用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器

技术领域

本发明涉及光伏发电系统，尤其涉及适用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器及光伏阵列最大功率点跟踪方法。

背景技术

当采用阵列形式时，光伏组件可实现扩容。当遮阴情况不同时，同一个光伏阵列系统的最大功率点(MPP，maxim power point)会呈现出不同的分布情况。即，无阴影、静态阴影和动态阴影条件下光伏阵列系统的最大功率点是不同的。而且，在静态和动态阴影条件下，光伏阵列系统的输出P-V(即功率-电压)曲线呈现出多峰值，光伏阵列系统的输出I-V(即电流-电压)曲线呈现出多单调区域，局部最大功率点的存在会增加对全局最大功率点跟踪的难度。

为了最大可能地获取光伏阵列系统的电能，现有的MPPT(maximum power pointtracking，最大功率点跟踪)控制方法包括扰动观察法、电导增量法、模拟退火法、大数据统计算法等。其中，扰动观察法和电导增量法容易陷入局部最大功率点而偏离全局最大功率点；而模拟退火法和大数据统计法则无法百分百地锁定全局最大功率点，存在找到次大功率点的可能性。

为了提高准确性同时实现快速性，MPPT控制方法还需要进一步改进。

发明内容

为克服现有MPPT控制方法易陷入局部最大功率点或存在找到次大功率点可能性的缺陷，本发明提出一种用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器，可协助功率变换器快速而准确地锁定光伏阵列系统的全局最大功率点，尽最大能力地将光伏阵列系统的电能传送至负载供其使用。

本发明的实施例提供一种用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器，其中光伏发电系统包括具有包括多个光伏组件的光伏阵列系统、以及耦接至光伏阵列系统输出端的功率变换器。所述光伏阵列最大功率点跟踪控制器包括：电压/电流检测和处理模块，检测光伏阵列系统的输出电压和输出电流，并将它们转换成数字电压信号和数字电流信号；阵列最大功率点曲线族寄存器，内部存储多个光伏阵列最大功率点曲线函数，所述多个光伏阵列最大功率点曲线函数与多条光伏阵列最大功率点曲线对应，所述多条光伏阵列最大功率点曲线与光伏阵列系统的输出电流-电压曲线存在多个交点；第一子控制器，根据所述数字电压信号、数字电流信号和所述多个光伏阵列最大功率点曲线函数，通过调节功率变换器中电子开关的工作状态，找到所述多个交点；以及第二子控制器，识别在所述多个交点中具有最大功率的最佳交点，并在所述最佳交点的基础上，通过调节功率变换器中电子开关的工作状态，使得光伏阵列系统运行于全局最大功率点。

在一个实施例中，所述光伏阵列最大功率点跟踪控制器还包括：第三子控制器，监测全局最大功率点是否发生变化，若全局最大功率点发生变化，则再次触发第一子控制器与第二子控制器以寻找新的全局最大功率点；否则，维持功率变换器中电子开关的工作状态，以保持光伏阵列系统运行于全局最大功率点。

在一个实施例中，所述光伏阵列最大功率点跟踪控制器还包括：交点寄存器，存储所述多个交点的电压值与电流值；以及全局最大功率点寄存器，存储所述全局最大功率点的电压值、电流值、以及与所述全局最大功率点对应的功率变换器中电子开关的工作状态。

在一个实施例中，所述阵列最大功率点曲线族寄存器存储有n×m个光伏阵列最大功率点曲线函数Irefij＝j×fref(Vin/(m+1-i))，n为光伏阵列系统中光伏组件的总列数，m为光伏阵列系统中光伏组件的总行数，Vin为函数输入变量，Irefij为函数输出变量，fref()为包含不同光照条件下单个光伏组件最大功率点信息的函数，i的取值范围是1至m，j的取值范围是1至n；所述n×m个光伏阵列最大功率点曲线函数与n×m条光伏阵列最大功率点曲线对应，所述n×m条光伏阵列最大功率点曲线与光伏阵列系统的输出电流-电压曲线存在n×m个交点。

所述函数fref()可以为不同光照条件下单个光伏组件最大功率点的拟合曲线函数，或者是叠加电压或电流边界条件的不同光照条件下单个光伏组件最大功率点的拟合曲线函数。

在一个实施例中，所述电压/电流检测和处理模块包括电压检测电路、电流检测电路、模数转换电路、和平均值计算器或数字滤波器。

在一个实施例中，所述第一子控制器包括：函数运算器，从阵列最大功率点曲线族寄存器处提取光伏阵列最大功率点曲线函数，令函数输入变量等于数字电压信号，求出函数输出变量，作为电流参考值；交点判断器，比较电流参考值和数字电流信号的大小，以判断是否找到当前光伏阵列最大功率点曲线函数所对应的光伏阵列最大功率点曲线与光伏阵列系统的输出电流-电压曲线的交点；第一参考电压发生器，根据交点判断器的判断结果，调节第一电压参考值；以及第一滞回比较器，比较第一电压参考值和数字电压信号的大小，并根据比较结果产生控制信号以调节功率变换器中电子开关的工作状态。

