CN112187168B - 适合光伏组件串联系统的mppt控制器 - Google Patents

适合光伏组件串联系统的mppt控制器 Download PDF

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Abstract

一种适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，包括电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器和子控制器1至子控制器3。为应对无阴影、静态阴影和动态阴影等工况，所述控制器会先寻找光伏组件串联系统输出V‑I曲线与串联MPP曲线族的交点，再从各交点中挑选出最佳交点(即具有最大功率的交点)，最后在最佳交点的基础上找到光伏组件串联系统的全局最大功率点MPPg。本发明具有准确而快速的全局最大功率点跟踪能力。

Description

适合光伏组件串联系统的MPPT控制器
技术领域
本发明涉及一种最大功率点跟踪(MPPT)控制器，尤其是一种适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，在无阴影、静态阴影和动态阴影条件下均具有全局最大功率点跟踪的能力。
背景技术
当采用串联形式时，光伏组件可实现扩压。当遮阴情况不同时，同一个光伏组件串联系统的最大功率点会呈现出不同的分布情况。即，无阴影、静态阴影和动态阴影条件下光伏组件串联系统的最大功率点是不同的。而且，在静态和动态阴影条件下，光伏组件串联系统的输出P-I(即功率-电流)曲线呈现出多峰值，光伏组件串联系统的输出V-I(即电压-电流)曲线呈现出多单调区域，局部最大功率点的存在会增加对全局最大功率点跟踪的难度。
为了最大可能地获取光伏组件串联系统的电能，现有的MPPT控制方法包括扰动观察法、电导增量法、模拟退火法、大数据统计算法等。其中，扰动观察法和电导增量法容易陷入局部最大功率点而偏离全局最大功率点；而模拟退火法和大数据统计法则无法百分百地锁定全局最大功率点，存在找到次大功率点的可能性。
为了提高准确性同时实现快速性，MPPT控制方法还需要进一步改进。
发明内容
为克服现有MPPT控制方法易陷入局部最大功率点或存在找到次大功率点可能性的缺陷，本发明提出一种适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，可协助DC/DC变换器快速而准确地锁定光伏组件串联系统的全局最大功率点，尽最大能力地将光伏组件串联系统的电能传送至直流母线供负载使用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，包括电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器和子控制器1至子控制器3；
所述电流/电压检测和处理模块检测光伏组件串联系统的输出电流iin和输出电压vin，并将它们转换成数字信号Iin(k)和Vin(k)，k为整数；
所述串联MPP曲线族寄存器内部存储有n个光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)，n为光伏组件串联系统中光伏组件的个数，Iin为函数输入变量，Vref1至Vrefn为函数输出变量，fref()为包含不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP信息的函数，所述n个光伏组件串联MPP曲线函数与n条光伏组件串联MPP曲线对应，所述n条光伏组件串联MPP曲线与光伏组件串联系统输出V-I曲线存在n个交点，分别为Cross1至Crossn；
所述交点寄存器内部存储有n个交点Cross1至Crossn的电流值Iin_Cross1至Iin_Crossn和电压值Vin_Cross1至Vin_Crossn；
所述MPPg寄存器内部存储有全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg，还存储有与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作状态，例如：开关频率f_MPPg、占空比D_MPPg、导通时间、关断时间、电流参考值及滞环宽度等；
所述电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器、子控制器1至子控制器3之间存在信息交互；
为应对无阴影、静态阴影和动态阴影等多种工况，所述子控制器1至子控制器3按顺序分时工作输出控制信号vdriving，周而复始；子控制器1采用光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)产生电压参考值，通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到交点Cross1至Crossn，即使得光伏组件串联系统运行于交点Cross1至Crossn，当光伏组件串联系统运行于交点Crossj时，Iin(k)＝Iin_Crossj，Vin(k)＝Vin_Crossj，j的取值范围是1至n；子控制器2在交点Cross1至Crossn的基础上通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到全局最大功率点MPPg，即使得光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg，当光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg时，Iin(k)＝Iin_MPPg，Vin(k)＝Vin_MPPg；子控制器3监测全局最大功率点MPPg是否发生变化，若全局最大功率点MPPg发生变化，即Iin(k)≠Iin_MPPg或者Vin(k)≠Vin_MPPg或者Iin(k)×Vin(k)≠Iin_MPPg×Vin_MPPg，则再次调用子控制器1至子控制器3找到全局最大功率点MPPg，否则，维持DC/DC变换器中电子开关的工作状态，即保持光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg。
