CN105446414B - 光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法，属于光伏发电领域。光伏阵列拓扑包括一组光伏阵列基本单元，依次串联且以电压源的形式向外输出，其由光伏并联模块、滤波电路、电流型逆变器及CLC谐振电路串联而成；电压型整流器，连接第二PWM信号发生器。方法：采集一组光伏阵列基本单元的串联输出电压；通过电压型整流器将串联输出电压整流成直流；利用PWM整流电流控制技术，通过第二PWM信号发生器使电压型整流器的输入功率因数为1，使CLC谐振电路的负载为纯阻负载；调节电压型整流器交流侧的电流大小，使对应的光伏并联模块的工作电压近似为最佳电压，完成光伏阵列基本单元的最大功率输出。提高发电效率，简化最大功率跟踪算法。

Description

光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法。

背景技术

光伏发电具有无噪音、无污染、故障率低、维护简便等优点，是一种理想的可持续发展绿色能源，具有非常广阔的应用前景。光伏电池输出的I-V特性如图1所示，在其输出电压范围内主要表现为电流源特性，而在开路电压附近则近似变为电压源。受输出特性制约，光伏电池的输出功率具有非线性特点，如图2所示，只有在某一输出电压值即最佳输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，此时光伏电池的工作点就达到输出P-V曲线的最高点，即最大功率点。光伏电池始终工作在最大功率点，是提高光伏电池发电效率的必然要求。这一问题业内称之为最大功率点跟踪(英文全称为：Maximum Power PointTracking，英文简称：MPPT)。

请参阅图3，光伏阵列一般由一定数量的光伏组件串并联组合而成，并且在每一光伏组件的两端均并联有一个旁路二极管以避免热斑现象。当光伏阵列受到局部阴影遮挡时，其输出特性将变得复杂。以最简单的由两个光伏组件串联而成的支路为例，被遮挡的光伏组件产生的光生电流减少，由于串联电路中电流必须相等，因此将出现以下两种情况：1)受遮挡的光伏组件被二极管旁路，停止发电；2)受遮挡的光伏组件继续发电，支路中其他正常组件则降低输出电流以保持支路电流的一致性，此时光伏阵列的P-V曲线如图4所示，将出现两个峰值。显然，在这种情况下，传统的MPPT算法很容易陷入局部最优，必须采用更复杂的算法才能找到真正的最大功率点，并且串联组件越多，局部峰值点也越多，算法也越复杂。目前各种成熟的技术方法，仅仅着眼于在上述两种情况中选出最佳，而没有进一步考虑阴影遮挡给串联光伏电池所造成的功率损失。实际上，无论哪种情况，串联支路都要浪费相当一部分功率，这部分功率可能比通过MPPT算法而获得的功率提高值要大很多。如果能充分利用这部分功率，相信会对光伏产业的发展具有很好的推动作用。

分布式最大功率点跟踪(英文全称为：Distributed Maximum Power PointTracking,英文简称：DMPPT)是解决上述问题的一种方法，如图5所示，其基本思路是给每一块串联的光伏模块配备一个DC-DC转换器，通过调节占空比使光伏模块工作在最佳电压，同时，DC-DC转换器输出相同的电流。目前，国内外的研究基本都遵循这一思路。然而，该方法的缺点是每个串联的DC-DC转换器都需要单独控制，既要保证各DC-DC转换器输出相同的电流，又要保证每块光伏模块工作在最佳电压，控制比较复杂，尤其是在串联组件比较多的情况下。

实际上，局部阴影遮挡下的光伏组件的工作环境温度基本相同，仅光照量会因发生遮挡而各不相同，此时，光伏阵列中的各光伏组件具有如图6所示的输出特性。由图可见，尽管被阴影遮挡的光伏组件光生电流变化较大，但其最佳工作电压变化很小。根据这一特点，设想如果能通过某种变换，将光伏组件的输出电流变换成电压，则当发生局部阴影遮挡时，串联光伏组件输出电流的不同将转化为输出电压的不同，根据电路定律，仍然可以正常串联不需要采用二极管进行旁路；而且每个串联光伏组件的输出电压由串联支路电流决定，无需单独调节就自动相等。通过控制串联支路电流可以使支路中所有串联的光伏组件都近似工作在最佳电压附近。这样，光伏阵列中每一块光伏组件基本上都可以输出最大功率，达到分布式最大功率跟踪的目的，极大地提高发电效率。另外，由于谐振变换恰好可以进行电流源与电压源的互变，因此只要将光伏组件的直流输出逆变成某种谐振频率的交流输出，就可以实现上述设想。与目前通用的DMPPT方法相比，上述方案的控制对象只有串联支路电流一个变量，无需对每一块光伏组件进行单独调节，控制算法相对简单，而且可以借助目前比较成熟的PWM整流和PWM逆变的电流控制技术来完成。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的首要任务在于提供一种光伏阵列拓扑，能大幅提高光伏阵列的发电效率。

