CN102347710B

CN102347710B - 光伏发电系统的最大功率点跟踪系统及方法

Info

Publication number: CN102347710B
Application number: CN2010102428275A
Authority: CN
Inventors: 陈健
Original assignee: SICHUAN DEYUAN ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: SICHUAN DEYUAN ELECTRICAL CO Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN102347710A

Abstract

本申请公开了一种光伏发电系统最大功率点跟踪系统及方法，该系统包括：内阻传感器，为光伏发电系统的直流主回路中提供交流信号，同时能够获取并比较太阳能电池板的等效输出阻抗和MPPT控制器的等效输入阻抗上与所述交流信号同频率的交流响应信号，得到比较结果；调节MPPT控制器的输出脉冲占空比，直到比较结果为0。由全电路欧姆定律可知，当等效负载的阻抗值和电源内阻相等时，等效负载得到的电源输出功率最大，即达到最大功率点。该方法能够实时检测系统最大功率点，并准确、快速地跟踪最大功率点的变化，从而消除了振荡调整太阳能电池板的输出电压值及电流值，搜索变化的最大功率点而导致的功率损耗，提高了光伏发电系统的输出效率。

Description

光伏发电系统的最大功率点跟踪系统及方法

技术领域

本申请涉及光伏发电技术领域，特别是涉及一种光伏发电系统的最大功率点跟踪系统及方法。

背景技术

太阳能电池板受光照、温度等的影响，输出的功率也时刻变化，最大功率点跟踪是指MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率跟踪）控制器能够实时检测太阳能电池板的输出电压值及电流值，并调整光伏发电系统的输出功率，即改变负载阻抗进而改变系统的电压值和电流值，使该系统实际输出功率尽量接近当前的理论最大输出功率，从而以最高效率对负载供电。

现有技术中的最大功率跟踪系统至少包括：太阳能电池板和MPPT控制器，其中，所述MPPT控制器主要通过负载变换器或蓄电池充电控制器实现。所述负载变换器包括：用于将太阳能电池板输出的电压值和电流值调整到系统允许的范围内的DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流/直流）变换器和/或DC/AC（Direct Current/Alternate Current,直流/交流）变换器。图1所示为现有技术一种最大功率点跟踪系统的简化等效电路示意图，所述太阳能电池板及所述DC/DC变换器构成光伏发电系统的直流主回路。所述太阳能电池板可以看成内阻r与电压源V串联，该内阻r即太阳能电池板等效输出阻抗，随光照、温度的变化而时刻变化。等效负载R为MPPT控制器的等效输入阻抗，此处即DC/DC变换器的等效输入阻抗。调整DC/DC变换器的输出脉冲占空比即可改变等效负载R的阻抗值。

具体地，最大功率跟踪系统的工作过程是：MPPT控制器实时检测太阳能电池板的输出电压值、电流值，并计算此时系统的输出功率，然后调节其输出脉冲的占空比，即改变了等效负载的阻抗值，观察太阳能电池板输出功率的变化趋势，直到找到光伏发电系统的最大输出功率点，也即等效负载得到的功率最大。不断重复上述过程，保证光伏发电系统始终跟踪时刻变化的最大输出功率点。

通过对现有技术的研究，发明人发现：由于太阳能电池板的最大输出功率受光照、温度的影响时刻发生变化，现有最大功率点跟踪方法必须不断来回调整太阳能电池板的输出电压值及电流值，搜索时刻变化的最大功率点，无法及时跟踪最大功率点的变化，从而导致一定的功率损失，降低了系统输出功率的利用效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法及装置，以解决光伏发电系统的输出功率利用率低的问题，技术方案如下：

一种光伏发电系统最大功率点跟踪系统，包括：太阳能电池板、最大功率跟踪控制器及内阻传感器，其中：

所述内阻传感器包括：

交流信号源，所述交流信号源的两输入端分别与太阳能电池板的正极性输出端和最大功率跟踪控制器的正极性输入端相连接；或者，所述交流信号源的两端分别与太阳能电池板的负极性输出端和最大功率跟踪控制器的负极性输入端连接；

