專利名稱：一種太陽能發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種太陽能光伏電池板最大功率點(diǎn)追蹤控制的方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)能源需求的日益提高、生態(tài)環(huán)境的惡化喚起人們環(huán)保意識(shí) 的增強(qiáng)進(jìn)而激發(fā)人們開發(fā)和利用綠色新能源的欲望。太陽能作為一種沒有污染、取之不盡 用之不竭的新能源，正受到世界各國(guó)的高度重視，對(duì)太陽能的直接利用和太陽能光伏發(fā)電 的開發(fā)研究已經(jīng)進(jìn)入了 一個(gè)嶄新的時(shí)代。太陽能發(fā)電是由太陽電池吸收太陽光子將光能轉(zhuǎn)換為電能實(shí)現(xiàn)的。太陽電池的輸 出功率隨日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和所供給負(fù)載大小而變化，在每種特定的條件下都存在且只 存在一個(gè)最大值，如何使光伏發(fā)電系統(tǒng)總是工作在相應(yīng)條件下的最大功率點(diǎn)，是有效利用 太陽能發(fā)電中的一項(xiàng)重要技術(shù)。特別是目前太陽電池昂貴的價(jià)格和較低的光電轉(zhuǎn)換效率， 制約了太陽能光伏發(fā)電的普及和發(fā)展，充分發(fā)揮太陽電池的性能，最大限度地獲取光伏電 能，從而降低系統(tǒng)發(fā)電成本，是一個(gè)重要的研究課題。光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，亦稱為MPPT控制，是指系統(tǒng)在任何日照強(qiáng)度和 溫度條件下都能夠迅速跟蹤太陽電池的最大功率的一種控制方法。有許多研究機(jī)構(gòu)和專家 學(xué)者在MPPT控制方面提出了很多的理論和方法，其中最常用的方法是擾動(dòng)觀察法和增量 電導(dǎo)法。擾動(dòng)觀察法通過檢測(cè)光伏電池當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓和電流，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的輸 出功率，再將此功率與前一時(shí)刻的功率相比較，如果差值大于零，則在相同方向繼續(xù)調(diào)整電 壓；如果差值小于零，則在相反方向調(diào)整電壓。通過不斷地比較功率，調(diào)整電壓，逐步逼近最 大功率點(diǎn)。但該法在達(dá)到最大功率點(diǎn)后仍需不斷施加擾動(dòng)，因此，實(shí)際上光伏系統(tǒng)是在最大 功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行。增量電導(dǎo)法則是利用光伏電池的功率-電壓特性曲線，計(jì)算dP/dV( = I+dl/dV), 通過直接判斷Δν和八1，調(diào)整電壓，使(^/砍=0，即達(dá)到光伏電池的最大功率點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種不依賴太陽電池和驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性、總是能使太陽電池工作在 其最大功率點(diǎn)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)。其特征在于包括下列內(nèi)容(1)在如圖1所示由太陽能光伏電池板1、將太陽電池輸出的直流電變換為交流電 的逆變器2、控制器3和可變速負(fù)載裝置4等構(gòu)成的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，采用3點(diǎn)或3點(diǎn)以上 的多點(diǎn)采樣太陽電池的輸出電壓和電流，獲得2個(gè)或2個(gè)以上的輸出功率_電壓矢量。(2)上述(1)中的功率-電壓矢量是指在如圖2所示的光伏電池功率_電壓山形 曲線上，任意二點(diǎn)功率變化可用功率-電壓(P-V)坐標(biāo)系中如圖3所示的8個(gè)矢量和一個(gè) 零矢量來表示，時(shí)間上相鄰2個(gè)功率變化矢量的組合共可形成圖4所示的16種典型變化模式。逆變器輸出頻率依據(jù)這16種模式來調(diào)整。在控制精度要求更高的場(chǎng)合，還可由3個(gè)或 3個(gè)以上的功率-電壓矢量組合成更多的變化模式。