專利名稱：光伏發電系統、其最大功率點跟蹤方法和跟蹤裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于太陽能光伏發電技術領域，具體涉及一種光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法和跟蹤裝置，以及由該跟蹤裝置控制的光伏發電系統。
背景技術：
隨著太陽能光伏發電的發展，運用獨立運行和并網太陽能光伏發電系統分別在解決邊遠無電地區用電和在城市中緩解能源供應緊張的問題中發揮了重要的作用。不論是獨立運行系統或并網光伏發電系統，如何利用有限的空間和面積，提高系統的效率，獲得最大的能量就顯得尤為重要。太陽能光電池昂貴的價格和較低的效率是制約太陽能光伏系統推廣應用的主要原因。因此充分利用太陽能資源，提高光電池的使用效率，降低光伏發電技術成本，是一個重要研究課題。太陽能光伏電池的輸出功率受日照強度，太陽能光伏電池溫度等因素的影響。當 溫度增加時，太陽能光伏電池的開路電壓下降，短路電流稍有增加，最大輸出功率減小；如圖I所示，當日照強度增加時，太陽能光伏電池的開路電壓變化不大，短路電流增加，最大輸出功率增加。如圖2所示，在一定的溫度和日照強度下，太陽能光伏電池具有唯一的最大功率點，當太陽能電池工作在該點時，能輸出當前溫度和日照條件下的最大功率。在太陽能光伏系統中，通常要求太陽能光伏電池的輸出功率始終最大，即系統要能跟蹤太陽光伏電池輸出的最大功率，必須在太陽光伏電池和負載之間加入阻抗變換器，調節太陽能光伏電池的負載阻抗，進而改變工作電壓，使改變后的等效輸入阻抗與太陽能光伏電池輸出阻抗相匹配，從而使太陽能光伏電池以最大功率輸出，這就是所謂的太陽能光伏電池的最大功率點跟蹤。對太陽能光伏電池進行最大功率點跟蹤過程中，工作電壓的控制是通過升壓電路完成的。當占空比D越大時，升壓電路的輸入阻抗就越小，占空比D越小時，升壓電路的輸入阻抗就越大。通過改變升壓電路的占空比D，這是采用升壓電路能夠實現最大功率點跟蹤的理論依據。實驗表明最大功率點跟蹤器可使光伏電池的輸出功率提高15%_25%，大大提高光伏發電系統利用效率。傳統的最大功率點跟蹤法，如擾動觀察法、導納增量法等，都需要使用光伏電池陣列的輸出電流和輸出電壓作反饋信號，電壓電流乘積得到功率參數，在通過功率的變化來判斷電壓擾動方向。申請號CN201010106853. 5的發明就公開了一種基于導納增量法的最大功率點跟蹤系統。這樣的控制系統不僅使電路結構尤為復雜，制造成本也相對較高，并且對于類似汽車經常處于變換的復雜光照條件下最大功率點跟蹤(MPPT)會經常失效。
發明內容
本發明的目的是解決現有的以功率的變化來調整光伏發電系統的最大功率點的方法存在電路結構復雜、制造成本高和復雜光照條件下MPPT控制會經常失效的問題，提供一種以電壓的變化來調整光伏發電系統的最大功率點的方法。解決本發明技術問題所采用的技術方案是一種光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，包括以下步驟SI)以第一步長Dref為單位遍歷光伏發電系統的脈沖寬度調制控制器的占空比D= [O, I]，檢測與不同占空比對應的光伏發電系統輸出功率P，獲得該占空比范圍內輸出功率P的最大值Pmax對應的占空比Dmaxl ；S2)以該占空比Dmaxl為起點，以第二步長Dstep為占空比的擾動量的單位對脈沖寬度調制控制器的占空比施加擾動，令NDuty=pre_Duty + Dstep,其中NDuty為當前占空比，pre_Duty為前一周期的占空比,第二步長Dstep小于第一步長DMf ；S3)計算施加擾動后占空比對應的光伏發電系統輸出電壓的差值diff_vfan，令diff_vfan=vfan 一 pre_vfan,其中vfan為當前周期占空比NDuty對應的光伏發電系統輸 出電壓，pre_vfan為前一周期占空比pre_Duty對應的光伏發電系統輸出電壓；S4)若diff_vfan彡0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比增加，令 NDuty=pre_Duty + Dstep ；若diff_vfan〈0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比減7Jn7 ^ NDuty=pre_Duty — Dstep0本發明提供的光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法中，在系統啟動或重啟時，以較大的步長在占空比范圍內，采用遍歷法快速進行全局尋優，找到類最大功率點和類最優占空比；再采用擾動觀察法，以較小的步長在類最優占空比附近進行小范圍動態跟蹤電壓值，進而跟蹤最大功率點。