与所述交流信号源的一输入端相连接的、获取太阳能电池板的等效输出阻抗上的与所述交流信号源同频率的交流响应信号第一获取单元；

与所述交流信号源的另一输入端相连接的、获取最大功率跟踪控制器的等效输入阻抗上的与所述交流信号源同频率的交流响应信号的第二获取单元；

两输入端分别与所述第一获取单元及第二获取单元相连接、用于比较获取得到的两个交流响应信号的比较单元，其输出端与所述最大功率跟踪控制器的控制输入端相连接；

所述最大功率跟踪控制器根据接收到的所述内阻传感器得到的比较结果调节其输出脉冲占空比，直至所述比较结果为0。

优选地，所述内阻传感器还包括：

与所述交流信号源相串接的直流电流取样电阻；

两输入端分别与所述直流取样电阻的两端相连接的放大单元，其输出端与所述最大功率跟踪控制器的直流电流输入端相连接。

优选地，通过互感耦合、电容耦合或直流电压源叠加交流电压源的方式得到交流信号源。

一种光伏发电系统最大功率点跟踪方法，包括：

在光伏发电系统的直流主回路中引入交流信号；

分别获取太阳能电池板的等效输出阻抗上和最大功率跟踪控制器的等效输入阻抗上、与所述交流信号同频率的交流响应信号；

比较两个交流响应信号，得到比较结果；

调节所述最大功率跟踪控制器的等效输入阻抗的阻抗值，直到所述比较结果为0。

优选地，通过互感耦合方式或电容耦合方式引入交流信号。

优选地，所述交流响应信号为交流电压响应信号。

优选地，通过直流电压源叠加交流电压源引入交流信号。

优选地，所述交流响应信号为交流电流响应信号。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，内阻传感器为光伏发电系统的直流回路中提供交流信号源，且能够获取并比较太阳能电池板的等效输出阻抗上及MPPT控制器的等效输入阻抗上的与所述交流信号源同频率的交流响应信号，得到正比于上述两阻抗之差的比较结果。根据该比较结果调节MPPT控制器输出脉冲占空比，即改变了MPPT控制器的等效输入阻抗，直到所述比较结果为0。由全电路欧姆定律可知，当MPPT控制器的等效阻抗（相当于等效负载）的阻抗值和太阳能电池板等效输出阻抗（相当于电源内阻）的阻抗值相等时，太阳能电池板的输出功率最大，等效负载得到的功率也最大，也即太阳能电池板的输出效率最大。由于本申请实施例提供的最大功率点跟踪系统，根据太阳能电池板等效输出阻抗及等效负载的等效阻抗之间的差值确定系统的最大功率点，因此，能够实时检测系统最大功率点，并准确、快速地跟踪最大功率点的变化，从而消除了振荡调整太阳能电池板的输出电压值及电流值，搜索变化的最大功率点而导致的功率损耗，提高了光伏发电系统的输出效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中最大功率点跟踪系统的直流等效电路原理图；

图2为本申请实施例一种最大功率点跟踪系统的交流等效电路原理图；

图3为本申请实施例一种最大功率点跟踪系统的电路原理图；

图4为本申请实施例的内阻传感器的结构示意图；

图5为本申请实施例的获取单元的结构示意图；

图6为本申请实施例一种最大功率点跟踪方法的流程示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的光伏发电系统的最大功率点跟踪系统及方法，在所述光伏发电系统的直流回路中引入了交流信号源，获取并比较太阳能电池板的等效输出阻抗及太阳能电池板的等效负载上的同频率交流响应，得到的比较结果正比于太阳能电池板的等效输出阻抗和所述等效负载阻抗之差，根据全电路欧姆定律可知，等效负载的阻抗与电源内阻阻抗值相等时，电源的输出功率最大，因此，调节等效负载直到太阳能电池板的等效输出阻抗和所述等效负载阻抗之差为0，此时，光伏发电系统输送至等效负载上的功率最大。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图2，示出了本申请实施例提供的光伏发电系统的交流等效电路图，太阳能电池板的等效输出阻抗为r，引入的交流信号源等效为交流电流源Iac，DC/DC变换器等效为可调负载电阻R。

参见图3-5，本申请还提供一种最大功率点跟踪系统的一种具体实例，该系统可以包括：

太阳能电池板，可以将太阳能转换成直流电能。

MPPT控制器401，调整该MPPT控制器的输出脉冲占空比，即可改变其等效输入阻抗，从而调整了太阳能发电系统的输出功率，该MPPT控制器可以等效为图2中所示的等效负载R。

