CN103490650A - 分布式光伏功率优化器以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光伏功率优化器以及控制方法，在光伏阵列部分或间歇性的遮蔽或老化等因素引起的光伏模块串、并联失配时，其效果更加明显。其特征是功率优化器直接附加于光伏模块后，优化器以串联架构连接，串联系统架构下的功率优化器首先获取与其相连的光伏模块的电压和电流信号，并直接针对单个模块做最大功率追踪，使光伏模块输出最大功率，并将结果传给中央控制器。由中央控制器接收每个优化器算出的最大功率，监测到受遮蔽模块电压电流状况，通过运算来协调各模块输出电压电流。该控制方式既可以保证每个光伏模块工作在最佳工作点，又可以使总线电压设定更加灵活且更稳定，该系统可作为直流供电电源，也可用于独立或并网光伏系统。

Description

分布式光伏功率优化器以及控制方法

技术领域

本发明涉及光伏应用技术领域，具体为分布式光伏功率优化器以及控制方法。

背景技术

太阳能光伏发电系统简称光伏，是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的发电系统，为了获得较高的电压或电流输出，光伏系统是由多个光伏组件(模块)串联或并联构成的。实际大面积铺设的光伏组件阵列光照条件是不均匀的，而且经常面临较恶劣的现象，如阴影、碎片、污垢等环境条件，光伏组件输出的不平衡会出现相互串联或并联时失配的问题，而失配问题导致的直接后果就是功率的损耗。

为了获得最大的输出功率，目前通常在集中式的逆变器(102)中设置最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)控制，如图1所示。逆变器多路输入使用同一个MPPT，无法识别串、并联支路中各光伏组件(100)的差异，更不可能对光伏组件之间的差异进行平衡，出现串、并联失配所致严重的功率损耗，这种损失在大型太阳能光伏电站是非常普遍的。因此集中式控制架构对于光伏组件参数的离散性或太阳辐射条件的差异所造成的能量损失是无能为力的。

分布式光伏功率优化控制系统是每个光伏组件连接一个带MPPT功能的功率优化器，且每个光伏组件的输出接在功率优化器的输入点，该分布式的功率优化器对每个光伏组件进行跟踪控制，在实现单元输出功率最大化的同时，系统输出总功率也可能最大化。但是每个功率优化器独自跟踪，不能实现光伏系统各并联支路的协调控制，无法保证每串光伏组件的直流母线电压相等和稳定，电压较低的支路不能输出电流，甚至可能流通一个反向电流，为了避免并联支路环流的产生，必须在各支路串联二极管(101)，输出电流在该二极管上将产生一个附加损耗。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了分布式光伏功率优化器以及控制方法，该分布式光伏功率优化器直接附加于每个光伏组件后，能够最大限度提高系统的能源输出，并且通过通信模块能够同中央控制器进行数据通信。优化器首先获取与其相连的光伏组件的电压和电流信号，直接针对单个组件做最大功率追踪，使光伏组件输出最大功率，并将结果传给中央控制器。中央控制器接收每个优化器发出的光伏组件的工作参数，并监测到受遮蔽光伏组件的电压、电流状况，在运算和综合的基础上，按照系统功率最优化的策略，来协调各光伏组件的输出电压和电流，并使每串光伏组件的直流母线电压相等。该控制方法既可以保证每个光伏模块工作在最佳工作点，又可以使总线电压设定更加灵活且更稳定。尤其是在光伏阵列部分或间歇性的遮蔽或老化等因素引起的光伏组件串、并联失配时，其效果更加明显。每个功率优化器都内置MPPT控制算法，可以离开中央控制器独立应用，特别适合单支路的分布式光伏功率优化控制。采用分布式光伏功率优化器以及控制方法的光伏系统可作为直流供电电源，也可用于离网或并网光伏逆变供电系统。

其技术方案特征在于：其包括中央控制器、通信模块、光伏组件，所述光伏组件采用多路串联、并联，每个所述光伏组件与对应功率优化器相连，光伏组件输出经功率优化器变换后再串、并联连接输出。所述中央控制器连接所述通信模块，与光伏功率优化器通信，实现光伏系统总体协调、分布式控制。

其进一步特征在于：所述功率优化器包括电源电路、MOS管门驱动电路、DC-DC变换器、通信模块、温度检测电路、输入端电压/电流采样电路、输出端电压/电流采样电路和微处理器，所述微处理器连接所述通信、检测、采样和驱动电路，所述MOS管门驱动电路连接DC-DC变换器。所述DC-DC变换器采用四MOSFET开关升压/降压同步整流变换器，以脉冲宽度调制(PWM)控制方式工作。所述分布式光伏功率优化器，其特征在于：所述MOS管门驱动电路采用具有电源自举和死区保护的MOSFET驱动器。