采用遍歷法與保持的擾動觀察法相結合的方式，具有簡單、實時和高效的特色，相對于傳統的最大功率點跟蹤法能使太陽能光伏系統獲取更多的能量。本發明提供的光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，在控制方式上，采用的是對最大功率點不敏感的電壓控制方式，只需偵測電壓值，不需有電流偵測及演算程序，大幅提高對太陽能跟蹤的反應速度。優選的是，所述的第一步長DMf為O. 05-0. I。進一步優選的是,所述的第一步長Drrf為0.05。優選的是，所述的第二步長Dstep為O. 005-0. 015。進一步優選的是，所述的第二步長Dstep為O. 01。本發明的另一個目的是解決現有的以功率的變化來調整太陽能光伏發電系統的最大功率點跟蹤裝置存在電路結構復雜、制造成本高和復雜光照條件下MPPT控制會經常失效的問題，提供一種以電壓的變化來調整太陽能光伏發電系統的最大功率點跟蹤裝置。解決本發明技術問題所采用的技術方案是一種太陽能光伏發電系統的最大功率點的跟蹤裝置，包括遍歷法跟蹤單元，用于以第一步長DMf為單位遍歷光伏發電系統的脈沖寬度調制控制器的占空比D=
，檢測與不同占空比對應的光伏發電系統輸出功率P，獲得該占空比范圍內輸出功率P的最大值Pmax對應的占空比Dmaxl ；擾動觀察法跟蹤單元，用于以該占空比Dmaxl為起點，以第二步長Dstep為占空比的擾動量的單位對脈沖寬度調制控制器的占空比施加擾動，令NDuty=pre_Duty + Dstep,其中NDuty為當前占空比，pre_Duty為前一周期的占空比,第二步長Dstep小于第一步長Dref ；
電壓比較計算單元，用于計算施加擾動后占空比對應的光伏發電系統輸出電壓的差值diff_vfan,令diff_vfan=vfan — pre_vfan,其中vfan為當前周期占空比NDuty對應的光伏發電系統輸出電壓，pre_vfan為前一周期占空比pre_Duty對應的光伏發電系統輸出電壓；占空比賦值單元，根據電壓比較計算單元計算的電壓差值，對占空比進行調節，若diff_vfan ^ 0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比增加，令NDuty=pre_Duty+Dstep ；若diff_vfan〈0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比減7Jn7 ^ NDuty=pre_Duty — Dstep0本發明提供的太陽能光伏發電系統的最大功率點的跟蹤裝置具 有結構簡單，無需大電流、高電壓的傳感器，成本低的優點，操作也更可靠、安全和有效；同時該最大功率點跟蹤裝置既可應用于獨立光伏系統，也可用于并網光伏系統。優選的是，所述的第一步長Dref為O. 05-0. I。優選的是，所述的第二步長Dstep為O. 005-0. 015。進一步優選的是，所述的第二步長Dstep為O. 01。本發明的另一個目的是解決現有的以功率的變化來調整汽車天窗光伏發電系統的最大功率點跟蹤裝置存在電路結構復雜、制造成本高和復雜光照條件下MPPT控制會經常失效的問題，提供一種以電壓的變化來調整最大功率點的汽車天窗光伏發電系統。解決本發明技術問題所采用的技術方案是一種汽車天窗光伏發電系統，其采用上述的最大功率點跟蹤裝置控制該汽車天窗光伏發電系統的輸出功率。本發明提供的汽車天窗光伏發電系統，由于采用上述最大功率點控制方法和最大功率點跟蹤裝置，因此具有反應速度快，結構簡單，無需大電流、高電壓的傳感器，成本低，操作也更可靠、安全和有效，可作為多種直流負載的供電電源。
圖I為汽車天窗太陽能光伏發電系統在不同光照條件下的I_V曲線。圖2為汽車天窗太陽能光伏發電系統在不同光照條件下的P_V曲線。圖3為本發明實施例I的太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤方法的流程圖。圖4為本發明實施例I的太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤方法中的擾動觀察法的流程圖。圖5為本發明的太陽能光伏發電系統的基本構成框圖。
