CN102609030B - 船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置。包括BOOST电路，输出控制电路，电压检测电路，电流检测电路，PWM驱动电路，的输出电压检测电路及控制器。控制器接收来自电压检测电路、电流检测电路和输出电压检测电路的实时信号，采用指定跟踪控制算法，通过控制BOOST电路中开关管S1的占空比实现对系统的最大功率点跟踪。有益效果是：本发明解决了船舶航行过程中因震动、摇晃及日照波动大而造成的误判问题；可以快速、稳定和准确的实现对最大功率点的跟踪，且适应性强；装置成本较低，相比较于目前同类控制器成本低、结构简单。

Description

船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置

技术领域

本发明属于光伏发电领域，特别是一船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置。

背景技术

太阳能光伏发电可代替和少用资源有限、不可再生的煤炭、石油、天然气等一次化石能源和由其转换成的二次能源。推广太阳能光伏发电应用，对减少化石能源的消费量和优化能源结构，具有重要意义。

随着世界船舶运输业的不断发展，每年消耗大量的燃油，不断增长的能源需求与日益紧缺的传统化石能源资源以及随之而来的环境污染问题构成了不可调和的矛盾。为了降低化石能源在船舶综合电力系统中的供电比重，引入了船用光伏发电系统。

在船用光伏发电系统中，提高系统的整体效率的一个重要途径是实时调整太阳能光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT），实现最大功率点跟踪的设备即为船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置。目前船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置常用的实现MPPT的方法主要有扰动观测法、电导增量法等。

但船舶在航行过程中，由于海洋的特殊性及船舶的机械原因，不可避免地造成船体震动摇晃幅度较剧烈，同时由于海洋气候及船舶的移动性使得日照波动较大。以上问题往往会造成现有船用光伏系统最大功率点跟踪装置产生误判而不能够很好的跟踪系统的实时状态，造成能量的损失，甚至造成系统的解列。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置。本发明采用的技术手段如下：

一种船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置，包括：连接光伏电池阵列的BOOST电路（3），连接BOOST电路3的输出控制电路(5)，连接光伏电池阵列的电压检测电路(1)，连接光伏电池阵列的电流检测电路(2)，连接BOOST电路3的PWM驱动电路(4)，连接BOOST电路(3)的输出电压检测电路6及连接电压检测电路(1)、电流检测电路(2)、PWM驱动电路(4)、输出控制电路(5)、电压检测电路(6)的控制器(7)。

电压检测电路(1)用于检测光伏电池阵列输出的电压值，电流检测电路(2)用于检测光伏电池阵列输出的电流值，BOOST电路(3)用于对光伏电池阵列输出电压进行升压处理，输出电压检测电路(6)用于检测BOOST电路(3)升压后的电压值；控制器(7)用于接收电压检测电路(1)输出的电压值，电流检测电路(2)输出的电流值和输出电压检测电路(6)输出的电压值，还用于控制PWM驱动电路(4)向BOOST电路(3)输出的PWM信号的占空比，控制光伏电池阵列输出的电压大小，还用于采用最大功率点跟踪算法实现对光伏电池阵列的最大功率点的跟踪控制；输出控制电路(5)用于接收控制器(7)的控制信号，根据该控制信号控制是否将BOOST电路(3)输出的电压提供给负载。

其中的最大功率点跟踪算法是通过双向扰动的方法保证跟踪可靠性，利用初始点、前向扰动点和后向扰动点的比较，确定下一轮的扰动方向。本发明的有益效果是：

1、与现有技术中已有的多种最大功率点跟踪方法相比较，本发明提供的技术方案解决了船舶航行过程中因震动、摇晃及日照波动大而造成的误判问题；

2、本发明的方法可以快速、稳定和准确的实现对最大功率点的跟踪，且适应性强；

3、实现本发明的系统装置成本较低，相比较于目前同类控制器成本低、结构简单。

附图说明

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为本发明装置的结构图。

图2为本发明BOOST电路的电路图。

图3为本发明装置应用的最大功率点跟踪算法流程图。

图4为本发明初始点和两个扰动点之间功率比较可能出现的关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置包括：连接光伏电池阵列的BOOST电路3，连接BOOST电路3的输出控制电路5，连接光伏电池阵列的电压检测电路1，连接光伏电池阵列的电流检测电路2，连接BOOST电路3的PWM驱动电路4，连接BOOST电路3的输出电压检测电路6及连接电压检测电路1、电流检测电路2、PWM驱动电路4、输出控制电路5、电压检测电路6的控制器7。其中的BOOST电路3如图2所示，又包括电感L1、电容C1、二极管D1和开关管S1。开关管S1的栅极连接PWM驱动电路4。控制器7优选是型号为ATMEGA16的单片机。

