CN102638195B - 一种太阳能发电系统控制方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能发电系统控制装置及方法，装置包括发电模块、逆变模块、主控模块和调试模块；发电模块包括太阳能发电机组、最大功率跟踪控制电路和蓄电池组；逆变模块包括逆变器、模拟直流负载和模拟交流负载；主控模块包括DSP处理器、最大功率跟踪控制器、蓄电池控制器、采集装置和信号调制电路；调试模块包括ARM7处理器、太阳能电池板角度调节器和蓄电池检测装置。通过实时监测多组工作参数下的运行状态，保证在负载正常工作的同时，电能利用率最高，提高系统运行的稳定性。采用变步长扰动观察法进行最大功率跟踪，保证MPPT的实际效果。结合最长连续阴雨天数、环境温度、使用时长计算蓄电池容量，不间断供电时间，延长蓄电池使用寿命。

Description

一种太阳能发电系统控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电与电气技术领域，具体涉及一种太阳能发电系统控制方法。

背景技术

随着当今社会的高速发展，在环境污染与资源匮乏的双重压力下，人们不断地寻找清洁的可再生能源来取代传统的化石燃料。作为新能源之一的太阳能，由于其总储存量大、容易获取、使用过程无污染等特点，受到越来越多国家的重视，得到越来越广泛的运用。大约40分钟内照射在地球表面的太阳能，便足以提供人类一年总能量的消费，由此可见地球可获取太阳能的总量之庞大。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。具有关资料显示，全球预计一次能源的消耗总量会从2005年的15万亿kWh增长到2015年的19万亿kWh，这相当于全球平均年增长的2.6％。而太阳能发电的兴起，无疑很大程度上缓解了能源危机。截止2010年，全球太阳能发电累计装机容量已达到了40GW。国际能源署预计，2020年太阳能发电在许多地区将能够实现电网平价，到2050年将能够提供全球发电量的11％。

太阳能发电系统主要由太阳能电池(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件。所以，太阳能发电设备极为精炼，安装维护简便，可靠稳定寿命长。如何充分利用太阳能阵列的能量，提高太阳能电池的转换效率，以及如何高效储存和调节电能，如何进一步提高系统的性能，实现系统的优化及可靠运行，这些都是太阳能发电系统的难题和关键点。目前的研究主要针对于算法的完善及控制电路的改进，并未就整套发电设备进行整体考虑，难以保证系统的动态和稳态性能。即使近年来做了一些优化太阳能发电系统的尝试，但是所构建的发电系统存在太阳能电池利用率不高、输出功率波动大、蓄电池过充或过放等问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种太阳能发电系统控制方法。

本发明的技术方案是：一种太阳能发电系统控制装置，包括发电模块、逆变模块、主控模块和调试模块。

所述发电模块包括太阳能发电机组、最大功率跟踪控制电路和蓄电池组。

所述太阳能发电机组采用太阳能电池板，为实现最有效地利用太阳能电池组件，使其在一年中接收并转换尽可能多的能量，在设计和安装太阳能发电机组时，必须考虑太阳方位角和太阳能电池的最佳倾斜角，并且对太阳能电池进行最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，简称MPPT)。太阳能发电机组产生的电能首先进入最大功率跟踪控制电路。

所述最大功率跟踪控制电路采用可控整流电路，该电路包括电容连锁投切开关和电感连锁投切开关，调节出所需电容、电感，同时实现最大功率跟踪，最大功率跟踪控制电路输出的电能分别接入蓄电池、模拟直流负载和逆变器，逆变器对电能进行逆变处理，逆变后的电能再接入模拟交流负载。所述电容连锁投切开关、电感连锁投切开关，分别由五个电容串联、五个电感串联形成，通过开关a、b、c、d、e、f、g、h、i、j的闭合或开启控制电路中电容、电感的功率损失，进而可对最大功率跟踪控制电路的转换效率进行控制。电容连锁投切开关、电感连锁投切开关输出端连接ARM7处理器的PWM接口；

所述蓄电池组采用铅酸蓄电池，各蓄电池之间串联。当日照充足，系统的输出多于负载所需要的能量时，蓄电池将贮存多余的电能；当在夜晚或日照不强等外在条件影响下，太阳能发电机组不能为负载提供足够的能量时，蓄电池向负载提供能量以保证电能稳定。蓄电池主要是将太阳能发电机组发出的多余电能进行储存，在电能紧缺的时候充当补充电源，平衡逆变器与发电机组的功率差。

所述逆变模块包括逆变器、模拟直流负载和模拟交流负载。

所述逆变器采用三相逆变器。

所述模拟直流负载和模拟交流负载，在太阳能发电系统中使用，对输出电能质量进行直观监测。

所述主控模块包括DSP处理器、最大功率跟踪控制器、蓄电池控制器、采集装置和信号调制电路。

所述DSP处理器，主要是对接收到的数据进行运算和处理，根据变步长扰动观察法对太阳能板进行最大功率跟踪，产生PWM波对最大功率跟踪控制器、逆变器和蓄电池控制器进行驱动控制。

