CN104516394B - 一种用于调节电源的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于调节电源的方法包括以下步骤：检测与所述电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件，在检测所述一个或更多个预定条件时，获得所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被设置成接近所述电源的真实最大负载功率；和处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值，其中所述局部最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地接近所述电源的真实最大负载功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于调节电源的方法，并且特别地但非排他地涉及一种用于对光伏系统中的发电单元进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)的方法。
背景技术
电源用于提供电能，也可以被转化为其它形式的能量，诸如光和热，对于人类的日常生活来说是必要的。
光伏装置，诸如太阳能电池，可用于将太阳能转化为电能。多个太阳能电池可以被联接以增加太阳能的日晒面积以转化更多太阳能。
为了满足节能的要求并且最大化这些光伏装置的发电效率，可以采用一些方法来控制光伏装置的负载条件，从而最大化光伏装置产生的功率。然而，已知的方法可能不适合于各种日照情况。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于调节电源的方法，该方法包括以下步骤：
检测与所述电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件；
在检测所述一个或更多个预定条件时，获得所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被设置成接近所述电源的真实最大负载功率；和
处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述局部最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地接近所述电源的真实最大负载功率。
在第一方面的实施例中，真实最大负载功率被定义为在操作条件中操作的电源的操作电压的范围内的与电源相关的被输送到电负载的最大可用功率。
在第一方面的实施例中，所述一个或更多个预定条件包括在操作电压下的所述电源的负载功率的预定变化。
在第一方面的实施例中，所述一个或更多个预定条件包括达到所述电源已经操作的时间间隔。
在第一方面的实施例中，获取所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值的步骤还包括扫描和获取所述电源的输入电流-电压特性。
在第一方面的实施例中，输入电流-电压特性包括电源的充电特性和和放电特性。
在第一方面的实施例中，确定整体最大负载功率还包括以下步骤：处理获得的所述输入电流-电压特性以便确定所述整体最大负载功率值。
在第一方面的实施例中，扫描和获取输入电流-电压特性还包括以下步骤：
扫描和获取所述输入电流-电压特性的第一时段，其中输入电压被设置用于从最初输入电压扫描到第一输入电压；
扫描和获取所述输入电流-电压特性的第二时段，其中所述输入电压被设置用于从所述第一输入电压扫描到第二输入电压；和
扫描和获取所述输入电流-电压特性的第三时段，其中所述输入电压被设置用于从所述第二输入电压扫描到所述最初输入电压。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
通过以下步骤提供合并的电流-电压特性曲线：
组合所述输入电流-电压特性的第一时段和第三时段；和
平均所述输入电流-电压特性的第二时段与所述输入电流-电压特性的组合的第一和第三时段。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：通过确定的整体最大负载功率值更新输入电压参考值Vref，其中所述电源的负载功率与所述输入电压参考值Vref关联地变化。
在第一方面的实施例中，局部最大负载功率值通过另外包括以下步骤被确定：
提供所述电源的与戴维南(Thévenin)等效电路关联的电流-电压特性的多个参数。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
处理所述电源的与戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的参数；和
确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：提供临界值，所述临界值被设置用于在达到用于所述局部最大负载功率值的条件的情况下在确定中允许预定公差。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
当达到用于所述局部最大负载功率值的所述条件时重复第一方面的实施例的步骤；或
当不达到用于所述局部最大负载功率值的所述条件时，改变所述输入参考电压Vref，并且然后时重复第一方面的实施例的步骤以确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的所述条件，其中所述负载功率与变化的Vref关联地变化。
在第一方面的实施例中，通过将电流-电压特性变换到与局部最大负载功率值附近的电流-电压特性关联的二次特性曲线，增加局部最大负载功率值的确定的精度和/或速度。
在第一方面的实施例中，通过处理与所述电流-电压特性关联的所述二次特性曲线的内插关系和/或外插关系而提供所述局部最大负载功率值的预测，进一步增加局部最大负载功率值的确定的精度和/或速度。
在第一方面的实施例中，所述输入参考电压Vref改变与所述内插关系和/或所述外插关系关联的动态步长。
在第一方面的实施例中，通过与电流-电压特性关联的三个或更多个数据点获得二次特性曲线。
在第一方面的实施例中，确定局部最大负载功率值还包括以下步骤：
记录输入电压值Vin和输入电流值Iin；
以预定步长ΔVref改变所述输入参考电压Vref；
记录所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin；
