CN102713783A

CN102713783A - 最大功率点跟踪方法

Info

Publication number: CN102713783A
Application number: CN2011800064455A
Authority: CN
Inventors: 李起守
Original assignee: LS Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: EP2527948B1; KR101087823B1; JP2013517581A; WO2011087342A2; CN102713783B; WO2011087342A3; KR20110084676A; US8816667B2; ES2828456T3; JP5698264B2; EP2527948A2; EP2527948A4; US20130063117A1

Abstract

本发明涉及一种最大功率点跟踪方法，该方法包括：利用在当前时间点和前一时间点测量到的电压和功率来临时确定下一电压指令；当电压指令的增加或减小持续预定的次数或更多时，判定出临时确定为增加的下一电压指令减小或者临时确定为减小的下一电压指令增加；并且基于确定出的下一电压指令来调整太阳能电池的输出电压。

Description

最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及在光伏发电中的最大功率点跟踪（MPPT）方法，特别是涉及能够在光伏发电系统的并网逆变器中执行的MPPT方法。

背景技术

并网光伏发电系统中所要求的控制算法可以主要分为最大功率点跟踪（MPPT）控制算法、DC-DC转换器输入电流控制算法、锁相环（PLL）控制算法、DC母线电压控制算法、逆变器输出电流控制算法、反孤岛算法以及孤岛保护算法。

因为光伏能量的功率根据太阳辐射的量和温度而非线性地改变，所以MPPT控制算法是通过检测最大功率点而使得效率最大化的控制方法。利用通过MPPT控制算法产生的DC-DC转换器的输入基准电流，从而执行DC-DC转换器输入电流控制算法。PLL控制算法用于检测并网电压的相位以及产生逆变器的输出基准电流。DC母线电压控制算法用于控制逆变器的DC母线电流以使其恒定，并且产生逆变器输出基准电流的幅值。逆变器输出电流控制算法通过根据DC母线电压的相位和幅值产生逆变器输出基准电流而执行，该DC母线电压通过PLL控制算法和DC电流电压控制算法产生。

在这些控制算法中，MPPT控制算法先于其它控制算法执行，因此要求快速性和准确性。

发明内容

技术问题

本发明提供一种快速且准确的用于光伏发电系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法。

特别地，本发明提供一种能够反映太阳辐射量的改变的MPPT方法。

技术方案

根据本发明的一个方案，提供了一种最大功率点跟踪方法。该方法包括：利用在当前时间点和前一时间点测量到的电压和功率来临时确定下一电压指令；当电压指令的增加或减小持续预定的次数或更多时，判定出临时确定为增加的下一电压指令减小或者临时确定为减小的下一电压指令增加；并且基于确定出的下一电压指令来调整太阳能电池的输出电压。

根据本发明的另一个方案，提供了一种太阳能电池系统。该系统包括：太阳能电池板；测量单元，其配置为测量在太阳能电池板中产生的功率的电特性；DC-DC转换器，其配置为对在太阳能电池板中产生的功率执行DC-DC转换；以及控制单元，其配置为：利用在当前时间点和前一时间点测量到的电压和功率来临时确定下一电压指令，当电压指令的增加或减小持续预定的次数或更多时，判定出临时确定为增加的下一电压指令减小或者临时判定为减小的下一电压指令增加，并且基于确定出的下一电压指令来调整太阳能电池板的输出电压，从而执行用于太阳能电池板中产生的功率的MPPT方法。

有益效果

根据如上述所配置的本发明的MPPT方法，太阳辐射量的改变能够被快速且准确地反映在光伏发电系统中。

附图说明

图1是示出了扰动观察（P&O）式最大功率点跟踪（MPPT）方法的流程图。

图2是示出了在正常情形下利用图1的MPPT方法的MPPT原理的图表。

图3是示出了根据本发明的一个实施例的MPPT方法的流程图。

图4是示出了根据本发明的另一个实施例的MPPT方法的流程图。

图5是示出了在反常情形下利用根据本发明的实施例的MPPT方法的MPPT原理的图表。

图6是示出了用于执行根据本发明的MPPT方法的太阳能电池系统的方框图。

具体实施方式

在下文中结合附图对本发明进行更加全面的描述，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以许多不同的形式具体化而不应当被解释为受这里阐述的实施例所限制。更确切些，这些提供的实施例使得本公开是完整的并且将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。

本发明是这样的发明，其中扰动观察（P&O）式最大功率点跟踪（MPPT）技术被额外地改进从而避免当太阳辐射的量改变时错误的最大功率点被跟踪的情况。

图1示出了被称作P&O MPPT方法的代表性MPPT方法。首先，以预定的时间间隔对太阳能电池的电压和功率进行测量。一般地，该功率通过电压的测量值和电流的测量值而计算得出，但是为了阐述方便将被称作功率测量。

