CN103095180A - 智能光伏模块及其控制方法以及基于该模块的光伏系统 - Google Patents

智能光伏模块及其控制方法以及基于该模块的光伏系统 Download PDF

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吴新科
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Abstract

本发明公开了一种智能光伏模块及其控制方法以及基于该模块的光伏系统，智能光伏模块包括光伏电池组、DC-DC变换器，以及最大功率跟踪单元，所述每一个DC-DC变换器连接有各自的控制回路，所述最大功率跟踪单元采集到智能光伏模块的输出电流和电压信号后将其传输给每一个DC-DC变换器的控制回路以保证每一个光伏电池组在任何外部光照条件下都工作在整个模块的输出功率最优点。本发明通过DC-DC变换器替代传统太阳能板接线盒中的并联二极管，使得一块标准光伏太阳能板中的每一个光伏电池串在任何外部光照条件下都可以工作在整个模块的输出功率最优点，极大地提高了光伏太阳能系统在不匹配光照条件下的输出功率。

Description

智能光伏模块及其控制方法以及基于该模块的光伏系统
【技术领域】
本发明属于太阳能光伏发电研究领域，特别涉及一种新型的智能光伏太阳能板结构及其输出统一最大功率控制方法。
【背景技术】
随着全球能源需求的日益增大，清洁的可再生能源（太阳能，风能和潮汐能等）引起了越来越广泛的关注。太阳能作为一种主要的清洁能源，对其的合理利用也成为能源行业的研究热点和未来的主要发展方向。然而，在实际的太阳能应用场合中，太阳能光伏系统会因为自身的不匹配或者光照不均而损失大量的能量。通常来讲，这种不匹配和光照不均的情况主要由于以下原因造成：周围物体阴影的不规则遮挡，光伏太阳能板之间特性的不一致，具体安装环境中光伏太阳能板朝向或者倾斜角度的不同等等。上述的状况会给整个光伏系统带来不可忽视的能量损失。而且，光照不均匀也会使得光伏系统的输出特性出现“多个最大功率点”的现象，使得最大功率跟踪的算法面临挑战，并且有可能产生系统的失稳现象。如何解决不匹配现象给太阳能系统带来的问题，已成为影响和制约光伏产业发展和普及的关键所在。
针对上述问题，大多数解决方法偏重于从控制角度解决问题，通过复杂的最大功率跟踪算法来寻找光伏阵列在不匹配情况下的输出全局最大功率点。这种方法建立在高精度的检测环节、精确的调节器设计和复杂的控制程序基础上，系统可靠性差，目前还无法被工业界广泛采用。而且，即使通过复杂的算法可以找到整个光伏系统的全局最大功率点，还是无法让每一块光伏太阳能板工作在自己的最大功率点，从而严重影响整个光伏系统的输出效率。
【发明内容】
为了实现上述目的，本发明通过DC-DC变换器替代传统太阳能板接线盒中的并联二极管，使得每一个光伏电池串在任何外部光照条件下都可以工作在整个模块的输出功率最优点，极大地提高了光伏太阳能系统在不匹配光照条件下的输出功率。并且本发明针对所提出的结构提出一种简单，可靠，成本低的输出统一最大功率控制方法，在保证输出功率不受影响的前提下，简化了控制系统结构，提高了可集成度，减少了元件数目，优化了整个系统模块。
本发明采用如下技术方案：
一种智能光伏模块，包括光伏电池组、DC-DC变换器，以及最大功率跟踪单元，所述每一个光伏电池组与一个DC-DC变换器的输入端直接相连，所述DC-DC变换器的输出端依次串联，所述每一个DC-DC变换器连接有各自的控制回路，所述最大功率跟踪单元采集到智能光伏模块的输出电流和电压信号后通过最大功率算法计算最大功率点电压，并且将其作为每一个DC-DC变换器的控制回路的指令电压信号用以保证每一个光伏电池组在任何外部光照条件下都工作在整个智能光伏模块的输出功率最优点。
一种基于上述智能光伏模块的光伏系统，由所述智能光伏模块作为基本单元进行串并联构成。
一种基于如上述所述的智能光伏模块电路结构的控制方法，最大功率跟踪单元接收到光伏模块输出端的电压和电流信号后，对其进行最大功率跟踪计算，得到此刻光照条件下的最大功率电压指令值，然后将该最大功率电压指令值同时送给各个DC-DC变换器的控制回路，并将所述最大功率电压指令值作为各个控制回路的统一控制环电压指令信号从而控制相应DC-DC变换器的开关管。
作为本发明的优选实施例，所述DC-DC变换器的控制回路接收到所述统一最大功率电压指令值后，比较各自输入光伏电池组的电压幅值和给定的指令电压值，生成PWM信号，去控制相应的开关管。
作为本发明的优选实施例，所述最大功率跟踪单元通过扰动寻找最大功率点。
