CN102655380A - 一种分散式最大功率追踪的光伏系统及其控制方法 - Google Patents

一种分散式最大功率追踪的光伏系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分散式最大功率追踪的光伏系统及其控制方法，光伏系统包括复数个光伏模组串列、系统控制模组、直流-交流交换器，所述复数个光伏模组串列的输出并联，并且与所述直流-交流交换器的输入耦接，所述系统控制模组控制所述复数个光伏模组串列中的直流-直流转换器；方法包括如下步骤：(1)直流-直流转换器控制光伏模组操作在最大功率点；(2)，系统控制模组控制直流-直流转换器停止运行于开关状态，而运行于常通状态；(3)系统控制模组控制直流-直流转换器运行于开关状态。本发明使得光伏系统中所有的光伏模组都能较好的运行于最大功率点。

Description

一种分散式最大功率追踪的光伏系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种分散式电源的发电系统，尤其涉及一种具有分散式最大功率追踪(即DMPPT)的光伏系统及其控制方法。
背景技术
近来可再生能源逐渐受到关注，使得分散式电源(例如光伏(PV)电池、燃料电池、车用电池等)的研究愈来愈多。在考虑许多因素(例如电压/电流需求、操作条件、可靠度、安全性、成本...等)之下，也有相当多的拓朴架构已经被提出用以将这些分散式电源连接至负载。这些分散式直流电源大多只能提供低电压输出。一般而言，一个单元(cell)仅能提供几伏特，而一个由多个单元串接而成的模组则可供几十伏特。因此，它们需要串接成一模组，以便达到所需的操作电压。然而，一个模组(即串接而成的一组单元，一般为60个单元)并无法提供所需的电流，故需要将多个模组加以并联，以便提供所需的电流。
再者，由于分散式电源的每一次的发电量会根据制程条件、操作条件与环境条件而有不同。举例而言，许多制造过程中的不一致将使得两个相同的电源具有不同的输出特性。同样地，两个相同的电源也会由于不同的操作条件与/或环境条件(例如负载、温度...)，而有不同的反应(影响)。在实际的设备中，不同的电源也可能会遭受不同的环境条件。举例而言，在光伏电源发电设备中，某些光伏面板会完全地暴露在太阳光之下，而另一部分则会被遮蔽，故会产生不同的输出功率。在一多电池设备中，某些电池会具有不同老化程度，故会产生不同的输出功率。
参见图1，其为光伏(photovoltaic；PV)电池的电压特性曲线与电流特性曲线。对每个光伏电池而言，输出电流会随着输出电压的增加而减少。光伏电池的输出功率等于输出电流与输出电压的乘积(即P＝I×V)，并且会随着光伏电池所获得的输出电压而变化。光伏电池在不同的日照条件(irradiating condition)下会具有不同的输出电流与输出电压。在某一特定输出电压时，其输出功率将可到达一最大功率点MPP(即功率-电压曲线的最大值)。光伏电池最好能操作在最大功率点MPP，并且所谓的最大功率点跟踪(maximum power point tracking；MPPT)的目的是在于找出此点，并将系统操作于最大功率点MPP之上，以便从光伏电池中获得最大的输出功率。然而，在真实的情况下，将每个光伏电池都操作在其最大功率点上是十分困难的。
参见图2，其所示为光伏系统200的最大功率点跟踪的原理。如图所示，光伏面板(由多个光伏模组组成)210是藉由一正输出端211与一负输出端212连接至一直流-直流转换器220。直流-直流转换器220用以供应电力/能量(power)至一负载230。在光伏系统200中，正输出端211所耦接的电压传感器222用以采样直流-直流转换器220的输入电压(即光伏面板210的输出电压)，而负输出端212所耦接的电流传感器223则用以采样直流-直流转换器220的输入电流(即光伏面板210的输出电流)。乘法器224用以将电流传感器223所感测到的输入电流信号和电压传感器222所感测到的输入电压信号相乘，以便产生一功率信号。最大功率点跟踪控制器221则用以根据此功率信号，将光伏系统200操作在最大功率点之下。
参见图3，其是说明具有最大功率点跟踪控制的集中式光伏系统(centralized solar system)的相关技术。如图所示，由于每个光伏模组310所提供的电压很低，所以需要将多个光伏模组310串接成一个模组串列320。对一个大型设备而言，当需要较大电流时，则会将多个模组串列320加以并联地连接，以便形成整个光伏系统300的前级350(即电源级或光伏面板)。这些光伏模组310可设置于户外，并连接至最大功率跟踪(MPPT)模组330，随后再连接至直流-交流转换器340。一般而言，最大功率跟踪模组330可整合成直流-交流转换器340的一部分。直流-交流转换器340用以接收由光伏模组310所获得的能量，并将这个不稳定的(fluctuating)直流电压转换成具有所需电压与所需频率的交流电压。举例而言，此交流电压可为110V或220V且60Hz的交流电压、或220V且50Hz的交流电压。需注意的是，即使在美国仍有多种转换器会产生220V的交流电压，但随后分成两个110V供入电箱中。由直流-交流转换器340所产生的交流电流可用以操作电器产品或供入电源网络中。若光伏系统300并未连接至电源网络，由直流-交流转换器340所产生的能量也可以传送至一转换和充/放电电路(conversion and charge/discharge circuit)，用以将多出来的电力/能量充至电池中。在电池式的应用中，直流-交流转换器340也可以被省略，而将最大功率跟踪模组330的直流输出直接供入充/放电电路。
