CN102893264B - 功率点跟踪 - Google Patents

Abstract

在太阳能电池电力系统中使用的最大功率点跟踪单元可更有效地找到最大功率点。

Description

功率点跟踪

本申请要求于2010年3月11日提交的第12/722,163号美国专利申请的优先权，该申请的整个公开通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能电池电力系统中的最大功率点跟踪。

背景技术

最大功率点跟踪（MPPT）是这样的技术：改变光伏模块的DC操作点，从而光伏模块能够传输最大可用功率。

附图说明

图1是示出包括MPPT单元的太阳能电力系统的框图。

图2是在图1中示出的MPPT单元中使用的MPP计算和控制处理的流程图。

具体实施方式

最大功率点跟踪器（MPPT）是一种用作用于光伏（PV）模块的最优电力负载的装置。MPPT可以以实现最高可能功率输出的电压来操作模块。PV模块具有动态操作点，其中电池的电流（I）和电压（V）的值实现最大功率输出。因为由于变化的环境温度、云活动等而使得激发模块的太阳辐射度是动态的，所以该点是动态的。PV模块具有电流和电压之间的指数关系，并且最大功率点（MPP）出现在曲线的拐点处。最大功率点跟踪器使用特定类型的控制电路或逻辑来搜索该点并从而允许转换器电路从电池提取可能的最大功率。并网PV逆变器使用MPPT来从PV阵列提取最大功率，将最大功率转换为交流电（AC）并向电网的经营商输出能量。MPPT的优点一般在环境条件（诸如快速移动的云或升高/降低的温度）快速变化期间最大。目前，在市场上几乎所有可用的PV逆变器提供用于PV板连接的嵌入式MPPT的技术方案。由于存在不同的可用的PV板，因此逆变器厂商开发与几乎所有这些板选择兼容的MPPT算法。在实现MPPT中，逆变器搜索电压的范围以寻找实现使板产生最大功率的电压。当逆变器花费时间搜索MPP时，逆变器并没有在MPP操作。然而，如果逆变器不彻底搜索MPP，则逆变器可能不会找到用于使功率最大化的理想操作电压。因此，MPPT算法正在试图不仅寻找最佳MPP还尽量快地找到MPP。

如果逆变器使用已知类型的PV板工作，则可以非常快地优化MPPT算法，以帮助找到最佳MPP。在多数安装中，使用本地传感器测量温度和光照。通过使用板的已知的操作参数结合温度和光照条件，可高精度地估计板的MPP。此外，可在不需要MPPT算法进入开始搜索MPP的搜索模式的情况下进行这些计算。由于PV阵列持续操作，因此传感器将持续收集环境条件数据，从而可在不需要逆变器搜索新MPP的情况下计算新MPP。这不仅导致精确的MPPT方案，而且导致在不需要浪费时间搜索理想条件的情况下找到理想条件的方案。

一种用于优化基于光伏模块的电力系统的最大功率点跟踪效率的方法可包括测量基于光伏模块的电力系统近处的环境温度和光照条件。基于光伏模块的系统可具有一组操作参数。操作参数可包括用于系统中的光伏模块的操作参数。操作参数可包括将最优DC操作电压定义为温度和/或光照的函数的一条或多条曲线。所述方法可包括基于光伏模块的操作参数以及温度和光照条件确定最大功率点。现在能够在不搜索最优功率点的情况下确定MPP。所述方法可包括通过优化DC操作电压来将基于光伏模块的电力系统的DC操作点调节为最大功率点。搜索方法可包括通过数据收集系统收集温度和光照测量数据并将所述温度和光照测量数据发送到电力网络操作中心。所述方法可包括将温度和光照测量数据存储在数据库中。所述方法可包括使用现有环境温度和光照数据库来确定最大功率点。所述方法可包括使用关于模块的一组已知的操作数据来确定最大功率点。

所述方法还可包括在基于光伏模块的电力系统持续操作时通过功率表测量电力系统的操作点，测量基于光伏模块的电力系统的实时温度和光照条件。所述方法可包括使光伏模块的操作参数与温度和光照条件相关，以确定最大功率点。所述方法可包括瞬时将基于光伏模块的电力系统的操作点调节为最大功率点。数据收集系统可包括光伏模块温度传感器。所述系统可包括环境光照传感器。所述系统可包括与传感器连接的远程终端单元，远程终端单元将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到电力网络操作中心。所述系统可包括与远程终端单元连接的人机接口。

