專利名稱：光伏組件的最大功率點跟蹤控制器及光伏組件系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及光伏組件的最大功率點跟蹤控制器及使用該控制器的光伏組件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在光伏組件中，由于環(huán)境條件(輻射強度、組件溫度、環(huán)境溫度、陰影遮擋、熱斑等)的變化，光伏組件的工作狀態(tài)也在隨時變化，要想取得陣列或組件對負(fù)載的最大功率輸出，必須對光伏組件進行實時狀態(tài)條件下的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,簡稱 MPPT)。MPPT控制的實質(zhì)上是一個動態(tài)尋優(yōu)過程，通過對光伏組件當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測，得到光伏組件的當(dāng)前輸出功率，將其與前一時刻功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果，改變工作點，使其向最大功率點不斷靠近，如此反復(fù)，直至達到最大功率點附近的一個極小區(qū)域內(nèi)。目前，MPPT技術(shù)在光伏組件中已得到廣泛應(yīng)用。MPPT控制系統(tǒng)主要有軟件控制和由升壓(Boost)或降壓(Buck)電路組成的直流-直流(DC-DC)變換電路兩部分組成。其中軟件控制對MPPT有至關(guān)重要的作用。目前的MPPT控制方式有多種，但基本控制方式主要有定電壓跟蹤法(CVT， Constant voltage Tracking)， ；動 Sfi iilj ^去(P&0，Perturbation and observation method)，電導(dǎo)增量法(Incremental conductance method)，其他的控制方式都是在以上三種控制方式的基礎(chǔ)上作了適當(dāng)?shù)母倪M。定電壓跟蹤法是利用光伏組件輸出最大功率時的工作電壓Um與開路電壓Uoc存在近似的比例關(guān)系這一特性進行控制的一種最大功率點跟蹤控制方法。這種辦法簡單易行，但對溫度變化而導(dǎo)致功率浮動不能有效應(yīng)對。因此只能粗略地跟蹤，較少被采用。定電壓跟蹤法的控制方法如下
令 Um=a*Uoc (a=0. 70—0. 83)， 若UCUm實際工作點在最大功率點左側(cè)， 若U=Um實際工作點在最大功率點， 若UXM實際工作點在最大功率點右側(cè)。擾動觀察法是通過不斷調(diào)節(jié)MPPT電路的工作狀態(tài)來比較電路調(diào)整前后光伏組件輸出功率和輸出電壓的變化情況，再根據(jù)變化情況調(diào)整MPPT電路的工作，最后使光伏組件工作在最大功率點附近，MPPT電路在每個控制周期用較小的步長改變光伏組件的輸出電壓或電流，可以是增加也可以是減小，然后，通過比較該周期前后光伏組件的輸出功率，如果輸出功率增加，那么按照上一周期的方向繼續(xù)改變；如果檢測到輸出功率減小，則向相反的方向改變。這樣，光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點，最終在其附近的一個較小范圍往復(fù)達到穩(wěn)態(tài)。擾動觀察法的控制方法如下
若dP/dU< 0實際工作點在最大功率點右側(cè)若dP/dU= 0實際工作點在最大功率點若dP/dU> 0實際工作點在最大功率點左側(cè)
電導(dǎo)增量法是對擾動觀察法的改進。其控制思想與擾動觀察法類似，也是利用dP/dU 的方向進行最大功率點跟蹤控制，只是光伏器件工作在最大功率點時控制有所不同。可以看出，以上方法的控制思想均基于以下條件
1、I-U曲線的形態(tài)在最大功率點偏移時并無變化；
2、I-U曲線僅存在一個極值點，且為最大功率點；