当所述第一子控制器工作时，函数运算器可以从所述阵列最大功率点曲线族寄存器处按顺序或逆序依次提取所述多个光伏阵列最大功率点曲线函数，以找到所述多条光伏阵列最大功率点曲线与光伏阵列系统的输出电流-电压曲线之间的所述多个交点。

在一个实施例中，所述第二子控制器包括：最佳交点定位器，从所述多个交点中，通过计算找出具有最大功率的最佳交点；全局最大功率点判断器，在最佳交点的基础上，判断是否找到全局最大功率点；第二参考电压发生器，根据最佳交点和全局最大功率点判断器的判断结果，调节第二电压参考值；第二滞回比较器，比较第二电压参考值和数字电压信号的大小，并根据比较结果产生控制信号以调节功率变换器中电子开关的工作状态；以及频率计，计算与全局最大功率点对应的功率变换器中电子开关的工作频率和占空比。

本发明的实施例还提供一种用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪方法，包括：检测光伏阵列系统的输出电压和输出电流；基于单个光伏组件的输出特性，生成多条光伏阵列最大功率点曲线；寻找光伏阵列系统的输出电压-电流曲线与所述多条光伏阵列最大功率点曲线之间的交点；在各交点中找出具有最大功率的最佳交点；以及在所述最佳交点的基础上，通过调节功率变换器中电子开关的工作状态，使得光伏阵列系统运行于全局最大功率点。

根据本发明的实施例的有益效果主要表现在：利用光伏阵列系统输出电流-电压曲线和阵列最大功率点曲线族的交点以及最佳交点，可规避局部最大功率点对全局最大功率点的干扰；以最佳交点为基础的全局最大功率点寻优过程或跟踪过程是快速而准确的；可应对无阴影、静态阴影和动态阴影等工况，均具有全局最大功率点跟踪的能力。

附图说明

图1是本发明实施例适用的一种光伏发电系统的原理性框图。

图2示出根据本发明实施例的用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器的结构框图。

图3是根据本发明实施例的图2中电压/电流检测和处理模块的结构框图。

图4是根据本发明实施例的图2中子控制器1的结构框图。

图5是根据本发明实施例的图2中子控制器2的结构框图。

图6是根据本发明实施例的图2中子控制器3的结构框图。

图7是本发明实施例中光伏阵列系统在光照条件1下的输出I-V曲线、阵列MPP曲线族Irefij和全局最大功率点MPPg的静态示意图(i取1至2，j取1至2)。

图8是本发明实施例中光伏阵列系统在光照条件1下的输出P-V曲线、阵列MPP族曲线之功率Prefij和全局最大功率点MPPg的静态示意图(i取1至2，j取1至2)。

图9是本发明实施例中光伏阵列系统在光照条件2下的输出I-V曲线、阵列MPP曲线族Irefij和全局最大功率点MPPg的静态示意图(i取1至2，j取1至2)。

图10是本发明实施例中光伏阵列系统在光照条件2下的输出P-V曲线、阵列MPP曲线族之功率Prefij和全局最大功率点MPPg的静态示意图(i取1至2，j取1至2)。

图11是本发明实施例中光伏阵列系统在光照条件1至2含切换时刻的输出电压vin、输出电流iin、交点Crossij、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图(i取1至2，j取1至2)。

图12是本发明实施例中光伏阵列系统在光照条件1至2含切换时刻的输出功率pin、交点Crossij、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图(i取1至2，j取1至2)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。

图1是本发明实施例适用的一种光伏发电系统的原理性框图，包括具有n×m个光伏组件的光伏阵列系统、具有电子开关的DC/DC变换器、以及用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器。DC/DC变换器是一种功率变换器，其接收光伏阵列系统的输出电压vin和输出电流iin，并将其转换为输出电压Vo提供至直流母线，以驱动连接至直流母线的负载。