本发明的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器检测光伏组件串联系统的输出电流iin和输出电压vin，输出控制信号vdriving，通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态，使得光伏组件串联系统最终运行于全局最大功率点MPPg。
进一步，关于适合光伏组件串联系统的MPPT控制器的第一种优选方案，所述fref()为不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数，或者是叠加电压或电流边界条件的不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数，叠加电压或电流边界条件可加快找到交点的速度，拟合函数包括指数函数、多项式函数、折线函数等；电压边界条件包括0≤Vref1≤Voc，电流边界条件包括0≤Iin≤Isc，Voc和Isc为最大光照条件下单个光伏组件的开路电压和短路电流。
关于适合光伏组件串联系统的MPPT控制器的第二种优选方案，所述电流/电压检测和处理模块包括电流检测电路、电压检测电路和模数转换电路，所述电流检测电路检测光伏组件串联系统的输出电流iin，所述电压检测电路检测光伏组件串联系统的输出电压vin，所述模数转换电路分别将电流检测电路和电压检测电路的模拟检测结果转换成原始的数字信号iin(k)和vin(k)。
优选地，所述电流/电压检测和处理模块还包括平均值计算器或数字滤波器，所述平均值计算器采用平均算法得到原始数字信号iin(k)和vin(k)的平均值，即数字信号Iin(k)和Vin(k)，所述平均算法可采用算式
Figure BDA0002703715300000041
和
Figure BDA0002703715300000042
或者
Figure BDA0002703715300000043
和
Figure BDA0002703715300000044
m为正整数；也可以采用数字滤波器将原始数字信号iin(k)和vin(k)滤波处理成数字信号Iin(k)和Vin(k)，所述数字滤波器可以是低通数字滤波器或带通数字滤波器。所述平均值计算器和数字滤波器作用都是降低原始数字信号的噪声。
关于适合光伏组件串联系统的MPPT控制器的第三种优选方案，所述子控制器1包括函数运算器、交点判断器、参考电流发生器1和滞回比较器1，所述函数运算器从串联MPP曲线族寄存器处提取光伏组件串联MPP曲线函数Vrefj＝j×fref(Iin)，令函数输入变量Iin等于数字信号Iin(k)，求出函数输出变量Vrefj，令电压参考值Vrefj(k)等于函数输出变量Vrefj，j的取值范围是1至n；
所述交点判断器比较电压参考值Vrefj(k)和数字信号Vin(k)的大小，若数字信号Vin(k)和电压参考值Vrefj(k)的差值ΔV的绝对值小于允许误差，则判断“找到了交点Crossj”，并将对应的Iin(k)和Vin(k)作为交点Crossj的电流值Iin_Crossj和电压值Vin_Crossj存入交点寄存器中，同时令参考电流发生器1保持电流参考值iref1不变，使得光伏组件串联系统运行于交点Crossj；否则，判断“未找到交点Crossj”，令参考电流发生器1根据数字信号Vin(k)和电压参考值Vrefj(k)的差值ΔV调节电流参考值iref1，若差值ΔV>0，则增大电流参考值iref1，否则，减小电流参考值iref1；
所述滞回比较器1比较电流参考值iref1和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref1+Δiref1，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref1-Δiref1，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，Δiref1为滞回比较器1的滞环宽度；
当所述子控制器1工作时，函数运算器从所述串联MPP曲线族寄存器处按顺序或逆序依次提取光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)。
采用滞回比较器，可实现快速的交点寻找过程。
关于适合光伏组件串联系统的MPPT控制器的第四种优选方案，所述子控制器2包括最佳交点定位器、MPPg判断器、频率计、参考电流发生器2和滞回比较器2，所述最佳交点定位器和MPPg判断器按顺序分时工作，最佳交点定位器从交点Cross1至Crossn中找出与MAX(Iin_Cross1×Vin_Cross1,…,Iin_Crossn×Vin_Crossn)对应的交点，即最佳交点，MAX()为最大值函数，MPPg判断器在最佳交点的基础上找到全局最大功率点MPPg；
