CN105207606A - 基于分时自适应mct算法的dmppt光伏发电模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，包括若干串联的集成光伏板，所述集成光伏板包括三个光伏晶元串和一个MPPT控制芯片，每个光伏晶元串连接一个Buck变换器，三个Buck变换器的输出端串联，并由所述MPPT控制芯片控制实现该集成光伏板的最大功率追踪。本发明可以保证无论在什么光照条件下，使用最少数目的控制芯片和传感器，使得所有光伏单元均输出各自的最大功率。相比于现有的光伏板级别的产品，该模块仅用一个电流传感器和控制芯片就能完全弥补光伏板内由失配问题造成的功率损失，有利于光伏优化器的进一步集成。

Description

基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块

【技术领域】

本发明属于太阳能光伏发电领域，特别涉及一种基于分时自适应最大电流追踪算法的子光伏板级别分布式最大功率跟踪光伏发电模块。

【背景技术】

面对由化石燃料引起的全球能源危机和环境问题，太阳能是目前最有应用前景的清洁可再生能源。然而，由于实际中存在的非理想条件，比如阴影遮挡、污点、热梯度、倾斜等，光伏系统的表现受到严重的影响。对于传统集中式或者光伏串级别的最大功率跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)光伏系统，光伏板之间的失配现象会导致光伏阵列的功率-电压曲线出现多峰值，难以定位到全局的最大功率点(MaximumPowerPoint，MPP)。即使追踪到了全局的最大功率点，该全局最大功率也低于光伏阵列中所有光伏板可输出的最大功率之和。

为了解决这些问题，在传统光伏系统中引入了光伏优化模块，构成了基于分布式最大功率跟踪(DistributedMaximumPowerPointTracking，DMPPT)的光伏系统。DMPPT的概念是将一个DC-DC变换器与一块标准光伏板相连构成一个模块(称之为“光伏优化模块”)，再以该模块为基本单元进行串并联构成一个光伏阵列。相比于传统集中式或者光伏串级别的MPPT光伏系统，光伏板级别的DMPPT系统可以允许所有光伏板在失配条件下工作在各自的最大功率点。由于每个DC-DC变换器都需要一组MPPT控制芯片和电压电流传感器，DMPPT光伏系统的成本要远远高于传统集中式或者光伏串级别的光伏系统。

【发明内容】

本发明基于分布式光伏发电系统，提出了一种DMPPT光伏发电模块，同时提出了一种只检测总输出电流的分时自适应最大电流跟踪(MaximumCurrentTracking，MCT)算法，以进一步解决常见的小范围的失配问题和提高光伏优化模块的集成度。

本发明采用以下技术方案：

基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，括若干串联的集成光伏板，所述集成光伏板包括三个光伏晶元串和一个MPPT控制芯片，每个光伏晶元串连接一个Buck变换器，三个Buck变换器的输出端串联，并由所述MPPT控制芯片控制实现该集成光伏板的最大功率追踪。

进一步的，所述若干串联的集成光伏板连接到中央逆变器。

进一步的，所述DMPPT光伏发电模块中存在一快一慢两个控制环；在较慢的控制环中，中央逆变器应用扰动观测法不断更新光伏板的输出电压V_o；而在较快的控制环中，Buck变换器以更高的频率迭代，使得此V_o下的光伏板总输出电流I_o达到最大。

进一步的，MPPT控制芯片采样集成光伏板中每个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2，V_pv3和集成光伏板的总输出电流I_o作为输入，经分时自适应MCT算法计算并输出三个参考电压信号V_ref1，V_ref2，V_ref3；三个参考电压信号V_ref和三个光伏晶元串输出电压V_pv经过电压外环生成一个参考电流信号，这个参考电流信号和总输出电流I_o经过电流内环生成一个控制电压信号；该控制电压经脉宽调制器生成具有相应占空比的脉宽调制信号去控制Buck变换器的开关，使得光伏晶元串工作在该参考电压V_ref处；MPPT控制芯片不断调整每个光伏晶元串的工作电压，最终保证每个Buck变换器输入端均工作在相应光伏晶元串当前的最大功率点处。