电压检测电路1用于检测光伏电池阵列输出的电压值，电流检测电路2用于检测光伏电池阵列输出的电流值，BOOST电路3用于对光伏电池阵列输出电压进行升压处理，输出电压检测电路6用于检测BOOST电路3升压后的电压值；控制器7用于接收电压检测电路1输出的电压值，电流检测电路2输出的电流值和输出电压检测电路6输出的电压值，还用于控制PWM驱动电路4向BOOST电路3输出的PWM信号的占空比，控制光伏电池阵列输出的电压大小，还用于采用最大功率点跟踪算法实现对光伏电池阵列的最大功率点的跟踪控制；输出控制电路5用于接收控制器7的控制信号，根据该控制信号控制是否将BOOST电路3输出的电压提供给负载。

如图3所示，其中的最大功率点跟踪算法包括如下步骤：

S1，系统初始化，设置系统参数。系统参数包括最大功率点跟踪电压扰动量步长ΔU,负载端最大允许输出电压U。

S2，控制器7控制输出控制电路5以开通负载，并接收电压检测电路1输出的初始点电压值UA和电流检测电路2输出的初始点电流值IA，并设置状态标识符t=0。

S3，控制器7计算前向扰动点电压UB=UA+ΔU，之后控制PWM驱动电路4向BOOST电路3输出的PWM信号的占空比，使光伏电池阵列输出前向扰动点电压UB，并接收电压检测电路1输出的前向扰动点电流IB。

S4，控制器7计算后向扰动点电压UC=UA－ΔU，之后控制PWM驱动电路4向BOOST电路3输出的PWM信号的占空比，使光伏电池阵列输出后向扰动点电压UC，并接收电压检测电路1输出的后向扰动点电流IC。

S5，控制器7计算初始点功率PA=UA*IA，前向扰动点功率PB=UB*IB和后向扰动点功率PC=UC*IC。

S6，控制器7判断前向扰动点功率PB是否大于或等于初始点功率PA，是则转至S7，否则转至S8。

S7，控制器7对状态标识符执行t=t+1，转至S9。

S8，控制器7对状态标识符执行t=t-1，转至S9。

S9，控制器7判断初始点功率PA大于后向扰动点功率PC，是则转至S10，否则转至S11。初始点功率PA、前向扰动点功率PB和后向扰动点功率PC的比较结果可能存在的情况如图4a至图4i所示，定义PA大于PC时为“+”，当PB大于或等于PA时为“+”，反之均记为“-”。

S10，控制器7对状态标识符执行t=t+1,转至S12、S13或S14。

S11，控制器7对状态标识符执行t=t-1，转至S12、S13或S14。

S12，当t=2时，即是PA大于PC且PB大于或等于PA时，如图4a、4d所示，由光伏电池阵列的输出功率-电压曲线可知，此时的光伏电池阵列输出功率处于上升阶段，则转至S15，保持对光伏电池阵列输出电压沿原方向，即由后向扰动点C向前向扰动点B的扰动方向。

S13，当t=0时，即是PA与PC的比较结果和PB与PA的比较结果中出现一“+”和一“-”时，如图4b、图4e、图4g、图4h、图4i所示，由光伏电池阵列的输出功率-电压曲线可知，此时的光伏电池阵列输出功率处于最大功率点附近，或外部处于震荡、日照强度不断变化的环境中，则转至S16，保持光伏电池阵列输出电压不变。

S14，当t=-2时，即是PA小于或等于PC且PB小于PA时，如图4c、4f所示，由光伏电池阵列的输出功率-电压曲线可知，此时的光伏电池阵列输出功率处于下降阶段，则转至S17，保持对光伏电池阵列输出电压沿原方向的反方向，即由前向扰动点B向后向扰动点C的扰动方向。

S15，由控制器7计算，令UA等于UB，清除t的值。同时可令ΔU=2ΔU，使扰动量步长扩大一倍，有利于加快下一轮最大功率点搜索的速度，转至S18。

S16，由控制器7计算，保持UA值不变，清除t的值。同时可令ΔU=ΔU/2，使扰动量步长缩小一倍进行下一轮最大功率点的搜索，提高最大功率点的跟踪精度，转至S18。

S17，由控制器7计算，令UA等于UC，清除t的值。同时可令ΔU=ΔU/2，使扰动量步长缩小一倍进行下一轮最大功率点的搜索，提高最大功率点的跟踪精度，转至S18。

S18，控制器7利用输出电压检测电路6，检测BOOST电路3输出的电压U1，转至S19。

S19，控制器7判断BOOST电路3输出的电压U1是否小于负载端最大允许输出电压U，是则返回S3，进入下一轮最大功率点跟踪，否则转至S20。

S20，控制器7向输出控制电路5输出关闭信号，断开负载，系统重启，保证系统的安全。

本发明的有益效果是：

1、与现有技术中已有的多种最大功率点跟踪方法相比较，本发明提供的技术方案解决了船舶航行过程中因震动、摇晃及日照波动大而造成的误判问题；

2、本发明的方法可以快速、稳定和准确的实现对最大功率点的跟踪，且适应性强；

3、实现本发明的系统装置成本较低，相比较于目前同类控制器成本低、结构简单。

Claims (2)