处理所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin和所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的参数；
当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时，以预定步长ΔVref增加所述输入参考电压Vref，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，以预定步长ΔVref减小所述输入参考电压Vref；
记录所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin；和
从所述处理步骤重复直到获得所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin的预定的一组值。
在第一方面的实施例中，其中用于调节电源的负载功率的所述方法被实施在数字域中。
在第一方面的实施例中，确定局部最大负载功率还包括以下步骤：
提供所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的多个离散化的参数；
在确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件之后提供临时参考电压Vtemp_ref；
其中当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时，所述临时参考电压Vtemp_ref等于Vref+ΔVref，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，所述临时参考电压Vtemp_ref等于Vref-ΔVref；
提供虚拟二次特性曲线，所述虚拟二次特性曲线与所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的离散化参数关联；
验证所述虚拟二次特性曲线和所述二次特性曲线之间的截取点；
在未成功验证时，在所述截取点将Vref更新到等于Vtemp_ref的值；和
重复第一方面的实施例中步骤。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
提供值等于Vtemp_ref的回溯参考电压Vbacktrack；
将Vref更新到与所述截取点关联的值；
比较与所述虚拟二次特性曲线关联的虚拟功率值Pvirtual和与所述二次特性曲线关联的功率值Pactual；
当Pvirtual的值不接近Pactual的值时，将Vref更新到等于Vbacktrack的值；和
重复第一方面的实施例中步骤。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
以ΔVref减小Vref；和
重复第一方面的实施例中步骤。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：重复处理所述局部最大负载功率值的步骤以更新所述电源的局部最大负载功率值。
在第一方面的实施例中，处理所述局部最大负载功率值以更新所述电源的局部最大负载功率值。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
将进入的信号重新映射到数据结构以便处理所述整体最大负载功率值和/或所述局部最大负载功率值；
将所述输入电压参考分配给输入电压控制器以便改变所述电源的负载功率。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
提供增益调度器，所述增益调度器被布置成用于控制DC总线电压控制器的一个或更多个增益参数，其中所述DC总线电压控制器可用于控制所述电源的负载功率。
在第一方面的实施例中，包括以下步骤：
在所述增益调度器中定义一个或更多个特性曲线，其中所述增益调度器被布置成用于根据所述特性曲线调节增益，根据与确定所述整体最大负载功率值的步骤关联的一个或更多个状态选择所述特性曲线。
在第一方面的实施例中，所述增益调度器可用于以更快的瞬态响应稳定所述DC总线电压控制器的DC总线电压。
在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
提供信号到连接到光伏装置的DC-DC变换器，其中所述DC-DC变换器可用于调节光伏装置的输出功率，其中所述输出功率是所述负载功率，并且其中所述电源是所述光伏装置。
根据本发明的第二方面，提供一种电功率调节设备，该电功率调节设备包括：
控制器模块，所述控制器模块被布置成用于检测与所述电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件；
整体最大搜索模块，所述整体最大搜索模块被布置成用于获得所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被布置成用于代表所述电源的真实最大负载功率，由此检测所述一个或更多个预定条件；和
局部最大搜索模块，所述局部最大搜索模块被布置成用于处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述局部最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地代表所述电源的真实最大负载功率。
在第二方面的实施例中，所述电功率调节设备可用于提供信号到连接到光伏装置的功率变换器，并且其中所述功率变换器可用于调节光伏装置的输出功率。
在第二方面的实施例中，所述电功率调节设备被实施在数字信号处理器(DSP)中。
附图说明
现在将参考附图通过例子的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是示出太阳能电池的特性的例子的曲线图；
图2是示出日照变化对太阳能电池的电流-电压特性的影响的曲线图；
图3A是示出在跨越太阳能电池板的一致日照下，串联的多个太阳能电池板的图；
图3B是示出在跨越太阳能电池板的不一致日照下，串联的多个太阳能电池板的图；
图4是根据本发明的一个实施例的电源调节器的框图；
图5是根据本发明的另一实施例的电源调节器的框图；
图6是根据本发明的另一实施例的电源调节器的框图，并且该电源调节器与电源和电负载关联；
图7是根据本发明的一个实施例的太阳能电池板的戴维南等效电路的示意图；
图8A是示出太阳能电池板的电特性的曲线图；
图8B是示出太阳能电池板的戴维南电阻的曲线图；
图8C是示出太阳能电池板的戴维南电阻和输入电阻的曲线图；
图8D是示出图8C的太阳能电池板的戴维南电阻和输入电阻的曲线图中的局部放大的曲线图；
