CN106200753A - 基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统及方法。所提出的集成控制方案可以保证无论在什么光照条件下，使用最少数目的无源器件、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，该集成控制方案仅用一组无源器件、一个电流传感器、两个电压传感器和一个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，极大地提高了光伏优化器的集成度。

Description

基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统及方法
【技术领域】
本发明属于太阳能光伏发电领域，特别涉及一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制方案。
【背景技术】
基于分布式最大功率跟踪(Distributed Maximum Power Point Tracking，DMPPT)的光伏系统能够解决光伏板间由于阴影遮挡、污点、热梯度、倾斜等因素造成的失配问题，使得所有光伏板都能工作在各自的最大功率点。
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，导致基于光伏板的DMPPT光伏系统的功率输出也会大大降低。
【发明内容】
本发明提供了一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统及方法，以减小基于光伏子模块的DMPPT光伏系统的体积和成本。
本发明采用以下技术方案：
一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统，包括光伏板、开关组和MPPT控制芯片，所述光伏板由三个光伏子模块串联组成，每个光伏子模块连接一个开关组,每个开关组由一个二极管和一个MOSFET开关组成。三个开关组的输出端串联，总的输出端接一组电感电容L，C滤波,其中，电容C的电压由后级的微型逆变器进行控制；两个电压传感器和一个电流传感器分别采样光伏子模块1和光伏子模块2的输出电压Vo1，Vo2以及集成化光伏板的总输出电流Io，作为MPPT控制芯片的输入信号，并最终输出三个PWM信号D1，D2，D3分别控制对应开关组的开关。
进一步，在任一时刻，所述光伏板的输出电压是常数。
一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制方法，采样光伏子模块1和光伏子模块2的输出电压Vo1，Vo2以及集成化光伏板的总输出电流Io，将其作为MPPT控制芯片的输入信号，MPPT控制芯片最终输出三个PWM信号D1，D2，D3分别控制对应开关组的开关。
进一步，所述每个光伏子模块的控制方法为：根据当前光伏子模块的电压参考值和其输出功率的变化，采用扰动观测法，得到下一时刻该光伏子模块的电压扰动方向，并得到下一步的电压参考值；在下一时刻，首先根据Di＝Vo,i/Vref计算该光伏子模块的目标占空比，然后由MPPT控制芯片生成具有该目标占空比的PWM信号，依据该PWM信号控制对应开关组的开关，使其工作在期望的电压参考值。
进一步，三个光伏子模块的输出功率的计算方法为：首先根据光伏子模块1和光伏子模块2的输出电压Vo1，Vo2计算其实时的周期平均值然后计算光伏子模块3的实时的周期平均值最后结合检测到的集成化光伏板的总输出电流Io计算三个光伏子模块的输出功率。
进一步，所述光伏子模块3的实时的周期平均值的计算方法为：
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单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统及方法。保证无论在什么光照条件下，使用最少数目的无源器件、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，该集成控制方案仅用一组无源器件、一个电流传感器、两个电压传感器和一个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，极大地提高了光伏优化器的集成度。
【附图说明】
图1为所提出的基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制方案。
【具体实施方式】
本发明将DMPPT的概念进一步延伸到光伏子模块级别，提出基于光伏子模块的DMPPT光伏系统。相比基于光伏板的DMPPT光伏系统，基于光伏子模块的DMPPT系统可以允许所有光伏子模块在失配条件下工作在各自的最大功率点。由于每个光伏子模块都需要一组DC-DC变换器、MPPT控制芯片和电压电流传感器，基于光伏子模块的DMPPT光伏系统的成本要远远高于基于光伏板的DMPPT光伏系统。为了降低设备成倍增加带来的成本，本发明提出一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制方案。相比基于光伏子模块的DMPPT光伏系统，该集成控制方案所需要的无源器件、MPPT控制芯片和电压电流传感器的数量都大大降低。
本发明基于分布式光伏发电系统，提出了一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统及方法，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。
(一)系统结构
基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统的拓扑结构图如图1所示。由于一般的商用光伏板由三个光伏子模块串联组成，本发明提出的集成方案包括三个光伏子模块。每个光伏子模块连接一个开关组。这样的三个开关组的输出端串联，总的输出端接一组电感电容L，C滤波。电容C的电压由后级的微型逆变器进行控制。两个电压传感器和一个电流传感器分别采样光伏子模块1和光伏子模块2的输出电压Vo1，Vo2和集成化光伏板的总输出电流Io，作为唯一的MPPT控制芯片的输入信号，并最终输出三个PWM信号D1，D2，D3分别控制三个开关。
(二)信号采集及分时控制策略
在本发明基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制方案中存在一快一慢两个控制环。在较慢的控制环中，中央微型逆变器应用扰动观测(Perturb and Observe，P&O)法不断更新集成化光伏板的输出电压Vo。而在较快的控制环中，三组开关组以更高的频率迭代，追踪各个光伏子模块在此Vo下的最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。由于开关组工作在很高的频率，其时间常数要远远小于中央逆变器的时间常数。因此，在任一时刻，光伏板的输出电压Vo可以被视为常数已知。
由图1的电路结构可知，Vo1，Vo2均为频率等于开关频率的矩形波，需要求出它们实时的周期平均值已知Vo1，Vo2的平均值，即可求出结合检测得到的Io，三个光伏子模块的输出功率可由下式计算：
P p v 1 = V o 1 ‾ × I o , P p v 2 = V o 2 ‾ × I o , P p v 3 = V o 3 ‾ × I o
为了使扰动观测法能够正常工作，还需要给三个光伏子模块设定初始的电压参考值Vref1，Vref2和Vref3.
唯一的MPPT控制单元在周期性使能信号的控制下，轮流对各个光伏子模块做最大功率跟踪。根据当前子模块i的电压参考值Vref,i和其输出功率Ppv,i的变化应用扰动观测法，决定下一步的电压扰动方向，从而计算出下一时刻的电压参考值Vref,i。在下一时刻，根据该时刻的电压参考值和光伏板的输出电压计算该时刻的目标占空比：Di＝Vo,i/Vref，然后由MPPT控制单元生成具有此占空比的PWM信号控制相应的开关，以使相应的光伏子模块能工作在期望的电压参考值。