作为本发明的优选实施例，所述最大功率跟踪单元通过扰动寻找最大功率点时，每个DC-DC变换器的输入侧电压通过各自独立的PWM闭环进行控制，从而实现对各自输入侧电压的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过DC-DC变换器替代传统太阳能板接线盒中的并联二极管，最大功率跟踪单元接收到智能光伏模块输出端的电压和电流信号后，对其进行最大功率跟踪计算，得到此刻光照条件下的最大功率电压指令值，然后将该最大功率电压指令值同时送给各个DC-DC变换器的控制回路，并将所述最大功率电压指令值作为控制回路的控制环电压指令信号以控制相应光伏电池组的开关管，这样，每一个光伏电池串在任何外部光照条件下都可以工作在整个模块的输出功率最优点，极大地提高了光伏太阳能系统在不匹配光照条件下的输出功率。
【附图说明】
图1为传统光伏太阳能板的结构示意图。
图2为本发明光伏智能模块的结构示意图。
图3为本发明所介绍以Buck电路为例的最大功率输出统一控制方法的控制系统结构图。
图4（A）为传统光伏电池组输出的I-V曲线对比图，其中，实线为理想光照下光伏电池组输出的I-V曲线，虚线为被阴影遮挡下光伏电池组输出的I-V曲线。
图4（B）为本发明智能光伏模块采用传统控制方法处理后的一个Buck电路的输出的I-V曲线对比图，其中，实线为理想光照下的I-V曲线图，虚线为被阴影遮挡下的I-V曲线图。
图4（C）为本发明智能光伏模块采用传统控制方法处理后整个嵌入式智能光伏模块的输出I-V曲线图。
图4（D）为传统光伏电池组输出的P-V曲线图，其中，实线曲线为理想光照下光伏电池组输出的P-V曲线，虚线曲线为被阴影遮挡下光伏电池组输出的P-V曲线。
图4（E）为本发明智能光伏模块采用传统控制方法处理后的一个Buck电路的P-V曲线对比图，其中，实线为理想光照下的P-V曲线图，虚线为被遮挡部分的P-V曲线图。
图4（F）为本发明智能光伏模块采用传统控制方法处理后整个嵌入式智能光伏模块的输出P-V曲线图。
图5（A）为传统光伏电池的输出I-V曲线图，其中，实线为理想光照情况下的曲线图，虚线为被阴影遮挡部分的曲线图。
图5（B）为本发明智能光伏模块采用本发明控制方法处理后的一个Buck电路的输出的I-V曲线图，其中，实线曲线为理想光照，虚线曲线为被阴影遮挡。
图5（C）为本发明智能光伏模块采用本发明控制方法处理后整个嵌入式智能光伏模块的I-V曲线图。
图5（D）为传统光伏电池的输出P-V曲线图，其中，实线为理想光照情况下的曲线图，虚线为被阴影遮挡部分的曲线图。
图5（E）为本发明智能光伏模块采用本发明控制方法处理后的一个Buck电路的输出的P-V曲线图，其中，实线曲线为理想光照，虚线曲线为被阴影遮挡。
图5（F）为本发明智能光伏模块采用本发明控制方法处理后整个嵌入式智能光伏模块的P-V曲线图。
图5（G）为图5（E）中圈A处的放大图。
图5（H）为图5（E）中圈B处的放大图。
图6为单个传统光伏太阳能板局部阴影情况下在其输出侧做最大功率跟踪时的P-V曲线图。
图7为嵌入式光伏智能模块的主电路结构，但是每个DC-DC变换器采用传统的输入侧最大功率跟踪控制策略时的P-V曲线图。
图8为嵌入式光伏智能模块的主电路结构，并且采用本发明所提出的输出侧最大功率输出统一控制方法时得到的P-V曲线图。
图9（A）为本发明装置在理想光照情况下无阴影遮挡时候的输出I-V曲线图。
图9（B）为本发明装置在一路光伏电池组出现阴影遮挡时候的输出I-V的曲线图。
图9（C）为本发明装置在两路光伏电池组出现阴影遮挡时候的输出I-V的曲线图。
图9（D）为本发明装置在三路光伏电池组出现不同光照情况下系统的输出I-V的曲线图。
图9（E）为本发明装置在本发明在理想光照情况下无阴影遮挡时候的输出P-V的曲线图。
图9（F）为本发明装置在本发明在一路光伏电池组出现阴影遮挡时候的输出P-V的曲线图。
图9（G）为本发明装置在本发明在两路光伏电池组出现阴影遮挡时候的输出P-V的曲线图。
图9（H）为本发明装置在本发明在三路光伏电池组出现不同光照情况下系统的输出P-V的曲线图。
【具体实施方式】
传统的太阳能光伏系统（如图1）经常会因为自身的不匹配和光照不均而损失大量的能量。本发明提出一种基于分布式最大功率跟踪技术的嵌入式智能光伏模块的结构，利用非隔离的DC-DC变换器替代传统太阳能板接线盒中的并联二极管，通过分布式的最大功率跟踪算法，可以有效地消除太阳能板自身不匹配和光照不均带来的能量损失。本发明针对这种基于非隔离DC-DC电路的嵌入式智能光伏模块提出一种优化的统一输出最大功率跟踪控制策略，在保证输出功率基本不受影响的前提下，优化了整个系统模块。
本发明技术方案主要从系统结构和控制方法两个方面进行阐述。
1)嵌入式智能光伏模块的系统结构（如图2、图3）：
a)利用非隔离的DC-DC变换器替代传统单块太阳能板接线盒中的并联二极管；
