CN103095181A - 单电感智能光伏模块及控制方法以及基于该模块的光伏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单电感智能光伏模块及控制方法以及基于该模块的光伏系统，该光伏模块包括光伏电池组、电力电子开关臂对、电容、电感，以及最大功率跟踪单元，所述电力电子开关臂对与电容并联形成开关网络，每一个开关网络并联在每一个光伏电池组的两端，所述开关网络的输出端依次串联后再与所述的统一输出电感串联，所述每一个开关网络具有各自的闭环控制回路，所述最大功率跟踪单元采集到光伏优化器输出的电流和电压信号后将其传输给每一个开关网络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优化的最大输出功率点、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

单电感智能光伏模块及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模块的电路结构及其控制方法。

【背景技术】

太阳能作为一种清洁，无污染，取之不尽，用之不竭的可再生能源，其优点在快速发展的今天越来越多的得到社会的关注。但是由于其投资费用高，输出效率低，输出能量不稳定等问题，如何最大化利用光伏太阳能板产生的能量就成为决定光伏产业发展的决定性因素。太阳能板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，供给电网或者用户。太阳能板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。因为并网设备的要求，需要串联多个太阳能板来达到足够高的并网电压；又因为光伏系统容量的要求，太阳能板需要并联来输出足够的能量，所以传统的光伏太阳能系统都是基于太阳能板的串并联来构成一个光伏阵列，从而实现大容量光伏发电。对于一个这样一个光伏太阳能系统来说，如果被周围的树木、烟囱或其他物体投射的阴影部分遮挡住时，就会导致整个系统出现“失配”问题，也就是无法让光伏阵列中的每一块太阳能板工作在最大功率点，这种失配现象对于整个光伏系统来说会带来如下危害：

1)严重影响到整个太阳能系统的发电量；

2)缩短光伏太阳能板的使用寿命；

3)整个系统输出特性出现“多峰值”的特性曲线，影响并网设备的正常运行；

4)系统发生震荡，严重时会影响电网稳定性。

5)严重时会影响整个电网的用电质量。

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（Maximum Power Point Tracking--MPPT）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，即使通过某种复杂的算法可以找到整个光伏系统的全局最大功率点，还是无法达到系统理论的最大输出功率点，从而严重影响整个光伏太阳能系统的输出效率，所以并没有从根本上解决问题。

【发明内容】

本发明提出一种新的光伏太阳能板结构，通过电力电子器件取代了传统太阳能板接线盒中的并联二极管。并且通过合理的功率调节控制，使得一块标准的太阳能电池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系统的最大功率点，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。这种电路结构控制简单，相比较目前业界的光伏优化器，具有器件数少，成本低，控制系统简单，更强的抑制不匹配干扰能力，可集成度高等优点，大大提高了光伏太阳能板本身的智能程度，具有广泛的应用前景。

本发明采用如下技术方案：

一种单电感智能光伏模块，包括光伏电池组、电力电子开关臂对、电容、电感，以及最大功率跟踪单元，所述电力电子开关臂对与电容并联形成开关网络，每一个开关网络并联在每一个光伏电池组的两端，所述开关网络的输出端依次串联后再与所述电感串联，所述每一个开关网络连接有各自的闭环控制回路，所述最大功率跟踪单元采集到光伏优化器输出的电流和电压信号后通过计算得到最大功率的对应电压控制信号并将其传输给每一个开关网络的闭环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系统优化的最大输出功率点。

作为本发明的优选实施例，所述电力电子开关臂对主要由一个开关和一个二极管组成。

一种基于上述单电感智能光伏模块的光伏系统，所述光伏系统由单电感智能光伏模块作为基本单元进行串并联构成。

一种如上述所述的单电感智能光伏模块的控制方法，最大功率跟踪单元检测到光伏优化器输出端的电压和电流信号后，通过最大功率跟踪算法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开关网络的闭环控制回路，并将所述最大功率电压指令值作为闭环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。

作为本发明的优选实施例，所述开关网络的闭环控制回路接收到所述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，生成同步错相的PWM信号，去控制相应的开关管。

