一种分布式MPPT与集中式MPPT可切换的拓扑结构与控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电MPPT领域，具体涉及一种分布式MPPT与集中式MPPT可切换的拓扑结构与控制方法。

背景技术

近年来，光伏发电作为太阳能应用的重要方式之一，由于清洁无污染、取之不尽、用之不完、便于分布式发电等优点，其大范围应用前景极为广阔。

由于光伏阵列的特性受太阳辐射强度和环境温度影响，逆变器还必须满足光伏阵列的运行要求，必须通过逆变器的调节使光伏阵列输出电压趋近最大功率点输出电压，以保证光伏阵列在最大功率点运行而获得最大功率。光伏电池的输出电压和输出电流随着太阳辐射强度和温度的变化具有强烈的非线性：当光伏阵列处在相同的太阳辐射强度下时，该阵列输出P-V曲线只有一个极值，为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)；当光伏阵列处在不同的太阳辐射强度下时，即局部光伏模块上存在阴影(Partial Shading,PS),该阵列输出P-V曲线有多个极值，但只有一个全局最大功率点(Global Maximum PowerPoint,GMPP)。因此在特定的工作环境下存在着一个唯一的最大功率输出点。

在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处在动态变化中，为了在同样的太阳辐射强度和温度下获得尽最大的电能，就存在着一个最大功率输出点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。现有的技术中的单极值搜索算法，如扰动观察法，该方法计算复杂度小，不能应对PS条件下的MPPT；现有技术中的多极值搜索算法，如基于粒子群的MPPT算法，计算复杂度高，但在非PS条件下，该算法相对扰动观察法，过于复杂。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出的是一种的低复杂度、低成本、高效率、电气可重构的光伏MPPT用拓扑结构。

本发明采用的技术方案为：一种分布式MPPT与集中式MPPT可切换的拓扑结构，包括N个光伏模块和控制器，每一个光伏模块均通过一个二极管和一个Mos P开关接入同一升压电路输入端；相邻两个光伏模块之间通过Mos S开关串联连接，由末端光伏模块接地；所述的控制器采集升压电路的输入电压、输入电流和每一个光伏模块所接收的太阳辐射强度，并通过PWM波调制各个Mos开关。

进一步，所述的升压电路包括一个电感L、两个Mos B开关和一个电容C，所述的电感L串联一个Mos B开关并连接升压电路的输出端，其中在电感L与Mos B开关设有一个MosB开关并接地，在升压电路的输出端设有一个电容C并接地。

进一步，每一条由光伏模块、二极管和Mos P开关组成的支路中，在光伏模块和二极管中间通过电容接地。

本发明公开了一种分布式MPPT与集中式MPPT可切换的拓扑结构的控制方法，通过控制器采集并判断每一个光伏模块所接收的太阳辐射强度，当每一个光伏模块所接收的太阳辐射强度都相同时，采用集中式MPPT；当每一个光伏模块所接收的太阳辐射强度不都相同时，采用分布式MPPT；

其中，当采用集中式MPPT，电路动作为：

第一步，所有Mos S开关保持导通；

第二步，选择其中一路由光伏模块、二极管和Mos P开关组成的支路，其Mos P开关保持导通，其他Mos P开关断开；

则整个系统构成了集中式最大功率追踪的光伏发电系统；

当采用分布式MPPT，电路动作为：

第一步，所有Mos S开关保持断开；

第二步，由光伏模块、二极管和Mos P开关组成的支路中，Mos P开关依次交替导通；

第三步，重复步骤二；

则整个系统构成了分布式最大功率追踪的光伏发电系统。

进一步，准备断开的Mos>i开关与准备导通的Mos>(i+1)开关在开关时序之间，设置重叠时间t，以保持电力的延续性。

进一步，太阳辐射强度检测的采样周期需为分布式MPPT周期的整数倍。

本发明的工作原理是结合了分布式MPPT与集中式MPPT的优点，用电力电子开关的通断来改变光伏阵列的连接方式，在并联和串联两种方式上进行切换，从而实现了分布式MPPT与集中式MPPT的切换，兼顾两种MPPT方式的优点。

本发明的有益效果是：相对于每个光伏模块集成一个DC-DC的分布式MPPT，本发明的MPPT用拓扑结构简单、低成本、高效，易于产业化实现；相对于采用全局优化算法的集中式MPPT，本发明的MPPT用拓扑结构可以简化MPPT算为单极值搜索优化算法，如扰动观察法，更易于产业化应用。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为第一光伏模块与第二光伏模块的拓扑结构示意图；

