CN102570907B - 用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源技术，特别涉及一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法和装置。按照本发明，峰值功率跟踪方法执行下列步骤：确定所述太阳能电池的当前的输出功率；以及如果当前的输出功率与所述太阳能电池的前次调整前的输出功率之差超出一个预设的范围，则调整所述太阳能电池的工作电压，其中，根据下列方式调整所述太阳能电池的工作电压：如果所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率，则增加所述工作电压并且调整量大于前次调整的调整量，如果所述当前的输出功率小于所述前次调整的输出功率，则减小所述工作电压并且调整量小于前次调整的调整量。按照本发明的实施例，在非均匀或迅速变化的日照条件下均能跟踪实际最大功率点，并且能够快速响应，跟踪精度也很高。

Description

用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法和装置

技术领域

本发明涉及能源技术，特别涉及一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法和装置。

背景技术

太阳能作为一种自然界广泛存在的清洁、安全和高效的可再生能源，日益得到人们的重视。据预测，到2040年，全球的光伏发电量将占世界总发电量的26％，2050年后将成为世界能源的支柱。

众所周知，在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率将随之变化，但是存在一个最大功率点或峰值功率，也就是说，在某个工作电压或工作电流下，太阳能电池的输出功率最大。当工作环境变化时，特别是日光照度和环境温度变化时，最大功率点的位置将发生变化。图1示出了太阳能电池的输出功率P与工作电压U和工作电流I的关系。参见图1，粗线为输出功率P与工作电压U的关系曲线，而虚线为工作电压U与工作电流I的关系曲线。

为了将太阳能电池的输出功率维持在最大功率点，需要对最大功率点不断进行跟踪。峰值功率跟踪的实质是一个寻优过程，即通过控制太阳能电池的工作电压，使其在各种不同的日照和温度环境下智能地输出最大功率。常规的峰值功率跟踪方法包括增量电导法、曲线拟合法、神经网络法和干扰观测法等。

增量电导法通过比较太阳能电池的增量电导率和瞬时电导率来跟踪最大功率点。由于对太阳能电池的电压和电流的谐波组成部分需要实时测量并用于调整阵列的参考电压，因此这种方法需要更多的转化时间并且还会导致大量功率流失。

曲线拟合法使用数字分析寻找最大功率点的电流与相电流之间的近似关系，其中相电流与日照水平成正比。但是这种方法只适用于温度变化相对较小的地区，对于太阳辐射突变等较复杂的情况难以准确跟踪。

神经网络法需要对给定数据进行训练，从而辨识出最优的操作点，并估计出太阳能电池的最大功率。这种方法的缺点是需要耗费大量的时间进行训练，而且当太阳能电池系统变化时需要重新训练数据。

图2示出了干扰观测法的原理示意图。在图2中，横轴代表太阳能电池的工作电压U，纵轴代表太阳能电池的输出功率P。如图2所示，通过持续地向太阳能电池的工作电压施加扰动(图2中以向上和向下的箭头标示)并比较当前太阳能电池输出功率与前一周期的输出功率的大小(在图2中也即A-E点中成对的相邻点(A，B)、(B，C)、(C，D)和(D，E))，对太阳能电池的工作点进行实时控制调整，由此可实现对最大功率点的跟踪(在图2所示的情形下，最大功率点为C，其对应的功率和电压分别为Pm和Um)。该方法的优点是控制结构简单，测量的参数少，缺点是初始值以及跟踪步长的选取对跟踪精度和速度有较大的影响，且不能迅速跟踪最大功率点。

由上可见，的确需要一种能够准确、及时地跟踪峰值功率的方法和装置。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法，其可以准确、及时地跟踪太阳能电池的峰值功率，从而提高太阳能的利用效率。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法，执行下列步骤：

确定所述太阳能电池的当前的输出功率；以及

如果当前的输出功率与所述太阳能电池的前次调整前的输出功率之差超出一个预设的范围，则调整所述太阳能电池的工作电压，

其中，根据下列方式调整所述太阳能电池的工作电压：如果所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率，则增加所述工作电压并且调整量大于前次调整的调整量，如果所述当前的输出功率小于所述前次调整的输出功率，则减小所述工作电压并且调整量小于前次调整的调整量。

优选地，在上述峰值功率跟踪方法中，当所述当前的输出功率大于或小于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