基于光伏模块的电力系统的最大功率点跟踪装置可具有DC操作点和一组参数。操作参数可包括用于系统中的光伏模块的操作参数。操作参数可包括将最优DC操作电压定义为温度和/或光照的函数的一条或多条曲线。最大功率点跟踪装置可包括温度传感器和光照传感器。最大功率点跟踪装置可包括：功率表，在基于光伏模块的电力系统持续操作时测量电力系统的操作点；数据模块，存储一组已知的模块操作数据；分析模块，基于测量的温度、测量的光照和已知的模块操作数据确定最大功率点；控制模块，通过优化DC操作电压来将基于光伏模块的电力系统的操作点调节为最大功率点。

最大功率点跟踪装置可包括数据收集系统，用于收集温度和光照测量数据并将所述温度和光照测量数据发送到电力网络操作中心。最大功率点跟踪装置可包括用于存储温度和光照测量数据的数据库。最大功率点跟踪装置可包括用于确定最大功率点的现有环境温度和光照数据库。数据收集系统可包括连接到传感器的远程终端单元和连接到远程终端单元的人机接口，其中，所述远程终端单元将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到电力网络操作中心。

基于光伏模块的电力系统可包括光伏阵列，光伏阵列可具有DC操作点以及一组操作参数。操作参数可包括用于系统中的光伏模块的操作参数。操作参数可包括将最佳DC操作电压定义为温度和/或光照的函数的一条或多个曲线。基于光伏模块的电力系统可包括最大功率点跟踪单元，最大功率点跟踪单元可确定DC操作点并可电连接到光伏阵列。最大功率点跟踪单元可包括温度传感器、光照传感器、功率表、数据模块、分析模块和控制模块，功率表在基于光伏模块的电力系统持续操作时测量所述电力系统的DC操作点的，数据模块存储一组已知的模块操作数据，分析模块用于基于测量的温度、测量的光照和已知的模块操作数据来确定最大功率点，并且控制模块通过最优化DC操作电压将基于光伏模块的电力系统的DC操作点调节为最大功率点。

基于光伏模块的电力系统可包括数据收集系统，用于收集温度和光照测量数据并将所述温度和光照测量数据发送到电力网络操作中心。基于光伏模块的电力系统可包括用于存储温度和光照测量数据的数据库。基于光伏模块的电力系统可包括用于确定最大功率点的现有环境温度和光照数据库。数据收集系统可包括连接到传感器的远程终端单元和连接到远程终端单元的人机接口，其中，所述远程终端单元将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到电力网络操作中心。

参照图1，太阳能电力系统100可包括光伏或太阳能阵列110。可按照任何合适的方式布置太阳能模块110，例如，按照位于地面或屋顶的阵列布置太阳能模块110。太阳能阵列110可包括任何合适的光伏装置，包括薄膜太阳能装置（诸如碲化镉（CdTe）或铜铟镓硒（CIGS））。可选择地，光伏装置可以是晶体硅太阳能装置或能够产生直流电的任何其它合适的光伏装置。光伏阵列110可连接到MPPT单元120。MPPT单元120可包括用于测量环境条件的温度传感器130和光照传感器140。温度传感器可以测量环境温度或模块温度。MPPT单元120还可包括跟踪模块150，跟踪模块150使用光伏模块的操作参数和温度和光照条件来确定最大功率点。MPPT单元120还可包括功率表160，功率表160在太阳能电力系统100持续操作时测量所述系统的当前操作点。功率表160可包括用于实时监视操作点的输入电压和电流传感器。MPPT单元120可包括控制模块170，控制模块170将太阳能电力系统100的操作点调节为最大功率点。MPPT单元120可包括用于确定最大功率点的最大功率点跟踪算法。