图8E是示出太阳能电池板的电流-电压特性的曲线图；
图9是示出太阳能电池板的功率-电压特性的曲线图；
图10A是示出根据图9的太阳能电池板的功率-电压特性的曲线图和通过插值法(interpolation)提供局部最大负载功率值的预测的曲线图；
图10B是示出根据图9的太阳能电池板的功率-电压特性的曲线图和通过外插法(extrapolation)提供局部最大负载功率值的预测的曲线图；
图11是示出以扫描和获取电源的输入电流-电压特性来确定整体最大负载功率值的例子的曲线图；
图12是示出产生电源的联合(unified)输入电流-电压特性以便确定整体最大负载功率值的例子的框图；
图13是示出根据本发明的一个实施例的用于调节电源的方法的实验结果的曲线图；
图14是根据本发明的一个实施例的用于调节电源的方法的流程图；
图15是根据图14的方法中，用于调节电源的方法的确定整体最大负载功率值的步骤的流程图；并且
图16是根据图14的方法中，用于调节电源的方法的确定局部最大负载功率值的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明人已经通过他们自己的研究，试验和实验而发明，想到存在利用太阳能电池阵列产生的能量的数种方式。太阳能电池阵列产生的能量可以被注入公用电网(供给电网上的应用)或存储到电池中以便以后使用。其中三个最基本的部分包括：太阳能电池阵列，功率调节单元，和负载/电网/电池。
太阳能电池是太阳能模块的基本组成元件。基本上，太阳能电池是具有大的表面积的P-N结(P-N junction)。
太阳能电池的电模型由电流源组成。该电流源输送光电流Iph。Iph的量与入射光的辐照G成比例。当光子撞击太阳能电池的p-型(p-doped)半导体时，电子被激发并且从p-型半导体逃出到n-型半导体，因此产生光电流(photocurrent)。此外，太阳能电池的温度T也将影响Iph的量。然而，由T的变化引起的对Iph的影响远远不如G的变化的影响。
线性元件Rsh和Rs是太阳能电池的寄生电阻。通常，分流电阻Rsh的量级远远大于串联电阻Rs的量级。并且流过串联电阻Rs的电流是太阳能电池的输出电流Ipv。模型中还有分流二极管(shunt diode)。Id是流过分流二极管的电流，并且该二极管由肖特基二极管方程(Schottky diode equation)建模：
Io：二极管的反向饱和电流
Vd：二极管的两端的电压
n：二极管的理想系数
Vt：二极管的热电压(Thermal Voltage)
二极管的两端的电压的值Vd等于串联电阻Rs两端的的电压加上太阳能电池的输出电压Vpv。因此，表示太阳能电池的总方程是，
由于分流二极管的存在，因此在太阳能电池的输出电流和输出电压之间存在非线性关系。在太阳能电池的实施例的例子中，其特性在图1中被示出。在该例子中，在标准测试条件(Standard Test Condition,STC)中PMPP：1.77W，IMPP：4.26A，VMPP：0.415V，其中MPP是位于图上的最大功率点(MaximumPower Point)。在STC下，入射太阳辐照水平G是1000W/m2，操作温度是25℃并且在空气质量1.5光谱(AM 1.5Spectrum)的分布下。
在一般情况下，太阳能电池的特性受两个环境因素影响，一个因素是太阳辐照度，另外一个因素是太阳能电池的操作温度。
如前文所述，太阳能电池的光电流的量与太阳辐照度成比例。因此，可以观察到短路电流ISC 的显著改变。此外，太阳辐照度的变化将最大功率点移位。图2示出太阳能电池的特性因应太阳辐照度变化而改变。
由于最大功率点的位置因应环境因素而经受改变，如图2中所示，并且这些环境因素会突然地改变或不可预测地改变。为了完全利用光伏电池可产生的能量，连接到太阳能电池的单元应当向着最大功率点引导操作点。如太阳能电池不在最大功率点的操作点负载，发电的效率会下降。另外，当太阳能电池的IV特性曲线(IV profile)由于环境因素的改变而改变时，该装置应能动态地跟踪最大功率点。
太阳能电池以串联及并联连接可增加输出的电压和电流，形成太阳能电池板。假定所有太阳能电池接收相同量的太阳能，并且它们具有相同的物理参数。上述构造等同于以下电模型。
Np：并联连接电池的数量
Ns：串联连接电池的数量
通过重新定义以下参数，
I′ph＝NpIph
I′o＝NpIo
n′＝Nsn
方程(3)可以表示为：
在一些实施例中，多个光伏(Photovoltaic,PV)电池板被连接以产生足够用于住宅市电的并联太阳能系统(grid-tie solar system)的功率，PV电池板被连接以形成具有组列式构造的PV阵列。
PV阵列的最大功率点受太阳日射量和温度影响。如图3A中所示，假定每一个太阳能电池板的物理参数是相同的，如果入射到太阳能电池板的太阳能辐照的量是相同的，并且PV电池板的温度是相同的，则将具有仅仅一个最大功率点。
在一些情况下，由于被周围物体部分遮挡，因此无法实现一致的日射量。结果，如图3B中所示，PV阵列的输出特性可能有多个功率峰值。在一个例子实施例中，PV变频器(inverters)可以使用“摄动和观察(Perturb andObserve)”MPPT方法，该MPPT方法仅可以跟踪单个功率峰值，因此这些变频器不能处理这种类型的情况，并且可能不能够跟踪整体最大功率点。如果整体峰值和局部峰值之间的功率差是大的，则会浪费大量能量并且使变频器的性能变差。
为了从光伏电池板提取最大功率，功率变换器接口应当被放置在该电池板和该负载之间。这种功率变换器接口的作用是提供物理层使得太阳能电池板的操作点可以被控制。在这个物理层上，MPPT方法被用于确定最大功率点的位置并且指令功率变换器相应地调节操作点。
在一个例子实施例中，跟踪峰值功率点的方式被称为“摄动和观察”(Perturb andObserve，P&O)方法，该方法用于检查功率-电压曲线的斜率。正斜率意味着峰值功率点位于目前操作点的右边并且因此MPPT应当发出电压参考到DC/DC变换器的控制器，该控制器将增加变换器的终端电压。并且因此操作点向着开路电压(open-circuit voltage)移位。类似地，负斜率意味着峰值功率点位于目前操作点的左边。MPPT应当发出电压参考到DC/DC变换器的控制器。以后，变换器的终端电压将减小。操作点向着短路电流(short-circuitcurrent)移位。因此，“摄动和观察”方法摄动终端电压，并且然后观察功率-电压曲线的斜率的符号，并且通过上述控制规则作出决定。通过重复这个过程，DC/DC变换器的操作点收敛到峰值功率点，从太阳能电池提取最多能量。
