CN104065336B

CN104065336B - 一种集成数据通信功能的光伏优化器

Info

Publication number: CN104065336B
Application number: CN201410293455.7A
Authority: CN
Inventors: 杜进; 王睿驰; 胡斯登; 吴建德; 何湘宁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: CN104065336A

Abstract

本发明公开了一种集成数据通信功能的光伏优化器，该光伏优化器采用功率/数据双调制策略控制的DC/DC变换器，可在不改变传统光伏优化器功率电路拓扑的前提下，通过在传统功率调节环节叠加通信信号载波，将数据调制注入光伏系统直流母线；接收端通过对输出电压采样和相应的DFT算法将数据解码，从而实现各个光伏优化器和逆变器之间的通信。对比传统的现有技术方案，本发明方法可在不增加电路体积和成本的基础上，利用通信功能，协调各个光伏优化器和逆变器的工作，提高光伏发电系统在复杂光照条件下的发电效率。

Description

一种集成数据通信功能的光伏优化器

技术领域

本发明属于光伏发电及物联网通信技术领域，具体涉及一种集成数据通信功能的光伏优化器。

背景技术

太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、适合分布式发电等特点，已成为世界新能源发展的热点和趋势。在光伏系统中，最大功率输出控制以及故障检测是当前国内外的一个研究热点。常见的光伏发电系统一般由多个光伏组件经串/并联构成一个光伏阵列，输出400～800V的直流电压后经逆变器并网发电。

众所周知，光伏电池的物理特性由半导体材料决定，其基本工作原理是光伏效应，即当一定能量的光线照射光伏电池时，半导体材料吸收能量，发生电子跃迁，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生电动势和电流。根据光伏电池物理特性及其等效电路，可以建立光伏电池的数学模型，如下：

\begin{matrix} I_{SC} - I_{D} - \frac{V_{D}}{R_{p}} - I_{PV} = 0 & I_{D} = I_{O} (e^{V_{D} / V_{T}} - 1) \end{matrix}

V_PVcell＝V_D-R_SI_PV

图1是光伏组件输出特性曲线，ISC为光伏电池的短路电流，UOC为光伏电池的开路电压，PMP、UMP和IMP分别为光伏电池最大功率点的功率、电压和电流。光伏电池的输出特性由材料的物理特性以及光照、温度、湿度等环境因素决定。在特性曲线确定后，光伏电池的实际工作点则根据负载的变化，在这条曲线上变动。图2是不同光照强度下的光伏组件的U-I特性曲线，结合图1的特性曲线可看出：光伏电池受光照强度变化而产生的输出特性变化非常明显，其最大输出功率随光照强度减弱而降低。因此，当光伏发电系统中的一个或多个光伏组件存在局部阴影遮挡时，各个光伏组件之间的特性失配将导致系统输出功率显著下降。仅依靠并网逆变器的最大功率跟踪算法调节直流母线上的电流，并不能使每个光伏组件均工作于最大功率输出状态，存在发电潜能的浪费。

为了解决这个问题，目前较为成熟的方法是将每个光伏组件的输出经功率优化器(PowerOptimizer)或称模块集成变换器(ModuleIntegratedConverter，MIC)进行分布式最大功率点跟踪(DMPPT)后，再串联输出。光伏功率优化器是一种DC/DC设备，其内部执行最大功率点跟踪(MPPT)算法，可以在一串光伏组件中的一个或多个组件在光照不均或组件老化导致的特性曲线失配情况下，使其对应的光伏组件保持最大功率输出。图3(a)是光伏组件的输出功率与电压曲线，图3(b)是光伏优化器的输出功率与电压曲线。将光伏组件及其相连的光伏优化器视为一个光伏单元，从图3可以看出，相比独立的光伏组件，光伏单元可以在很宽的电压输出范围内均工作于最大功率点。

图4为光伏优化器的结构框图；但是，光伏组件加入功率优化器组成光伏单元后，如并网逆变器仍采用传统的MPPT控制方式，将会产生新的协调工作和稳定性问题。需要通过通信功能，协调并网逆变器以及各个功率优化器之间的控制算法。