如上所述，每个光伏模组310仅能提供相当小的电压与电流，故光伏电池阵列(或光伏面板)的设计者所要面临的问题在于如何由光伏模组310所提供的小电压与电流组合成具有110V或220V均方根值的标准交流输出。一般而言，直流-交流转换器(例如直流-交流转换器340)的输入电压稍微高于其所输出的均方根电压的
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倍时，将会使用转换器具有最高的效率。因此，为了达到所需的电压或电流，在许多的应用中都会将多个直流电源(例如光伏模组310)组合起来。最常见的方式就是将多个直流电源先串联地连接用以得到所需的电压，或是将多个直流电源并联地连接用以得到所需的电流。如图所示，多个光伏模组310串接成一个模组串列320，而多个模组串列320则皆与直流-交流转换器340并联地连接。多个光伏模组310是串联地连接用以得到直流-交流转换器340所需的最小电压，而多个模组串列320是并联地连接用以供应较大的电流，以便提供较高的输出功率。同样地，每个光伏模组310中也可附加一具有旁路二极管的连接器加以保护，但在图3并未绘示出此连接器。
此架构的好处在于成本低与架构简单，但仍是具有许多的缺点。其缺点之一在于无法让每个光伏模组310都操作在最佳功率，故导致此架构的效率并不理想。如前所述，光伏模组310的输出会受到多种因素的影响，故为了由每个光伏模组中获得最大的功率，所取得的电压与电流的组合也需随情况加以改变。
发明内容
本发明针对现有光伏系统中无法让系统中每个光伏模组都操作在最佳功率，导致此架构的效率并不理想的问题，而提供一种分散式最大功率追踪的光伏系统，该系统能够实现所有的光伏模组运行于最佳工作点。
基于分散式最大功率追踪的光伏系统，本发明还提供一种分散式最大功率追踪的光伏系统的控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分散式最大功率追踪的光伏系统，所述光伏系统包括一个光伏模组串列、系统控制模组、直流-交流交换器，所述光伏模组串列的与所述直流-交流交换器的输入耦接；所述光伏模组串列由复数个光伏模组和复数个具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器组成，所述复数个光伏模组分别耦接至所述复数个直流-直流转换器，所述复数个直流-直流转换器的输出串接，形成所述光伏模组串列的输出；所述系统控制模组控制所述复数个光伏模组串列中的直流-直流转换器。
在本发明的一优选实例中，所述系统控制模组控制所述光伏模组串列中的直流-直流转换器时，当所述光伏模组所接受的太阳光强度一致时，所述直流-直流转换器被控制于输入输出之间直通状态，当所述光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，所述直流-直流转换器被控制于开关状态。
进一步的，所述系统控制模组通过检测所述光伏模组串列中光伏模组的输出电流或输出电压来判断所述光伏模组所接受的太阳光强度一致情况。
在本发明的另一优选实例中，所述光伏系统还包含一第二光伏模组串列，与所述光伏模组串列输出并联。
进一步的，所述直流-直流转换器为一BUCK电路、BOOST电路或BUCK-BOOST电路。
再进一步的，所述直流-直流转换器为一BUCK-BOOST电路，包含输入电容(Cin)、输出电容(Co)、电感(L)、第一半导体元件(S1)、第二半导体元件(S2)、第三半导体元件(S3)、第四半导体元件(S4)。
再进一步的，一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，在光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，所述系统控制模组控制相应直流-直流转换器中第一半导体元件(S1)、第四半导体元件(S4)于常通状态，控制第二半导体元件(S2)、第三半导体元件(S3)于关断状态。
在本发明的又一优选实例中，所述光伏系统还包括一个最大功率追踪直流-直流转换模组，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输入与所述光伏模组串列的输出耦接，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输出与所述直流-交流交换器的输入耦接。
作为本发明的第二目的，一种分散式最大功率追踪的光伏系统的控制方法，该方法基于上述光伏系统实施，其包括如下步骤：
(1)直流-直流转换器感测光伏模组的输出电压与输出电流，并以此将光伏模组操作在最大功率点；
(2)在光伏模组所接受的太阳光强度一致时，系统控制模组控制直流-直流转换器停止运行于开关状态，而运行于常通状态；
(3)在光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，系统控制模组控制相应的或所有的直流-直流转换器运行于开关状态，进行能量转换，使得所有的光伏模组运行于最大功率点。
