CN102570828A - 产生用于跟踪最大功率点的电流命令值的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
提供了一种产生用于跟踪最大功率点的电流命令值的方法和设备。所述设备包括:电压检测器,检测输入到回扫变流器的电压;第一计算器,从检测的输入的电压计算输出功率;第二计算器,基于计算的输出功率计算功率变换和输入的电压的电压变化;以及电流命令值产生器,从计算的电压变化和计算的功率变化产生用于跟踪太阳能电池模块的最大功率点的电流命令值。因此,可不利用电流检测器而仅利用电压检测器,在计算输出功率之后产生电流命令值,从而通过降低高价格电流检测器的成本来降低太阳能发电系统的成本并能够简化电路。
Description
本申请要求于2010年12月21日提交到韩国知识产权局的第10-2010-0131617号韩国专利申请的优先权,其公开通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电系统,更具体地讲,涉及一种在太阳能发电系统中产生用于跟踪最大功率点的电流命令值的方法和设备。
背景技术
一般来讲,太阳能发电系统是使用太阳能电池来将光能转换为电能的系统。图1示出包括回扫转换器(flyback converter)的太阳能发电系统的一般布局。参照图1,诸如回扫转换器的变流器(power converter)20连接到太阳能电池模块10,电网30连接到变流器20的输出端。
对于在这种太阳能发电系统中采用的太阳能电池10,如图2A和图2B所示,根据可用太阳辐射量和周围温度,产生的最大功率的量及其产生条件变化。即,如图2A所示,太阳能电池模块10的最大功率点11随着可用太阳辐射量的增加而增加,而随着周围温度的增加而减小。因此,诸如回扫转换器的变流器20应被设计为即使环境条件变化也一直输出功率的最大可用量。
另外,为了跟踪太阳能电池模块10的最大功率点,现有技术的太阳能发电系统的变流器20除了用于检测太阳能电池模块10的电压的电压检测器之外,还需要用于从太阳能电池模块10检测电流的单独的电流检测器。这导致太阳能发电系统的整体费用和太阳能发电系统电路的复杂度增加。
发明内容
本发明的一方面提供了一种能够降低太阳能发电系统的成本并简化电路的产生用于跟踪太阳能发电系统的最大功率点的电流命令值的方法和设备。
根据本发明的一方面,提供了一种用于产生用于跟踪太阳能发电系统的最大功率点的电流命令值的设备,所述太阳能发电系统包括太阳能电池模块和用于从太阳能电池模块接收电压以将接收的电压输出为电网电压的回扫变流器,所述设备包括:电压检测器,检测输入到回扫变流器的电压;第一计算器,从检测的输入电压计算输出功率;第二计算器,基于计算的输出功率计算功率变化和输入电压的电压变化;以及,电流命令值产生器,从计算的电压变化和计算的功率变化产生用于跟踪太阳能电池模块的最大功率点的电流命令值。
电流命令值产生器可从计算的电压变化和计算的功率变化确定在太阳能电池模块的最大功率点曲线上的操作点的位置,并基于确定的操作点产生用于跟踪最大功率点的电流命令值。
当电压变化和功率变化二者具有正值时,电流命令值产生器可确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的左侧,并且当电压变化和功率变化二者中的一个具有负值时,电流命令值产生器可确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的右侧。
当操作点存在于最大功率点的左侧时,电流命令值产生器可通过从现有电流命令值减去预定值来产生电流命令值,并且当操作点存在位于最大功率点的右侧时,电流命令值产生器可通过将预定值和现有电流命令值相加来产生电流命令值。
第一计算器可使用以下的等式来计算输出功率:
其中,VG表示连接到回扫变流器的输出端的电网中的电网电压的最大值,VPV表示输入电压的最大值,Lm表示包括在回扫变流器中的变压器的磁化电感,fmin表示最小切换频率,ω表示切换频率,Lf表示回扫变流器的输出电感,Cf表示回扫变流器的输出电容,n表示包括在回扫变流器中的变压器的匝数比。
根据本发明的另一方面,提供了一种产生用于跟踪太阳能发电系统的最大功率点的电流命令值的方法,所述太阳能发电系统包括太阳能电池模块和用于从太阳能电池模块接收电压以将接收的电压输出为电网电压的回扫变流器,所述方法包括如下步骤:检测输入到回扫变流器的电压;从检测的输入电压计算输出功率;基于计算的输出功率计算功率变化和输入电压的电压变化;以及从计算的电压变化和计算的功率变化产生用于跟踪太阳能电池模块的最大功率点的电流命令值。