参考图1，用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器检测光伏阵列系统的输出电压vin和输出电流iin，输出控制信号vdriving以控制DC/DC变换器中的电子开关，通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态，使得光伏阵列系统最终运行于全局最大功率点MPPg。所述DC/DC变换器可以采用输入和输出电流均连续的DC/DC变换器，如：Super-Boost变换器、Super-Buck变换器、Cuk变换器等。

根据本发明实施例的技术构思为：基于单个光伏组件的输出特性，通过曲线拟合等方法生成一族阵列最大功率点曲线。借助于阵列最大功率点曲线族，设计的一种寻找全局最大功率点MPPg的方法，步骤如下：首先寻找光伏阵列系统输出电流-电压曲线与阵列最大功率点曲线族的交点，再从各交点中挑选出最佳交点(即具有最大功率的交点)，最后在最佳交点的基础上找到全局最大功率点MPPg。采用曲线拟合方法得到的阵列最大功率点曲线族可以包含不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的信息。利用光伏阵列系统输出电流-电压曲线和阵列最大功率点曲线族的交点以及最佳交点，可规避局部最大功率点对全局最大功率点MPPg的干扰；以最佳交点为基础的全局最大功率点MPPg寻优过程或跟踪过程是快速而准确的；可应对无阴影、静态阴影和动态阴影等工况，均具有全局最大功率点跟踪的能力。

参考图2，所述用于光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪控制器包括电压/电流检测和处理模块、阵列最大功率点曲线族寄存器(即阵列MPP曲线族寄存器)、交点寄存器、全局最大功率点寄存器(即MPPg寄存器)和第一子控制器至第三子控制器(即子控制器1至子控制器3)。所述电压/电流检测和处理模块检测光伏组阵列系统的输出电压vin和输出电流iin，并将它们转换成数字电压信号Vin(k)和数字电流信号Iin(k)，k为整数。所述阵列MPP曲线族寄存器内部存储有n×m个光伏阵列最大功率点曲线函数(即光伏阵列MPP曲线函数)：Irefij＝j×fref(Vin/(m+1-i))，n为光伏阵列系统中光伏组件的总列数，m为光伏阵列系统中光伏组件的总行数，Vin为函数输入变量，Irefij为函数输出变量，fref()为包含不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP信息的函数，所述n×m个光伏阵列MPP曲线函数与n×m条光伏阵列最大功率点曲线(即光伏阵列MPP曲线)对应，所述n×m条光伏阵列MPP曲线与光伏阵列系统输出电流-电压曲线(即光伏阵列系统输出I-V曲线)存在n×m个交点Crossij，i的取值范围是1至m，j的取值范围是1至n。所述fref()为不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数，或者是叠加电压或电流边界条件的不同光照条件下单个光伏组件最大功率点MPP的拟合曲线函数。叠加电压或电流边界条件可加快找到交点的速度。拟合曲线函数包括指数函数、多项式函数、折线函数等。电压边界条件包括0≤Vin≤m×Voc，电流边界条件包括0≤Irefij≤j×Isc，Voc和Isc为最大光照条件下单个光伏组件的开路电压和短路电流。所述交点寄存器内部存储有n×m个交点Cross11至Crossmn的电压值Vin_Cross11至Vin_Crossmn和电流值Iin_Cross11至Iin_Crossmn。所述MPPg寄存器内部存储有全局最大功率点MPPg的电压值Vin_MPPg和电流值Iin_MPPg，还存储有与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作状态，例如：开关频率f_MPPg、占空比D_MPPg、导通时间、关断时间、电压参考值及滞环宽度等。

所述电压/电流检测和处理模块、阵列MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器、子控制器1至子控制器3之间存在信息交互。

为应对无阴影、静态阴影和动态阴影等多种工况，所述子控制器1至子控制器3按顺序分时工作输出控制信号vdriving，周而复始；子控制器1的任务是采用光伏阵列MPP曲线函数Iref11＝fref(Vin/m)至Irefmn＝n×fref(Vin)产生电流参考值，通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到交点Cross11至Crossmn，即使得光伏阵列系统运行于交点Cross11至Crossmn，当光伏阵列系统运行于交点Crossij时，Vin(k)＝Vin_Crossij，Iin(k)＝Iin_Crossij，i的取值范围是1至m，j的取值范围是1至n；子控制器2的任务是在交点Cross11至Crossmn的基础上通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态找到全局最大功率点MPPg，即使得光伏阵列系统运行于全局最大功率点MPPg，当光伏阵列系统运行于全局最大功率点MPPg时，Vin(k)＝Vin_MPPg，Iin(k)＝Iin_MPPg；子控制器3的任务是监测全局最大功率点MPPg是否发生变化，若全局最大功率点MPPg发生变化，即Vin(k)≠Vin_MPPg或者Iin(k)≠Iin_MPPg或者Vin(k)×Iin(k)≠Vin_MPPg×Iin_MPPg，则再次调用子控制器1至子控制器3找到全局最大功率点MPPg，否则，维持DC/DC变换器中电子开关的工作状态，即保持光伏阵列系统运行于全局最大功率点MPPg。