具體實施例方式為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述。下面介紹本發明的最大功率點跟蹤方法和最大功率點跟蹤裝置，優選用于控制太陽能光伏發電系統，更優選用于控制汽車天窗太陽能光伏發電系統用于為車載鼓風機提供電源。當然上述的最大功率點跟蹤裝置既可應用于獨立光伏系統，也可用于并網光伏系統。上述的太陽能光伏發電系統可作為多種直流負載的供電電源。
實施例I本實施例提供一種太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤方法，其優選用于控制汽車天窗太陽能光伏發電系統。汽車天窗太陽能光伏發電系統用于為車載鼓風機提供電源，實現汽車的降溫換氣。為了最大限度的利用太陽能，結合汽車天窗太陽能光伏發電系統所處的光照環境的變化的復雜性，提供了一種光伏發電系統最大功率點的跟蹤方法，該方法可用于控制最大功率點跟蹤裝置，該裝置可以用于控制汽車天窗太陽能光伏發電系統。如圖3所示，本實施例的太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤方法的流程圖，太陽能電池板通過DC/DC轉換器調節輸出電壓為直流負載即車載鼓風機和單片機供電，單片機接受車載鼓風機的反饋電壓，并計算前后兩周期電壓的差值，指令PWM控制芯片控制輸出的占空比，從而控制DC/DC轉換器的輸出電壓。本實施例的太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤方法具體包括S10，系統啟動與準備，其包括 S101，系統啟動或重啟；其中，重啟包括人為重啟系統，以及汽車進入陰影、電池陣列被遮擋等光照強度急劇減少使光伏發電系統的輸出功率不能維持控制系統的正常運行而自動關閉系統，之后又進入能維持控制系統的正常運行的光照強度下，系統自動重啟。S102，初始化；PWM控制器的占空比D=0，單片機接收車載鼓風機的電壓并存儲。S20,遍歷法跟蹤,其包括S201，以第一步長Dief為單位遍歷光伏發電系統的脈沖寬度調制控制器的占空比D=
,令 NDuty=pre_Duty + Dref0 S202，單片機檢測每個周期與不同占空比NDuty對應的光伏發電系統輸出功率NP。計算輸出功率P的最大值Pmax對應的占空比Dmaxl,結束遍歷法步驟；優選的，第一步長DMf取值范圍為O. 05-0. 1，更優選的，第一步長Dref取值為O. 05。S30，擾動觀察法跟蹤，具體流程如圖4所示，其具體包括下述步驟。S301, PWM控制芯片的占空比施加擾動。PWM控制芯片以上述的占空比Dmaxl為起點，以第二步長Dstep為占空比的擾動量的單位，調整DC/DC轉換器的占空比，令NDuty=pre_Duty + Dstep，其中NDuty為當前占空比；pre_Duty為前一周期的占空比,第二步長Dstep小于第一步長DMf。優選的，第二步長Dstep的取值范圍為O. 005-0. 015，更優選的，第二步長Dstep的取值為0.01。S302，單片機計算施加擾動后占空比對應的車載鼓風機反饋電壓的差值diff_vfan0根據系統接收到的前后兩周期對應的車載鼓風機反饋電壓進行計算，令diff_vfan=vfan 一 pre_vfan,其中vfan為當前周期占空比NDuty對應的車載鼓風機反饋電壓；pre_vfan為前一周期占空比pre_Duty對應的車載鼓風機反饋電壓；S303，根據車載鼓風機反饋電壓的電壓差值，調節PWM控制器的占空比。若diff_vfan彡0，則PWM控制芯片以第二步長Dstep為占空比的擾動量的單位，調整DC/DC轉換器的占空比，令NDuty=pre_Duty + Dstep ； 若diff_vfan〈0，則PWM控制芯片以第二步長Dstep為占空比的擾動量的單位，調整DC/DC 轉換器的占空比，令 NDuty=pre_Duty — Dstep。S40，返回執行S302 ;從而持續跟蹤太陽能光伏發電系統的最大功率點，直至系統關閉或再次重啟。實施例2本實施例提供了一種光伏發電系統最大功率點跟蹤裝置，該裝置可以用于控制汽車天窗太陽能光伏發電系統。該太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤裝置，包括遍歷法跟蹤單元，用于以第一步長DMf為單位遍歷光伏發電系統的脈沖寬度調制控制器的占空比D=