分布式光伏功率优化控制方法，其特征在于：所述最大功率点跟踪(MPPT)控制方法为：所述功率优化器执行MPPT算法，获取每个所述光伏组件的工作参数和最大功率后传送至所述中央控制器，所述中央控制器按照系统功率最优化的策略，来协调各光伏组件的输出电压和电流，算出各个光伏组件的最大功率控制参数传输给相应的功率优化器，所述功率优化器接收各自的所述最大功率控制参数，通过所述微处理器控制并通过所述MOS管门驱动电路驱动，实现所述DC-DC变换器的升压/降压控制，获得光伏组件最大功率输出。各并联支路的协调控制使整个系统达到最佳值，各支路电压相等，总线电压可保持更高且更稳定。所述最大功率跟踪控制方法，通过触摸屏输入光伏系统和光伏组件参数，由所述中央控制器计算最佳光伏组件数量范围和设置参考电压初值，使系统开机后快速跟踪到光伏系统最大功率点。

本发明的有益效果：与集中式逆变器和其他分布式最大功率跟踪器相比，本发明是将原来安装在逆变器里的MPPT电路，分解到每一个光伏组件，每个光伏组件的输出与功率优化器的输入端相连接，每个功率优化器的输出串联连接，构成一个光伏组件优化串，多个串的输出并联连接至逆变器的直流输入端。每个优化器都内置MPPT算法，克服了由于光伏组件参数的离散性或太阳辐射条件差异的相互影响造成光伏组件串联或并联时失配所致的能量损失。在实现单元输出功率最大化的同时，中央控制器通过通信模块监控每个功率优化器的工作，并调整每个优化器电压和电流输出，实现光伏系统各并联支路的协调控制，保证每串光伏组件的直流母线电压相等和稳定，避免了并联支路环流的产生，使光伏系统总体输出功率最大。

中央控制器使该光伏发电系统控制装置智能化和人性化：1.友好的人机界面使用户操作更加方便和安全。2.可以通过触摸屏输入用户使用的光伏模块的开路电压等参数，设定每个功率优化器的参考电压初值，保证系统快速跟踪最大功率点。3.通过触摸屏可以显示当前每个功率优化器的运行情况和系统的状态。

光伏系统安装更加方便和安全，由于光伏组件之间的连接经过功率优化器进行了隔离，而安装时功率优化器是处于关闭状态，故安装时不会产生危险的电压。同时遇火警或其他紧急情况可自动关闭等。

附图说明

图1是现有技术的光伏发电示意图；

图2是本发明专利的实施示意图

图3是本发明专利的控制单元示意图

图4是本发明专利的具体控制方法流程图

具体实施方式

如图2所示，本发明提供一种分布式的光伏系统最大功率跟踪的控制装置和控制方法，其包括光伏电池组件(100)、DC-DC变换器(205)、MPPT(204)、通信模块1(203)、中央控制器(207)以及人机界面触摸屏(208)。其中DC-DC变换器(205)、MPPT(204)、通信模块1(203)构成功率优化器(202)，每个功率优化器(202)都内置MPPT控制算法，可以独立应用。每个光伏组件(100)都串联一个功率优化器(202)，且光伏组件(100)的输出端连接功率优化器(202)，优化器的输出端相互串联构成一个光伏组件优化串(210)。光伏组件优化串(210)采用多路并联而后接至逆变器(206)。中央控制器单元(211)包括中央控制器(207)，触摸屏(208)和通信模块2(209)。

图3为本发明专利所述分布式光伏功率优化器的组成原理框图，其中PV+(301)连接光伏组件正输出端，输入端采样电路(303)，用于对光伏组件的输出电压、电流进行采样和滤波；输出端采样电路(309)用于对优化器输出端Vout+(308)的电压、电流进行采样和滤波；采样电路(303)和(309)的输出连接到微处理器(306)的ADC管脚；由微处理器(306)输出脉冲信号至MOS管门极驱动电路

(305)，驱动电路输出接至DC-DC变换器MOS管的门极，通过最大功率跟踪(MPPT)算法，确定DC-DC变换器的升压/降压控制，并改变PWM信号的占空比来调节输出电压或电流，控制光伏组件输出达到最大功率点。通信模块1(203)连接到微处理器(306)，通过通信模块2(209)实现与中央控制器(207)的数据传输。温度检测单元(307)用于检测优化器工作温度是否过高以及是否发生火灾等异常情况，温度过高时，关闭优化器，保证系统的安全性。

由中央控制器(207)接收每个优化器算出的最大功率，可以算出该光伏组件优化串支路i的最大功率为

P_{i_支}＝P_{imax_1}+P_{imax_2}+…+P_{imax_n}         (1)

假定用户设定的母线电压为U_o，则可算出i支路的电流为

I_{i_支}＝P_{i_支}/U_o                           (2)

同一支路电流相等，故各功率优化器所应输出的电压为

U_{出i_n}＝P_{imax_n}/I_{i_支}                     (3)

根据该功率优化器的输入电压U_{入i_n}和输出电压U_{出i_n}，可知道该优化器所应工作的占空比D_{i_n}。

升压模式：D_{i_n}＝(U_{出i_n}-U_{入i_n})/U_{出i_n}    (4)

