CN1797892A - 一种太阳能光伏发电最大功率跟踪器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能光伏发电最大功率跟踪器。其特征在于微处理器首先获得光伏方阵的电压电流的信息，通过最大功率跟踪算法，确定下一时刻光伏方阵的工作点，这一信息再通过数模转换转换成模拟参考点Vref，Vref与采样到的实际的光伏阵列的电压V的差值经过比例积分PI调节后，经过PWM(脉宽调制)控制芯片产生一定占空比的脉宽调制波，来控制DC－DC变换器。本发明跟踪器控制方法能够实现双支路以及多支路的协调工作和即插即用。在控制方式上，采用的是对最大功率点不敏感的电压控制的方式，最大功率点追踪的效果较电流追踪有所提高，该系统可作为多种直流负载的供电电源，既可用于独立光伏系统，也可用于并网光伏系统。

Description

一种太阳能光伏发电最大功率跟踪器及控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电系统，特别是涉及具有最大功率跟踪的独立、并网太阳能光伏发电系统的跟踪器及控制方法。

背景技术

随着太阳能光伏发电的发展，运用独立运行和并网太阳能光伏发电系统分别解决边远无电地区用电和在城市中缓解能源供应紧张发挥了重要的作用，并网光伏系统正在成为世界范围内的研究热点。不论是独立运行系统或并网光伏发电系统，如何利用有限的空间和面积，提高系统的效率，获得最大的能量，就显得更为重要，特别是是太阳能光电池高昂的价格和较低的效率是制约太阳能光伏系统的推广应用的主要原因。因此，充分利用太阳能资源，提高光电池的使用效率，降低光伏发电系统的成本，是一个重要的研究课题，通常采用最大功率跟踪的办法来实现，实验表明：最大功率跟踪器可以使光伏阵列的输出功率提高15-25％，大大提高系统利用效率。

国外设计研制的光伏控制器和并网光伏逆变器将最大功率跟踪作为其中的一个重要功能来实现，针对单个系统采用软件或软硬件结合的方式实现了最大功率跟踪，这种做法通常存在一定的局限性，即：

(1)通常的最大功率跟踪器针对特定的系统进行设计，独立系统或者并网系统，没有形成一个单独的装置。

(2)最大功率跟踪器使用单支路的结构，当需要的功率较大时，将多路的光伏阵列直接并联到直流输入端，由于各路光伏阵列本身特性和受光条件存在差异，光伏阵列的最大功率点也存在着差异，直接将他们并联，光伏阵列之间就会出现不匹配的情况，结果是每一组光伏阵列输出都不在最大功率点，而且在控制方式和控制算法上采用较多的方式和算法，各种方式和算法存在较大的差异，都存在明显的缺点。国内也有较少的光伏系统采用了最大功率跟踪，其采用的最大功率跟踪也与国外的类似，亦存在上述同样的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的最大功率跟踪器及其控制方法，优化目前的最大功率跟踪器的不足，与上述功能电路相比，本发明具有以下优点：

1、采用双支路的结构，支路数可以任意扩展，两台最大功率跟踪器也可以实现直接并联，对不同特性和光照条件的光伏阵列可以同时进行最大功率跟踪，而这两组光伏阵列的特性可以存在较大的差异，都不会存在不匹配的情况；

2、两组输入可以实现热拔插，任何一路工作时，另一路可以随时开启或关闭；

3、在控制方式上，采用的是对最大功率点不敏感的电压控制的方式，最大功率点追踪的效果较电流追踪有所提高；

4、在最大功率跟踪算法上，采用的是使最大功率点稳定的增量阻抗法；

5、该系统如果用在并网系统中，在后级逆变环节中只需要实现定电压控制，与单级变换相比，控制难度减轻，从而可以实现更复杂的调制方式，提高馈入电网电能的质量；

6、该装置设计的功率范围(200W-3kW)和输入电压范围(150V-600V)很宽，这样可以适合于多种配置，和不同的温度光照条件。

7、采用Boost电路作为主拓扑结构，省掉防反二极管，提高了系统效率；采用数字模拟混合控制的手段，并且围绕脉宽调制控制芯片TL598实现了系统的过压、过流保护，通过二极管击穿实现了Boost电路最大占空比的限制，系统的稳定性和可靠性提高；

