專利名稱：智能光伏模塊及其控制方法以及基于該模塊的光伏系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于太陽能光伏發電研究領域，特別涉及一種新型的智能光伏太陽能板結構及其輸出統一最大功率控制方法。
背景技術：
隨著全球能源需求的日益增大，清潔的可再生能源(太陽能，風能和潮汐能等)引起了越來越廣泛的關注。太陽能作為一種主要的清潔能源，對其的合理利用也成為能源行業的研究熱點和未來的主要發展方向。然而，在實際的太陽能應用場合中，太陽能光伏系統會因為自身的不匹配或者光照不均而損失大量的能量。通常來講，這種不匹配和光照不均的情況主要由于以下原因造成:周圍物體陰影的不規則遮擋，光伏太陽能板之間特性的不一致，具體安裝環境中光伏太陽能板朝向或者傾斜角度的不同等等。上述的狀況會給整個光伏系統帶來不可忽視的能量損失。而且，光照不均勻也會使得光伏系統的輸出特性出現“多個最大功率點”的現象，使得最大功率跟蹤的算法面臨挑戰，并且有可能產生系統的失穩現象。如何解決不匹配現象給太陽能系統帶來的問題，已成為影響和制約光伏產業發展和普及的關鍵所在。針對上述問題，大多數解決方法偏重于從控制角度解決問題，通過復雜的最大功率跟蹤算法來尋找光伏陣列在不匹配情況下的輸出全局最大功率點。這種方法建立在高精度的檢測環節、精確的調節器設計和復雜的控制程序基礎上，系統可靠性差，目前還無法被工業界廣泛采用。而且，即使 通過復雜的算法可以找到整個光伏系統的全局最大功率點，還是無法讓每一塊光伏太陽能板工作在自己的最大功率點，從而嚴重影響整個光伏系統的輸出效率。
發明內容為了實現上述目的，本發明通過DC-DC變換器替代傳統太陽能板接線盒中的并聯二極管，使得每一個光伏電池串在任何外部光照條件下都可以工作在整個模塊的輸出功率最優點，極大地提高了光伏太陽能系統在不匹配光照條件下的輸出功率。并且本發明針對所提出的結構提出一種簡單，可靠，成本低的輸出統一最大功率控制方法，在保證輸出功率不受影響的前提下，簡化了控制系統結構，提高了可集成度，減少了元件數目，優化了整個系統模塊。本發明采用如下技術方案:一種智能光伏模塊，包括光伏電池組、DC-DC變換器，以及最大功率跟蹤單元，所述每一個光伏電池組與一個DC-DC變換器的輸入端直接相連，所述DC-DC變換器的輸出端依次串聯，所述每一個DC-DC變換器連接有各自的控制回路，所述最大功率跟蹤單元采集到智能光伏模塊的輸出電流和電壓信號后通過最大功率算法計算最大功率點電壓，并且將其作為每一個DC-DC變換器的控制回路的指令電壓信號用以保證每一個光伏電池組在任何外部光照條件下都工作在整個智能光伏模塊的輸出功率最優點。
—種基于上述智能光伏模塊的光伏系統，由所述智能光伏模塊作為基本單元進行串并聯構成。一種基于如上述所述的智能光伏模塊電路結構的控制方法，最大功率跟蹤單元接收到光伏模塊輸出端的電壓和電流信號后，對其進行最大功率跟蹤計算，得到此刻光照條件下的最大功率電壓指令值，然后將該最大功率電壓指令值同時送給各個DC-DC變換器的控制回路，并將所述最大功率電壓指令值作為各個控制回路的統一控制環電壓指令信號從而控制相應DC-DC變換器的開關管。作為本發明的優選實施例，所述DC-DC變換器的控制回路接收到所述統一最大功率電壓指令值后，比較各自輸入光伏電池組的電壓幅值和給定的指令電壓值，生成PWM信號，去控制相應的開關管。作為本發明的優選實施例，所述最大功率跟蹤單元通過擾動尋找最大功率點。作為本發明的優選實施例，所述最大功率跟蹤單元通過擾動尋找最大功率點時，每個DC-DC變換器的輸入側電壓通過各自獨立的PWM閉環進行控制，從而實現對各自輸入側電壓的控制。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:本發明通過DC-DC變換器替代傳統太陽能板接線盒中的并聯二極管，最大功率跟蹤單元接收到智能光伏模塊輸出端的電壓和電流信號后，對其進行最大功率跟蹤計算，得到此刻光照條件下的最大功率電壓指令值，然后將該最大功率電壓指令值同時送給各個DC-DC變換器的控制回路，并將所述最大功率電壓指令值作為控制回路的控制環電壓指令信號以控制相應光伏電池組的開關管，這樣，每一個光伏電池串在任何外部光照條件下都可以工作在整個模塊的輸出功率最優點，極大地提高了光伏太陽能系統在不匹配光照條件下的輸出功率。
