CN102870310A

CN102870310A - 用于发电机的最大功率点的跟踪

Info

Publication number: CN102870310A
Application number: CN2011800213892A
Authority: CN
Inventors: 赛义德阿里·哈杰霍丹; 普拉文·K·简恩; 阿里利萨·巴赫沙伊
Original assignee: Queens University at Kingston
Current assignee: Queens University at Kingston
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: JP6067551B2; CA2796987C; US8612058B2; MX2012012365A; BR112012027571A2; EP2564483A1; WO2011134058A1; CA2796987A1; IL222734A0; US20110264288A1; AU2011245033B2; CN102870310B; JP2013525908A; EP2564483A4

Abstract

适用于发电机的最大功率点的跟踪方法和系统包括在第一瞬间及时地对发电机的瞬间输出电压和电流进行采样和在第二瞬间及时地获得第一和第二功率样本，从第一和第二功率样本的差值中形成参考的电压或电流的信号；将参考的电压或者电流的信号与瞬间的发电机的电压或者电流进行对比，并形成至少一个门控信号；以及重复进行以便将第一和第二功率样本的差值降到最小；其中门控信号对发电机的输出电压和电流的数量级产生影响；其中当差值信号达到最小值时可以跟踪到最大功率点。发电机可以是至少一个光伏电池，风力涡轮机或者燃料电池。

Description

用于发电机的最大功率点的跟踪

技术领域

本发明涉及的是用于从发电机中获得电能的电路、系统和方法。特别的是，本文在此所描述的电路、系统和方法可以用于将从发电机中获得的电能进行最大化。

背景技术

栅格连接的发电系统通常包括两个主要的部分：发电机，其用于产生电能，和转换器，其用于接收电能，控制电能和将电能输入到配电栅格中。发电机包括，举例来说，光伏(PV)电池和风力涡轮机。

发电机可以被配置为：集中式的，单串的，多串的和AC-模块/电池技术。为了提高在不同条件下(例如，对于风力涡轮机来说的，不断变化的风力条件，PV电池的局部遮蔽，或者PV电池之间的错误匹配)的发电机的总效率，对于每一个发电机来说，独立地控制和功率削减都是需要的。这就要求对每一个发电机都使用单独的转换器，即，“微型转换器”。如果在每一个发电机上都独立地执行最大功率点的跟踪(MPPT)，那么每一个发电机的功率削减就都有可能增加。

PV电池的最大功率点的跟踪会发生部分改变，这是由于非线性的电流-电压特征和辐射源的常变特性所导致的。传统的MPPT系统使用的是一种算法，该算法会发现最好的操作点和形成参考信号，或者符合逻辑的和相关的操作人员，并且是以测试和误差为基础的，或者寻找和发现最好的操作点。上述内容都可以在微处理器的软件中执行。这样的方法可能会导致在最佳点附近发生波动，其反过来会对系统的总效率产生影响。而且，测试和误差的方法对于发生快速变化的条件而言会降低效率。所述方法的这一缺点和低速的特征将会在某些情况下发生问题，例如，辐射程度的单调的和快速的增加。

发明内容

本文在此描述的是一种最大功率点的跟踪方法，该方法包括：(i)在第一瞬间及时地对发电机的瞬间输出电压和电流进行采样和在第二瞬间及时地获得第一和第二功率样本，其中在第一瞬间的及时的瞬间电压和电流总是大于第二瞬间的及时的瞬间电压和电流，或者反之亦然；(ii)从第一和第二功率样本的差值中形成参考电压或电流的信号；(iii)将参考电压或者电流与瞬间的发电机的电压或者电流进行对比，并形成至少一个门控信号；而且(iv)重复进行(i)到(iii)以便将第一和第二功率样本的差值降到最低；其中门控信号对发电机的输出电压和电流的数量级产生影响；其中在差值信号达到最小值时可以跟踪到最大功率点。在一个实施方案中，从第一和第二功率样本的差值中产生参考电压或者电流信号可以包括使用比例积分(PI)控制器。