光伏优化器的数据通信可采用有线或无线通信方式。有线通信又包括独立布线方式或电源线载波通信方式。独立布线通信方式包括RS485、CAN总线通信等，由于光伏系统对于线路防水要求很高，单独布线不仅增加安装成本，而且降低了系统可靠性，因此在实际应用中一般不会采纳；直流电力线载波通信(DC-PLC)是光伏优化器通信的一个较好选择，不需要额外布线。光伏优化器也可以采用Wifi或Zigbee等无线通信方式。这种方式虽然避免了有线通信的布线问题，但是天线的安装方式以及无线通信的组网调试比较复杂，降低了系统的可靠性。此外，无线通信电路也增加了系统的成本。

根据上述分析，考虑可靠性和性价比，光伏优化器与逆变器实现数据交换的最佳方式是电力线载波通信。但是，传统的设计方法对于功率变换和信息传输两个功能，采用不同的电路和方法分别实现，因此仍然存在系统复杂，元件较多，装置体积大，成本高的缺点。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种集成数据通信功能的光伏优化器，即采用一个变换器电路，在实现功率变换的同时，在功率调节环中叠加数据信号载波，从而将数据调制后注入变换器电路的输出端，在基本不增加硬件成本的同时，实现电源线载波通信功能。

传统的光伏优化器根据采样得到的光伏组件输出功率，通过PID(比例-积分-微分)算法或MPPT算法，调节控制信号的占空比d，以实现功率调节的功能。实际上，可以在控制电路的功率调节环中叠加一个低于开关频率的信号载波，通过FSK(频移键控)算法对信号载波进行调制，从而将数据注入优化器的输出端，并且可以被其他优化器电路检测和识别。基于上述思想，本发明功率/数据复合调制的基本原理是：光伏优化器在不通信时，控制方法与传统变换器完全一致；在通信时，通过在控制电路功率调节环的输出端或电压给定上叠加数据调制载波，使得控制信号既可以实现功率调节，又能携带数据信息，以实现功率/通信数据双调制策略；具体技术方案如下：

一种集成数据通信功能的光伏优化器，包括DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路；其中：

所述的DC-DC变换器一方面对光伏组件的输出电压进行变换，以达到最大功率输出，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；

所述的信号采样与调理电路用于采集光伏组件的输出电压和输出电流以及DC-DC变换器输出端口的电压，并对输出端口的电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述的输出电压、输出电流和纹波电压输出至数字控制器；

所述的数字控制器在光伏优化器通信时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量(该扰动量根据调制算法的不同，为频率扰动量或占空比扰动量)，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述的扰动量以确定最终的调制波信号，进而使所述的调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；

所述的驱动电路用于对所述的控制信号进行功率放大后以驱动控制DC-DC变换器。

所述的数字控制器包括：

采样信号处理模块，对所述的输出电压和输出电流进行AD采样并计算光伏组件的输出功率，对所述的纹波电压进行傅里叶变换以得到纹波电压的频谱信息；

通信载波调制模块，在光伏优化器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量；

最大功率跟踪模块，用于根据输出功率利用最大功率跟踪算法确定功率调节的控制量，使所述的扰动量与控制量相叠加得到调制波信号；或使所述的扰动量与给定的参考功率相叠加后，进而根据输出功率利用最大功率跟踪算法计算得到调制波信号；

控制信号生成模块，用于使所述的调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成DC-DC变换器的控制信号；

接收解码模块，在光伏优化器接收信息时，对所述的频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据。

所述的调制算法采用固定占空比改变开关频率的调制方法(即FSK调制算法)，或采用固定开关频率在功率给定的占空比基础上叠加扰动的调制方法。

所述的DC-DC变换器采用Buck(降压型)电路、Boost(升压型)电路或Buck-Boost(升降压型)电路。

所述的数字控制器采用DSP(数字信号处理器)、MCU(微控制单元)、FPGA(现场可编程门阵列)或CPLD(复杂可编程逻辑器件)。

所述的数字控制器在光伏优化器不通信时，采用传统的PID控制算法或MPPT控制算法进行功率调节，以对DC-DC变换器进行控制。

本发明光伏优化器即采用一套变换器电路对其进行功率-数据双调制策略控制；在实现功率变换的同时，在功率调节环中叠加数据信号载波，从而将数据调制后注入变换器电路的输出端，实现数据传输功能。