P&O方法容易在数字控制器中实现。然而，关于这个方法的一个担忧是收敛的速度(speed of convergence)。如果每一次摄动的步长是小的，则收敛的速度将是慢的。然而，如果每一次摄动的步长太大，则变换器的操作点将在最大功率点附近振荡并且不能从电池板提取最大功率。此外，这种方法是用于局部优化的方法。如果多个峰值存在于搜索空间中，P&O方法会令操作点陷入局部最佳点。
在另一例子实施例中，极值寻找控制(Extremum Seeking Control,ESC)方法是一种适应性的控制方法。正弦调制信号与电压参考重叠，引起PV电池板被摄动，并且因此可以观察功率的振荡。功率振荡的大小决定电压参考的步长。并且功率振荡和电压参考振荡之间的相位差决定电压步长的符号。
然而，如果需要搜索整体峰值的能力，以上提议的控制方法不适用于串联式(string)变频器。ESC方法通过使用拓扑方法(topoligical approach)来处理电池板的不匹配。每一个电池板与一个DC/DC变换器连接。该系统成本将高于组列式变频器构造。此外，即使存在一个电池板，部分遮挡可能仍然发生，因为数个分流二极管可以存在于太阳能电池板中。
为了扩充ESC的能力，通过引入整体搜索方案，相继的基于ESC的整体MPPT控制利用转折点电流来预测遮挡系数，该遮挡系数描述每一个电池板的遮挡水平。这个方法然后通过使用ESC选择性地扫描该电压来获得该特性曲线，并且确定整体最大点。然而，缺点是需要PV阵列的电性参数。
在另一例子实施例中，可使用电导增量(incremental conductance)的方法，并且类似于P&O方法，该电导增量方法是爬山算法(hill climbing algorithm)。对于每一个摄动，输入的电导增量与输入的电导对比。步长可以是可变的，但仅能够跟踪局部最大功率点。
为了扩充增量导电的整体搜索能力，线性函数可以用于跟踪整体最大功率点。然而，这种方法需要知道整个组列式构造，诸如并联连接的PV组列的数量。
在一个例子实施例中，MPPT方法基于粒子群优化(Particle SwarmOptimization,PSO)。该方法的意义是减小用于双输入组列式PV系统的传感器的数量而不牺牲整体搜索能力。
PSO的性质是基于搜索代理(agent)的。为了保证整体搜索能力，搜索代理的数量不能太小。然而，如果搜索代理的数量是高的，当PSO MPPT的搜索代理检查目标函数时,相对大的振荡是不可避免的。
具有高电压输入情况，在组列式变频器中的进行这种MPPT的方法的可行性被受质疑，因为如果搜索空间中的任何两个搜索代理相隔较远，可能会引起大的输入振荡。
在另一实施例中，使用充电瞬态的方法在输入电容被PV电池板充电期间获得该电流-电压特性。
然而，最大的缺点是，在充电阶段之前，变频器的输入电容需要被完全放电使得其电压归零。因此，AC的产生在搜索期间被中断。
此外，通过充电获得的电流-电压特性受电容效应影响。实际上，寄生电容存在于太阳能电池中。在动态和静态电流-电压特性之间存在偏差，而MPP的检测应当基于静态电流-电压特性而不是动态特性进行。
参考图4，图中示出电功率调节设备400，该电功率调节设备包括：控制器模块402，该控制器模块被布置成用于检测与电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件；整体最大搜索模块404，该整体最大搜索模块被布置成用于获得电源的电特性以确定整体最大负载功率值，该整体最大负载功率值被布置成用于代表电源的真实最大负载功率，由此检测一个或更多个预定条件；和局部最大搜索模块406，该局部最大搜索模块被布置成用于处理整体最大负载功率值以确定电源的局部最大负载功率值；其中局部最大负载功率值被设置成当与整体最大负载功率值相比时更精确地代表电源的真实最大负载功率。
在优选实施例中，真实最大负载功率被定义为在操作条件中操作的电源的在与电源相关的操作电压的范围内的被输送到电负载的最大可用功率。
优选地，一个或更多个预定条件包括在操作电压下的电源的负载功率的预定变化，该预定变化可以由如图4中所示的输入功率比较器408检测。替代地或另外地，该一个或更多个预定条件包括达到电源已经进行操作的时间间隔，该时间间隔可以由计时器410检测。优选地，输入功率比较器408和计时器410被包括在事件产生器中。如果功率水平显著低于先前的功率水平，或者局部搜索模块已经被执行一段时间，则事件产生器将传输信号到控制器模块402。
优选地，电功率调节设备400确定这些会触发整体最大负载功率值搜索的条件的预定事件。控制器模块402用于检测这些事件，并且相应地调用整体搜索模块404。一旦完成整体搜索模块404的执行，该控制器模块就将调用局部搜索模块406处理由整体搜索模块404确定的整体最大负载功率值，并且改进局部最大负载功率值的搜索结果。换句话说，这个控制器模块作用成调度器那样，并且控制执行局部搜索和整体搜索的方法。
任选地，由于CPU花费在整体搜索模块上的时间高于花费在局部搜索模块上的时间，因此不值得连续地执行整体搜索。
参考图5，图中示出电功率调节设备500的实施例，该电功率调节设备包括：电功率调节设备400，数据结构508，感测接口504，控制接口506和初始化模块。
优选地，感测接口504将输入的信号重新映射到数据结构508以便处理整体最大负载功率值和/或局部最大负载功率值，并且控制接口506将输入电压参考分配给输入电压控制器以便改变电源的负载功率。任选地，感测接口504和控制接口506可以被实现为硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer,HAL)502。电功率调节设备400内的所有函数访问数据结构中的输入电压或输入电流值，而不是直接访问连接到DC/DC变换器510的A/D变换器的寄存器。
优选地，由于DC/DC变换器510负责调节电源的输入电压而不是输出电压，并且电源调节器400在整体搜索中建立相对快的输入转变。DC连接(DC link)电压控制器514的响应可能不够快，而触发由于DC连接的过电压或低电压故障的保护。因此，可利用增益调度(gain scheduling)的方法来解决这个问题。
优选地，增益调度器(gain scheduler)被布置成用于控制DC总线(DC连接)电压控制器514的一个或更多个增益参数，其中DC总线电压控制器514可用于控制电源的负载功率。优选地，可以有4个被预定义在增益调度器512内的增益特性曲线，即“稳态的(Steady)”，“中度的(Medium)”，“快的(Fast)”和“极端的(Ultra)”。替代地，任何数量的特性曲线可以被定义在增益调度器512中，其中增益调度器被布置成用于根据特性曲线调节增益，根据与确定整体最大负载功率值的步骤关联的一个或更多个状态选择该特性曲线。根据情况，电源调节设备500将请求增益调度器512根据要求调节该特性曲线。优选地，该请求应当通过控制接口506被发出。