该方法可以包括为一定范围内的最大功率点扫描发电机的输出电压，确定总的最大功率点，和为最大功率点的跟踪设定起始点，尽可能地接近总的最大功率点。

同样地，本文在此描述的是一种最大功率点的跟踪器，该跟踪器包括：(i)采样装置，其在第一瞬间及时地对发电机的瞬间输出电压和电流进行采样和在第二瞬间及时地获得第一和第二功率样本，其中在第一瞬间的及时的瞬间电压和电流总是大于第二瞬间的及时的瞬间电压和电流，或者反之亦然；(ii)减法器，其减掉第一和第二功率样本，以便形成差值信号；(iii)装置，该装置用于从差值信号中产生参考的电压或者电流信号；和(iv)装置，该装置用于通过将参考电压或者电流与瞬间的发电机的电压或者电流进行对比，其中门控信号使得第一和第二功率样本的差值降到最小；其中在差值信号达到最小值时可以跟踪到最大功率点。在一个实施方案中，产生参考电压或电流信号的装置可以包括比例积分(PI)控制器。

在一个实施方案中，最大功率点的跟踪器可以包括这样的装置，该装置为一定范围内的最大功率点扫描发电机的输出电压，确定总的最大功率点，和为最大功率点的跟踪设定起始点，尽可能地接近总的最大功率点。

同样地，本文在此描述的是一种适用于发电机的微型转换器，该微型转换器包括上文中所描述的最大功率点的跟踪器和功率变换器。功率变换器可以包括DC-DC变换器和DC-AC转换器。功率变换器也可以从发电机的输出中产生正弦输出电流。

同样地，本文在此描述的是一种发电系统，该发电系统包括如同上文中所描述的微型转换器和至少一台发电机。

在本文所描述的方法，电路和系统中，发电机可以光伏电池，风力涡轮机或者是燃料电池。

附图说明

对了更好地理解本发明，和更加清楚地展示出本发明是如何进行实践的，下面将结合对应的附图并仅仅是出于可以效仿的目的来对各种不同的实施方案进行描述和说明，其中：

附图1(a)和附图1(b)是微型转换器系统的概括式的结构图。

附图2(a)是坐标图，其显示出典型的电流-电压和功率-电压特征，和PV电池的最大功率点，附图2(b)是坐标图，其显示出这些特征随着辐射数量的改变是如何发生变化的。

附图3(a)和附图3(b)是根据两个实施方案的最大功率点的跟踪方案的示意图。

附图4(a)-(d)都是坐标图，显示的是PV电池在不同的操作点上相对于最大功率点的波形。

附图5(a)-(c)都是坐标图，显示的是附图3(a)中的实施方案的模拟结果，分别是在辐射程度在(a)20ms和(b)40ms时的步进式变化和正弦变化，误差信号显示在(c)。

具体实施方式

本文在此描述的是从发电机中获得电能的系统、电路和方法。发电机可以是，举例来说，风力涡轮机、燃料电池或者光伏电池。发电机可以是一种分布式的发电机。但是，本文在此描述的系统、电路和方法中的实施方案主要针对的是光伏电池，人们可以理解的是，系统、电路和方法并不受限于此。

本文在此描述的系统、电路和方法可以适用于在发电机中使用的微型转换器中。正如本文中所使用的术语“微型转换器”是指这样一种设备，该设备可以将发电机和负载，例如，配电栅格，连接起来。包括有微型转换器的系统在附图1(a)中的概括式的结构图中有所显示。微型转换器20接收来自于发电机10的电能，并将电能输出到负载30中。微型转换器20可以包括电源部分200，其可以执行一种或多种功能，例如，举例来说，DC-DC的转换，DC对AC的转换，或者以上两种转换的结合。微型转换器可以包括控制部分300，该控制部分可以执行一种或多种功能，例如，举例来说，发电机的最大功率点的跟踪，和/或为电源部分200提供门控信号。门控信号可以是由感应到的发电机的电压和/或电流，和/或负载的电压和/或电流来确定的。

附图1(b)中概括式的结构图显示的是微型转换器的实施方案，其包括电源的变换器部分210(例如，DC-DC转换器)，电源的转换器部分从发电机10中接收电能，和变换器部分220，其从变换器部分210中接收电能并产生输出功率。输出功率可以进行任意调控(例如，过滤)250，以便与负载30(例如，配电栅格)相匹配。可以在电源变换器部分210的输入和/或在电源变换器部分210和变换器部分220之间(即，分别在230和240)处任意地采样一个或者更多的无源部件(例如，电容器和/或感应器)。可以在变换器部分220的输出上任意地使用滤波器250。第一控制器310可以感应到发电机的电压和/或电流，以及为电源的变换器部分210的开关产生门控信号。第一控制器可以进行最大功率点的跟踪。第二控制器320可以感应到分配到负载上的电压和/或电流，并为变换器的部分220的开关产生门控信号。