太阳能电力系统100还可包括数据收集系统180，数据收集系统180用于收集温度和光照测量数据并将温度和光照测量数据发送到电力网络操作中心190。电力网络操作中心190可具有用于存储温度和光照测量数据的数据库。电力网络操作中心190可具有用于确定最大功率点的现有环境温度和光照数据库。数据收集系统180可包括连接到传感器的远程终端单元和连接到远程终端单元的人机接口或任何合适的电信架构，其中，所述远程终端单元将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到电力网络操作中心。

在一些实施例中，可由连接到多个阵列的数据收集系统180完成所述实现。例如，传感器可被安装在不同的太阳能阵列位置并且环境条件测量数据可被送回网络操作中心并被存储在数据库中。可在网络操作中心190中使用计算机来将光照和温度数据与每个阵列的操作参数数据进行关联。可使用这些数据集来确定每个阵列的最大功率点并将命令从网络操作中心190发送到每个阵列各自的逆变器。可大约在每秒收集所述数据从而可实时进行该控制处理。在太阳能电力系统100中使用的每个逆变器可包括可将来自光伏阵列的DC电流转换为AC电流的任何合适的设备或组合。逆变器可包括任何合适的机械装置、电机械装置、电气或电子装置或这些装置的任何合适的组合。逆变器可包括修正正弦波逆变器。逆变器可包括纯正弦波逆变器。逆变器可包括发电机、交流发电机、或电动机或其任何合适的组合。逆变器可包括固态逆变器。

数据收集系统180可包括监督控制和数据获取（SCAD A）系统或其它远程控制模块，其中，监督控制和数据获取（SCAD A）系统或其它远程控制模块可包括获取太阳能电池电力系统的操作数据的至少一个传感器、电流/电压控制单元、从传感器获得数据并向电流/电压控制单元发送命令的计算机监督系统、连接到所述处理中的传感器并将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到监督系统的远程终端单元（RTU）、连接到远程终端单元的人机接口。太阳能电力系统100还可包括接地故障电路中断器（GFCI）。

在一些实施例中，并网PV逆变器利用MPPT来从PV阵列提取最大功率，将最大功率转换为交流电流（AC）并将多余的能量回售给电力网的经营商。在其它实施例中，离网电力系统还使用MPPT荷电控制器来从PV阵列提取最大功率。当对接入电力系统的其它装置的即时功率要求小于当前可用的功率时，MPPT将“剩余的”能量（在白天不被立即消耗的能量）存储在电池中。当接入电力系统的其它装置需要比当前从PV阵列可以获得的功率更多的功率时，逆变器从那些电池获取能量以对可用光伏功率的缺乏进行补偿。

光伏阵列的输出特性是非线性的并随着太阳能光照和电池的温度改变。因此，需要MPPT技术来从太阳能阵列提取峰值功率以最大化产生的能量。最大功率点跟踪器利用一些类型的控制电路或逻辑来搜索最大功率点，从而允许转换器电路可以从电池提取最大功率。当逆变器花费时间搜索MPP时，其并没有在MPP处操作。通过由逻辑传感器进行的环境温度和光照测量，可通过使用面板的已知的操作参数结合温度和光照条件来计算MPP。最大功率点跟踪器还可实时地监视环境条件并瞬时地对阵列的操作点进行调节。

参照图2，MPPT单元120实际可使用控制模块170来调节阵列的操作点。MPPT单元120可连续地监视环境条件，诸如面板温度和局部光照。当条件改变时，MPPT单元120可告知MPPT单元120现在需要对太阳能电力系统100的操作点进行调节和更新。在步骤200，可监视环境条件。如果在步骤210环境条件改变（是），则在步骤230可快速地估计新MPP。可使用太阳能电力系统100的操作参数，以确定该MPP而不需要引入任何搜索模式。在确定了新MPP之后，在步骤240，可进行调节以将太阳能电力系统100的操作点改变为新MPP。反之，如果在步骤210环境条件保持不变（否），则在步骤220，可不对太阳能电力系统100进行调节，并且可保持操作点。该技术可应用于所有太阳能电力系统。在快速改变的天气条件下，MPPT单元的优点会尤其突出。

已经描述了本发明的多个实施例。然而，将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。还应理解，附图不必须按比例绘制，而是呈现示出本发明基本原理的各种优选特征的某种程度上简化的表示。