当所述最佳交点定位器工作时，最佳交点定位器从交点寄存器处提取交点Cross1至Crossn的电流值Iin_Cross1至Iin_Crossn和电压值Vin_Cross1至Vin_Crossn，通过计算找出最佳交点，同时令参考电流发生器2输出的电流参考值iref2等于最佳交点的电流值，滞回比较器2比较电流参考值iref2和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref2+Δiref2，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref2-Δiref2，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，使得光伏组件串联系统运行于最佳交点，Δiref2为滞回比较器2的滞环宽度；
当所述MPPg判断器工作时，MPPg判断器采用扰动观察法或电导增量法对是否找到全局最大功率点MPPg做出判断，若判断为“找到了全局最大功率点MPPg”，则将对应的Iin(k)和Vin(k)作为全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg存入MPPg寄存器中，同时调用频率计计算出与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并将工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg也一起存入MPPg寄存器中，同时还令参考电流发生器2保持电流参考值iref2不变，使得光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg；若判断为“未找到全局最大功率点MPPg”，则令参考电流发生器2采用扰动观察法或电导增量法生成电流参考值iref2，滞回比较器2比较电流参考值iref2和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref2+Δiref2，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref2-Δiref2，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，Δiref2为滞回比较器2的滞环宽度。
采用滞回比较器，可实现快速的全局最大功率点MPPg寻找过程。
关于适合光伏组件串联系统的MPPT控制器的第五种优选方案，所述子控制器3包括MPPg变化判断器，所述MPPg变化判断器从MPPg寄存器处提取全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg，比较数字信号Iin(k)和Iin_MPPg的大小，或者比较数字信号Vin(k)和Vin_MPPg的大小，又或者比较Iin(k)×Vin(k)和Iin_MPPg×Vin_MPPg的大小，若Iin(k)和Iin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，或者Vin(k)和Vin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，又或者Iin(k)×Vin(k)和Iin_MPPg×Vin_MPPg的差值绝对值大于允许误差时，则判断“全局最大功率点MPPg发生变化”，否则，判断“全局最大功率点MPPg未发生变化”。
更进一步，所述子控制器3还包括PWM调制器，所述PWM调制器从MPPg寄存器处提取与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并根据f_MPPg和D_MPPg的信息输出控制信号vdriving，保持光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg。所述PWM调制器的作用是使得DC/DC变换器的工作频率固定，相比滞回比较器更利于监测全局最大功率点MPPg是否发生变化。
所述电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器和子控制器1至子控制器3可采用专用集成芯片，如：LM6152和S29GL128P，也可采用可编程器件，如：TMS320F28027。
所述DC/DC变换器可以采用输入和输出电流均连续的DC/DC变换器，如：Super-Boost变换器、Super-Buck变换器、Cuk变换器等。
本发明的技术构思为：基于光伏组件的输出特性，通过曲线拟合生成一族串联MPP曲线。借助于串联MPP曲线族，设计寻找全局最大功率点MPPg的步骤如下：首先寻找光伏组件串联系统输出V-I曲线与串联MPP曲线族的交点，再从各交点中挑选出最佳交点(即具有最大功率的交点)，最后在最佳交点的基础上找到全局最大功率点MPPg。
本发明的有益效果主要表现在：采用曲线拟合方法得到的串联MPP曲线族包含了不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的信息；利用光伏组件串联系统输出V-I曲线和串联MPP曲线族的交点以及最佳交点，可规避局部最大功率点对全局最大功率点MPPg的干扰；以最佳交点为基础的全局最大功率点MPPg寻优过程或跟踪过程是快速而准确的；可应对无阴影、静态阴影和动态阴影等工况，均具有全局最大功率点跟踪的能力。
附图说明
图1是本发明适用的一种光伏发电系统框图。
图2是本发明的结构框图。
图3是本发明中电流/电压检测和处理模块的结构框图。
图4是本发明中子控制器1的结构框图。
图5是本发明中子控制器2的结构框图。
图6是本发明中子控制器3的结构框图。