本文在此描述的微型转换器提高了在不同环境和条件下的发电机的总效率。举例来说，在PV电池或者由PV电池串所形成的PV模块的情况下，在PV电池之间的PV电池上的局部遮蔽和错误匹配都会降低系统的总体效率。然而，每一个PV电池中的微型转换器的使用，或者每一个PV电池串或者模块中的微型转换器的使用都会允许独立控制和从每一个PV电池或者PV电池串或者模块中牵引出电能，尽管各个PV电池，电池串或者模块的条件发生变化，仍可以将系统效率的最大化。

本文在此所描述的微型转换器部分是小型的，因此可以连接到发电机(例如，PV电池的后端)上。由于微型转换器是暴露在大范围的环境条件中的，例如，极端的温度和湿度条件，稳定性和维护保养就成为主要的问题。暴露的情况也会对转换器的性能和预期的使用寿命产生不良的影响。这些因素需要有完善的设计和结构来支持而且可能需要昂贵的部件，因此会导致较高的制造成本。所以，对于微型转换器的设计中的挑战就是获得更为紧凑的结构和低的成本，例如，通过减小电路部件的数量和尺寸。有利的是，本文在此所描述的微型转换器并不需要费用昂贵的电压部件和线圈。控制器系统可以整体或者部分运行，这是通过使用分离开的部件，使用数字技术(例如，数字信号处理器(DSP)，现场可编程的门阵列(FPGA)，或者特殊应用的集成电路(ASIC)设备)，或者结合使用上述技术来实现的。举例来说，控制器中的一个或更多的部件可以以算法的方式来执行，这是通过使用适当的硬件语言，例如，举例来说，极高速的集成电路(VHSIC)硬件描述语言(VHDL)，寄存器传送语言(RTL)或者Verilog。这些算法都可以在，例如，FPGA或则ASIC设备，或者其他适当的逻辑设备中执行。数字技术的使用所提供的控制器是紧凑的和强有力的。

本文在此所描述的微型转换器可以包括最大功率点的跟踪(MPPT)。因此，MPPT可以在各个发电机上独立执行。在使用PV电池时出现一种由于其非线性的电流-电压(I-V)特征所导致的挑战，其会在功率-电压(P-V)的曲线上形成独特的最大功率点(MPP)，正如附图2(a)和附图2(b)中所示。所以，在使用PV电池时，局部的遮蔽是不可避免的，MPPT允许最大功率是在任何一种瞬时条件下从每一个PV电池中抽取出来的。MPPT排除了在系统中的PV电池之间的不匹配的损失。更进一步说，本文中所描述的微型转换器为分布式发电机提供了模块性结构，允许在分布式的发电系统中应用“即插即用”的方式。

正如在本文中所使用的术语“最大功率点的跟踪(MPPT)”和“最大功率点的跟踪器(MPP跟踪器)”是截然不同的。“MPPT”指的是一种算法，而“MPP跟踪器”指的是硬件(即，电路)。MPPT为发电机计算出最佳的操作点，并为MPP的跟踪器提供参考点，以便驱动系统运行到最佳的操作点。

正如本文中所使用的术语“光伏电池”指的是任何一种具有能够吸收光量子的光线吸收物质并通过光电效应产生电能的电池。光伏电池的一种非限制性的实施例是太阳能电池。光线吸收物质可以吸收任何波长的光线或者可以吸收结合的波长，包括，举例来说，达到地球表面的太阳光的波长，和/或超过地球的大气层的太阳光的波长。具有特定的光线吸收的两种或者更多的光线吸收物质可以结合使用，以便利用不同的光线吸收的优势，以及改变分离机构。光线吸收的物质可以被配置为，例如，基体材料，薄膜(例如，无机层，有机染料和有机聚合物)，和/或纳米晶体。光伏电池可以结合成阵列，串行，模块或者面板的形式。

正如本文中所使用的术语“光伏电池串”指的是多个以依次相连，并排连接，串接-并接或者其他结构连接在一起的光伏电池。PV电池串可以形成PV电池模块。

本文在此所描述的最大功率点的跟踪可以与任何一种变换器结合使用，例如，举例来说，谐振式变换器，电压源式变换器，电流源式变换器等等。

MPP跟踪器和MPPT方案的各种可以效仿的实施方案在附图3(a)和附图3(b)中有所显示。在以下的描述中，附图3(a)中所示的实施方案是结合附图4(a)到附图4(d)中所示的不同操作点上的可以效仿的波形来进行描述的。对于本领域内的任何一名普通技术人员而言，基于以下所描述的操作的原理，附图3(b)中所示的实施方案的操作是显而易见的。