产生电流命令值的步骤可包括:从计算的电压变化和计算的功率变化确定在太阳能电池模块的最大功率点曲线上的操作点的位置;以及基于确定的操作点产生用于跟踪最大功率点的电流命令值。
确定操作点的位置的步骤可包括:当电压变化和功率变化二者具有正值时,确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的左侧,并且当电压变化和功率变化二者中的一个具有负值时,确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的右侧。
产生电流命令值的步骤可包括:当操作点存在于最大功率点的左侧时,通过从现有电流命令值减去预定值来产生电流命令值,并且当操作点存在于最大功率点的右侧时,通过将预定值和现有电流命令值相加来产生电流命令值。
可通过以下的等式来执行输出功率的计算:
其中,VG表示连接到回扫变流器的输出端的电网中的电网电压的最大值,VPV表示输入电压的最大值,Lm表示包括在回扫变流器中的变压器的磁化电感,fmin表示最小切换频率,ω表示切换频率,Lf表示回扫变流器的输出电感,Cf表示回扫变流器的输出电容,n表示包括在回扫变流器中的变压器的匝数比。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述,将更清楚地理解本发明的上述和其它方面、特征和其它优点,其中:
图1示出包括回扫变流器的太阳能发电系统的一般布局;
图2A和图2B示出在太阳能发电系统中使用的太阳能电池模块的最大功率点的变化特性;
图3是根据本发明的一个实施例的包括电流命令值产生器的太阳能发电系统的框图;
图4示出根据本发明的实施例的通过产生的电流命令值控制的回扫变流器的主要部件的波形;
图5是用于示出根据本发明的实施例的产生电流命令值的方法的流程图。
具体实施方式
现在参照附图详细描述本发明的示例性实施例,使得本发明所属技术领域的技术人员可容易地实施本发明。但是,在本发明的示例性实施例的描述中,将省略公知功能或结构的详细描述,从而防止在不必要的细节上混淆本发明的描述。
另外,贯穿附图,相同标号表示相同元件。
图3是根据本发明的实施例的包括电流命令值产生器360的太阳能发电系统的框图。太阳能发电系统可包括回扫变流器(flyback power converter)A、电流命令值产生器360、电网相位检测器370和PWM产生器380。
首先,在参照图3的回扫变流器A中,回扫变流器A可包括输入电容器组310、主开关组330、高频变压器320、线开关组340和输出滤波器350。
为了通过去除电压纹波来将输入电压平滑为近似的直流,可通过并联连接多个电容器来设置回扫变流器A的输入电容器组310。
回扫变流器A的主开关组330可包括主开关Qm和用于对主开关Qm的电压进行稳压的缓冲器331。主开关Qm通过高频切换(几十kHz至几百khz)将从太阳能电池模块输入的DC输出转换为AC形式,然后将转换的输出传输到变压器220的二次侧。可以以多种形式设置缓冲器331,例如,图3中示出了最常用的RC缓冲器。RC缓冲器331可包括缓冲电阻器R和缓冲电容器C。可根据缓冲电容器C的电容确定主开关Qm的额定电压。缓冲电阻器R可在缓冲电容器R的放电时间限制电流。
回扫变流器A的高频变压器320可包括三个绕组。一次侧连接在输入电容器组310的(+)端与主开关组330之间。可以以中心抽头形式构成二次侧。在二次侧中,中心抽头连接到电网的中性点(neutral point)(参照图1的30),除中心抽头之外的绕组线可连接到线开关组340。
回扫变流器A的线开关组340与电网(参照图1的30)的频率同步地进行切换,并控制电流的方向,使得回扫变流器A的输出电流具有与电网电压相同的相位。线开关组340可包括两个开关Qp和Qn以及两个二极管D1和D2。通过在电网电压的正半周期期间电导通正向AC开关Qp并断开反向AC开关Qn,通过主开关Qm的切换经过变压器320传输的电流iQP经过正向AC开关Qp和正向二极管Dp流到输出侧。通过在电网电压的负半周期期间电导通反向AC开关Qn并断开正向AC开关Qp,来改变电流iQn的方向。
