專利名稱：一種光伏電池最大功率跟蹤裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光伏發(fā)電裝置的應用，尤其是一種光伏電池最大功率跟蹤裝置。
背景技術：
光伏發(fā)電系指太陽光照射到光伏電池上，光伏電池將太陽能光的光能轉換成電能再加以應用。通常，光伏電池輸出的電能需要后接功率變換器進一步處理后方能供給負載使用。由于光伏電池輸出伏安特性呈特殊下降曲線，其輸出功率存在最大值，輸出功率最大值對應的輸出電流和輸出電壓即是最大功率工作點，如

圖1所示，圖1中，I、u、p分別為光伏電池的輸出電流、輸出電壓和輸出功率，Pmax、I ppT> Umppt分別為光伏電池的最大輸出功率、最大功率點對應的輸出電流和輸出電壓。由于光伏電池的光電轉換效率太低(實驗室條件下最高也未超過30%)，為了使光伏電池輸出的電能得到充分的利用，應當使光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)。為了使光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)，一般系通過微處理器(DSP、單片機等) 執(zhí)行最大功率跟蹤算法(以下簡稱MPPT，Maximum Power Point Tracking)，控制功率變換器工作，使光伏電池輸出電壓等于最大功率點對應的電壓來實現(xiàn)的，其基本原理框圖如圖2 所示。參照圖2，光伏發(fā)電系統(tǒng)首先檢測光伏電池的輸出電壓U和輸出電流I，得到相應的檢測信號us、Is。MPPT環(huán)節(jié)根據(jù)檢測到的Us、Is信號執(zhí)行最大功率點跟蹤算法，得到最大功率點電壓的給定值&。電壓檢測信號Us作為光伏電池電壓控制環(huán)節(jié)的反饋信號與給定值&比較，其偏差送入電壓控制器進行閉環(huán)控制運算，運算得到控制量U。。U。作為功率變換器的控制信號，通過控制功率變換器，使光伏電池電壓工作在最大功率點工作電壓，從而使光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)。2007年41卷第5期的《電力電子技術》刊登了一篇《幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進》的技術文章，公開了幾種現(xiàn)有的MPPT技術方案技術方案1 恒壓控制法(Constant Voltage Tracking CVT)。恒壓跟蹤法的基本原理是當溫度一定時，不同光強下光伏電池的最大功率點電壓幾乎落在同一根垂直線的兩側附近， 則該垂線對應的工作電壓可近似認為是光伏電池最大功率點電壓。使光伏電池工作在此電壓點上，可近似認為光伏電池輸出最大功率。如圖3所示，圖3中，P為光伏電池輸出功率， U為光伏電池輸出電壓。由圖3可見，光伏電池的恒壓跟蹤電壓軌跡與實際最大功率點軌跡并不重合，只是一種近似跟蹤。技術方案2:擾動觀察法(Perturbation & Observation P&0法，也稱爬山法)。擾動觀察法的基本原理是通過比較采樣到的光伏電池本次輸出功率和上次輸出功率的大小來決定增加或減小光伏電池電壓來實現(xiàn)MPPT。擾動觀察法跟蹤原理如圖4所示。參照圖4，若光伏電池本次輸出功率與上次輸出功率之差ΔΡ>0，表明當前電壓調整方向代表了功率增大的方向，則下一次應沿著此方向調整光伏電池工作電壓；若ΔΡ<0，表明當前電壓調整方向代表功率減小的方向，則下一次應沿著此方向的反方向調整光伏電池工作電壓。通過不斷的比較調整，使光伏電池的輸出功率最終趨近于最大輸出功率。技術方案3:增量電導法。該方法的基本原理是由圖4可知，當dP/dU>0 (即dI/dU>_I/U)時， 當前光伏電池工作點在最大功率點的左側，此時光伏電池工作電壓U的調整方向應當是增加，當dP/dU<0 (即dl/du<-l/u)時，當前光伏電池工作點在最大功率點的右側，此時光伏電池工作電壓U的調整方向為減小。