CN103914097B - 光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法 - Google Patents

光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，具体是：控制系统分析实时检测到的光伏电池阵列的输出电压和电流，通过最大功率跟踪算法MPPT计算输出量，控制BOOST驱动电路中的IGBT占空比，从而改变负载特性，实现光伏发电系统最大功率输出；所述控制系统由以电信号相连的电流分流器（1）、电流分流器（2）、第一直流电压电流检测模块（3）、PWM驱动模块（5）、触摸屏（6）、第二直流电压电流检测模块（7）和控制器（4）组成。本发明可以实现在日照强度、环境温度等系统参数扰动情况下，快速寻找新的工作点，并进行输入输出功率的实时分析和提取，实现光伏发电系统最大功率点的跟踪和监测。

Description

光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，特别是涉及一种光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法。
背景技术
随着化石能源的消耗，全球都在面临能源危机。能源是经济与社会发展的基本动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成世界上大部分国家的能源供应不足，不能满足经济可持续发展的需要。光伏发电技术和产业不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主要能源来源的潜力。但光伏列阵的成本高、转换效率低，价格昂贵，初期投入较大。并且其输出功率易受日照强度、环境温度等因素的影响，为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求，在现在的光伏发电系统中，通常要求光伏阵列的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪光伏阵列的最大功率点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有的最大功率点追踪技术对于太阳能发电的局限性，提供一种光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，该方法主要针对在光照强度、环境温度等参数改变的情况下，能够进行动态快速追踪，从而解决高效的追踪最大功率点的科学技术难题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，具体是：控制系统分析实时检测到的光伏电池阵列的输出电压和电流，通过最大功率跟踪算法MPPT计算输出量，控制BOOST驱动电路中的IGBT占空比，从而改变负载特性，适用于太阳能光伏发电系统光伏电池阵列在一定的环境条件，实现光伏发电系统最大功率输出，该环境条件是指光照强度在200W/㎡～1500W/㎡光强，环境温度温度是在-45℃～85℃内；所述控制系统由以电信号相连的第一电流分流器、第二电流分流器、第一直流电压电流检测模块、PWM驱动模块、触摸屏、第二直流电压电流检测模块和控制器组成；控制器采用工业可编程控制器；所述光伏电池阵列输出的一端经过断路器SB1与BOOST驱动电路的输入端相连，光伏电池阵列输出的另一端直接与BOOST驱动电路的另一输入端相连；BOOST驱动电路的输出一端经断路器SB2与负载RL的一端相连，BOOST驱动电路的输出另一端直接与负载RL的另一端相连；所述的断路器SB1和SB2均起电路的接通/分断作用，同时具有过载和短路保护。
本发明提供的上述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，其步骤为：
1)启动系统：
手动合上闸刀，接通光伏电池列阵，设置相应运行参数后，启动光伏发电系统进入运行状态；
2)检测与显示：
第一电流分流器提取的光伏电池阵列的输出电流信号和输出电压信号，经第一直流电压电流检测模块转换得到数字信号a，该数字信号a通过RS485总线送入控制器处理后存储，并经RS485总线送入触摸屏显示；第二电流分流器提取的负载RL的电流信号和负载RL的端电压信号经第二直流电压电流检测模块转换得到数字信号b，该数字信号b通过RS485总线送入控制器处理后存储，并经RS485总线送入触摸屏显示，显示输出负载功率，以实时检测光伏电池阵列的输出功率；
3)分析计算：
控制器实时分析采集到的数字信号a，采用最大功率点跟踪算法MPPT计算出所需要的控制信号；
4)实时输出：
控制信号经PWM驱动模块转换得到所需的PWM波；PWM波送入BOOST驱动电路，调节BOOST驱动电路中IGBT的占空比，以追踪最大功率。
经过上述步骤实现光伏发电系统最大功率点的跟踪和监测。
本发明可以采用以下方法改变BOOST驱动电路的占空比，以追踪最大功率：控制器根据采集到的数字信号a，通过比较当前功率和采样时刻的功率，得到功率变化的方向，应用最大功率点跟踪算法计算要输出的PWM波调节量，从而控制BOOST驱动电路中IGBT的占空比，进而改变BOOST驱动电路的等效阻抗，以匹配光伏阵列的输出特性，实现最大功率追踪。
所述最大功率点跟踪算法可以是：采用干扰观察法(P&O)或增量电导法(IncrementalConductance)。
本发明提供的上述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，其用途是：在光照强度或环境温度参数改变时，能自动调整电路中的等效阻抗来匹配光伏电池列阵的输出特性，以保证负载能跟踪最大功率点。
本发明方法可以适用于光伏阵列在光照突变，以及在部分遮挡复杂条件下，实现光伏发电系统最大功率输出的工作状况；所述部分遮挡复杂条件是指包括云层、建筑物或植物造成的光照变化。
本发明与现有的最大功率点跟踪方法相比较，具有以下的主要优点：
1.采用PLC作为控制器，信号采集使用能量电能传感器，全为数字信号，并采用485总线，其可靠性高；
2.采用触摸屏显示，其可视好，并有数据存储功率；
3.通过控制器实时计算采样时刻的光伏阵列的输出“电压、电流和功率”等参数，自动调节IGBT的占空比，从而改变加载在光伏阵列两端的负载阻值，使其等效输入阻抗匹配光伏阵列的输出阻抗，快速寻找新的工作点，并进行输入输出功率的实时分析和提取，快速准确的跟踪最大功率点。
