_△。

进一步改进，由于太阳能电池的输出电压和输出电流是实时变化，输出电流的实时变化无法准确跟踪一定时间内太能电池的最大功率点，通过扰动可以找到太阳能电池板的最大功率点电流，通过PI调节可以在一定时间内使太阳能电池的输出电流稳流，从而能准确跟踪一定时间内太能电池的最大功率点，即通过调节控制信号的占空比来控制第一开关管T1和第二开关管T2的导通时间，也就是调整太阳能电池1负载的大小，进而来调节太阳能电池输出电流的大小，从而使太阳能电池的输出电流在进行扰动后一定时间内保持稳定。如图4所示，所述PI调节具体包括以下步骤：

步骤001，根据MPPT单元输出值计算电流目标值I_o；

步骤002，根据电流目标值I_o和输出电流I_in，计算PI调节的输入值PI_in，PI_in=I_o-I_in；

步骤003，根据PI调节的输入值PI_in，计算PI比例项PI_per与 PI积分项PI_sum，PI比例项PI_per= PI_in*K_p，PI积分项PI_sum= PI_in*K_i；

步骤004，根据积分项PI_sum与比例项PI_per ，计算PI调节的输出值PI_out，PI_out= PI_in+PI_sum；

步骤005，根据PI_out计算控制信号的占空比。

对于步骤005中，占空比 = PI_out/恒定值K，恒定值K的取值范围为2000-3000，会随着系统电压等级的变化而变化的，同时在计算PIout时，需要限制其范围，不能使它的值大于3000，若计算出来的值大于3000，则将其限制为3000。

进一步改进，由于太阳能电池的最大功率点是不断变换，只有通过不停的扰动，才能使太阳能电池一直工作在最大功率点上，该跟踪方法对正向扰动和负向扰动后太阳输出功率进行比较，当输出的功率变化率较大，则前后两次扰动过程中的功率差值也就越大，因为该差值将被作用于第三步骤的扰动的步长，若前后两次的功率差值越大，则第三次PI调节中电流目标值增加速度变快，实际调节得到的电流值也越大；反之，若扰动前后功率变化变小，则第三次PI调节中电流目标值增加速度变慢，实际调节得到的电流目标值越小。这样就可以在最大功率追踪的前期缩短追踪的时间，而在最大功率追踪的后期增加最大功率追踪的稳定度。而且要输出稳定的最大功率是靠第三个步骤进行的，第一和第二个步骤的作用是扰动，所以扰动的步长定的很小（比如I_△=3A）；在调节初期，很小的扰动能引起很大的功率变化，从而使两次功率差值增大，导致第三个步骤的电流目标值I_o快速增大，表现出来就是功率变化率快速增大；在调节后期，很小的扰动引起的功率变化很小，使得两次功率差值减小，从而使第三个步骤中的电流目标值I_o增长变慢。当两次功率值相等时，那么本次循环中第三个步骤的电流目标值I_o为上一个循环中三个步骤的电流目标值I_o，这样，DC/DC变换器就可以稳定工作在最大功率点了。因此该跟踪方法中的步骤06具体包括以下步骤：

当第一次PI调节后输出功率P1大于第二次PI调节后输出功率P2时，第三输出值M₃=电流设定值I_△+abs(P2- P1)；

当第一次PI调节后输出功率P1等于或小于第二次PI调节后输出功率P2时，第三输出值M₃=电流设定值I_△-abs(P2- P1)。

其中，abs(P2- P1)表示取该差值的绝对值。

如图5所示，本发明还提供该跟踪方法的第二实施例，具体包括以下步骤：

步骤S01，系统初始化；

步骤S02，设定电流设定值I_△；

步骤S03，MPPT单元进行正向扰动，计算MPPT单元进行正向扰动后的输出值M₁，M₁=I_△，系统进入步骤S04；

步骤S04，根据MPPT单元的输出值M₁计算电流目标值I1_o=M₁+ I_o0 ，I_o0为电流目标值的初始值，系统进入步骤S05;

步骤S05，检测当前太阳能电池的输出电流I1_in，系统进入步骤S06；

步骤S06，根据电流目标值I1_o和输出电流I1_in计算PI算法的输入值PI_in，PI_in= I1_o-I1 _in，系统进入步骤S07;