如图1所示，为确定在下一测量时间点（k+1）的电压指令Vr（k+1），P&O MPPT方法包括：将当前功率P（k）与前一功率P（k-1）进行比较（S210）；将当前电压Vc（k）与前一电压Vc（k-1）进行比较（S220）；在当前功率P（k）大于前一功率P（k-1）并且当前电压Vc（k）大于前一电压Vc（k-1）时，将下一电压指令Vr（k+1）判定为通过增加当前指令Vr（k）而获得的值（S290）；在当前功率P（k）大于前一功率P（k-1）并且前一电压Vc（k-1）大于当前电压Vc（k）时，将下一电压指令Vr（k+1）判定为通过减小当前电压指令Vr（k）而获得的值（S280）；在前一功率P（k-1）大于当前功率P（k）并且当前电压Vc（k）大于前一电压Vc（k-1）时，将下一电压指令Vr（k+1）判定为通过减小当前电压指令Vr（k）而获得的值（S260）；以及在前一功率P（k-1）大于当前功率P（k）并且前一电压Vc（k-1）大于当前电压Vc（k）时，将下一电压指令Vr（k+1）判定为通过增加当前电压指令Vr（k）而获得的值（S270）。

如果在前一时间点（k-1）测量到的功率P（k-1）和在当前时间点k测量到的功率P（k）没有改变，则使太阳能电池的电压指令保持为原样（S210和S500）。另一方面，如果在前一时间点（k-1）测量到的功率P（k-1）和在当前时间点k测量到的功率P（k）改变，则判定在当前时间点k测量到的功率P（k）相比于在前一时间点（k-1）测量到的功率P（k-1）是增加还是减小（S220）。而且，判定太阳能电池的当前电压V（k）相比于太阳能电池的前一电压V（k-1）是增加还是减小（S230和S240）。

如果所测量到的电压和功率增加，则使太阳能电池的电压指令增加预定的值（S290）。可选择地，如果所测量到的功率增加但是所测量到的电压减小，则使太阳能电池的电压指令减小预定的值（S280）。如果所测量到的功率和电压减小，则使太阳能电池的电压指令增加预定的值（S270）。如果所测量到的功率减小但是所测量到的电压增加，则使太阳能电池的电压指令减小预定的值（S260）。

图2示出了太阳能电池的功率-电压（PV）特性曲线。当太阳辐射的量恒定时，太阳能电池在PV特性曲线之下运行。

在图1的MPPT方法中，首先以预定的时间间隔对太阳能电池的电压和电流进行测量，然后计算太阳能电池的功率。如果前一功率和当前功率没有改变，则使太阳能电池的电压指令保持为原样。

如果前一功率和当前功率改变，则判定当前功率相比于前一功率是增加还是减小，并且判定太阳能电池的当前电压相比于太阳能电池的前一电压是增加还是减小。如果功率和电压增加，则使太阳能电池的电压指令增加预定的值。可选择地，如果功率增加但是电压减小，则使太阳能电池的电压指令减小预定的值。如果功率和电压减小，则使太阳能电池的电压指令增加预定的值。如果功率减小但是电压增加，则使太阳能电池的电压指令减小预定的值。根据如上所述确定出的太阳能电池的电压指令，通过运行并网逆变器来跟踪最大功率点。

在太阳辐射的量是恒定的情况下，图1中所示的MPPT方法是跟踪最大功率点的最简单且最有效的方法。然而，实际上，太阳辐射的量依据天气不断地改变，而最大功率点不能被跟踪或者在特定的条件下跟踪最大功率点需要很长的时间。特别地，在天气变化严重的日子里，当太阳辐射的量减小然后增加时并且当太阳能电池的电压指令减小预定的值时，太阳能电池的当前电压相比于太阳能电池的前一电压减小，而太阳辐射的量增加。因此，太阳能电池的功率增加，并且因此，太阳能电池的电压指令实际上必然增加。然而，太阳能电池的电压指令减小，并且太阳能电池的功率随着太阳辐射的量增加而增加。因此，太阳能电池的电压指令持续地减小，并且因此，最大功率点与实际最大功率点反向运动。将是显而易见的是，在通过设定电压指令的最大值和最小值来防止所述问题的情况下，MPPT控制可以被重置。然而，MPPT中存在波动。