总之，本发明提供的光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，除适用于太阳能光伏发电系统光伏阵列在环境条件一定外，特别适用于光伏阵列在光照突变，以及在部分遮挡(如云层、建筑物、植物等)等复杂条件下，光伏发电系统最大功率输出的工作状况。
附图说明
图1是本发明光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法的原理图。
图中：1.第一电流分流器；2.第二电流分流器；3.第一直流电压电流检测模块；4.控制器；5.PWM驱动模块；6.触摸屏；7.第二直流电压电流检测模块。
具体实施方式
下面结合实施及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法是：控制系统分析实时检测到的光伏电池阵列的输出电压和电流，通过最大功率跟踪算法MPPT计算输出量，控制BOOST驱动电路中的IGBT占空比，从而改变负载特性，实现光伏发电系统最大功率输出。
本发明提供的上述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法的步骤如下：
1)启动系统：
手动合闸SB1、SB2，接通光伏列阵，设置相应的包括电压、电流、功率的运行参数后，启动光伏发电系统进入运行状态；
2)检测与显示：
第一电流分流器1提取光伏电池阵列的输出电流信号和光伏电池阵列的输出电压信号经第一直流电压电流检测模块3，转换得到数字信号a，通过RS485总线送入控制器4，经处理后存储，并经485总线送入触摸屏6显示；第二电流分流器2提取的负载RL的电流信号和负载RL的端电压信号经第二直流电压电流检测模块7，转换得到的数字信号b，通过RS485总线送入控制器4，经处理后存储，并经485总线送入触摸屏6显示，显示输出负载功率，以实时检测光伏阵列的输出功率。
3)分析计算：
控制器4实时分析采集到的数字信号a，采用最大功率点跟踪算法MPPT计算出所需要的控制信号。所述最大功率点跟踪算法MPPT具体为可采用干扰观察法(P&O)或增量电导法(IncrementalConductance)。
4)实时输出：
控制信号经PWM驱动模块5转换得到所需的PWM波；PWM波送入BOOST驱动电路，调节IGBT的占空比，以追踪最大功率。
经过上述步骤实现光伏发电系统最大功率点的跟踪和监测。
所述的第一电流分流器1、第二电流分流器2、第一直流电压电流检测模块3、PWM驱动模块5、触摸屏6和第二直流电压电流检测模块7与控制器4等组成控制系统，实现“检测与显示、分析计算和实时输出”等功能。
所述的改变BOOST驱动电路中IGBT的占空比，以追踪最大功率的方法是：控制器4根据采集到的数字信号a，通过比较当前功率和采样时刻的功率，得到功率变化的方向，应用最大功率点跟踪算法计算要输出的PWM波调节量，从而控制BOOST驱动电路中IGBT的占空比，进而改变BOOST驱动电路的等效阻抗，以匹配光伏阵列的输出特性，实现最大功率追踪。
本发明提供的光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，其创新点在于：针对光伏阵列在光照突变，以及在部分遮挡(如云层、建筑物、植物等)等复杂条件下，快速准确的跟踪最大功率点，通过控制器实时计算采样时刻的光伏阵列的输出“电压、电流、功率”等参数，自动调节IGBT的占空比，从而改变加载在光伏阵列两端的负载阻值，使其等效输入阻抗匹配光伏阵列的输出阻抗，快速寻找新的工作点，并进行输入输出功率的实时分析和提取，快速准确的跟踪最大功率点，提高太阳能的转化率。
本发明提供的上述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，可以采用图1所示的装置来实现，该装置的结构是：由光伏电池阵列、BOOST驱动电路、控制系统和负载RL组成。光伏电池阵列输出的一端经过断路器SB1与BOOST驱动电路的输入端相连，光伏电池阵列输出的另一端直接与BOOST驱动电路相连；BOOST驱动电路的输出一端经断路器SB2与负载RL相连，BOOST驱动电路的输出另一端直接与负载RL相连；控制系统中的控制器4，其通过485总线分别与第一直流电压电流检测模块3、PWM驱动模块5、触摸屏6和第二直流电压电流检测模块7相连接。
所述光伏电池阵列的结构如虚线方框I所示，可选用标准的光伏电池阵列板，其可以从市场上购买到。
所述BOOST驱动电路的结构如虚线方框II所示，可选用标准的BOOST电路，其可以从市场上购买到。
所述控制系统，由第一电流分流器1、第二电流分流器2，以及虚线方框III所示的第一直流电压电流检测模块3、控制器4、PWM驱动模块5、触摸屏6和第二直流电压电流检测模块7组成，起实时监测和控制作用。
所述的第一直流电压电流检测模块3的电流输入端与第一电流分流器1相连，第一直流电压电流检测模块3的电压输入端直接与光伏电池阵列的输出端相连，第一直流电压电流检测模块3的数字输出信号经485总线送入控制器4，检测光伏电池阵列的输出电压电流信号。
所述的控制器4是控制系统的核心部分，可以选用工业可编程控制器，如西门子S7-200。
所述的第二直流电压电流检测模块7的电流输入端与电流分流器2相连，第二直流电压电流检测模块7的电压输入端与直接与负载RL相连，第二直流电压电流检测模块7的数字输出信号经485总线送入控制器4，检测负载的电压电流。
所述的第一直流电压电流检测模块3和第二直流电压电流检测模块7实现模数转换功能，即将检测到的电压电流信号转换成数字的电压和电流。此两直流电压电流检测模块可选用绵阳市微博电子有限公司生产的直流参数采集模块WB1906**5。
所述的PWM驱动模块5的一端经485总线与控制器4相连，另一端与BOOST驱动电路中的IGBT门极相连；可选用标准的PWM驱动板。
所述的触摸屏6经485总线与控制器4相连，起参数设置、实时显示参数等作用。可选用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司生产的MCGS触摸屏。
所述的断路器SB1和SB2均起电路的接通/分断作用，同时还具有过载和短路保护；可根据选用光伏电池阵列输出电流的大小配置标准的电路器，如DZ型号断路器。

