CN102780398A - 智能太阳能光伏电池板的组件优化器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器及其控制方法，组件优化系统包括的组件优化器的控制器以高性能高速DSP处理器为核心，是将高频直流开关电源技术引用至分布式光伏发电系统中，可根据直流变换调节裕度选择直流变换拓扑，或升压、或降压，并通过实时观测前级输入电压、电流与后级输出电压和电流的控制方法来选择组件优化器的工作模式，使得在任意辐照度情况下，光伏电池板组件之间不会产生失配现象，同时每个组件都能最大功率输出，进而极大的收获了因辐照度不均而损失的光伏电池阵列的电量，使整个光伏电池阵列的发电使用率达到最优，具有良好的应用前景。

Description

智能太阳能光伏电池板的组件优化器及其控制方法

技术领域

本发明涉及用于不同入射辐照度情况下的光伏电池板输出最大功率的智能太阳能光伏电池板的组件优化器及其控制方法，属于新能源利用技术领域。

背景技术

随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一，近年来，以太阳能为代表的可再生清洁能源发电技术在全球范围内快速发展，在光伏发电系统中一般选用性能一致的光伏电池板通过串、并联的方式构成光伏电池阵列，在系统设计时要遵循光伏电池板尽可能不被遮蔽等原则，这样能最大限度的利用太阳能，随着智能电网的提出和实施，太阳能发电与建筑相结合等分布式系统将在太阳能发电系统占据越来越大的比重，在这样的分布式太阳能发电系统就可能存在电池板被遮蔽的情况，而且即便选了一致性好的光伏电池板，但由于光伏电池板老化的缘故也将导致光伏电池板输出不一致，目前，为防止遮蔽以及光伏电池板不匹配等原因导致光伏电池板的“热斑效应”，一般采用并联旁路二极管的方法解决，尽管采用旁路二极管能够起到对光伏电池板组件保护的作用，但当旁路二极管起作用时被旁路的光伏电池板组件将不产生任何电能，由于当串联的光伏电池板组件的若有一个光伏电池板组件产生的光电流较小(发电量小)当其对应得旁路二极管还未起作用，则所用串联组件的输出光电流都会被限制在这个较小值，导致这些光伏电池板组件不能工作在最大功率点上，大大影响了整个光伏电池阵列的发电量，美国国家半导体公司的一项试验还表明当8%至16%的光伏电池板被遮蔽，将导致光伏发电系统的发电量跌幅高达35%至40%，这对光伏电池阵列的照度不均匀情况下的发电量影响非常大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供了一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器及其控制方法，能够实现不同入射辐照度的光伏电池板在不失配的情况下，所有的光伏电池板组件均能够输出最大电能，使整个光伏电池阵列的发电量达到最优，具有良好的应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：包括正、负输入端子、两组功率场效应管、电感、控制器和正、负输出端子，所述正、负输入端子作为组件优化器的输入端外接光伏电池板的输出端，并通过第一组功率场效应管与电感的一端相连接，所述电感的另一端通过第二组功率场效应管与所述正、负输出端子相连接，所述正、负输出端子作为组件优化器的输出端外接输电线缆，所述两组功率场效应管的控制输入端还分别与所述控制器相连接。

前述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述正、负输入端子与第一组功率场效应管之间还设有输入滤波电容，所述正、负输出端子与第二组功率场效应管之间还设有输出滤波电容。

前述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述正、负输出端子之间还设有二极管，所述二极管的正极与负输出端子相连接，所述二极管的负极与正输出端子相连接。

前述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述正、负输入端子和正、负输出端子均采用标准MC-4连接件。

前述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述控制器包括DSP处理器、功率场效应管驱动电路和状态指示电路，所述DSP处理器通过功率场效应管驱动电路分别与两组功率场效应管的控制输入端相连接，所述DSP处理器还与状态指示电路相连接。

一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器的控制方法，其特征在于：基于上述组件优化器的控制方法，包括以下步骤，

（1）将多个功率不同的组件优化器的正、负输入端子分别与对应的功率的光伏电池板的输出端相连接；

（2）将各个组件优化器上电，组件优化器会进行自检；

（3）控制各个组件优化器中的两组功率场效应管中的场效应管的通断，使组件优化器不进行直流变换，组件优化器工作在组件模式；

（4）各个组件优化器在组件模式稳定工作后，进入升压模式，所述升压模式控制各个组件优化器中的两组功率场效应管中的场效应管的通断实现升压直流变换，各个组件优化器均按照电导增量法进行最大功率点搜索；

