CN105375517A - 任何光照条件下实现光伏组件最大功率跟踪的光伏并网发电系统 - Google Patents

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甘义良
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李国杰
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Abstract

本发明公开了一种任何光照条件下实现光伏组件最大功率跟踪的光伏并网发电系统，通过给光伏组件连接buck电路形成光伏组件模块(PV_buck？Module)，再根据实际功率需要进行串并联形成光伏阵列(PV_buck？Array)，结合合理的控制方式能够实现所有光伏组件在光照条件一致和有局部阴影两种条件下都能够最大功率输出，最大限度利用光伏电池，弥补了传统光伏阵列在全局最大功率跟踪(Global？Maximum？Power？Point？Tracking，简称GMPPT)下有局部阴影的光伏组件不输出或低输出功率的不足。

Description

任何光照条件下实现光伏组件最大功率跟踪的光伏并网发电系统
技术领域
本发明涉及新能源发电领域，特别是光伏并网发电系统中最大功率跟踪技术领域，具体是一种任何光照条件下实现光伏组件最大功率跟踪的光伏并网发电系统。
背景技术
因清洁并取之不尽，太阳能已经成为新能源领域不可或缺的一部分，光伏电池发电则是太阳能最主要的利用方式。由于单个光伏电池容量有限，通常需要将几十个光伏电池串并联形成光伏组件，但其功率也依然较小，只有几百瓦。对于一个光伏发电站，通常需要将光伏组件串并联形成光伏阵列再通过变换器并网发电。但是如果每一块光伏组件的输出特性不尽相同，尤其是阵列光照有局部阴影的情况下尤为明显，这导致阵列的功率-电压输出特性一般为多峰曲线，虽然传统的GMPPT控制策略能够实现阵列整体最大功率输出，但是并不能保证所有组件都最大功率输出。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种任何光照条件下实现光伏组件最大功率跟踪的光伏并网发电系统，能够提高光伏组件在局部阴影下的利用率并有效解决局部阴影时所带来的热斑问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种任何光照条件下实现光伏组件最大功率跟踪的光伏并网发电系统，其特点在于包括光伏阵列，该光伏阵列的输出端依次经Boost电路、逆变器和滤波器与电网相连；
所述的光伏阵列是由多个光伏组件模块串并联而成，该光伏组件模块包括由光伏组件和buck电路构成主电路和控制电路。
所述的控制电路包含电源模块、采样模块、保护模块、驱动模块和控制芯片；所述的光伏组件的输出端分别与所述的电源模块的输入端、buck电路的第一输入端相连，所述电源模块的输出端连接所述的控制芯片；采样模块的输入为光伏输出电压采样、输出电流采样和开关管的电压电流采样，其输出端分别与所述的控制芯片和保护模块相连；保护模块的输入是开关管的电压和电流采样，其输出端连接到控制芯片；驱动模块输入端连接控制芯片输出口，输出端连接开关管的门极与源极。
所述的电源模块为将光伏组件电压经降压后为控制芯片以及驱动电路提供电压；所述采样模块为光伏组件输出电压电流采样以及开关管的电压电流采样，所述的保护模块为开关管提供过压过流保护。
所述的控制芯片为成本相对低廉的单片机。
所述的驱动模块，其输入为控制芯片输出的PWM，输出功率更大的PWM驱动开关管。
所述的光伏发电系统是两级式光伏并网发电系统。
所述的两级式光伏并网发电系统是双MPPT系统。
所述的双MPPT系统中光伏组件模块和Boost电路都采用变步长扰动观察法控制实现MPPT。
所述的双MPPT系统的Boost电路中电压电流采样周期比buck电路的电压和电流采样周期要长。
所述的开关管为MOSFET。
所述大采样周期和小采样周期，前者是后者几十倍到几百倍之间择优选择。
所述Boost输入端定电压控制，需要选择合适的输入端电压，其值小于光伏标准测试条件下最大功率点电压。
所述两级式光伏并网系统中，双MPPT模式下，在系统启动时buck电路晚启动1s左右。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
1、光伏阵列在光照均匀时所有光伏组件最大功率输出，buck电路PWM驱动驱动信号占空比很高，每个光伏组件模块工作在较大电压，buck电路效率很高。
2、光伏阵列在有局部阴影时能够实现所有光伏组件最大功率输出，利用每一块光伏组件的发电能力。受遮挡的光伏组件模块中buck电路的驱动PWM占空比小于未遮挡的光伏组件模块。具体小多少与光照强度相差多少相关。
3、相比一般光伏发电系统而言，该系统正常工作时间更长，受天气影响更小，所以系统相对更稳定。
附图说明
图1为两级式光伏并网发电系统示意图
图2为光伏组件模块结构
图3为光伏阵列结构
具体实施方式
下面结合附图详细解释一下本发明具体实施方式。
光伏发电系统是两级式光伏发电并网系统，如附图1所示。由以下几部分组成：光伏阵列、Boost、逆变器、滤波器以及电网。光伏组件模块输出端连接到Boost电路输入端，再连接到逆变器，逆变器输出端经滤波器接到电网。
所述的光伏阵列，是通过buck电路与光伏组件连接形成光伏组件模块光伏组件模块(如图2所示)，然后再利用光伏组件模块串并联组成光伏阵列，如图3所示。
所述光伏阵列是光伏组件带buck模块经串并联组成的阵列。每一块光伏组件模块是一个独立的运行体系。
所述buck电路既可以是传统buck电路(二极管续流)，也可以是同步buck(开关管续流)。
所述的光伏组件模块由如下几个模块组成：电源模块、buck电路、采样模块、控制芯片以及驱动电路和保护模块，如图2所示。
所述的光伏组件模块中的电源模块功能是从光伏组件取电，经电源模块后为控制芯片和驱动电路提供电源。这样就实现了光伏组件模块电源独立，无需辅助电源。
所述电源模块，其输入端连接光伏组件的输出端，为控制芯片和驱动电路提供电压。
所述控制芯片采用低成本的单片机即可。
所述采样是指光伏组件的输出电流采样和输出电压采样。
所述驱动模块是指，buck电路中的开关管驱动电路。
所述光伏组件模块控制方式为小采样周期变步长扰动观察法。
所述Boost电路部分既可以选择大采样周期变步长扰动观察法，也可以选择输入端定电压控制。
所述大采样周期和小采样周期，前者是后者几十倍到几百倍之间择优选择。
通过matlab/Simulink仿真软件，仿真验证了如下算例：以中电公司(CSUN)CSUN250-60P型号多晶光伏组件为参考建立光伏组件模型。在标准测试条件下最终模型的最大功率仿真结果为251.43W。光伏组件模块中buck电路二极管的导通正向压降为0.5V，开关管为Mosfet，导通电阻10mOhm，开关频率50kHz。将22个这样的光伏组件模块串联之后连接到Boost电路，再通过逆变器和滤波器单项并网。在21块标准光照(1000W/m2)、一块有遮挡阴影(500W/m2)的情况下，阵列与传统阵列的输出功率分别为：5360W和5250W，功率提升超过2％。

