CN102545697A - 光伏组件的最大功率点跟踪控制器及光伏组件*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组件的最大功率点跟踪控制器及具有该控制器的光伏组件***，所述最大功率点跟踪控制器包括用以电压信号与电流信号采集的信号采集部分、用以将模拟信号转成数字信号的ADC转换器、MCU单片机（23）、开关管及DC-DC网路。本发明的最大功率点跟踪控制器可以使得具有该控制器光伏组件***准确、及时、有效地跟踪最大功率点，提高光伏组件的发电效率。

Description

光伏组件的最大功率点跟踪控制器及光伏组件***

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及光伏组件的最大功率点跟踪控制器及使用该控制器的光伏组件***。

背景技术

在光伏组件中，由于环境条件（辐射强度、组件温度、环境温度、阴影遮挡、热斑等）的变化，光伏组件的工作状态也在随时变化，要想取得阵列或组件对负载的最大功率输出，必须对光伏组件进行实时状态条件下的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)。

MPPT控制的实质上是一个动态寻优过程，通过对光伏组件当前输出电压与电流的检测，得到光伏组件的当前输出功率，将其与前一时刻功率相比较，然后根据比较结果，改变工作点，使其向最大功率点不断靠近，如此反复，直至达到最大功率点附近的一个极小区域内。

目前，MPPT技术在光伏组件中已得到广泛应用。MPPT控制***主要有软件控制和由升压 (Boost)或降压（Buck）电路组成的直流-直流（DC-DC）变换电路两部分组成。其中软件控制对MPPT有至关重要的作用。

目前的MPPT控制方式有多种，但基本控制方式主要有定电压跟踪法(CVT，Constant voltage Tracking)，扰动观测法(P&O，Perturbation and observation method)，电导增量法(Incremental conductance method)，其他的控制方式都是在以上三种控制方式的基础上作了适当的改进。

定电压跟踪法是利用光伏组件输出最大功率时的工作电压Um与开路电压Uoc存在近似的比例关系这一特性进行控制的一种最大功率点跟踪控制方法。这种办法简单易行，但对温度变化而导致功率浮动不能有效应对。因此只能粗略地跟踪，较少被采用。定电压跟踪法的控制方法如下：

令Um=a*Uoc（a=0.70--0.83），

若U<Um  实际工作点在最大功率点左侧，

若U=Um  实际工作点在最大功率点，

若U>Um  实际工作点在最大功率点右侧。

扰动观察法是通过不断调节MPPT电路的工作状态来比较电路调整前后光伏组件输出功率和输出电压的变化情况，再根据变化情况调整MPPT电路的工作，最后使光伏组件工作在最大功率点附近，MPPT电路在每个控制周期用较小的步长改变光伏组件的输出电压或电流，可以是增加也可以是减小，然后，通过比较该周期前后光伏组件的输出功率，如果输出功率增加，那么按照上一周期的方向继续改变；如果检测到输出功率减小，则 向相反的方向改变。这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。扰动观察法的控制方法如下：

若dP/dU< 0 实际工作点在最大功率点右侧

若dP/dU= 0  实际工作点在最大功率点

若dP/dU> 0  实际工作点在最大功率点左侧

电导增量法是对扰动观察法的改进。其控制思想与扰动观察法类似，也是利用dP/dU的方向进行最大功率点跟踪控制，只是光伏器件工作在最大功率点时控制有所不同。

可以看出，以上方法的控制思想均基于以下条件：

1、I-U曲线的形态在最大功率点偏移时并无变化；

2、I-U曲线仅存在一个极值点，且为最大功率点；

事实上，光伏组件在受到遮挡或因某种原因产生热斑效应时。其曲线形态可能发生较大的变化，曲线可能产生两个或两个以上的极值点，在这种情况下，用以上的跟踪方法，就不能完成对最大功率点跟踪，只能跟踪靠近***状态变化前最大功率点的那个极值点，而这个极值点在具有多极值点的I-U曲线上并不一定是最大功率点，从而使以上跟踪方法可能失效。  

发明内容

本发明的目的在于提供一种光伏组件的最大功率点跟踪控制器，使得最大功率点跟踪准确。

为实现以上发明目的，本发明采用如下技术方案：一种光伏组件的最大功率点跟踪控制器，包括用以电压信号与电流信号采集的信号采集部分、用以将模拟信号转成数字信号的ADC转换器、MCU单片机、开关管及DC-DC网路。

