CN103956745A - 一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统及方法，本发明包括光伏电池控制器。其中光伏电池控制器控制光伏电池输出功率，电流传感器采集电流。本发明首先通过电流传感器采集光伏输出电流及负载电流，然后通过采集的电流判断光伏电池输出的功率与负载需求的关系，最后光伏电池控制器根据上述关系控制光伏电池输出的功率。本发明实现了负载需求变化自适应的光伏电池功率控制方法及系统，通过光伏输出电流和负载电流获得光伏电池输出功率和负载需求间的关系。本发明使用灵活，对负载需求的判断方法工程易于实施，对电网电压冲击较小。

Description

一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统及方法

技术领域

本发明属于新能源控制技术领域，更具体地，涉及一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统及方法。

背景技术

能源是人类生存和发展不可或缺的物质基础。化石能源的利用是当前能源利用的主要方式。由于化石能源在利用过程中会产生大量的有害气体、固体颗粒以及污染物，致使人类生存环境日益恶化。且化石能源是一种不可再生能源，能被开发的已越来越有限。而光伏电池作为新兴的绿色可再生能源，以其巨量、安全、清洁的特点，备受各国政府重视。如何提高光伏电池输出的功率成为近来国内外的研究热点。通过对光伏电池进行最大功率跟踪可以有效提高光伏电池输出的功率。常用的最大功率跟踪算法包括扰动观察法、电导增益法、模糊控制法、神经网络控制法等。

现有光伏电池功率控制方法的研究重点是使得光伏电池输出功率保持最大值，这些最大功率控制方法没有考虑到光伏电池输出功率和负载需求之间的关系。近来越来越多的光伏电池发电设备并入电网，当光伏电池输出功率大于负载需求时，过剩的功率会注入电网造成局部电网的电压值超过用户负载电压正常范围，损害用户电器设备。因此现有的最大功率跟踪技术会给电网带来一定的电压冲击。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统及方法，其目的在于，能够自适应负载需求，使得光伏电池输出功率和负载需求匹配，减小对电网的电压冲击。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统，其特征在于，包括：光伏电池、BOOST升压电路、逆变系统、第一电流传感器、第二电流传感器、电网、负载和控制系统；所述的光伏电池通过导线与所述的BOOST升压电路连通，所述的BOOST升压电路通过导线与所述的逆变系统连通，所述的逆变系统通过导线与所述的第一电流传感器连通，所述的第一电流传感器通过导线与所述的第二电流传感器连通，所述的第一电流传感器通过导线与所述的负载连通，所述的第二电流传感器通过导线与所述的电网连通，所述的电网通过导线与所述的负载连通，所述的第一电流传感器通过导线与所述的控制系统连通，所述的第二电流传感器通过导线与所述的控制系统连通，所述的控制系统通过导线与所述的BOOST升压电路连通，所述的控制系统通过导线与所述的逆变系统连通。

作为优选，逆变系统的逆变模块为IPM或IGBT模块。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过逆变系统逆变锁相，将光伏电池产生的直流电源逆变成交流电源并入电网；

步骤2：通过第一电流传感器采集电流有效值A₁，通过第二电流传感器采集电流有效值A₂；

步骤3：将所述的A₁和A₂进行比较，判断光伏电池输出功率是否超过负载需求；

若A₁≥A₂，此时光伏电池输出的功率大于负载的需求，则执行下述步骤4；

当A₁＜A₂，此时光伏电池输出功率小于或者等于负载需求，则执行下述步骤5；

步骤4：通过改变占空比使光伏电池输出功率远离最大功率点；

步骤5：使光伏电池输出功率保持最大值。

作为优选，步骤2所述的A₁和A₂，其中A_1max表示第一电流传感器采集的电流最大值，A_2max表示第二电流传感器采集的电流最大值。

作为优选，步骤4所述的通过改变占空比使光伏电池输出功率远离最大功率点，其具体是根据下述公式使得光伏电池的输出功率减小：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dD}}>0& D\left(n\right)=D(n-1)-\mathrm{\ΔD}\end{array}$

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dD}}<0& D\left(n\right)=D(n-1)+\mathrm{\&Delta;D}\end{array}$