8、该系统可作为多种直流负载的供电电源，既可用于独立光伏系统，也可用于并网光伏系统；

附图说明

图1为太阳电池单体的等效电路；

图2为太阳能电池组件在一定温度和光照条件下I-V曲线；

图3为太阳能电池组件在一定温度和光照条件下P-V曲线；

图4为光伏发电最大功率跟踪的原理图；

图5为本发明的功率部分的拓扑结构；

图6为本发明系统总的控制框图；

图7为本发明微处理器部分的框图；

图8为功率电路的控制框图；

图9为本发明的总的软件流程图；

图10为本发明最大功率跟踪算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

图1为一个太阳能电池单体的等效电路图。如图所示，一个理想的太阳电池，r_s很小而r_sh很大，在一般性的分析中，它们都可以忽略不计。此时，流过负载的电流I_L＝I_SC-I₀(e^qv/AKT-1)。式中，I₀是太阳电池在无光照时的饱和电流，q为电子电荷，K为玻尔兹曼常数，A为二极管曲线因素，I_SC为短路电流。一个太阳电池单体只能产生大约0.45V的电压，远低于实际应用所需要的数值。在工程应用中，必须把太阳电池连接成组件。太阳电池组件包含一定数量的太阳电池，这些太阳电池通过导线连接。一个组件上，太阳电池的标准数量是36个或40个，开路电压在20v左右。多个太阳电池组件连接起来就组成了太阳能光伏阵列。

太阳能电池组件在一定温度和光照条件下I-V曲线如图2所示：当电压比较小时，太阳能电池，类似恒流源，当电压超过一定的临界值，电流急剧下降，此时的太阳能电池类似为一个恒压源。

太阳能电池组件在一定温度和光照条件下P-V曲线如图3所示：上升和下降的分界点就是输出功率的最大点。最大功率点的位置一般位于0.75-0.9Voc(开路电压)或者0.85-0.95lsc(短路电流)之间，这和各个厂家的生产工艺有很大关系。为了能够使太阳能电池输出的功率最大，必须给它接上匹配的负载，让它工作在最大功率点的电压下，又由于太阳能电池的输出特性曲线是随着温度和光照不断变化的，它的最大功率工作点也是不断变化的，所以必须通过控制手段跟踪最大功率输出点，并使太阳能电池工作始终在这一点附近。如图4所示在特定的温度和光照下，太阳能光伏阵列的实际工作点与所带的负载有关，负载较大时，工作的电压点较低，负载较小时，工作的电压点较高，改变太阳能光伏阵列所带的负载就可以改变太阳能光伏阵列的工作点。本发明采用了一种DC-DC变换器，通过改变DC-DC变换器中的占空比，即可改变太阳能光伏阵列的等效负载，从而达到改变光伏阵列工作点的目的。

本发明中采用了两路Boost电路输出并联的拓扑结构，即使前面两路光伏阵列的特性存在很大差异，系统也能对它们分别进行中最大功率跟踪。本发明可推广到三路光伏或更多路光伏的情况。功率部分原理框如图5所示，每路光伏阵列的输出首先通过500uF的电容C1和C2，再通过电感L1、L2和二极管D1、D2接到输出端，电感L1、L2的另一端通过两个并联的MOSFET：S11、S12和S21、S22接到负极，通过开通和关断MOSFET就能实现升压的功能，两路Boost电路的输出并联到输出直流母线电容Co上。采用Boost电路，电路输入电流的纹波较小；而且当输入电压较低时，通过升压作用，可以使系统的输出电压仍然维持在一个较高的水平；Boost电路中二极管有防止能量回流的作用，而在其他的拓扑结构中，一般需要另加防反二极管，Boost电路由于省掉了另加防反二极管，在一定程度上可以提高系统的整体效率。Boost电路的缺点在于，当负载端开路，输出电压会不断上升，需要比较可靠的保护电路。在本电路设计中开关频率为20kHz，电感取2.75mH，MOSFET选用的型号是ixys34N800，MOSFET采用的是RC吸收，电阻RS1、RS2为100欧姆，电容CS1、CS2为1nF，为了能够在并网系统中使用，实现能量的解耦，Co选择2200uF，由四个450v、2200uF的电容串并联组成。