图7是本发明实施例中光伏组件串联系统在光照条件1下的输出V-I曲线、串联MPP曲线族Vrefj和全局最大功率点MPPg的静态示意图(j取1至3)。
图8是本发明实施例中光伏组件串联系统在光照条件1下的输出P-I曲线、串联MPP族曲线之功率Prefj和全局最大功率点MPPg的静态示意图(j取1至3)。
图9是本发明实施例中光伏组件串联系统在光照条件2下的输出V-I曲线、串联MPP曲线族Vrefj和全局最大功率点MPPg的静态示意图(j取1至3)。
图10是本发明实施例中光伏组件串联系统在光照条件2下的输出P-I曲线、串联MPP曲线族之功率Prefj和全局最大功率点MPPg的静态示意图(j取1至3)。
图11是本发明实施例中光伏组件串联系统在光照条件1至2含切换时刻的输出电压vin、输出电流iin、交点Crossj、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图(j取1至3)。
图12是本发明实施例中光伏组件串联系统在光照条件1至2含切换时刻的输出功率pin、交点Crossj、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图(j取1至3)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例
参考图1，一种适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，检测光伏组件串联系统的输出电流iin和输出电压vin，输出控制信号vdriving，通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态，使得光伏组件串联系统最终运行于全局最大功率点MPPg。所述DC/DC变换器可以采用输入和输出电流均连续的DC/DC变换器，如：Super-Boost变换器、Super-Buck变换器、Cuk变换器等。
参考图2，所述适合光伏组件串联系统的MPPT控制器包括电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器和子控制器1至子控制器3，所述电流/电压检测和处理模块检测光伏组件串联系统的输出电流iin和输出电压vin，并将它们转换成数字信号Iin(k)和Vin(k)，k为整数；所述串联MPP曲线族寄存器内部存储有n个光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)，n为光伏组件串联系统中光伏组件的个数，Iin为函数输入变量，Vref1至Vrefn为函数输出变量，fref()为包含不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP信息的函数，所述n个光伏组件串联MPP曲线函数与n条光伏组件串联MPP曲线对应，所述n条光伏组件串联MPP曲线与光伏组件串联系统输出V-I曲线存在n个交点，分别为Cross1至Crossn；所述fref()为不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数，或者是叠加电压或电流边界条件的不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数。叠加电压或电流边界条件可加快找到交点的速度。拟合函数包括指数函数、多项式函数、折线函数等。电压边界条件包括0≤Vref1≤Voc，电流边界条件包括0≤Iin≤Isc，Voc和Isc为最大光照条件下单个光伏组件的开路电压和短路电流。所述交点寄存器内部存储有n个交点Cross1至Crossn的电流值Iin_Cross1至Iin_Crossn和电压值Vin_Cross1至Vin_Crossn。所述MPPg寄存器内部存储有全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg，还存储有与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作状态，例如：开关频率f_MPPg、占空比D_MPPg、导通时间、关断时间、电流参考值及滞环宽度等。
所述电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器、子控制器1至子控制器3之间存在信息交互。
为应对无阴影、静态阴影和动态阴影等多种工况，所述子控制器1至子控制器3按顺序分时工作输出控制信号vdriving，周而复始。子控制器1采用光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)产生电压参考值，通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到交点Cross1至Crossn，即使得光伏组件串联系统运行于交点Cross1至Crossn。当光伏组件串联系统运行于交点Crossj时，Iin(k)＝Iin_Crossj，Vin(k)＝Vin_Crossj，j的取值范围是1至n。子控制器2在交点Cross1至Crossn的基础上通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到全局最大功率点MPPg，即使得光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg。当光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg时，Iin(k)＝Iin_MPPg，Vin(k)＝Vin_MPPg。子控制器3监测全局最大功率点MPPg是否发生变化，若全局最大功率点MPPg发生变化，即Iin(k)≠Iin_MPPg或者Vin(k)≠Vin_MPPg或者Iin(k)×Vin(k)≠Iin_MPPg×Vin_MPPg，则再次调用子控制器1至子控制器3找到全局最大功率点MPPg，否则，维持DC/DC变换器中电子开关的工作状态，即保持光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg。
