CN102681589A - 一种光伏发电中追踪最大功率点的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电中追踪最大功率点的装置和方法，装置包括单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块、湿度测量模块、光伏发电预测控制器、电压调节模块和电源模块；光伏发电预测控制模块根据单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块和湿度测量模块采集的开路电压信号、温度信号和湿度信号计算得出最大功率点电压，电压调节模块根据该最大功率点电压对阵列光伏电池的输出电压进行调节，即可获得阵列光伏电池的最大功率点电压。本发明可以快速、准确的跟踪光伏电池最大功率点电压，在气候环境等影响光伏发电的因素变化时可以实时的追踪光伏电池最大功率点电压；并且使光伏电池按照最大功率点电压输出。

Description

一种光伏发电中追踪最大功率点的装置和方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏发电中追踪最大功率点的装置和方法。 

背景技术

随着不可再生能源的消耗，以及环境污染的加剧，太阳能凭借其资源丰富、分布广泛、开发利用简单、无污染等特点，越来越受到人们的青睐，成为替代传统能源的理想能源。在人们生活、工作中得到了广泛的应用。其中最为主要的就是将太阳能装换位电能，即利用光伏发电技术。

目前应用的光伏发电最大功率点跟踪装置和方法，主要有以下两种：

1、采用恒定电压（CVT）方法的光伏发电最大功率点电压跟踪装置，光伏电池的输出电压只能为固定在最大功率点附近的值，从而忽略了温度、湿度等因素对太阳电池开路电压的影响，而由于外界影响因素的变化及负载变化，通常采用CVT法的装置误差很大，并不能在所有的温度环境下完全跟踪最大功率。

2、采用扰动观察法的光伏发电最大功率点电压跟踪装置。这种装置具有简单实用，但是它在控制过程中，容易出现震荡现象，并且不适用与外界因素快速变化的情况。 

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光伏发电中追踪最大功率点电压的装置和方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光伏发电中追踪最大功率点的装置，它包括单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块、湿度测量模块、光伏发电预测控制器、电压调节模块和电源模块；其中，所述单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块和湿度测量模块均与光伏发电预测控制器相连，光伏发电预测控制器与电压调整模块相连，电源模块为单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块、湿度测量模块、光伏发电预测控制器和电压调节模块供电。 

一种应用上述装置的光伏发电中追踪最大功率点的方法，包括如下步骤：

（1）单体光伏电池开路电压采集模块采集单体光伏电池开路电压，将单体光伏电池开路电压放大至1.0-2.5V后输入光伏发电预测控制器；

（2）温度测量模块测量温度，并将温度信号输入光伏发电预测控制器；

（3）湿度测量模块测量湿度，并将湿度信号输入光伏发电预测控制器；

（4）光伏发电预测控制器建立最大功率点电压计算模型：

；

其中，

为光伏电池最大功率点电压，a为常数，取值为0.75，b为常数，取值0.1，TempOut为温度测量模块采集的温度信号，HumiOut为湿度测量模块采集的湿度信号，为单体光伏电池开路电压采集模块采集的单体光伏电池的开路电压信号；

（5）光伏发电预测控制模块根据步骤1-3中测得的开路电压信号、温度信号、湿度信号，计算得出最大功率点电压，并将最大功率点电压输入到电压调节模块；

（6）电压调节模块根据最大功率点电压对阵列光伏电池的输出电压进行调节，即可获得阵列光伏电池的最大功率点电压。 

本发明的有益效果是，

1、本发明能够准确的跟踪光伏电池的最大功率点电压，保证光伏电池按照最大功率点电压输出。 

2、本发明能够快速的跟踪光伏电池的最大功率点电压，保证光伏电池按照最大功率点电压输出，而不受外界因素的影响。

附图说明

图1是光伏电池最大功率点电压跟踪结构简图；

图2是单体光伏电池开路电压采集电路图；

图3是温度测量电路图；

图4是湿度测量电路图；

图5是电压调节模块电路图；

图6是MSP430XG461X的端口接线图；

图7是最大功率点电压放大电路图；

图8是电源模块电路图。

具体实施方式

本发明结构如图1所示，包含单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块、湿度测量模块、光伏发电预测控制器、电压调节模块、电源模块。单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块和湿度测量模块均与光伏发电预测控制器相连，光伏发电预测控制器与电压调整模块相连，电源模块为单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块、湿度测量模块、光伏发电预测控制器和电压调节模块供电。 