其中，表示光伏电池输出功率P对占空比D求导，n表示光伏电池n时刻输出的功率，n-1表示光伏电池n-1时刻输出的功率。

作为优选，步骤5所述的使光伏电池输出功率保持最大值，采用的是扰动观察法。

本发明考虑到光伏电池输出功率和负载需求的关系，通过电流传感器采集的电流判断光伏电池输出功率相较于用户是否过剩。本发明根据上述电流的判断结果来调节光伏电池输出功率，使得光伏电池输出功率能够自适应地匹配负载需求变化。

附图说明

图1：是本发明实施例的系统电路原理图。

图2：是本发明实施例的系统电路结构图。

图3：是本发明实施例的方法流程图。

图4：是本发明实施例的光伏输出功率和占空比变化图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2，本发明的装置所采用的技术方案是：一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统，包括：光伏电池1、BOOST升压电路2、逆变系统3、第一电流传感器4、第二电流传感器5、电网6、负载7和控制系统8；光伏电池1通过导线与BOOST升压电路2连通，BOOST升压电路2通过导线与逆变系统3连通，逆变系统3通过导线与第一电流传感器4连通，第一电流传感器4通过导线与第二电流传感器5连通，第一电流传感器4通过导线与负载7连通，第二电流传感器5通过导线与电网6连通，电网6通过导线与负载7连通，第一电流传感器4通过导线与控制系统8连通，第二电流传感器5通过导线与控制系统8连通，控制系统8通过导线与BOOST升压电路2连通，控制系统8通过导线与逆变系统3连通；其中，光伏电池1作为光伏电池功率控制系统的光伏直流源；BOOST升压电路2用于光伏电池1输出功率控制；逆变系统3作为将光伏直流逆变成交流；第一电流传感器4用于采集光伏电池1输出电流；第二电流传感器5用于采集电网6吸收电流；

电网6用于本发明中模拟电网；负载7用于本发明中模拟负载控制系统8用于处理第一电流传感器4和第二电流传感器5的电流，并且用于控制BOOST升压电路2和逆变系统3。

在本实施方式中，光伏电池1将太阳能转换成电能作为前端光伏直流电源，输出直流电压为300V，输出直流电流为10A。在本实施方式中，进行BOOST升压的大功率MOS管的耐压值是600V，最大过电流能力是20A。在本实施方式中，进行BOOST升压的电感为3mH，最大过电流能力是20A，进行BOOST升压的电容值是3500uf，耐压值为600V。在本实施方式中，采用50A的电流传感器采集电流值。在本实施方式中，IPM或IGBT模块作为逆变系统3的逆变模块，将光伏电池1输出的直流电转换成交流电输出并入电网6中。在本实施方式中，进行逆变并网的电感是4.7mh，最大过电流能力是20A。在本实施方式中，进行逆变并网的无感电容值是10uf，耐压值为600V。在本实施方式中，控制系统8判断第一电流传感器4和第二电流传感器5的关系来控制BOOST输入的占空比，从而控制光伏电池1的输出功率。本实施方式中选取IPM模块作为逆变的大功率模块，应该理解的是，本发明的大功率逆变模块绝不局限于此。

请见图3，本发明的方法所采用的技术方案是一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过逆变系统3逆变锁相，通过SPWM算法将光伏电池1产生的直流电源逆变成交流电源并入电网6，其中，通过PLL数字锁相环将逆变之后的交流电与市电锁相，当相位角小于1.5度即可完成并网。

步骤2：通过第一电流传感器4采集电流有效值A₁，通过第二电流传感器5采集电流有效值A₂，其中，A_1max表示第一电流传感器4采集的电流最大值，A_2max表示第二电流传感器5采集的电流最大值。

步骤3：将A₁和A₂进行比较，判断光伏电池1输出功率是否超过负载7需求；

若A₁≥A₂，此时光伏电池1输出的功率大于负载7的需求，则执行下述步骤4；

当A₁＜A₂，此时光伏电池1输出功率小于或者等于负载7需求，则执行下述步骤5。

步骤4：通过改变占空比使光伏电池1输出功率远离最大功率点，其具体是根据下述公式使得光伏电池1的输出功率减小：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dD}}>0& D\left(n\right)=D(n-1)-\mathrm{\&Delta;D}\end{array}$

