光伏阵列最大功率跟踪装置以及方法
光伏阵列最大功率跟踪装置以及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及新能源领域，特别涉及一种光伏阵列最大功率跟踪装置以及方法。
【背景技术】
[0002]随着能源的消耗，可再生能源受到越来越多的关注。在众多的可再生能源中，光能以其无污染、蕴含量大而越来越多的受到人们青睐。但是光伏阵列输出功率随外部环境及负载的改变而变化，一般情况下利用率不高，需要对其最大功率进行跟踪以提高光伏阵列的利用率。目前常用光伏阵列最大功率跟踪方法有开环方法和闭环方法。
[0003]开环方法主要有开路电压法以及短路电流法。开路电压法或者短路电流法利用开路电压或者短路电流与最大功率点电压或者最大功率点电流近似成比例关系，进行最大功率跟踪。这类方法跟踪速度快，但是对光伏阵列的输出特性具有较强的依赖性，只能近似的跟踪，效率不高；且在开路时存在瞬时功率损失，短路时测量参数比较复杂。
[0004]闭环方法有扰动观察法以及电导增量法，这类算法利用在正常光照的条件下，光伏电池的输出P-U特性曲线是一个以最大功率点为极值点的单峰值函数，在最大功率点处有dP/dU = 0，通过自寻优来满足dP/dU = Oo但是当外界环境发生巨变，或者光伏电池被部分遮挡时，上述方法可能产生振荡或者误判，因此不能很好的完成最大功率的跟踪。
[0005]因此，需要提出一种新的光伏阵列最大功率跟踪技术，以提高光伏阵列的利用率，加快跟踪光伏电池最大功率的速度，减少在跟踪最大功率点过程中的功率振荡，提高太阳能的利用率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种光伏阵列最大功率跟踪装置以及方法，能够提高光伏阵列的利用率，加快跟踪光伏电池最大功率的速度，减少在跟踪最大功率点过程中的功率振荡，提尚太阳能的利用率。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供一种光伏阵列最大功率跟踪装置，其至少包括中央处理单元、脉冲宽度调制处理器以及电能变换电路，其中:所述中央处理单元分别与光伏阵列以及所述脉冲宽度调制处理器相连，用于采集所述光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述脉冲宽度调制处理器。
[0008]优选地，所述中央处理单元采集相邻三个工作点的输出电压及输出电流，然后根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与功率-电压特性曲线中电压坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值，随后根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。
[0009]优选地，所述相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，P2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为所述光伏阵列的输出电压，P为所述光伏阵列的输出功率，所述第一工作点A在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为F，所述第二工作点B在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为E，第三工作点C在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为D，则线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:S1 = (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ;线段BC、CD、DE和EB构成了一个四边形BCDE，其面积为:S2 = (P2+P3)*(U3 — U2)*0.5 ;通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，进而确定扰动步长变化量。
[0010]本发明还提供一种光伏阵列最大功率跟踪方法，其通过中央处理单元采集光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至脉冲宽度调制处理器
[0011]以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。
【附图说明】
[0012]图1是本发明一个实施例的太阳能光伏阵列最大功率跟踪装置的方框示意图；
[0013]图2是本发明一个实施例的光伏阵列P-U输出特性曲线示意图；
[0014]图3是本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪方法的流程图；
[0015]图4是本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置的系统仿真电路图。
【具体实施方式】
[0016]以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些【具体实施方式】进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0017]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的结构、组件和设备未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0018]图1所示为本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置的方框示意图。在本实施例中，所述光伏阵列最大功率跟踪装置，包括中央处理(Central Processing Unit，简称CPU)单元10、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulat1n，简称PWM)处理器12以及电能变换电路14。