作为本发明的方法进一步改进，所述信号采集部分包括用以采集电压信号的分压电阻。

作为本发明的方法进一步改进，所述信号采集部分包括电流信号的霍尔电流传感器。

本发明的目的在于提供一种具有最大功率点跟踪控制器的光伏组件***，使得光伏组件可以工作在最大功率点。

为实现以上发明目的，本发明采用如下技术方案：一种具有最大功率点跟踪控制器的光伏组件***，其包括光伏组件、最大功率点跟踪控制器、DC-DC变换器及负载，所述最大功率点跟踪控制器包括用以电压信号与电流信号采集的信号采集部分、用以将模拟信号转成数字信号的ADC转换器、MCU单片机、开关管及DC-DC网路。

作为本发明的方法进一步改进，所述信号采集部分包括用以采集电压信号的分压电阻。

作为本发明的方法进一步改进，所述信号采集部分包括电流信号的霍尔电流传感器。

相较于现有技术，本发明的最大功率点跟踪跟踪控制器及具有最大功率点跟踪控制器的光伏组件***可以准确、及时、有效地跟踪最大功率点，提高光伏组件的发电效率。

附图说明

图1是光伏组件的特性曲线图。

图2是温度为25摄氏度不同光照强度下的光伏组件的I-U特性曲线图。

图3是多极值点的I-U特性曲线图。

图4是多极值点的P-U特性曲线图。

图5是第一实施例的光伏组件的最大功率点跟踪方法控制流程图。

图6是第二实施例的光伏组件的最大功率点跟踪方法控制流程图。

图7是本发明光伏组件的结构示意图。

图8是本发明光伏组件的MPPT控制器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，其显示了光伏组件的特性曲线，从图1中可以看出，光伏组件伏安I/U特性曲线具有强烈的非线性，它既非恒电压源，也非恒电流源，也不可能为负载提供任意大的功率P，是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。光伏组件存在一个开路电压值Uoc及一个短路电流值Isc。光伏组件理论上存在一个最大功率点功率值Pm，此时对应一个最大功率点电压值Um及最大功率点电流值Im。

如图2所示，其显示了在温度为25摄氏度的情况下，不同光照强度下的光伏组件的I-U特性曲线图，从图2中可以看出，随着光照强度的增大，最大功率值也在增大。

如图3及图4所示，在光伏组件的实际使用中，可能存在多个功率点峰值的情况，在本实施例中，仅画出两个峰值Pm1及Pm2作为示意。

请参图5所示，是第一实施例的光伏组件10的最大功率点跟踪方法，该方法主要有两大控制策略完成，其中第一控制策略为用第一步长值⊿U1在一定范围内搜寻，以确定出近似的最大功率点Pm'，并确定出对应的电压值Um'；第二控制策略为用小于第一步长值⊿U1的第二步长值⊿U2在近似最大功率点P'm附近精确跟踪，从而确定光伏组件10的最大功率点P'm。