${\mathrm{\λ}}_i={\mathrm{\λ}}_{i-1}\×{\left(\frac{P_{i-1}}{P_{i-2}}\right)}^2$

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率。

优选地，在上述峰值功率跟踪方法中，当所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

${\mathrm{\λ}}_i={\mathrm{\λ}}_{i-1}\×{(1+\mathrm{\α}\×e^{-{\mathrm{\β}}_i})}^2$

${\mathrm{\β}}_i={\left(\frac{P_{i-1}}{P_{i-2}}\right)}^2$

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率，α为大于零的常数，

并且当所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

${\mathrm{\λ}}_i={\mathrm{\λ}}_{i-1}\×{\left(\frac{P_{i-1}}{P_{i-2}}\right)}^2$

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率。

优选地，在上述峰值功率跟踪方法中，以不定期的方式执行所述步骤，并且峰值功率跟踪过程的执行的间隔随着时间的推移而增大。

本发明的上述还可以通过下列技术方案实现。

一种在太阳能电池的外部工作条件发生较大变化时的峰值功率跟踪方法，包括下列步骤：

测量所述太阳能电池的多个工作电压下的多个输出功率；

将与所述多个输出功率中的最大值对应的所述工作电压确定为初始值；以及

从所述初始值出发，调整所述太阳能电池的工作电压直到所述太阳能电池的当前的输出功率与前次调整前的输出功率之差在一个预设的范围内，

其中，根据下列方式调整所述太阳能电池的工作电压：如果所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率，则增加所述工作电压并且调整量大于前次调整的调整量，如果所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率，则减小所述工作电压并且所述调整量小于前次调整的调整量。

优选地，在上述峰值功率跟踪方法中，如果环境光强或环境温度在单位时间内的变化幅度大于一个预设值，则确定外部工作条件发生较大变化。

本发明的还有一个目的是提供一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪装置，其可以准确、及时地跟踪太阳能电池的峰值功率，从而提高太阳能的利用效率。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪装置，包括：

直流-直流转换电路，其适于连接在所述太阳能电池与外部负载之间，并且适于使所述太阳能电池以设定的工作电压输出功率；以及

与所述直流-直流转换电路相连的控制单元，

其特征在于，所述控制单元根据下列方式确定所述设定的工作电压：如果太阳能电池的当前的输出功率大于前次调整前的输出功率，则将工作电压与调整量相加以得到新的工作电压，并且所述调整量大于前次调整的调整量，如果所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率，则将工作电压与调整量相减以得到新的工作电压，并且调整量小于前次调整的调整量。

优选地，在上述峰值功率跟踪装置中，所述直流-直流转换电路采用Buck直流-直流转换器的形式，所述控制单元包括：

信号采集电路，用于测量所述太阳能电池的工作电流；

与所述信号采集电路相连的微控制器，用于确定所述设定的工作电压并生成具有与所述新的工作电压对应的占空比的PWM驱动信号；

与所述微控制器相连的PWM驱动电路，用于根据所述PWM驱动信号来调整所述直流-直流转换电路的降压比，从而使所述太阳能电池以新的工作电压输出功率。

按照本发明的实施例，在非均匀或迅速变化的日照条件下均能跟踪实际最大功率点，并且能够快速响应，跟踪精度也很高。此外，在一个实施例中，无需测量环境温度和光照强度，也不需要了解太阳能电池的具体参数。

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。

附图说明

图1示出了太阳能电池的输出功率P与工作电压U和工作电流I的关系。

图2示出了干扰观测法的原理示意图。

图3为按照本发明一个实施例的用于太阳能电池的峰值功率跟踪装置的示意图。

图4为图3所示峰值功率跟踪装置中的控制单元的示意图。

图5a和5b为按照本发明另一个实施例的用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法的示意图。

图6a-6c为按照本发明还有一个实施例的用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法的示意图。

具体实施方式

下面将根据表示本发明实施方式的附图具体说明本发明。

在本说明书中，“连接”一词应当理解为在两个单元之间直接传送能量或信号，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。

