CN104950983B - 太阳能电池最大功率点跟踪装置和跟踪方法 - Google Patents

太阳能电池最大功率点跟踪装置和跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏发电领域，公开了MPPT跟踪装置和方法，该跟踪装置包括：逆变器，将太阳能电池的输出电压转换成负载所需的电压；MPPT控制单元，逐渐改变逆变器中的开关管的占空比以使太阳能电池的输出电压从开路电压开始逐渐减小，在输出电压低于或等于预设电压值V3的情况下，则反向逐渐改变所述开关管的占空比，并在当前输出功率小于前一输出功率时确认前一输出功率为太阳能电池的最大功率，其中预设电压值V3小于最大功率对应的太阳能电池的输出电压。其能够容易地跟踪到真正的最大功率点。

Description

太阳能电池最大功率点跟踪装置和跟踪方法
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，具体地，涉及一种太阳能电池最大功率点跟踪装置和跟踪方法。
背景技术
光伏发电技术是新能源领域的一个重要研究方向。由于光伏电池的输出电压和输出电流随着太阳辐照度和电池结温的变化而具有强烈的非线性，因此，光伏电池在特定的工作环境下存在着唯一的最大功率输出点。为了尽可能地利用太阳能，所有光伏系统都希望光伏阵列工作在最大功率点上，因此，太阳能电池的最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)是非常有意义的。
在驱动负载工作时，太阳能电池在某一光照条件下的功率随输出电压的变化如图1所示、输出电流随输出电压的变化如图2所示。可见，在输出电压从开路电压(太阳能电池无负载时的电压)V0逐渐下降时，太阳能电池的功率在输出电压V2处达到最大功率Pmax，太阳能电池的输出电流随着输出电压的减小而逐渐增大，并且输出电流最初迅速增加并之后缓慢增加。
基于太阳能电池的上述伏安特性，在现有的最大功率点跟踪技术中，一般是直接寻找太阳能电池输出功率的最大值，即通过控制逆变器的开关管的占空比来逐渐增加太阳能电池的输出电流，使得太阳能电池的输出电压从开路电压V0开始逐渐下降并朝V2逼近，同时检查太阳能电池的输出功率P是否增加，如果增加则继续增大逆变器的开关管的占空比，直到太阳能电池的输出功率达到最大功率Pmax为止。但是，由于在大于V2到接近V2的这段曲线(如图1中的V1和V2之间的曲线段)的斜率比较平滑，而且功率检测中存在误差，所以在按照上述方法计算最大功率点时，往往很难跟踪到真正的最大功率点，通常计算到的最大功率点都比实际的最大功率点要小，例如，采用上述方法，通常会将输出电压V1所对应的功率P1计算为最大功率值。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能电池最大功率点跟踪装置和跟踪方法，其能够容易地跟踪到真正的最大功率点。
为了实现上述目的，本发明提供一种太阳能电池最大功率点跟踪装置，该跟踪装置包括：逆变器，用于将太阳能电池的输出电压转换成负载所需的电压；最大功率点跟踪控制单元，用于逐渐改变所述逆变器中的开关管的占空比以使所述太阳能电池的输出电压从所述太阳能电池的开路电压V0开始逐渐减小，在所述太阳能电池的输出电压低于或等于预设电压值V3的情况下，则反向逐渐改变所述逆变器中的开关管的占空比，并在所述太阳能电池的当前输出功率小于所述太阳能电池的前一输出功率的情况下，确定所述太阳能电池的前一输出功率为所述太阳能电池的最大功率，其中所述预设电压值V3小于所述太阳能电池的最大功率所对应的太阳能电池的输出电压V2。
本发明还提供一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，该跟踪方法包括：逐渐改变逆变器中的开关管的占空比以使太阳能电池的输出电压从所述太阳能电池的开路电压V0开始逐渐减小；在所述太阳能电池的输出电压低于或等于预设电压值V3的情况下，则反向逐渐改变所述逆变器中的开关管的占空比，并在所述太阳能电池的当前输出功率小于所述太阳能电池的前一输出功率的情况下，确定所述太阳能电池的前一输出功率为所述太阳能电池的最大功率；其中所述预设电压值V3小于所述太阳能电池的最大功率所对应的太阳能电池的输出电压V2。