回扫变流器A的输出滤波器350可包括滤波电容器Cf和滤波电感器Lf。输出滤波器350可将通过主开关Qm的切换传输到变压器320的二次侧的高频电流平滑为与电网电压的频率对应的低频(50Hz至60Hz)电流。在本发明中,由于回扫变流器A的输出连接到如图1所示的电网30,因此可以将回扫变流器A的输出电压同样地用作电网电压。
对于未解释的参考符号,Vcf表示滤波电容器Cf的电压,VLf表示滤波电容器Lf两端之间的电压,iO表示输出电流,Vg表示电网电压,L1表示变压器的漏电感,Lm表示变压器的磁化电感,iLm表示变压器的磁化电流,VQm表示主开关Qm的电压,Vpv表示输入电压,ip表示一次侧电流,Vp表示变压器的一次侧电压,Vs1和Vs2表示变压器的二次侧电压。
电网相位检测器370检测回扫变流器A的输出电压(即,电网电压)的相位并将电网电压Vg的检测的相位传输到PWM产生器380。
电流命令值产生器360可包括:电压检测器361,用于检测回扫变流器A的输入电压VPV,以将检测的输入电压VPV传输到第一计算器362和第二计算器363;第一计算器362,用于从自电压检测器361传输的输入电压VPV计算输出功率并将计算的输出功率传输到第二计算器363;第二计算器363,用于基于从第一计算器362传输的输出功率计算功率变化ΔP以及计算从电压检测器361传输的输入电压的电压变化ΔV,并将计算的功率变化ΔP和电压变化ΔV传输到电流命令值产生模块364;电流命令值产生模块364,用于从自第二计算器363传输的功率变化ΔP和电压变化ΔV产生用于跟踪太阳能电池模块的最大功率点的电流命令值ip*(pk)。产生的电流命令值ip*(pk)可被传输到PWM产生器380。
以下,更详细地描述从输入电压VPV计算输出功率的过程。
当回扫变流器A的输出电流被表示为iO(=IOsinωt),并且电网电压被表示为Vg=(VGsinωt)时,可由以下的等式1来表示电网电压的一个周期的平均输出功率PO;
同时,可由以下的等式2来表示输出电流iO;
另外,从等式2,可由以下的等式3来表示滤波电感器Lf两端之间的电压VLf;
可由滤波电感器Lf的两端之间的电压VLf和电网电压Vg之和来表示滤波电容器Cf的两端之间的电压VCf。可由以下的等式4来表示流入滤波电容器Cf的电流;
当输出滤波器350的输入端电流被表示为is时,如以下等式5,可由输出电流iO和流入滤波电容器Cf的电流之和来表示输入端电流is:
从等式5,可由以下等式6来表示每个切换周期所需的变压器320的二次侧峰值电流is(pk):
其中,Dpk表示主开关Qm的最大占空比。以流过变压器320的磁化电感Lm的电流在临界导通模式(boundary conduction mode)下操作的方式控制主开关Qm。
同时,可由以下的等式7来表示主开关Qm的占空比:
因此,当变压器320的匝数比为n时,从等式6和7,可由以下等式8来表示变压器320的一次侧峰值电流ip(pk):
同时,可以如下地表示回扫变流器A的特性,即,一次侧峰值电流ip(pk)、磁化电感Lm、最大占空比Dpk、输入电压的最大值VPV和(主开关Qm的)切换周期T之间的关系:
从等式7、8和9,可如以下等式10表示回扫变流器A的输出功率PO:
其中,fmin表示(主开关Qm的)最小切换频率。
这里,可以理解,考虑到除输入电压VPV之外的所有变量是已知值,由于回扫变流器A的特性而可仅通过输入电压VPV计算输出功率PO。
同时,电流命令值产生模块364从电压变化ΔV和功率变化ΔP确定太阳能电池模块的最大功率点曲线上的操作点的位置,并基于确定的操作点产生用于跟踪最大功率点的电流命令值ip*(pk)。具体地讲,当电压变化ΔV和功率变化ΔP二者具有正值时,电流命令值产生模块364可确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的左侧;当电压变化ΔV和功率变化ΔP中的一个具有负值时,电流命令值产生模块364可确定在最大功率点曲线上操作点存在于的最大功率点的右侧。
当操作点存在于最大功率点的左侧时,电流命令值产生模块364通过从现有电流命令值减去预定值来产生电流命令值ip*(pk),当操作点存在于最大功率点的右侧时,电流命令值产生模块364通过将预定值与现有电流命令值相加来产生电流命令值ip*(pk)。在以下的表1中示出了如上所述的电压变化ΔV和功率变化ΔP之间的关系。
[表1]
ΔP>0 | ΔP<0 | |
ΔV>0 | 操作点位于最大功率点的左侧 | 操作点位于最大功率点的右侧 |