所述采集装置，包括电压传感器和电流传感器。

所述调试模块包括ARM7处理器、太阳能电池板角度调节器、蓄电池检测装置；

所述ARM7处理器，主要是控制太阳能电池板角度调节器、电容投切器和电感投切器的开关状态，同时运算和处理从蓄电池检测装置接收到的数据。ARM7处理器通过实时监测多组工作参数下的发电系统的运行状态，判断发电系统各电器元件是否能正常工作在电压、电流、容量和功率的额定范围内，保证负载正常工作的同时，电能利用率最高，电能输出最稳定，从而为系统确定出一组工作参数。

所述太阳能电池板角度调节器，用于控制太阳能电池板的倾斜角α，使太阳入射角趋近0度。

所述蓄电池检测装置，对发电系统中的蓄电池电量进行记录，通过检测蓄电池是否存在过充或过放现象来判断蓄电池额定容量。蓄电池检测装置输出端连至ARM7处理器的I/O口。

本发明装置的具体连接是：太阳能发电机组的输出端与最大功率跟踪控制电路的输入端连接，最大功率跟踪控制电路的输出端分别与蓄电池组、逆变器、模拟直流负载的输入端连接，逆变器的输出端连接模拟交流负载；采集装置的输入端分别连接太阳能发电机组的输出端和最大功率跟踪控制电路的输出端，分别采集记录发出电能的功率和最大功率跟踪控制电路输出的功率，采集装置的输出端与信号调制电路的输入端连接，信号调制电路的输出端与DSP处理器的A/D转换接口连接，经DSP处理器运算实现太阳能电池最大功率点的跟踪和对最大功率跟踪控制电路输出电压的检测；最大功率跟踪控制器的输入端、蓄电池控制器的输入端和逆变器的输入端分别与DSP处理器的输出引脚连接。最大功率跟踪控制器输出的直流电压加在太阳能发电机组两端，蓄电池控制器输出的直流电压控制开关的状态，最大功率跟踪控制器接收DSP处理器发出的PWM波，经最大功率跟踪控制电路将PWM波转换为机械结构能够执行的电流信号，蓄电池控制器通过接收DSP处理器发出的PWM波，经过最大功率跟踪控制电路产生控制电压，改变蓄电池的开关线圈中的电流，进而控制蓄电池的开关状态，实现蓄电池的充、放电状态的转换控制。

太阳能电池板角度调节器、蓄电池检测装置、电容连锁投切开关和电感连锁投切开关均与ARM7处理器的输入引脚和输出引脚连接，太阳能电池角度调节器根据本地的纬度、日照时间、蓄电池容量、积雪滑落角度等因素控制太阳能电池板的倾斜角α，减小太阳光入射角。蓄电池检测装置通过记录多种蓄电池容量情况下蓄电池的实时电量，将数据返回ARM7处理器处理，得出蓄电池最适容量。电容连锁投切开关、电感连锁投切开关通过接收ARM7处理器发出的PWM波，改变开关状态，进而控制电路中电容、电感的功率损失，实现对跟踪电路的转换效率的控制。

采用上述装置对太阳能发电系统进行控制的方法，包括如下步骤：

步骤1：通过ARM7处理器计算最大功率跟踪控制电路中电感L最小值、电容C1最小值和蓄电池的容量；

步骤1.1：最大功率跟踪控制电路的输出电压直接供给模拟直流负载，为保证供电质量，要求输出电压不为0，电路工作在电流连续模式，并计算电感、电容的最小值；

步骤1.1.1：计算电感L最小值。假设电感的能量转换效率为100％，最大功率跟踪控制电路处于连续工作状态下，当电池工作于最大工作点时：

$I_{\max }=\frac{P_{\max }}{U_o}$

ΔI＝I_max×15％

$d=\frac{U_o-U_{\mathrm{in}}}{U_o}$

L_min＝d×T_s×U_in/ΔI

式中：I_max——电池工作于最大工作点时电流，

P_max——电池工作于最大工作点时功率，

U_o——输出电压，

U_in——输入电压，

ΔI——纹波电流(一股为其平均电流的10％到20％，此处选用15％)，

d——PWM控制信号的占空比，

T_s——开关周期，取10×10^-6s，

L_min——电感最小值。

步骤1.1.2：计算电容C1最小值。最大功率跟踪控制电路输出端的电容C1的大小决定输出电压的纹波，要求输出电压的纹波值ΔU不超过输出电压的1％，即ΔU不超过1％U_o。电容计算公式为：