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dD}}<0& D\left(n\right)=D(n-1)+\mathrm{\&Delta;D}\end{array}$

其中，表示光伏电池1输出功率P对占空比D求导，n表示光伏电池1n时刻输出的功率，n-1表示光伏电池1n-1时刻输出的功率。

步骤5：采用扰动观察法使光伏电池1输出功率保持最大值。

请见图4，若光伏输出功率相对于占空比D的导数大于0，此时将n-1时刻的光伏输出占空比D(n-1)-ΔD；若光伏输出功率相对于占空比D的导数小于0，此时将n-1时刻的光伏输出占空比D(n-1)+ΔD。ΔD的取值范围是1％≤ΔD≤2％。

尽管本文较多地使用了光伏电池1、BOOST升压电路2、逆变系统3、第一电流传感器4、第二电流传感器5、电网6、负载7和控制系统8等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统，其特征在于，包括：光伏电池(1)、BOOST升压电路(2)、逆变系统(3)、第一电流传感器(4)、第二电流传感器(5)、电网(6)、负载(7)和控制系统(8)；

所述的光伏电池(1)通过导线与所述的BOOST升压电路(2)连通，所述的BOOST升压电路(2)通过导线与所述的逆变系统(3)连通，所述的逆变系统(3)通过导线与所述的第一电流传感器(4)连通，所述的第一电流传感器(4)通过导线与所述的第二电流传感器(5)连通，所述的第一电流传感器(4)通过导线与所述的负载(7)连通，所述的第二电流传感器(5)通过导线与所述的电网(6)连通，所述的电网(6)通过导线与所述的负载(7)连通，所述的第一电流传感器(4)通过导线与所述的控制系统(8)连通，所述的第二电流传感器(5)通过导线与所述的控制系统(8)连通，所述的控制系统(8)通过导线与所述的BOOST升压电路(2)连通，所述的控制系统(8)通过导线与所述的逆变系统(3)连通。

2.根据权利要求1所述的负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统，其特征在于：逆变系统(3)的逆变模块为IPM或IGBT模块。

3.一种利用权利要求1所述的负载需求变化自适应的光伏电池功率控制系统进行负载需求变化自适应的光伏电池功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过逆变系统(3)逆变锁相，将光伏电池(1)产生的直流电源逆变成交流电源并入电网(6)；

步骤2：通过第一电流传感器(4)采集电流有效值A₁，通过第二电流传感器(5)采集电流有效值A₂；

步骤3：将所述的A₁和A₂进行比较，判断光伏电池(1)输出功率是否超过负载(7)需求；若A₁≥A₂，此时光伏电池(1)输出的功率大于负载(7)的需求，则执行下述步骤4；

当A₁＜A₂，此时光伏电池(1)输出功率小于或者等于负载(7)需求，则执行下述步骤5；步骤4：通过改变占空比使光伏电池(1)输出功率远离最大功率点；

步骤5：使光伏电池(1)输出功率保持最大值。

4.根据权利要求3所述的负载需求变化自适应的光伏电池功率控制方法，其特征在于：步骤2所述的A₁和A₂，其中A_1max表示第一电流传感器(4)采集的电流最大值，A_2max表示第二电流传感器(5)采集的电流最大值。

5.根据权利要求3所述的负载需求变化自适应的光伏电池功率控制方法，其特征在于：步骤4所述的通过改变占空比使光伏电池(1)输出功率远离最大功率点，其具体是根据下述公式使得光伏电池(1)的输出功率减小：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dD}}>0& D\left(n\right)=D(n-1)-\mathrm{\&Delta;D}\end{array}$

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dD}}<0& D\left(n\right)=D(n-1)+\mathrm{\&Delta;D}\end{array}$

其中，表示光伏电池(1)输出功率P对占空比D求导，n表示光伏电池(1)n时刻输出的功率，n-1表示光伏电池(1)n-1时刻输出的功率。

6.根据权利要求3所述的负载需求变化自适应的光伏电池功率控制方法，其特征在于：步骤5所述的使光伏电池(1)输出功率保持最大值，采用的是扰动观察法。