本发明的另一任务在于提供一种光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法，能简化最大功率跟踪控制算法。

为体现完成本发明的首要任务，本发明提供的技术方案是，一种光伏阵列拓扑，其特征在于包括一组光伏阵列基本单元，所述的一组光伏阵列基本单元依次串联且以电压源的形式向外输出，光伏阵列基本单元由光伏并联模块、滤波电路、电流型逆变器以及CLC谐振电路依次串联而成，所述的光伏并联模块由若干光伏组件并联构成，所述的电流型逆变器的输出频率等于CLC谐振电路的谐振频率，一组光伏阵列基本单元中的各电流型逆变器共同连接第一PWM信号发生器，采用同一个PWM调制信号进行调制；一电压型整流器，所述的电压型整流器连接第二PWM信号发生器，电压型整流器将一组光伏阵列基本单元的串联输出电压整流成直流，对蓄电池进行充电。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的电流型逆变器包括功率开关管VT1～VT4以及二极管D1～D4，功率开关管VT1的漏极和功率开关管VT3的漏极连接，并共同连接所述的滤波电路的一输出端，功率开关管VT1的源极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接功率开关管VT2的漏极，并共同连接所述的CLC谐振电路的一输入端，功率开关管VT2的源极连接二极管D2的正极，功率开关管VT3的源极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接功率开关管VT4的漏极，并共同连接CLC谐振电路的另一输入端，功率开关管VT4的源极连接二极管D4的正极，二极管D2的负极和二极管D4的负极连接，并共同连接滤波电路的另一输出端，功率开关管VT1的栅极、功率开关管VT2的栅极、功率开关管VT3的栅极以及功率开关管VT4的栅极共同连接所述的第一PWM信号发生器。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的电压型整流器包括功率开关管VT5～VT8以及二极管D5～D8，功率开关管VT5的漏极与二极管D5的负极、功率开关管VT7的漏极以及二极管D7的负极连接，并共同连接所述的蓄电池的正极端；功率开关管VT6的源极与二极管D6的正极、功率开关管VT8的源极以及二极管D8的正极连接，并共同连接所述的蓄电池的负极端；功率开关管VT5的源极与二极管D5的正极、功率开关管V6的漏极以及二极管D6的负极连接，并共同通过一电感L3连接所述的一组光伏阵列基本单元的一输出端；功率开关管VT7的源极与二极管D7的正极、功率开关管VT8的漏极以及二极管D8的负极连接，并共同连接一组光伏阵列基本单元的另一输出端；功率开关管VT5的栅极、功率开关管VT6的栅极、功率开关管VT7的栅极以及功率开关管VT8的栅极分别连接所述的第二PWM信号发生器的四个控制信号输出端。

为体现完成本发明的另一任务，本发明提供的技术方案是，一种光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法，其特征在于包括如下步骤：

S1)采集一组光伏阵列基本单元的串联输出电压；

S2)通过电压型整流器将步骤S1)中的串联输出电压整流成直流；

S3)利用PWM整流电流控制技术，通过第二PWM信号发生器使电压型整流器的输入功率因数为1，同时使CLC谐振电路的负载为纯阻负载；

S4)调节电压型整流器交流侧的电流大小，使与之对应的光伏并联模块的工作电压近似为最佳电压，完成光伏阵列基本单元的最大功率输出，对蓄电池进行充电。

本发明由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：被局部阴影遮挡的光伏阵列基本单元不会被旁路，可以继续发出最大电力，提高光伏阵列的发电效率；消除功率曲线的“多峰”现象，简化最大功率跟踪算法(MPPT)；通过控制电流一个变量即可实现一组光伏阵列基本单元的最大功率跟踪。