C1_min＝d×T_s×U_in/ΔU

式中：ΔU——纹波电压，

C1_min——电感最小值。

步骤1.2：通过ARM7处理器计算蓄电池的容量，蓄电池容量计算公式为：

Q＝Q_L×N×A×T×S/DOD

式中：Q_L——负载的日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时，

N——最长连续阴雨天数(一股取3-10天的备电要求，此处取5天)，

A——安全系数(一股在1.1-1.4间取值，此处取1.3)，

T——温度修正系数(一股在20℃以上取1，-10℃以上20℃以下取1.1，-10℃以下取1.2)，

S——使用时长修正系数(一股使用两年以下取1.1，三年以下两年以上取1.2，三年以上取1.3)，

DOD——蓄电池的放电深度(一股铅酸蓄电池取0.75)，

Q——蓄电池的容量，单位为Ah。

步骤2：根据计算出的电感L最小值、电容C1最小值和蓄电池的容量，分别选择5个太阳能电池板的倾斜角度α₁、α₂、α₃、α₄、α₅，5个电感值L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，5个电容值Cl₁、Cl₂、Cl₃、Cl₄、Cl₅，5个蓄电池容量值Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅，通过ARM7处理器将四组数据组合为5⁴种不同组合的工作参数，由太阳能电池板角度调节器控制电池板的角度，由电容连锁投切开关和电感连锁投切开关的开关状态控制电容、电感值，分别将5⁴种不同组合的工作参数代入太阳能发电系统，最终得出最适工作参数，保证系统高效、稳定运行；

步骤3：太阳能发电机组、最大功率跟踪控制电路输出的电压和电流经过采集装置后，进入信号调制电路，调理电压和电流，DSP处理器的A/D转换接口接收信号调制电路调制输出的信号，进行A/D转换；

步骤4：对太阳能电池板进行最大功率点跟踪：DSP处理器分别对A/D转换后的直流电压信号、线电流信号的幅值进行逻辑计算分析，产生相应的PWM波送入最大功率跟踪控制器，输出的直流电压加在太阳能发电机组两端，完成最大功率跟踪控制。

采用变步长扰动观察法进行最大功率跟踪，工作原理为：测量当前太阳能阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量(或称之为扰动)，改变其输出功率，测量出改变后的功率，与改变前的功率比较，即可知道功率变化的方向。如果功率增大就保持原扰动方向，功率减小则改变原扰动方向。设定电压扰动步长为式中λ为扰动步长系数，P_k+1为当前时刻的太阳能阵列输出功率，P_k为前一时刻的输出功率。λ的具体取值为： $\mathrm{\&lambda;}=\left\{\begin{array}{cc}0.04& \mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_1\\ 0.3& {\mathrm{\&Delta;P}}_1\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_2\\ 0.17& {\mathrm{\&Delta;P}}_2\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_3\\ 0.02& \mathrm{\&Delta;P}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;P}}_3\end{array}\right.$ ，式中ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃为误差限值。 ${\mathrm{\&Delta;P}}_1=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(n+P_{\max }),$ ${\mathrm{\&Delta;P}}_2=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(\frac{n}{2}+P_{\max }),{\mathrm{\&Delta;P}}_3=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(\frac{n}{2}+P_{\max }),$ n为太阳能电池阵列的太阳能板数。

本发明的最大功率跟踪控制，具体按如下步骤进行：

步骤4.1：在原输出电压上增加一个小电压分量，依据功率计算公式P＝U×I，计算扰动后发电机组的输出功率P_k+1，将扰动后功率P_k+1与扰动前功率P_k做差比较，差值为ΔP；

步骤4.2：根据扰动前后功率差值ΔP，设定电压扰动步长λ的计算公式为：

$\mathrm{\&lambda;}=\left\{\begin{array}{cc}0.04& \mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_1\\ 0.3& {\mathrm{\&Delta;P}}_1\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_2\\ 0.17& {\mathrm{\&Delta;P}}_2\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_3\\ 0.02& \mathrm{\&Delta;P}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;P}}_3\end{array}\right.$

${\mathrm{\&Delta;P}}_1=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(n+P_{\max })$

${\mathrm{\&Delta;P}}_2=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(\frac{n}{2}+P_{\max })$

${\mathrm{\&Delta;P}}_3=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(1+P_{\max })$

式中：λ——扰动步长系数，

ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃——误差限值，

n——太阳能电池阵列的太阳能板数。

若ΔP＞0，通过DSP处理器发出PWM波使下一时刻发电机组的输出值按方向调整；若ΔP＜0，通过DSP发出PWM波使下一时刻发电机组的输出值按方向调整；若ΔP＝0，保持发电机组的工作状态不变。

