CN103647501B - 一种光伏电源结构及最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

一种光伏电源结构及最大功率跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏电源结构及最大功率点跟踪控制方法，该光伏电源结构包括：光伏组件，BOOST电路，最大功率跟踪控制单元；光伏组件A、B的输出端分别接一个BOOST电路，两个BOOST电路的输出端串联后再并联一个电容，电容的后级通过并网系统并网；最大功率控制单元对两BOOST电路的输出电压进行比较，将差值通过PI调节器转化为相应的占空比，然后将占空比转化为相应的PWM波，来动态调节光伏组件的输出功率，最终使光伏组件稳定的工作在最大功率点。该方法控制简单，不需要电流传感器、存储器和微处理器，只需要简单的电路即可实现最大功率跟踪，能大幅度降低成本。

Description

一种光伏电源结构及最大功率跟踪控制方法
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，涉及一种光伏电源结构及最大功率点跟踪控制方法。
背景技术
能源是发展国民经济，提高人民生活水平的物质基础。随着经济社会的发展，传统化石能源日益减少，寻求新的能源来取代化石能源已成为能源发展的必然趋势。太阳能具有储量巨大，无需开采和运输，没有地域性限制等众多优点，因此在所有新能源发电中，太阳能发电地位突出，优势明显，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
光伏发电是太阳能发电的主导。在光伏发电系统中，如何使光伏系统获得最大功率，提高整个系统的输出效率至关重要。要使光伏系统获得最大功率，首先得控制每个光伏组件工作在最大功率点。扰动观察法是传统的最大功率点跟踪控制方法，需要同时用到电流传感器和电压传感器，还需要用到存储器来存储对上一时刻的数据进行存储，电路结构复杂，成本高。而且当光照强度很低时，还容易失效。
基于传统方案的不足，本发明提出一种光伏电源结构及最大功率跟踪控制方法。与扰动观察法相比，本方法只需要采样电压，电路结构简单，不需要电流传感器、存储器和微处理器，只需要简单的电路即可实现最大功率的跟踪控制,能大幅度降低成本。
发明内容
本发明提出了一种光伏电源结构及最大功率点跟踪控制方法，电路结构简单，成
本低，能快速有效实现最大功率点的跟踪控制，大幅度降低成本。
发明的技术解决方案如下：
(1)PVA、PVB为型号相同的两光伏组件，它们工作于相邻位置，也可认为它们工作的外部环境相同，因此两组件的伏安特性曲线和最大功率点也大致相同。
(2)两BOOST电路输出端采用串联结构，输出电流Iout相等。光伏组件PVA的输出功率PA＝UA*Iout，组件PVB的输出功率PB＝UB*Iout，UA和UB分别为BOOST电路A和BOOST电路B的输出电压，因此比较光伏组件PVA、PVB的输出功率大小，只用比较UA和UB的大小。
(3)控制光伏组件PVA、PVB输出电流为一个较小差值△I。由光伏组件的功率-电流曲线知，最大功率点处有dP/dI＝0，写成差分形式[P(I)-P(I+△I)]/△I＝0，ΔI为一个较小值，当P(I)＝P(I+ΔI)时，即认为光伏组件工作在最大功率点处。保持两BOOST电路的占空比为分别为D和D+△D，根据BOOST电路的输入与输出电流的关系Iin＝(Iout/占空比)，PVA、PVB两光伏组件的输出电流分别为Iout/D和Iout/(D+ΔD)，PVA、PVB两组件电流差值△I＝IA-IB＝△D*Iout/[D(D+△D)]≈△D*Iout/D2,ΔD为一较小正值，因此△I也为一个较小正值。
(4)动态调节两BOOST电路的输出电压，使UA＝UB，即光伏组件的工作在最大功率点。光伏组件PVA的输出电流始终比光伏组件PVB的输出电流大ΔI，因此组件PVA的工作点始终在组件PVB的右侧。对两BOOST电路的输出电压UA和UB进行采样，当UA>UB，此时PVA、PVB两组件同时工作在最大功率点的左侧，将它们的差值经PI调节器后，占空比D减小，光伏组件的输出电流增大，工作点向右移动，逐渐向峰值靠拢。当UA<UB，此时PVA、PVB两组件同时工作在最大功率点的左侧，将他们的差值经PI调节器后，占空比增大，光伏组件的输出电流减小，工作点向左移动，逐渐向峰值靠拢。最终，组件PVA工作在峰值右侧，组件PVB工作在峰值左侧，UA≈UB，两光伏组件的输出功率基本相等，可认为光伏组件工作于最大功率点处。ΔD值的大小决定了ΔI值的大小，ΔI的大小决定了两光伏组件功率相等时与实际最大功率点的逼近程度。ΔD值越小，稳定工作时，光伏组件的工作点越接近于实际最大工作点，但相应的调节时间也越长。