参考图6，图中示出电功率调节设备600的实施例，该电功率调节设备包括：电功率调节设备500，增益调度器512，DC总线电压控制器514，多个A/D变换器，PWM产生器，输入电压控制器，SPWM产生器和输出电流控制器。电功率调节设备600可以从电源获得输入信号，电源可包括开关式(Switch mode)DC-DC变换器510,开关式DC-AC变频器的功率变换器，和AC电网。在这个实施例中，电源是光伏组列(photovotaic string)。替代地，电源是可用于产生电功率的任何类型的电源。
优选地，电功率调节设备600以数字的方式(digital domain)建置，并且电功率调节设备600在数字信号处理器(DSP)中建置。可替代地，电功率调节设备可以以模拟的方式建置，并且电功率调节设备是模拟装置。
参考图7，图中示出根据本发明的一个实施例的太阳能电池板的戴维南(Thévenin)等效电路。在一个优选实施例中，通过提供电源的与戴维南等效电路关联的电流-电压特性的多个参数而确定局部最大负载功率值。
优选地，用于调节电源的方法包括以下步骤：处理电源的与戴维南等效电路关联的电流-电压特性的参数；和确定是否达到用于局部最大负载功率值的条件。
假设负载的输入电阻是Rin，则该负载两端的电压是，
通过相对于Rin对方程(5)取偏导(partial derivative)，
假设在Rin中耗散的功率，
因此戴维南电阻RTH，
重新整理上述方程给出，
然后，戴维南电阻和负载电阻之间的比率指示是否达到最大功率点。回想最大功率传递定理，为了从源VTH提取最大功率，负载Rin的电阻必须等于内部电阻RTH，因此，
上述方程表示，如果输入电流的量等于相对于输入电阻的输入电压的第一偏导的两倍，则局部达到最大功率点。
考虑理想太阳能电池模型电阻，通过方程(2)，
然后分流二极管的电流可以被看作Vpv的函数，
相对于RIN对方程(10)求微分给出，
然后，通过使用方程(12)，戴维南电阻和非线性模型中的项之间的关系可以被公式化。
由于Vt是温度的函数。
q：电子上的电荷的大小
k：玻耳兹曼常数
T：太阳能电池中的PN结的绝对温度
Vt：二极管的热电压
通过(13)和(14)，获得，
根据方程(15)，内部电阻RTH是Vpv和温度T的函数。假定g(T)的变化是可忽略的，则RTH的值将主要依赖于操作电压Vpv。如果终端电压Vpv改变，则RTH的值将相应地改变。
假设太阳能电池板是近似开路，
Rin→∞
Vpv→Voc
RTH＝r(T，Vpv)→min{RTH}
Rin＞RTH
回想方程(9)，
上述条件利用以下事实：如果给定电流的大小大于相对于输入电阻的输入电压的第一偏导的两倍，则这个操作点不被看作最大功率点，并且对应的局部最大功率点应当位于这个操作点的左边。MPPT应当减小其变换器的电压参考以便跟踪最大功率点。
假设太阳能电池板是近似短路的，
Rin→0
Vpv→0
RTH＝r(T，Vpv)→∞
Rin＜RTH
回想方程(9)，
上述条件可理解为：如果给定电流的大小小于相对于输入电阻的输入电压的第一偏导的两倍，则这个操作点不被看作最大功率点，并且对应的局部最大功率点应当位于这个操作点的右边。MPPT应当增加其变换器的电压参考以便跟踪最大功率点。
下面的表总结定位最大功率点的条件。
表1：MPP检测的方法
优选地，该算法被实施在数字域中，该方法应被离散化(discretized)以促进数字处理器，诸如数字信号处理器(DSP)的计算。通过对方程8使用有限差分逼近，
其中，
ΔVin[n]＝Vin[n]-Vin[n-1]
理论上，如果则达到MPP，
在一些例子实施例中，使用有限差分近似计算法(finite differenceapproximation)，获得差分商(difference quotient)，
由于存在不同类型的噪音以及由有限差分方法引入的误差，即使达到MPP，右侧的大小也很少等于左侧。替代地，临界值被设置用于在达到用于局部最大负载功率值的条件的情况下在确定中允许预定公差，
在一些实施例中Ethreshold的值被设置到1.56％。如果在上述方程中左侧的大小小于右侧，则操作点被认为局部最大功率点。
优选地，在利用戴维南等效电路的MPPT方法中。参考图9，可以直接与V-I面中的Iin 比较。如果被看作虚拟电流点，并且将它离散化，
并且将这个虚拟电流点作为J[n]。
通过用Vin[n]乘J[n]，则乘积可以被看作虚拟功率点，并且这个点可以与V-P平面中的Pin[n]比较。
Pvirtnal[n]＝Vin[n]I[n]
优选地，通过将电流-电压特性变换到与局部最大负载功率值附近的电流-电压特性关联的二次特性曲线，增加局部最大负载功率值的确定的精度和/或速度。可以通过使用三组{Vin,Pin}点形成二次方程来描述P-V曲线。
类似地，在最大功率点区域附近，JV-V特性的曲线也看起来象抛物线。通过获得三组{Vin,Pvirtual}点，可以公式化另一二次方程。
替代地，通过与电流-电压特性关联的三个或更多个数据点获得二次特性曲线。
优选地，存在两个公式化的二次方程：
优选地，可以通过Ya(Pvirtual)求解函数Ya(Pin)以找到截取点。因此，如图10A中所示，如果截取点被限制在给定的三个{Vin,Pin}点和三个{Vin,Pvirtual}点(内插)的区域中，MPPT将输出这个截取点作为新的参考输入电压。并且因此MPP检测的精度可以增加，这是由于这个作用等效于使用动态(较小)步长而不是预定的固定步长，这导致该方法的更好的精度或更好的速度。
替代地，如图10B中所示，如果截取点在给定的三个{Vin,Pin}点和三个{Vin,Pvirtual}点(外插)的区域外部，则收敛的速度可以增加，这是因为通过动态(较大)步长而不是通过使用固定步长摄动太阳能电池板而预测MPP。
优选地，该方法将验证ya(Pin)曲线，这是由于这个曲线被假定为向下打开。该系数应当是负的。否则，MPPT将不进一步计算截取点。
优选地，对于两个二次方程，可以存在两个截取点。并且因此，需要一些逻辑计算以通过使用以下条件确定哪个截取点是MPP或接近MPP，包括确定哪个截取点具有较高功率和确定那个截取点的功率值的数值是正数。
优选地，该截取点的其中一个将被过滤。剩余的截取点将被认为有效的。在分配这个有效截取点之前，由戴维南算法输出的电压参考将被分配给用于回溯目的的另一变量。然后，将根据这个有效截取点调节这个电压参考。在进行下一个步骤之后，MPPT将检查在前述步骤中的预测的功率和实际功率之间是否存在大的偏差，如果存在大的偏差，MPPT将回溯到之前存储的原始参考电压。在例子实施例中，局部搜索模块的详细流程图在图16中被示出，并且被说明如下：
1.开始局部搜索模块。