[0019]在正常光照的条件下，光伏阵列2的P-U输出特性曲线为一条单峰值曲线，只有一个最大功率点；因此可以通过对光伏阵列2的输出电压进行扰动，即通过扰动步长来实现光伏阵列2最大功率点的跟踪。所述CPU单元10分别与光伏阵列2以及PWM处理器12相连，用于采集光伏阵列2的输出电压U及输出电流I，并根据所采集的相邻三个工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述PWM处理器12。所述CPU单元10根据所采集的工作点的输出电压及输出电流可以得到相应工作点的输出功率；根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与U坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值；根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。
[0020]图2所示为本发明一个实施例的光伏阵列2的P-U输出特性曲线示意图。如图所示，假设该曲线上相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，P2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为光伏阵列2的输出电压，P为光伏阵列2的输出功率。点A在所述P-U输出特性曲线的U坐标轴上的投影为F，点B在U坐标轴上的投影为E，点C在U坐标轴上的投影为D。线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:
[0021]SI = (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ；
[0022]线段BC、⑶、DE和EB构成了一个四边形B⑶E，其面积为:
[0023]S2 = (P2+P3) * (U3 — U2) *0.5。
[0024]在光伏阵列2的P-U输出特性曲线上最大功率点M的左边，随着工作点靠近最大功率点，SI与S2的面积差值不断变化；工作点在离光伏阵列2的最大功率点M左边越远的位置，SI与S2的面积差值越大，随着工作点向最大功率点M靠近，SI与S2的面积差值逐渐减小。在光伏阵列2的P-U输出特性曲线上最大功率点M的右边正好相反。因此，通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，可以确定扰动步长变化量，从而对光伏阵列2的输出电压进行扰动来实现光伏阵列2的最大功率点的跟踪。第三工作点C的扰动步长变化量的值为Λ D = K*(S2 - SI)，扰动灵敏度K为常系数(0〈K〈1)，可以通过实验得到。且第三工作点C在最大功率点M左边，第三工作点C与第二工作点B两者输出功率差值大于零，故Λ D取正值。当工作点离最大功率点M较远时，面积差S2 -SI较大，此时扰动步长变化量Λ D较大，可以快速地跟踪最大功率点；当工作点离最大功率点M较近时，面积差S2 - SI较小，此时扰动步长变化量Λ D较小，可以减小跟踪最大功率过程中功率的振荡；当在最大功率点M附近时，面积差S2 - SI几乎为零，扰动步长变化量Λ D几乎为零，从而能实现最大功率点的跟踪，基本消除了振荡现象，减小了功率损失。在最大功率点M左侧，Λ P = Ρ3 - Ρ2>0，根据S2 — SI的大小，所述CPU单元10产生相应大小且正向的Λ D并传输至所述PWM处理器12 ;在最大功率点M 右侧，Λ P = Ρ3 — Ρ2〈0，根据S2 — SI的大小，所述CPU单元10产生相应大小且负向的Λ D并传输至所述PWM处理器
12ο
[0025]图3所示为本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪方法的流程图。如图所不，U、I为光伏阵列的输出电压及输出电流；P (K — I)为前一个周期光伏阵列的输出功率，P(K)为当前光伏阵列的输出功率；S1为ABEF的面积，S2为BCDE的面积；D(K)为当前扰动步长，D(K+1)为下一个周期的扰动步长，Λ Dt为一个临时变量；U(K)为当前输出电压，Umax为最大功率点的输出电压。当AP = P(K) — P (K — I) >0，若U (K)〈Umax，则当前工作点在最大功率点左边，ADt = ADt,下一个扰动步长D(K+1) =D(K) +ADt,当前工作点向最大功率点靠近；若U(K) >Umax，则当前工作点在最大功率点右边，Λ Dt = —ADt，下一个扰动步长D(K+1) = D(K)+Λ Dt，当前工作点向最大功率点靠近。当Λ P = P(K) — P(K —
I)〈0，若UK)〈Umax，则当前工作点在最大功率点左边，ADt=ADt,下一个扰动步长D (K+1)=D(K)+Δ Dt,当前工作点向最大功率点靠近；若U(K)>Umax，则当前工作点在最大功率点右边，Λ Dt = — Λ Dt，下一个扰动步长D(K+1) =D(K) +ADt,当前工作点向最大功率点靠近。将当前光伏阵列的输出功率P(K)赋值给P(K — I)，继续进行最大功率点跟踪。
[0026]图4所示为本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置的系统仿真电路图。如图所示，光伏阵列模块(photovoltaic cells)输入温度和光照，其中，温度是由阶跃响应产生模块(stepl)模拟，光照由信号生成器模块(signal builder)模拟。本实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置进一步包括最大功率点跟踪模块(Maximum Power PointTracking,简称MPPT模块)，MPPT模块采集光伏阵列2的输出电压和输出电流信号，计算出扰动步长，从而产生PWM控制信号，来控制升压(Boost)电路的电力电子开关(MOSFET)，其中，升压电路进一步包括电容Cl、电容C2、电感L、电阻R、电力电子开关Mosfet、二极管D1de、电流控制电流源CCS、电压表VM1、电压表VM3、电流表CM1、电流表CM2。通过实时调节电力电子开关MOSFET的通断来完成最大功率跟踪。时钟模块(Clock)用于显示系统输入时间。示波器模块(Scopel)用于输出仿真结果。
[0027]上文【具体实施方式】和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
【主权项】