，檢測與不同占空比對應的光伏發電系統輸出功率P，獲得該占空比范圍內輸出功率P的最大值Pmax對應的占空比Dmaxl ;優選的，第一步長Dref取值范圍為 O. 05-0. 1，更優選的，第一步長DMf取值為O. 05。擾動觀察法跟蹤單元，用于以該占空比Dmaxl為起點，以第二步長Dstep為占空比的擾動量的單位對脈沖寬度調制控制器的占空比施加擾動，令NDuty=pre_Duty + Dstep,其中NDuty為當前占空比，pre_Duty為前一周期的占空比,第二步長Dstep小于第一步長DMf ;優選的，第二步長Dstep的取值范圍為O. 005-0. 015，更優選的，第二步長Dstep的取值為0.01。電壓比較計算單元，用于計算施加擾動后占空比對應的光伏發電系統輸出電壓的差值diff_vfan,令diff_vfan=vfan — pre_vfan,其中vfan為當前周期占空比NDuty對應的光伏發電系統輸出電壓，pre_vfan為前一周期占空比pre_Duty對應的光伏發電系統輸出電壓。占空比賦值單元，根據電壓比較計算單元計算的電壓差值，對占空比進行調節。若diff_vfan彡0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比增加，令 NDuty=pre_Duty + Dstep ；若diff_vfan〈0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比減7Jn7 ^ NDuty=pre_Duty — Dstep0實施例3如圖5所示，本實施例提供了一種汽車天窗光伏發電系統，該系統包括上述的太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤裝置。采用上述最大功率點跟蹤方法和跟蹤裝置控制的汽車天窗太陽能光伏發電系統，其跟蹤速度快。控制系統的主循環周期為IOms時，遍歷法采用的第一步長Dief為O. 05，搜索到類最大功率點的最大用時為200ms。當然主循環也可以根據具體的應用情況采用其它的時間周期；在擾動觀察法采用的第二步長Dstep為O. 01，搜索到最大功率點的最大用時為IOOms ;綜合上述情況，控制系統找到最大功率點的最大用時為300ms。另外采用上述最大功率點跟蹤方法和跟蹤裝置控制的汽車天窗太陽能光伏發電系統的功率損失較小，以一個40w汽車天窗太陽能光伏發電系統為例，在主循環時間周期為10ms，遍歷法采用的第一步長DMf為O. 05，擾動觀察法采用的第二步長Dstep為O. 01，則該裝置跟蹤到最大功率點的功率損失為O. 4w，耗能較低，完全符合實際要求。可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟 51)以第一步長Dm為單位遍歷光伏發電系統的脈沖寬度調制控制器的占空比D=
，檢測與不同占空比對應的光伏發電系統輸出功率P，獲得該占空比范圍內輸出功率P的最大值Pmax對應的占空比Dmaxl; 52)以該占空比Dmaxl為起點，以第二步長Dstep為占空比的擾動量的單位對脈沖寬度調制控制器的占空比施加擾動，令NDuty=pre_Duty+Dstep,其中NDuty為當前占空比，pre_Duty為前一周期的占空比，第二步長Dstep小于第一步長Dref ; 53)計算施加擾動后占空比對應的光伏發電系統輸出電壓的差值diff_vfan，令diff_vfan=vfan 一 pre_vfan,其中vfan為當前周期占空比NDuty對應的光伏發電系統輸出電壓，pre_vfan為前一周期占空比pre_Duty對應的光伏發電系統輸出電壓； 54)若diff_vfan^ O，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比增加，令 NDuty=pre_Duty + Dstep ； 若diff_vfan〈0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比減小，令NDuty=pre_Duty — Dstepo