b)将单块太阳能板中每一串硅太阳能电池组与一个DC-DC变换器的输入端直接相连；
c)将所有DC-DC变换器的输出端依次串联，构成一个“嵌入式智能光伏模块”；
d)以这种“嵌入式智能光伏模块”为基本单元，再进行串并联构成一个完整的光伏太阳能系统。
2)最大功率输出统一控制方法（如图3）：
a)通过电压、电流传感器检测“嵌入式智能光伏模块”输出端的电压电流信号；
b)在采样电路中对检测到的输出电压、电流进行最大功率跟踪计算，得到此刻光照条件下的最大功率电压指令值；
c)将最大功率跟踪单元计算出的最大功率电压指令值同时送给三路DC-DC变换器的控制回路，作为其各自的控制环的公共电压指令信号；
d)每个DC-DC变换器通过各自独立的控制闭环去跟随这个公共的电压指令，三个独立的PWM控制单元比较各自输入光伏电池组的电压幅值和给定的指令电压值，生成PWM信号，去控制相应的开关管；
e)每当“嵌入式智能光伏模块”输出侧的最大功率跟踪单元进行扰动寻找最大功率点时，每个DC-DC变换器的输入侧电压则通过各自独立的PWM闭环进行控制从而实现了对各自输入侧电压的控制。
DC-DC变换器的拓扑结构是一个Buck电路。
请参阅图4（A）至图4（F）所示，为各种光伏电池的I-V曲线和P-V曲线，其中，图4（A）和图4（D）分别为传统光伏电池的I-V曲线和P-V曲线，图4（B）和图4（E）分别为本发明光伏模块采用传统控制方法处理后的一个Buck电路的输出I-V曲线和P-V曲线，因为每一个Buck电路是串联结构，所以输出母线电流相同，电压相互累加，由此得到整个嵌入式智能光伏模块的输出特性曲线，如图4（C）和图4（F）所示。
请参阅图5（A）至图5（F）所示，为不同情况下光伏电池的I-V曲线和P-V曲线图，其中，图5（A）和图5（D）分别为传统光伏电池组输出的I-V曲线和P-V曲线。因为每一个DC-DC变换器的控制电压参考值是通过输出的最大功率跟踪单元统一给出，所以，在稳态情况下，电路任何时刻的输入电压应该稳定在同一个电压值，如图5（B）和图5（E）所示，从中得知，由最大功率跟踪单元给出的最大功率电压既不是理想光照下光伏电池板的最大功率点电压值，也不是阴影遮挡下光伏电池组的最大功率点电压值，而是系统整体功率最大值的最优电压点。将每一个DC-DC电路的输出曲线相加，可以得到整个嵌入式智能光伏模块的输出特性曲线如图5（C）和图5（F）中所示。
图6至图8为在相同的光照和阴影遮挡情况下，不同结构和不同控制方法设计下的光伏模块输出特性曲线，其中，图6为单个传统光伏太阳能板在其输出侧做最大功率跟踪（即目前市场上的光伏优化器产品）时的P-V曲线；图7为嵌入式光伏智能模块的主电路结构，但是采用传统的最大功率跟踪控制策略时的P-V曲线；图8为嵌入式光伏智能模块的主电路结构，并且采用本发明所提出的最大功率输出统一控制方法时得到的P-V曲线。
图9（A）至图9（H）分别为本发明的实验装置在不同光照情况下的输出特性曲线图，均为实验结果，其中，图9（A）和图9（E）分别为理想光照情况下无阴影遮挡时候的输出特性曲线图，图9（B）和图9（F）分别为一路光伏电池组出现阴影遮挡时候的输出特性曲线图，图9（C）和图9（G）分别为两路光伏电池组出现阴影遮挡时候的输出特性曲线图，图9（D）和图9（H）分别为三路光伏电池组在不同光照情况下系统的输出特性曲线图。
本发明所提出的统一输出最大功率跟踪的控制策略可以让所有的光伏太阳能电池都工作在系统的最优功率点，大大减少了控制芯片，电压电流传感器以及相应的AD，DA的数量，简化了系统结构，降低了成本，并且保证了输出能量的最大化，有效地解决了光伏系统在不匹配光照情况下的能量损失问题，具有广泛的工业应用价值。
本发明嵌入式智能光伏模块的系统特点如下：1）仅对嵌入式智能光伏模块的输出电压电流进行采样，所需要的采样单元和相应的AD，DA器件都大大减少。2）仅需要一个控制芯片进行最大功率跟踪运算，其给出的电压指令信号同时发送给三路Buck变换器的控制回路，作为共同的电压指令。3）每个Buck变换器拥有各自独立的控制回路。这种控制策略中，最大功率跟踪控制单元检测嵌入式智能光伏模块输出端的电压和电流值，通过对其采样进行最大功率的跟踪，然后计算出一个最大功率的电压指令值，分别同时送给三路Buck变换器作为其各自的控制环电压指令信号，最后每个DC-DC变换器通过各自独立的控制闭环去跟随这个统一指令，然后三个独立的PWM控制单元比较各自输入光伏电池组的电压幅值和给定的指令电压值，生成PWM信号，去控制相应的开关管。每当输出侧的最大功率跟踪控制单元进行扰动寻找最大功率点时，每个DC-DC变换器的输入侧电压则通过各自独立的PWM闭环进行控制从而实现了对各自输入侧电压的控制。