本发明的有益效果是：1)BOOST电路串联结构保证了输出电流相等，只需对电压进行采样和比较，不用计算出实际功率的大小，就能实现功率大小的比较，控制简单；2)不需要电流传感器、存储器和微处理器，只需要简单的电路就能实现最大功率的跟踪，成本低，结构简单；3)PI调节器加限幅，使其在光照强度很低时，也能很好的控制光伏组件工作在最大功率点。
附图说明
图1为光伏电源结构示意图
图2为光伏组件功率-电流曲线图
图3为两光伏组件三种不同的工作状态
图4为光照强度1000W/m2温度为25℃时，本发明方案与传统扰动观察法输出功率曲线图(图a为本发明方案光伏组件输出功率曲线图，图b为扰动观察法光伏组件输出功率曲线图)
图5为光伏组件PVA、PVB外部环境短暂失配后，组件的工作状态(图a为光伏组件输出功率曲线图，图b为占空比曲线图)
具体实施方式
图1为光伏电源结构示意图，包括PVA、PVB两个光伏组件、BOOST电路A、BOOST电路B和一个最大功率跟踪控制单元组成。光伏组件的一端与2mH的电感一端相连，电感的另一端与IGBT的集电极和前向导通二极管正极连接，光伏组件的另一端与IGBT的发射极连接。BOOST电路A中的IGBT的发射极与BOOST电路B的前向导通二极管的负极连接，保证了BOOST电路的输出电流Iout相等。BOOST电路A的前向导通二极管的负极与BOOST电路B中的IGBT的集电极之间接一个1000uF电容，电容后级通过并网系统并网。最大功率跟踪控制单元将两BOOST电路的输出电压作差，将差值通过PI调节器，转化为相应的占空比D，其中PI调节器的比例系数KP＝0.1，积分系数KI＝100。控制光伏组件PVA、PVB的占空比分别为D和D+ΔD，PWM脉冲发生器根据占空比产生相应的脉冲，来动态调节光伏组件的工作点。由BOOST电路输入与输出电流的关系Iin＝(Iout/占空比)，则光伏组件PVA、PVB的输出电流分别为Iout/D和Iout/(D+ΔD)，PVA、PVB两组件电流差值△I＝IA-IB＝△D*Iout/[D(D+△D)]≈△D*Iout/D2，ΔD取值0.01。
图2为光伏组件功率-电流曲线图，该图为一条开口向下的光滑曲线，由曲线知：最大功率点处有dP/dI＝0，写成差分形式[P(I)-P(I+△I)]/△I＝0。ΔI为一较小值，当P(I)＝P(I+△I)时，即可认为光伏组件工作在最大功率点，且ΔI越小，P(I)＝P(I+ΔI)时，光伏组件工作点越接近于实际的最大功率点。
图3为两光伏组件三种不同的工作状态，由于光伏组件PVA的输出电流始终比组件PVB的电流大，所以组件PVA的工作点始终在组件PVB的右边。图a为两光伏组件都工作在最大功率点的左侧，输出功率PA>PB，因此BOOST电路的输出电压UA>UB，将UB与UA的差值经PI调节器后，占空比D减小，光伏组件的输出电流增大，工作点向右移动，逐渐向峰值靠拢。图b为两光伏组件都工作在最大功率点的右侧，输出功率PA<PB，因此BOOST电路的输出电压UA<UB，将UB与UA的差值经PI调节器后，占空比D增大，光伏组件的输出电流减小，工作点向左移动，逐渐向峰值靠拢。最终，两光伏组件的工作状态会稳定在图c所示的状态，即组件PVA工作在峰值右侧，组件PVB工作在峰值左侧，此时可认为光伏组件工作于最大功率点处。
图4为光照强度1000w/m2温度为25℃时，本发明方案与传统扰动观察法性能对比。图a和图b分别为本方案与传统扰动观察法的功率-时间曲线。本方案稳定输出功率有效值为187W，扰动观察法输出功率有效值为181W。对比两个曲线图可知，本方案比扰动观察法调节速度快，稳态时的脉动小，这也使得本方案输出功率有效值比扰动观察法稍大。
图5为初始时刻组件PVA、PVB的光照强度都是1000W/m2，0.1s时组件PVA光照强度降到600W/m2，0.2s时，组件A的光照强度重新变为1000W/m2时，光伏组件的工作状态。仿真开始后，最大功率跟踪控制模块迅速介入，输出功率达到183W；0.1s后，组件PVA光照强度降低时，限幅模块开始工作，占空比限制在0.67，输出功率50W；0.2s后，最大功率跟踪控制模块重新起作用，功率输出恢复到183W。因此外部环境的短暂变化，系统仍能稳定工作，控制光伏组件工作在最大功率点处。