直到調整到dP/dU=0 (即dl/du=-l/u)。但是，現(xiàn)有的三種技術方案都存在著難以克服的缺陷技術方案1，該方案的缺點是只能跟蹤光伏電池的固定電壓，而在不同光照不同溫度時，光伏電池最大功率點的電壓實際是變化的。因此該方法并不能真正跟蹤光伏電池最大功率，存在功率損失。技術方案2 理論上，該方案是真正的最大功率跟蹤方案，當處于穩(wěn)定狀態(tài)時，光伏電池的輸出功率將在最大功率點附近來回震蕩，震蕩幅度與電池電壓調整幅度有關。電壓調整幅度越小，則功率震蕩幅度越小，但跟蹤速度越慢；電壓調整幅度越大，則跟蹤速度越快，當功率震蕩幅度越大，造成功率損失越大。技術方案3 該方案理論上均有較高的跟蹤精度和穩(wěn)定度，但是該方案涉及到微分(差分)運算和除法運算，由于檢測光伏電池電壓和電流的傳感器精度有限，該方法實際上也存在一定的最大功率跟蹤誤差，且算法較復雜?，F(xiàn)有技術的光伏電池最大功率跟蹤方法，均只考慮了如何搜索到光伏電池的最大功率點，未考慮光伏電池在特殊情況下，如輸出功率過小或者過大時，如何讓光伏發(fā)電系統(tǒng)
正?？煽抗ぷ?。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是本實用新型還提供了一種適用于光伏發(fā)電裝置的光伏電池的最大功率跟蹤裝置，所述裝置在光伏電池輸出功率不足的情況下，使光伏電池工作在規(guī)定的某一工作電壓，該工作電壓系光伏發(fā)電裝置允許的最低工作電壓；當光伏電池輸出功率足夠時的情況下，光伏發(fā)電裝置進入最大功率跟蹤狀態(tài)，使光伏電池輸出最大功率；若光伏電池輸出功率過大，超出光伏發(fā)電裝置正常工作允許的范圍，則將光伏電池的輸出功率限制在輸出功率上限值，防止損壞光伏發(fā)電裝置。為了解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案是一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，包括光伏電池，所述光伏電池的輸出端依次連接有功率變換器及濾波電路，還包括一控制光伏電池最大功率跟蹤的微處理器，所述微處理器的輸入端連接有分別檢測光伏電池輸出端電壓和電流的電壓傳感器和電流傳感器，所述微處理器的控制端連接有檢測濾波電路輸出端電壓和輸出電流的輸出電壓檢測器和輸出電流檢測器，所述微處理器的輸出端連接有一功率驅動器，所述功率驅動器的輸出端與功率變換器的控制端連接。[0022]進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述微處理器包括一個最大功率跟蹤單元，所述最大功率跟蹤單元的輸出端連接有一個比較器，所述比較器的輸入端還連接有電壓傳感器的輸出，所述比較器的輸出依次連接有一光伏電池電壓控制單元和內環(huán)控制單元，所述內環(huán)控制單元的控制端連接有輸出電壓檢測器和輸出電流檢測器的輸出信號，所述內環(huán)控制單元的輸出端與功率驅動器連接。優(yōu)選的，所述微處理器為單片機或者DSP。本實用新型的有益效果是本實用新型通過增加對光伏電池最大功率跟蹤的微處理器，在實現(xiàn)光伏電池最大功率跟蹤的同時，考慮了光伏電池輸出功率過小或過大情況的處理。在光伏電池輸出功率過小的情況下，將光伏電池輸出電壓維持在最低工作電壓，避免無意義的最大功率搜索導致的光伏電池電壓不穩(wěn)定；在光伏電池輸出功率過大，超出功率上限值時，將光伏電池輸出功率穩(wěn)定在輸出功率上限值，實現(xiàn)限功率功能，避免將光伏電池過大的輸出功率注入光伏發(fā)電裝置造成設備損壞。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步說明圖1是典型光伏電池伏安特性曲線及輸出功率曲線；圖2是現(xiàn)有技術MPPT控制基本原理框圖；圖3是恒壓跟蹤法原理示意圖；圖4是本實用新型擾動觀察法跟蹤原理圖；圖5是本實用新型裝置MPPT方案的控制框圖；圖6是本實用新型MPPT實施原理示意圖；圖7是本實用新型最大功率跟蹤方法的主流程圖；圖8是本實用新型步驟S3的子流程圖；圖9是本實用新型步驟S6的子流程圖；圖10是本實用新型最大功率跟蹤方法一實施例的具體流程圖。