从图1所示的P-V曲线可知，相比于太阳能电池的输出电压从输出电压V1降低至最大功率Pmax所对应的输出电压V2期间太阳能电池的输出功率随输出电压的变化曲线而言，在太阳能电池的输出电压从V3升高到最大功率Pmax对应的输出电压V2期间，太阳能电池的输出功率随输出电压的变化曲线更陡。因此，根据本发明的跟踪装置和跟踪方法与现有技术中的最大功率点跟踪技术的不同点在于分两步控制来寻找太阳能电池的最大输出功率，也即先将太阳能电池的输出电压从开路电路V0减小至小于最大功率Pmax所对应的输出电压V2、然后使输出电压从小于V2的电压值(例如图1中的V3电压值)开始逐渐增加来跟踪最大功率，从而能够很容易地跟踪到真正的最大功率值。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是太阳能电池的输出功率随输出电压的变化曲线；
图2是太阳能电池的输出电流随输出电压的变化曲线；
图3是根据本发明一种实施方式的太阳能电池最大功率点跟踪装置的示意框图；
图4是采用现有技术方案和本发明的技术方案时太阳能电池的输出电压随时间的变化曲线；
图5是采用现有技术方案和本发明的技术方案时太阳能电池的输出功率随时间的变化曲线；
图6是采用现有技术方案和本发明的技术方案时太阳能电池的输出电流随时间的变化曲线；
图7是根据本发明一种实施方式的太阳能电池最大功率点跟踪方法的流程图；以及
图8是根据本发明一种实施方式的太阳能电池最大功率点跟踪方法的另一流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图3所示，根据本发明一种实施方式的太阳能电池最大功率点跟踪装置1可以包括逆变器10和最大功率点跟踪控制单元20。逆变器10用于将太阳能电池40的输出电压转换成负载30所需的电压。最大功率点跟踪控制单元20则用于：逐渐改变所述逆变器10中的开关管的占空比以使所述太阳能电池40的输出电压从所述太阳能电池40的开路电压V0开始逐渐减小；在所述太阳能电池40的输出电压低于或等于预设电压值V3的情况下，则反向逐渐改变所述逆变器10中的开关管的占空比，并在所述太阳能电池40的当前输出功率小于所述太阳能电池40的前一输出功率的情况下，确定所述太阳能电池40的前一输出功率为所述太阳能电池40的最大功率，其中所述预设电压值V3小于所述太阳能电池40的最大功率所对应的太阳能电池40的输出电压V2。
优选地，最大功率点跟踪控制单元20的跟踪控制过程可以如下：(1)逐渐改变逆变器10中的开关管的占空比以使太阳能电池40的输出电压从太阳能电池40的开路电压V0开始逐渐减小；(2)测量太阳能电池40的输出电压，并将所测量的太阳能电池40的输出电压与预设电压值V3进行比较；(3)若所测量的太阳能电池40的输出电压低于或等于预设电压值V3，则反向逐渐改变逆变器10中的开关管的占空比，测量太阳能电池40的输出电压和输出电流以得到太阳能电池40的输出功率并将太阳能电池40的当前输出功率与太阳能电池40的前一输出功率进行比较；以及(4)如果太阳能电池40的当前输出功率大于太阳能电池40的前一输出功率则继续反向改变开关管的占空比，如果太阳能电池40的当前输出功率小于太阳能电池40的前一输出功率则确定太阳能电池40的前一输出功率为太阳能电池的最大功率。
按照太阳能电池的特性，太阳能电池的最大功率点所对应的太阳能电池输出电压一般位于太阳能电池的开路电压V0(即太阳能电池40无负载30时的输出电压)的80±5％的范围内。因此，可以依据太阳能电池的这一特性或者参考太阳能电池的技术规格书，将预设电压值V3设置在太阳能电池40的开路电压V0的50％-75％的范围内，优选地，可以将预设电压值V3设置在太阳能电池40的开路电压V0的60％-70％的范围内。
下面结合附图4-6来详细说明根据本发明的太阳能电池最大功率点跟踪装置相比于现有技术的优点。
改变逆变器10中的开关管的占空比，能够相应地改变太阳能电池40的输出电压和输出电流，进而能够改变太阳能电池40的输出功率。图4示出了随着时间逐渐改变逆变器10中的开关管的占空比导致的太阳能电池40的输出电压随着时间的变化，其中，曲线A是采用根据本发明的太阳能电池最大功率点跟踪装置1时得到的太阳能电池40的输出电压随时间的变化曲线，曲线B是采用现有技术时得到的太阳能电池40的输出电压随时间的变化曲线。可见，在现有技术中，在太阳能电池40的输出电压从开路电压V0下降至时刻T0所对应的V1之后，继续改变逆变器10中的开关管的占空比会使得太阳能电池40的输出电压在值V1上下波动；而在根据本发明的技术方案中，则是通过改变逆变器10中的开关管的占空比来先使得太阳能电池40的输出电压在T3时刻下降至V3(其小于最大功率点所对应的输出电压V2)、并然后从V3逐渐上升至输出电压V2(在T4时刻)。