（5）在最大功率点搜索中，各个组件优化器的检测输入电压Vin与输出电压Vout的关系，若Vin<1.1Vout时，表明组件优化器逐渐靠近升压拓扑中直流变换调节裕度的临界点，便停止升压模式，进入降压模式；若Vin>0.93Vout时，表明组件优化器逐渐靠近降压拓扑中直流变换调节裕度的临界点，便停止降压模式，进入升压模式；

（6）根据步骤（5）的各个组件优化器工作在升压模式或者降压模式时，直到满足最大功率点跟踪，则不在进行升压或者降压模式切换，使光伏电池板稳定工作在最大功率点处。

前述的一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器的控制方法，其特征在于：步骤（4）所述各个组件优化器均按照电导增量法进行最大功率点搜索，所述电导增量法具体包括以下步骤，

1）列出光伏电池板的功率-电压曲线；

2）搜索功率-电压曲线的最大功率点

功率-电压曲线存在唯一的极值点，根据经典的导纳增量法的判断依据公式（1），

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0\&RightArrow;\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=-\frac{I}{V}---\left(1\right)$

其中P为功率-电压曲线的功率，V为功率-电压曲线的电压，I为功率-电压曲线的电流，根据功率对电压的导数

与的关系，（I_n为当前第n次采样得到的电流、V_n为当前第n次采样得到的电压，I_n-1为第n-1次采样得到的电流、V_n-1为第n-1次采样得到的电压），在功率对电压的导数为零处搜索功率-电压曲线的最大功率点索。

前述的一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器的控制方法，其特征在于：步骤（2）所述在功率对电压的导数为零的附近进行最大功率点的搜索为每隔10ms改变一次直流变化控制占空比，所述控制占空比的变化步长为前各控制占空比的的0.25%，实现最大功率点的精确搜索。

本发明的有益效果是：本发明提供的智能太阳能光伏电池板的组件优化器是将高频直流开关电源技术引用至分布式光伏发电系统中，可根据直流变换调节裕度选择直流变换拓扑，或升压，或降压，或不进行直流斩波变换，组件优化器的控制器以高性能高速DSP处理器为核心，通过实时观测前级输入电压、电流与后级输出电压和电流的控制方法来选择组件优化器的工作模式，使得在任意辐照度情况下，光伏电池板组件之间不会产生失配现象，同时每个组件都能最大功率输出，进而极大的收获了因辐照度不均而损失的光伏电池阵列的电量，使整个光伏电池阵列的发电使用率达到最优，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的智能太阳能光伏电池板的组件优化器的结构示意图。

图2是本发明的组件优化器与光伏组件连接的示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明做进一步的说明。

如图1及图2所示，本发明提供的智能太阳能光伏电池板的组件优化器2是将高频直流开关电源技术引用至分布式光伏发电系统中，可根据直流变换调节裕度选择直流变换拓扑，或升压模式，或降压模式，实现光伏电池板稳定工作在最大功率点处，组件优化器的控制器以高性能高速DSP处理器为核心，通过实时观测前级输入电压、电流与后级输出电压和电流的控制方法来选择组件优化器2的工作模式，使得在任意辐照度情况下，光伏电池板组件1之间不会产生失配现象，同时每个组件都能最大功率输出，进而极大的收获了因辐照度不均而损失的光伏电池阵列的电量，使整个光伏电池阵列的发电量达到最优，本发明的智能太阳能光伏电池板的组件优化器2，包括正负输入端子201、负输入端子202、两组功率场效应管、电感206、控制器211、正输出端子212和负输出端子212，所述正、负输入端子作为组件优化器的输入端外接光伏电池板1的正输出端1-1和负输出端1-2，并通过第一组功率场效应管与电感206的一端相连接，电感206的另一端通过第二组功率场效应管与正、负输出端子相连接，正、负输出端子作为组件优化器2的输出端外接输电线缆，两组功率场效应管的控制输入端还分别与控制器211相连接，其中第一组功率场效应管为包括第一功率场效应管204、第二功率场效应管205，第二组功率场效应管包括第三功率场效应管208、第四功率场效应管207，第一功率场效应管204的输入端与组件优化器的正输入端子201相连接，第一功率场效应管204的输出端与电感206的一端相连接，第二功率场效应管205的输入端也与电感206的一端相连接，第二功率场效应管205的输出端与组件优化器的负输入端子202相连接，第三功率场效应管208的输入端与电感206的另一端相连接，第三功率场效应管208的输出端与正输出端子212相连接，第四功率场效应管207的输入端也与电感206的另一端相连接，第四功率场效应管207的输出端与负输出端子213的一端连接，其中控制器211能将脉宽调制信号处理后控制功率场效应管204、205、208的通断。