图3示出了本发明中提出的改进的MPPT方法。

图3中示出的MPPT方法包括：利用在当前测量时间点k和前一测量时间点（k-1）测量到的电压和功率（S100）来临时确定下一电压指令Vr（k+1）（S200）；当电压指令Vr的增加或减小持续时确认次数（S300）；当电压指令Vr的增加或减小持续预定的次数或更多时，判定出临时确定为增加的下一电压指令Vr（k+1）减小或者判定出临时确定为减小的下一电压指令Vr（k+1）增加（S400）；并且基于确定出的下一电压指令来调整光伏发电模块的输出电压（S500）。

步骤S100和步骤S200与图1中的P&O MPPT方法中的步骤相同。然而，在图3中，在步骤S200处临时确定太阳能电池的下一电压指令。如果在步骤S260至步骤S290中的一个步骤处确定出太阳能电池的下一电压指令Vr（k+1），则在步骤S300和步骤S400处检测电压指令Vr（k+1）的增加/减小。

也就是说，在步骤S300处，判定当前时间点k与下一时间点（k+1）之间的电压指令是增加还是减小，并且如果判定出太阳能电池的电压指令Vr已经持续地增加或减小，则使太阳能电池的电压指令计数Vr_cnt增加。另一方面，如果判定出太阳能电池的电压指令Vr并未持续地增加或减小，则将太阳能电池的电压指令计数Vr_cnt初始化为0。

具体地，步骤S300可包括：将在前一时间点（k-1）的太阳能电池的电压指令Vr（k-1）与在当前时间点k的太阳能电池的电压指令Vr（k）进行比较（S310）；将当前电压指令Vr（k）与在下一时间点（k+1）的下一电压指令Vr（k+1）进行比较（S320和S330）；在当前电压指令Vr（k）大于前一电压指令Vr（k-1）并且下一电压指令Vr（k+1）大于当前电压指令Vr（k）时，使太阳能电池的电压指令计数Vr_cnt增加（S380）；在当前电压指令Vr（k）大于前一电压指令Vr（k-1）并且当前电压指令Vr（k）大于下一电压指令Vr（k+1）时，将太阳能电池的电压指令计数Vr_cnt重置为0（S370）；在前一电压指令Vr（k-1）大于当前电压指令Vr（k）并且当前电压指令Vr（k）大于下一电压指令Vr（k+1）时，使太阳能电池的电压指令计数Vr_cnt增加（S380）；以及在前一电压指令Vr（k-1）大于当前电压指令Vr（k）并且下一电压指令Vr（k+1）大于当前电压指令Vr（k）时，将太阳能电池的电压指令计数Vr_cnt重置为0（S370）。

接下来，在步骤S400处，如果太阳能电池的电压指令的增加或减小持续预定的基准次数（n）或更多，则通过改变在步骤S200处临时确定出的电压指令的增加或减小的方向来确定电压指令。

具体地，步骤S400可以包括：将电压指令计数Vr_cnt与预定的基准次数（n）进行比较（S410）；当电压指令计数Vr_cnt大于预定的基准次数（n）并且下一电压指令Vr（k+1）大于当前电压指令Vr（k）时，将下一电压指令Vr（k+1）判定为通过减小当前电压指令Vr（k）而获得的值（S440）；当电压指令计数Vr_cnt大于预定的基准次数（n）并且当前电压指令Vr（k）大于下一电压指令Vr（k+1）时，将下一电压指令Vr（k+1）判定为通过增加当前电压指令Vr（k）而获得的值（S430）；以及当预定的基准次数（n）大于电压指令计数Vr_cnt时，判定临时确定出的下一电压指令Vr（k+1）。

在步骤S440处，从临时确定出的下一电压指令Vr（k+1）中减去两倍的波动系数C以便将作为临时确定为增加值的下一电压指令Vr（k+1）转换成减小值。在步骤S430处，可以将两倍的波动系数C与临时确定出的下一电压指令Vr（k+1）相加以便将临时确定为减小值的下一电压指令值Vr（k+1）转换成增加值。

在步骤S500处，使在步骤S400处确定出的下一电压指令Vr（k+1）复位。光伏发电系统的逆变器（或者转换器）利用下一电压指令Vr（k+1）来控制光伏发电。

图3是示出了根据本发明的一个实施例的MPPT方法的流程图，使得本发明提出的程序与一般的P&O MPPT程序清晰地相区别。如果图3所示的程序如原样地实施，则多次重复地执行同一程序。然而，实际上，同一步骤仅首先执行一次，并且在之后执行根据先前执行的结果而确定出的步骤。具体地，在步骤S310处所判定的结果是根据已经执行的步骤S260至S290中的一个步骤而预先判定出的结果。在步骤S420处，再次执行在步骤S320或S330处执行的程序。