所述电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器和子控制器1至子控制器3可采用专用集成芯片，如：LM6152和S29GL128P，也可采用可编程器件，如：TMS320F28027。
进一步，参考图3，所述电流/电压检测和处理模块包括电流检测电路、电压检测电路、模数转换电路和平均值计算器或数字滤波器。所述电流检测电路检测光伏组件串联系统的输出电流iin，所述电压检测电路检测光伏组件串联系统的输出电压vin，所述模数转换电路分别将电流检测电路和电压检测电路的模拟检测结果转换成原始的数字信号iin(k)和vin(k)，所述平均值计算器采用平均算法得到原始数字信号iin(k)和vin(k)的平均值，即数字信号Iin(k)和Vin(k)，所述平均算法可采用算式
Figure BDA0002703715300000121
和
Figure BDA0002703715300000122
或者
Figure BDA0002703715300000123
和
Figure BDA0002703715300000124
m为正整数；也可以采用数字滤波器将原始数字信号iin(k)和vin(k)滤波处理成数字信号Iin(k)和Vin(k)，所述数字滤波器可以是低通数字滤波器或带通数字滤波器。所述平均值计算器和数字滤波器作用都是降低原始数字信号的噪声。
参考图4，所述子控制器1包括函数运算器、交点判断器、参考电流发生器1和滞回比较器1。所述函数运算器从串联MPP曲线族寄存器处提取光伏组件串联MPP曲线函数Vrefj＝j×fref(Iin)，令函数输入变量Iin等于数字信号Iin(k)，求出函数输出变量Vrefj，令电压参考值Vrefj(k)等于函数输出变量Vrefj，j的取值范围是1至n。所述交点判断器比较电压参考值Vrefj(k)和数字信号Vin(k)的大小，若数字信号Vin(k)和电压参考值Vrefj(k)的差值ΔV的绝对值小于允许误差，则判断“找到了交点Crossj”，并将对应的Iin(k)和Vin(k)作为交点Crossj的电流值Iin_Crossj和电压值Vin_Crossj存入交点寄存器中，同时令参考电流发生器1保持电流参考值iref1不变，使得光伏组件串联系统运行于交点Crossj；否则，判断“未找到交点Crossj”，令参考电流发生器1根据数字信号Vin(k)和电压参考值Vrefj(k)的差值ΔV调节电流参考值iref1，若差值ΔV>0，则增大电流参考值iref1，否则，减小电流参考值iref1。所述滞回比较器1比较电流参考值iref1和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref1+Δiref1，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref1-Δiref1，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，Δiref1为滞回比较器1的滞环宽度。当所述子控制器1工作时，函数运算器从所述串联MPP曲线族寄存器处按顺序或逆序依次提取光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)。采用滞回比较器，可实现快速的交点寻找过程。
参考图5，所述子控制器2包括最佳交点定位器、MPPg判断器、频率计、参考电流发生器2和滞回比较器2，所述最佳交点定位器和MPPg判断器按顺序分时工作，最佳交点定位器从交点Cross1至Crossn中找出与MAX(Iin_Cross1×Vin_Cross1,…,Iin_Crossn×Vin_Crossn)对应的交点，即最佳交点，MAX()为最大值函数，MPPg判断器在最佳交点的基础上找到全局最大功率点MPPg。当所述最佳交点定位器工作时，最佳交点定位器从交点寄存器处提取交点Cross1至Crossn的电流值Iin_Cross1至Iin_Crossn和电压值Vin_Cross1至Vin_Crossn，通过计算找出最佳交点，同时令参考电流发生器2输出的电流参考值iref2等于最佳交点的电流值，滞回比较器2比较电流参考值iref2和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref2+Δiref2，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref2-Δiref2，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，使得光伏组件串联系统运行于最佳交点，Δiref2为滞回比较器2的滞环宽度。