1.一种光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述光伏阵列最大功率跟踪装置至少包括中央处理单元、脉冲宽度调制处理器以及电能变换电路，其中: 所述中央处理单元分别与光伏阵列以及所述脉冲宽度调制处理器相连，用于采集所述光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述脉冲宽度调制处理器。2.根据权利要求1所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述中央处理单元采集相邻三个工作点的输出电压及输出电流，然后根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与功率-电压特性曲线中电压坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值，随后根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。3.根据权利要求2所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，P2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为所述光伏阵列的输出电压，P为所述光伏阵列的输出功率，所述第一工作点A在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为F，所述第二工作点B在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为E，第三工作点C在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为D， 则线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:51= (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ； 线段BC、⑶、DE和EB构成了一个四边形B⑶E，其面积为:52= (P2+P3)*(U3 — U2)*0.5 ； 通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，进而确定扰动步长变化量。4.根据权利要求3所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述第三工作点C的扰动步长变化量的值为Λ D = K*(S2 - SI)，其中，扰动灵敏度K为通过实验得到的常系数(0〈Κ〈1)ο5.根据权利要求1所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述光伏阵列最大功率跟踪装置进一步包括最大功率点跟踪模块，所述最大功率点跟踪模块采集所述光伏阵列的输出电压和输出电流信号，计算出扰动步长，从而产生PWM控制信号，来控制升压电路的电力电子开关。6.—种光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述光伏阵列最大功率跟踪方法通过中央处理单元采集光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至脉冲宽度调制处理器。7.根据权利要求6所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述中央处理单元采集相邻三个工作点的输出电压及输出电流，然后根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与功率-电压特性曲线中电压坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值，随后根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。8.根据权利要求7所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，Ρ2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为所述光伏阵列的输出电压，P为所述光伏阵列的输出功率，所述第一工作点A在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为F，所述第二工作点B在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为E，第三工作点C在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为D， 则线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:51= (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ； 线段BC、⑶、DE和EB构成了一个四边形B⑶E，其面积为:52= (P2+P3)*(U3 — U2)*0.5 ； 通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，进而确定扰动步长变化量。9.根据权利要求8所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述第三工作点C的扰动步长变化量的值为Λ D = K*(S2 - SI)，其中，扰动灵敏度K为通过实验得到的常系数(0〈Κ〈1)ο10.根据权利要求6所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，通过最大功率点跟踪模块模块采集所述光伏阵列的输出电压和输出电流信号，计算出扰动步长，从而产生PWM控制信号，来控制升压电路的电力电子开关。
【专利摘要】本发明提供一种光伏阵列最大功率跟踪装置，其至少包括中央处理单元、脉冲宽度调制处理器以及电能变换电路，其中：所述中央处理单元分别与光伏阵列以及所述脉冲宽度调制处理器相连，用于采集所述光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述脉冲宽度调制处理器。采用本发明能够提高光伏阵列的利用率，加快跟踪光伏电池最大功率的速度，减少在跟踪最大功率点过程中的功率振荡，提高太阳能的利用率。
【IPC分类】G05F1/67
【公开号】CN104898758