2.记录输入电压和输入电流值。将变量Counterdata设置到1
3.减小输入电压参考
4.记录输入电压和输入电流值。
5.基于戴维南电路执行该算法。
a.对于每一对V,I，基于戴维南的算法将产生新的变量J
b.输入电压参考基于J和I之间的比较减小或增加
c.增加变量Counterdata
6.检查Counterdata是否等于3。
7.记录输入电压和输入电流值。
8.基于戴维南电路执行该算法。
a.对于每一对V,I，基于戴维南的算法将产生新的变量J
b.然后该算法检查是否达到最大功率点。
i.如果该算法认识到这个操作点是最大功率点，则该电流值将被分配给变量IMPP
ii.不断地检查输入终端的电流值，看看在该电流值和IMPP之间是否存在大的偏差
c.如果没有达到MPP
i.基于J和I之间的比较，可以知道下一个电压参考应当增加或减小。然而，这个提议的电压参考将不直接分配给电压参考。替代地，这个值将被分配给变量Vtemp_ref
9.基于内插和外插执行该算法。
10.验证截取点。
11.如果根据步骤9不存在有效截取点，则使用Vref＝Vtemp_ref
12.如果存在有效截取点，则值Vtemp_ref将被备份到Vbacktrack并且Vref将被有效截取点更新。
13.基于内插和外插通过该算法，检查新的操作点的实际功率近似等于预测的功率。
14.如果在实际功率和预测功率之间存在大的差异，则由Vbacktrack赋值Vref
15.记录输入电压和输入电流值。
16.通过减小电压差减小输入电压。
参考图11，图中示出一种用于调节电源的方法，其中获取电源的电特性以确定整体最大负载功率值的步骤还包括扫描和获取电源的输入电流-电压特性。
优选地，获得的输入电流-电压特性被处理以便确定整体最大负载功率值。
优选地，输入电流-电压特性包括电源的充电特性和和放电特性。替代地，输入电流-电压特性可以包括仅仅充电特性或放电特性。
在如图11中所示的例子实施例中，为了找到整体最大负载功率值，定义一些参数。
Vlower:被定义为搜索空间的下限电压
Vupper:被定义为搜索空间的上限电压
V0:执行扫描之前的电压水平
开始时，整体搜索模块将记录电压水平V 0 。此后，变换器的输入电压将连续地减小。同时，整体搜索模块将记录V-I特性。一旦输入电压达到Vlower的水平，就结束放电过程。因此，通过使用放电方法获得第一V-I曲线。然后，变换器的输入电压将连续地增加。类似于前述方法，整体搜索模块将同时记录V-I特性。一旦输入电压达到Vlower水平，就完成充电过程。因此，通过使用充电方法获得第二V-I曲线。在这种情况中，Vupper高于V0，变换器的输入电压将连续地减小以恢复电压水平V0。V-I特性也在这个过程中被记录。因此，获得第三V-I曲线。
替代地，可颠倒以上的电压扫描过程并且整体搜索模块可以获得充电-放电-充电输入电流-电压特性。
参考图12，图中示出一种通过以下步骤提供合并电流-电压特性曲线的方法：组合输入电流-电压特性的第一时段和第三时段；和平均输入电流-电压特性的第二时段与输入电流-电压特性的组合的第一和第三时段。
在“放电I”时段中获得的第一V-I曲线，根据电压与“放电II”时段合并。因此，产生通过放电过程获得的新的V-I曲线。
在一些例子实施例中，噪声随着采样速率增加而存在，一些误差出现在新的V-I曲线和通过充电过程获得的第三V-I曲线之间。然后，通过求平均合并它们，获得合并的V-I曲线。优选地，求平均的方法减小由太阳能电池内的寄生电容引起的这些两个曲线之间的偏差。
优选地，整体搜索模块将扫描整个合并V-I曲线并且找出整体最大功率点。对应的整体最大功率电压值将被分配给输入电压参考。在例子实施例中，局部搜索模块的详细流程图在图15中被示出，并且被说明如下：
1.开始整体搜索模块。
2.记录电压并且将该电压分配给变量V0
3.请求增益调度器为DC总线电压控制器设置高的带宽特性曲线，这允许较快的瞬态响应
4.开始扫描过程
5.通过将电压减小到Vmin而获得放电V-I特性曲线
6.通过将电压增加到Vmax而获得充电V-I特性曲线
7.检查该电压是否大于V0
8.如果步骤7中的电压大于V0，通过将该电压减小到V0而获得放电V-I特性曲线
9.处理步骤5，6和8中获得的曲线
10.产生合并的V-I曲线
11.基于步骤10中的数据，将整体最大功率点分配给输入电压参考
12.请求增益调度器为DC总线电压控制器设置低的带宽特性曲线，这维持较好的稳态误差。
13.终止整体搜索序列
在一些实施例中，因为扫描的速度是快的，随时间的功率的改变将高于局部搜索模块，那么对于市电并联变频器，DC总线电压可能不能维持其DC总线电压参考水平，因为DC总线电压控制器的控制回路的带宽通常是不高的。为了处理这个问题，增益调度器被添加到该系统。
存在来自整体搜索模块的输出信号，该整体搜索模块连接到增益调度器。这种信号选择增益调度器的特性曲线。并且增益调度器控制DC总线电压控制器的增益参数。优选地，在初始化阶段，4个特性曲线被定义在增益调度器中。取决于整体搜索模块的状态，增益调度器将根据选择的特性曲线调节增益。然后，动态地调节DC总线电压控制器的增益。因此，以更快的瞬态响应稳定DC总线电压。
有利地，该电功率调节设备提供一种方法，该方法用于获得接近电源的真实最大负载功率的最大负载功率值，包括整体最大负载功率值搜索能力，通过该预测方法具有高的精度和速度，并且获得的MPP值将不来回振荡。
有利地，与作为电源的太阳能电池板关联的电功率调节设备的模拟已经被评估。
参考图8A到8E，图中示出与180W太阳能电池板关联的电功率调节设备的模拟结果。示出的参数如下，
Iph＝5.36
ID＝3.22×107
nVt＝2.665
RS＝0
Rsh-0
PMPP，VMPP如图8A中所示。VMPP是36.94V并且PMPP是184.92。
太阳能电池板的该系列的戴维南电阻通过使用方程(15)以及(20)被计算以证明该算法的正确性。如图8B中所示，由方程15和方程20计算的戴维南电阻在整个操作范围上收敛。
参考图8C和8D，当电池板电压等于36.8425V时，Rin和RTH相交。真实VMPP和这个相交点之间的差是0.0975V并且误差是0.26％。
图8E示出电流的大小和相对于输入电阻的输入电压的一阶导数的两倍。在图8E中，当存在MPP时，电流的大小和相对于输入电阻的输入电压的导数的两倍是相等的。在MPP的右侧，电流的大小大于相对于输入电阻的输入电压的导数的两倍。在MPP的左侧，电流的大小小于相对于输入电阻的输入电压的导数的两倍。与该方法匹配的结果在表1中被列出。
参考图13，图中示出实验波形，该实验波形演示整体搜索模块以及局部搜索模块的操作。整个过程还在图14中被示出，该图14示出调节电源的方法的流程图。