综上所述，本发明提供一具有系统控制模组的具有分散式最大功率追踪的光伏系统以及相应的控制方法，通过本发明使得当该光伏系统受到光照一致时，该光伏系统中最大功率追踪转换器不进行能量转换，只进行能量传输；而当该光伏系统受到光照不一致时，该光伏系统中最大功率追踪转换器进行能量转换，使得所有的光伏模组都能较好的基本运行于最大功率点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为光伏电池的电压特性曲线与电流特性曲线。
图2为现有光伏系统的最大功率点跟踪原理图。
图3为现有具有最大功率点跟踪控制的集中式光伏系统的系统框图。
图4为分散式最大功率追踪的光伏系统架构图。
图5A为本发明中分散式最大功率追踪的光伏系统的一实施例的系统框图。
图5B为本发明中分散式最大功率追踪的光伏系统的另一实施例的系统框图。
图6为本发明中直流-直流转换器的电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明提供的分散式最大功率追踪的光伏系统包括一个光伏模组串列、系统控制模组、直流-交流交换器。光伏模组串列由复数个光伏模组和复数个具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器组成，复数个光伏模组分别耦接至复数个直流-直流转换器，同时复数个直流-直流转换器的输出串接，形成所述光伏模组串列的输出，光伏模组与直流-交流交换器的输入耦接；再者，系统控制模组控制光伏模组串列中的直流-直流转换器。
基于上述原理本发明的具体实施如下：
实施例1
一般而言，较佳的方式还是将直流电源(特别是光伏模组的设备)加以串联连接。参见图4，该实施例提供的光伏系统400中光伏模组串列440由复数个光伏模组410和复数个具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器420组成。该实施例提供的光伏系统400中的光伏模组串列440可以只有一个，也可以是复数个，其输出并联。
每个光伏模组410是经由具有旁路二极管的连接器(该图中未显示)耦接至具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器420，并且这些直流-直流转换器420的输出是串联地连接，形成光伏模组串列的输出，并连接到直流-交流变换器430。
直流-直流转换器420是感测光伏模组410的输出电压与输出电流(即直流-直流转换器420的输入电压与输入电流)，用以将光伏模组410操作在最大功率点。
在每个光伏模组410后面耦接具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器420，直流-直流转换器420感测光伏模组410的输出电压与输出电流，并使得该输出电压与输出电流相乘得到功率来进行最大功率跟踪控制。这样，可以使得光伏系统400中的所有的光伏模组运行于其最佳工作点，不管所有光伏模组是否接受相同强度的太阳光。然而，在该光伏系统400所有光伏模组所接受的太阳光的强度一致时(该系统运行的大部分时间所有光伏模组都可以接受强度一致的太阳光)，具有最大功率跟踪控制机制的一直流-直流转换器420如果继续工作，就会成为该光伏系统中的多余的负载，使得该系统400的效率降低。因此，仍需要一种有效的架构能解决该缺陷。
基于上述问题，该实施例设计一种分散式最大功率追踪的光伏系统。
参见图5A，该光伏系统500的系统结构与图4相同，光伏系统500中光伏模组串列510、520由复数个光伏模组5101、5201和复数个具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器5102、5202组成。其具体连接关系如上所述，此处不加以赘述。
进一步的，该实施例提供的光伏系统500中还设置有一系统控制模组540，用来控制该系统中的直流-直流转换器5102、5202的运行状态。
光伏系统500运行时，系统中的直流-直流转换器5102、5202感测光伏模组5101、5201的输出电压与输出电流，并使得该输出电压与输出电流相乘得到功率来进行最大功率跟踪控制，这样，可以使得光伏系统500中的所有的光伏模组运行于其最佳工作点。
在该光伏系统500中所有的光伏模组所接受的太阳光强度一致时，则该系统控制模组540发出控制信号，使得该该光伏系统500中所有最大功率追踪直流直流转换器停止运行于开关状态，而运行于常通状态，即该大功率追踪直流直流转换器的输入与输出之间的开关管常通，相当于导线一样，只有能量传导功能，而不是能量转换。
在该光伏系统500中所有的光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，则该系统控制模组540发出控制信号，使得该该光伏系统500中相应的或所有的最大功率追踪直流直流转换器运行于开关状态，进行能量转换，使得所有的光伏模组都运行于最大功率点。
该系统控制模组540可以与所有最大功率追踪直流直流转换器都耦接，或电连接，或无线通讯，或载波通讯。总之该系统控制模组540可以与所有最大功率追踪直流直流转换器存在着直接或间接的通讯关系，该通讯关系可以是双向的，可以接受最大功率追踪直流直流转换器的电流信号或电压信号。其中该光伏系统中的最大功率追踪直流直流转换器可以是BUCK电路boost电路或BUCK-BOOST电路。