作为本发明的优选实施例，每一个开关网络的开关控制信号错相控制，相差360/n度，其中，n为一块标准光伏电池板中的电池组数目。

作为本发明的优选实施例，所述开关网络的闭环控制回路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后，将误差通过各自的闭环控制回路进行闭环调节，再将输出的控制信号和错相的三角波载波进行比较，得出n路相互错相360/n度的PWM信号，去分别控制各自的开关管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用多组电力电子开关和电容，电感替代传统太阳能板接线盒中的并联二极管，利用基于输出电压电流检测检测的最大功率跟踪算法，有效地消除了因为光照不均或者自身不匹配现象带来的能量损失及其他问题。

【附图说明】

图1为传统光伏太阳能板示意图。

图2为传统光伏太阳能板的内部结构示意图。

图3为本发明基于统一输出电感结构的级联型光伏优化器的结构图。

图4为图3中的PWM模块的内部结构图。

图5（A）为传统光伏太阳能板在阴影情况下使用目前工业界光伏优化器产品后的输出P-V特性曲线对比图，其中，实线为目前工业界光伏优化器产品后的输出特性曲线，虚线为传统光伏太阳能板的输出特性曲线。

图5（B）为传统光伏太阳能板与本发明系统的输出特性曲线对比图，其中，实线为本发明的输出特性曲线，虚线为传统光伏太阳能板的输出特性曲线。

图6为本发明在稳态占空比小于33%时的三路驱动波形和负载电流电压波形，其中，图6（A）为理想光照下没有不匹配问题时候的波形，图6（B）为第一路光伏电池组出现不匹配问题（例如部分被遮挡）情况下的波形。

图7为本发明系统在稳态占空比等于33%时的三路驱动波形和负载电流电压波形，图7（A）为理想光照下没有不匹配问题时候的波形，图7（B）为第一路光伏电池组出现不匹配问题（例如部分被遮挡）情况下的波形。

图8为本发明系统在稳态占空比大于33%时的三路驱动波形和负载电流电压波形，图8（A）为理想光照下没有不匹配问题时候的波形，图8（B）为第一路光伏电池组出现不匹配问题（例如部分被遮挡）情况下的波形。

【具体实施方式】

传统的光伏太阳能板（见图1）中的各个光伏电池组输出串联连接，因此输出电流必须保持一致，再出现遮挡或者光照不均匀的情况下就会产生“热点”现象，从而引发太阳能板的损坏。所以工业界普遍的做法是在每个光伏电池组上反并联了一个二极管（见图2），通过旁路的方法来避免电池组因为输出电流不一致产生的损坏。这种方法一定程度上延长了太阳能板的寿命，但是也放弃了掉了被遮挡的电池组所产生的能量，同时也严重影响太阳能系统效率和稳定性。本发明提出一种基于分布式最大功率跟踪结构的光伏模块，利用多组电力电子开关和电容，电感替代传统太阳能板接线盒中的并联二极管，利用基于输出电压电流检测检测的最大功率跟踪算法，有效地消除了因为光照不均或者自身不匹配现象带来的能量损失及其他问题。

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)光伏模块的系统结构（如图3和图4）：

a)利用一个开关和一个二极管组成一个电力电子开关臂对，和一个电容并联，构成一个开关网络，与标准光伏太阳能板中的一个光伏电池组相连，替代传统单块太阳能板接线盒中的并联二极管；

b)将所有开关网络的输出端依次串联，并且再与一个电感串联，构成一个光伏模块的基本模块；

2)最大功率输出统一控制方法（如图3和图4）：

a)每一路的开关控制信号错相控制，相差360/n度；（n为一块标准光伏电池板中的电池组数目，也即传统光伏太阳能板接线盒中的反并联二极管数目，本文中以n=3为例）

b)通过电压、电流传感器检测光伏模块输出端的电压电流信号；

c)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；

d)将最大功率跟踪单元计算出的电压指令值分别同时送给每一路的开关管的控制电路，作为其各自的控制环电压指令信号；

e)每个DC-DC变换器的闭环控制回路通过各自独立的控制闭环去跟随这个公共的电压指令，各个独立的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，生成同步错相的PWM信号，去控制相应的开关管；

本发明所提出的这种基于统一输出电感结构的光伏模块可以让每块标准太阳能板中的所有的光伏太阳能电池组都工作在系统最优的最大功率点，并且只需要一个电感元件和一块最大功率跟踪控制芯片。同时也减少了电压电流传感器以及相应的AD，DA的数量，简化了系统结构。相比较目前工业界的光伏优化器产品，本发明提高了光伏板在光照不均匀条件下的输出功率，保证了输出能量的最大化，有效地解决了光伏太阳能系统在不匹配情况下的能量损失问题，具有广泛的工业应用价值。