在不偏离本发明的精神的情况下，调节电源的方法可以被实施用于调节任何电源，诸如一个或更多个太阳能电池，一个或更多个太阳能电池板，或任何其它类型的电源(它可能需要负载功率的动态变化使得电源可以在最大负载功率条件下操作)。在一些实施例中，电功率调节设备可以被实施用于调节一个或更多个电源。
本领域技术人员将理解，可以对如具体实施例中所示的本发明作出许多改变和/或修改，而不偏离如概括描述的本发明的精神或范围。因此，本实施例要在所有方便被认为是说明性的并且不是限制性的。
这里包含的对现有技术的任何引用不被看作承认该信息是公知常识，除非另外指示。
Claims (32)
1.一种用于调节电源的方法，所述方法包括以下步骤：
检测与所述电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件；
在检测所述一个或更多个预定条件时，获得所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被设置成接近所述电源的真实最大负载功率；和
处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述局部最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地接近所述电源的真实最大负载功率；
其中获取所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值的步骤还包括扫描和获取所述电源的输入电流-电压特性；以及
其中扫描和获取所述输入电流-电压特性还包括以下步骤：
扫描和获取所述输入电流-电压特性的第一时段，其中输入电压被设置用于从最初输入电压扫描到第一输入电压；
扫描和获取所述输入电流-电压特性的第二时段，其中所述输入电压被设置用于从所述第一输入电压扫描到第二输入电压；和
扫描和获取所述输入电流-电压特性的第三时段，其中所述输入电压被设置用于从所述第二输入电压扫描到所述最初输入电压。
2.根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述真实最大负载功率被定义为在操作条件中操作的所述电源的操作电压的范围内的与所述电源相关的被输送到电负载的最大可用功率。
3.根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述一个或更多个预定条件包括在操作电压下的所述电源的负载功率的预定变化。
4.根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述一个或更多个预定条件包括达到操作所述电源的时间间隔。
5.根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述输入电流-电压特性包括所述电源的充电特性和放电特性。
6.根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中确定所述整体最大负载功率值还包括以下步骤：处理获得的所述输入电流-电压特性以便确定所述整体最大负载功率值。
7.根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：
通过以下步骤提供合并的电流-电压特性曲线：
组合所述输入电流-电压特性的第一时段和第三时段；和
平均所述输入电流-电压特性的第二时段与所述输入电流-电压特性的组合的第一和第三时段。
8.根据权利要求7的用于调节电源的方法，其中平均所述输入电流-电压特性的第二时段与所述输入电流-电压特性的组合的第一和第三时段的步骤减小由所述电源内的寄生电容引起的输入电流-电压特性的偏差。
9.根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括用确定的所述整体最大负载功率值更新输入参考电压Vref的步骤，其中所述电源的负载功率与所述输入参考电压Vref关联地变化。
10.根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述局部最大负载功率值通过还包括以下步骤被确定：
提供所述电源的与戴维南等效电路关联的电流-电压特性的多个参数。
11.根据权利要求10的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：
处理所述电源的与戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的参数；和
确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件。
12.根据权利要求11的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：提供临界值，所述临界值被设置成用于在达到用于所述局部最大负载功率值的条件的情况下在确定中允许预定公差。
13.根据权利要求11的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：
当达到所述局部最大负载功率值的所述条件时，重复根据权利要求11的步骤；或
当没有达到所述局部最大负载功率值的所述条件时，改变输入参考电压Vref，并且然后重复根据权利要求11所述的步骤以确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的所述条件，其中所述负载功率与变化的Vref之间有关联。
14.根据权利要求13的用于调节电源的方法，其中通过将所述电流-电压特性变换到与所述局部最大负载功率值附近的所述电流-电压特性关联的二次特性曲线，增加局部最大负载功率值的确定的精度和/或速度。
15.根据权利要求14的用于调节电源的方法，其中通过处理与所述电流-电压特性关联的所述二次特性曲线的内插关系和/或外插关系而提供所述局部最大负载功率值的预测，进一步增加局部最大负载功率值的确定的精度和/或速度。
16.根据权利要求15的用于调节电源的方法，其中所述输入参考电压Vref改变与所述内插关系和/或所述外插关系关联的动态步长。
17.根据权利要求14的用于调节电源的方法，其中通过与所述电流-电压特性关联的三个或更多个数据点获得所述二次特性曲线。
18.根据权利要求16的用于调节电源的方法，其中确定所述局部最大负载功率值还包括以下步骤：
记录输入电压值Vin和输入电流值Iin；
以预定步长ΔVref改变所述输入参考电压Vref；
记录所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin；