所述电压/电流检测和处理模块、阵列MPP曲线族寄存器、交点寄存器、MPPg寄存器和子控制器1至子控制器3可采用专用集成芯片，如：LM6152和S29GL128P，也可采用可编程器件，如：TMS320F28027。

进一步，参考图3，所述电压/电流检测和处理模块包括电压检测电路、电流检测电路、模数转换电路和平均值计算器或数字滤波器，所述电压检测电路检测光伏阵列系统的输出电压vin，所述电流检测电路检测光伏阵列系统的输出电流iin，所述模数转换电路分别将电压检测电路和电流检测电路的模拟检测结果转换成原始的数字电压信号vin(k)和原始的数字电流信号iin(k)，所述平均值计算器采用平均算法得到原始数字电压信号vin(k)和原始数字电流信号iin(k)的平均值，即数字电压信号Vin(k)和数字电流信号Iin(k)，所述平均算法可采用算式

参考图4，所述子控制器1包括函数运算器、交点判断器、第一参考电压发生器(即参考电压发生器1)和第一滞回比较器(即滞回比较器1)，所述函数运算器从阵列MPP曲线族寄存器处提取光伏阵列MPP曲线函数Irefij＝j×fref(Vin/(m+1-i))，令函数输入变量Vin等于数字电压信号Vin(k)，求出函数输出变量Irefij，令电流参考值Irefij(k)等于函数输出变量Irefij，i的取值范围是1至m，j的取值范围是1至n。所述交点判断器比较电流参考值Irefij(k)和数字电流信号Iin(k)的大小，若数字电流信号Iin(k)和电流参考值Irefij(k)的差值ΔI的绝对值小于允许误差，则判断“找到了交点Crossij”，并将对应的Vin(k)和Iin(k)作为交点Crossij的电压值Vin_Crossij和电流值Iin_Crossij存入交点寄存器中，同时令参考电压发生器1保持电压参考值vref1不变，使得光伏阵列系统运行于交点Crossij；否则，判断“未找到交点Crossij”，令参考电压发生器1根据数字电流信号Iin(k)和电流参考值Irefij(k)的差值ΔI调节第一电压参考值vref1，若差值ΔI>0，则增大第一电压参考值vref1，否则，减小第一电压参考值vref1。所述滞回比较器1比较第一电压参考值vref1和数字电压信号Vin(k)的大小，若Vin(k)>vref1+Δvref1，则令控制信号vdriving为高电平，若Vin(k)

参考图5，所述子控制器2包括最佳交点定位器、全局最大功率点判断器(即MPPg判断器)、频率计、第二参考电压发生器(即参考电压发生器2)和第二滞回比较器(即滞回比较器2)，所述最佳交点定位器和MPPg判断器按顺序分时工作，最佳交点定位器的任务是从交点Cross11至Crossmn中找出与MAX(Vin_Cross11×Iin_Cross11,…,Vin_Crossmn×Iin_Crossmn)对应的交点，即最佳交点，MAX()为最大值函数，MPPg判断器的任务是在最佳交点的基础上找到全局最大功率点MPPg。当所述最佳交点定位器工作时，最佳交点定位器从交点寄存器处提取交点Cross11至Crossmn的电压值Vin_Cross11至Vin_Crossmn和电流值Iin_Cross11至Iin_Crossmn，通过计算找出最佳交点，同时令参考电压发生器2输出的电压参考值vref2等于最佳交点的电压值，滞回比较器2比较第二电压参考值vref2和数字电压信号Vin(k)的大小，若Vin(k)>vref2+Δvref2，则令控制信号vdriving为高电平，若Vin(k)

当所述MPPg判断器工作时，MPPg判断器采用扰动观察法或电导增量法对是否找到全局最大功率点MPPg做出判断，若判断为“找到了全局最大功率点MPPg”，则将对应的Vin(k)和Iin(k)作为全局最大功率点MPPg的电压值Vin_MPPg和电流值Iin_MPPg存入MPPg寄存器中，同时调用频率计计算出与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并将工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg也一起存入MPPg寄存器中，同时还令参考电压发生器2保持电压参考值vref2不变，使得光伏阵列系统运行于全局最大功率点MPPg；若判断为“未找到全局最大功率点MPPg”，则令参考电压发生器2采用扰动观察法或电导增量法生成第二电压参考值vref2，滞回比较器2比较第二电压参考值vref2和数字电压信号Vin(k)的大小，若Vin(k)>vref2+Δvref2，则令控制信号vdriving为高电平，若Vin(k)