进一步的，采用时长自适应调节的使能信号来控制MCT的执行：使能信号初始值设为1，对光伏晶元串1进行MCT；当光伏晶元串1达到其最大功率点即总输出电流达到最大之后，使能信号立即变为0，对光伏晶元串2做MCT；当光伏晶元串2也达到其最大功率点，使能信号变为-1，对光伏晶元串3做MCT；当三个光伏晶元串均达到各自的最大功率点之后，使能信号变为周期性信号，周期为3T，其值在1，0，-1之间以时间间隔T变化；当外界环境发生突变时，此时使能信号转变为1，先对光伏晶元串1进行MCT，扰动光伏晶元串1的输出电压；直到该光伏晶1元串达到其最大功率点；之后使能信号会立即变到0，对光伏晶元串2做MCT，从而追踪到光伏晶元串2在变化的辐照度下的新的最大功率点，也即光伏板在变化的辐照度下的新的最大总输出电流；当三个光伏晶元串在环境突变后都工作在最大功率点后，使能信号变为周期性信号，周期为3T，其值在1，0，-1之间以时间间隔T变化。

进一步的，MCT算法包括：

clock信号为1，0，-1分别代表对光伏晶元串1,2,3做最大功率追踪；传感器采样三个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2，V_pv3和光伏板总的输出电流I_o；V_k，V_k-1，I_k和I_k-1是一组用于扰动观测法运算的公共变量；

首先，把V_k和I_k的值赋给V_k-1和I_k-1；如果clock信号等于c_i，则把当前的光伏晶元串i的输出电压V_pvi，参考电压V_refi和光伏板的总输出电流I_o分别赋值给V_k，V_ref和I_k；变量c用于记录clock值的变化；为了防止最大功率点附近的振荡，设定电流变化量的阈值△I；当I_k和I_k-1的差值小于△I时，认为I_o已达到最大值，不再继续做MCT，clock的值将发生跳变以启动下一个光伏晶元串的MCT；当I_k和I_k-1的差值大于△I，则对光伏晶元串i执行基于P&O算法的MCT，得到更新之后的参考电压V_ref；如果clock等于c即clock保持了之前的值c_i，说明此时仍在对光伏晶元串i做MCT，故将V_ref赋值给V_refi；若clock不等于c即clock值发生了跳变，那么就不进行此参考电压的赋值过程；最终输出三个参考电压信号V_ref1，V_ref2，V_ref3。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于PI双闭环控制的子光伏板级别DMPPT模块，同时公开了一种只检测总输出电流的分时自适应的最大电流跟踪算法。该光伏模块和算法可以保证无论在什么光照条件下，使用最少数目的控制芯片和传感器，使得所有光伏单元均输出各自的最大功率。相比于现有的光伏板级别的产品，该模块和算法仅用一个电流传感器和控制芯片就能完全弥补光伏板内的失配问题造成的功率损失，可以用于光伏优化器的进一步集成。

为了降低设备成倍增加带来的成本，在DMPPT系统中引入了分时MPPT控制。相比于传统的DMPPT光伏系统，该系统所需要的MPPT控制芯片和电压电流传感器的数量都大大降低。然而，由于树叶、鸟粪、灰尘等造成的阴影遮挡或者光伏晶元的损坏，光伏板内的某些部分不能如预期工作。因此，整个光伏板级别的DMPPT光伏系统的功率输出也会大大降低。