這些模式能夠正確表現(xiàn)出光伏電池在 日照量一定和日照量變化及溫度變化時(shí)的輸出特性變化以及負(fù)載頻率的調(diào)整方法。(3)控制系統(tǒng)將前述⑴中的2個(gè)或2個(gè)以上的輸出功率_電壓矢量與前述(2) 中的模式進(jìn)行匹配，決定逆變器輸出頻率的調(diào)整方向和大小。控制系統(tǒng)所需調(diào)節(jié)輸出頻率 變化的大小由式(1)所示的單步功率變化量除以單步直流電壓變化量來判斷。即有 式中Af為下一步控制系統(tǒng)輸出頻率的變化量；ΔΡ為單步功率變化量；AV為單 步直流電壓變化量，K為調(diào)整系數(shù)。(4)上述逆變器輸出頻率的調(diào)整可以采用固定時(shí)間間隔或不固定時(shí)間間隔的方式 進(jìn)行，從簡(jiǎn)化控制算法的角度通常采用固定時(shí)間間隔方式，例如50msec。當(dāng)然這個(gè)時(shí)間間隔 可以根據(jù)控制精度要求被設(shè)置為1個(gè)載波周期或復(fù)數(shù)個(gè)載波周期。(5)上述電壓和電流的采樣在每個(gè)載波周期內(nèi)采樣1次或多次，取其平均值計(jì)算 輸出功率。本發(fā)明的有益效果是，通過檢測(cè)3次或3次以上采樣形成的2個(gè)或2個(gè)以上功 率_電壓矢量的變化，使系統(tǒng)能正確地應(yīng)對(duì)日射量等諸條件的急速變化，大大減少系統(tǒng)誤 判斷誤動(dòng)作的概率，確保系統(tǒng)能迅速和安定運(yùn)行在太陽電池最大輸出功率點(diǎn)上。


圖1是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成圖；圖2是太陽能光伏電池的伏安特性曲線；圖3是太陽能光伏電池的功率特性曲線；圖4是太陽能光伏電池輸出功率變化在功率_電壓坐標(biāo)系中的矢量表示；圖5是相鄰2個(gè)功率矢量組合形成的16種變化模式和與其對(duì)應(yīng)的逆變器頻率調(diào) 節(jié)方法具體實(shí)施例方式(1)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池板1、變頻器2 (包括儲(chǔ)能元件5和逆 變器6)、控制器3和可變速負(fù)載裝置4等構(gòu)成。光伏電池板1吸收光能，輸出直流電；儲(chǔ)能 元件5儲(chǔ)存或釋放電能，對(duì)實(shí)現(xiàn)最大功率控制起著非常重要的作用；逆變器包含6個(gè)半導(dǎo)體 開關(guān)，由控制器3來控制直-交變換；控制器3檢測(cè)太陽電池板1的輸出電壓和電流，執(zhí)行 MPPT算法；負(fù)載裝置4可以是獨(dú)立的設(shè)備如馬達(dá)、水泵等，也可以是并網(wǎng)裝置。(2)逆變部分的儲(chǔ)能元件通常為電解電容。根據(jù)能量守恒定律，光伏電池的輸出電 能與負(fù)載消耗的電能之差即為電解電容所儲(chǔ)存或釋放的電能。當(dāng)光伏電池的輸出功率大于 負(fù)載消耗的功率時(shí)，多余的電能被存儲(chǔ)到電解電容里，引起電容電壓的升高；反之，當(dāng)光伏 電池的輸出功率小于負(fù)載消耗的功率時(shí)，電解電容釋放其儲(chǔ)存的電能，電容電壓隨之下降。 因此，電解電容電壓值變化的大小，也反映出太陽能電池板和馬達(dá)消費(fèi)電力之間的差值大 小。只要檢出電能流向的變化，通過增減或保持逆變器輸出頻率來控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速亦即馬達(dá)的消費(fèi)功率，就可以使電能的生成和消費(fèi)保持平衡。而讓這個(gè)平衡點(diǎn)保持在太陽電池輸 出功率-電壓特性曲線的最高峰，就能使系統(tǒng)在太陽電池最大功率點(diǎn)運(yùn)行。(3)控制器4中主要包括微處理器、電壓電流檢測(cè)電路、半導(dǎo)體開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)和保 護(hù)電路，以及根據(jù)MPPT算法產(chǎn)生的6路PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)。(4)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)3次采樣光伏電池輸出電壓和電流， 生成2個(gè)功率矢量。(5)根據(jù)圖3所示光伏電池的功率-電壓特性曲線，在不同光照強(qiáng)度和溫度等條件 下，功率矢量有8種變化方向(VI V8)。