所述的单体光伏电池开路电压采集模块如图2所示，主要由2个集成放大器U1和U2、4个电阻R1-R4和1个电解电容C1组成。光伏单体电池的正极接电阻R1，负极接地，电阻R1另一端分别与集成放大器U1的负输入端、电解电容C1的正极和电阻R2的一端相连，电解电容C1的负极和集成放大器U1的正输入端接地，电阻R2的另一端分别与集成放大器U1的输出端和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端分别与集成放大器U2的负输入端和电阻R4的一端相连，集成放大器U2的正输入端接地，电阻R4的另一端和集成放大器U2的输出端相连后与光伏发电预测控制器相连。

所述的温度测量模块如图3所示，主要由K型热电偶传感器,热电偶补偿器U3,三个集成放大器U4-U6，七个电阻R5、R7、R8、R27-R30，一个可变电阻R6、一个电容C2和一个电解电容C3组成。热电偶补偿器U3可以采用凌特公司的热电偶补偿器LT1025，但不限于此；热电偶补偿器U3的输入电压引脚接电源模块的VCC，负电压输入引脚接电阻R8的一端，电阻R8的另一端与电压VEE相连，热电偶补偿器U3的接地引脚和复位引脚均与地相连，输入引脚与K型热电偶传感器的负极相连，K型热电偶传感器正极分别与电解电容C3的正极和集成放大器U4的正输入端相连，电解电容C3的另一端接地，集成放大器U4的负输入端分别与电容C2一端和可变电阻R6的滑片相连，可变电阻R6的一个接线柱与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接地，可变电阻R6的另一个接线柱与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端分别与电容C2的另一端、集成放大器U4的输出端和电阻R27的一端相连，电阻R27的另一端分别与集成放大器U5的正输入端和电阻R28 的一端相连，集成放大器U5的负输入端接地，电阻R28 的另一端分别与集成放大器U5的输出端和电阻R29的一端相连，电阻R29的另一端分别与集成放大器U6的正输入端和电阻R30 的一端相连，集成放大器U6的负输入端接地，电阻R30的另一端和集成放大器U6的输出端相连后与光伏发电预测控制器相连。

所述的湿度测量模块如图4所示，主要由湿度传感器、时钟芯片U7，４个电阻R9-R12组成，时钟芯片U7可以采用TI公司的TLC555，湿度传感器可采用日本SCEMARIC的湿度传感器HS1100，但均不限于此。时钟芯片Ｕ７的接地引脚与地相连，时钟芯片U7的位触发引脚分别与时钟芯片U7的阈值输入引脚、电阻R10的一端和湿度传感器的一端相连，时钟芯片U7的输出引脚与电阻R12 的一端相连，电阻R12的另一端和光伏发电预测控制器相连，时钟芯片U7的复位引脚与电源电压相连，时钟芯片U7的控制信号输入引脚与电阻R11相连，电阻R11的另一端和湿度传感器的另一端均接地，时钟芯片U7的放电引脚分别与电阻R10的另一端和电阻R9的一端相连，时钟芯片U7的电源输入引脚与电阻R9的另一端均与电源电压VCC相连。