【附图说明】

图1为所提出的基于双闭环控制的子光伏板级别DMPPT模块结构示意图。

图2为PI双闭环控制结构示意图。

图3为所提出的自适应分时最大电流跟踪算法的示意图。

图4为所提出的自适应分时最大电流跟踪算法的流程图。

【具体实施方式】

(一)系统结构和信号采集

本发明一种DMPPT光伏发电模块如图1所示。一个光伏板由三个光伏晶元串组成，每个光伏晶元串连接一个Buck变换器，三个Buck变换器的输出端串联，并由一个MPPT控制芯片控制实现该光伏板的最大功率追踪。多个这样集成的光伏板串联再连接到中央逆变器。MPPT控制芯片采样每个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2，V_pv3和光伏板的总输出电流I_o作为输入，经分时自适应MCT算法计算并输出三个参考电压信号V_ref1，V_ref2，V_ref3。参考电压信号V_ref(V_ref1，V_ref2，V_ref3)和光伏晶元串输出电压V_pv(V_pv1，V_pv2，V_pv3)经过电压外环生成一个参考电流信号，这个参考电流信号和总输出电流I_o经过电流内环生成一个控制电压信号。该控制电压经脉宽调制器生成具有相应占空比的脉宽调制信号去控制Buck变换器的开关，使得光伏晶元串工作在该参考电压V_ref处。照此，MPPT控制芯片不断调整每个光伏晶元串的工作电压，最终保证每个Buck变换器输入端均工作在相应光伏晶元串当前的最大功率点处，因此弥补了光伏板内失配问题带来的功率损失。

在这个子光伏板级别的DMPPT模块中存在一快一慢两个控制环。在较慢的控制环中，中央逆变器应用扰动观测(PerturbandObserve，P&O)法不断更新光伏板的输出电压V_o。而在较快的控制环中，Buck变换器以更高的频率迭代，使得此V_o下的光伏板总输出电流I_o达到最大。由于Buck变换器工作在很高的频率，其时间常数要远远小于中央逆变器的时间常数。因此，在任一时间，光伏板的输出电压V_o可以被视为常数。所以，最大功率跟踪(MPPT)就等价于在给定的暂时可视为常数的V_o下进行最大电流跟踪(MCT)，这也正是MCT算法的目标。既然V_o可暂时视为常数，那么在光伏板的输出端，只需检测总的输出电流I_o。总输出电流的变化即代表着总输出功率的变化，而总输出功率的变化在任一时间，即等于正在进行MPPT的光伏板的功率变化。为了应用P&O算法进行MCT，还需要检测三个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2和V_pv3。

三个Buck电路为串联连接，故输出端电流相等。Buck变换器的电感电流与其输出端电流之间仅差一个电容滤波环节，所以采用总输出电流I_o代替电感电流I_L作为电流内环的被控电流。这样，电流传感器的数目就减少到了一个。具体的PI双闭环控制结构示意图如图2所示。

(二)自适应分时最大电流跟踪(MCT)算法

由于光照的变化速度远远低于控制芯片的计算速度，大部分时间MPPT控制芯片输出的是恒定的参考电压信号。因此，不需要给每个光伏晶元串都配备一个MPPT控制芯片。本发明仅采用一个MPPT控制芯片即可依次实现对各光伏晶元串的独立的最大电流跟踪。所提出的自适应分时最大电流跟踪算法的示意图和流程图分别如图3和图4所示。

为了充分利用MPPT控制芯片和快速应对外界环境的变化，本发明采用时长自适应调节的使能信号来控制MCT的执行。使能信号初始值设为1，对光伏晶元串1进行MCT。当光伏晶元串1达到其最大功率点即总输出电流达到最大之后，使能信号立即变为0，对光伏晶元串2做MCT。当光伏晶元串2也达到其最大功率点，使能信号变为-1，对光伏晶元串3做MCT。当三个光伏晶元串均达到各自的最大功率点之后，使能信号变为周期性信号，周期为3T，其值在1，0，-1之间以时间间隔T变化。当外界环境发生变化，例如，在图3中t₆时刻，光伏晶元串2的辐照度发生突变，此时使能信号由-1转变为1，先对光伏晶元串1进行MCT，扰动光伏晶元串1的输出电压。经扰动发现总输出电流并没有实质性的变化，所以光伏晶元串1的输出电压会被扰动回原先的最大功率点电压值。之后使能信号会立即变到0，对光伏晶元串2做MCT，从而追踪到光伏晶元串2在变化的辐照度下的新的最大功率点，也即光伏板在变化的辐照度下的新的最大总输出电流。由此可以看出，在自适应分时最大电流跟踪算法的控制下，MPPT芯片得到了持续的使用，在辐照度变化的情况下也能及时快速地追踪到各个光伏晶元串的新的最大功率点。