步骤5：若最大功率跟踪控制电路的输出功率等于逆变器的额定输入功率，直接执行步骤6；否则，执行蓄电池控制，实现系统能源利用最大化。

蓄电池的具体控制过程如下：

最大功率跟踪控制电路的输出功率和逆变器的额定输入功率做差，差值记为Δp，若Δp＞0，通过DSP处理器发出PWM波使得充电开关闭合，蓄电池充当直流负载，吸收多余的电能并储存；否则，放电开关闭合，蓄电池充当发电机组向逆变器输出功率；

步骤6：逆变控制；

根据输出电能的电压、频率和波形，DSP处理器产生相应的PWM波对逆变器的6个IGBT功率管的开断频率进行控制，进而控制逆变器工作状态；

步骤7：通过判断最大功率控制电路输出电压是否为0，以及蓄电池是否过充或过放，选择一组工作参数，包括太阳能电池板的倾斜角α、电容C1和电感L、蓄电池容量。

步骤8：根据所选工作参数，选定蓄电池，并由ARM7处理器发出PWM波控制太阳能电池板角度调节器、电容连锁投切开关和电感连锁投切开关，分别设置太阳能电池板的倾斜角α、电容C1值、电感L值，从而提高能源利用率，保证系统稳定运行，达到太阳能发电系统的优化控制。

有益效果：

本发明的太阳能发电系统控制装置具有能源利用效率高、系统运行稳定的特点，与传统的太阳能发电系统相比，该装置的能源利用率超出6％左右，装置各电气元件达到最大化合理搭配，输出电能稳定。装置采用ARM7处理器对工作参数进行有效控制，通过实时监测多组工作参数下的发电装置的运行状态，保证在负载正常工作的同时，电能利用率最高，从而克服因工作模式和工作参数不佳而损失功率的情况，大大提高了系统运行的稳定性。最大功率跟踪采用变步长扰动观察法，克服了传统扰动观察法的功率振荡和误判，保证MPPT的实际效果。MPPT技术同时辅以太阳能电池板角度控制，提高了电能利用率，最大程度地避免了能量损失。装置结合最长连续阴雨天数、环境温度、使用时长来计算蓄电池容量，提高了电源不间断供电的时间，同时避免了蓄电池过充、过放的情况，延长了蓄电池使用寿命。

附图说明

图1本发明实施例太阳能发电系统控制装置总体结构示意图；

图2本发明实施例最大功率跟踪控制电路原理图；

图3本发明实施例模拟直流负载电路原理图；

图4本发明实施例模拟交流负载电路原理图；

图5本发明实施例信号调制电路原理图；

图6本发明实施例控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

本发明的太阳能发电系统控制装置，如图1所示，包括发电模块、逆变模块、主控模块和调试模块。

所述发电模块包括太阳能发电机组、最大功率跟踪控制电路和蓄电池组。

所述太阳能发电机组采用SZST-180W/24V太阳能电池板，为实现最有效地利用太阳能电池组件，使其在一年中接收并转换尽可能多的能量，在设计和安装太阳能发电机组时，必须考虑太阳方位角和太阳能电池的最佳倾斜角，并且对太阳能电池进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)。太阳能发电机组产生的电能首先进入最大功率跟踪控制电路。

所述最大功率跟踪控制电路采用可控整流电路，该电路包括电容连锁投切开关和电感连锁投切开关，调节出所需电容、电感，同时实现最大功率跟踪，最大功率跟踪控制电路输出的电能分别接入蓄电池、模拟直流负载和逆变器，逆变器对电能进行逆变处理，逆变后的电能再接入模拟交流负载。所述电容连锁投切开关、电感连锁投切开关，分别由五个电容串联、五个电感串联形成，通过开关a、b、c、d、e、f、g、h、i、j的闭合或开启控制电路中电容、电感的功率损失，进而可对最大功率跟踪控制电路的转换效率进行控制。电容连锁投切开关、电感连锁投切开关输出端连接ARM7处理器的PWM接口；最大功率跟踪控制电路如图2所示，最大功率跟踪控制电路中二极管采用MBR830，N沟道增强型的MOSFET功率开关管采用IRF3205。

所述蓄电池组采用铅酸蓄电池6-QA-120AH，各蓄电池之间串联。当日照充足，系统的输出多于负载所需要的能量时，蓄电池将贮存多余的电能；当在夜晚或日照不强等外在条件影响下，太阳能发电机组不能为负载提供足够的能量时，蓄电池向负载提供能量以保证电能稳定。蓄电池主要是将太阳能发电机组发出的多余电能进行储存，在电能紧缺的时候充当补充电源，平衡逆变器与发电机组的功率差。