【申请号】CN201510171093
【发明人】陈舒婷, 吴增强, 张向峰, 杨凤惠, 潘贝贝
【申请人】上海电机学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月10日
【技术领域】
[0001]本发明涉及新能源领域，特别涉及一种光伏阵列最大功率跟踪装置以及方法。
【背景技术】
[0002]随着能源的消耗，可再生能源受到越来越多的关注。在众多的可再生能源中，光能以其无污染、蕴含量大而越来越多的受到人们青睐。但是光伏阵列输出功率随外部环境及负载的改变而变化，一般情况下利用率不高，需要对其最大功率进行跟踪以提高光伏阵列的利用率。目前常用光伏阵列最大功率跟踪方法有开环方法和闭环方法。
[0003]开环方法主要有开路电压法以及短路电流法。开路电压法或者短路电流法利用开路电压或者短路电流与最大功率点电压或者最大功率点电流近似成比例关系，进行最大功率跟踪。这类方法跟踪速度快，但是对光伏阵列的输出特性具有较强的依赖性，只能近似的跟踪，效率不高；且在开路时存在瞬时功率损失，短路时测量参数比较复杂。
[0004]闭环方法有扰动观察法以及电导增量法，这类算法利用在正常光照的条件下，光伏电池的输出P-U特性曲线是一个以最大功率点为极值点的单峰值函数，在最大功率点处有dP/dU = 0，通过自寻优来满足dP/dU = Oo但是当外界环境发生巨变，或者光伏电池被部分遮挡时，上述方法可能产生振荡或者误判，因此不能很好的完成最大功率的跟踪。
[0005]因此，需要提出一种新的光伏阵列最大功率跟踪技术，以提高光伏阵列的利用率，加快跟踪光伏电池最大功率的速度，减少在跟踪最大功率点过程中的功率振荡，提高太阳能的利用率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种光伏阵列最大功率跟踪装置以及方法，能够提高光伏阵列的利用率，加快跟踪光伏电池最大功率的速度，减少在跟踪最大功率点过程中的功率振荡，提尚太阳能的利用率。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供一种光伏阵列最大功率跟踪装置，其至少包括中央处理单元、脉冲宽度调制处理器以及电能变换电路，其中:所述中央处理单元分别与光伏阵列以及所述脉冲宽度调制处理器相连，用于采集所述光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述脉冲宽度调制处理器。
[0008]优选地，所述中央处理单元采集相邻三个工作点的输出电压及输出电流，然后根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与功率-电压特性曲线中电压坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值，随后根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。
[0009]优选地，所述相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，P2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为所述光伏阵列的输出电压，P为所述光伏阵列的输出功率，所述第一工作点A在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为F，所述第二工作点B在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为E，第三工作点C在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为D，则线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:S1 = (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ;线段BC、CD、DE和EB构成了一个四边形BCDE，其面积为:S2 = (P2+P3)*(U3 — U2)*0.5 ;通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，进而确定扰动步长变化量。
[0010]本发明还提供一种光伏阵列最大功率跟踪方法，其通过中央处理单元采集光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至脉冲宽度调制处理器
[0011]以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。
【附图说明】
[0012]图1是本发明一个实施例的太阳能光伏阵列最大功率跟踪装置的方框示意图；
[0013]图2是本发明一个实施例的光伏阵列P-U输出特性曲线示意图；
[0014]图3是本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪方法的流程图；
[0015]图4是本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置的系统仿真电路图。
【具体实施方式】
[0016]以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些【具体实施方式】进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0017]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的结构、组件和设备未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0018]图1所示为本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置的方框示意图。在本实施例中，所述光伏阵列最大功率跟踪装置，包括中央处理(Central Processing Unit，简称CPU)单元10、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulat1n，简称PWM)处理器12以及电能变换电路14。