具体地，所述MPPT控制器可以通过负载变换器或充电控制器实现，所述充电控制器用于将太阳能电池板的输出电压电流值转换成蓄电池负载所允许范围内的值，由于充电控制器的工作过程及原理，属于本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。

所述负载变换器可以是DC/DC变换器和或DC/AC变换器，当所述光伏发电系统输出功率较小且不需要并网运行时，直接应用DC/AC变换器将太阳能电池板输出的直流电转换成交流电提供给负载即可；当所述光伏发电系统输出功率较大需并网运行时，首先用DC/DC变换器调整太阳能电池板输出的电压值，再经过DC/AC变换器将调整后的直流电转换成交流电与其它电网并网运行。无论是DC/AC变换器还是DC/DC变换器，从太阳能电池板一侧看，都可以看成等效负载R，因此本申请仅以DC/DC变换器为例进行说明，但这并不限制本申请的公开和保护范围。

内阻传感器402，内部设置有交流信号源，可以为光伏发电系统的主回路引入交流信号。

内阻传感器402，获取并比较太阳能电池板等效输出阻抗及MPPT控制器的等效输入阻抗上的与该交流信号源同频率交流响应信号，从而得到正比于太阳能电池板等效输出阻抗及MPPT控制器等效输入阻抗之差的比较结果，同时，将该比较结果反馈给MPPT控制器401，该MPPT控制器根据反馈回来的阻抗比较结果调节MPPT控制器等效输入阻抗，直到所述比较结果为0，此时，光伏发电系统输出的功率最大，提高了光伏发电系统的输出效率。

其中，内阻传感器402具体包括：

交流信号源501，该交流信号源的一端即管脚5与太阳能电池板的正极性端连接，另一端即管脚6与MPPT控制器401的正极性输入端连接。或者，内阻传感器的管脚5与太阳能电池板的负极性端连接，管脚6与MPPT控制器401的负极性输入端连接。

可以通过互感方式得到交流信号源501，具体地，可以由交流信号源和变压器得到交流信号源501，其中，变压器的原边线圈接交流信号源或叠加在直流电压上的交流信号，变压器的副边线圈串接在所述太阳能电池板及MPPT控制器401的之间，为主回路提供交流信号。

分别与交流信号源501的两端相连接的第一获取单元502、第二获取单元503，所述第一、第二获取单元分别用于获取太阳能电池板上的交流响应信号，及MPPT控制器401上的交流响应信号。

具体地，所述第一获取单元502可以获取太阳能电池板上的交流电压信号，即图2中的等效电源内阻r上的交流电压信号Voa=Iac×r；所述第二获取单元503可以获取MPPT控制器上的交流电压信号，即图2中等效负载阻抗R上的交流电压信号Vbo=Iac×R。

其中，所述第一获取单元502与所述第二获取单元503可以通过带通滤波模块601及放大模块602构成，所述带通滤波模块601用于阻隔与交流响应信号不同性质的其他信号，所述放大模块602用于放大获取得到的交流电压信号，且两个获取单元中的放大模块的放大倍数相同。

两输入端分别与第一获取单元502及第二获取单元503相连接的比较单元504，其输出端与所述MPPT控制器的控制输入端相连接，用于比较获取得到的两个交流响应信号，得到比较结果。

具体地，比较单元504可以通过比较器实现，得到的比较结果正比于太阳能电池板等效输出阻抗及MPPT控制器401的等效输入阻抗之间的差值，其中，当第一获取单元502连接在比较单元504的同相输入端，第二获取单元503连接在比较单元504的反向输入端时，且如果第一获取单元502的结果大于第二获取单元503的结果时，所述比较单元504的比较结果为正；否则，比较结果为负；当第一获取单元502连接在比较单元504的反相输入端，第二获取单元503连接在比较单元504的同相输入端时，且如果第一获取单元502的结果大于第二获取单元503的结果时，所述比较单元504的比较结果为负；否则，比较结果为正。