所述的电压调节模块如图5所示。此模块主要由3个集成放大器U8-U10，10个电阻R13-R22组成。图中Varray为光伏阵列输出电压，Vsout为预测控制器计算的最大功率点电压。光伏阵列输出电压Varray与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端分别与电阻R13 的一端和集成放大器U8的负输入端相连，电阻R13的另一端接地，最大功率点电压Vsout与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端分别与电阻R16的一端和集成放大器U8的正输入端相连，电阻R16的另一端分别与集成放大器U8的输出端和电阻R18相连，电阻R18的另一端分别与电阻R17的一端和集成放大器U9的负输入端相连，电阻R17的另一端接地，光伏阵列输出电压Varray信号与电阻R19相连，电阻R19的另一端分别与电阻R20的一端和集成放大器U9的正输入端相连，电阻R20的另一端分别与集成放大器U9的输出和电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端分别与集成放大器U10的正输入端及电阻R22的一端相连，集成放大器U10的负输入端接地，电阻R22的另一端与集成放大器U10 的输出端相连后为阵列光伏电池的输出。

所述的光伏发电预测控制器模块如图6和图7所示，主要由处理芯片U11，两个集成放大器U12-U13，两个振荡器Y1-Y2，两个电容C4-C5，4个电阻R23-R26组成，处理芯片U11可以采用TI公司的16位单片机MSP430XG46X，也可采用其他类似产品。如图6所示，电源电压VCC与处理芯片U11的电源输入引脚相连，振荡器Y2两端分别与处理芯片U11低频振荡的输入引脚和输出引脚相连，振荡器Y1的两端分别与处理芯片U11高频振荡的输入引脚和输出引脚相连，振荡器Y1的两端分别接电容C4和电容C5，电容C4和电容C5的另一端均接地。如图7 所示，处理芯片U11的模拟量输出管脚输出最大功率点电压信号Vs至电阻R23，电阻R23的另一端分别与集成放大器U13的正输入端和电阻R24的一端相连，集成放大器U13的负输入端接地，电阻R24的另一端分别与集成放大器U13的输出和电阻R25的一端相连，电阻R25的另一端分别与集成放大器U12的正输入端和电阻R26的一端相连，集成放大器U12的负输入端接地，电阻R26的另一端与集成放大器的U12的输出相连后与电压调节模块相连。

图2-图4和图7中，单体光伏电池开路电压采集模块的输出Vsin与U11的模拟输入端口P6.2相连，湿度采集模块的输出信号HumiOut与U11的模拟输入端口P6.1相连，温度采集模块的输出信号TempOut与U11的模拟输入端口P6.0相连，U11的模拟量输出端口P5.1与图7中的电压放大电路相连。

所述的电源模块如图8所示，主要由集成放大器U14、2个电阻R31-R32、6个电容C6-C11和2个电感L1-L2组成。其中V+为恒压电源提供的10V电压，V-为恒压电源提供-10V电压。输出信号VCC分别与电容C7的一端、电容C9的一端、电阻R31 的一端、电容C11的一端及电感L1的一端相连，电容C9的另一端与电容C10的一端相连，电容C7 的另一端分别与电容C8 的一端、集成放大器U14的输出端和集成放大器U14的负输入端相连,电容C8的另一端、电容C10的另一端、电阻R32的一端和电容C11的另一端和电感L2的一端均与输出电压VEE相连，电阻R31的另一端分别与电阻R32的另一端及集成放大器U14的正输入端相连，电感L1的另一端分别与恒压电源提供的V+及电容C6的一端相连，电感L2的另一端分别与恒压电源提供的V-及电容C6的另一端相连。

本发明的方法包括如下步骤：

1、单体光伏电池开路电压采集模块采集单体光伏电池开路电压，将单体光伏电池开路电压放大至1.0-2.5V后输入光伏发电预测控制器。

2、温度测量模块测量温度，并将温度信号输入光伏发电预测控制器。

3、湿度测量模块测量湿度，并将湿度信号输入光伏发电预测控制器。

4、光伏发电预测控制器建立最大功率点电压计算模型：

其中

为计算所得光伏电池最大功率点电压，a为常数，取值为0.75，b为常数，取值0.1，TempOut为温度测量模块采集的温度信号，HumiOut为湿度测量模块采集的湿度信号，