[0019]在正常光照的条件下，光伏阵列2的P-U输出特性曲线为一条单峰值曲线，只有一个最大功率点；因此可以通过对光伏阵列2的输出电压进行扰动，即通过扰动步长来实现光伏阵列2最大功率点的跟踪。所述CPU单元10分别与光伏阵列2以及PWM处理器12相连，用于采集光伏阵列2的输出电压U及输出电流I，并根据所采集的相邻三个工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述PWM处理器12。所述CPU单元10根据所采集的工作点的输出电压及输出电流可以得到相应工作点的输出功率；根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与U坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值；根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。
[0020]图2所示为本发明一个实施例的光伏阵列2的P-U输出特性曲线示意图。如图所示，假设该曲线上相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，P2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为光伏阵列2的输出电压，P为光伏阵列2的输出功率。点A在所述P-U输出特性曲线的U坐标轴上的投影为F，点B在U坐标轴上的投影为E，点C在U坐标轴上的投影为D。线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:
[0021]SI = (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ；
[0022]线段BC、⑶、DE和EB构成了一个四边形B⑶E，其面积为:
[0023]S2 = (P2+P3) * (U3 — U2) *0.5。
[0024]在光伏阵列2的P-U输出特性曲线上最大功率点M的左边，随着工作点靠近最大功率点，SI与S2的面积差值不断变化；工作点在离光伏阵列2的最大功率点M左边越远的位置，SI与S2的面积差值越大，随着工作点向最大功率点M靠近，SI与S2的面积差值逐渐减小。在光伏阵列2的P-U输出特性曲线上最大功率点M的右边正好相反。因此，通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，可以确定扰动步长变化量，从而对光伏阵列2的输出电压进行扰动来实现光伏阵列2的最大功率点的跟踪。第三工作点C的扰动步长变化量的值为Λ D = K*(S2 - SI)，扰动灵敏度K为常系数(0〈K〈1)，可以通过实验得到。且第三工作点C在最大功率点M左边，第三工作点C与第二工作点B两者输出功率差值大于零，故Λ D取正值。当工作点离最大功率点M较远时，面积差S2 -SI较大，此时扰动步长变化量Λ D较大，可以快速地跟踪最大功率点；当工作点离最大功率点M较近时，面积差S2 - SI较小，此时扰动步长变化量Λ D较小，可以减小跟踪最大功率过程中功率的振荡；当在最大功率点M附近时，面积差S2 - SI几乎为零，扰动步长变化量Λ D几乎为零，从而能实现最大功率点的跟踪，基本消除了振荡现象，减小了功率损失。在最大功率点M左侧，Λ P = Ρ3 - Ρ2>0，根据S2 — SI的大小，所述CPU单元10产生相应大小且正向的Λ D并传输至所述PWM处理器12 ;在最大功率点M 右侧，Λ P = Ρ3 — Ρ2〈0，根据S2 — SI的大小，所述CPU单元10产生相应大小且负向的Λ D并传输至所述PWM处理器
12ο
[0025]图3所示为本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪方法的流程图。如图所不，U、I为光伏阵列的输出电压及输出电流；P (K — I)为前一个周期光伏阵列的输出功率，P(K)为当前光伏阵列的输出功率；S1为ABEF的面积，S2为BCDE的面积；D(K)为当前扰动步长，D(K+1)为下一个周期的扰动步长，Λ Dt为一个临时变量；U(K)为当前输出电压，Umax为最大功率点的输出电压。当AP = P(K) — P (K — I) >0，若U (K)〈Umax，则当前工作点在最大功率点左边，ADt = ADt,下一个扰动步长D(K+1) =D(K) +ADt,当前工作点向最大功率点靠近；若U(K) >Umax，则当前工作点在最大功率点右边，Λ Dt = —ADt，下一个扰动步长D(K+1) = D(K)+Λ Dt，当前工作点向最大功率点靠近。当Λ P = P(K) — P(K —
I)〈0，若UK)〈Umax，则当前工作点在最大功率点左边，ADt=ADt,下一个扰动步长D (K+1)=D(K)+Δ Dt,当前工作点向最大功率点靠近；若U(K)>Umax，则当前工作点在最大功率点右边，Λ Dt = — Λ Dt，下一个扰动步长D(K+1) =D(K) +ADt,当前工作点向最大功率点靠近。将当前光伏阵列的输出功率P(K)赋值给P(K — I)，继续进行最大功率点跟踪。
[0026]图4所示为本发明一个实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置的系统仿真电路图。如图所示，光伏阵列模块(photovoltaic cells)输入温度和光照，其中，温度是由阶跃响应产生模块(stepl)模拟，光照由信号生成器模块(signal builder)模拟。本实施例的光伏阵列最大功率跟踪装置进一步包括最大功率点跟踪模块(Maximum Power PointTracking,简称MPPT模块)，MPPT模块采集光伏阵列2的输出电压和输出电流信号，计算出扰动步长，从而产生PWM控制信号，来控制升压(Boost)电路的电力电子开关(MOSFET)，其中，升压电路进一步包括电容Cl、电容C2、电感L、电阻R、电力电子开关Mosfet、二极管D1de、电流控制电流源CCS、电压表VM1、电压表VM3、电流表CM1、电流表CM2。通过实时调节电力电子开关MOSFET的通断来完成最大功率跟踪。时钟模块(Clock)用于显示系统输入时间。示波器模块(Scopel)用于输出仿真结果。
[0027]上文【具体实施方式】和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
【主权项】