当所述MPPg判断器工作时，MPPg判断器采用扰动观察法或电导增量法对是否找到全局最大功率点MPPg做出判断，若判断为“找到了全局最大功率点MPPg”，则将对应的Iin(k)和Vin(k)作为全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg存入MPPg寄存器中，同时调用频率计计算出与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并将工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg也一起存入MPPg寄存器中，同时还令参考电流发生器2保持电流参考值iref2不变，使得光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg；若判断为“未找到全局最大功率点MPPg”，则令参考电流发生器2采用扰动观察法或电导增量法生成电流参考值iref2，滞回比较器2比较电流参考值iref2和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref2+Δiref2，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref2-Δiref2，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，Δiref2为滞回比较器2的滞环宽度。采用滞回比较器，可实现快速的全局最大功率点MPPg寻找过程。
参考图6，所述子控制器3包括MPPg变化判断器，所述MPPg变化判断器从MPPg寄存器处提取全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg，比较数字信号Iin(k)和Iin_MPPg的大小，或者比较数字信号Vin(k)和Vin_MPPg的大小，又或者比较Iin(k)×Vin(k)和Iin_MPPg×Vin_MPPg的大小，若Iin(k)和Iin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，或者Vin(k)和Vin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，又或者Iin(k)×Vin(k)和Iin_MPPg×Vin_MPPg的差值绝对值大于允许误差时，则判断“全局最大功率点MPPg发生变化”，否则，判断“全局最大功率点MPPg未发生变化”。所述子控制器3还包括PWM调制器，所述PWM调制器从MPPg寄存器处提取与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并根据f_MPPg和D_MPPg的信息输出控制信号vdriving，保持光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg。所述PWM调制器的作用是使得DC/DC变换器的工作频率固定，相比滞回比较器更利于监测全局最大功率点MPPg是否发生变化。
以n＝3为例，通过对本发明实施例进行仿真做进一步说明。如图1所示，光伏组件串联系统由3个光伏组件和3个旁路二极管组成。取串联MPP曲线函数
Figure BDA0002703715300000151
Vref2＝2×Vref1，Vref3＝3×Vref1。取光照条件1和2为不同的2个典型静态阴影条件。从图7至10可看出，此两种情况下光伏组件串联系统输出V-I曲线均呈现出多单调区域，其输出P-I曲线也均呈现出多峰值。
进一步，如图7所示，光伏组件串联系统在光照条件1下的输出V-I曲线与串联MPP曲线族Vrefj有3个交点；再对照图8，可发现光伏组件串联系统输出V-I曲线与串联MPP曲线Vref3的交点为最佳交点，与全局最大功率点MPPg在功率上非常接近。如图9所示，光伏组件串联系统在光照条件2下的输出V-I曲线与串联MPP曲线族Vrefj也有3个交点；再对照图10，可发现光伏组件串联系统输出V-I曲线与串联MPP曲线Vref1的交点为最佳交点，与全局最大功率点MPPg在功率上非常接近。
同时，选取一现有方案进行对比，即提供理想Voc-Isc曲线(Iin＝Isc时该曲线对应的电压值为3×Voc)作为对比曲线。从图7至10可知，本发明实施例的最佳交点比光伏组件串联系统输出V-I曲线与理想Voc-Isc曲线的交点更接近全局最大功率点MPPg。在光照条件1和2下，从光伏组件串联系统输出V-I曲线与理想Voc-Isc曲线的交点出发寻找全局最大功率点MPPg将容易陷落于局部最大功率点。这说明与光伏组件串联系统输出V-I曲线与理想Voc-Isc曲线的交点相比，从最佳交点出发寻找全局最大功率点MPPg将更快捷也更准确。
图11是光伏组件串联系统在光照条件1至2含切换时刻的输出电压vin、输出电流iin、交点Crossij、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图。图12是光伏组件串联系统在光照条件1至2含切换时刻的输出功率pin、交点Crossij、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图。图11和12均展示了静态阴影和动态阴影条件下“先交点、再最佳交点、最后MPPg”的寻优过程或跟踪过程，说明本发明实施例具有全局最大功率点跟踪能力。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述适合光伏组件串联系统的MPPT控制器包括电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器和子控制器1至子控制器3；
所述电流/电压检测和处理模块检测光伏组件串联系统的输出电流iin和输出电压vin，并将它们转换成数字信号Iin(k)和Vin(k)，k为整数；