为单体光伏电池开路电压采集模块采集的单体光伏电池的开路电压信号。

5、光伏发电预测控制模块根据步骤1-3中测得的开路电压信号、温度信号、湿度信号，计算得出最大功率点电压，并将最大功率点电压输入到电压调节模块。

6、电压调节模块根据最大功率点电压对阵列光伏电池的输出电压进行调节，即可获得阵列光伏电池的最大功率点电压。

Claims (8)

1.一种光伏发电中追踪最大功率点的装置，其特征在于，它包括单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块、湿度测量模块、光伏发电预测控制器、电压调节模块和电源模块等；其中，所述单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块和湿度测量模块均与光伏发电预测控制器相连，光伏发电预测控制器与电压调整模块相连，电源模块为单体光伏电池开路电压采集模块、温度测量模块、湿度测量模块、光伏发电预测控制器和电压调节模块供电。

2. 根据权利要求1所述光伏发电中追踪最大功率点的装置，其特征在于，所述单体光伏电池开路电压采集模块主要由2个集成放大器U1和U2、4个电阻R1-R4和1个电解电容C1组成；其中，电阻R1的一端分别与集成放大器U1的负输入端、电解电容C1的正极和电阻R2的一端相连，电解电容C1的负极和集成放大器U1的正输入端均接地，电阻R2的另一端分别与集成放大器U1的输出端和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端分别与集成放大器U2的负输入端和电阻R4的一端相连，集成放大器U2的正输入端接地，电阻R4的另一端和集成放大器U2的输出端相连后与光伏发电预测控制器相连。

3.根据权利要求1所述光伏发电中追踪最大功率点的装置，其特征在于，所述温度测量模块主要由K型热电偶传感器,热电偶补偿器U3,三个集成放大器U4-U6，七个电阻R5、R7、R8、R27-R30，一个可变电阻R6、一个电容C2和一个电解电容C3组成；其中，热电偶补偿器U3的输入电压引脚接电源模块的VCC，负电压输入引脚接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接电源模块的VEE；热电偶补偿器U3的接地引脚和复位引脚均与地相连，输入引脚与K型热电偶传感器的负极相连；K型热电偶传感器正极分别与电解电容C3的正极和集成放大器U4的正输入端相连，电解电容C3的另一端接地，集成放大器U4的负输入端分别与电容C2一端和可变电阻R6的滑片相连，可变电阻R6的一个接线柱与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接地，可变电阻R6的另一个接线柱与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端分别与电容C2的另一端、集成放大器U4的输出端和电阻R27的一端相连，电阻R27的另一端分别与集成放大器U5的正输入端和电阻R28 的一端相连，集成放大器U5的负输入端接地，电阻R28 的另一端分别与集成放大器U5的输出端和电阻R29的一端相连，电阻R29的另一端分别与集成放大器U6的正输入端和电阻R30 的一端相连，集成放大器U6的负输入端接地，电阻R30的另一端和集成放大器U6的输出端相连后与光伏发电预测控制器相连。

4.根据权利要求1所述光伏发电中追踪最大功率点的装置，其特征在于，所述湿度测量模块主要由湿度传感器、时钟芯片U7，４个电阻R9-R12组成；其中，时钟芯片U7的接地引脚与地相连，时钟芯片U7的位触发引脚分别与时钟芯片U7的阈值输入引脚、电阻R10的一端和湿度传感器的一端相连，时钟芯片U7的输出引脚与电阻R12 的一端相连，电阻R12的另一端和光伏发电预测控制器相连，时钟芯片U7的复位引脚与电源电压相连，时钟芯片U7的控制信号输入引脚与电阻R11相连，电阻R11的另一端和湿度传感器的另一端均接地，时钟芯片U7的放电引脚分别与电阻R10的另一端和电阻R9的一端相连，时钟芯片U7的电源输入引脚与电阻R9的另一端均与电源电压VCC相连。