1.一种光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述光伏阵列最大功率跟踪装置至少包括中央处理单元、脉冲宽度调制处理器以及电能变换电路，其中: 所述中央处理单元分别与光伏阵列以及所述脉冲宽度调制处理器相连，用于采集所述光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述脉冲宽度调制处理器。2.根据权利要求1所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述中央处理单元采集相邻三个工作点的输出电压及输出电流，然后根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与功率-电压特性曲线中电压坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值，随后根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。3.根据权利要求2所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，P2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为所述光伏阵列的输出电压，P为所述光伏阵列的输出功率，所述第一工作点A在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为F，所述第二工作点B在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为E，第三工作点C在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为D， 则线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:51= (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ； 线段BC、⑶、DE和EB构成了一个四边形B⑶E，其面积为:52= (P2+P3)*(U3 — U2)*0.5 ； 通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，进而确定扰动步长变化量。4.根据权利要求3所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述第三工作点C的扰动步长变化量的值为Λ D = K*(S2 - SI)，其中，扰动灵敏度K为通过实验得到的常系数(0〈Κ〈1)ο5.根据权利要求1所述的光伏阵列最大功率跟踪装置，其特征在于，所述光伏阵列最大功率跟踪装置进一步包括最大功率点跟踪模块，所述最大功率点跟踪模块采集所述光伏阵列的输出电压和输出电流信号，计算出扰动步长，从而产生PWM控制信号，来控制升压电路的电力电子开关。6.—种光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述光伏阵列最大功率跟踪方法通过中央处理单元采集光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至脉冲宽度调制处理器。7.根据权利要求6所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述中央处理单元采集相邻三个工作点的输出电压及输出电流，然后根据输出电压及输出功率即可得到相邻三个工作点与功率-电压特性曲线中电压坐标轴所构成的两个四边形的面积，以及最后一个采样点与前一采样点的输出功率差值，随后根据两个四边形的面积、相应输出功率差值，采用自适应面积差法即可获取扰动步长变化量。8.根据权利要求7所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述相邻三个工作点中第一工作点A的坐标为(Ul，Pl)，第二工作点B的坐标为(U2，Ρ2)，第三工作点C的坐标为(U3，P3)，其中U为所述光伏阵列的输出电压，P为所述光伏阵列的输出功率，所述第一工作点A在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为F，所述第二工作点B在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为E，第三工作点C在所述功率-电压特性曲线的电压坐标轴上的投影为D， 则线段AB、BE、EF、FA构成了一个四边形ABEF，其面积为:51= (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ； 线段BC、⑶、DE和EB构成了一个四边形B⑶E，其面积为:52= (P2+P3)*(U3 — U2)*0.5 ； 通过SI与S2的面积差值以及第三工作点C与第二工作点B输出功率差值，进而确定扰动步长变化量。9.根据权利要求8所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，所述第三工作点C的扰动步长变化量的值为Λ D = K*(S2 - SI)，其中，扰动灵敏度K为通过实验得到的常系数(0〈Κ〈1)ο10.根据权利要求6所述的光伏阵列最大功率跟踪方法，其特征在于，通过最大功率点跟踪模块模块采集所述光伏阵列的输出电压和输出电流信号，计算出扰动步长，从而产生PWM控制信号，来控制升压电路的电力电子开关。
【专利摘要】本发明提供一种光伏阵列最大功率跟踪装置，其至少包括中央处理单元、脉冲宽度调制处理器以及电能变换电路，其中：所述中央处理单元分别与光伏阵列以及所述脉冲宽度调制处理器相连，用于采集所述光伏阵列的输出电压及输出电流，并根据所采集的工作点的输出电压及输出电流获取扰动步长变化量并传输至所述脉冲宽度调制处理器。采用本发明能够提高光伏阵列的利用率，加快跟踪光伏电池最大功率的速度，减少在跟踪最大功率点过程中的功率振荡，提高太阳能的利用率。
【IPC分类】G05F1/67
【公开号】CN104898758
【申请号】CN201510171093
【发明人】陈舒婷, 吴增强, 张向峰, 杨凤惠, 潘贝贝
【申请人】上海电机学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月10日
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