步骤S07，进行PI算法，计算PI比例项PI_per= PI_in*K_p，PI积分项PI_sum= PI_in*K_i，PI_out= PI_in+PI_sum，系统进入步骤S08；

步骤S08，根据PI_out计算并调节控制信号的占空比，使太阳能电池的输出电流趋向于电流目标值I1_o，系统进入步骤S09；

步骤S09，判断时间是否到达第一时间设定值T1，判断结果为否，系统返回步骤S05，判断结果为是，系统进入步骤S10；

步骤S10，记录当前电流目标值的初始值I_o0=I1_o，系统进入步骤S11；

步骤S11，检测当前太阳电池的输出电流I1_in和输出电压U1_in，系统进入步骤S13；

步骤S12，计算并记录当前太阳电池的输出功率P1=I1_in*U1_in，系统进入步骤S13；

步骤S13，MPPT单元进行反向扰动，计算MPPT单元进行反向扰动后的输出值M₂，M₂= - 2 I_△，系统进入步骤S14；

步骤S14，根据MPPT单元的输出值M₂计算电流目标值I2_o= I_o0+M₂ ，系统进入步骤S15;

步骤S15，检测当前太阳电池的输出电流I2 _in，系统进入步骤S16；

步骤S16，根据电流目标值I2_o和输出电流I2 _in计算PI算法的输入值PI_in，PI_in= I2_o- I2 _in，系统进入步骤S17;

步骤S17，进行PI算法，计算PI比例项PI_per= PI_in*K_p，PI积分项PI_sum= PI_in*K_i，PI_out= PI_in+PI_sum，系统进入步骤S18；

步骤S18，根据PI_out计算并调节控制信号的占空比，使太阳能电池的输出电流趋向于电流目标值I2_o，系统进入步骤S19；

步骤S19，判断时间是否到达第二时间设定值T2，判断结果为否，系统返回步骤S15，判断结果为是，系统进入步骤S20；

步骤S20，记录当前电流目标值的初始值I_o0=I2_o，系统进入步骤S22；

步骤S21, 检测当前太阳电池的输出电流I2 _in和输出电压U2 _in，系统进入步骤S23;

步骤S22,计算并记录当前太阳电池的输出功率P2= I2 _in *U2 _in，系统进入步骤S23;

步骤S23,比较功率P2是否大于功率P1，比较结果为是，进入步骤S24，比较结果为否时，进入步骤S25；

步骤S24，计算第三输出值M₃，M₃= I_△-abs(P2- P1)，系统进入步骤S26；

步骤S25，计算第三输出值M₃，M₃= I_△+abs(P2- P1)，系统进入步骤S26；

步骤S26，根据MPPT单元的输出值M₂计算电流目标值I3_o= I_o0+M₃，系统进入步骤S27；

步骤S27，检测当前太阳电池的输出电流I3 _in，系统进入步骤S28；

步骤S28，根据电流目标值I3_o和输出电流I3 _in计算PI算法的输入值PI_in，PI_in= I3_o- I3 _in，系统进入步骤S29;

步骤S29，进行PI算法，计算PI比例项PI_per= PI_in*K_p，PI积分项PI_sum= PI_in*K_i，PI_out= PI_in+PI_sum，系统进入步骤S30；

步骤S30，根据PI_out计算并调节控制信号的占空比，使太阳能电池的输出电流趋向于电流目标值I3_o；

步骤S31，判断时间是否到达第三时间设定值T3，判断结果为否，系统返回步骤S27，判断结果为是，系统进入步骤S32，

步骤S32，记录当前电流目标值的初始值I_o0=I3_o，系统返回步骤S02。

对于上述步骤中，第一时间设定值T1、第二时间设定值T2和第三时间设定值T3为1s，第一时间设定值T1、第二时间设定值T2和第三时间设定值T3的取值是可以改变的，但是取值过小，会增加造成控制模块的运行负担，取值过大，则无法实时调节使太阳能电池一直工作在最大功率点上。

另外上述步骤中，对于电流目标值I_o是进行累加计算的，比如第一次扰动的步骤S04中，I1_o=M₁+ I_o0，即I1_o= I_△+ I_o0，此时I_o0=0，那么I1_o= I_△；

接着第二次扰动的步骤S14中， I2_o= I_o0+M₂，M₂= -2I_△，即I2_o= -2I_△+ I_o0，此时I_o0= I1_o= I_△，那么I2_o= -I_△；

