CN105074604B - 太阳能电池的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的太阳能电池的控制装置，对于在太阳光发电的控制中，不能对相对于电压指令值变化的实际电压的跟踪时间和、平均化处理时的周期性的时间中的由日照变动或负载变动引起的工作点的变化进行跟踪。将太阳能电池的控制装置(7)构成为具有：功率计测部(31)，其对太阳能电池的功率值进行计测；电压控制部(4)，其决定太阳能电池的工作电压；平均化部(3)，其对功率值进行累计，计算功率值的平均值；及最大功率点跟踪控制部(5)，其对根据功率值的偏差信息和累计的次数计算的阈值，和在功率计测部中计测出的功率值与平均值的差值进行比较，在差值的绝对值大于阈值的情况下，停止累计，生成决定工作电压的电压指令值。

Description

太阳能电池的控制装置

技术领域

本发明涉及太阳能电池的控制装置。

背景技术

太阳能电池具有如下特性：由于日照量或温度的变化，而使相对于工作电压或工作电流的输出功率发生变化。因此，在控制太阳能电池时，将太阳能电池的输出电压设定在取出最大功率的工作点(以下，最大功率点)变得重要。将自动地跟踪该最大功率工作点使太阳能电池的发电效率提高的控制，称作最大功率点跟踪控制。

关于最大功率点跟踪控制，提出有多种方法。其中，跟踪性能比较好、顺序简单的登山法被广泛使用，在专利文献1中记载了该顺序。在登山法中，在以输出电压V0运转过程中，若加上了叠加电压ΔV时的功率P的变化量ΔP为正，则判断为输出电压V0小于最大功率点电压Vmax，并将V0+ΔV作为新的工作点，若变化量ΔP为负，则判断为输出电压V0大于最大功率点电压Vmax，并将V0-ΔV作为新的工作点，通过反复进行该动作，使太阳能电池的输出短时间接近最大功率点。

另外，在专利文献2中，公开了高速跟踪最大功率点的控制方法。在工作电压向增加方向或减少方向的任一方向变化了所设定的次数的情况下，进行控制以使工作电压的变化幅度变得比较大，当工作电压在增加方向和减少方向之间进行反复而发生变化的情况下，进行控制以使所述工作电压的变化幅度变得比较小，从而实现高速的跟踪。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭61-97721号

专利文献2：日本特开平8-44445号

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1所示的最大功率点跟踪控制中，对于日照量或温度变化较小的特性，能在最大功率点附近跟踪。但是，在日照急剧变化的情况下，较大地偏离了最大功率点之后，重新进行登山，因此较大地损失功率。因此，可以考虑以高速的时序实施登山，缩短直到最大功率点为止的到达时间，削减功率损失。但是，登山法的高速化的效果仅对某一定的日照变化的速度有效，在日照量以比该速度慢的速度发生变化的情况下，最大功率点跟踪控制中进行指令的电压偏离真正的最大功率点电压，会新产生功率损失。

若使用专利文献2所示的最大功率点跟踪控制，在日照量的变化幅度增加时工作电压的变化幅度扩大，所以能够高速地跟踪最大功率点。但是，需要直到针对电压指令值的变化实际电压进行跟踪为止，施加上述的叠加信号。对于该时间，也有时因负载设备的特性而度过比较长的时间。再者，在取入电压和电流值时，由于进行用于计算平均值的周期性采样，或以每0.1～1秒的一定周期进行从取得平均值起的顺序处理，所以1次的跟踪处理需要某种程度的时间，对于这期间的日照变动或负载变动引起的工作点的变化无法进行跟踪。

因此，本发明的目的在于，研究以上那样的现有技术的问题，提供能应对日照量的急剧变化的太阳能电池的控制装置。

解决问题的方案

若示例本申请发明的解决问题的方案中的代表性的方案，则是一种太阳能电池的控制装置，其特征在于具有：功率计测部，其对太阳能电池的功率值进行计测；电压控制部，其决定太阳能电池的工作电压；平均化部，其对功率值进行累计，计算功率值的平均值；及最大功率点跟踪控制部，其对根据功率值的偏差信息和累计的次数计算出的阈值，和在功率计测部中计测出的功率值与平均值的差值的绝对值进行比较，在差值的绝对值大于阈值的情况下，停止累计，生成决定工作电压的电压指令值。