所述逆变模块包括逆变器、模拟直流负载和模拟交流负载。

所述逆变器采用三相逆变器YTP-1000-I。

所述模拟直流负载和模拟交流负载，模拟直流负载如图3所示，模拟交流负载如图4所示，在太阳能发电系统中使用，对输出电能质量进行直观监测。

所述主控模块包括DSP处理器、最大功率跟踪控制器、蓄电池控制器、采集装置、信号调制电路和电源电路。

所述DSP处理器采用TMS320VC5402，主要是对接收到的数据进行运算和处理，根据变步长扰动观察法对太阳能板进行最大功率跟踪，产生PWM波对最大功率跟踪控制器、逆变器和蓄电池控制器进行驱动控制。DSP处理器内置有型号为TPS7333QD的电源芯片，为DSP处理器供电。

所述采集装置，包括电压传感器和电流传感器，电压传感器采用LV25-P/SP2，电流传感器采用LT508-S6。

所述信号调制电路如图5所示，对传感器采集到的模拟信号进行模数转换，信号调制电路输出端连至DSP处理器的10位500kspsSA/D转换接口。

所述调试模块包括ARM处理器、太阳能电池板角度调节器、蓄电池检测装置；

所述ARM处理器采用型号为LT-ARM214X的ARM7处理器，主要是控制太阳能电池板角度调节器、电容投切器和电感投切器的开关状态，同时运算和处理从蓄电池检测装置接收到的数据。ARM7处理器通过实时监测多组工作参数下的发电系统的运行状态，判断发电系统各电器元件是否能正常工作在电压、电流、容量和功率的额定范围内，保证负载正常工作的同时，电能利用率最高，电能输出最稳定，从而为系统确定出—组工作参数。

所述太阳能电池板角度调节器，内置110BYGH350A-130步进电机，用于控制太阳能电池板的倾斜角α，使太阳入射角趋近0度，太阳能电池板角度调节器输出端连接ARM7处理器的PO[0]接口。

所述蓄电池检测装置，采用VAT-560蓄电池分析仪，对发电系统中的蓄电池电量进行记录，通过检测蓄电池是否存在过充或过放现象来判断蓄电池额定容量。蓄电池检测装置输出端连接ARM7处理器的PO[1]口。

蓄电池控制的过程是：最大功率跟踪控制电路输出的电压和电流经信号调制电路，调理成0～+5V范围的电压、电流信号输入TMS320VC5402的ADCIN09～14接口，对发电机组的输出功率和逆变器的输入功率做差，判断计算结果，输出引脚PWM9～14产生相应的PWM波，带有可控整流电路的蓄电池控制器输出控制直流电压，控制开关的状态。当发电机组输出功率大于三相逆变器输入功率，对蓄电池进行充电；当发电机组输出功率小于三相逆变器输入功率，蓄电池进行放电。

逆变控制过程是：采集到的三相逆变器输出端的线电压、线电流经信号调制电路，调理成0～+5V范围的电压、电流信号输入DSP处理器的ADCIN00～05接口，DSP处理器内部对送入的数据执行电能质量分析，根据分析结果，输出引脚PWM1～6产生相应的PWM波，控制三相逆变器的6个IGBT功率管的开断频率进行控制，使得逆变器的输出电能质量高，逆变器的运行效率高。

最大功率跟踪控制过程是：太阳能发电机组输出的直流电压和电流经信号调制电路，调理成0～+5V范围的电压、电流信号输入TMS320VC5402的ADCIN00～07接口通过对传感器采集获得的模拟信号进行模数转换；三角波扰动信号从TMS320VC5402ADCIN08接口送入，进行模数转换，对这两路转换后的电压、电流信号的幅值进行逻辑计算分析，输出引脚PWM1～8产生相应的PWM波分别送入最大功率跟踪控制器的可控整流电路中可控硅的门极端，输出相应的直流电压，电压加在控制电机两端，完成最大功率跟踪控制。

采用上述装置对太阳能发电系统进行控制的方法，流程如图6所示，包括如下步骤：

步骤1：通过ARM7处理器计算最大功率跟踪控制电路中电感L、电容C1的取值范围，和蓄电池的容量范围；

步骤1.1：最大功率跟踪控制电路的输出电压直接供给模拟直流负载，为保证供电质量，要求输出电压不为0，电路工作在电流连续模式，并计算电感、电容的取值范围；

步骤1.1.1：计算电感L最小值。假设电感的能量转换效率为100％，最大功率跟踪控制电路处于连续工作状态下，当电池工作于最大工作点时：

$I_{\max }=\frac{P_{\max }}{U_o}=\frac{25}{24}=1.04A$

ΔI＝I_max×15％＝1.04×15％＝0.165A

$d=\frac{U_o-U_{\mathrm{in}}}{U_o}=\frac{24-16.5}{24}=0.3125$

L_min＝d×T_s×U_in/ΔI＝0.3125×10×10^-6×16.5/15％＝343.75μH

式中：I_max——电池工作于最大工作点时电流，

P_max——电池工作于最大工作点时功率，

U_o——输出电压，

U_in——输入电压，

ΔI——纹波电流(一股为其平均电流的10％到20％，此处选用15％)，

d——PWM控制信号的占空比，

T_s——开关周期，取10×10^-6s，

L_min——电感最小值。

步骤1.1.2：计算电容C1的最小值。最大功率跟踪控制电路输出端的电容C1的大小决定输出电压的纹波，要求输出电压的纹波值ΔU不超过输出电压的1％，即ΔU不超过1％U_o。电容计算公式为：