此方法的具体流程图如图4所示。clock信号为1，0，-1分别代表对光伏晶元串1,2,3做最大功率追踪。传感器采样三个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2，V_pv3和光伏板总的输出电流I_o。V_k，V_k-1，I_k和I_k-1是一组用于扰动观测法(P&O)运算的公共变量。首先，把V_k和I_k的值赋给V_k-1和I_k-1。如果clock信号等于c_i，则把当前的光伏晶元串i的输出电压V_pvi，参考电压V_refi和光伏板的总输出电流I_o分别赋值给V_k，V_ref和I_k。变量c用于记录clock值的变化。为了防止最大功率点附近的振荡，设定电流变化量的阈值△I。当I_k和I_k-1的差值小于△I时，认为I_o已达到最大值，不再继续做MCT，clock的值将发生跳变以启动下一个光伏晶元串的MCT。当I_k和I_k-1的差值大于△I，则对光伏晶元串i执行基于P&O算法的MCT，得到更新之后的参考电压V_ref。如果clock等于c即clock保持了之前的值c_i，说明此时仍在对光伏晶元串i做MCT，故将V_ref赋值给V_refi。若clock不等于c即clock值发生了跳变，那么就不进行此参考电压的赋值过程。最终输出三个参考电压信号V_ref1，V_ref2，V_ref3。

如果光伏板有阴影遮挡或者辐照度变化，总输出电流I_o的变化量会超过设定的阈值M。此时，变量m被赋值为2，同时扰动观测法将会继续执行。如果阴影遮挡发生在当前进行MCT的光伏晶元串上，那么MCT将会迅速追踪到新的最大总输出电流。如果阴影遮挡发生在其它光伏晶元串上，则在当前光伏晶元串的MCT完成之后，clock值发生跳变，此轮程序运行结束，并在下一轮程序运行之初进行电压电流的赋值。在此过程中，参考电压V_ref没有被扰动即没有被更新，所以总输出电流I_o保持不变。若照此程序运行，I_o会始终保持不变，将无法追踪到该光伏板新的最大总输出电流。为了避免这一问题，自检测到总输出电流超过M的变化量开始，在clock信号发生突变的时刻，对参考电压V_ref引入扰动△V，同时对变量m执行减一操作。变量m在0到2之间变化，控制该扰动动作执行一轮(即光伏晶元串1,2,3)后停止。此方式将能最终追踪到新的最大总输出电流，从而实现整块光伏板的最大功率输出。

如图1所示，本发明一种DMPPT光伏发电模块中一块光伏板包含三个光伏晶元串，每个光伏晶元串的输出侧级联一个Buck变换器；三个Buck变换器的输出端串联后输出。分时MPPT控制芯片实时检测每个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2，V_pv3和光伏板总的输出电流I_o，经程序计算后得出三个参考电压信号V_ref1，V_ref2，V_ref3。参考电压信号V_ref(V_ref1，V_ref2，V_ref3)和光伏晶元串输出电压V_pv(V_pv1，V_pv2，V_pv3)经过电压外环生成一个参考电流信号，这个参考电流信号和总输出电流I_o经过电流内环生成一个控制电压信号。该控制电压经脉宽调制器生成具有相应占空比的脉宽调制信号去控制Buck变换器的开关，使得光伏晶元串工作在该参考电压V_ref处。照此，MPPT控制芯片不断调整每个光伏晶元串的工作电压，保证每个Buck变换器输入端均工作在相应光伏晶元串当前的最大功率点处，也就保证了整个光伏板输出其理想最大功率。

Claims (6)

1.基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，其特征在于，包括若干串联的集成光伏板，所述集成光伏板包括三个光伏晶元串和一个MPPT控制芯片，每个光伏晶元串连接一个Buck变换器，三个Buck变换器的输出端串联，并由所述MPPT控制芯片控制实现该集成光伏板的最大功率追踪。