事實上，光伏組件在受到遮擋或因某種原因產(chǎn)生熱斑效應(yīng)時。其曲線形態(tài)可能發(fā)生較大的變化，曲線可能產(chǎn)生兩個或兩個以上的極值點，在這種情況下，用以上的跟蹤方法，就不能完成對最大功率點跟蹤，只能跟蹤靠近系統(tǒng)狀態(tài)變化前最大功率點的那個極值點，而這個極值點在具有多極值點的I-U曲線上并不一定是最大功率點，從而使以上跟蹤方法可能失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光伏組件的最大功率點跟蹤控制器，使得最大功率點跟蹤準(zhǔn)確。為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種光伏組件的最大功率點跟蹤控制器，包括用以電壓信號與電流信號采集的信號采集部分、用以將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號的ADC轉(zhuǎn)換器、MCU單片機、開關(guān)管及DC-DC網(wǎng)路。作為本發(fā)明的方法進一步改進，所述信號采集部分包括用以采集電壓信號的分壓電阻。作為本發(fā)明的方法進一步改進，所述信號采集部分包括電流信號的霍爾電流傳感
ο本發(fā)明的目的在于提供一種具有最大功率點跟蹤控制器的光伏組件系統(tǒng)，使得光伏組件可以工作在最大功率點。為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種具有最大功率點跟蹤控制器的光伏組件系統(tǒng)，其包括光伏組件、最大功率點跟蹤控制器、DC-DC變換器及負(fù)載，所述最大功率點跟蹤控制器包括用以電壓信號與電流信號采集的信號采集部分、用以將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號的ADC轉(zhuǎn)換器、MCU單片機、開關(guān)管及DC-DC網(wǎng)路。作為本發(fā)明的方法進一步改進，所述信號采集部分包括用以采集電壓信號的分壓電阻。作為本發(fā)明的方法進一步改進，所述信號采集部分包括電流信號的霍爾電流傳感
ο相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的最大功率點跟蹤跟蹤控制器及具有最大功率點跟蹤控制器的光伏組件系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、及時、有效地跟蹤最大功率點，提高光伏組件的發(fā)電效率。


圖1是光伏組件的特性曲線圖。圖2是溫度為25攝氏度不同光照強度下的光伏組件的I-U特性曲線圖。
圖3是多極值點的I-U特性曲線圖。圖4是多極值點的P-U特性曲線圖。圖5是第一實施例的光伏組件的最大功率點跟蹤方法控制流程圖。圖6是第二實施例的光伏組件的最大功率點跟蹤方法控制流程圖。圖7是本發(fā)明光伏組件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明光伏組件的MPPT控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，其顯示了光伏組件的特性曲線，從圖1中可以看出，光伏組件伏安I/U 特性曲線具有強烈的非線性，它既非恒電壓源，也非恒電流源，也不可能為負(fù)載提供任意大的功率P，是一種非線性直流電源，其輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開路電壓時，電流下降率很大。光伏組件存在一個開路電壓值Uoc及一個短路電流值ISC。 光伏組件理論上存在一個最大功率點功率值Rn，此時對應(yīng)一個最大功率點電壓值Um及最大功率點電流值加。如圖2所示，其顯示了在溫度為25攝氏度的情況下，不同光照強度下的光伏組件的I-U特性曲線圖，從圖2中可以看出，隨著光照強度的增大，最大功率值也在增大。如圖3及圖4所示，在光伏組件的實際使用中，可能存在多個功率點峰值的情況， 在本實施例中，僅畫出兩個峰值Riil及Rii2作為示意。請參圖5所示，是第一實施例的光伏組件10的最大功率點跟蹤方法，該方法主要有兩大控制策略完成，其中第一控制策略為用第一步長值Z Ul在一定范圍內(nèi)搜尋，以確定出近似的最大功率點IV，并確定出對應(yīng)的電壓值^1’ ；第二控制策略為用小于第一步長值 」Ul的第二步長值Z U2在近似最大功率點P’ m附近精確跟蹤，從而確定光伏組件10的最大功率點P’ m。所述第一控制策略包括如下步驟 1. 1檢測光伏組件10的開路電壓Uoc ；
1.2確定檢測范圍，在本實施例中，一定范圍為起始電壓值為0，終止電壓值為Uoc ； 1. 3確定第一步長值」U1，在本實施例中，第一步長值」Ul的取值范圍為l%Uoc的至 10%Uoc ；
1. 4令電壓值Ul=O ；令近似最大功率值P’ m=0 ；
1. 5檢測此電壓值Ul對應(yīng)的輸出電流，計算出此電壓值Ul對應(yīng)的功率Pl ； 1.6若Pl<P’m，則，令P’m=P’m，繼續(xù)下一點檢測比較； 若P1=P，m，則，令P，m= Pl，繼續(xù)下一點檢測比較；