参见图6，该光伏系统500中的直流-直流转换器为一BUCK-BOOST电路。其中Cin为输入电容，Co为输出电容，L为一电感，S1，S2，S3，S4为半导体元件，例如开关管，D1，D2，D3，D4分别为其对应的体二极管。该开关管可为MOS管。其中S2，S4为同步整流管。当该光伏系统500中所有的光伏模组所接受的太阳光强度一致时，则该系统控制模组540发出控制信号，使得该该光伏系统500中所有最大功率追踪直流直流转换器停止运行于开关状态，即常通S1，S4，使得该最大功率追踪直流直流转换器类似一导线作用，仅有极少的损耗，此过程中S2，S3，可为关断状态。
当该光伏系统500中所有的光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，则该系统控制模组540发出控制信号，使得该该光伏系统500中相应的或所有的最大功率追踪直流直流转换器运行于开关状态，使得所有的光伏模组都运行于最大功率点。
实施例2
参见图5B，该实施例提供的光伏系统与实施例1相比多一个最大功率追踪直流-直流转换模组550，用来使得系统工作于最大功率状态。
最大功率追踪直流-直流转换模组550的输入与并联的光伏模组串列510、520的输出耦接，同时其输出与直流-交流交换器530的输入耦接。
该实施例中的最大功率追踪直流-直流转换模组550基于上述方案，本发明提供一具有系统控制模组的具有分散式最大功率追踪的光伏系统，使得当该光伏系统受到光照一致时，该光伏系统中最大功率追踪转换器不进行能量转换，只进行能量传输；而当该光伏系统受到光照不一致时，该光伏系统中最大功率追踪转换器进行能量转换，使得所有的光伏模组都能较好的运行于最大功率点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种分散式最大功率追踪的光伏系统，所述光伏系统包括一个光伏模组串列、系统控制模组、直流-交流交换器，其特征在于，所述光伏模组串列的输出与所述直流-交流交换器的输入耦接；所述光伏模组串列由复数个光伏模组和对应的复数个具有最大功率跟踪控制机制的直流-直流转换器组成，所述复数个光伏模组分别耦接至所述复数个直流-直流转换器，所述复数个直流-直流转换器的输出串接，形成所述光伏模组串列的输出；所述系统控制模组控制所述光伏模组串列中的直流-直流转换器。
2.根据权利要求1所述的一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，所述系统控制模组控制所述光伏模组串列中的直流-直流转换器时，当所述光伏模组所接受的太阳光强度一致时，所述直流-直流转换器被控制于输入输出之间直通状态，当所述光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，所述直流-直流转换器被控制于开关状态。
3.根据权利要求2所述的一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，所述系统控制模组通过检测所述光伏模组串列中光伏模组的输出电流或输出电压来判断所述光伏模组所接受的太阳光强度一致情况。
4.根据权利要求1所述的一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，所述光伏系统还包含一第二光伏模组串列，与所述光伏模组串列输出并联。
5.根据权利要求1或4所述的一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，所述光伏系统还包括一个最大功率追踪直流-直流转换模组，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输入与所述光伏模组串列的输出耦接，所述最大功率追踪直流-直流转换模组的输出与所述直流-交流交换器的输入耦接。
6.根据权利要求1或2所述的一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，所述直流-直流转换器为一BUCK电路、BOOST电路或BUCK-BOOST电路。
7.根据权利要求6所述的一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，所述直流-直流转换器为一BUCK-BOOST电路，包含输入电容(Cin)、输出电容(Co)、电感(L)、第一半导体元件(S1)、第二半导体元件(S2)、第三半导体元件(S3)、第四半导体元件(S4)。
8.根据权利要求7所述的一种分散式最大功率追踪的光伏系统，其特征在于，在光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，所述系统控制模组控制相应直流-直流转换器中第一半导体元件(S1)、第四半导体元件(S4)于常通状态，控制第二半导体元件(S2)、第三半导体元件(S3)于关断状态。
9.根据权利要求1所述的分散式最大功率追踪的光伏系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)直流-直流转换器感测光伏模组的输出电压与输出电流，并以此将光伏模组操作在最大功率点；
(2)在光伏模组所接受的太阳光强度一致时，系统控制模组控制直流-直流转换器停止运行于开关状态，而运行于常通状态；
(3)在光伏模组所接受的太阳光强度不一致时，系统控制模组控制相应的或所有的直流-直流转换器运行于开关状态，进行能量转换，使得光伏模组运行于最大功率点。
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