发明效果

根据所述方案，若使用本发明，则能够提供效率更高的太阳光发电系统的控制装置。

附图简要说明

图1是表示本发明的实施例涉及的太阳光发电系统的构成的方框图。

图2是本发明的实施例涉及的功率平均化部的方框图。

图3是本发明的实施例涉及的AVR控制的方框构成图。

图4(a)是本发明的实施例1涉及的最大功率点跟踪控制的流程图。

图4(b)是本发明的实施例1涉及的移动电压幅度设定的流程图。

图5(a)是安装了以往的登山法的情况下的时序图。

图5(b)是表示本发明的实施例1涉及的发明的效果的时序图。

图5(c)是表示本发明的实施例1的变形例的效果的时序图。

图6(a)是表示本发明的实施例2涉及的从系统紊乱时的继续运转开始进行恢复的动作的流程图。

图6(b)是本发明的实施例2涉及的移动电压幅度设定的流程图。

图7是表示本发明的实施例2的效果的时序图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。

实施例1

图1是采用了功率调节器7的太阳光发电系统的方框构成图。功率调节器7将太阳能电池阵列1发电的直流电力变换成与系统的交流电力系统线路6同步的交流。6是一般的电力系统线路，例如是交流电压200V或400V、频率50或60Hz的线路。是连接着一般需要家庭的负载的线路。该功率调节器7由DC/AC逆变器2、功率计测部31、电压计测部32、功率平均化部3、AVR控制部(自动电压调节器，Automatic Voltage Regulator)4、最大功率点跟踪控制部5构成。逆变器2将由太阳能电池阵列1发电的直流电力变换成与系统电压同步的交流电力(商用电力)。从AVR控制部4(自动电压调节器，Automatic Voltage Regulator)向逆变器2提供PWM信号，以控制太阳能电池阵列1的工作电压。

来自太阳能电池阵列1的发电电力被提供给逆变器2，并且作为太阳能电池阵列1的输出控制用的信息，从功率计测部31和电压计测部32以直流功率和电压的形式，取入到功率调节器7内。将取入到功率调节器7的功率信息，在功率平均化部3中进行周期性的多个采样并平均化。通过该功率平均化部3，将抑制了测定不确定性的功率信息和从太阳能电池阵列1取入的功率信息这2个信息，发送到最大功率点跟踪控制部5。在最大功率点跟踪控制部5中按照后述的逻辑，决定接下来的探索用的设定电压，向AVR控制部4传送电压指令值。

图2是表示功率平均化部的功能的方框图。当前，将取入的直流功率的值表示为P[n]，将前一个采样的直流功率表示为P[n-1]，同样地，表示为P[n-2]、…、P[0]。m是采样编号，z^-l是使输入延迟1个采样时间来输出的记号，将当前的值加上1个采样1个采样延迟后的值，将该值乘1/m取平均。也就是说，采样次数越增加，则测定数据的不确定性Uc改善倍。以下，将该基于采样的平均化，称作平均化处理。

图3是表示AVR控制部4的功能的方框图。使用从最大功率点跟踪控制部5发送的电压指令值和从太阳能电池阵列1取入到功率调节器7内的电压，进行PI控制，用比较器9进行与三角波的比较，从而变换成具有与电压指令值相应的导通比的PWM信号。将表示PI控制的传递函数，表示为K2×{K1+(1/(τ·s))}(K1、K2是规定的常数)。在此，将直到实际电压收敛为电压指令值为止的时间设定为5τ左右。以下，将该到收敛为止进行待机称作AVR待机。