具體實施方式
本實用新型方法適用于以微處理器(如單片機、DSP)為控制核心的光伏發(fā)電裝置， 如光伏離網(wǎng)逆變器、光伏并網(wǎng)逆變器或光伏充電器等，參照圖5，所述光伏發(fā)電裝置的結構及控制原理如下微處理器4通過電壓傳感器2和電流傳感器3檢測光伏電池1的輸出電壓和輸出電流，得到檢測信號Ud。、Id。。微處理器4中的最大功率跟蹤單元5根據(jù)讀取的Ud。、Id。計算光伏電池1的輸出功率Pd。，并判斷光伏電池1的工作狀態(tài)，執(zhí)行MPPT控制運算，進而得到光伏電池的輸出電壓給定值Urefdc0輸出電壓給定值Urefdc與Udc信號通過比較器6求差，得到偏差^。偏差ed。作為光伏電池電壓控制單元7的輸入信號，經(jīng)過電壓控制單元7的運算，得到內環(huán)控制單元8的給定值信號ug (如果光伏發(fā)電裝置系逆變器)，則給定值信號Ug 應為正弦給定值的幅值信號)。內環(huán)控制單元8可以是根據(jù)輸出電壓檢測器10的反饋信號 u。f來調控的輸出電壓控制環(huán)節(jié)，也可以是根據(jù)輸出電流檢測器11的反饋信號i。f來調控的輸出電流控制環(huán)節(jié)，應當視光伏發(fā)電裝置的類型而定。給定值信號Ug與反饋信號u。f或i。f在內環(huán)控制單元8比較運算后(如果光伏發(fā)電裝置為逆變器，則給定值信號Ug與正弦信號相乘后作為給定值再與反饋信號ii。f或i。f在內環(huán)控制單元8比較運算)，得到功率變換器 12的PWM驅動信號，PWM驅動信號經(jīng)過功率驅動器9將功率放大，使功率變換器12的開關器件工作。功率變換器12將光伏電池1輸出的直流電能變換成另一種電能，在經(jīng)濾波電路 13濾波后，供給負載14使用(當光伏發(fā)電裝置為并網(wǎng)逆變器時，負載是電網(wǎng))。參照圖7，本實用新型一種光伏電池最大功率跟蹤方法，包括以下步驟Si.檢測光伏電池的輸出電壓Ud。和輸出電流Id。，并計算光伏電池的輸出功率Pd。；S2.將光伏電池的輸出功率Pd。與第一參考功率Pdcmin比較，所述第一參考功率 Pdcfflin為光伏發(fā)電裝置執(zhí)行正常MPPT控制所能識別的最小功率，若輸出功率Pd。小于等于第一參考功率Pdcmin，則執(zhí)行步驟S3，否則跳轉至步驟S4 ；S3.將光伏電池的輸出電壓給定值Urefdc維持在正常工作的最低電壓Udcmin ；S4.將光伏電池的輸出功率與第二參考功率Pdemax比較，所述第二參考功率Pdcmax為光伏電池最大允許輸出功率，若輸出功率Pd。大于等于第二參考功率Pdcmax，則執(zhí)行步驟S5， 否則跳轉至步驟S6 ；S5.對光伏電池的輸出電壓給定值UMfd。按一定步長Ustep上調，然后進入步驟S7 ；S6.對光伏電池的輸出電壓Ud。進行擾動觀察法控制，然后進入步驟S7 ；S7.保存本次計算所得的光伏電池的輸出功率Pd。并賦值為反饋功率Pd。。。進一步作為優(yōu)選的實施方式，參照圖8，所述步驟S3的具體流程為S31.判斷光伏電池的輸出電壓給定值UMfd。是否小于等于正常工作的最低電壓 Ud。min，若是則執(zhí)行步驟S32，若否則執(zhí)行步驟S33 ；S32.將正常工作的最低電壓Udemin賦值給光伏電池的輸出電壓給定值U,efd。，然后執(zhí)行步驟S7 ；S33.將光伏電池的輸出電壓給定值Urefd。