现在参考附图3(a)和附图4(a)到附图(d)，将PV电池用作发电机10的实施例，操作原理如下所述。在这一实施方案中，在DC-DC变换器部分210的输入上提供输入电容C1。当DC-DC变换器210的开关处在变换器不能从PV电池中牵引出电能的位置上时，PV电池将改变输入电容C₁。正如在附图4(c)所示，如果在操作点上的PV电池的电压均值与最大功率点

(MPP)相比是非常低的，那么功率曲线就会具有与电压相同的斜率(与之相反的情况显示在附图4(a)中)。然而，正如附图4(b)和附图4(d)所示，在PV电池的电压不断上升的情况下，PV电池的功率也会上升，而之后就会下降，并通过MPP。因此，正如附图4(d)所示，如果控制策略迫使PV电池满足Ppv(t1)＝Ppv(t2)，MPP将总是被跟踪。可以进行对PV电池的电压和电流进行采样，例如，从t1到t2，PV电池的电压增加。类似地，对于附图3(b)来说，可以进行对PV电池的电压和电流进行采样，例如，从t1到t2，PV电池的电流增加。采样的执行控制是通过将要在下文中描述的计时电路来进行的。

在附图3(a)或附图3(b)中所示的控制部分310的实施方案包括闭环反馈控制。举例来说，控制可以通过在各个附图中有所显示的比例积分(PI)控制器371来完成。正如上文中是提到的，控制部分的全部或者部分都可以通过模拟和/或数字(硬件/软件)平台来执行。举例来说，在数字执行中的算法可以包括PI控制器。在附图3(a)或者附图3(b)中所示的实施方案，PV电池的瞬间电压和电流都被进行采样，而且来自于PV电池的瞬间功率Pin是在321中确定的。使用两个延迟和采样模块341，361，来自PV电池的瞬间功率P_in是在两个开关状态(t₁和t₂)下进行采集的，此时电压单调增加。采样时间是通过计时电路351来控制的。这两个功率值之间的差值，(P_in(t₁)和P_in(t₂))在381确定，并提供朝向MPP的修正方向。这也就是说，如果差值是负值，PI控制器371将把设定点的值V^ref _pv增加到两个值(P_pv(t1)和Ppv(t2))相等的点上，而且反之亦然(即，如果差值是正值，PI控制器371将把设定点的值Vrefpv降低到两个值(Ppv(t1)和Ppv(t2))相等的点上)。目标将形成这一差值零点。控制和计时模块391为变换器210的开关产生门控信号。控制和计时模块391也可以提供功率退耦。在减小或者避免任何一种可能存在的震动和在短时的间隔空隙时，可以进行设定点V^ref _pv的增加或者降低。人们将会理解，该方法提供的是一种快速的响应时间，而且不会使用测试和误差，或者任何逻辑性/相关性操作，并且从而避免错误地导向先前方法中的典型的结果。

值得注意的是，本文中所描述的各种实施方案允许使用具有小数值的C1。所导致的电容器的短时充电/放电时间易于极快的最大功率点的跟踪。

附图3(a)和附图3(b)中的各种实施方案可以如所示方式来实践，或者通过其他电路来产生DC输出电能，以便在DC负载或者DC配电系统中使用。附图3(a)和附图3(b)中的各种实施方案也可以在进一步的电路中使用，例如，转换器电路和适当的整流器/滤波器电路中使用(即，附图1(b)中一个或更多的部分220，240，250和320，以便产生AC输出电能(例如，50或者60Hz))，以便能够在AC负载中使用，或者能够输入到配电栅格中。

在某些情况下，PV电池的特征可能具有不止一个最大功率点。基于算法的起始点，其可能形成这样一种情况，即，功率点的跟踪方法，例如，本文中所描述的方法，获得局部最大功率点的截取部分。为了避免所述的情况，方法也可能包括在MPP的范围内对PV电池的电压进行扫描，确定总的最大功率点，并将起始点设定在尽可能靠近最大功率点的位置上。这样可以确保MPPT算法总是可以跟踪到总的最大功率点。PV电池的电压范围内被扫描的间歇是可以进行编程的，而且这取决于因素，例如，PV电池/模块配置结构。由于扫描将是以非常快的速度进行的，而且这种情况通常不会时常发生，对于总的最大功率点的寻找不会影响到系统的总体效率。值得提及的是，所述情况并不是本文在此所描述的方法的特例，而是，任何一种MPPT算法都有可能受到类似的影响。