在图4(a)中表示本发明涉及的流程图。首先，在步骤Sl，从太阳能电池阵列1取入直流功率P[m]、直流电压V*，从功率平均化部取入Pave[m-1]。Pave[m-1]是直流功率P[0]、P[l]、…、P[m-1]的加算平均功率。接着，在步骤S2，对测定的不确定性Uc进行计算。通过计算P[0]、P[l]、…、P[m-1]的标准偏差来得到直到m-1次为止的测定的不确定性Uc。已知一般，当采样数n增加时，标准偏差被抑制为分之一。在此，当假设日照量不变化时，作为第m个计测值的P[m]基本上位于P[0]、P[l]、…、P[m-1]的平均值Pave[m-1]±标准偏差Uc。也就是说，如步骤S3所示，在作为第m个计测值的P[m]位于该平均值Pave[m-1]±标准偏差Uc内的情况下，认为日照量的变化较少，在步骤S4，将采样次数递增(m++)，将Pave[m-1]代入功率power。直到变为所设定的采样数n为止进行该递增动作(步骤S5)。另一方面，在作为第m个计测值的P[m]不位于平均值Pave[m-1]±标准偏差Uc内的情况下，认为日照量已急变，将日照变化后的最新功率P[m]取入到功率power(步骤S6)。

在采样数n的平均化处理结束，或最新功率P[m]的取入完成的任一情况下，都使用取入的power，在S7、S8进行极值监视和在极值附近是否存在工作点的判断。关于极值的判断方法，例如例举如下所述的方法。

对于极值，

由于数学式1

$\frac{\∂P}{\∂V}=0...\left(1\right)$

成立，所以若进行变形，则以下的关系成立。

数学式2

$\frac{\∂P}{\∂V}=I+V\·\frac{\∂I}{\∂V}=0$

$\frac{\∂I}{\∂V}=-\frac{I}{V}...\left(2\right)$

当将本次的最大功率点控制时的电压指令值设为V2，将取入的功率值power设为P2，将上次的最大功率点控制时的电压指令值设为V1，将取入的功率值power设为P1，将电流值分别计算为I1＝P1/V1、I2＝P2/V2时，根据ΔI＝(I2-I1)、ΔV＝(V2-V1)、I2、V2的关系能够判断工作点是否在极值附近。若在步骤S8中判断为在极值附近，则转移到步骤S10，应用登山法这样的通常的最大功率点跟踪控制。若判断为不在极值附近，则转移到步骤S9，按照后述的逻辑，设定移动电压幅度。

若步骤S9、步骤S10结束，则在步骤S11进行电压指令值的设定。在此，若上次的电压指令值和本次的电压指令值的差较小，则将AVR的待机时间相对于图3中的时间常数τ设定为2τ左右，若上次的电压指令值和本次的电压指令值的差较大，则进行设定为5τ左右等的待机时间控制。之后，向AVR控制部4发送电压指令值(步骤S11)，在步骤S13进行设定的响应时间的待机。最后，当将采样次数的变量m初始化为0，并向功率平均化部3发送采样次数n时(步骤S14)，最大功率跟踪控制的1次的顺序结束，返回到步骤Sl。

以下，叙述移动电压幅度的计算方法的详细情况。用式(3)表示太阳能电池的特性式。

数学式3

$I=I_{sc}\·p-I_s\·\exp \left(\frac{q\·(V+I\·R_s\·N_{cell})}{n_f\·k\·T\·N_{cell}}\right)-\frac{V+I\·R_s\·N_{cell}}{R_{sh}\·N_{cell}}\mathrm{...}\left(3\right)$

在此，I表示太阳能电池的输出电流，V表示太阳能电池的输出电压，Isc表示短路电流，p表示日照量，Is表示太阳能电池单元的反向饱和电流，nf表示二极管结常数，k表示波尔兹曼常数，T表示绝对温度，Ncell表示单元数，q表示净荷量，Rs表示将太阳能电池单元彼此连接的布线等的串联电阻值，Rsh表示太阳能电池单元的分流电阻。为了简化，设Rs≒0、Rsh≒∞，作为电压的公式进行变换时，变为式(4)。