降压模式：D_{i_n}＝U_{出i_n}/U_{入i_n}             (5)

P_{imax_n}为第i个支路的第n个模块的最大功率，其中i代表第i个支路，n代表第n个模块。

此外，本发明可通过触摸屏输入用户设定的光伏系统输出参数，并输入选用的光伏组件的参数，所述中央控制器计算出参考电压初值，可实现开机快速跟踪光伏组件的最大功率点。同时中央控制单元还可对每个优化器单独操作，如开通和关断，增加了系统的灵活性和安全性。

图4是本发明专利的具体控制方法流程图。

步骤401，用户通过触摸屏输入光伏系统的参数，如需要达到的直流母线电压和系统的总功率，中央控制单元会计算出所需的最佳光伏组件数量范围。

步骤402，用户输入所选光伏组件的参数，如开路电压和短路电流，中央控制器会将参考电压初值设定为当前光强和温度对应的开路电压的一个适当的百分数，可使系统开机后能快速跟踪到光伏组件最大功率点。

步骤403，功率优化器接收中央控制器给定的参考电压初始值。

步骤404，功率优化器初始化MPPT参数，输出该参考电压下PWM应工作的占空比，使DC-DC同步整流变换器输出电压为给定参考电压。

步骤405，进行温度检测，当发生过温，优化器关闭工作。

步骤406，优化器执行最大功率跟踪算法，获取每个光伏组件当前情况下的最大功率P_{imax_n}。

步骤407，每个优化器将通过向中央控制器传输自己的地址，来区分各个优化器。

步骤408，每个优化器再将各自检测到的当前温度、电压、电流以及最大功率传送给中央控制器。

步骤409，中央控制器接收每个优化器传来的参数，并保存到各优化器所对应的存储单元里。

步骤410，中央控制器根据系统的要求，如要稳定的输出电压，中央控制器根据公式(1)到(5)计算每个功率优化器工作在最大功率点所应该输出的占空比D_{i_n}。如当发生被遮挡光伏组件输出电压的降低，导致整个串列的总电压降低时，同一串列未被遮挡的光伏组件对应的DC-DC变换器将提高输出电压，以维持整个串列的总电压保持稳定。同时，未被遮挡光伏组件的DC-DC变换器输出电压的增加，输出电流相应减小，以匹配整个串列的输出电流。

步骤411，中央控制器同样通过地址信号，将每个优化器最大功率控制参数传输给每个功率优化器。

步骤412，各功率优化器接收中央控制器给定的最大功率控制参数，由微处理器(306)通过驱动DC-DC变换器MOS管的门极来实现对应占空比D_{i_n}的PWM控制。

步骤413，中央控制器通过触摸屏来显示当前系统和每个优化器的的工作状况，如发电量、温度、电压电流等参数。

Claims (5)

1.分布式光伏功率优化器以及控制方法，其特征在于：其包括中央控制器、通信模块、光伏系统，所述光伏系统为了获得较高的电压和电流输出采用多个光伏组件(模块)串联后再多路并联构成，每个所述光伏组件与对应功率优化器相连，光伏组件输出经功率优化器变换后再串、并联连接，输出接至逆变器，所述中央控制器连接所述通信模块，与光伏功率优化器通信，实现光伏系统总体协调、分布式控制。

2.根据权利要求1所述分布式光伏功率优化器，其特征在于：所述功率优化器包括电源电路、MOS管门驱动电路、DC-DC变换器、通信模块、温度检测电路、输入端电压/电流采样电路、输出端电压/电流采样电路和微处理器，所述微处理器连接所述通信、检测、采样和驱动电路，所述MOS管门驱动电路连接DC-DC变换器。

3.根据权利要求2所述分布式光伏功率优化器，其特征在于：所述DC-DC变换器采用四MOSFET开关升压/降压同步整流变换器，以脉冲宽度调制(PWM)控制方式工作。

4.根据权利要求2所述分布式光伏功率优化器，其特征在于：所述MOS管门驱动电路采用具有电源自举和死区保护的MOSFET驱动器。

5.根据权利要求1或2所述分布式光伏功率优化器以及控制方法，其特征在于：所述最大功率跟踪(MPPT)控制方法为：通过触摸屏输入光伏系统和光伏组件参数，所述中央控制器计算最佳光伏组件数量范围和设置参考电压初值，使系统开机后快速跟踪到光伏系统最大功率点；所述功率优化器执行MPPT算法，获取每个所述光伏组件当前情况下的最大功率后传送至所述中央控制器，所述中央控制器算出各个光伏组件相应的最大功率控制参数传输给每个所述功率优化器，所述功率优化器接收各自的所述最大功率控制参数，通过所述微处理器控制并通过所述MOS管门驱动电路驱动，实现所述DC-DC变换器的升压/降压控制，获得光伏最大功率输出。

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