本发明双调制策略即在传统功率变换调制策略的基础上，在功率调节环中叠加额外的数据通信载波，从而将数据信号经过调制后注入优化器输出端口，并且能够被其他优化器电路检测并识别。其中，用于控制功率变换的功率调节部分执行PID调节算法或MPPT算法，根据采样得到的光伏组件输出功率对控制波形的占空比d进行调节；用于控制数据传输的数据调制部分，可以采用固定占空比，改变开关频率的方法(即FSK调制算法)。也可以采用固定开关频率，在功率给定的占空比基础上叠加扰动的方法，将需要发送的信息注入到DC/DC变换器输出电压上。接收设备根据信号采样与调理电路对输出电压信号的采样和滤波处理，再用DFT(离散傅里叶变换)算法进行解码，识别相应的频率或扰动分量，从而得到发送设备传递的数据。

本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明提出的功率/数据双调制策略，可在不改变传统光伏优化器功率电路拓扑的前提下，实现各个光伏优化器和逆变器之间的通信。对比传统的解决方案，本发明可在不增加电路体积和成本的基础上，利用通信功能，协调各个光伏优化器和逆变器的工作，提高光伏发电系统在复杂光照条件下的发电效率。

(2)本发明依据上述思想实现的光伏优化器，对于全局发电条件有更好的感知。在正常工作条件，或外界条件变化但组件特性一致的情况下，光伏优化器可工作与直通模式，避免了传统光伏优化器在此情况下对光伏发电效率的不良影响。

(3)本发明利用通信功能，可以对每个光伏组件进行实时监控。在故障条件或严重阴影遮挡条件下，发出告警信号，提示监控室维修或处理，提高光伏发电系统的可靠性。

(4)本发明工程安装简单，没有通信布线问题，使用和后期维护便捷。

附图说明

图1为光伏组件的输出特性曲线图。

图2为不同光照强度下光伏组件的电压-电流特性曲线图。

图3(a)为光伏组件不接优化器的电压-功率特性曲线图。

图3(b)为光伏组件不接优化器的电压-功率特性曲线图。

图4(a)为基于Buck拓扑的光伏优化器结构示意图。

图4(b)为基于Boost拓扑的光伏优化器结构示意图。

图5为本发明光伏优化器的结构示意图。

图6(a)为本发明功率与数据双调制策略的一种原理实施框图。

图6(b)为本发明功率与数据双调制策略的另一种原理实施框图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图5所示，一种集成数据通信功能的光伏优化器，包括DC-DC变换器，信号采样与调理电路，数字控制器和驱动电路。其中：

DC-DC变换器用于对光伏组件的输出电压进行变换，以达到最大功率输出；本实施方式中DC-DC变换器采用目前较为流行的Buck-Boost拓扑实现。由于理想的光伏优化器仅在局部阴影条件下才开始工作，使每个光伏组件均能工作在最大功率点。而当光照均匀以及光伏特性一致时，光伏优化器则停止工作，避免影响光伏发电效率。在本实施例的功率电路中，Q1-Q4与储能元件构成了四开关Buck-Boost电路拓扑，而Q5和Q6组成的双向开关则组成了一条可控的旁路通道。对于功率变换功能，电路共有三个工作状态：

1.旁路：Q5和Q6导通，Q1-Q4关断，光伏电池通过Q5和Q6向外输出电能。若光照均匀，输出逆变器MPPT正常工作，光伏组件工作于最大功率点，优化器效率可达100％(忽略MOS导通损耗)。

2.功率优化：Q5和Q6关断，Q1-Q4门极施加PWM控制信号，光伏电池通过Buck-Boost优化器输出电能。在各个光伏组件光照条件不一致时，通过优化器MPPT算法，光伏组件仍可工作在各自的最大工作点。