Claims (15)

1.一种用于基于光伏模块的电力系统的最大功率点跟踪的方法，包括：

提供数据库，将电力系统的环境温度和光照条件与用于确定电力系统的最大功率点的至少一个操作参数进行关联；

分别测量电力系统近处的环境温度和光照条件；

使用测量的环境温度和光照条件来基于数据库中的与测量的温度和光照条件关联的所述至少一个操作参数确定最大功率点，其中，环境温度和光照条件被持续分别测量并被数据库使用以在不调节与搜索最大功率点相关的操作参数的情况下确定新的最大功率点。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个操作参数包括作为温度和光照条件的函数的最佳DC操作电压。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：由数据收集系统收集温度和光照测量数据并将所述温度和光照测量数据发送到电力网络操作中心。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：将温度和光照测量数据存储在数据库中。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

当基于电力系统持续操作时，由功率表测量所述电力系统的操作点；

分别测量基于电力系统的实时环境温度和光照条件；

使用将电力系统的操作参数与温度和光照条件进行关联的数据库来确定最大功率点；

将电力系统的操作点瞬时调节为最大功率点。

6.如权利要求3所述的方法，其中，数据收集系统包括：

光伏模块温度传感器；

环境光照传感器；

远程终端单元，连接至传感器，并将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到电力网络操作中心；

人机接口，连接至远程终端单元。

7.一种基于光伏模块的电力系统的最大功率点跟踪装置，所述最大功率点跟踪装置包括：

温度传感器；

光照传感器；

功率表，在基于电力系统持续操作时，测量所述电力系统的操作点；

数据模块，在数据模块中存储一组已知的光伏模块操作数据，其中，所述操作数据包括被定义为环境温度和光照的函数的一组最佳DC操作电压；

分析模块，用于基于测量的温度、测量的光照和已知的模块操作数据确定最大功率点；

控制模块，通过优化DC操作电压来将基于光伏模块的电力系统的操作点调节为最大功率点，其中，温度和光照被持续分别测量并与数据模块中的已知光伏模块操作数据一起被分析模块使用以确定新的最大功率点。

8.如权利要求7所述的最大功率点跟踪装置，还包括：数据收集系统，用于收集温度和光照测量数据并将所述温度和光照测量数据发送到电力网络操作中心。

9.如权利要求7所述的最大功率点跟踪装置，还包括：数据库，用于存储温度和光照测量数据。

10.如权利要求7所述的最大功率点跟踪装置，还包括：现有环境温度和光照数据库，用于确定最大功率点。

11.如权利要求8所述的最大功率点跟踪装置，其中，数据收集系统包括：

远程终端单元，连接至传感器，将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到电力网络操作中心；

人机接口，连接至远程终端单元。

12.一种基于光伏模块的电力系统，包括：

具有DC操作点和一组操作参数的光伏阵列，所述一组操作参数包括DC操作电压；

电连接到所述光伏阵列的最大功率点跟踪单元，包括：

温度传感器；

光照传感器；

功率表，在光伏阵列持续操作时，测量光伏阵列的DC操作点；

数据模块，在数据库中存储一组已知的光伏阵列操作数据，其中，所述操作数据包括被定义为环境温度和光照的函数的一组最佳DC操作电压；

分析模块，用于基于测量的温度、测量的光照和已知的光伏阵列操作数据确定最大功率点；

控制模块，将光伏阵列的DC操作点调节为最大功率点，

其中，温度和光照被持续分别测量，并且与数据库中的操作数据一起获得新的最大功率点，从而能够在不搜索与最大功率点相关的操作参数的情况下获得最大功率点。

13.如权利要求12所述的基于光伏模块的电力系统，还包括：数据收集系统，用于收集温度和光照测量数据并将所述温度和光照测量数据发送到电力网络操作中心。

14.如权利要求12所述的基于光伏模块的电力系统，还包括：现有环境温度和光照数据库，用于确定最大功率点。

15.如权利要求12所述的基于光伏模块的电力系统，其中，数据收集系统包括：

远程终端单元，连接至传感器，将传感器信号转换为数字数据并将数字数据发送到电力网络操作中心；

人机接口，连接至远程终端单元。