图4是示出了表现为使得图3中重叠的步骤不被重复执行的MPPT方法的流程图。在图4中，MPPT方法还包括在当前电压和前一电压在同一范围内时将前一电压指令确定为下一电压指令的步骤S1230、S1240和S1299。

图5示意性地示出了处于正常情形下的MPPT轨线9、处于反常情形下的MPPT轨线10和根据本发明的实施例的MPPT轨线11。

如果在处于在太阳辐射的量低的状态时太阳能电池运行于最大功率点的情形下太阳辐射的量快速增加，则太阳能电池的特性曲线逐渐增大。在正常情况下（在太阳能电池的当前电压指令增加的情况下），如图5所示跟踪最大功率点（线9）。

然而，在太阳能电池的当前电压指令Vr（k）减小的情形下太阳辐射的量快速增加时，即使太阳能电池的电压减小，功率也会增加。因此，根据图1的算法，太阳能电池的下一电压指令Vr（k+1）减小，并且在下一MPPT程序中功率也会增加。因此，太阳能电池的电压指令持续地减小，并且因此，最大功率点逐渐地远离实质上最大的功率点（线10）。当仅考虑P&O MPPT技术时，其是正常的操作，但是实质上变成错误的操作。因此，达到最大功率点需要花费更多的时间。

根据本发明的实施例的MPPT方法是这样的方法：其中，当太阳能电池的电压指令沿特定的方向甚至是在反常的情形下持续时，例如线10，通过将太阳能电池的电压指令的方向改变到相反的方向（线11），最大功率点被快速地跟踪到实质的最大功率点。

如图6所示，根据本发明的太阳能电池系统包括太阳能电池板10、测量单元20、DC-DC转换器30以及控制单元40，控制单元40配置为包括脉宽调制（PWM）控制器44、数/模转换器43以及微型计算机（MICOM）41。在太阳能电池系统中，跟踪太阳能电池板10的最大功率点，通过DC-DC转换器30对所跟踪的最大功率点进行整流，并且将整流后的最大功率点应用于负载（未示出）。

该负载可以是卫星的充电电池、电加热系统、电机、商用AC系统或它们的组合。

太阳能电池板10可以由太阳能电池配置而成，该太阳能电池包括半导体如无定形硅、非晶硅或者单晶硅以及复合半导体等。一般地，多个太阳能电池以串联/并联形式组合并且以阵列或串列形式布置以便获得预定的电压和电流。

测量单元20用于测量太阳能电池板10的电压和电流，并且测量单元20包括电压测量器21和电流测量器22。这里，电压测量器21可以配置为包括利用两个电阻器的分压器，并且电流测量器22可以配置为包括具有低电阻的测量电阻器、运算放大器和双极结型晶体管（BJT）。

如果由太阳能电池板10供应的最大电压是约24.5V，则电压测量器21的输出优选地被限制到5V或更小。因此，电压测量器21的电阻器R1和R2的电阻比配置为1:4。

电压测量器21和电流测量器22的输出分别连接到模/数转换器42的模拟输入引脚AIN.D和AIN.C。模/数转换器42在MICOM 41的控制下将模拟输入转换成数字输入，并且具有信息写入接口。

DC-DC转换器30用于转换太阳能电池板10的DC电力并且将转换后的电力供应到负载。DC-DC转换器30配置为包括自擦除式切换装置，并且DC-DC转换器30的功率流、输入/输出电压和输出频率可以通过调整门脉冲的占空比或者开/关速度来控制。DC-DC转换器30具有各种类型，但是考虑到卫星电池的充电电压和太阳能电池板的在最大功率点的电压，作为降压型的降压拓扑结构优选地应用于DC-DC转换器30。

通用的DC-DC转换器用于将特定范围内的输入电力转换成固定输出电力。然而，在本发明中，DC-DC转换器30用于控制供应到太阳能电池板的输入电力。在DC-DC转换器30中，如果PWM信号的占空比增加，则短路时间增加，并且因此，输出电流增大。如果PWM信号的占空比减小，则短路时间减少，并且因此，输出电流减小。因为P=VI，所以，当输出电流增加时，电压减小，并且当输出电流减小时，电压增加。

于是，如果太阳能电池板10的输出电压高于在最大功率点的电压，则MICOM 41增加PWM信号的占空比。因此，DC-DC转换器30中的短路时间增加。因此，从太阳能电池板10供应到负载的输出电流增加，并且太阳能电池板10的输出电压减小。另一方面，如果太阳能电池板10的输出电压低于在最大功率点的电压，则MICOM 41减小PWM信号的占空比。因此，DC-DC转换器30中的短路时间减少，并且从太阳能电池板10供应到负载的输出电流减小。因此，太阳能电池板10的输出电压增加。