所述正、负输入端子与第一组功率场效应管之间还设有输入滤波电容203，所述正、负输出端子与第二组功率场效应管之间还设有输出滤波电容209，其中输入滤波电容203和输出滤波电容209能滤除输入端或者输出端的电压的波动，保证电压的平滑性；所述正、负输出端子之间还设有二极管210，二极管210的正极与负输出端子213相连接，二极管210的负极与正输出端子212相连接，二极管210用于实现组件优化器通过输电线缆连接的直流短路开关的直流电源串联的同步启动。

所述正、负输入端子和正、负输出端子均采用标准MC-4连接件，用于与任何光伏电池板或者输电专用线缆的相互连接。

所述控制器211包括DSP处理器、功率场效应管驱动电路和状态指示电路214，DSP处理器通过功率场效应管驱动电路分别与两组功率场效应管的控制输入端相连接，DSP处理器还与状态指示电路214相连接，状态指示电路214用于提醒用户控制器211的当前工作状态，功率场效应管驱动电路用于驱动两组功率场效应管的通断。

本发明的组件优化器外壳采用金属材料，外壳与光伏电池板的地线相连接，该接线为系统接地线，组件优化器可通过金属支架与螺钉固定在光伏电池板的背面，能够减少雨水或灰尘的正面渗入。

基于上述组件优化器的智能太阳能光伏电池板的控制方法，包括以下步骤，

第一步，将多个功率不同的组件优化器的正、负输入端子分别与对应的功率的光伏电池板的输出端相连接；

第二步，将各个组件优化器上电，组件优化器会进行自检；

检测内容包括：是否空载、有无故障信息等，组件优化器自检一切正常后，进入第三步；

第三步，控制各个组件优化器中的两组功率场效应管中的场效应管的通断，第一场效应管204和第三场效应管208导通，第二场效应管205和第四场效应管207关断，使组件优化器不进行直流变换，组件优化器工作在组件模式；

第四步，各个组件优化器在组件模式稳定工作后，进入升压模式，所述升压模式控制各个组件优化器中的两组功率场效应管中的场效应管的通断实现升压直流变换，第一场效应管204完全导通，通过控制器211中的功率场效应管驱动电路实现第三场效应管208和第四场效应管207按照同步整流的方式交替导通，升压模式中各个组件优化器均按照电导增量法进行最大功率点搜索；

第五步，在最大功率点搜索中，各个组件优化器的检测输入电压Vin与输出电压Vout的关系，若Vin<1.1Vout时，表明组件优化器逐渐靠近升压拓扑中直流变换调节裕度的临界点，便停止升压模式，进入降压模式；若Vin>0.93Vout时，表明组件优化器逐渐靠近降压拓扑中直流变换调节裕度的临界点，便停止降压模式，进入升压模式；

第六，步根据第五步的各个组件优化器工作在升压模式或者降压模式时，直到满足最大功率点跟踪，则不在进行升压或者降压模式切换，并始终保持光伏电池板稳定工作在最大功率点处。

其中第四步的所述各个组件优化器均按照电导增量法进行最大功率点搜索，所述电导增量法具体包括以下步骤，

1）列出光伏电池板的P-V(Power-voltage)曲线；

2）搜索PV曲线上的最大功率点，由于PV曲线上的最大功率点（P_max，对应电流、电压为I_max、V_max）的附近有：

当V<V_max时，dI/dV>I/V

当V>V_max时，dI/dV<I/V

当V=V_max时，dI/dV=I/V

功率-电压曲线存在唯一的极值点，根据经典的导纳增量法的判断依据公式（1），

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0\&RightArrow;\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=-\frac{I}{V}---\left(1\right)$