若P1>P’ m,則，令P’ m= Pl,同時記錄下對應(yīng)的電壓值U’ m,繼續(xù)下一點檢測比較；
1.7檢測電壓值Ul是否等于Uoc: 若電壓值Ul小于Uoc，則繼續(xù)以第一步長值」Ul增加電壓值U1，并重新回到步驟1.5， 再從步驟1. 5開始以新的電壓值Ul重新執(zhí)行步驟1. 5-1. 7 ；
若電壓值Ul等于Uoc，則，第一控制策略完成，找到光伏組件10的近似最大值P’ m,及對應(yīng)的電壓值U’m。接著開始第二控制策略，所述第二控制策略包括如下步驟2. 1在電壓值U’ m附近以第二步長值」U2改變電壓值U2 ； 2.2檢測此當(dāng)前電壓值U2對應(yīng)的輸出電流，計算出此電壓值對應(yīng)的功率值P2 ； 若(P2-P’m) / (U2-U'm) <0，則，實際功率點在最大功率點右側(cè)，此時減小電壓值； 若(P2-P'm) / (U2-U'm) >0，則，實際功率點在最大功率點左側(cè)，此時增加電壓值； 若(P2-P’m) / (U2-U'm) =0，則，此時的實際功率點為光伏組件10的實際最大功率點， 維持在該電壓值工作。第一實施例的光伏組件10的最大功率點跟蹤方法還包括步驟3 重復(fù)循環(huán)步驟 1. 1-2. 2，以達到實際最大功率點的動態(tài)尋優(yōu)。在實際情況下，很難找到(P2-P’ m)/ (U2_U’ m)=0的情況，更多的情況是(P2_P’ m) / (U2-U’m)的比值趨近于0，因此在實際使用中，可以規(guī)定一個值a，a為一個大于零的數(shù)值，當(dāng)I (P2-P，m)/ (U2-U'm) | <a時，則可認(rèn)為跟蹤到最大功率點。若a設(shè)置的過大，則跟蹤不精確，若a設(shè)置過小，則系統(tǒng)的CPU忙于計算，而功率輸出并無太大變化，因此a的設(shè)定可以根據(jù)實際的情況而定。因此，實際使用中，若(P2-P'm)/ (U2-U’m)<-a，則，實際功率點在最大功率點右側(cè)，此時減小電壓值；若(P2-P’m)/ (U2-U’m)>a，則，實際功率點在最大功率點左側(cè)，此時增加電壓值；若-a含(P2-P，m)/ (U2_U’m)含a，則，此時的實際功率點為光伏組件10的實際最大功率點，維持在該電壓值工作。即本申請中的0不是數(shù)學(xué)意義中的 0，應(yīng)為大于等于-a小于等于a范圍內(nèi)的數(shù)值，為了方便表示而寫成0。第一實施例的光伏組件10的最大功率點跟蹤方法還包括在重復(fù)循環(huán)步驟 1. 1. -2. 4之間，還具有一個延時時間T，該延時時間T可以界定到5秒到2分鐘之間，特別地，將延時時間T設(shè)定在20秒到50秒之間將達到較佳效果。請參圖6所示，是第二實施例的光伏組件10的最大功率點跟蹤方法，該方法主要有兩大控制策略完成，其中第一控制策略為用第一步長值Z Ul在一定范圍內(nèi)搜尋，以確定出近似的最大功率點IV，并確定出對應(yīng)的電壓值^1’ ；第二控制策略為用小于第一步長值 」Ul的第二步長值Z U2在近似最大功率點P’ m附近精確跟蹤，從而確定光伏組件10的最大功率點P’ m。所述第一控制策略包括如下步驟 1. 1檢測光伏組件10的開路電壓Uoc ；
1.2確定檢測范圍，在本實施例中，一定范圍為起始電壓值為10%Uoc，終止電壓值為 90%Uoc ；
1. 3確定第一步長值」U1，在本實施例中，第一步長值」Ul的取值范圍為l%Uoc的至 10%Uoc ；
1.4調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(Pulse Width Modulation, PMW)的占空比，使得電壓值 Ul=10%Uoc ；
1.5檢測此電壓值Ul對應(yīng)的輸出電流，計算出此電壓值Ul對應(yīng)的功率Pl ； 1. 6調(diào)用子程序一，子程序一包括如下步驟 初始化近似最大功率值P’ m，令近似最大功率值P’ m=0 ； 若Pl>P，m，則，令P，m= Pl，繼續(xù)下一點檢測比較； 若P1=P，m，則，令P，m= Pl，繼續(xù)下一點檢測比較；
若P1<P’ m,則，令P’ m=P' m,同時記錄下對應(yīng)的電壓值U’ m,繼續(xù)下一點檢測比較；
61.7檢測電壓值Ul是否等于90%Uoc