图5示出了太阳能电池40的输出功率随时间的变化曲线，曲线A是采用本发明的技术方案得到的曲线，曲线B是采用现有技术得到的曲线。可见，在采用现有技术方案时，首先MPPT控制单元逐渐增大逆变器中的开关管的占空比、检测太阳能电池的输出功率并将当前的太阳能电池输出功率与前一输出功率进行比较，若当前的输出功率大于前一输出功率则继续增大开关管的占空比，若当前的输出功率小于前一输出功率则减小开关管的占空比，直到输出功率达到最大值，这样，在输出功率在T1时刻达到P1值之后会波动变化，从而会将T1时刻时的功率P1判断为最大功率值，但是实际上此点并非真正的最大功率值，其比最大功率值Pmax低。而通过采用本发明的技术方案，太阳能电池40的输出功率首先在T1时刻达到P1值(对应于图4中的电压V1)、然后在T2时刻达到Pmax值(对应于图4中的电压V2)、然后在T3时刻达到P3值(对应于图4中的电压V3)、然后在T4时刻又达到Pmax值(对应于图4中的电压V2)。这样就能够更为准确且容易地找到太阳能电池40的最大功率点Pmax。
图6示出了太阳能电池的输出电流随时间的变化曲线，曲线A是采用本发明的技术方案得到的曲线，曲线B是采用现有技术得到的曲线。可见，在采用现有技术方案时，当太阳能电池的输出电流在T1时刻增加至I1之后，其输出电流值不再继续增大，而是在I1附近上下波动。而通过采用本发明的技术方案，太阳能电池40的输出电流首先在T1时刻达到I1值(对应于图4中的电压V1)、然后在T2时刻达到I2值(对应于图4中的电压V2)、然后在T3时刻达到I3值(对应于图4中的电压V3)、然后在T4时刻又下降至I2值(对应于图4中的电压V2)。这样就能够更为准确且容易地找到太阳能电池40的最大功率点Pmax。
需要说明的是，在MPPT控制单元20检测到太阳能电池40的最大功率点之后，MPPT控制单元20会控制逆变器10的占空比以使得太阳能电池40的输出功率在该最大功率点上下波动，即维持太阳能电池输出功率在该最大功率点处的动态平衡。如图5所示的太阳能电池输出功率随时间变化曲线中所示的那样，在T1时刻(针对现有技术)和T4时刻(针对本发明)以后太阳能电池40的输出功率在最大功率点Pmax处维持上下波动。不论是现有技术还是本发明所述的技术方案，在检测到最大功率点以后都会维持在最大功率点处的上下波动。此做法是为了在太阳能电池40由于外在条件(如光照强度、温度等)发生变化或者由于负载30发生变化而使得太阳能电池输出功率发生变化时，能及时准确地找到下一个最大功率点。对应的，在检测到太阳能电池40的最大功率点之后，太阳能电池40的输出电压和输出电流也分别在最大功率点所对应的输出电压和输出电流处维持上下波动以保持在此点的动态平衡，请见图4和图6。
优选地，根据本发明的太阳能电池最大功率点跟踪装置还可以包括采集单元50，用于周期性地采集太阳能电池40的开路电压V0并将采集到的开路电压V0发送给所述最大功率点跟踪控制单元20。这样，MPPT控制单元20就能够持续更新太阳能电池的开路电压V0，从而保证最大功率点跟踪的准确性。
优选地，所述采集单元50采集所述开路电压V0的周期与室外环境温度的变化速率有关。当室外环境温度变化快时，采集单元50采集开路电压V0的周期缩短，当室外环境温度变化慢时，采集单元50采集开路电压V0的周期可以延长，这样能够更为准确且及时地获得开路电压V0的信息，从而保证最大功率点跟踪的准确性。
本发明还提供一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，如图7所示，该跟踪方法包括：
S1、逐渐改变逆变器中的开关管的占空比以使太阳能电池的输出电压从所述太阳能电池的开路电压V0开始逐渐减小；以及
S2、在所述太阳能电池的输出电压低于或等于预设电压值V3的情况下，则反向逐渐改变所述逆变器中的开关管的占空比，并在所述太阳能电池的当前输出功率小于所述太阳能电池的前一输出功率的情况下，确定所述太阳能电池的前一输出功率为所述太阳能电池的最大功率；其中所述预设电压值V3小于所述太阳能电池的最大功率所对应的太阳能电池的输出电压V2。