附图说明

图1为光伏电池的I-V特性示意图。

图2为光伏电池的P-V特性示意图。

图3为光伏阵列的结构示意图。

图4为串联连接的两个光伏组件在受到局部阴影遮挡时的P-V特性示意图。

图5为现有分布式最大功率点跟踪方法的结构示意图。

图6为不同光照下的光伏电池输出特性示意图。

图7为本发明的原理框图。

图8为本发明所述的滤波电路的电原理图。

图9为本发明所述的电流型逆变器的电原理图。

图10为本发明所述的CLC谐振电路的电原理图。

图11为本发明所述的电压型整流器的电原理图。

图12为本发明所述的电压型整流器的电流控制示意图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图7，一种光伏阵列拓扑，包括一组光伏阵列基本单元，所述的一组光伏阵列基本单元依次串联且以电压源的形式向外输出，光伏阵列基本单元由光伏并联模块、滤波电路、电流型逆变器以及CLC谐振电路依次串联而成，所述的光伏并联模块由若干光伏组件并联构成，所述的电流型逆变器的输出频率等于CLC谐振电路的谐振频率，一组光伏阵列基本单元中的各电流型逆变器共同连接第一PWM信号发生器，采用同一个PWM调制信号进行调制；一电压型整流器，所述的电压型整流器与一组光伏阵列基本单元的输出端连接，同时还连接第二PWM信号发生器以及蓄电池，电压型整流器将一组光伏阵列基本单元的串联输出电压整流成直流，对蓄电池进行充电。

请参阅图8，所述的滤波电路为LC低通滤波电路，包括电容C1和电感L1，电容C1的两端作为滤波电路的两输入端a、b连接所述的光伏并联模块，电容C1的对应输入端a的一端连接电感L1的一端，电感L1的另一端以及电容C1的对应输入端b的一端构成滤波电路的两输出端c、d，用于连接所述的电流型逆变器。该滤波电路的作用在于，过滤电流型逆变器输入端的脉动电压，使光伏并联模块输出的电压变得平直。

请参阅图9，所述的电流型逆变器，包括功率开关管VT1～VT4以及二极管D1～D4。功率开关管VT1的漏极和功率开关管VT3的漏极连接，并作为一输入端e连接所述的滤波电路的一输出端c，功率开关管VT1的源极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接功率开关管VT2的漏极，并作为一输出端g连接所述的CLC谐振电路，功率开关管VT2的源极连接二极管D2的正极，功率开关管VT3的源极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接功率开关管VT4的漏极，并作为另一输出端h连接CLC谐振电路，功率开关管VT4的源极连接二极管D4的正极，二极管D2的负极和二极管D4的负极连接，并作为另一输入端f连接滤波电路的另一输出端d，功率开关管VT1的栅极、功率开关管VT2的栅极、功率开关管VT3的栅极以及功率开关管VT4的栅极分别构成驱动信号输入端u_g1、u_g2、u_g3、u_g4，连接所述的第一PWM信号发生器，所述的第一PWM信号发生器向驱动信号输入端u_g1、u_g2、u_g3、u_g4提供PWM调制信号，用作控制功率开关管VT1～VT4通断的开关信号。在本光伏阵列拓扑中，所述的一组光伏阵列基本单元的各电流型逆变器共同连接第一PWM信号发生器，采用同一个PWM调制信号进行调制。

请参阅图10，所述的CLC谐振电路包括电容C2、C3以及电感L2，在本实施例中，所述的电容C2和电容C3的容量相等。电容C2的一端作为CLC谐振电路的一输入端i连接所述的电流型逆变器的一输出端g，电容C2的另一端连接电感L2的一端以及电容C3的一端，电感L2的另一端作为CLC谐振电路的另一输入端j连接电流型逆变器的另一输出端h，电容C3的另一端以及电感L2的另一端构成CLC谐振电路的两输出端k、l，用于输出交流电压。在本发明中，一组光伏阵列基本单元依次串联，处于首尾的两光伏阵列基本单元配合引出两输出端，连接所述的电压型整流器。