所述第一控制策略包括如下步骤：

1.1 检测光伏组件10的开路电压Uoc；

1.2 确定检测范围，在本实施例中，一定范围为起始电压值为0，终止电压值为Uoc；

1.3 确定第一步长值⊿U1，在本实施例中，第一步长值⊿U1的取值范围为1%Uoc的至10%Uoc；

1.4 令电压值U1=0；令近似最大功率值P'm=0；

1.5 检测此电压值U1对应的输出电流，计算出此电压值U1对应的功率P1；

1.6 若P1<P'm，则，令P'm=P'm，继续下一点检测比较；

若P1=P'm，则，令P'm= P1，继续下一点检测比较；

若P1>P'm，则，令P'm= P1，同时记录下对应的电压值U'm，继续下一点检测比较；

 1.7 检测电压值U1是否等于Uoc：

若电压值U1小于Uoc，则继续以第一步长值⊿U1增加电压值U1，并重新回到步骤1.5，再从步骤1.5开始以新的电压值U1重新执行步骤1.5-1.7；

若电压值U1等于Uoc，则，第一控制策略完成，找到光伏组件10的近似最大值P'm，及对应的电压值U'm。

接着开始第二控制策略，所述第二控制策略包括如下步骤：

2.1 在电压值U'm附近以第二步长值⊿U2改变电压值U2；

2.2 检测此当前电压值U2对应的输出电流，计算出此电压值对应的功率值P2；

若（P2-P'm）/（U2-U'm）<0，则，实际功率点在最大功率点右侧，此时减小电压值；

若（P2-P'm）/（U2-U'm）>0，则，实际功率点在最大功率点左侧，此时增加电压值；

若（P2-P'm）/（U2-U'm）=0，则，此时的实际功率点为光伏组件10的实际最大功率点，维持在该电压值工作。

第一实施例的光伏组件10的最大功率点跟踪方法还包括步骤3：重复循环步骤1.1-2.2，以达到实际最大功率点的动态寻优。

在实际情况下，很难找到（P2-P'm）/（U2-U'm）=0的情况，更多的情况是（P2-P'm）/（U2-U'm）的比值趋近于0，因此在实际使用中，可以规定一个值a，a为一个大于零的数值，当︱（P2-P'm）/（U2-U'm）︱<a时，则可认为跟踪到最大功率点。若a设置的过大，则跟踪不精确，若a设置过小，则***的CPU忙于计算，而功率输出并无太大变化，因此a的设定可以根据实际的情况而定。因此，实际使用中，若（P2-P'm）/（U2-U'm）<-a，则，实际功率点在最大功率点右侧，此时减小电压值；若（P2-P'm）/（U2-U'm）>a，则，实际功率点在最大功率点左侧，此时增加电压值；若-a≦（P2-P'm）/（U2-U'm）≦a，则，此时的实际功率点为光伏组件10的实际最大功率点，维持在该电压值工作。即本申请中的0不是数学意义中的0，应为大于等于-a小于等于a范围内的数值，为了方便表示而写成0。

第一实施例的光伏组件10的最大功率点跟踪方法还包括：在重复循环步骤1.1.-2.4之间，还具有一个延时时间T，该延时时间T可以界定到5秒到2分钟之间，特别地，将延时时间T设定在20秒到50秒之间将达到较佳效果。

请参图6所示，是第二实施例的光伏组件10的最大功率点跟踪方法，该方法主要有两大控制策略完成，其中第一控制策略为用第一步长值⊿U1在一定范围内搜寻，以确定出近似的最大功率点Pm'，并确定出对应的电压值Um'；第二控制策略为用小于第一步长值⊿U1的第二步长值⊿U2在近似最大功率点P'm附近精确跟踪，从而确定光伏组件10的最大功率点P'm。

所述第一控制策略包括如下步骤：

1.1 检测光伏组件10的开路电压Uoc；

1.2 确定检测范围，在本实施例中，一定范围为起始电压值为10%Uoc，终止电压值为90%Uoc；

1.3 确定第一步长值⊿U1，在本实施例中，第一步长值⊿U1的取值范围为1%Uoc的至10%Uoc；

1.4 调节脉宽调制信号（Pulse Width Modulation， PMW）的占空比，使得电压值U1=10%Uoc；

1.5 检测此电压值U1对应的输出电流，计算出此电压值U1对应的功率P1；

1.6 调用子程序一，子程序一包括如下步骤：

初始化近似最大功率值P'm，令近似最大功率值P'm=0；

若P1>P'm，则，令P'm= P1，继续下一点检测比较；

若P1=P'm，则，令P'm= P1，继续下一点检测比较；

若P1<P'm，则，令P'm=P'm，同时记录下对应的电压值U'm，继续下一点检测比较；

1.7 检测电压值U1是否等于90%Uoc：

若电压值U1小于90%Uoc，则调节脉宽调制信号（Pulse Width Modulation， PMW）的占空比，继续以第一步长值⊿U1增加电压值U1，并重新回到步骤1.5，再从步骤1.5开始以新的电压值U1重新执行步骤1.5-1.7；

若电压值U1等于90%Uoc，则，第一控制策略完成，找到光伏组件10的近似最大值P'm，及对应的电压值U'm。

接着开始第二控制策略，所述第二控制策略包括如下步骤：

2.1 调节脉宽调制信号（Pulse Width Modulation， PMW）的占空比，使得电压值U2=U'm+⊿U2；

2.2 检测此当前电压值U2对应的输出电流，计算出此电压值对应的功率值P2；

2.3 调用子程序二，子程序二包括如下步骤：

初始化Pm=P'm；上一次测得的电压值以U'2表示，

当P2>Pm，

若U2> U'2，则，实际功率点在最大功率点左侧，此时正向改变电压值U2；

若U< U'2，则，实际功率点在最大功率点右侧，此时反向改变电压值U2；

当P2<Pm，

若U2> U'2，则，实际功率点在最大功率点右侧，此时反向改变电压值U2；

若U2< U'2，则，实际功率点在最大功率点左侧，此时正向改变电压值U2；

2.4 判断（P2-Pm）/（U2- U'2）是否等于0，即dP/dU2是否等于0：

若不等于0，则，调节脉宽调制信号（Pulse Width Modulation， PMW）的占空比改变电压值U2，同时根据子程序二中的判断，确定是正向增加还是反向减小第二步长值⊿U2，并重新回到步骤2.2，再从步骤2.2开始以新的电压值U2重新执行2.2-2.4；