C1_min＝d×T_s×U_in/ΔU＝0.3125×10×10^-6×16.5/(1％×24)＝214.84μF

式中：ΔU——纹波电压，

C1_min——电感最小值。

步骤1.2：通过ARM7处理器计算蓄电池的容量。本系统蓄电池采用铅酸免维护蓄电池，选择负载电压为24V，功率为100W，每天工作12小时，蓄电池容量计算公式为：

$Q=Q_L\&times;N\&times;A\&times;T\&times;S/\mathrm{DOD}=(\frac{70}{24}\&times;12)\&times;5\&times;1.3\&times;1.2\&times;1.1\&times;0.75=225.225\mathrm{Ah}$

式中：Q_L——负载的日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时，

N——最长连续阴雨天数(一般取3-10天的备电要求，此处取5天)，

A——安全系数(一股在1.1-1.4间取值，此处取1.3)，

T——温度修正系数(一般在20℃以上取1，-10℃以上20℃以下取1.1，-10℃以下取1.2)，

S——使用时长修正系数(一般使用两年以下取1.1，三年以下两年以上取1.2，三年以上取1.3)，

DOD——蓄电池的放电深度(一般铅酸蓄电池取0.75)，

Q——蓄电池的容量，单位为Ah。

步骤2：根据计算出的电感L最小值、电容C1最小值和蓄电池的容量，分别选择5个太阳能电池板的倾斜角度α₁、α₂、α₃、α₄、α₅，5个电感值L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，5个电容值C1₁、C1₂、C1₃、C1₄、C1₅，5个蓄电池容量值Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅，沈阳所在地为北纬22.68°，选择α₁＝22.68°-15°＝7.68°，α₂＝22.68°-7.5°＝15.18°，α₃＝22.68°，α₄＝22.68°+7.5°＝30.18°，α₅＝22.68°+15°＝37.68°。根据电感最小值L＝343.75μH，选择L₁＝400μH，L₂＝450μH，L₃＝500μH，L₄＝550μH，L₅＝600μH。根据电感最小值C1＝214.84μF，选择C1₁＝250μF，C1₂＝300μF，C1₃＝350μF，C1₄＝400μF，C1₅＝450μF。蓄电池容量选择Q₁＝200Ah，Q₂＝240Ah，Q₃＝280Ah，Q₄＝320Ah，Q₅＝360Ah。

通过ARM7处理器将四组数据组合为5⁴种不同组合的工作参数，由太阳能电池板角度调节器控制电池板的角度，由电容连锁投切开关和电感连锁投切开关的开关状态控制电容、电感值，分别将5⁴种不同组合的工作参数代入太阳能发电系统，最终得出最适工作参数，保证系统高效、稳定运行；

步骤3：太阳能发电机组、最大功率跟踪控制电路输出的电压和电流经过采集装置后，进入信号调制电路，调理电压和电流，DSP处理器的A/D转换接口接收信号调制电路调制输出的信号，进行A/D转换；

步骤4：对太阳能电池板进行最大功率点跟踪：DSP分别对A/D转换后的直流电压信号、线电流信号的幅值进行逻辑计算分析，产生相应的PWM波送入最大功率跟踪控制器，输出的直流电压加在太阳能发电机组两端，完成最大功率跟踪控制。

采用变步长扰动观察法进行最大功率跟踪，工作原理为：测量当前太阳能阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量(或称之为扰动)，改变其输出功率，测量出改变后的功率，与改变前的功率比较，即可知道功率变化的方向。如果功率增大就保持原扰动方向，功率减小则改变原扰动方向。设定电压扰动步长为式中λ为扰动步长系数，P_k+1为当前时刻的太阳能阵列输出功率，P_k为前一时刻的输出功率。λ的具体取值为： $\mathrm{\&lambda;}=\left\{\begin{array}{cc}0.04& \mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_1\\ 0.3& {\mathrm{\&Delta;P}}_1\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_2\\ 0.17& {\mathrm{\&Delta;P}}_2\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_3\\ 0.02& \mathrm{\&Delta;P}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;P}}_3\end{array}\right.,$ 式中ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃为误差限值。 ${\mathrm{\&Delta;P}}_1=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(n+P_{\max }),$ ${\mathrm{\&Delta;P}}_2=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(\frac{n}{2}+P_{\max }),{\mathrm{\&Delta;P}}_3=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(\frac{n}{2}+P_{\max }),$ n为太阳能电池阵列的太阳能板数。