图8示出了一种更为详细的太阳能电池最大功率点跟踪方法的流程图：
S81、逐渐改变逆变器中的开关管的占空比以使太阳能电池的输出电压从太阳能电池的开路电压V0开始逐渐减小；
S82、测量太阳能电池的输出电压；
S83、判断太阳能电池的输出电压是否低于或等于预设电压值V3。若大于，则转至步骤S84，若低于或等于，则转至步骤S85。
S84、继续朝同一方向逐渐改变逆变器中的开关管的占空比；
S85、反向逐渐改变逆变器中的开关管的占空比；
S86、测量太阳能电池的输出电压和输出电流以得到太阳能电池的输出功率；
S87、判断太阳能电池的当前输出功率是否小于太阳能电池的前一输出功率。若小于则转至步骤S89，若大于则转至步骤S88；
S88、继续朝同一方向逐渐改变逆变器中的开关管的占空比；以及
S89、确认太阳能电池的前一输出功率为太阳能电池的最大功率。
按照太阳能电池的特性，太阳能电池的最大功率点所对应的太阳能电池输出电压一般位于太阳能电池的开路电压V0(即太阳能电池无负载时的输出电压)的80±5％的范围内。因此，可以依据太阳能电池的这一特性或者参考太阳能电池的技术规格书，将预设电压值V3设置在太阳能电池的开路电压V0的50％-75％的范围内，优选地，可以将预设电压值V3设置在太阳能电池的开路电压V0的60％-70％的范围内。
优选地，根据本发明的太阳能电池最大功率点跟踪方法还可以包括：周期性地采集太阳能电池的开路电压V0。这样就能够及时更新太阳能电池的开路电压V0，从而保证最大功率点跟踪的准确性。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种太阳能电池最大功率点跟踪装置，该跟踪装置包括：
逆变器，用于将太阳能电池的输出电压转换成负载所需的电压；以及
最大功率点跟踪控制单元，用于：
逐渐改变所述逆变器中的开关管的占空比以使所述太阳能电池的输出电压从所述太阳能电池的开路电压V0开始逐渐减小；
在所述太阳能电池的输出电压低于或等于预设电压值V3的情况下，则反向逐渐改变所述逆变器中的开关管的占空比，并在所述太阳能电池的当前输出功率小于所述太阳能电池的前一输出功率的情况下，确定所述太阳能电池的前一输出功率为所述太阳能电池的最大功率，
其中所述预设电压值V3小于所述太阳能电池的最大功率所对应的太阳能电池的输出电压V2。
2.根据权利要求1所述的跟踪装置，其中，所述预设电压值V3为所述太阳能电池的开路电压V0的50％-75％。
3.根据权利要求2所述的跟踪装置，其中，所述预设电压值V3为所述太阳能电池的开路电压V0的60％-70％。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的跟踪装置，其中，该跟踪装置还包括采集单元，用于周期性地采集所述开路电压V0并将采集到的开路电压V0发送给所述最大功率点跟踪控制单元。
5.根据权利要求4所述的跟踪装置，其中，所述采集单元采集所述开路电压V0的周期与室外环境温度的变化速率有关。
6.一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，该跟踪方法包括：
逐渐改变逆变器中的开关管的占空比以使太阳能电池的输出电压从所述太阳能电池的开路电压V0开始逐渐减小；以及
在所述太阳能电池的输出电压低于或等于预设电压值V3的情况下，则反向逐渐改变所述逆变器中的开关管的占空比，并在所述太阳能电池的当前输出功率小于所述太阳能电池的前一输出功率的情况下，确定所述太阳能电池的前一输出功率为所述太阳能电池的最大功率；
其中所述预设电压值V3小于所述太阳能电池的最大功率所对应的太阳能电池的输出电压V2。
7.根据权利要求6所述的跟踪方法，其中，所述预设电压值V3为所述太阳能电池的开路电压V0的50％-75％。
8.根据权利要求7所述的跟踪方法，其中，所述预设电压值V3为所述太阳能电池的开路电压V0的60％-70％。
9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的跟踪方法，其中，该跟踪方法还包括周期性地采集所述开路电压V0。
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