本发明采用的是模拟和数字混合控制的方案。图6是每路最大功率跟踪的控制框图，如图6所示，后级的直流负载或者逆变系统在图中等效为一个负载。总体思路是微处理器首先获得光伏方阵的电压电流的信息，通过最大功率跟踪算法，确定下一时刻光伏方阵的工作点，这一信息再通过数模转换(DA)转换成模拟参考点Vref，Vref与采样到的实际的光伏阵列的电压V的差值经过比例积分PI调节后，经过PWM(脉宽调制)控制芯片产生一定占空比的脉宽调制波，来控制DC-DC变换器。系统中使用的微处理器是Microchip公司的PIC16F877微处理器，PWM集成芯片使用的TI公司的TL598。利用PIC16F877微处理器8路AD转换器中的5路获得第一路光伏阵列的电压、电流、第二路光伏阵列的电压、电流、和最大功率跟踪器输出电压的信号，微处理器再经过运算分别得出第一路光伏阵列和第二路光伏阵列光伏阵列的最大功率点，通过微处理器的PWM口CCP1和CCP2完成数模转换，转换后的模拟信号，再分别给到PWM芯片TL598的一路偏差放大器的正端，实际采样的光伏阵列的工作点接到该偏差放大器的负端，通过RC电路构成PI环节，最后产生控制DC-DC变换器的PWM信号。

如图7所示，本系统中使用的微处理器是美国Microchip公司的PIC16F877芯片，该芯片采用的是哈佛机构，精简指令集，仅35条单字指令；2.5-5.5V的工作电压，抗干扰能力强；除地址分支指令外，其余全为单周期指令，执行速度可以达到200ns；自带8路十位A/D转换输入，两路2路CCP模块(捕捉输入，比较输出，PWM输出)。系统中使用了PIC16F877的AN0，AN1，AN2，AN3，AN4，作为第一路太阳能光伏阵列电压信号、电流信号、第二路光伏阵列电压、电流信号和最大功率跟踪器输出电压信号的模拟输入，PIC微处理器内部自带的AD转换装置将它们转换为微处理器内部运算所需要的数字信号。电压的采样使用的是电阻分压的方法，这种方法简单可靠，成本低。实际系统中使用的是四个560k的电阻和11K的电阻串联，由11K的电阻分压得到采样电压信号。微处理器是十位的精度，这样1000V对应的采样电压为4.8867V，对应于微处理器的采样值为1001，这样就可以近似地认为经过微处理器AD转换后的值就是实际电压的值。电流的采样使用的是北京森社科技公司生产的LA-50P霍尔电流传感器，原边的电流由于磁平衡的原理在副边感应出和原边成比例的微小电流，这个电流接上外接电阻就可以转换成可供微处理器测量的微小的电压信号。LA-50P，原边50A的电流对应于副边50mA的电流，在本系统中外接电阻RM为82欧姆，原边的测量电流在穿孔中穿过了5圈，这样10A的电流对应的电压信号为4.1V。PIC微处理器中有两路十位的pwm输出信号，高频的pwm波经过RC电路滤波以后可以变成平滑的直流电平，本发明使用了PIC16F877的两路pwm输出，来完成DA转换，实现太阳能光伏阵列参考电压和输出电压最高值的给定。两个IO口SHUT1M、SHUT2M用来启动和关闭PWM芯片。

微处理器完成给定以后，将模拟量送入pwm控制芯片TL598，该芯片具有完整的pwm控制功能，有两个误差放大器，有误差为1％的5V基准电压，欠压封锁功能，可变的死区控制功能，设定的参考电压和实际电压经过PI调节后，再经过TL598内部的一些比较，触发机制，就产生了一定占空比的脉宽调制波，这个PWM波经过MOSFET驱动芯片max4420，就去可以控制DC-DC变换器。

TL598的外围电路见图8。对每路Boost电路，TL598管脚1接输出电压采样信号VOUT，管脚2接设定的保护电压点的模拟信号，管脚1和管脚2构成TL598内部的偏差放大器一，管脚3为反馈端，管脚5接振荡电路电容，管脚5接振荡电路电阻，管脚7接地，管脚8和管脚9为PWM信号输出端，在本发明中两路信号相同，将他们直接连接在一起，管脚10接地，管脚11和管脚12接15V电源，管脚13接地，表示TI598工作单端工作状态，管脚14为5V电压参考输出端，VPV2为一路光伏的电压，它通过一个电阻R20接到TL598的管脚15端，管脚16接微处理器PIC16F877给定的光伏阵列的工作电压，15管脚和16管脚构成TL598内部的偏差比较器二。利用偏差放大器二，和反馈端3构成比例积分(PI)调节，偏差放大器二的同相端16管脚接微处理器电路的给定的参考工作点，反相端15管脚接实际采样回来的信号。当实际电压高于给定电压时通过PI调节，增加占空比，反之则减小占空比。图中R20和R34构成了比例环节，R34和C12构成了积分环节，R34与C13给控制器增加了一个极点，主要作用是抑制高频增益，通过实验获得的PI的参数为：比例为10，积分时间常数为0.01。另外偏差放大器一用来做电压保护，同相端1管脚接实际的输出电压的采样信号，反相端接设定的模拟保护点。因为两个偏差放大器的输出为或逻辑，即谁高谁有效，在通常的时候偏差放大器一的输出为低，不会影响控制。为了确保电路的稳定需要设定Boost的最大占空比，在本设计中通过二极管D13在基准电压(管脚14)作用下导通产生大约0.7V的死区电压，接到tI598的死区控制端，使得最大占空比限制为75％左右。另外通过微处理器的一个I/O，图中为SHUT2M，可以控制TL598的启动和关闭，通常的时候此信号为低电平，不影响TL598的工作，当微处理器给高信号时，使得死区控制端为5V，这样就会封锁PWM信号，从而达到关闭TL598的作用；图中SHUT2I为电流过流信号，电流超过设定的值，此信号为高，SHUT2M和SHUT2I通过或门接到死区控制端，所以SHUT2I也具有关闭TL598的作用。