图3为第一光伏模块与第二光伏模块在分布式MPPT时开关驱动信号示意图；

图4为第一光伏模块与第二光伏模块在分布式MPPT下拓扑结构示意图；

图5为第一光伏模块工作时的分布式MPPT拓扑结构示意图；

图6为第二光伏模块工作时的分布式MPPT拓扑结构示意图；

图7为第一光伏模块与第二光伏模块在集中式MPPT时开关驱动信号示意图；

图8为第一光伏模块与第二光伏模块在集中式MPPT下的拓扑结构示意图；

图9为集中式MPPT与分布式MPPT切换策略。

具体实施方式

下面通过实施并结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明的电路结构示意图，本发明有N个光伏模块和一个控制器组成，每一个光伏模块均连接一个二极管D和一个Mos P开关后连接升压电路的输入端，此外，每一个相邻的光伏模块之间通过Mos S开关串联，第N个光伏模块通过Mos S开关接地。每一个光伏模块与其相邻的二极管D之间通过电容C接地。在升压电路中，升压电路的输入端连接有电感L，电感L串联一个Mos B开关后连接升压电路的输出端并连接负荷电路3。在电感L和Mos B开关之间设有一个接地的Mos B开关，在升压电路的输出端设有一个接地的电阻C。控制器采集升压电路前的输入电压Vpv、电流Ipv以及每个光伏模块所接收的太阳辐射强度Irra_PVm1、Irra_PVm2、…、Irra_PVmN，控制器通过采集这些数据将其处理为数字信号并以PWM波的形式进行输出；同时通过控制器判断每一个光伏模块所接收的太阳辐射强度，以此来改变该电路的不同的拓扑结构，其控制方式为：当每一个光伏模块所接收的太阳辐射强度都相同时，采用集中式MPPT；当每一个光伏模块所接收的太阳辐射强度不都相同时，采用分布式MPPT。

光伏模块的数量N的选择要根据具体的选用的控制器的采集口数目和PWM波的输出数目来具体选择；当控制器选用DSP时，光伏模块的数量N不超过5较为合适。

如图2所示，本实施例采用DSP控制器，光伏模块的数量为2。即该电路结构为第一光伏模块串联二极管D1和Mos P_1开关，第二光伏模块串联二极管D2和Mos P_2开关，第一光伏模块与第二光伏模块之间通过Mos S_1连接，第二光伏模块通过Mos S_2接地，第一光伏模块与二极管D1之间连接电容C1并接地，第二光伏模块与二极管D2之间连接电容C2并接地。Mos P_1开关与Mos P_2开关均连接在升压电路的输入端的电感L上，电感L与Mos B_1开关和Mos B_2开关连接，Mos B_1开关接地，Mos B_2开关连接负荷电路，电容C3连接在MosB_2开关与负荷电路之间并接地。DSP将升压电路输入端的输入电压Vpv和输入电流Ipv以及第一和第二光伏模块所接受的太阳辐射强度Irra_PVm1、Irra_PVm2经数字信号处理后以PWM波形式调制各个Mos开关。

在本实施例中，DSP的控制方法如下所示：

当太阳辐射强度Irra_PVm1与Irra_PVm2不均匀时，因为P-V曲线上有多个极值，所以如果用集中式的拓扑结构来实现MPPT，则需要使用比较复杂的全局MPPT方法，如基于粒子群优化算法的MPPT算法。相反，采用本发明提出的分布式MPPT拓扑结构，仍然可以使用普通的单极值MPPT方法就可以实现MPPT。

在图2中，Mos B_1和Mos B_2为升压电路的功率开关，用带死区时间的互补驱动信号来周期性的开闭Mos B_1开关与Mos B_2开关，其工作频率即为升压电路的工作频率；MosS_1、Mos S_2、Mos P_1、Mos P_2的开关驱动信号如图3所示，Mos P_1、Mos P_2在切换时，有一个较短的重合时间T0,Mos S_1与Mos S_2始终关断。则系统拓扑结构变为分布式MPPT，如图4所示。第一光伏模块与第二光伏模块并行工作，分别交替与升压电路联起来，任何时间只有一个光伏模块与升压电路相连——当Mos P_1导通，Mos P_2断开，系统拓扑结构如图5所示；当Mos P_1断开，Mos P_2导通，系统拓扑结构如图6所示。

当太阳辐射强度均匀时，因为P-V曲线上为单极值，所以采用集中式模式，用普通的单极值MPPT方法就可以实现MPPT，如可以使用扰动观察法。Mos S_1、Mos S_2、Mos P_1、Mos P_2的开关驱动信号如图7所示，Mos S_1、Mos S_2、Mos P_1始终保持导通，Mos P_2始终保持关闭，即第一光伏模块与第二光伏模块串联起来，则整个系统构成了光伏电池串联的由一个升压电路进行最大功率追踪的光伏发电系统，其中Mos B_1和Mos B_2为升压电路的功率开关，用带死区时间的互补驱动信号来周期性的开闭Mos B_1、Mos B_2，其工作频率即为升压电路的工作频率，集中模式MPPT拓扑结构如图8所示。

分布式MPPT模式与集中式MPPT模式的切换策略如图9所示。其中i为计数变量，每完成一个MPPT周期T_MPPT，i增加1，N的大小决定了检测光伏模块太阳能辐射强度的周期T_Irra，即T_Irra＝N*T_MPPT。