按一定步長Ustep下調，然后執(zhí)行步驟 S7。進一步作為優(yōu)選的實施方式，參照圖9，所述步驟S6擾動觀察法的具體流程為S61.將本次計算所得光伏電池的輸出功率Pde與上次計算所得光伏電池的輸出功率即反饋功率Pd。。比較，若本次的輸出功率Pd。大于等于反饋功率pd。。，則執(zhí)行步驟S63，否則執(zhí)行步驟S62 ；S62.改變光伏電池輸出電壓給定值Urefdc的調整方向，然后執(zhí)行S63 ；S63.按確定的光伏電池輸出電壓給定值Urefdc的調整方向和步長Ustep調整輸出電壓給定值U
refdc°進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟S6采用增量電導法對光伏電池輸出電壓 Udc進行最大功率跟蹤。參照圖6，MPPT的實施過程如下光伏發(fā)電裝置在運行時，不斷檢測光伏電池的輸出電壓Udc和輸出電流Id。，并計算輸出功率pd。。(1)如果輸出功率Pd。小于第一參考功率Pdcmin，通過圖5所示之光伏電池電壓控制環(huán)節(jié)7，使光伏電池輸出電壓給定值Ureftl。按一定的調整步長下降。若光伏電池輸出電壓給定值Urefd。下降過程中，光伏電池輸出功率Pd。始終小于第一參考功率Pd。min，如圖6之曲線1，則將光伏電池輸出電壓Ud。調整到光伏發(fā)電裝置正常工作的最低電壓Udcmin并維持該電壓，如圖6之A點。(2)若輸出功率Pd。大于第一參考功率Pd。min，如圖6之曲線2，則光伏發(fā)電裝置采用擾動觀察法實施MPPT跟蹤，并最終達到最大功率點B (或該點附近)，此時光伏電池輸出最大功率Pmppt。(3)若光伏發(fā)電裝置在最大功率跟蹤過程中，檢測到輸出功率 Pdc大于光伏電池最大允許輸出功率上限第二參考功率Pdcmax (必須將光伏電池輸出功率Pd。 限制在一定范圍內，如果不加限制，則過大的光伏電池輸出功率Pd。通過光伏發(fā)電裝置時有可能損壞該裝置)，如圖6之曲線3，則應通過圖5所示之光伏電池電壓控制環(huán)節(jié)7，將光伏電池輸出電壓Udc控制在第二參考功率Pd。max對應的電壓點Ulimit上。(4)光伏電池在最大功率跟蹤過程中，光伏電池電壓控制環(huán)節(jié)的給定值均不應小于最小電壓Ud。min，如圖6所示之工作點E、D，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常工作。當光伏電池電壓小于等于最小電壓Ud。min 時，應當增加輸出電壓給定值UMfd。，使 輸出電壓Udc大于最小電壓Udcmin，以免出現(xiàn)母線電壓崩潰。參照圖10，本實用新型的一個具體實施例的工作流程，MPPT控制通過微處理器軟件來實施，微處理器軟件定時執(zhí)行MPPT控制，具體步驟如下步驟1 微處理器軟件進入MPPT控制流程，檢測光伏電池輸出電壓Ude和輸出電流 Idc,并計算光伏電池輸出功率pd。。步驟2 比較輸出功率Pd。與第一參考功率Pd。min (Pd。min為光伏發(fā)電裝置執(zhí)行正常 MPPT控制所能識別最小功率)，若輸出功率Pd。小于第一參考功率Pd。min，則流程跳轉到步驟 3，否則跳轉到步驟6。步驟3 比較輸出電壓給定值Urefdc和光伏發(fā)電裝置正常工作允許的最低電壓 Udcfflin0若參考電壓給定值Urefdc <最低電壓Udemin，則進入步驟4，否則進入步驟5。步驟4 將最低電壓Udcmin賦給輸出電壓給定值Urefdc，即令輸出電壓給定值Urefdc= 最低電壓Udcmin，通過直流電壓閉環(huán)控制，使光伏電池輸出電壓Udc維持在最低Ud。min。步驟4 完成后，進入步驟11。步驟5 將當前輸出電壓給定值UMfd。按一定的步長Ustep下調。由于閉環(huán)控制的作用，光伏電池輸出電壓Udc相應下降。步驟5完成后，進入步驟11。步驟6 比較輸出功率Pd。