Claims (6)

1.一种智能光伏模块，其特征在于，包括光伏电池组、DC-DC变换器，以及最大功率跟踪单元，所述每一个光伏电池组与一个DC-DC变换器的输入端直接相连，所述DC-DC变换器的输出端依次串联，所述每一个DC-DC变换器连接有各自的控制回路，所述最大功率跟踪单元采集到智能光伏模块的输出电流和电压信号后通过最大功率算法计算最大功率点电压，并且将其作为每一个DC-DC变换器的控制回路的指令电压信号用以保证每一个光伏电池组在任何外部光照条件下都工作在整个智能光伏模块的输出功率最优点。
2.一种基于权利要求1所述的智能光伏模块的光伏系统，其特征在于：光伏系统由所述的智能光伏模块作为基本单元进行串并联构成。
3.一种基于权利要求1所述的智能光伏模块的控制方法，其特征在于：最大功率跟踪单元接收到光伏模块输出端的电压和电流信号后，对其进行最大功率跟踪计算，得到此刻光照条件下的最大功率电压指令值，然后将该最大功率电压指令值同时送给各个DC-DC变换器的控制回路，并将所述最大功率电压指令值作为各个控制回路的统一控制环电压指令信号从而控制相应DC-DC变换器的开关管。
4.如权利要求3所述的智能光伏模块的控制方法，其特征在于：所述DC-DC变换器的控制回路接收到所述统一最大功率电压指令值后，比较各自输入光伏电池组的电压幅值和给定的指令电压值，生成PWM信号，去控制相应的开关管。
5.如权利要求3所述的智能光伏模块的控制方法，其特征在于：所述最大功率跟踪单元通过扰动寻找最大功率点。
6.如权利要求5所述的智能光伏模块的控制方法，其特征在于：所述最大功率跟踪单元通过扰动寻找最大功率点时，每个DC-DC变换器的输入侧电压通过各自独立的PWM闭环进行控制，从而实现对各自输入侧电压的控制。
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