2.如權利要求I所述的光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，其特征在于，所述的第一步長 Drtf 為 0. 05-0. I。
3.如權利要求2所述的光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，其特征在于，所述的第一步長Drtf為0. 05。
4.如權利要求I至3中任意一項所述的光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，其特征在于，所述的第二步長Dstep為0. 005-0.015。
5.如權利要求4所述的光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，其特征在于，所述的第二步長 Dstop 為 0.01。
6.一種太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤裝置，其特征在于，包括 遍歷法跟蹤單元，用于以第一步長DMf為單位遍歷光伏發電系統的脈沖寬度調制控制器的占空比D=
，檢測與不同占空比對應的光伏發電系統輸出功率P，獲得該占空比范圍內輸出功率P的最大值Pmax對應的占空比Dmaxl ； 擾動觀察法跟蹤單兀，用于以該占空比Dmaxl為起點，以第_■步長Dstep為占空比的擾動量的單位對脈沖寬度調制控制器的占空比施加擾動，令NDuty=pre_Duty + Dstep,其中NDuty為當前占空比，pre_Duty為前一周期的占空比,第二步長Dstep小于第一步長Draf ； 電壓比較計算單元，用于計算施加擾動后占空比對應的光伏發電系統輸出電壓的差值diff_vfan,令diff_vfan=vfan — pre_vfan,其中vfan為當前周期占空比NDuty對應的光伏發電系統輸出電壓，pre_vfan為前一周期占空比pre_Duty對應的光伏發電系統輸出電壓； 占空比賦值單元，根據電壓比較計算單元計算的電壓差值，對占空比進行調節，若diff_vfan ^ 0，則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比增加，令NDuty=pre_Duty+Dstep ;若diff_vfan〈0,則以第二步長Dstep為單位控制脈沖寬度調制控制器的占空比減小，令NDuty=pre_Duty — Dstep。
7.如權利要求6所述的一種太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤裝置，其特征在于，所述的第一步長DMf為0. 05-0. I。
8.如權利要求6所述的一種太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤裝置，其特征在于，所述的第二步長Dstep為0. 005-0. 015。
9.如權利要求8所述的光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法，其特征在于，所述的第二步長 Dstop 為 0.01。
10.一種汽車天窗光伏發電系統，特征在于，該系統包括如權利要求6-9任一所述的太陽能光伏發電系統最大功率點跟蹤裝置。
全文摘要
本發明提供一種光伏發電系統的最大功率點跟蹤方法和跟蹤裝置，及由該裝置控制的光伏發電系統，屬于太陽能光伏發電技術領域，其可解決現有的以功率的變化來調整光伏發電系統的最大功率點的方法存在電路結構復雜、制造成本高和復雜光照條件下最大功率點跟蹤控制會經常失效的問題。本發明采用遍歷法快速進行全局尋優，找到類最大功率點和類最優占空比；再采用擾動觀察法，以較小的步長在類最優占空比附近進行小范圍動態跟蹤電壓值，進而跟蹤最大功率點。本發明的光伏發電系統具有對太陽能跟蹤的反應速度快，結構簡單，無需大電流、高電壓的傳感器，成本低，操作也更可靠、安全和有效。
文檔編號G05F1/67GK102811000SQ20121025134
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者李芳珍, 王建輝 申請人:奇瑞汽車股份有限公司