若電壓值Ul小于90%Uoc，則調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(Pulse Width Modulation, PMW)的占空比，繼續(xù)以第一步長值」Ul增加電壓值U1，并重新回到步驟1. 5，再從步驟1. 5開始以新的電壓值Ul重新執(zhí)行步驟1. 5-1. 7 ；
若電壓值Ul等于90%Uoc，則，第一控制策略完成，找到光伏組件10的近似最大值P’ m， 及對應(yīng)的電壓值U’m。接著開始第二控制策略，所述第二控制策略包括如下步驟
2.1調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(Pulse Width Modulation, PMW)的占空比，使得電壓值 U2=U' m+」U2 ；
2.2檢測此當(dāng)前電壓值U2對應(yīng)的輸出電流，計算出此電壓值對應(yīng)的功率值P2 ； 2.3調(diào)用子程序二，子程序二包括如下步驟 初始化Pm=P' m ；上一次測得的電壓值以U’ 2表示， 當(dāng) P2>Rn，
若U2> U'2，則，實際功率點在最大功率點左側(cè)，此時正向改變電壓值U2 ； 若沢U'2，則，實際功率點在最大功率點右側(cè)，此時反向改變電壓值U2 ； 當(dāng) P2<Rn，
若U2> U'2，則，實際功率點在最大功率點右側(cè)，此時反向改變電壓值U2 ； 若U2< U'2，則，實際功率點在最大功率點左側(cè)，此時正向改變電壓值U2 ；
2.4判斷(P2-Pm) / (U2- U，2)是否等于0，即dP/dU2是否等于0
若不等于0，則，調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(Pulse Width Modulation, PMW)的占空比改變電壓值U2，同時根據(jù)子程序二中的判斷，確定是正向增加還是反向減小第二步長值Z U2，并重新回到步驟2. 2，再從步驟2. 2開始以新的電壓值U2重新執(zhí)行2. 2-2. 4 ； 若等于0，則，此時的實際功率點P2為光伏組件10的最大功率點Rii。第二實施例的光伏組件10的最大功率點跟蹤方法還包括步驟3 重復(fù)循環(huán)步驟 1. 1-2. 4，以達到實際最大功率點的動態(tài)尋優(yōu)。在實際情況下，很難找到(P2-Pm) / (U2- U' 2) =0的情況，更多的情況是(P2_Pm) / (U2- U'2)的比值趨近于0，因此在實際使用中，可以規(guī)定一個值a，a為一個大于零的數(shù)值，當(dāng)-a彡(P2-Pm)/ (U2- U'2)彡a時，既可認(rèn)為跟蹤到最大功率點。若a設(shè)置的過大， 則跟蹤不精確，若a設(shè)置過小，則系統(tǒng)的CPU忙于計算，而功率輸出并無太大變化，因此a的設(shè)定可以根據(jù)實際的情況而定，為了方便表示而寫成0。第二實施例的光伏組件10的最大功率點跟蹤方法還包括在重復(fù)循環(huán)步驟 1. 1. -2. 4之間，還具有一個延時時間T，該延時時間T可以界定到20秒到2分鐘之間，特別地，將延時時間T設(shè)定在20秒到50秒之間將達到較佳效果。該方法還可包括在外界光照強度或者溫度的變化量，系統(tǒng)決定再次啟動最大功率值尋優(yōu)。從而使得本光伏組件10 —直工作在最大功率值附近，以提升光伏組件10的發(fā)電效率。在兩個實施例中，關(guān)于第一步長」Ul及第二步長」U2的選擇，若選擇較大，則可以很快確定最大功率點的大概位置，提高系統(tǒng)的跟蹤速度，若選擇較小，則可以較精確地跟蹤最大功率點Rn，當(dāng)然，也會降低系統(tǒng)的跟蹤速度。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，最大功率點跟蹤方法先以較大步長進行全局最大功率點檢測全局的近似最大功率點，在以較小步長在近似最大功點附近進行精確跟蹤，因此，可以在光伏組件10具有多個功率極值點的情況下，準(zhǔn)確地跟蹤到光伏組件10的全局最大極值點，避免了工作點或跟蹤點始終被束縛在某一極值點附近而無法檢測到其他極值點這一情況的發(fā)生，從而能準(zhǔn)確、及時、有效地跟蹤最大功率點，提高光伏組件10的發(fā)電效率。如圖7所示，是本發(fā)明的光伏組件10的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其包括光伏組件10、MPPT控制器20、DC-DC變換器30及與DC-DC變換器30連接的負(fù)載40。