图3为按照本发明一个实施例的用于太阳能电池的峰值功率跟踪装置的示意图。

参见图3，按照本发明的实施例的用于太阳能电池的峰值功率跟踪装置30包括直流-直流转换电路310和控制单元320。直流-直流转换电路310串联连接在太阳能电池10与外部负载20(这里例如为蓄电池)之间，借助其可将太阳能电池10的工作电压设置在一定的水平。可选地，直流-直流转换电路310可以采用Buck直流-直流变换器的形式，在这种实现方式下，通过脉冲宽度调制(PWM)的方式来控制直流-直流转换电路310的导通-关断时间之比或其上的电压降，从而将太阳能电池10的工作电压调整到所希望的水平上。控制单元320与直流-直流转换电路310相连，其通过直流-直流转换电路310将太阳能电池10的工作电压设置在所希望的水平。有关控制单元320确定工作电压的方式将在下面结合图5a-5b以及6a-6c作详细的描述。

图4为图3所示峰值功率跟踪装置中的控制单元的示意图。

参见图5，控制单元320包括信号采集电路321、微控制器322和PWM驱动电路323。信号采集电路321测量太阳能电池10的工作电流并将测量值输出至微控制器322。PWM驱动电路323与直流-直流转换电路310和微控制器322相连，其相当于微控制器322与直流-直流转换电路之间的接口电路。PWM驱动电路根据微控制器322的指示，向直流-直流转换电路310输出具有一定占空比的PWM驱动信号，从而在直流-直流转换电路310上形成相应的电压降，使太阳能电池10以设定的工作电压输出功率。

以下描述微控制器322确定工作电压或PWM驱动信号的占空比的方式。

在每次确定太阳能电池10的工作电压时，首先判断太阳能电池的前次调整前后的输出功率之差是否超出一个预设的范围。本发明的发明人认识到，当该差值在较小的范围内时，通过调整太阳能电池的工作电压来提高输出功率的效果微不足道，因此为了降低峰值跟踪装置的功耗，可以设定一个预设的范围，只有当差值超出该范围时才调整工作电压。

在本发明的实施例中，当微控制器322判断太阳能电池的前次调整前后的输出功率之差超出一个预设的范围时，将采用下列策略来设定工作电压：如果前次调整之后的输出功率大于前次调整之前的太阳能电池的输出功率，则提高工作电压，并且调整量大于前次调整的调整量；如果前次调整之后的输出功率小于前次调整之前的输出功率，则降低工作电压，并且调整量小于前次调整的调整量。

本发明的发明人经过深入研究后发现，当按照下列公式确定调整量时，可以达到较佳的峰值跟踪性能，特别就精度、速度和计算资源而言。

${\mathrm{\λ}}_i={\mathrm{\λ}}_{i-1}\×{\left(\frac{P_i}{P_{i-1}}\right)}^2---\left(1\right)$

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率。

考虑到太阳能电池的输出特性曲线是非对称的(也即在最大功率点两侧曲线部分的形状相差较大)，本发明的发明人提出采用下列“非对称”方式来确定调整量。

当前次调整后的输出功率大于前次调整前的输出功率时，调整量按照下列公式加以确定：

${\mathrm{\λ}}_i={\mathrm{\λ}}_{i-1}\×{(1+\mathrm{\α}\×e^{-{\mathrm{\β}}_i})}^2---\left(2\right)$

${\mathrm{\β}}_i={\left(\frac{P_i}{P_{i-1}}\right)}^2---\left(3\right)$

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率，α为大于零的常数。

当前次调整后的输出功率小于前次调整前的输出功率时，则仍然按照上面的公式(1)确定本次的调整量。

在确定当前的调整量λ_i之后，按照下列方式计算太阳能电池的工作电压：

对于前次调整后的输出功率大于前次调整前的输出功率，

U_i＝U_i-1+λ_i         (4)

对于前次调整后的输出功率小于前次调整前的输出功率，

U_i＝U_i-1-λ_i          (5)

其中，i为工作电压调整顺序的编号，U_i和U_i-1分别为第i和(i-1)次调整后的工作电压，λ_i为第i次调整的调整量。

图5a和5b为按照本发明另一个实施例的用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法的示意图。

为描述方便起见，这里以图3和4所示的峰值功率跟踪装置作为实施跟踪方法的设备，但是需要理解的是，本实施例以及下面将要借助图6a-6c所述的实施例并不局限于在本说明书中所述的峰值跟踪装置上实施。