本发明所提出的基于统一输出电感结构的光伏模块的基本结构如图3所示。本发明通过一个二极管和一个全控型开关来实现对每个光伏电池组的最大功率分别控制，从而让每个光伏电池组可以独立的工作并且使得整个系统可以最大功率输出，即使出现光照不均，最大功率点不同的情况下，也可以让光伏太阳能板的各个部分各尽所能，极大地提高了整体的输出功率。

整个系统首先检测光伏模块输出端的电压和电流信号，将实时采样值送至最大功率跟踪单元（MPPT，见图3），利用MPPT内的最大功率跟踪算法实时寻找最大功率点，并且输出最大功率点处的电压值，这个电压值作为统一的控制信号，分别送给每一路电池组的独立控制回路。控制回路中的PWM控制芯片将采样回来的各自的电池组端口的实时电压值和MPPT给出的统一电压值进行比较，将误差通过各自的控制回路进行闭环调节。再将输出的控制信号和各自的三角波载波进行比较，得出三路相互错相120°的PWM信号，去分别控制各自的开关管，从而达到分别对每个光伏电池组工作电压的实时控制。

因为这种结构的光伏模块只能实现输入侧（即光伏电池组输出电压）的电压控制，所以其输出的电压或者电流值通常由后级的级联变换器或者电压母线决定，当光照情况变化或者后级输出电流变化时，系统的工作点会发生相应变化，为了适应不同的光照情况，系统的工作点在设计时需要考虑较宽的范围，即占空比需要有很大的变化幅度。图6-图8列举了系统在不同工作状态时的开关波形和电流纹波仿真（以三个光伏电池组为例，三路控制信号同步触发，之间相差120°相角）。图6表示系统在稳态占空比小于33%时的三路驱动波形和负载电流电压波形。图7表示系统在稳态占空比等于33%时的三路驱动波形和负载电流电压波形。图8表示系统在稳态占空比大于33%时的三路驱动波形和负载电流电压波形。

本发明中给出了一种基于统一输出电感结构的光伏模块及其控制方法。并利用仿真软件对该结构和控制方法进行了仿真比较。从仿真结果可以看到，该光伏优化器能够很好的解决光伏太阳能板在失配现象中产生的能量损失问题，相比于目前工业界的产品，具有更高的输出效率和级联可靠性，为光伏系统在各种场合的工程应用提供了很好的技术方案。

Claims (7)

1.单电感智能光伏模块，其特征在于：包括光伏电池组、电力电子开关臂对、电容、电感，以及最大功率跟踪单元；所述电力电子开关臂对与电容并联形成开关网络，每一个开关网络并联在每一个光伏电池组的两端，所述开关网络的输出端依次串联后再与所述电感串联，所述每一个开关网络连接有各自的闭环控制回路，所述最大功率跟踪单元采集到光伏优化器输出的电流和电压信号后通过计算得到最大功率的对应电压控制信号并将其传输给每一个开关网络的闭环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系统优化的最大输出功率点。

2.如权利要求1所述的单电感智能光伏模块，其特征在于，所述电力电子开关臂对主要由一个开关和一个二极管组成。

3.一种基于权利要求1所述的单电感智能光伏模块的光伏系统，其特征在于：所述光伏系统由单电感智能光伏模块作为基本单元进行串并联构成。

4.一种如权利要求1所述的单电感智能光伏模块的控制方法，其特征在于：最大功率跟踪单元检测到光伏优化器输出端的电压和电流信号后，通过最大功率跟踪算法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开关网络的闭环控制回路，并将所述最大功率电压指令值作为闭环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。

5.如权利要求4所述的单电感智能光伏模块的控制方法，其特征在于：所述开关网络的闭环控制回路接收到所述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，生成同步错相的PWM信号，去控制相应的开关管。

6.如权利要求5所述的单电感智能光伏模块的控制方法，其特征在于：每一个开关网络的开关控制信号错相控制，相差360/n度，其中，n为一块标准光伏电池板中的电池组数目。

7.如权利要求6所述的单电感智能光伏模块的控制方法，其特征在于：所述开关网络的闭环控制回路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后，将误差通过各自的闭环控制回路进行闭环调节，再将输出的控制信号和错相的三角波载波进行比较，得出n路相互错相360/n度的PWM信号，去分别控制各自的开关管。

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