Boost电路如果开路，理论上它的输出电压为无穷大；如果MOSFET常通，输入电容上的电也会使MOSFET过流，所以必须采取适当的保护措施。

本发明主要是采用硬件保护，电压保护是通过TL598的一路偏差放大器来完成的，当输出电压高于设点的电压，则此路偏差放大器输出为高，就会封锁PWM信号，从而达到保护的作用，本发明实施例设计的保护点为550V，即输出电压超过550V时，就不会有脉宽调制信号，当系统接在开路电压为600V的系统中时，在后级负载开始工作前，控制电路都处于保护状态，此时直流输入电压直接通过电感和二极管加到中间的直流母线电容上。

电流保护是利用了TL598的死区控制功能，流过MOSFET的电流值与设定的保护点的值通过比较器相比较，如果流过MOSFET的电流值高了，则比较器的输出SHUT2I为高(5V)，使得TL598的死区控制端为5V，输出脉冲被封锁。

本发明跟踪器控制方法的软件思想能够实现双支路以及多支路的协调工作和即插即用机制，系统软件程序使用PIC汇编语言写成也可以使用C语言，主流程图见图9，系统中有两路光伏输入，为了保证任一路可以独立工作，也可以与另外一路同时工作，以及任何一路的即插即用，在软件中也需要做相应的处理。在程序中设定了一个变量用于记录两路工作状态。如图9所示，系统开始工作后，首先进入步骤1检测第一路光伏阵列的电压，然后进入步骤2，判断第一路的电压是否已经高于150V，如果不高于150V，则进入步骤12关闭第一路，设定第一路的工作状态为关闭，否则进入步骤3，判断第一路是否已经开始工作，如果已经工作了则进入步骤4，利用最大功率跟踪算法进行寻优，否则进入步骤5，设定电路的初始工作点，并且记录第一路的工作状态为已经工作；然后进入步骤6，检测第二路光伏阵列的电压，随后进入步骤7，判断第二路的电压是否高于150V，如果不高于150V，则进入步骤13关闭第二路，设定第二路的工作状态为关闭，否则进入步骤8，判断第二路是否已经开始工作，如果已经开始工作则进入步骤10，利用最大功率跟踪算法进行寻优，否则进入步骤9，设定第二路的初始工作点，并且记录第二路的工作状态为已经工作，最后还可以进入步骤11，将检测到的数据发送出去。这样即使在系统运行的过程中，增加和减少支路，都不会对装置的正常工作产生影响。系统工作后首先设定初始工作点为0.9倍的输入电压，然后根据增量电导法的算法不断寻优即可。系统调整最大功率点的周期是5秒。

增量电导法的流程图见图10，如图10所示，系统首先进入步骤1获得光伏阵列的电压电流信息，然后进入步骤2计算电压电流的变化，随后进入步骤3，判断电压的变化是否小于一定的值，如果小于就认为电压没有变化进入步骤8，判断电流的变化是否小于一定的值，如果电流的变化小于一定的值则不改变工作点，否则如果电流增加了进入步骤11增加电压，如果电流减小了则进入10减小电压，如果步骤3中电压的变化大于一定的阈值，则进入步骤4计算电导与增量电导之和的大小是否小于一定的值，如果小于一定的阈值，那么不改变工作点，否则如果电导与增量电导之和大于0则进入步骤7增加电压，如果电导与增量电导之和小于0进入步骤6减小电压。PIC微处理器内部自带的看门狗电路，由于高频功率电路存在很多干扰，为防止程序跑飞，在软件中还加入了看门狗程序。