本发明的最大功率跟踪控制，具体按如下步骤进行：

步骤4.1：在原输出电压上增加一个小电压分量，依据功率计算公式P＝U×I，计算扰动后发电机组的输出功率P_k+1，将扰动后功率P_k+1与扰动前功率P_k做差比较，差值为ΔP；

步骤4.2：根据扰动前后功率差值ΔP，设定电压扰动步长λ的计算公式为：

$\mathrm{\&lambda;}=\left\{\begin{array}{cc}0.04& \mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_1\\ 0.3& {\mathrm{\&Delta;P}}_1\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_2\\ 0.17& {\mathrm{\&Delta;P}}_2\&le;\mathrm{\&Delta;P}<{\mathrm{\&Delta;P}}_3\\ 0.02& \mathrm{\&Delta;P}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;P}}_3\end{array}\right.$

${\mathrm{\&Delta;P}}_1=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(n+P_{\max })$

${\mathrm{\&Delta;P}}_1=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(n+P_{\max })$

${\mathrm{\&Delta;P}}_3=\frac{d\&times;U_{\mathrm{in}}}{2\sqrt{2}\&times;L}(1+P_{\max })$

式中：λ——扰动步长系数，

ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃——误差限值，

n——太阳能电池阵列的太阳能板数。

若ΔP＞0，通过DSP处理器发出PWM波使下一时刻发电机组的输出值按方向调整；若ΔP＜0，通过DSP发出PWM波使下一时刻发电机组的输出值按方向调整；若ΔP＝0，保持发电机组的工作状态不变。

步骤5：若最大功率跟踪控制电路的输出功率等于逆变器的额定输入功率，直接执行步骤6；否则，执行蓄电池控制，实现系统能源利用最大化。

蓄电池的具体控制过程如下：

最大功率跟踪控制电路的输出功率和逆变器的额定输入功率做差，差值记为Δp，若Δp＞0，通过DSP处理器发出PWM波使得充电开关闭合，蓄电池充当直流负载，吸收多余的电能并储存；否则，放电开关闭合，蓄电池充当发电机组向逆变器输出功率；

步骤6：逆变控制。

根据输出电能的电压、频率和波形，DSP处理器产生相应的PWM波对逆变器的6个IGBT功率管的开断频率进行控制，进而控制逆变器工作状态；

步骤7：通过判断最大功率控制电路输出电压是否为0，以及蓄电池是否过充或过放，选择一组工作参数，包括太阳能电池板的倾斜角α、电容C1和电感L、蓄电池容量。

步骤8：根据所选工作参数，选定蓄电池，并由ARM7处理器发出PWM波控制太阳能电池板角度调节器、电容连锁投切开关和电感连锁投切开关，分别设置太阳能电池板的倾斜角α、电容C1值、电感L值，从而提高能源利用率，保证系统稳定运行，达到太阳能发电系统的优化控制。

Claims (1)

1.一种太阳能发电系统控制方法，该方法采用太阳能发电系统控制装置，包括：发电模块、逆变模块、主控模块和调试模块； 

所述发电模块包括太阳能发电机组、最大功率跟踪控制电路和蓄电池组； 

所述最大功率跟踪控制电路采用包含电容连锁投切开关和电感连锁投切开关的可控整流电路，其中，电容连锁投切开关由五个电容串联，电感连锁投切开关由五个电感串联； 

所述蓄电池组中，各蓄电池之间串联； 

所述逆变模块包括逆变器、模拟直流负载和模拟交流负载； 

所述逆变器采用三相逆变器； 

所述主控模块包括DSP处理器、最大功率跟踪控制器、蓄电池控制器、采集装置和信号调制电路； 

所述采集装置包括电压传感器和电流传感器； 

所述调试模块包括ARM7处理器、太阳能电池板角度调节器和蓄电池检测装置； 

该装置的具体连接是：太阳能发电机组的输出端与最大功率跟踪控制电路的输入端连接，最大功率跟踪控制电路的输出端分别与蓄电池组、逆变器、模拟直流负载的输入端连接，逆变器的输出端连接模拟交流负载；采集装置的输入端分别连接太阳能发电机组的输出端和最大功率跟踪控制电路的输出端，采集装置的输出端与信号调制电路的输入端连接，信号调制电路的输出端与DSP处理器的A/D转换接口连接；最大功率跟踪控制器的输入端、蓄电池控制器的输入端和逆变器的输入端分别与DSP处理器的输出引脚连接，最大功率跟踪控制器输出的直流电压加在太阳能发电机组两端，太阳能电池板角度调节器、电容连锁投切开关和电感连锁投切开关均与ARM7处理器的输出引脚连接，蓄电池检测装置与ARM7处理器的输入引脚和输出引脚连接； 