5.根据权利要求1所述光伏发电中追踪最大功率点的装置，其特征在于，所述电压调节模块主要由3个集成放大器U8-U10，10个电阻R13-R22组成；电阻R14的一端分别与电阻R13 的一端和集成放大器U8的负输入端相连，电阻R13的另一端接地，电阻R15的一端分别与电阻R16的一端和集成放大器U8的正输入端相连，电阻R16的另一端分别与集成放大器U8的输出端和电阻R18相连，电阻R18的另一端分别与电阻R17的一端和集成放大器U9的负输入端相连，电阻R17的另一端接地；电阻R19的一端分别与电阻R20的一端和集成放大器U9的正输入端相连，电阻R20的另一端分别与集成放大器U9的输出和电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端分别与集成放大器U10的正输入端及电阻R22的一端相连，集成放大器U10的负输入端接地，电阻R22的另一端与集成放大器U10 的输出端相连后为阵列光伏电池的输出。

6.根据权利要求1所述光伏发电中追踪最大功率点的装置，其特征在于，所述光伏发电预测控制器模块主要由处理芯片U11，两个集成放大器U12-U13，两个振荡器Y1-Y2，两个电容C4-C5，4个电阻R23-R26组成；其中，处理芯片U11的电源输入引脚与电源模块相连，振荡器Y2两端分别与处理芯片U11低频振荡的输入引脚和输出引脚相连，振荡器Y1的两端分别与处理芯片U11高频振荡的输入引脚和输出引脚相连，振荡器Y1的两端分别接电容C4和电容C5，电容C4和电容C5的另一端均接地；处理芯片U11的模拟量输出管脚与电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端分别与集成放大器U13的正输入端和电阻R24的一端相连，集成放大器U13的负输入端接地，电阻R24的另一端分别与集成放大器U13的输出和电阻R25的一端相连，电阻R25的另一端分别与集成放大器U12的正输入端和电阻R26的一端相连，集成放大器U12的负输入端接地，电阻R26的另一端与集成放大器的U12的输出相连后与电压调节模块相连。

7.根据权利要求1所述光伏发电中追踪最大功率点的装置，其特征在于，所述电源模块主要由集成放大器U14、2个电阻R31-R32、6个电容C6-C11和2个电感L1-L2组成；电容C7、电容C9、电阻R31、电容C11和电感L1相连，作为电源模块的VCC输出端，电容C9的另一端与电容C10的一端相连，电容C7 的另一端分别与电容C8 的一端、集成放大器U14的输出端和集成放大器U14的负输入端相连；电容C8的另一端、电容C10的另一端、电阻R32的一端、电容C11的另一端和电感L2的一端相连，作为电源模块的VEE输出端；电阻R31的另一端分别与电阻R32的另一端及集成放大器U14的正输入端相连，电感L1的另一端与电容C6的一端相连，电感L2的另一端与电容C6的另一端相连。

8.一种应用权利要求1所述装置的光伏发电中追踪最大功率点的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）单体光伏电池开路电压采集模块采集单体光伏电池开路电压，将单体光伏电池开路电压放大至1.0-2.5V后输入光伏发电预测控制器；

（2）温度测量模块测量温度，并将温度信号输入光伏发电预测控制器；

（3）湿度测量模块测量湿度，并将湿度信号输入光伏发电预测控制器；

（4）光伏发电预测控制器建立最大功率点电压计算模型：

；

其中，

为光伏电池最大功率点电压，a为常数，可取值为0.75，b为常数，可取值0.1，TempOut为温度测量模块采集的温度信号，HumiOut为湿度测量模块采集的湿度信号，

为单体光伏电池开路电压采集模块采集的单体光伏电池的开路电压信号；

（5）光伏发电预测控制模块根据步骤1-3中测得的开路电压信号、温度信号、湿度信号，计算得出最大功率点电压，并将最大功率点电压输入到电压调节模块；

（6）电压调节模块根据最大功率点电压对阵列光伏电池的输出电压进行调节，即可获得阵列光伏电池的最大功率点电压。

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