所述MPPT控制器20可以檢測光伏組件10的電壓和電流。光伏組件10和MPPT控制器20均與DC-DC變換器連接30。如圖8所示是本發(fā)明的MPPT控制器20的原理示意圖，其主要包括信號采集部分 21、ADC轉(zhuǎn)換器22、MCU單片機23、開關(guān)管M及DC-DC網(wǎng)路25。所述信號采集部分21主要是電壓信號和電流信號的采集，其中，電壓信號的采集可采用分壓電阻，電流信號的采集可采用霍爾電流傳感器；并對獲得電壓、電流模擬信號進行處理。所述ADC轉(zhuǎn)換器22部分將電壓、電流模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號
所述MCU單片機23是系統(tǒng)的計算、控制中心。它根據(jù)程序要求，計算、比較電壓、功率等數(shù)值，并根據(jù)程序要求作出控制策略的選擇，并通過輸出各種信號控制開關(guān)管M的導(dǎo)通狀態(tài)，以調(diào)整電壓，從而達到調(diào)整功率的目的。MCU根據(jù)P=I*U計算出功率。所述開關(guān)管M及DC-DC網(wǎng)路25是功率調(diào)整的執(zhí)行器件，所述開關(guān)管M與DC-DC 網(wǎng)路25共同完成對電壓或功率的調(diào)整。MPPT控制器20從光伏組件10采集的電流電壓信號可用于系統(tǒng)的其他輔助功能。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的范圍，即凡是依本發(fā)明權(quán)利要求書及發(fā)明說明書內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光伏組件的最大功率點跟蹤控制器(20)，其特征在于，包括用以采集電壓信號與電流信號的信號采集部分(21)、用以將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號的ADC轉(zhuǎn)換器(22)、MCU單片機(23)、開關(guān)管(24)及DC-DC網(wǎng)路(25)。
2.如權(quán)利要求1所述的光伏組件的最大功率點跟蹤控制器，其特征在于所述信號采集部分(22 )包括用以采集電壓信號的分壓電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的光伏組件的最大功率點跟蹤控制器，其特征在于所述信號采集部分(22)包括電流信號的霍爾電流傳感器。
4.一種具有最大功率點跟蹤控制器的光伏組件系統(tǒng)，其包括光伏組件(10)、最大功率點跟蹤控制器(20)、DC-DC變換器(30)及負(fù)載(40)，其特征在于，所述最大功率點跟蹤控制器包括用以電壓信號與電流信號采集的信號采集部分(21)、用以將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號的ADC轉(zhuǎn)換器(22),MCU單片機(23)、開關(guān)管(24)及DC-DC網(wǎng)路(25)。
5.如權(quán)利要求4所述的具有最大功率點跟蹤控制器的光伏組件系統(tǒng)，其特征在于所述信號采集部分(22 )包括用以采集電壓信號的分壓電阻。
6.如權(quán)利要求4所述的具有最大功率點跟蹤控制器的光伏組件系統(tǒng)，其特征在于所述信號采集部分(22)包括電流信號的霍爾電流傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光伏組件的最大功率點跟蹤控制器及具有該控制器的光伏組件系統(tǒng)，所述最大功率點跟蹤控制器包括用以電壓信號與電流信號采集的信號采集部分、用以將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號的ADC轉(zhuǎn)換器、MCU單片機(23)、開關(guān)管及DC-DC網(wǎng)路。本發(fā)明的最大功率點跟蹤控制器可以使得具有該控制器光伏組件系統(tǒng)準(zhǔn)確、及時、有效地跟蹤最大功率點，提高光伏組件的發(fā)電效率。
文檔編號G05D3/12GK102545697SQ201010604788
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者閆廣川 申請人:常熟阿特斯陽光電力科技有限公司, 阿特斯(中國)投資有限公司