所述串联MPP曲线族寄存器内部存储有n个光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)，n为光伏组件串联系统中光伏组件的个数，Iin为函数输入变量，Vref1至Vrefn为函数输出变量，fref()为包含不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP信息的函数，所述n个光伏组件串联MPP曲线函数与n条光伏组件串联MPP曲线对应，所述n条光伏组件串联MPP曲线与光伏组件串联系统输出V-I曲线存在n个交点，分别为Cross1至Crossn；
所述交点寄存器内部存储有n个交点Cross1至Crossn的电流值Iin_Cross1至Iin_Crossn和电压值Vin_Cross1至Vin_Crossn；
所述MPPg寄存器内部存储有全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg，还存储有与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作状态；
所述电流/电压检测和处理模块、串联MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器、子控制器1至子控制器3之间存在信息交互；
所述子控制器1至子控制器3按顺序分时工作输出控制信号vdriving，周而复始；子控制器1采用光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)产生电压参考值，通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到交点Cross1至Crossn，即使得光伏组件串联系统运行于交点Cross1至Crossn；子控制器2在交点Cross1至Crossn的基础上通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到全局最大功率点MPPg，即使得光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg；子控制器3监测全局最大功率点MPPg是否发生变化，若全局最大功率点MPPg发生变化，则再次调用子控制器1至子控制器3找到全局最大功率点MPPg，否则，维持DC/DC变换器中电子开关的工作状态，即保持光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg。
2.如权利要求1所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述fref()为不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数，或者是叠加电压或电流边界条件的不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数。
3.如权利要求1或2所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述电流/电压检测和处理模块包括电流检测电路、电压检测电路和模数转换电路，所述电流检测电路检测光伏组件串联系统的输出电流iin，所述电压检测电路检测光伏组件串联系统的输出电压vin，所述模数转换电路分别将电流检测电路和电压检测电路的模拟检测结果转换成原始的数字信号iin(k)和vin(k)。
4.如权利要求3所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述电流/电压检测和处理模块还包括平均值计算器或数字滤波器，所述平均值计算器采用平均算法得到原始数字信号iin(k)和vin(k)的平均值，即数字信号Iin(k)和Vin(k)，所述数字滤波器将原始数字信号iin(k)和vin(k)滤波处理成数字信号Iin(k)和Vin(k)。
5.如权利要求4所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述平均算法采用算式
Figure FDA0002703715290000031
和
Figure FDA0002703715290000032
或者
Figure FDA0002703715290000033
和
Figure FDA0002703715290000034
m为正整数；所述数字滤波器是低通数字滤波器或带通数字滤波器。
6.如权利要求1或2所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述子控制器1包括函数运算器、交点判断器、参考电流发生器1和滞回比较器1，
所述函数运算器从串联MPP曲线族寄存器处提取光伏组件串联MPP曲线函数Vrefj＝j×fref(Iin)，令函数输入变量Iin等于数字信号Iin(k)，求出函数输出变量Vrefj，令电压参考值Vrefj(k)等于函数输出变量Vrefj，j的取值范围是1至n；
所述交点判断器比较电压参考值Vrefj(k)和数字信号Vin(k)的大小，若数字信号Vin(k)和电压参考值Vrefj(k)的差值ΔV的绝对值小于允许误差，则判断“找到了交点Crossj”，并将对应的Iin(k)和Vin(k)作为交点Crossj的电流值Iin_Crossj和电压值Vin_Crossj存入交点寄存器中，同时令参考电流发生器1保持电流参考值iref1不变，使得光伏组件串联系统运行于交点Crossj；否则，判断“未找到交点Crossj”，令参考电流发生器1根据数字信号Vin(k)和电压参考值Vrefj(k)的差值ΔV调节电流参考值iref1，若差值ΔV>0，则增大电流参考值iref1，否则，减小电流参考值iref1；