這8個(gè)矢量的兩兩之間共有49種組合，典型的有 圖5所示的16種變化模式。圖中實(shí)線表示當(dāng)前采樣時(shí)的功率矢量，虛線表示上次采樣時(shí)的 功率矢量。+f表示增加逆變器輸出頻率，表示減小逆變器頻率，0表示維持逆變器頻率 不變。(6) I象限中的矢量V2表示光伏電池的輸出功率和電壓都在增力卩。說明光伏電池 的輸出功率大于負(fù)載所消費(fèi)的功率，電容處于充電狀態(tài)。光伏電池工作在圖3功率特性曲 線的左側(cè)，處于爬山狀態(tài)。此時(shí)需提升逆變器輸出頻率，讓馬達(dá)加速，增加負(fù)載消費(fèi)功率，促 使光伏電池輸出功率繼續(xù)增加，最后在最大功率點(diǎn)上取得功率的平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。(7) II象限中的矢量V4表示光伏電池的輸出功率在增加但電壓在減小。光伏電池 工作在圖3功率特性曲線的右側(cè)，也處于爬山狀態(tài)。此時(shí)須大幅提升逆變器輸出頻率讓馬 達(dá)更快加速，使負(fù)載消費(fèi)功率大于光伏電池輸出功率，不足電能由電解電容提供，這樣一方 面使電容電壓進(jìn)一步降低，另一方面使光伏電池輸出功率增加，光伏電池工作點(diǎn)逐步向最 大功率點(diǎn)移動(dòng)。(8) III象限中矢量V6表示光伏電池的輸出功率和電壓都在減小，光伏電池工作在 圖3功率特性曲線之左側(cè)，處于下山狀態(tài)。此時(shí)需要大幅降低逆變器輸出頻率使馬達(dá)更快 減速，馬達(dá)減速時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)能和光伏電池發(fā)出的多余電能一起儲(chǔ)存到電解電容里，促使 電容電壓升高，反過來增大光伏電池的輸出功率。(9) IV象限中矢量V8表示光伏電池的輸出功率在減小但電壓在上升。光伏電池工 作在圖3特性曲線的右側(cè)，也處于下山狀態(tài)。此種情形需要提高逆變器輸出頻率讓馬達(dá)加 速，使負(fù)載消費(fèi)功率大于光伏電池輸出功率，不足電能由電解電容提供，這樣可降低電容電 壓，阻止光伏電池功率的進(jìn)一步下滑，并促使光伏電池工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)方向移動(dòng)。(10)矢量Vl和V5表示光伏電池的輸出功率不變但電壓在升高或降低。光伏電池 工作在圖3特性曲線的頂點(diǎn)附近。此時(shí)系統(tǒng)平衡在最大工作功率點(diǎn)，所以只要維持逆變器 頻率即保持馬達(dá)轉(zhuǎn)速不變。(11)矢量V3和V7表示光伏電池在恒電壓運(yùn)行時(shí)輸出功率發(fā)生了變化。典型的例 子就是日照強(qiáng)度改變了，光伏電池工作點(diǎn)從圖3中一根特性曲線跳變到另一根曲線。此時(shí) 需要跟隨日照強(qiáng)度變化的大小，相應(yīng)地增減逆變器輸出頻率，使系統(tǒng)工作點(diǎn)基本不發(fā)生大 的偏移，一直穩(wěn)定在各特性曲線的最大功率點(diǎn)上。(13)從以上分析可以看出，理論上根據(jù)光伏電池輸出功率電壓的2次采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成的1個(gè)矢量的變化軌跡，也基本上可以對(duì)馬達(dá)的加減速作出判斷。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于 日照強(qiáng)度、溫度和其他一些因素的影響，存在判斷不及時(shí)或誤判斷的可能性。有些場(chǎng)合，由 于判斷的不正確，會(huì)造成系統(tǒng)電壓的急劇降低，引發(fā)控制系統(tǒng)死機(jī)或系統(tǒng)失控。因此，采用前次、上次和當(dāng)前3次采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成的2個(gè)矢量來決定馬達(dá)的增減速是比較理想的。
(14)由于馬達(dá)等一般都是慣性負(fù)載，在接近最大功率點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)幅度的大小有 可能使工作點(diǎn)沖過最大功率點(diǎn)。因此，負(fù)載頻率的變化要和光伏電池與負(fù)載功率之差值成 比例調(diào)整。
權(quán)利要求