接着第三次扰动的步骤S26中，I3_o= I_o0+M₃，M₃= I_△-abs(P2- P1)或者M₃= I_△+abs(P2- P1) ，即I3_o= I_o0+ I_△-abs(P2- P1) 或者I3_o= I_o0+ I_△+abs(P2- P1)，此时I_o0= I2_o= -I_△，那么I3_o=-abs(P2- P1) 或者I3_o=abs(P2- P1) ，接着进入下一次循环。

对于步骤S07中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，取值范围为本领域技术人员的公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：所述太阳能发电系统包括太阳能电池，与所述太阳能电池电连接的DC/DC变换器，最大功率跟踪装置包括采样模块，驱动模块和控制模块，所述驱动模块分别与所述DC/DC变换器和控制模块电连接，所述采样模块分别与太阳能电池的输出端和控制模块电连接，所述DC/DC变换器为双向DC/DC变换器，所述变换器包括第一正端，第二正端，第一负端和第二负端；当所述DC/DC变换器的第一正端和第一负端之间连接太阳能电池，DC/DC变换器的第二正端和第二负端之间连接负载时，控制模块通过控制DC/DC变换器实现对太阳能电池的电压进行升压；当所述DC/DC变换器的第二正端和第二负端之间连接太阳能电池，DC/DC变换器的第一正端和第一负端之间连接负载时，控制模块通过控制DC/DC变换器实现对太阳能电池的电压进行降压；其中最大功率跟踪方法包括以下步骤：

检测太阳能电池的输出电流值和输出电压值；

根据输出电流值、输出电压值和电流设定值计算电流目标值；

根据输出电流值和电流目标值调节控制模块输出的控制信号，以使输出电流值接近电流目标值，

控制模块包括MPPT单元和PI单元，具体包括以下步骤：

步骤01，设置电流设定值I_△，MPPT单元根据电流设定值分别输出两个数值M₁，M₂；

步骤02，检测当前太阳能电池的输出电流，并根据MPPT单元的第一输出值M₁和输出电流进行第一次PI调节以计算控制信号的占空比，使得输出电流接近第一电流目标值；

步骤03，检测第一次PI调节后太阳能电池的输出电流和输出电压，计算第一次PI调节后太阳能电池的输出功率；

步骤04，检测当前太阳能电池的输出电流，并根据MPPT单元的第二输出值M₂、输出电流以及第一次PI调节后的第一电流目标值进行第二次PI调节以计算控制信号的占空比，使得输出电流接近第二电流目标值；

步骤05，检测第二次PI调节后太阳能电池的输出电流和输出电压，计算第二次PI调节后太阳能电池的输出功率P2；

步骤06，比较第一次PI调节后与第二次PI调节后太阳能电池的输出功率P1、P2，根据比较结果和电流设定值I_△计算MPPT单元的第三输出值M₃的大小；

步骤07，检测当前太阳能电池的输出电流，并根据MPPT单元的第三输出值M₃、输出电流以及第二次PI调节后的第二电流目标值进行第三次PI调节以计算控制信号的占空比，使得输出电流接近第三电流目标值。

2.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：步骤01中，M₁= I_△，M₂=-2 I_△。

3.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：所述PI调节具体包括以下步骤：

步骤001，根据MPPT单元输出值计算电流目标值I_o；

步骤002，根据电流目标值I_o和输出电流I_in，计算PI调节的输入值PI_in，PI_in=I_o-I_in；

步骤003，根据PI调节的输入值PI_in，计算PI比例项PI_per与 PI积分项PI_sum，PI比例项PI_per= PI_in*K_p，PI积分项PI_sum= PI_in*K_i；

步骤004，根据积分项PI_sum与比例项PI_per ，计算PI调节的输出值PI_out，PI_out= PI_in+PI_sum；

步骤005，根据PI_out计算控制信号的占空比。

4.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其特征在于：步骤06具体包括以下步骤：

当第一次PI调节后输出功率P1大于第二次PI调节后输出功率P2时，第三输出值M₃=电流设定值I_△+abs(P2- P1)；

当第一次PI调节后输出功率P1等于或小于第二次PI调节后输出功率P2时，第三输出值M₃=电流设定值I_△-abs(P2- P1)。