3.短路：当光伏组件遭到严重遮挡或已经损坏，失去输出能力时，Q1-Q6全部关断，Q3和Q4组成二极管会将该组件短路，避免影响其他组件工作。

信号采样与调理电路采集光伏组件的输出电压、输出电流以及光伏优化器输出端口的电压。采样得到的前两个采样值亦即光伏优化器的输入电压和输入电流，其乘积为光伏组件的输出功率，由控制单元计算并作为扰动式MPPT算法的控制量。每个定时周期，根据光伏组件的输出电压、输出电流，计算一次输出功率，然后控制器对输出控制信号的占空比进行+Δd的扰动，再采样光伏组件的输出电压、输出电流，计算输出功率并于前次计算的结果进行比较。如果输出功率增大，则继续进行+△d的扰动；如果输出功率减小，则进行-Δd的扰动；通过这样的算法，最终确定合适的占空比，停止扰动。从光伏优化器输出端口采样得到的电压信号，将通过滤波器得到相应的高频谐波，并采用DFT算法对信息进行解码，从而读取其他光伏优化器或逆变器发来的信息。

数字控制器包括采样信号处理模块、通信载波调制模块、最大功率跟踪模块、控制信号生成模块和接收解码模块；其中，采样信号处理模块对光伏组件的输出电压和输出电流进行AD采样并计算光伏组件的输出功率，对上述高频谐波进行傅里叶变换以得到高频谐波的频谱信息；通信载波调制模块在光伏优化器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过FSK调制算法计算出对应频率的扰动量；最大功率跟踪模块用于根据输出功率利用最大功率跟踪算法确定功率调节的控制量，使扰动量与控制量相叠加得到调制波信号，如图6(a)所示；或使所述的扰动量与给定的参考功率相叠加后，进而根据输出功率利用最大功率跟踪算法计算得到调制波信号，如图6(b)所示；控制信号生成模块用于使调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成DC-DC变换器的控制信号；接收解码模块在光伏优化器接收信息时，对高频谐波的频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据。

本实施方式中数字控制器采用TI公司型号为TMS320F28035的芯片。数字控制器执行功率/数据双调制控制策略，在功率优化工作状态采用码元正交的FSK调制方法：空闲(不发送数据)时，通信调制部分停止工作，不注入任何载波信号；发送数据“1”时，通信调制部分向功率调制部分注入频率为f1的载波信号；发送数据“0”时，通信调制部分向功率调制部分注入频率为f0的载波信号，频率f1和f0在码元周期内正交。当一个优化器节点发送数据时，其调制后的电压纹波信号会传递到其他各个优化器的输出电容上。通过各个光伏优化器中信号采样与调理电路对纹波信号滤波放大，再用合适的DFT算法检测特定的频率分量，即可实现对发送数据的解调。当功率优化电路停止工作，Q5和Q6导通使得优化器处于旁路状态时，采用Burst通信模式，定期使Q1～Q4工作一段时间，借此机会注入通信载波信号，以便将以数据经过调制，注入优化器输出端。

驱动电路用于对数字控制器输出的控制信号进行功率放大后以驱动控制DC-DC变换器。本实施方式中驱动电路采用IR公司型号为IR2101芯片。

Claims

1.一种集成数据通信功能的光伏优化器，包括DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路；其特征在于：

所述的数字控制器在光伏优化器通信时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述的扰动量以确定最终的调制波信号，进而使所述的调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；

所述的驱动电路用于对所述的控制信号进行功率放大后以驱动控制DC-DC变换器；

所述的数字控制器包括以下硬件或软件功能模块：

2.根据权利要求1所述的光伏优化器，其特征在于：所述的调制算法采用固定占空比改变开关频率的调制方法，或采用固定开关频率在功率给定的占空比基础上叠加扰动的调制方法。

3.根据权利要求1所述的光伏优化器，其特征在于：所述的DC-DC变换器采用Buck电路、Boost电路或Buck-Boost电路。

4.根据权利要求1所述的光伏优化器，其特征在于：所述的数字控制器采用DSP、MCU、FPGA或CPLD。

5.根据权利要求1所述的光伏优化器，其特征在于：所述的数字控制器在光伏优化器不通信时，采用传统的PID控制算法或MPPT控制算法进行功率调节，以对DC-DC变换器进行控制。