Claims (4)

1、一种太阳能光伏发电最大功率跟踪器，其特征在于主要包括微处理器、PWM芯片TL598、DC-DC变换器；PIC16F877微处理器8路AD转换器中的5路AN0，AN1，AN2，AN3，AN4获得第一路太阳能光伏阵列的电压、电流、第二路光伏阵列的电压、电流、和最大功率跟踪器输出电压的信号，微处理器再经过运算分别得出第一路和第二路光伏阵列的最大功率点，通过微处理器的PWM口CCP1和CCP2完成数模转换，转换后的模拟信号参考点Vref，再分别给到PWM芯片TL598的一路偏差放大器的正端，实际采样的光伏阵列的工作点接到该偏差放大器的负端，通过RC电路构成PI环节，最后产生控制DC-DC变换器的PWM信号；电压的采样使用四个560k的电阻和11K的电阻串联，由11K的电阻分压得到采样电压信号；电流的采样使用霍尔电流传感器；微处理器的两路pwm输出完成DA转换，实现太阳能光伏阵列参考电压和输出电压最高值的给定，两个IO口SHUT1M、SHUT2M用来启动和关闭PWM芯片TL598。

2、根据权利要求1所述的太阳能光伏发电最大功率跟踪器，其特征在于所述的TL598的管脚1接输出电压采样信号VOUT，管脚2接设定的保护电压点的模拟信号，管脚1和管脚2构成TL598内部的偏差放大器一，管脚3为反馈端，管脚5接振荡电路电容，管脚5接振荡电路电阻，管脚7接地，管脚8和管脚9为PWM信号输出端，两路信号相同连接在一起，管脚10接地，管脚11和管脚12接15V电源，管脚13接地，表示Tl598工作单端工作状态，管脚14为5V电压参考输出端，VPV2为一路光伏的电压，它通过电阻[R20]接到TL598的管脚15端，管脚16接微处理器PIC16F877给定的光伏阵列的工作电压，15管脚和16管脚构成TL598内部的偏差比较器二；偏差放大器二和反馈端3构成比例积分(PI)调节，偏差放大器二的同相端16管脚接微处理器电路的给定的参考工作点，反相端15管脚接实际采样回来的信号；当实际电压高于给定电压时通过PI调节，增加占空比，反之则减小占空比；[R20]和[R34]构成比例环节，[R34]和[C12]构成积分环节，[R34]与[C13]给控制器增加了一个极点，主要作用是抑制高频增益，偏差放大器一用来做电压保护，同相端1管脚接实际的输出电压的采样信号，反相端接设定的模拟保护点；二极管[D13]在基准电压——管脚14的作用下导通产生大约0.7V的死区电压，接到tl598的死区控制端，使得最大占空比限制为75％左右。

3、权利要求1所述的太阳能光伏发电最大功率跟踪器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

系统开始工作后，首先进入步骤[1]检测第一路的电压，然后进入步骤[2]，判断第一路的电压是否已经高于150V，如果不高于150V，则进入步骤[12]关闭第一路，设定第一路的工作状态为关闭，否则进入步骤[3]，判断第一路光伏阵列是否已经开始工作，如果已经工作了则进入步骤[4]，利用最大功率跟踪算法进行寻优，否则进入步骤[5]，设定电路的初始工作点，并且记录第一路的工作状态为已经工作；然后进入步骤[6]，检测第二路光伏阵列的电压，随后进入步骤[7]，判断第二路的电压是否高于150V，如果不高于150V，则进入步骤[13]关闭第二路，设定第二路的工作状态为关闭，否则进入步骤[8]，判断第二路是否已经开始工作，如果已经开始工作则进入步骤[10]，利用最大功率跟踪算法进行寻优，否则进入步骤[9]，设定第二路的初始工作点，并且记录第二路的工作状态为已经工作，最后还可以进入步骤[11]，将检测到的数据发送出去，这样即使在系统运行的过程中，增加和减少支路，都不会对装置的正常工作产生影响，系统工作后首先设定初始工作点为0.9倍的输入电压，然后根据增量电导法的算法不断寻优即可。

4、按照权利要求1和3所述的太阳能光伏发电最大功率跟踪器及控制方法，其特征在于可用于多路光伏阵列，可实现双支路以及多支路的协调工作和即插即用。

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