参见图5a，在步骤510中，首先微控制器322检测用户触发事件标志，该标志用来表示用户希望立即调整太阳能电池10的工作电压。如果检测到该标志，则进入步骤520代表的工作电压调整例程，图5b示出了该例程的流程图。如果未检测到上述标志，则进入步骤530，判断定时器是否溢出，也即判断从上次调整工作电压起经过的时间是否超过一个预设的值Th。如果溢出，则进入步骤520，否则返回步骤510。

值得指出的是，上述预设的值Th在整个峰值功率跟踪过程中是可变的，可选地，该预设值可以随着时间的推移而增大。这是考虑到开始跟踪时，通过频繁调整工作电压可以较快地接近最大功率点，而当位于最大功率点附近时，频繁的调整对于跟踪速度的提高并无明显效果，反而会增加峰值跟踪装置的功耗。

参见图5b，在步骤521中，信号采集电路321采集太阳能电池10的工作电流I并输出至微控制器322。

接着进入步骤522，微控制器322根据目前的工作电压U和测得的该工作电压下的工作电流I计算太阳能电池10的输出功率并计算结果存储在存储器内。

随后进入步骤523，微控制器322将计算的输出功率与前次调整前的输出功率进行比较，如果二者之差在一个预设的范围内，则表明当前的工作电压对应于峰值功率，因此进入步骤524，否则进入步骤525。

在步骤524中，微控制器322使定时器清零，随后结束工作电压调整例程。

在步骤525中，微控制器322计算工作电压的调整量。可以采用上面描述的调整量计算方式来调整工作电压。但是需要指出的是，上面描述的方式仅仅是示意性的，也可以采用其它的方式。

随后进入步骤526，根据调整量确定新的工作电压。

接着进入步骤527，根据确定的新的工作电压确定直流-直流转换电路310的导通-关断时间之比并生成相应的PWM驱动信号。

接着进入步骤528，PWM驱动电路523根据微控制器322提供的PWM驱动信号，控制直流-直流转换电路310的导通-关断时间，也即将太阳能电池10的工作电压调整为步骤526确定的水平上。接着进入步骤524。

图6a-6c为按照本发明还有一个实施例的用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法的示意图。

参见图6a，在步骤610中，首先微控制器322判断太阳能电池10的外部工作条件是否发生较大变化，例如环境光照强度或环境温度因为车辆进入遮阳区域或天气突降暴雨而急剧下降。可以采用单位时间内的变化幅度来衡量这种变化的程度，如果单位时间内的变化幅度大于一个预设值，则可以确定外部工作条件发生较大变化，并进入步骤620表示的例程1，否则进入步骤630表示的例程2。如图6a所示，在完成步骤620之后也进入步骤630。

图6b和6c分别示出了例程1和2的流程图。

参见图6b，在步骤621中，信号采集电路321采集太阳能电池10的一组工作电压以及各个工作电压下相应的工作电流并输出至微控制器322。需要指出的是，上述工作电压组中，各个工作电压的取值可以在整个工作电压工作范围内均匀分布，但是也可以是非均匀分布的，例如当对最大功率点的位置有预先判断时，可以使更多的工作电压在该位置附近取值。

接着进入步骤622，微控制器322计算上述工作电压组中各个工作电压下的太阳能电池10的输出功率并确定这些输出功率中的最大值。

随后进入步骤623，微控制器322将该最大值对应的工作电压设定为初始值并在存储器内存储。

随后进入步骤624，微控制器322在该初始值上叠加一个初始调整量以获得新的工作电压并根据该新的工作电压确定直流-直流转换电路310的导通-关断时间之比和生成相应的PWM驱动信号。

接着进入步骤625，PWM驱动电路323根据微控制器322提供的PWM驱动信号，控制直流-直流转换电路310的导通-关断时间。接着进入步骤630。

参见图6c，在步骤631中，判断定时器是否溢出，也即判断从上次调整工作电压起经过的时间是否超过一个预设的值Th。如果溢出，则等待，否则进入步骤632。

在步骤632中，信号采集电路321采集太阳能电池10的工作电流并输出至微控制器322。

接着进入步骤633，微控制器322根据目前的工作电压和测得的工作电流计算太阳能电池10的输出功率并将计算结果存储在存储器内。

随后进入步骤634，微控制器322将计算的输出功率与前次调整前的输出功率进行比较，如果二者之差在一个预设的范围内，则表明当前的工作电压对应于峰值功率，因此进入步骤635，否则进入步骤636。