其特征在于：该方法包括以下步骤： 

步骤1：通过ARM7处理器计算最大功率跟踪控制电路中电感L、电容C1的最小值和蓄电池的容量； 

步骤1.1：最大功率跟踪控制电路的输出电压直接供给模拟直流负载，为保证供电质量，要求输出电压不为0，电路工作在电流连续模式，并计算电感、电容的最小值； 

步骤1.1.1：计算电感L最小值：假设电感的能量转换效率为100％，最大功率跟踪控制电路处于连续工作状态下，当蓄电池工作于最大工作点时： 

ΔI＝I_max×15％ 

L_min＝d×T_s×U_in/ΔI 

式中：I_max——蓄电池工作于最大工作点时电流， 

P_max——蓄电池工作于最大工作点时功率， 

U_o——输出电压， 

U_in——输入电压， 

ΔI——纹波电流，选用15％， 

d——PWM控制信号的占空比， 

T_s——开关周期，取10×10^-6s， 

L_min——电感最小值； 

步骤1.1.2：计算电容C1最小值，公式为： 

C1_min＝d×T_s×U_in/ΔU 

式中：ΔU——纹波电压， 

Cl_min——电感最小值； 

步骤1.2：通过ARM7处理器计算蓄电池的容量，蓄电池容量计算公式为： 

Q＝Q_L×N×A×T×S/DOD 

式中：Q_L——负载的日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时， 

N——最长连续阴雨天数，此处取5天， 

A——安全系数，此处取1.3， 

T——温度修正系数，一般在20℃以上取1，-10℃以上20℃以下取1.1，-10℃以下取1.2， 

S——使用时长修正系数，一般使用两年以下取1.1，三年以下两年以上取1.2，三年以上取1.3， 

DOD——蓄电池的放电深度，铅酸蓄电池取0.75， 

Q——蓄电池的容量，单位为Ah； 

步骤2：根据计算出的电感L最小值、电容C1最小值和蓄电池的容量，分别选择5个太阳能电池板的倾斜角度α₁、α₂、α₃、α₄、α₅，5个电感值L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，5个电容值Cl₁、Cl₂、Cl₃、Cl₄、Cl₅，5个蓄电池容量值Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅，通过ARM7处理器将四组数据组合为5⁴种不同组合的工作参数，由太阳能电池板角度调节器控制电池板的角度，由电容连锁投切开关和电感连锁投切开关的开关状态控制电容、电感值，分别将5⁴种不同组合的工作参数代入太阳能发电系统，最终得出最适工作参数； 

步骤3：太阳能发电机组、最大功率跟踪控制电路输出的电压和电流经过采集装置后，进入信号调制电路，调理电压和电流，DSP处理器的A/D转换接口接收信号调制电路调制输出的信号，进行A/D转换； 

步骤4：对太阳能电池板进行最大功率点跟踪，具体按如下步骤进行： 

步骤4.1：在原输出电压上增加一个小电压分量，依据功率计算公式P＝U×I，计算扰动后发电机组的输出功率P_k+1，将扰动后功率P_k+1与扰动前功率P_k做差比较，差值为ΔP； 

步骤4.2：根据扰动前后功率差值ΔP，设定电压扰动步长λ的计算公式为： 

式中：λ——扰动步长系数， 

ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃——误差限值， 

n——太阳能电池阵列的太阳能板数； 

L——电感； 

若ΔP＞0，通过DSP处理器发出PWM波使下一时刻发电机组的输出值按 方向调整；若ΔP＜0，通过DSP发出PWM波使下一时刻发电机组的输出值按方向调整；若ΔP＝0，保持发电机组的工作状态不变； 

步骤5：若最大功率跟踪控制电路的输出功率等于逆变器的额定输入功率，直接执行步骤6；否则，执行蓄电池控制；蓄电池的具体控制过程如下： 

最大功率跟踪控制电路的输出功率和逆变器的额定输入功率做差，差值记为Δp，若Δp＞0，通过DSP处理器发出PWM波使得充电开关闭合，蓄电池充当直流负载，吸收多余的电能并储存；否则，放电开关闭合，蓄电池充当发电机组向逆变器输出功率； 

步骤6：逆变控制：根据输出电能的电压、频率和波形，DSP产生相应的PWM波对逆变器的6个IGBT功率管的开断频率进行控制，进而控制逆变器工作状态； 

步骤7：通过判断最大功率控制电路输出电压是否为0，以及蓄电池是否过充或过放，选择一组工作参数，包括太阳能电池板的倾斜角α、电容C1和电感L、蓄电池容量；步骤8：根据所选工作参数，选定蓄电池，并由ARM7处理器发出PWM波控制太阳能电池板角度调节器、电容连锁投切开关和电感连锁投切开关，分别设置太阳能电池板的倾斜角α、电容C1值、电感L值，达到太阳能发电系统的优化控制。