处理所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin和所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的参数；
当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时，以预定步长ΔVref增加所述输入参考电压Vref，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，以预定步长ΔVref减小所述输入参考电压Vref；
记录所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin；和
从所述处理步骤重复直到获得所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin的预定的一组值。
19.根据权利要求10的用于调节电源的方法，其中用于调节电源的所述方法被实施在数字域中。
20.根据权利要求19的用于调节电源的方法，其中确定所述局部最大负载功率值还包括以下步骤：
提供所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的多个离散化的参数；
在确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件之后提供临时参考电压Vtemp_ref；其中当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时，所述临时参考电压Vtemp_ref等于Vref+ΔVref，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，所述临时参考电压Vtemp_ref等于Vref-ΔVref；
提供虚拟二次特性曲线，所述虚拟二次特性曲线与所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的离散化参数关联；
验证所述虚拟二次特性曲线和与所述局部最大负载功率值附近的所述电流-电压特性相关联的二次特性曲线之间的截取点；
在未成功验证时，在所述截取点将输入参考电压Vref更新到等于Vtemp_ref的值；和
重复根据权利要求11所述的步骤。
21.根据权利要求20的用于调节电源的方法，在成功验证的情况下，还包括以下步骤：
提供值等于Vtemp_ref的回溯参考电压Vbacktrack；
将Vref更新到与所述截取点关联的值；
比较与所述虚拟二次特性曲线关联的虚拟功率值Pvirtual和与所述二次特性曲线关联的功率值Pactual；
当Pvirtual的值不接近Pactual的值，将Vref更新到等于Vbacktrack的值；和
重复根据权利要求11所述的步骤。
22.根据权利要求21的用于调节电源的方法，在Pvirtual的值接近Pactual的值的情况下，还包括以下步骤：
以ΔVref减小Vref；和
重复根据权利要求11所述的步骤。
23.根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：重复处理所述整体最大负载功率值的步骤以更新所述电源的局部最大负载功率值。
24.根据权利要求23的用于调节电源的方法，在所述一个或更多个预定条件被检测的情况下，处理所述整体最大负载功率值以更新所述电源的局部最大负载功率值。
25.根据权利要求9的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：
将输入的信号重新映射到数据结构以便处理所述整体最大负载功率值和/或所述局部最大负载功率值；
将所述输入参考电压Vref分配给输入电压控制器以便改变所述电源的负载功率。
26.根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：
提供增益调度器，所述增益调度器被布置成用于控制DC总线电压控制器的一个或更多个增益参数，其中所述DC总线电压控制器可用于控制所述电源的负载功率。
27.根据权利要求26的用于调节电源的方法，包括以下步骤：
在所述增益调度器中定义一个或更多个特性曲线，其中所述增益调度器被布置成用于根据所述特性曲线调节增益，根据与确定所述整体最大负载功率值的步骤关联的一个或更多个状态选择所述特性曲线。
28.根据权利要求26的用于调节电源的方法，其中所述增益调度器可用于以更快的瞬态响应稳定所述DC总线电压控制器的DC总线电压。
29.根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：
提供信号到连接到光伏装置的DC-DC变换器，其中所述DC-DC变换器可用于调节光伏装置的输出功率，其中所述输出功率是所述负载功率，并且其中所述电源是所述光伏装置。
30.一种电功率调节设备，所述电功率调节设备包括：
控制器模块，所述控制器模块被布置成用于检测与电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件；
整体最大搜索模块，所述整体最大搜索模块被布置成用于获得所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被布置成用于代表所述电源的真实最大负载功率，由此检测所述一个或更多个预定条件；和
局部最大搜索模块，所述局部最大搜索模块被布置成用于处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述局部最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地代表所述电源的真实最大负载功率，
其中所述整体最大搜索模块被布置成扫描和获取所述电源的输入电流-电压特性以获取所述电源的电特性并确定整体最大负载功率值；以及
其中所述输入电流-电压特性包括：
所述输入电流-电压特性的第一时段，其中输入电压被设置用于从最初输入电压扫描到第一输入电压；
所述输入电流-电压特性的第二时段，其中所述输入电压被设置用于从所述第一输入电压扫描到第二输入电压；和
所述输入电流-电压特性的第三时段，其中所述输入电压被设置用于从所述第二输入电压扫描到所述最初输入电压。
31.根据权利要求30的电功率调节设备，其中所述电功率调节设备可用于提供信号到连接到光伏装置的功率变换器，并且其中所述功率变换器可用于调节光伏装置的输出功率。
32.根据权利要求30的电功率调节设备，其中所述电功率调节设备被实施在数字信号处理器DSP中。
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