为了执行用于在太阳能电池板10中产生的功率的MPPT方法，控制单元40利用在当前时间点和前一时间点测量到的电压和功率来临时确定下一电压指令。如果电压指令的增加或减小持续预定的次数或更多，则控制单元40判定出临时确定为增加的下一电压指令减小，或者判定出临时确定为减小的下一电压指令增加。然后，控制单元基于确定出的下一电压指令来调整太阳能电池板10的输出电压。

尽管本发明已经通过上述附图中所示的实施例进行了解释，但是对于本领域的普通技术人员应当理解的是，本发明不限于实施例，而是在不偏离本发明的精神的情况下的各种改变或改进是可能的。因此，本发明的范围将仅由附属的权利要求及其等同布局所确定。

Claims

1.一种最大功率点跟踪方法，包括：

利用在当前时间点和前一时间点测量到的电压和功率来临时确定下一电压指令；

当电压指令的增加或减小持续预定的次数或更多时，判定出临时确定为增加的下一电压指令减小或者临时确定为减小的下一电压指令增加；以及

基于确定出的下一电压指令来调整太阳能电池的输出电压。

2.根据权利要求1所述的最大功率点跟踪方法，还包括在临时确定下一电压指令的步骤之后，当所述电压指令的增加或减小持续时确认次数。

3.根据权利要求2所述的最大功率点跟踪方法，其中确认次数的步骤包括：

将前一电压指令与当前电压指令进行比较；

将所述当前电压指令与所述下一电压指令进行比较；

在所述当前电压指令大于所述前一电压指令并且所述下一电压指令大于所述当前电压指令时，增加电压指令计数；

在所述当前电压指令大于所述前一电压指令并且所述当前电压指令大于所述下一电压指令时，重置电压指令计数；

在所述前一电压指令大于所述当前电压指令并且所述当前电压指令大于所述下一电压指令时，增加电压指令计数；以及

在所述前一电压指令大于所述当前电压指令并且所述下一电压指令大于所述当前电压指令时，重置电压指令计数。

4.根据权利要求1所述的最大功率点跟踪方法，其中判定所述电压指令的步骤包括：

将电压指令计数与预定的基准次数进行比较；

当所述电压指令计数大于所述预定的基准次数并且所述下一电压指令大于当前电压指令时，将所述下一电压指令判定为通过减小所述当前电压指令而获得的值；

当所述电压指令计数大于所述预定的基准次数并且所述当前电压指令大于所述下一电压指令时，将所述下一电压指令判定为通过增加所述当前电压指令而获得的值；以及

当所述预定的基准次数大于所述电压指令计数时，判定临时确定出的下一电压指令。

5.根据权利要求1所述的最大功率点跟踪方法，其中临时确定电压指令的步骤包括：

将当前功率与前一功率进行比较；

将当前电压与前一电压进行比较；

当所述当前功率大于所述前一功率并且所述当前电压大于所述前一电压时，通过增加所述前一电压指令来临时确定所述下一电压指令；

当所述当前功率大于所述前一功率并且所述前一电压大于所述当前电压时，通过减小所述前一电压指令来临时确定所述下一电压指令；

当所述前一功率大于所述当前功率并且所述当前电压大于所述前一电压时，通过减小所述前一电压指令来临时确定所述下一电压指令；以及

当所述前一功率大于所述当前功率并且所述前一电压大于所述当前电压时，通过增加所述前一电压指令来临时确定所述下一电压指令。

6.根据权利要求5所述的最大功率点跟踪方法，还包括当所述当前功率和所述前一功率在同一范围内时，将所述前一电压指令判定为下一电压指令。

7.根据权利要求5所述的最大功率点跟踪方法，还包括当所述当前电压和所述前一电压在同一范围内时，将所述前一电压指令判定为下一电压指令。

8.一种光伏发电系统，包括：

太阳能电池板；

测量单元，其配置为测量在所述太阳能电池板中产生的功率的电特性；

DC-DC转换器，其配置为对在所述太阳能电池板中产生的功率执行DC-DC转换；以及

控制单元，其配置为：利用在当前时间点和前一时间点测量到的电压和功率来临时确定下一电压指令，当电压指令的增加或减小持续预定的次数或更多时，判定出临时确定为增加的下一电压指令减小或者临时确定为减小的下一电压指令增加，并且基于确定出的下一电压指令来调整太阳能电池板的输出电压，从而执行用于所述太阳能电池板中产生的功率的最大功率点跟踪方法。