Claims (6)

1.光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，其特征是控制系统分析实时检测到的光伏电池阵列的输出电压和电流，通过最大功率跟踪算法MPPT计算输出量，控制BOOST驱动电路中的IGBT占空比，从而改变负载特性，适用于太阳能光伏发电系统光伏电池阵列在一定的环境条件，实现光伏发电系统最大功率输出，该环境条件是指光照强度在200W/㎡～1500W/㎡光强，环境温度温度是在-45℃～85℃内；所述控制系统由以电信号相连的第一电流分流器(1)、第二电流分流器(2)、第一直流电压电流检测模块(3)、PWM驱动模块(5)、触摸屏(6)、第二直流电压电流检测模块(7)和控制器(4)组成；控制器(4)采用工业可编程控制器；所述光伏电池阵列输出的一端经过断路器SB1与BOOST驱动电路的输入端相连，光伏电池阵列输出的另一端直接与BOOST驱动电路的另一输入端相连；BOOST驱动电路的输出一端经断路器SB2与负载RL的一端相连，BOOST驱动电路的输出另一端直接与负载RL的另一端相连；所述的断路器SB1和SB2均起电路的接通/分断作用，同时具有过载和短路保护。
2.根据权利要求1所述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，其特征是该方法的步骤为：
1)启动系统：
手动合上闸刀，接通光伏电池列阵，设置相应运行参数后，启动光伏发电系统进入运行状态；
2)检测与显示：
第一电流分流器(1)提取的光伏电池阵列的输出电流信号和输出电压信号，经第一直流电压电流检测模块(3)转换得到数字信号a，该数字信号a通过RS485总线送入控制器(4)处理后存储，并经RS485总线送入触摸屏(6)显示；第二电流分流器(2)提取的负载RL的电流信号和负载RL的端电压信号经第二直流电压电流检测模块(7)转换得到数字信号b，该数字信号b通过RS485总线送入控制器(4)处理后存储，并经RS485总线送入触摸屏(6)显示，显示输出负载功率，以实时检测光伏电池阵列的输出功率；
3)分析计算：
控制器(4)实时分析采集到的数字信号a，采用最大功率点跟踪算法MPPT计算出所需要的控制信号；
4)实时输出：
控制信号经PWM驱动模块(5)转换得到所需的PWM波；PWM波送入BOOST驱动电路，调节BOOST驱动电路中IGBT的占空比，以追踪最大功率；
经过上述步骤实现光伏发电系统最大功率点的跟踪和监测。
3.根据权利要求2所述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，其特征在于采用以下方法改变BOOST驱动电路的占空比，以追踪最大功率：控制器(4)根据采集到的数字信号a，通过比较当前功率和采样时刻的功率，得到功率变化的方向，应用最大功率点跟踪算法计算要输出的PWM波调节量，从而控制BOOST驱动电路中IGBT的占空比，进而改变BOOST驱动电路的等效阻抗，以匹配光伏阵列的输出特性，实现最大功率追踪。
4.根据权利要求3所述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法，其特征在于所述最大功率点跟踪算法是：采用干扰观察法或增量电导法。
5.权利要求1至4中任一权利要求所述光伏发电系统最大功率点快速跟踪方法的用途，其特征是该方法在光照强度或环境温度参数改变时，能自动调整电路中的等效阻抗来匹配光伏电池列阵的输出特性，以保证负载能跟踪最大功率点。
6.根据权利要求5所述的用途，其特征是该方法适用于光伏阵列在光照突变，以及在部分遮挡复杂条件下，实现光伏发电系统最大功率输出的工作状况；所述部分遮挡复杂条件是指包括云层、建筑物或植物造成的光照变化。
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