数学式4

$V=\frac{n_f\·k\·T\·N_{cell}}{q}\ln \left(\frac{I_{sc}\·p-I}{I_s}\right)\mathrm{...}\left(4\right)$

当将日照量变化前p1的在极值附近工作的电流值设为Im1，将日照变化后p2的电流值设为I1时，变化前后的电压值相同，所以能将式(4)如下展开。

数学式5

$0=N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(\frac{I_{sc}\·p_1-I_{m1}}{I_{sc}\·p_2-I_1}\right)\mathrm{...}\left(5\right)$

由于对数内为1，所以以下的关系成立。

数学式6

$p_2=\frac{I_{sc}\·p_1-I_{m1}+I_1}{I_{sc}}\mathrm{...}\left(6\right)$

同样地，当将日照量变化前p1的在极值附近工作的电流值设为Im1，将日照变化后p2的电流值设为Im2，求变化前后的应移动的电压幅度ΔV时，变为数学式7。

数学式7

$\mathrm{\Δ}V=N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(\frac{I_{sc}\·p_1-I_{m1}}{I_{sc}\·p_2-I_{m2}}\right)\mathrm{...}\left(7\right)$

一般，关于太阳能电池特性，已知日照量不同的情况下的短路电流和最大工作电流的关系为式(8)这样的关系，当将式(8)代入到式(7)中时，式(9)的关系成立。

数学式8

$\frac{I_{m1}}{I_{sc}\·p_1}=\frac{I_{m2}}{I_{sc}\·p_2}=\frac{1}{j}\mathrm{...}\left(8\right)$

数学式9

$\mathrm{\Δ}V=N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(\frac{p_1}{p_2}\right)\mathrm{...}\left(9\right)$

在此，将式(6)变形，使用式(8)以如下方式进行变换。

数学式10

$p_2=p_1-\frac{I_{m1}-I_1}{I_{sc}}$

$\frac{p_2}{p_1}=1-\frac{I_{m1}-I_1}{I_{sc}\·p_1}$

$\frac{p_2}{p_1}=1-\frac{I_{m1}-I_1}{\frac{I_{m1}}{j}}$

$\frac{I_1}{I_{m1}}=j\·(\frac{p_2}{p_1}-1)+\mathrm{1...}\left(10\right)$

虽然j取约0.9的值是一般情形，但为了简化而设定j＝1.0时，使用式(10)，式(9)能用式(11)表示。

数学式11

$\mathrm{\Δ}V=N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(\frac{I_{m1}}{I_1}\right)\mathrm{...}\left(11\right)$

在此，由于Im1和I1的工作电压相同，所以也能够将电流值作为功率值来置换。

在图4(a)的流程中，当将在上次的最大功率点控制时取入的功率值power设为P1，将本次取入的功率值power设为P2时，由于P2具有不确定性Uc，所以在P2±Uc的范围有真的值。在此，当考虑将不确定性的表述设为％表示Uc'时，为P2×(1±Uc')，所以可以将式(11)用式(12)或式(13)表示。

数学式12

$\mathrm{\Δ}V=N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(\frac{P1}{P2*(1\±{\mathrm{Uc}}^{\′})}\right)\mathrm{...}\left(12\right)$

数学式13

$\mathrm{\Δ}V=N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(\frac{P1}{P2}\right)-N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln (1\±{\mathrm{Uc}}^{\′})\mathrm{...}\left(13\right)$

在图4(b)中，表示图4(a)中的步骤S9的移动电压幅度设定的详细的流程图。首先，在步骤S15，设定用于进行功率之比和大小关系的比较的阈值Pth。将该阈值作为用于决定变动幅度的条件分支来使用。阈值决定后，用1或-1设定决定从P2和P1移动电压的方向的信号Sign(步骤S16)。Sign＝l时，是功率增加了的情况，不确定性Uc向正方向偏移。在Sign＝-l的情况下，是功率减少的情况，不确定性Uc向负方向偏移。接着，在步骤S17，将不确定性的表述变换成％，最后，用式(12)的对数内那样的形式来计算功率之比(步骤S18)。