请参阅图11，所述的电压型整流器包括功率开关管VT5～VT8、二极管D5～D8以及电感L3。功率开关管VT5的漏极与二极管D5的负极、功率开关管VT7的漏极以及二极管D7的负极连接，并共同作为一输出端q连接所述的蓄电池的正极端；功率开关管VT6的源极与二极管D6的正极、功率开关管VT8的源极以及二极管D8的正极连接，并共同作为另一输出端r连接蓄电池的负极端；功率开关管VT5的源极与二极管D5的正极、功率开关管VT6的漏极以及二极管D6的负极连接，并共同作为一输入端z连接所述的电感L3的一端，电感L3的另一端o连接至一组光伏阵列基本单元的一输出端；功率开关管VT7的源极与二极管D7的正极、功率开关管VT8的漏极以及二极管D8的负极连接，并共同作为另一输入端p，连接一组光伏阵列基本单元的另一输出端；功率开关管VT5的栅极、功率开关管VT6的栅极、功率开关管VT7的栅极以及功率开关管VT8的栅极分别构成驱动信号输入端u_g5、u_g6、u_g7、u_g8，对应连接所述的第二PWM信号发生器的四个控制信号输出端，所述的第二PWM信号发生器向驱动信号输入端u_g5、u_g6、u_g7、u_g8提供PWM调制信号，用作控制功率开关管VT5～VT8通断的开关信号。所述的第一PWM信号发生器和第二PWM信号发生器均采用常规电路，此处省略具体赘述。

请继续参阅图7、图8及图10，在一光伏阵列基本单元中，所述的电流型逆变器按照PWM调制方式进行调节，假设第一PWM信号发生器的调制频率为f，CLC谐振电路的谐振频率为f₀，又假设电容C2、电容C3的电容量均为C，电感L2的电感量为L。由于电流型逆变器的输出频率等于CLC谐振电路的谐振频率，因此，所述的电流型逆变器将光伏阵列基本单元输出的直流电流调制成频率为f的交流电流，此电流作为CLC谐振电路的输入。所述的CLC谐振电路在输入信号的频率等于谐振频率的条件下，即f＝f₀时，发生谐振。根据谐振变换原理，当CLC谐振电路在谐振时，有：其中u₁是CLC谐振电路的正弦交流输入电压的幅值，u₁₂是CLC谐振电路的正弦交流输出电压的幅值，i₁、i₂分别为相应正弦交流电流的幅值。i₁由光伏并联模块的输出电流I_ph逆变而来，大小正比于I_ph，由此使得u₁₂也正比于I_ph，这样就实现了将电流源型的光伏输出转换成电压源输出。i₂为CLC谐振电路输出的负载电流。光伏并联模块的输出电压设为U_ph，并且正比于u₁，而u₁正比于负载电流i₂，因此U_ph也正比于i₂，这样只要控制负载电流i₂，就能控制光伏并联模块的输出电压，使光伏并联模块工作在最大功率输出状态。所述的第一PWM信号发生器仅用于实现将光伏并联模块输出的直流电流转换为接近正弦波的交流电流，除此以外不参与其他控制，因此，其调制系数可固定为最大值，即等于1，借此以获得最大交流电流。

假设一组光伏阵列基本单元的数量为n，所述的n个光伏阵列基本单元依次串联，且共同由第一PWM信号发生器提供同一个PWM调制信号进行调制，以保持n个光伏阵列基本单元的输出电压相位相同，这样有利于实现光伏阵列基本单元之间的相互串联。n个光伏阵列基本单元的输出总电压u₂＝u₁₂+u₂₂+...+u_n2，其中，u_n2为第n个光伏阵列基本单元中的CLC谐振电路的正弦交流输出电压的幅值；经电压型整流器整流后得到的总电流为I_d。u₂的相位与每个光伏阵列基本单元输出电压的相位相同。由于n个光伏阵列基本单元采用串联方式连接，因此输出电流相同，都等于上述负载电流i₂。又由于每个光伏阵列基本单元的光伏并联模块的输出电压都正比于i₂，因此每个光伏并联模块的输出电压都自动相等。只要控制负载电流i₂这一个变量，就可以同时调节每个光伏阵列基本单元的输出电压，使它们工作在最佳电压附近，输出最大功率。

当某些光伏阵列基本单元发生局部阴影遮挡时，该光伏阵列基本单元的光伏并联模块的输出电流I_ph减小，从而使光伏阵列基本单元的输出电压减小。由于采用了串联联接，电压减小不会影响电路的正常工作，因此被遮挡的光伏阵列基本单元不需被旁路，未被遮挡的光伏阵列基本单元也不需降低输出电流。这样，较之目前现有的电路拓扑结构，可以提高发电效率，实现分布式最大功率跟踪(DMPPT)。