Claims (2)

1.一种光伏电源结构，其特征在于由PVA、PVB两个光伏组件、BOOST电路A、BOOST电路B和一个最大功率跟踪控制单元组成，PVA的输出端与BOOST电路A的输入端相连，PVB的输出端与BOOST电路B的输入端相连，两BOOST电路输出端串联后再并联一个电容，电容的后级通过并网系统并网；
PVA、PVB为相邻的光伏组件，认为它们工作的外部环境相同，因此两光伏组件的伏安特性曲线和最大功率点也基本相同；
每个BOOST电路都分别由一个2mH的电感、一个IGBT和一个前向导通二极管组成；电感的一端与光伏组件的正极相连，另一端与IGBT的集电极和前向导通二极管的阳极相连，光伏组件的负极与IGBT的发射极相连；BOOST电路A中IGBT的发射极与BOOST电路B中二极管的阴极连接，BOOST电路A中二极管的阴极与BOOST电路B中IGBT的发射极之间接一个1000uF的电容；
最大功率跟踪控制单元通过一个加法器、一个PI调节器、一个限幅电路、一个PWM脉冲发生器来实现最大功率点跟踪控制方法；加法器用于计算两BOOST电路的输出电压差值，PI调节器对差值进行适当调理，使差值转变为相应的占空比D，PI调节器的比例系数为0.1，积分系数为100；限幅电路用于防止占空比过大而导致光伏组件工作于开路状态，限幅值为0.9*Uref/UA，其中Uref为光伏组件的开路电压，UA为BOOST电路A的输出电压；PWM脉冲发生器将占空比值转化为对应的PWM脉冲，其载波频率为10KHz。
2.基于权利要求1所述的光伏电源结构的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于由如下步骤组成：
(1)PVA、PVB为型号和内部参数相同的两光伏组件，它们工作于相邻位置，认为它们工作的外部环境相同，因此两组间的伏安特性曲线和最大功率点也相同；
(2)两BOOST电路输出采用串联结构，保证BOOST电路输出电流Iout相等；光伏组件PVA的输出功率PA＝UA*Iout，组件PVB的输出功率PB＝UB*Iout，UA和UB分别为BOOST电路A和BOOST电路B的输出电压，因此比较光伏组件PVA和PVB的输出功率大小，只用比较UA和UB的大小；
(3)控制光伏组件PVA、PVB输出电流差值ΔI为一个较小值，由光伏组件的功率-电流曲线知，最大功率点处有dP/dI＝0，写成差分形式[P(I)-P(I+△I)]/△I＝0，ΔI为一个较小值，当P(I)＝P(I+ΔI)时，即认为光伏组件工作在最大功率点处；保持BOOST电路A和BOOST电路B的占空比为D和D+△D，根据BOOST电路的输入与输出电流的关系Iin＝(Iout/占空比)，PVA、PVB两光伏组件的输出电流分别为Iout/D和Iout/(D+ΔD)，PVA、PVB两组件电流差值△I＝IA-IB＝△D*Iout/[D(D+△D)]≈△D*Iout/D2，ΔD为一较小正值，取ΔD＝0.01，因此ΔI也为一个较小正值，ΔD越小，ΔI就越小，当P(I)＝P(I+ΔI)，光伏组件的工作点越逼近于最大功率点；
(4)动态调节两BOOST电路的输出电压，使UA＝UB，即光伏组件工作在最大功率点；光伏组件PVA的输出电流始终比光伏组件PVB的输出电流大△I，因此组件PVA的工作点始终在组件PVB的右侧；对两BOOST电路的输出电压UA和UB进行采样，当UA>UB，此时PVA、PVB两组件同时工作在最大功率点的左侧，将UB和UA的差值经PI调节器后，占空比D减小，光伏组件的输出电流增大，工作点向右移动，逐渐向峰值靠拢；当UA<UB，此时PVA、PVB两组件同时工作在最大功率点的左侧，将UB和UA的差值经PI调节器后，占空比增大，光伏组件的输出电流减小，工作点向左移动，逐渐向峰值靠拢；最终，组件PVA工作在峰值右侧，组件PVB工作在峰值左侧，UA＝UB，两光伏组件的输出功率相等，认为光伏组件工作于最大功率点处；
(5)ΔD值的大小决定了ΔI值的大小，取0.01。
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