上述的参数设定后，实施功率之比和阈值Pth的比较，若功率之比是大于阈值的值，则对阈值Pth进行幂乘，重新与功率之比进行比较。按照满足了条件的幂乘数的数，使变动幅度的基准幅度为整数倍，来决定电压移动幅度(步骤S19～S24)。

图5(a)是安装了以往的登山法的情况下的时序图，图5(b)是安装了本发明的情况下的时序图。在图5(a)中，将平均化处理、AVR待机时间都以一定时间设定。当在图中t0日照量急剧变化了的情况下，在图5(a)中，保持日照量急变前的电压指令值不变，等待平均化处理结束，在t1，电压指令值被更新，通过登山法跟踪最大功率点。在这种情况下，即使从t1起进行5个周期的跟踪控制，也不到达日照急变后的最大功率点的理论值。另一方面，在图5(b)中，与日照量急变同时地结束平均化处理，在t0，电压指令值被更新。移动电压幅度ΔV是用式(13)决定的偏移量，即使在平均化处理的采样的不确定性的值因采样数不足而未收敛的情形下，也能毫无问题地到达最大功率点附近。

图5(c)是安装了本实施例涉及的发明的变形例的情况下的时序图，是根据移动电压幅度ΔV，使AVR待机时间可变的一个例子。在图5(b)中，例如当将AVR待机时间设定为99％以上收敛完成的5τ时，在图5(c)中，设定为86％程度的收敛完成的2τ左右，而将AVR待机时间设定得短。在最大功率点跟踪控制的移动电压幅度较小时，即使将AVR待机时间相对于图3中的τ，设定为1×τ、2×τ，电压幅度也较小，功率损失也较小。与之相对，当在图中t2日照量增加了的情况下，在t3，相对于Pave[m-1]+标准偏差Uc的值，P[m]提高，所以设为power＝P[m]，根据式(13)决定移动电压幅度ΔV₁。在此，由于移动电压幅度ΔV₁较大，所以通过将AVR待机时间设定为99％以上收敛完成的5τ来接近最大功率点。同样，当在图中t4日照量减少了的情况下，在t5，相对于Pave[m-1]-标准偏差Uc的值，P[m]降低，所以设为power＝P[m]，根据式(13)，决定移动电压幅度ΔV₂。在此，由于移动电压幅度ΔV₂具有某种程度的大小，所以将AVR待机时间设定为3τ左右。

这样，本实施例涉及的太阳能电池的控制装置7的特征是，具有：功率计测部31，其对太阳能电池的功率值进行计测；电压控制部4，其决定太阳能电池的工作电压；平均化部3，其对功率值进行累计，计算功率值的平均值；及最大功率点跟踪控制部5，其对根据功率值的偏差信息和累计的次数计算出的阈值，和在功率计测部中计测出的功率值与平均值的差值的绝对值进行比较，在差值的绝对值大于阈值的情况下，停止累计，生成决定工作电压的电压指令值。通过这种的构成，即使对于最大功率点跟踪控制1次的顺序处理时间的日照变动，本实施例涉及的太阳能电池的控制装置也能使太阳能电池充分响应，能够提高太阳能电池的利用效率。

实施例2

图6(a)是对从系统紊乱时的继续运转开始进行恢复的动作安装了本发明的情况下的时序图。关于太阳光发电设备，若由于系统供电线事故引起的大范围的瞬时电压下降等，而发生一齐解除并联，则有可能对系统整体带来较大的影响，所以要求事故时的运转继续(FRT：Fault Ride Through)，在从该系统紊乱时的继续运转开始的恢复时，要求直到电压下降前的80％以上的输出为止的高速的恢复动作。为了与该高速动作相对应，当在步骤S25中恢复动作开始后，首先，在步骤S26，取入直流功率P[0]和即将继续运转前的直流功率的平均值Po，还有即将继续运转前的电压指令值V，接着，转移到步骤S27，按照后述的逻辑，设定移动电压幅度。