1.一种船用光伏发电系统的最大功率点跟踪装置，其特征在于包括：连接光伏电池阵列的BOOST电路(3)，连接BOOST电路(3)的输出控制电路(5)，连接光伏电池阵列的电压检测电路(1)，连接光伏电池阵列的电流检测电路(2)，连接BOOST电路(3)的PWM驱动电路(4)，连接BOOST电路(3)的输出电压检测电路(6)及连接电压检测电路(1)、电流检测电路(2)、PWM驱动电路(4)、输出控制电路(5)、输出电压检测电路(6)的控制器(7)；

其中，电压检测电路(1)用于检测光伏电池阵列输出的电压值，电流检测电路(2)用于检测光伏电池阵列输出的电流值，BOOST电路(3)用于对光伏电池阵列输出电压进行升压处理，输出电压检测电路(6)用于检测BOOST电路(3)升压后的电压值；控制器(7)用于接收电压检测电路(1)输出的电压值，电流检测电路(2)输出的电流值和输出电压检测电路(6)输出的电压值，还用于控制PWM驱动电路(4)向BOOST电路(3)输出的PWM信号的占空比，控制光伏电池阵列输出的电压大小，还用于采用最大功率点跟踪算法实现对光伏电池阵列的最大功率点的跟踪控制；输出控制电路(5)用于接收控制器(7)的控制信号，根据该控制信号控制是否将BOOST电路(3)输出的电压提供给负载；

其中，BOOST电路(3)包括电感L1、电容C1、二极管D1和开关管S1，开关管S1的栅极连接PWM驱动电路(4)；

其中，最大功率点跟踪算法包括：

S1，系统初始化，设置系统参数，系统参数包括最大功率点跟踪电压扰动量步长ΔU,负载端最大允许输出电压U；

S2，控制器(7)控制输出控制电路(5)以开通负载，并接收电压检测电路(1)输出的初始点电压值UA和电流检测电路(2)输出的初始点电流值IA，并设置状态标识符t＝0；

S3，控制器(7)计算前向扰动点电压UB＝UA+ΔU，之后控制PWM驱动电路(4)向BOOST电路(3)输出的PWM信号的占空比，使光伏电池阵列输出前向扰动点电压UB，并接收电流检测电路(2)输出的前向扰动点电流IB；

S4，控制器(7)计算后向扰动点电压UC＝UA-ΔU，之后控制PWM驱动电路(4)向BOOST电路(3)输出的PWM信号的占空比，使光伏电池阵列输出后向扰动点电压UC，并接收电流检测电路(2)输出的后向扰动点电流IC；

S5，控制器(7)计算初始点功率PA＝UA*IA，前向扰动点功率PB＝UB*IB和后向扰动点功率PC＝UC*IC；

S6，控制器(7)判断前向扰动点功率PB是否大于或等于初始点功率PA，是则转至S7，否则转至S8；

S7，控制器(7)对状态标识符执行t＝t+1，转至S9；

S8，控制器(7)对状态标识符执行t＝t-1，转至S9；

S9，控制器(7)判断初始点功率PA大于后向扰动点功率PC，是则转至S10，否则转至S11,定义PA大于PC时为“+”，当PB大于或等于PA时为“+”，反之均记为“-”；

S10，控制器(7)对状态标识符执行t＝t+1,转至S12、S13或S14；

S11，控制器(7)对状态标识符执行t＝t-1，转至S12、S13或S14；

S12，当t＝2时，即是PA大于PC且PB大于或等于PA时，转至S15，保持对光伏电池阵列输出电压沿原方向，即由后向扰动点C向前向扰动点B的扰动方向；

S13，当t＝0时，即是PA与PC的比较结果和PB与PA的比较结果中出现一“+”和一“-”时，转至S16，保持光伏电池阵列输出电压不变；

S14，当t＝-2时，即是PA小于或等于PC且PB小于PA时，转至S17，保持对光伏电池阵列输出电压沿原方向的反方向，即由前向扰动点B向后向扰动点C的扰动方向；

S15，由控制器(7)计算，令UA等于UB，清除t的值,同时令ΔU＝2ΔU，转至S18；

S16，由控制器(7)计算，保持UA值不变，清除t的值,同时令ΔU＝ΔU/2，转至S18；

S17，由控制器(7)计算，令UA等于UC，清除t的值,同时令ΔU＝ΔU/2，转至S18；

S18，控制器(7)利用输出电压检测电路(6)，检测BOOST电路(3)输出的电压U1，转至S19；

S19，控制器(7)判断BOOST电路(3)输出的电压U1是否小于负载端最大允许输出电压U，是则返回S3，进入下一轮最大功率点跟踪，否则转至S20；

S20，控制器(7)向输出控制电路(5)输出关闭信号，断开负载。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于控制器(7)是型号为ATMEGA16的单片机。