在步骤635中，微控制器322使定时器清零，随后结束例程2。

在步骤636中，微控制器322计算工作电压的调整量以及新的工作电压。可以采用上面描述的方式来计算调整量以及新的工作电压。但是需要指出的是，上面描述的方式仅仅是示意性的，也可以采用其它的方式。

接着进入步骤637，根据确定的新的工作电压确定直流-直流转换电路310的导通-关断时间之比并生成相应的PWM驱动信号。

接着进入步骤638，PWM驱动电路323根据微控制器322提供的PWM驱动信号，控制直流-直流转换电路310的导通-关断时间，也即将太阳能电池10的工作电压调整为步骤636确定的水平上。接着进入步骤635。

由于可以在不背离本发明基本特征的精神下，以各种形式实施本发明，因此本实施方式是说明性的而不是限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求定义，而不是由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包涵。

Claims (6)

1.一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪方法，执行下列步骤：

确定所述太阳能电池的当前的输出功率；以及

如果当前的输出功率与所述太阳能电池的前次调整前的输出功率之差超出一个预设的范围，则调整所述太阳能电池的工作电压，

其特征在于，根据下列方式调整所述太阳能电池的工作电压：如果所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率，则增加所述工作电压并且调整量大于前次调整的调整量，如果所述当前的输出功率小于所述前次调整的输出功率，则减小所述工作电压并且调整量小于前次调整的调整量，

其中，当所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率，α为大于零的常数，

并且当所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率。

2.如权利要求1所述的峰值功率跟踪方法，其中，以不定期的方式执行所述步骤，并且峰值功率跟踪过程的执行的间隔随着时间的推移而增大。

3.一种在太阳能电池的外部工作条件发生较大变化时的峰值功率跟踪方法，其特征在于，包括下列步骤：

确定所述太阳能电池的多个工作电压下的多个输出功率；

将与所述多个输出功率中的最大值对应的所述工作电压确定为初始值；以及

从所述初始值出发，调整所述太阳能电池的工作电压直到所述太阳能电池的当前的输出功率与前次调整前的输出功率之差在一个预设的范围内，

其中，根据下列方式调整所述太阳能电池的工作电压：如果所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率，则增加所述工作电压并且调整量大于前次调整的调整量，如果所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率，则减小所述工作电压并且所述调整量小于前次调整的调整量，

其中，当所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率，α为大于零的常数，

并且当所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率。

4.如权利要求3所述的峰值功率跟踪方法，其中，如果环境光强或环境温度在单位时间内的变化幅度大于一个预设值，则确定外部 工作条件发生较大变化。

5.一种用于太阳能电池的峰值功率跟踪装置，包括：

直流-直流转换电路，其适于连接在所述太阳能电池与外部负载之间，并且适于使所述太阳能电池以设定的工作电压输出功率；以及

与所述直流-直流转换电路相连的控制单元，

其特征在于，所述控制单元根据下列方式确定所述设定的工作电压：如果太阳能电池的当前的输出功率大于前次调整前的输出功率，则将工作电压与调整量相加以得到新的工作电压，并且所述调整量大于前次调整的调整量，如果所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率，则将工作电压与调整量相减以得到新的工作电压，并且调整量小于前次调整的调整量，

其中，当所述当前的输出功率大于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率，α为大于零的常数，

并且当所述当前的输出功率小于所述前次调整前的输出功率时，按照下式确定所述调整量：

其中，i为工作电压调整顺序的编号，λ_i和λ_i-1为第i和(i-1)次调整时的调整量，P_i-1和P_i-2分别为第(i-1)次调整前后的输出功率。

6.如权利要求5所述的峰值功率跟踪装置，其中，所述直流-直流转换电路采用Buck直流-直流转换器的形式，所述控制单元包括：

信号采集电路，用于测量所述太阳能电池的工作电流；

与所述信号采集电路相连的微控制器，用于确定所述设定的工作电压并生成具有与所述新的工作电压对应的占空比的PWM驱动信号；

与所述微控制器相连的PWM驱动电路，用于根据所述PWM驱动信号来调整所述直流-直流转换电路的降压比，从而使所述太阳能电池以新的工作电压输出功率。