Claims (6)

1.一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统，其特征在于：包括光伏板、开关组和MPPT控制芯片，所述光伏板由三个光伏子模块串联组成，每个光伏子模块连接一个开关组,每个开关组由一个二极管和一个MOSFET开关组成；三个开关组的输出端串联，总的输出端接一组电感电容L，C滤波,其中，电容C的电压由后级的微型逆变器进行控制；两个电压传感器和一个电流传感器分别采样光伏子模块1和光伏子模块2的输出电压Vo1，Vo2以及集成化光伏板的总输出电流Io，作为MPPT控制芯片的输入信号，并最终输出三个PWM信号D1，D2，D3分别控制对应开关组的开关。
2.根据权利要求1所述的一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统，其特征在于：在任一时刻，所述光伏板的输出电压是常数。
3.一种权利要求1所述的基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统的控制方法，其特征在于：采样光伏子模块1和光伏子模块2的输出电压Vo1，Vo2以及集成化光伏板的总输出电流Io，将其作为MPPT控制芯片的输入信号，MPPT控制芯片最终输出三个PWM信号D1，D2，D3分别控制对应开关组的开关。
4.根据权利要求3所述的一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制方法，其特征在于：所述每个光伏子模块的控制方法为：根据当前光伏子模块的电压参考值和其输出功率的变化，采用扰动观测法，得到下一时刻该光伏子模块的电压扰动方向，并得到下一步的电压参考值；在下一时刻，首先根据Di＝Vo,i/Vref计算该光伏子模块的目标占空比，然后由MPPT控制芯片生成具有该目标占空比的PWM信号，依据该PWM信号控制对应开关组的开关，使其工作在期望的电压参考值。
5.根据权利要求4所述的基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统的控制方法，其特征在于：三个光伏子模块的输出功率的计算方法为：首先根据光伏子模块1和光伏子模块2的输出电压Vo1，Vo2计算其实时的周期平均值然后计算光伏子模块3的实时的周期平均值最后结合检测到的集成化光伏板的总输出电流Io计算三个光伏子模块的输出功率。
6.根据权利要求5所述的一种基于单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制方法，其特征在于：所述光伏子模块3的实时的周期平均值的计算方法为：
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