MPPT控制器401，根据其控制输入端接收到的所述比较结果调节其输出脉冲的占空比，直到所述比较结果为0。

具体实施时，MPPT控制器401主要由控制单元、DC/DC变换器构成，其中，控制单元以太阳能电池板等效输出阻抗及该MPPT控制器的等效输入阻抗之间的差值为控制输入信号，当比较结果表明该MPPT控制器的等效输入阻抗大于太阳能电池板的等效输出阻抗时，调节该MPPT控制器使其输出脉冲的占空比变大，直到所述比较结果为0，输出脉冲的占空比变大，则输出功率变大，相当于阻抗减小；当比较结果表明该MPPT控制器的等效输入阻抗小于太阳能电池板的等效输出阻抗时，调节该MPPT控制器使其输出脉冲的占空比变小，直到所述比较结果为0。而且，所述控制单元可以通过经典的PID控制或PI控制实现，属于本领域技术人员公知常识，此处不再赘述。

改变MPPT控制器401的占空比，即改变了MPPT控制器401的等效输入阻抗值，由全电路欧姆定律可知，当等效负载阻抗R与等效电源内阻r之差为0时，所述光伏发电系统的输出功率最大，可以使系统输出功率点准确快速地跟踪最大功率点。

本申请实施例提供的最大功率点跟踪系统，内阻传感器为光伏发电系统的直流回路中引入交流信号源，且能够获取并比较所述太阳能电池板等效输出阻抗及等效负载上的与所述交流信号源同频率的交流响应信号，得到的比较结果正比于太阳能电池板等效输出阻抗及等效负载阻抗的差值。调节MPPT控制器输出脉冲占空比（即调节MPPT控制器的等效输入阻抗），直到所述比较结果为0，由全电路欧姆定律可知，当MPPT控制器等效输入阻抗（相当于等效负载）的阻值和太阳能电池板等效输出阻抗（相当于电源内阻）的阻值相等时，太阳能电池板输出的功率最大，等效负载得到功率最大。由于本申请实施例提供的最大功率点跟踪系统，根据太阳能电池板等效输出阻抗及MPPT控制器等效输入阻抗之间的差值确定光伏发电系统的最大功率点，能够实时检测系统最大功率点，并准确、快速跟踪最大功率点；无需周期性调整太阳能电池板的输出电压值及电流值，搜索变化的最大功率点，从而提高了光伏发电系统的输出效率。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中的交流信号源501还可以通过电容耦合方式或直流电压源叠加交流电压源的方式得到，由于电容耦合方式和直流电压源叠加交流电压源得到交流信号的方式均属于本领域技术人员公知常识，此处不再赘述。当所述交流信号通过互感耦合方式或电容耦合方式引入，则第一、第二获取单元，获取太阳能电池板的等效输出阻抗和MPPT控制器的等效输入阻抗上的同频率的交流电压信号；当所述交流信号通过直流电压源上叠加交流电压源的方式引入，则可以获取太阳能电池板的等效输出阻抗和MPPT控制器的等效输入阻抗上的同频率的交流电流信号。

此外，需要说明的是，为了实现MPPT控制器的功率计算的功能，以便直观地观察光伏太阳能电池板的输出功率值，在本申请的上述实施例中还包括：串接在所述内阻传感器的交流电源与所述MPPT控制器之间的分流电阻R₂，以及两输入端分别与分流电阻R₂的两端相连接的光耦电流传感器，所述光耦电流传感器的输出端分别与所述内阻传感器的直流电流采样端即管脚2，以及MPPT控制器的直流电流输入端相连接，光耦电流传感器将直流主回路中的分流电阻R₂的直流电压转换为直流电流提供给所述MPPT控制器和所述内阻传感器，所述MPPT控制器根据接收到的所述直流电流值及直流电压值计算得到太阳能电池板的输出功率，以便清楚地知道此时太阳能电池板的输出功率。所述内阻传感器利用所述直流电流，可以消除交流信号源中的直流偏磁，防止磁饱和。