一種具有自動(dòng)跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)的太陽能光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如圖1所示的太陽能光伏電池板1、將太陽電池輸出的直流電變換為交流電的逆變器2、最大功率跟蹤控制器3和可變速負(fù)載裝置4等構(gòu)成。前述太陽能光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過3點(diǎn)或3點(diǎn)以上的多點(diǎn)采樣光伏電池的電壓和電流，獲得2個(gè)或多個(gè)功率-電壓矢量，再利用2個(gè)或多個(gè)功率-電壓矢量的模式匹配，控制逆變器5的輸出頻率來調(diào)節(jié)負(fù)載功率，使負(fù)載消費(fèi)功率與太陽電池的最大功率相平衡，達(dá)到跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)控制的目的。
2.權(quán)利要求項(xiàng)目1中的功率-電壓矢量，是指如圖2所示的光伏電池功率-電壓山形 曲線上，任意二點(diǎn)功率變化可用功率-電壓(P-V)坐標(biāo)系中如圖3所示的8個(gè)變化矢量和一 個(gè)零矢量來表示。在時(shí)間上相鄰的2個(gè)功率-電壓矢量的典型組合共可形成圖4所示的16 種變化模式匹配，逆變器輸出頻率依據(jù)這16種模式來調(diào)整。在控制精度要求更高的場(chǎng)合， 還可由3個(gè)或多個(gè)功率-電壓矢量組合成更多的模式匹配。前述的這2個(gè)或多個(gè)功率-電 壓矢量的模式匹配可正確地表現(xiàn)出光伏電池在日照一定和日照變化時(shí)的輸出特性變化，控 制系統(tǒng)根據(jù)模式匹配來決定下一步輸出頻率也即輸出功率的調(diào)節(jié)方向，即決定增加或減少 輸出功率。
3.在前述權(quán)利要求項(xiàng)目中，控制系統(tǒng)所需調(diào)節(jié)輸出頻率變化的大小由式(1)所示的單 步功率變化量除以單步直流電壓變化量來判斷。即有Af = K-(1)AV式中△ f為下一步控制系統(tǒng)輸出頻率的變化量；ΔΡ為單步功率變化量；△ V為單步直 流電壓變化量，K為調(diào)整系數(shù)。
4.在請(qǐng)求項(xiàng)目3中，控制系統(tǒng)按照一定的時(shí)間間隔調(diào)節(jié)輸出頻率，采樣太陽能光伏電 池板的輸出電流、輸出電壓和功率。這個(gè)時(shí)間間隔可以被設(shè)置為1個(gè)載波周期，也可被設(shè)置 為復(fù)數(shù)個(gè)載波周期，更通常的做法是單獨(dú)設(shè)置為一個(gè)數(shù)十毫秒的周期，例如50msec。
5.在請(qǐng)求項(xiàng)目4中，太陽能光伏電池板的輸出電流、輸出電壓的采樣周期按載波周期 或載波周期的一半進(jìn)行。通過每個(gè)載波周期的電流、電壓功率，來計(jì)算得到前述整個(gè)頻率調(diào) 節(jié)周期內(nèi)的平均功率、平均電壓和平均電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種屬于太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域的太陽能光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，該方法特別適用于獨(dú)立太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其特征是系統(tǒng)運(yùn)行不需要測(cè)定太陽能光伏電池的特性和負(fù)載裝置的負(fù)荷特性，能在任何光照強(qiáng)度和溫度條件下工作在太陽電池的最大功率點(diǎn)。通過檢測(cè)光伏電池的輸出電壓和電流，獲得功率-電壓矢量的變化軌跡，將該軌跡與事先設(shè)定的16種變化模式相匹配，決定負(fù)載頻率調(diào)節(jié)方向和大小。通過調(diào)節(jié)負(fù)載頻率使負(fù)載消費(fèi)功率與光伏電池最大功率相平衡，實(shí)現(xiàn)太陽能光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。
文檔編號(hào)H02N6/00GK101841256SQ20091003014
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者姜松芳, 孔小明 申請(qǐng)人:孔小明;姜松芳