其中P为功率-电压曲线的功率，V为功率-电压曲线的电压，I为功率-电压曲线的电流，根据功率对电压的导数

与

的关系，（I_n为当前第n次采样得到的电流、V_n为当前第n次采样得到的电压，I_n-1为第n-1次采样得到的电流、V_n-1为第n-1次采样得到的电压），在功率对电压的导数为零处搜索功率-电压曲线的最大功率点索。

在功率对电压的导数为零的附近进行最大功率点的搜索为每隔10ms改变一次直流变化控制占空比（即控制DC/DC拓扑），其中控制占空比的变化步长为前各控制占空比的的0.25%，实现最大功率点的精确搜索。

以上显示和描述了本发明的基本原理和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 (8)

1.一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：包括正、负输入端子、两组功率场效应管、电感、控制器和正、负输出端子，所述正、负输入端子作为组件优化器的输入端外接光伏电池板的输出端，并通过第一组功率场效应管与电感的一端相连接，所述电感的另一端通过第二组功率场效应管与所述正、负输出端子相连接，所述正、负输出端子作为组件优化器的输出端外接输电线缆，所述两组功率场效应管的控制输入端还分别与所述控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述正、负输入端子与第一组功率场效应管之间还设有输入滤波电容，所述正、负输出端子与第二组功率场效应管之间还设有输出滤波电容。

3.根据权利要求1所述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述正、负输出端子之间还设有二极管，所述二极管的正极与负输出端子相连接，所述二极管的负极与正输出端子相连接。

4.根据权利要求1或2所述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述正、负输入端子和正、负输出端子均采用标准MC-4连接件。

5.根据权利要求1所述的智能太阳能光伏电池板的组件优化器，其特征在于：所述控制器包括DSP处理器、功率场效应管驱动电路和状态指示电路，所述DSP处理器通过功率场效应管驱动电路分别与两组功率场效应管的控制输入端相连接，所述DSP处理器还与状态指示电路相连接。

6.一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器的控制方法，其特征在于：基于上述组件优化器的控制方法，包括以下步骤，

（1）将多个功率不同的组件优化器的正、负输入端子分别与对应的功率的光伏电池板的输出端相连接；

（2）将各个组件优化器上电，组件优化器会进行自检；

（3）控制各个组件优化器中的两组功率场效应管中的场效应管的通断，使组件优化器不进行直流变换，组件优化器工作在组件模式；

（4）各个组件优化器在组件模式稳定工作后，进入升压模式，所述升压模式控制各个组件优化器中的两组功率场效应管中的场效应管的通断实现升压直流变换，各个组件优化器均按照电导增量法进行最大功率点搜索；

（5）在最大功率点搜索中，各个组件优化器的检测输入电压Vin与输出电压Vout的关系，若Vin<1.1Vout时，表明组件优化器逐渐靠近升压拓扑中直流变换调节裕度的临界点，便停止升压模式，进入降压模式；若Vin>0.93Vout时，表明组件优化器逐渐靠近降压拓扑中直流变换调节裕度的临界点，便停止降压模式，进入升压模式；

（6）根据步骤（5）的各个组件优化器工作在升压模式或者降压模式时，直到满足最大功率点跟踪，则不在进行升压或者降压模式切换，使光伏电池板稳定工作在最大功率点处。

7.根据权利要求6所述的一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器的控制方法，其特征在于：步骤（4）所述各个组件优化器均按照电导增量法进行最大功率点搜索，所述电导增量法具体包括以下步骤：

1）列出光伏电池板的功率-电压曲线；

2）搜索功率-电压曲线的最大功率点

功率-电压曲线存在唯一的极值点，根据经典的导纳增量法的判断依据公式（1），

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0\&RightArrow;\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=-\frac{I}{V}---\left(1\right)$

其中P为功率-电压曲线的功率，V为功率-电压曲线的电压，I为功率-电压曲线的电流，根据功率对电压的导数

与

的关系，（I_n为当前第n次采样得到的电流、V_n为当前第n次采样得到的电压，I_n-1为第n-1次采样得到的电流、V_n-1为第n-1次采样得到的电压），在功率对电压的导数为零处搜索功率-电压曲线的最大功率点索。

8.根据权利要求7所述的一种智能太阳能光伏电池板的组件优化器的控制方法，其特征在于：所述步骤2），在功率对电压的导数为零的附近进行最大功率点的搜索为每隔10ms改变一次直流变化控制占空比，所述控制占空比的变化步长为前各控制占空比的0.25%，实现最大功率点的精确搜索。

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