2.根据权利要求1所述的基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，其特征在于，所述若干串联的集成光伏板连接到中央逆变器。

3.根据权利要求2所述的基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，其特征在于，所述DMPPT光伏发电模块中存在一快一慢两个控制环；在较慢的控制环中，中央逆变器应用扰动观测法不断更新光伏板的输出电压V_o；而在较快的控制环中，Buck变换器以更高的频率迭代，使得此V_o下的光伏板总输出电流I_o达到最大。

4.根据权利要求1所述的基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，其特征在于，MPPT控制芯片采样集成光伏板中每个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2，V_pv3和集成光伏板的总输出电流I_o作为输入，经分时自适应MCT算法计算并输出三个参考电压信号V_ref1，V_ref2，V_ref3；三个参考电压信号V_ref和三个光伏晶元串输出电压V_pv经过电压外环生成一个参考电流信号，这个参考电流信号和总输出电流I_o经过电流内环生成一个控制电压信号；该控制电压经脉宽调制器生成具有相应占空比的脉宽调制信号去控制Buck变换器的开关，使得光伏晶元串工作在该参考电压V_ref处；MPPT控制芯片不断调整每个光伏晶元串的工作电压，最终保证每个Buck变换器输入端均工作在相应光伏晶元串当前的最大功率点处。

5.根据权利要求4所述的基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，其特征在于，采用时长自适应调节的使能信号来控制MCT的执行：使能信号初始值设为1，对光伏晶元串1进行MCT；当光伏晶元串1达到其最大功率点即总输出电流达到最大之后，使能信号立即变为0，对光伏晶元串2做MCT；当光伏晶元串2也达到其最大功率点，使能信号变为-1，对光伏晶元串3做MCT；当三个光伏晶元串均达到各自的最大功率点之后，使能信号变为周期性信号，周期为3T，其值在1，0，-1之间以时间间隔T变化；当外界环境发生突变时，此时使能信号转变为1，先对光伏晶元串1进行MCT，扰动光伏晶元串1的输出电压；直到该光伏晶1元串达到其最大功率点；之后使能信号会立即变到0，对光伏晶元串2做MCT，从而追踪到光伏晶元串2在变化的辐照度下的新的最大功率点，也即光伏板在变化的辐照度下的新的最大总输出电流；当三个光伏晶元串在环境突变后都工作在最大功率点后，使能信号变为周期性信号，周期为3T，其值在1，0，-1之间以时间间隔T变化。

6.根据权利要求4所述的基于分时自适应MCT算法的DMPPT光伏发电模块，其特征在于，MCT算法包括：

clock信号为1，0，-1分别代表对光伏晶元串1,2,3做最大功率追踪；传感器采样三个光伏晶元串的输出电压V_pv1，V_pv2，V_pv3和光伏板总的输出电流I_o；V_k，V_k-1，I_k和I_k-1是一组用于扰动观测法运算的公共变量；

首先，把V_k和I_k的值赋给V_k-1和I_k-1；如果clock信号等于c_i，则把当前的光伏晶元串i的输出电压V_pvi，参考电压V_refi和光伏板的总输出电流I_o分别赋值给V_k，V_ref和I_k；变量c用于记录clock值的变化；为了防止最大功率点附近的振荡，设定电流变化量的阈值△I；当I_k和I_k-1的差值小于△I时，认为I_o已达到最大值，不再继续做MCT，clock的值将发生跳变以启动下一个光伏晶元串的MCT；当I_k和I_k-1的差值大于△I，则对光伏晶元串i执行基于P&O算法的MCT，得到更新之后的参考电压V_ref；如果clock等于c即clock保持了之前的值c_i，说明此时仍在对光伏晶元串i做MCT，故将V_ref赋值给V_refi；若clock不等于c即clock值发生了跳变，那么就不进行此参考电压的赋值过程；最终输出三个参考电压信号V_ref1，V_ref2，V_ref3。