所述滞回比较器1比较电流参考值iref1和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref1+Δiref1，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref1-Δiref1，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，Δiref1为滞回比较器1的滞环宽度。
7.如权利要求6所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：当所述子控制器1工作时，函数运算器从所述串联MPP曲线族寄存器处按顺序或逆序依次提取光伏组件串联MPP曲线函数Vref1＝fref(Iin)至Vrefn＝n×fref(Iin)。
8.如权利要求1或2所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述子控制器2包括最佳交点定位器、MPPg判断器、频率计、参考电流发生器2和滞回比较器2，所述最佳交点定位器和MPPg判断器按顺序分时工作，
最佳交点定位器从交点Cross1至Crossn中找出与MAX(Iin_Cross1×Vin_Cross1,…,Iin_Crossn×Vin_Crossn)对应的交点，即最佳交点，MAX()为最大值函数，MPPg判断器在最佳交点的基础上找到全局最大功率点MPPg；
当所述最佳交点定位器工作时，最佳交点定位器从交点寄存器处提取交点Cross1至Crossn的电流值Iin_Cross1至Iin_Crossn和电压值Vin_Cross1至Vin_Crossn，通过计算找出最佳交点，同时令参考电流发生器2输出的电流参考值iref2等于最佳交点的电流值，滞回比较器2比较电流参考值iref2和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref2+Δiref2，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref2-Δiref2，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，使得光伏组件串联系统运行于最佳交点，Δiref2为滞回比较器2的滞环宽度；
当所述MPPg判断器工作时，MPPg判断器采用扰动观察法或电导增量法对是否找到全局最大功率点MPPg做出判断，若判断为“找到了全局最大功率点MPPg”，则将对应的Iin(k)和Vin(k)作为全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg存入MPPg寄存器中，同时调用频率计计算出与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并将工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg也一起存入MPPg寄存器中，同时还令参考电流发生器2保持电流参考值iref2不变，使得光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg；若判断为“未找到全局最大功率点MPPg”，则令参考电流发生器2采用扰动观察法或电导增量法生成电流参考值iref2，滞回比较器2比较电流参考值iref2和数字信号Iin(k)的大小，若Iin(k)>iref2+Δiref2，则令控制信号vdriving为低电平，若Iin(k)<iref2-Δiref2，则令控制信号vdriving为高电平，否则，令控制信号vdriving保持不变，Δiref2为滞回比较器2的滞环宽度。
9.如权利要求1或2所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述子控制器3包括MPPg变化判断器，所述MPPg变化判断器从MPPg寄存器处提取全局最大功率点MPPg的电流值Iin_MPPg和电压值Vin_MPPg，比较数字信号Iin(k)和Iin_MPPg的大小，或者比较数字信号Vin(k)和Vin_MPPg的大小，又或者比较Iin(k)×Vin(k)和Iin_MPPg×Vin_MPPg的大小，若Iin(k)和Iin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，或者Vin(k)和Vin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，又或者Iin(k)×Vin(k)和Iin_MPPg×Vin_MPPg的差值绝对值大于允许误差时，则判断“全局最大功率点MPPg发生变化”，否则，判断“全局最大功率点MPPg未发生变化”。
10.如权利要求9所述的适合光伏组件串联系统的MPPT控制器，其特征在于：所述MPPg寄存器存储的与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作状态包括开关频率f_MPPg和占空比D_MPPg，所述子控制器3还包括PWM调制器，所述PWM调制器从MPPg寄存器处提取与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并根据f_MPPg和D_MPPg的信息输出控制信号vdriving，保持光伏组件串联系统运行于全局最大功率点MPPg。
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