Claims (11)

1.一种任何光照条件下实现光伏组件最大功率跟踪的光伏并网发电系统，其特征在于包括光伏阵列，该光伏阵列的输出端依次经Boost电路、逆变器和滤波器与电网相连。
2.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的光伏阵列是由多个光伏组件模块串并联而成，该光伏组件模块包括由光伏组件和buck电路构成主电路和控制电路。
3.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的控制电路包含电源模块、采样模块、保护模块、驱动模块和控制芯片；所述的光伏组件的输出端分别与所述的电源模块的输入端、buck电路的第一输入端相连，所述电源模块的输出端连接所述的控制芯片；采样模块的输入为光伏输出电压采样、输出电流采样和开关管的电压电流采样，其输出端分别与所述的控制芯片和保护模块相连；保护模块的输入是开关管的电压和电流采样，其输出端连接到控制芯片；驱动模块输入端连接控制芯片输出口，输出端连接开关管的门极与源极。
4.根据权利要求3所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的电源模块为将光伏组件电压经降压后为控制芯片以及驱动电路提供电压；所述采样模块为光伏组件输出电压电流采样以及开关管的电压电流采样，所述的保护模块为开关管提供过压过流保护。
5.根据权利要求3所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的控制芯片为成本相对低廉的单片机。
6.根据权利要求3所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的驱动模块，其输入为控制芯片输出的PWM，输出功率更大的PWM驱动开关管。
7.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的光伏发电系统是两级式光伏并网发电系统。
8.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的两级式光伏并网发电系统是双MPPT系统。
9.根据权利要求8所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的双MPPT系统中光伏组件模块和Boost电路都采用变步长扰动观察法控制实现MPPT。
10.根据权利要求8所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的双MPPT系统的Boost电路中电压电流采样周期比buck电路的电压和电流采样周期要长。
11.根据权利要求3所述的光伏并网发电系统，其特征在于，所述的开关管为MOSFET。
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