CN106452344B - 一种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

一种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传感器-单电感结构的分布式最大功率跟踪集成控制系统及方法。
【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。
因此我们将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传感器-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。
【发明内容】
本发明基于分布式光伏发电系统，提出了一种基于单传感器-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。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种分布式最大功率跟踪集成控制系统，多个光伏子模块，每个光伏子模块连接一个不带电感的Buck变换器，多个Buck变换器的输出端串联，串联在一起的Buck变换器的输出端接一组电感电容滤波；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，MPPT最终输出三个PWM信号D1，D2，D3分别控制三个开关。
在任一时刻，所述光伏板的输出电压Vo为常数。
一种分布式最大功率跟踪集成控制系统的方法，采样集成化光伏板的总输出电流Io，将其作为唯一的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。
该方法包括一快一慢两个控制环，在较慢的控制环中，应用扰动观测法不断更新集成化光伏板的输出电压Vo，在较快的控制环中，多组Buck变换器以更高的频率迭代，追踪各个光伏子模块在此Vo下的最大功率点。
唯一的MPPT控制芯片在周期性使能信号的控制下，轮流采用扰动光伏子模块电流的扰动观测法对各个光伏子模块做最大功率跟踪。
采用扰动光伏子模块电流的扰动观测法对各个光伏子模块做最大功率跟踪的具体方法为：根据集成化光伏板的总输出电流Io和当前子模块i的参考电流Iref,i的变化决定下一步的电流扰动方向，据此计算下一时刻的参考电流Iref,i值；在下一时刻，首先根据公式Di＝Iref,i/Io计算该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流参考值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：传统的扰动观测法是根据光伏子模块的功率-电压曲线，对光伏子模块的电压进行扰动。而光伏子模块的功率-电压曲线和功率-电流曲线具有相似的形状，故此本发明采用扰动光伏子模块电流的扰动观测法，以减少电压传感器的使用。
本发明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为本发明的系统结构示意图。
【具体实施方式】
本发明提出的系统包括三个光伏子模块。每个光伏子模块连接一个不带电感的Buck变换器。这样的三个Buck变换器的输出端串联，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。一个电流传感器采样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。
以下针对系统结构和方法做详细说明：
(一)系统结构
本发明的结构图如图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不带电感的Buck变换器。这样的三个Buck变换器的输出端串联，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。一个电流传感器采样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
在这个基于单传感器-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 andObserve，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Buck变换器以更高的频率迭代，追踪各个光伏子模块在此Vo下的最大功率点(Maximum PowerPoint，MPP)。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。那么，在任一时刻，光伏板的输出电压Vo可以被视为常数已知。
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。传统的扰动观测法是根据光伏子模块的功率-电压曲线，对光伏子模块的电压进行扰动。因为光伏子模块的功率-电压曲线和功率-电流曲线具有相似的形状，故此发明采用扰动光伏子模块电流的扰动观测法，以减少电压传感器的使用。由上述可知，光伏板的输出电压Vo可以被视为常数，所以总输出电流Io的变化即代表着总输出功率Po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的光伏子模块i的功率变化。根据Io和当前子模块i的Iref,i的变化应用扰动观测法，决定下一步的电流扰动方向，从而计算出下一时刻的Iref,i值。下一时刻的目标占空比可由Di＝Iref,i/Io计算得到，并由MPPT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流参考值。

Claims (6)

1.一种分布式最大功率跟踪集成控制系统，其特征在于：多个光伏子模块，每个光伏子模块连接一个不带电感的Buck变换器，多个Buck变换器的输出端串联，串联在一起的Buck变换器的输出端接一组电感电容滤波；分布式最大功率跟踪集成控制系统的总输出电流Io作为唯一的MPPT控制芯片的输入信号，MPPT控制芯片最终输出多个PWM信号D1，D2，D3分别控制多个开关，所述PWM信号的数量与Buck变换器以及光伏子模块的数量相同。
2.根据权利要求1所述的一种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Vo为常数。
3.一种基于权利要求1所述的分布式最大功率跟踪集成控制系统的方法，其特征在于：采样集成化光伏板的总输出电流Io，将其作为唯一的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所述的一种分布式最大功率跟踪集成控制方法，其特征在于：该方法包括一快一慢两个控制环，在较慢的控制环中，应用扰动观测法不断更新集成化光伏板的输出电压Vo，在较快的控制环中，多组Buck变换器以更高的频率迭代，追踪各个光伏子模块在此Vo下的最大功率点。
5.根据权利要求3所述的一种分布式最大功率跟踪集成控制方法，其特征在于：唯一的MPPT控制芯片在周期性使能信号的控制下，轮流采用扰动光伏子模块电流的扰动观测法对各个光伏子模块做最大功率跟踪。
6.根据权利要求3所述的一种分布式最大功率跟踪集成控制方法，其特征在于：采用扰动光伏子模块电流的扰动观测法对各个光伏子模块做最大功率跟踪的具体方法为：根据集成化光伏板的总输出电流Io和当前子模块i的参考电流Iref,i的变化决定下一步的电流扰动方向，据此计算下一时刻的参考电流Iref,i值；在下一时刻，首先根据公式Di＝Iref,i/Io计算该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流参考值。
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