参考图6，所述子控制器3包括全局最大功率点变化判断器(即MPPg变化判断器)，所述MPPg变化判断器从MPPg寄存器处提取全局最大功率点MPPg的电压值Vin_MPPg和电流值Iin_MPPg，比较数字电压信号Vin(k)和Vin_MPPg的大小，或者比较数字电流信号Iin(k)和Iin_MPPg的大小，又或者比较Vin(k)×Iin(k)和Vin_MPPg×Iin_MPPg的大小，若Vin(k)和Vin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，或者Iin(k)和Iin_MPPg的差值绝对值大于允许误差，又或者Vin(k)×Iin(k)和Vin_MPPg×Iin_MPPg的差值绝对值大于允许误差时，则判断“全局最大功率点MPPg发生变化”，否则，判断“全局最大功率点MPPg未发生变化”。所述子控制器3还包括PWM调制器，所述PWM调制器从MPPg寄存器处提取与全局最大功率点MPPg对应的DC/DC变换器中电子开关的工作频率f_MPPg和占空比D_MPPg，并根据f_MPPg和D_MPPg的信息输出控制信号vdriving，保持光伏阵列系统运行于全局最大功率点MPPg。所述PWM调制器的作用是使得DC/DC变换器的工作频率固定，相比滞回比较器更利于监测全局最大功率点MPPg是否发生变化。

以m＝2和n＝2为例，通过对本发明实施例进行仿真做进一步说明。如图1所示，光伏阵列系统由2行2列的光伏组件、4个旁路二极管和2个阻逆二极管组成。取阵列MPP曲线函数

进一步，如图7所示，光伏阵列系统在光照条件1下的输出I-V曲线与阵列MPP曲线族Irefij有4个交点；再对照图8，可发现光伏阵列系统输出I-V曲线与阵列MPP曲线Iref11的交点为最佳交点，与全局最大功率点MPPg在功率上非常接近。如图9所示，光伏阵列系统在光照条件2下的输出I-V曲线与阵列MPP曲线族Irefij也有4个交点；再对照图10，可发现光伏阵列系统输出I-V曲线与阵列MPP曲线Iref22的交点为最佳交点，与全局最大功率点MPPg在功率上非常接近。

同时，选取一现有方案进行对比，即提供理想Isc-Voc曲线(Vin＝2×Voc时该曲线对应的电流值为2×Isc)作为对比曲线。从图7至10可知，本发明实施例的最佳交点比光伏阵列系统输出I-V曲线与理想Isc-Voc曲线的交点更接近全局最大功率点MPPg。在光照条件1下，从光伏阵列系统输出I-V曲线与理想Isc-Voc曲线的交点出发寻找全局最大功率点MPPg将容易陷落于局部最大功率点。这说明与光伏阵列系统输出I-V曲线与理想Isc-Voc曲线的交点相比，从最佳交点出发寻找全局最大功率点MPPg将更快捷也更准确。

图11是光伏阵列系统在光照条件1至2含切换时刻的输出电压vin、输出电流iin、交点Crossij、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图。图12是光伏阵列系统在光照条件1至2含切换时刻的输出功率pin、交点Crossij、最佳交点和全局最大功率点MPPg的动态示意图。图11和12均展示了静态阴影和动态阴影条件下“先交点、再最佳交点、最后MPPg”的寻优过程或跟踪过程，说明本发明实施例具有全局最大功率点跟踪能力。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。虽然前述实施例中，DC/DC变换器耦接至光伏阵列系统的输出端，光伏阵列MPPT控制器通过调节DC/DC变换器中电子开关的工作状态，使得光伏阵列系统最终运行于全局最大功率点MPPg。但本领域普通技术人员可以理解，前述DC/DC变换器也可以由其他功率变换器所替代，该功率变换器可以对来自光伏阵列系统的电压或电流进行转换，再驱动像电网、电池或马达等负载。此外，除了扰动观察法与电导增量法，根据本发明的实施例还可以采用其它MPPT控制方法，例如模拟退火法、大数据统计算法、电流扫描法等，来实现对全局最大功率点MPPg的判断与寻找。子控制器1至3也可以根据实际应用需求，采用滞回控制和PWM控制之外的其他合适的控制方式。这些变形均未超出本发明的保护范围。