以下，与实施例1一样，将所决定的电压指令值和AVR待机时间发送到AVR控制部4，将采样次数的变量m初始化为0，转移到最大功率跟踪控制的顺序。

图6(b)是用于对移动电压幅度设定详细地进行说明的流程图。直流功率P[0]是平均化处理1次的值，所以是包含源于测定器误差等的测定的不确定性Uc的值。在步骤S34预先设定该不确定性Uc。接着，使用式(14)，在步骤S35、S36决定恢复到输出的80％为止所需要的设定电压1。

数学式14

$V_1^{\′}=V+N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(0.8\right)\mathrm{...}\left(14\right)$

接着，在步骤S37求出即将继续运转前的直流功率的平均值Po与直流功率P[0]-Uc的功率之比，使用式(15)，在步骤S38，决定设定电压2。

数学式15

$V_2^{\′}=V+N_{cell}\·\frac{n_f\·k\·T}{q}\ln \left(\frac{P\[0\]-Uc}{Po}\right)$

从P[0]减去不确定性Uc，是为了进行假设了最差情形的计算，尽量将移动电压幅度设定得大。在此，关于电压指令值，若预先保持了系统紊乱时的继续运转前的值，则图3所示的AVR控制部的输入是电压指令值V和设定电压2。在该状态下，为了恢复到输出的80％，关于AVR控制部的输入，电压指令值是设定电压1，取入电压是设定电压2即可，所以在步骤S39，将电压比设为(V-设定电压2)/(设定电压1-设定电压2)，设定与该电压比匹配的AVR待机时间。例如，若电压比小于0.63，则将待机时间相对于图3中的τ而进行1×τ的设定则足够了，同样，若电压比小于0.86则设定为2×τ，若电压比小于0.95则设定为3×τ，那么作为待机时间是足够的。(步骤S40～S42)

图7是安装了本发明的情况下的时序图，是以从系统紊乱时的继续运转起进行了恢复的定时，使AVR待机时间可变的情况下的时序图。在此，将通常的AVR待机时间设定为5×τ。在图中t6，从系统紊乱时的继续运转起进行了恢复的情况下，不递增采样次数，而1次就结束，一边以未抑制的标准偏差Uc的值为鉴，一边根据式(14)、(15)估计当前的电压(残留电压)，将用于输出恢复80％的AVR待机时间设定为3τ左右。

如以上那样，最大功率点跟踪控制部根据由电压计测部计测的电压值和电压指令值的差，使直到工作电压收敛为止的待机时间可变，从而即使对于从系统紊乱时的继续运转起的恢复响应，也能高速地恢复，而且不需要无用的时间就能向最大功率跟踪动作转移，所以实现了太阳能电池的利用效率的提高。

符号说明

1…太阳能电池阵列

2…DC/AC逆变器

3…电流平均化部

4…AVR控制部

5…最大点跟踪控制部

6…系统

7…功率调节器

8…PWM波形生成电路

31…功率计测部

32…电压计测部

Claims (3)

1.一种太阳能电池的控制装置，其特征在于，具有：

功率计测部，其对太阳能电池的功率值进行计测；

电压控制部，其决定所述太阳能电池的工作电压；

平均化部，其对所述功率值进行累计，计算所述功率值的平均值；及

最大功率点跟踪控制部，其对根据所述功率值的偏差信息和所述累计的次数计算出的阈值，和在所述功率计测部中计测出的功率值与所述平均值的差值的绝对值进行比较，在所述差值的绝对值大于所述阈值的情况下，停止所述累计，生成决定所述工作电压的电压指令值。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池的控制装置，其特征在于，

根据由所述功率计测部得到的第一功率与在太阳能电池的特性变动时得到的第二功率之比和得到第二功率时的偏差信息来决定所述电压指令值。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池的控制装置，其特征在于，

所述最大功率点跟踪控制部根据由电压计测部计测出的电压值和所述电压指令值的差，使直到所述工作电压收敛为止的待机时间可变。