另外，上述所有实施例中的分流电阻和光耦电流传感器还可以由霍尔传感器代替，同样可以得到直流主回路中的直流电流值，并提供给所述MPPT控制器及所述内阻传感器。

为实现MPPT控制器的功率计算功能，优选地，图3-5对应的实施例提供的光伏发电系统最大功率点跟踪系统中，变压器的副边一端还串接有电流取样电阻R₁，该电流取样电阻R₁两端分别与放大单元505的两输入端相连，该放大单元的输出端结果与MPPT控制器相连接其输出结果正比于电流取样电阻R₁两端的电压差，通过计算可以得到直流主回路中的电流值，MPPT控制器根据该直流电流值及主回路中的电压值计算出太阳能电池板的输出功率，进而满足MPPT控制器的其他功能；同时，当交流电压源是通过直流电压源叠加交流电压源的方式得到时，根据该放大单元的输出结果，可以调节变压器原边线圈连接的叠加交流信号源的直流电压值，用以抵消变压器副边线圈中直流电流产生的直流偏磁，防止磁饱和。

下面将对本申请实施例的最大功率点跟踪方法进行说明，在光伏发电系统的直流回路中引入交流信号后，参见图2和图6，本申请实施例提供的最大功率点跟踪方法包括：

S101，在该系统的直流主回路中引入交流信号。

S102，分别获取太阳能电池板的等效输出阻抗和MPPT控制器的等效输入阻抗上的与所述交流信号同频率的交流响应信号。

本申请以太阳能电池板的等效输出阻抗和MPPT控制器的等效输入阻抗上的同频率的交流电压信号为例进行说明，具体地，参见图2，调整Iac的大小，使Dj和Dg处于截止状态，可以获取所述太阳能电池板的等效输出阻抗r上的交流电压即Voa=Iac×r；所述DC/DC变换器等效输入阻抗R上的交流电压信号Vbo=Iac×R，且Voa和Vbo同相。

本领域技术人员可以理解，当交流信号源通过互感耦合或电容耦合方式得到时，应该获取太阳能电池板的等效输出阻抗和MPPT控制器的等效输入阻抗上的与所述交流信号同频率的交流电压响应信号；当交流信号源通过直流电压源叠加交流电压源的方式得到时，应该获取太阳能电池板的等效输出阻抗和MPPT控制器的等效输入阻抗上的与所述交流信号同频率的交流电流响应信号。

S103，比较上述两个交流响应信号，得到比较结果。

S104，调节MPPT控制器输出脉冲的占空比，直到所述比较结果为0。

具体地，MPPT控制器根据反馈回来的比较结果，调节其输出脉冲的占空比，相当于调节MPPT控制器的等效输入阻抗R的大小，根据全电路欧姆定律可知，当MPPT控制器等效输入阻抗R（相当于等效负载）的阻值和太阳能电池板等效输出阻抗r（相当于电源内阻）的阻值相等时，电源的输出功率最大，等效负载得到的功率最大，也即光伏发电系统的输出效率最大。

本领域技术人员可以理解：

当等效负载为实际负载时，上述步骤S104中，具体的调节过程是直接调节所述实际负载，直到所述可调实际负载的阻抗值与太阳能电池板的等效输出阻抗值的比较结果为0。

当等效负载为负载变换器或充电控制器时，上述步骤S104中，具体的调节过程是调节MPPT控制器的等效输入阻抗值，直到MPPT控制器的等效输入阻抗值与太阳能电池板的等效输出阻抗值的比较结果为0。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种光伏发电系统最大功率点跟踪系统，其特征在于，包括：太阳能电池板、最大功率跟踪控制器及内阻传感器，其中：

所述内阻传感器包括：

交流信号源，所述交流信号源的两输出端分别与太阳能电池板的正极性输出端和最大功率跟踪控制器的正极性输入端相连接；或者，所述交流信号源的两端分别与太阳能电池板的负极性输出端和最大功率跟踪控制器的负极性输入端连接；

与所述交流信号源的一输入端相连接的、获取太阳能电池板的等效输出阻抗上的与所述交流信号源同频率的交流响应信号的第一获取单元；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内阻传感器还包括：

与所述交流信号源的输入端相串联的直流电流取样电阻；

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交流信号源为通过互感耦合、电容耦合或直流电压源叠加交流电压源的方式得到的交流信号源。

4.一种光伏发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于，包括：

在光伏发电系统的直流主回路中引入交流信号；

比较两个交流响应信号，得到比较结果；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过互感耦合方式或电容耦合方式引入交流信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述交流响应信号为交流电压响应信号。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：通过直流电压源叠加交流电压源引入交流信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述交流响应信号为交流电流响应信号。