若等于0，则，此时的实际功率点P2为光伏组件10的最大功率点Pm。

第二实施例的光伏组件10的最大功率点跟踪方法还包括步骤3：重复循环步骤1.1-2.4，以达到实际最大功率点的动态寻优。

在实际情况下，很难找到（P2-Pm）/（U2- U'2）=0的情况，更多的情况是（P2-Pm）/（U2- U'2）的比值趋近于0，因此在实际使用中，可以规定一个值a，a为一个大于零的数值，当-a≤（P2-Pm）/（U2- U'2）≤a时，既可认为跟踪到最大功率点。若a设置的过大，则跟踪不精确，若a设置过小，则***的CPU忙于计算，而功率输出并无太大变化，因此a的设定可以根据实际的情况而定，为了方便表示而写成0。

第二实施例的光伏组件10的最大功率点跟踪方法还包括：在重复循环步骤1.1.-2.4之间，还具有一个延时时间T，该延时时间T可以界定到20秒到2分钟之间，特别地，将延时时间T设定在20秒到50秒之间将达到较佳效果。

该方法还可包括在外界光照强度或者温度的变化量，***决定再次启动最大功率值寻优。从而使得本光伏组件10一直工作在最大功率值附近，以提升光伏组件10的发电效率。

在两个实施例中，关于第一步长⊿U1及第二步长⊿U2的选择，若选择较大，则可以很快确定最大功率点的大概位置，提高***的跟踪速度，若选择较小，则可以较精确地跟踪最大功率点Pm，当然，也会降低***的跟踪速度。

相较于现有技术，最大功率点跟踪方法先以较大步长进行全局最大功率点检测全局的近似最大功率点，在以较小步长在近似最大功点附近进行精确跟踪，因此，可以在光伏组件10具有多个功率极值点的情况下，准确地跟踪到光伏组件10的全局最大极值点，避免了工作点或跟踪点始终被束缚在某一极值点附近而无法检测到其他极值点这一情况的发生，从而能准确、及时、有效地跟踪最大功率点，提高光伏组件10的发电效率。

如图7所示，是本发明的光伏组件10的***结构，其包括光伏组件10、MPPT控制器20、DC-DC变换器30及与DC-DC变换器30连接的负载40。所述MPPT控制器20可以检测光伏组件10的电压和电流。光伏组件10和MPPT控制器20均与DC-DC变换器连接30。

如图8所示是本发明的MPPT控制器20的原理示意图，其主要包括信号采集部分21、ADC转换器22、MCU单片机23、开关管24 及DC-DC网路25。

所述信号采集部分21主要是电压信号和电流信号的采集，其中，电压信号的采集可采用分压电阻，电流信号的采集可采用霍尔电流传感器；并对获得电压、电流模拟信号进行处理。

所述ADC转换器22部分将电压、电流模拟信号转换成数字信号

所述MCU单片机23是***的计算、控制中心。它根据程序要求，计算、比较电压、功率等数值，并根据程序要求作出控制策略的选择，并通过输出各种信号控制开关管24的导通状态，以调整电压，从而达到调整功率的目的。MCU根据P=I*U计算出功率。

所述开关管24及DC-DC网路25是功率调整的执行器件，所述开关管24与DC-DC网路25共同完成对电压或功率的调整。

MPPT控制器20从光伏组件10采集的电流电压信号可用于***的其他辅助功能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种光伏组件的最大功率点跟踪控制器（20），其特征在于，包括用以采集电压信号与电流信号的信号采集部分（21）、用以将模拟信号转成数字信号的ADC转换器（22）、MCU单片机（23）、开关管（24）及DC-DC网路（25）。

2.如权利要求1所述的光伏组件的最大功率点跟踪控制器，其特征在于：所述信号采集部分（22）包括用以采集电压信号的分压电阻。

3. 如权利要求1所述的光伏组件的最大功率点跟踪控制器，其特征在于：所述信号采集部分（22）包括电流信号的霍尔电流传感器。

4. 一种具有最大功率点跟踪控制器的光伏组件***，其包括光伏组件（10）、最大功率点跟踪控制器（20）、DC-DC变换器（30）及负载（40），其特征在于，所述最大功率点跟踪控制器包括用以电压信号与电流信号采集的信号采集部分（21）、用以将模拟信号转成数字信号的ADC转换器（22）、MCU单片机（23）、开关管（24）及DC-DC网路（25）。

5.如权利要求4所述的具有最大功率点跟踪控制器的光伏组件***，其特征在于：所述信号采集部分（22）包括用以采集电压信号的分压电阻。

6. 如权利要求4所述的具有最大功率点跟踪控制器的光伏组件***，其特征在于：所述信号采集部分（22）包括电流信号的霍尔电流传感器。

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