一种光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法，其特征在于包括如下步骤：

S1)采集一组光伏阵列基本单元的串联输出电压u₂；

S2)通过电压型整流器将步骤S1)中的串联输出电压u₂整流成直流；

S3)利用PWM整流电流控制技术，通过第二PWM信号发生器使电压型整流器的输入功率因数为1，同时使CLC谐振电路的负载为纯阻负载，这样谐振网络的输出功率全部为有用功率，所述的PWM整流电流控制技术如图12所示；

S4)调节电压型整流器交流侧的电流大小，即负载电流i₂，使与之对应的光伏并联模块的工作电压U_ph近似为最佳电压，完成光伏阵列基本单元的最大功率输出，对蓄电池进行充电。

请参阅图12，所述的负载电流i₂的控制采用电流滞环跟踪控制算法，通过该算法使负载电流i₂和光伏阵列基本单元的输出总电压u₂同步，实现功率因数等于1的控制。图上的电流给定值I_g则通过最大功率跟踪算法确定。通过上述两种控制算法的结合，光伏阵列基本单元在输出最大功率的同时，又能将这些功率通过电压型整流器全部转换成有功功率并存储到蓄电池中，从而极大地提高该光伏阵列拓扑的发电效率。

Claims (3)

1.一种光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法，所述的光伏阵列拓扑包括一组光伏阵列基本单元，所述的一组光伏阵列基本单元依次串联且以电压源的形式向外输出，光伏阵列基本单元由光伏并联模块、滤波电路、电流型逆变器以及CLC谐振电路依次串联而成，所述的光伏并联模块由若干光伏组件并联构成，所述的电流型逆变器的输出频率等于CLC谐振电路的谐振频率，一组光伏阵列基本单元中的各电流型逆变器共同连接第一PWM信号发生器，采用同一个PWM调制信号进行调制；一电压型整流器，所述的电压型整流器连接第二PWM信号发生器，电压型整流器将一组光伏阵列基本单元的串联输出电压整流成直流，对蓄电池进行充电，其特征在于包括如下步骤：

S1)采集一组光伏阵列基本单元的串联输出电压；

S2)通过电压型整流器将步骤S1)中的串联输出电压整流成直流；

S3)利用PWM整流电流控制技术，通过第二PWM信号发生器使电压型整流器的输入功率因数为1，同时使CLC谐振电路的负载为纯阻负载；

S4)调节电压型整流器交流侧的电流大小，使与之对应的光伏并联模块的工作电压近似为最佳电压，完成光伏阵列基本单元的最大功率输出，对蓄电池进行充电。

2.根据权利要求1所述的光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法，其特征在于所述的电流型逆变器包括功率开关管VT1～VT4以及二极管D1～D4，功率开关管VT1的漏极和功率开关管VT3的漏极连接，并共同连接所述的滤波电路的一输出端，功率开关管VT1的源极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接功率开关管VT2的漏极，并共同连接所述的CLC谐振电路的一输入端，功率开关管VT2的源极连接二极管D2的正极，功率开关管VT3的源极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接功率开关管VT4的漏极，并共同连接CLC谐振电路的另一输入端，功率开关管VT4的源极连接二极管D4的正极，二极管D2的负极和二极管D4的负极连接，并共同连接滤波电路的另一输出端，功率开关管VT1的栅极、功率开关管VT2的栅极、功率开关管VT3的栅极以及功率开关管VT4的栅极共同连接所述的第一PWM信号发生器。

3.根据权利要求1所述的光伏阵列拓扑的最大功率跟踪控制方法，其特征在于所述的电压型整流器包括功率开关管VT5～VT8、二极管D5～D8以及电感L3，功率开关管VT5的漏极与二极管D5的负极、功率开关管VT7的漏极以及二极管D7的负极连接，并共同连接所述的蓄电池的正极端；功率开关管VT6的源极与二极管D6的正极、功率开关管VT8的源极以及二极管D8的正极连接，并共同连接所述的蓄电池的负极端；功率开关管VT5的源极与二极管D5的正极、功率开关管V6的漏极以及二极管D6的负极连接，并共同通过电感L3连接所述的一组光伏阵列基本单元的一输出端；功率开关管VT7的源极与二极管D7的正极、功率开关管VT8的漏极以及二极管D8的负极连接，并共同连接一组光伏阵列基本单元的另一输出端；功率开关管VT5的栅极、功率开关管VT6的栅极、功率开关管VT7的栅极以及功率开关管VT8的栅极分别连接所述的第二PWM信号发生器。