ΔV<0 | 操作点位于最大功率点的右侧 | 操作点位于最大功率点的左侧 |
此外,以下的表2示出了根据操作点的位置的电流命令值的变化。
表2
ΔP>0 | ΔP<0 | |
ΔV>0 | (ip*(pk))↓ | (ip*(pk))↑ |
ΔV<0 | (ip*(pk))↑ | (ip*(pk))↓ |
同时,PWM产生器380根据从电流命令值产生器360传输的电流命令值和从电网相位检测器370传输的电网电压的相位产生用于控制主开关Qm和两个线开关Qp和Qn的切换信号SWQm、SWQp和SWQn,然后,通过产生的切换信号SWQm、SWQp和SWQn控制主开关Qm和线开关Qp和Qn。在本发明中,由于PWM产生器380的详细操作不在本发明的范围内,因此省略了关于PWM产生器380的详细描述。
图4示出根据本发明的实施例的通过产生的电流命令值控制的回扫变流器的主部分的波形。在图4中,Vg表示电网电压,SWQm表示主开关Qm的控制信号,SWQp和SWQn表示线开关Qp和Qn的控制信号,iLm表示流过磁化电感Lm的电流,ip表示流过变压器320的一次侧的电流,iQp和iQn分别表示流过线开关Qp和Qn的电流,iO表示输出电流。
参照图4,理解的是,主开关Qm在变压器320的一次侧电流ip到达由电流命令值产生器360产生的电流命令值ip*(pk)的时间断开,并且主开关Qm在磁化电流iLm成为零的时间闭合。
同时,图5是用于示出根据本发明的实施例的产生电流命令值的方法的流程图。
参照图3至图5,在操作500,电压检测器361检测回扫变流器A的输入电压Vpv以将检测的输入电压传输到第一计算器362和第二计算器363。
在操作501,第一计算器362从自电压检测器361传输的输入电压Vpv计算输出功率Ppv[n],并将计算的输出功率Ppv[n]传输到第二计算器363。
在操作502,第二计算器363基于从第一计算器362传输的输出功率计算功率变化ΔP并计算从电压检测器361传输的输入电压的电压变化ΔV,然后,将计算的功率变化ΔP和电压变化ΔV传输到电流命令值产生模块364。这里,功率变化ΔP是通过从当前功率Ppv[n]减去先前功率Ppv[n-1]获得的值,电压变化ΔV是从当前电压Vpv[n]减去先前电压Vpv[n-1]获得的值。
在操作503,电流命令值产生模块364根据从第二计算器363传输的功率变化ΔP和电压变化ΔV产生用于跟踪太阳能电池模块的最大功率点的电流命令值ip*(pk)。具体地讲,电流命令值产生模块364根据电压变化ΔV和功率变化ΔP确定在太阳能电池模块的最大功率点曲线上的操作点的位置,并根据确定的操作点的位置产生电流命令值ip*(pk)。以下将详细描述这个过程。
在操作503和操作504,当电压变化ΔV和功率变化ΔP二者具有正值时,电流命令值产生模块364确定在最大功率点曲线上操作点位于最大功率点的左侧。然后,处理进行到操作505。
在操作505,电流命令值产生模块364通过从先前电流命令值ip*(pk)[n]减去预定值Δi来产生新电流命令值ip*(pk)[n+1]。产生的电流命令值ip*(pk)[n+1]被传输到PWM产生器380。
相似地,在操作503和操作504,当功率变化ΔP具有正值并且电压变化ΔV具有负值时,电流命令值产生模块364确定在最大功率点曲线上操作点位于最大功率点的右侧。然后,处理进行到操作506。
在操作506,电流命令值产生模块364通过将预定值Δi与先前电流命令值ip*(pk)[n]相加来产生新电流命令值ip*(pk)[n+1]。产生的电流命令值ip*(pk)[n+1]被传输到PWM产生器380。
在操作503和操作507,当功率变化ΔP具有负值和电压变化ΔV具有正值时,电流命令值产生模块364确定在最大功率点曲线上操作点位于最大功率点的右侧。然后,处理进行到操作508。
在操作508,电流命令值产生模块364通过将预定值Δi与先前电流命令值ip*(pk)[n]相加来产生新电流命令值ip*(pk)[n+1]。产生的电流命令值ip*(pk)[n+1]被传输到PWM产生器380。
相似地,在操作503和操作507,当功率变化ΔP和电压变化ΔV二者具有负值时,电流命令值产生模块364确定在最大功率点曲线上操作点位于最大功率点的左侧。然后,处理进行到操作509。
在操作509,电流命令值产生模块364通过从先前电流命令值ip*(pk)[n]减去预定值Δi来产生新电流命令值ip*(pk)[n+1]。产生的电流命令值ip*(pk)[n+1]被传输到PWM产生器380。