以下提供非限制性的实施例来进一步对本发明进行解释说明。

工作实施例

附图3(a)中所示的MPP的跟踪器和MPPT的控制方案的模拟算法是在PV电池上执行的，使用的是PSIM^TM第9版(Powersim Inc，MA)的PV电池模块。辐射是不断变化的，使用的是在20Hz的步进式变化和正弦变化。附图5(a)-(c)显示的是在不同的辐射程度下的模拟结果。从附图5(c)可以看到，对于急速变化的辐射(步进式变化)而言，误差维持在非常低的程度。这将提高系统的总体效率。

本文中所引用的所有参考文献的内容都由此通过引证合并到本文中。

等同替换

本领域内的任何一名普通技术人员都能意识到或者都可以确定本文在此所描述的各种实施方案的变化。所述变化都在本发明的范围之内，而且都被随附的权利要求书所覆盖。

Claims

1.一种最大功率点的跟踪方法，该方法包括：

(i)在第一瞬间及时地对发电机的瞬间输出电压和电流进行采样和在第二瞬间及时地获得第一和第二功率样本，其中在第一瞬间的及时的瞬间电压和电流总是大于第二瞬间的及时的瞬间电压和电流，或者

其中在第一瞬间的及时的瞬间电压和电流总是小于第二瞬间的及时的瞬间电压和电流，

(ii)从第一和第二功率样本的差值中形成参考电压或电流的信号；

(iii)将参考电压或者电流与瞬间的发电机的电压或者电流进行对比，并形成至少一个门控信号；以及

(iv)重复进行(i)到(iii)以便将第一和第二功率样本的差值降到最低；

其中门控信号对发电机的输出电压和电流的数量级产生影响；

其中在差值信号是最小值时可以跟踪到最大功率点。

2.根据权利要求1中的方法，其中从第一和第二功率样本的差值中产生参考电压或者电流信号可以包括使用比例积分(PI)控制器。

3.根据权利要求1中的方法，包括为一定范围内的最大功率点扫描发电机的输出电压，确定总的最大功率点，和为最大功率点的跟踪设定起始点，使其尽可能地接近总的最大功率点。

4.根据权利要求1中的方法，其中发电机是光伏电池、风力涡轮机或者燃料电池。

5.根据权利要求1中的方法，其中发电机包括至少一个光伏电池。

6.一种最大功率点的跟踪器，该跟踪器包括：

(i)采样装置，其在第一瞬间及时地对发电机的瞬间输出电压和电流进行采样和在第二瞬间及时地获得第一和第二功率样本，

其中在第一瞬间的及时的瞬间电压和电流总是大于第二瞬间的及时的瞬间电压和电流，或者

(ii)减法器，其减掉第一和第二功率样本，以便形成差值信号；

(iii)装置，该装置用于从差值信号中产生参考的电压或者电流信号；以及

(iv)装置，该装置用于通过将参考电压或者电流与瞬间的发电机的电压或者电流进行对比来产生至少一个门控信号；

其中门控信号使得第一和第二功率样本的差值降到最低；

其中在差值信号是最小值时可以跟踪到最大功率点。

7.根据权利要求6中的最大功率点的跟踪器，其中产生参考电压或电流信号的装置可以包括比例积分(PI)控制器。

8.根据权利要求6中的最大功率点的跟踪器，包括这样的装置，该装置为一定范围内的最大功率点扫描发电机的输出电压，确定总的最大功率点，和为最大功率点的跟踪设定起始点，使其尽可能地接近总的最大功率点。

9.根据权利要求6中的最大功率点的跟踪器，其中发电机是光伏电池、风力涡轮机或者燃料电池。

10.根据权利要求6中的最大功率点的跟踪器，其中发电机包括至少一个光伏电池。

11.一种适用于发电机的微型转换器，该微型转换器包括：

权利要求6中的最大功率点的跟踪器；和

功率变换器。

12.根据权利要求11中的微型转换器，其中功率变换器可以包括DC-DC变换器和DC-AC转换器。

13.根据权利要求11中的微型转换器，其中功率变换器也可以从发电机的输出中产生正弦输出电流。

14.根据权利要求11中的微型转换器，其中发电机可以是光伏电池，风力涡轮机或者是燃料电池。

15.根据权利要求11中的微型转换器，其中发电机包括至少一个光伏电池。

16.一种发电系统，该发电系统包括：

权利要求11中的微型转换器；和

至少一台发电机。

17.根据权利要求16中的系统，其中发电机可以是光伏电池、风力涡轮机或者是燃料电池。

18.根据权利要求16中的系统，其中发电机包括至少一个光伏电池。