與第二參考功率Pd。max，若輸出功率Pd。大于等于第二參考功率Pd。_，則進入步驟7，否則進入步驟8。步驟7 輸出電壓給定值UMfd。按一定的步長Ustep上調，由于直流電壓的閉環(huán)控制， 使光伏電池輸出電壓ud。相應上調。完成后進入步驟11。步驟8 比較本次計算所得光伏電池輸出功率Pd。與上次計算所得光伏電池輸出功率即反饋功率Pd。o。若輸出功率pd。大于等于反饋功率Pd。o，表明當前電壓調整方向代表功率增加方向，應維持當前光伏電池電壓調整步長的方向，并進入步驟10，否則進入步驟9。步驟9 進入本步驟，表明當前電壓調整方向系使光伏電池輸出功率減小的方向， 因此應改變光伏光伏電池電壓調整方向。令光伏電池電壓調整步長值Δυ取反方向，即下一次按反方向調整光伏電池電壓。完成后進入步驟10。步驟10 按確定的光伏電池電壓調整方向和步長ΔU調整輸出電壓給定值UMfd。， 通過閉環(huán)控制，使光伏電池電壓Ud。發(fā)生相應的變化。完成后進入步驟11。步驟11 保存本次計算所得的光伏電池輸出功率Pd。，將輸出功率Pd。存放到反饋功率Pdetl,作為下一次MPPT計算之用。[0069] 以上是對本實用新型的較佳實施進行了具體說明，但本實用新型創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
權利要求1.一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，包括光伏電池(1)，所述光伏電池(1)的輸出端依次連接有功率變換器(12)及濾波電路(13)，其特征在于還包括一控制光伏電池(1)最大功率跟蹤的微處理器(4)，所述微處理器(4)的輸入端連接有分別檢測光伏電池(1)輸出端電壓和電流的電壓傳感器(2 )和電流傳感器(3 )，所述微處理器(4 )的控制端連接有檢測濾波電路(13)輸出端電壓和輸出電流的輸出電壓檢測器(10)和輸出電流檢測器(11)，所述微處理器(4)的輸出端連接有一功率驅動器(9)，所述功率驅動器(9)的輸出端與功率變換器(12)的控制端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于所述微處理器(4 )包括一個最大功率跟蹤單元(5 )，所述最大功率跟蹤單元(5 )的輸出端連接有一個比較器(6 )，所述比較器(6 )的輸入端還連接有電壓傳感器(2 )的輸出，所述比較器(6 )的輸出依次連接有一光伏電池電壓控制單元(7 )和內環(huán)控制單元(8 )，所述內環(huán)控制單元(8 )的控制端連接有輸出電壓檢測器(10)和輸出電流檢測器(11)的輸出信號，所述內環(huán)控制單元 (8)的輸出端與功率驅動器(9)連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，其特征在于所述微處理器(4)為單片機或者DSP。
專利摘要本實用新型公開了一種光伏電池最大功率跟蹤裝置，在對光伏電池最大功率跟蹤的同時，考慮了光伏電池輸出功率過小和過大情況的處理，當輸出功率小于等于第一參考功率時，將光伏電池輸出電壓維持在最低電壓；當輸出功率大于等于第二參考功率時，將輸出電壓給定值按一定步長上調。本實用新型光伏電池可以保證工作在輸出功率最大的狀態(tài)，同時避免了輸出電壓低于最低電壓時無意義的最大功率跟蹤，保證了光電池的運行穩(wěn)定，并能防止光伏電池輸出功率超出上限值以損壞設備。本實用新型光伏電池最大功率跟蹤裝置可廣泛應用于光伏發(fā)電裝置及光伏并網(wǎng)發(fā)電領域。
文檔編號G05F1/67GK202085099SQ201120172249
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權日2011年5月26日
發(fā)明者劉躍子, 吳華波, 王小增, 金龍 申請人:廣東金華達電子有限公司