如上所述,根据本发明的实施例,可通过使用回扫变流器的特性,不利用电流检测器而仅利用电压检测器,在计算输出功率之后产生电流命令值。此外,本发明的实施例能够通过降低高价格电流检测器的成本来降低太阳能电池系统的成本并能够简化电路。
虽然已结合示例性实施例示出和描述了本发明,但是对于本领域技术人员清楚的是,在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下,可进行修改和变化。
Claims (10)
1.一种用于产生用于跟踪太阳能发电系统的最大功率点的电流命令值的设备,所述太阳能发电系统包括太阳能电池模块和用于从太阳能电池模块接收电压以将接收的电压输出为电网电压的回扫变流器,所述设备包括:
电压检测器,检测输入到回扫变流器的电压;
第一计算器,从检测的输入电压计算输出功率;
第二计算器,基于计算的输出功率计算功率变化和输入电压的电压变化;以及
电流命令值产生器,从计算的电压变化和计算的功率变化产生用于跟踪太阳能电池模块的最大功率点的电流命令值。
2.如权利要求1所述的设备,其中,电流命令值产生器从计算的电压变化和计算的功率变化确定在太阳能电池模块的最大功率点曲线上的操作点的位置,并基于确定的操作点产生用于跟踪最大功率点的电流命令值。
3.如权利要求2所述的设备,其中,当电压变化和功率变化二者具有正值时,电流命令值产生器确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的左侧,并且当电压变化和功率变化二者中的一个具有负值时,电流命令值产生器确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的右侧。
4.如权利要求3所述的设备,其中,当操作点存在于最大功率点的左侧时,电流命令值产生器通过从现有电流命令值减去预定值来产生电流命令值,并且当操作点存在于最大功率点的右侧时,电流命令值产生器通过将预定值和现有电流命令值相加来产生电流命令值。
5.如权利要求1所述的设备,其中,第一计算器使用以下的等式来计算输出功率:
其中,VG表示连接到回扫变流器的输出端的电网中的电网电压的最大值,VPV表示输入电压的最大值,Lm表示包括在回扫变流器中的变压器的磁化电感,fmin表示最小切换频率,ω表示切换频率,Lf表示回扫变流器的输出电感,Cf表示回扫变流器的输出电容,n表示包括在回扫变流器中的变压器的匝数比。
6.一种产生用于跟踪太阳能发电系统的最大功率点的电流命令值的方法,所述太阳能发电系统包括太阳能电池模块和用于从太阳能电池模块接收电压以将接收的电压输出为电网电压的回扫变流器,所述方法包括如下步骤:
检测输入到回扫变流器的电压;
从检测的输入电压计算输出功率;
基于计算的输出功率计算功率变化和输入电压的电压变化;以及
从计算的电压变化和计算的功率变化产生用于跟踪太阳能电池模块的最大功率点的电流命令值。
7.如权利要求6所述的方法,其中,产生电流命令值的步骤包括:
从计算的电压变化和计算的功率变化确定在太阳能电池模块的最大功率点曲线上的操作点的位置;以及
基于确定的操作点产生用于跟踪最大功率点的电流命令值。
8.如权利要求7所述的方法,其中,确定操作点的位置的步骤包括:当电压变化和功率变化二者具有正值时,确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的左侧,并且当电压变化和功率变化二者中的一个具有负值时,确定在最大功率点曲线上操作点存在于最大功率点的右侧。
9.如权利要求8所述的方法,其中,产生电流命令值的步骤包括:当操作点存在于最大功率点的左侧时,通过从现有电流命令值减去预定值来产生电流命令值,并且当操作点存在于最大功率点的右侧时,通过将预定值和现有电流命令值相加来产生电流命令值。
10.如权利要求6所述的方法,其中,通过以下的等式来执行输出功率的计算:
其中,VG表示连接到回扫变流器的输出端的电网中的电网电压的最大值,VPV表示输入电压的最大值,Lm表示包括在回扫变流器中的变压器的磁化电感,fmin表示最小切换频率,ω表示切换频率,Lf表示回扫变流器的输出电感,Cf表示回扫变流器的输出电容,n表示包括在回扫变流器中的变压器的匝数比。
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