圖1為傳統光伏 太陽能板的結構示意圖。圖2為本發明光伏智能模塊的結構示意圖。圖3為本發明所介紹以Buck電路為例的最大功率輸出統一控制方法的控制系統結構圖。圖4 (A)為傳統光伏電池組輸出的1-V曲線對比圖，其中，實線為理想光照下光伏電池組輸出的1-V曲線，虛線為被陰影遮擋下光伏電池組輸出的1-V曲線。圖4 (B)為本發明智能光伏模塊米用傳統控制方法處理后的一個Buck電路的輸出的ι-v曲線對比圖，其中，實線為理想光照下的1-V曲線圖，虛線為被陰影遮擋下的1-V曲線圖。圖4 (C)為本發明智能光伏模塊采用傳統控制方法處理后整個嵌入式智能光伏模塊的輸出1-V曲線圖。圖4 (D)為傳統光伏電池組輸出的P-V曲線圖，其中，實線曲線為理想光照下光伏電池組輸出的P-V曲線，虛線曲線為被陰影遮擋下光伏電池組輸出的P-V曲線。圖4 (E)為本發明智能光伏模塊采用傳統控制方法處理后的一個Buck電路的P-V曲線對比圖，其中，實線為理想光照下的P-V曲線圖，虛線為被遮擋部分的P-V曲線圖。圖4 (F)為本發明智能光伏模塊采用傳統控制方法處理后整個嵌入式智能光伏模塊的輸出P-V曲線圖。圖5 (A)為傳統光伏電池的輸出1-V曲線圖，其中，實線為理想光照情況下的曲線圖，虛線為被陰影遮擋部分的曲線圖。圖5 (B)為本發明智能光伏模塊采用本發明控制方法處理后的一個Buck電路的輸出的1-V曲線圖，其中，實線曲線為理想光照，虛線曲線為被陰影遮擋。圖5 (C)為本發明智能光伏模塊采用本發明控制方法處理后整個嵌入式智能光伏模塊的1-V曲線圖。圖5 (D)為傳統光伏電池的輸出P-V曲線圖，其中，實線為理想光照情況下的曲線圖，虛線為被陰影遮擋部分的曲線圖。圖5 (E)為本發明智能光伏模塊采用本發明控制方法處理后的一個Buck電路的輸出的P-V曲線圖，其中，實線曲線為理想光照，虛線曲線為被陰影遮擋。圖5 (F)為本發明智能光伏模塊采用本發明控制方法處理后整個嵌入式智能光伏模塊的P-V曲線圖。圖5 (G)為圖5 (E)中 圈A處的放大圖。圖5 (H)為圖5 (E)中圈B處的放大圖。圖6為單個傳統光伏太陽能板局部陰影情況下在其輸出側做最大功率跟蹤時的P-V曲線圖。圖7為嵌入式光伏智能模塊的主電路結構，但是每個DC-DC變換器采用傳統的輸入側最大功率跟蹤控制策略時的P-V曲線圖。圖8為嵌入式光伏智能模塊的主電路結構，并且采用本發明所提出的輸出側最大功率輸出統一控制方法時得到的P-V曲線圖。圖9 (A)為本發明裝置在理想光照情況下無陰影遮擋時候的輸出1-V曲線圖。圖9(B)為本發明裝置在一路光伏電池組出現陰影遮擋時候的輸出1-V的曲線圖。圖9(C)為本發明裝置在兩路光伏電池組出現陰影遮擋時候的輸出1-V的曲線圖。圖9 (D)為本發明裝置在三路光伏電池組出現不同光照情況下系統的輸出1-V的曲線圖。圖9 (E)為本發明裝置在本發明在理想光照情況下無陰影遮擋時候的輸出P-V的曲線圖。圖9 (F)為本發明裝置在本發明在一路光伏電池組出現陰影遮擋時候的輸出P-V的曲線圖。圖9 (G)為本發明裝置在本發明在兩路光伏電池組出現陰影遮擋時候的輸出P-V的曲線圖。圖9 (H)為本發明裝置在本發明在三路光伏電池組出現不同光照情況下系統的輸出P-V的曲線圖。
具體實施方式傳統的太陽能光伏系統(如圖1)經常會因為自身的不匹配和光照不均而損失大量的能量。本發明提出一種基于分布式最大功率跟蹤技術的嵌入式智能光伏模塊的結構，利用非隔離的DC-DC變換器替代傳統太陽能板接線盒中的并聯二極管，通過分布式的最大功率跟蹤算法，可以有效地消除太陽能板自身不匹配和光照不均帶來的能量損失。本發明針對這種基于非隔離DC-DC電路的嵌入式智能光伏模塊提出一種優化的統一輸出最大功率跟蹤控制策略，在保證輸出功率基本不受影響的前提下，優化了整個系統模塊。本發明技術方案主要從系統結構和控制方法兩個方面進行闡述。I)嵌入式智能光伏模塊的系統結構(如圖2、圖3):a)利用非隔離的DC-DC變換器替代傳統單塊太陽能板接線盒中的并聯二極管；b)將單塊太陽能板中每一串娃太陽能電池組與一個DC-DC變換器的輸入端直接相連；c)將所有DC-DC變換器的輸出端依次串聯,構成一個“嵌入式智能光伏模塊”；d)以這種“嵌入式智能光伏模塊”為基本單元，再進行串并聯構成一個完整的光伏太陽能系統。2)最大功率輸出統一控制方法(如圖3):a)通過電壓、電流傳感器檢測“嵌入式智能光伏模塊”輸出端的電壓電流信號；b)在采樣電路中對檢測到的輸出電壓、電流進行最大功率跟蹤計算，得到此刻光照條件下的最大功率電壓指令值；c)將最大功率跟蹤單元計算出的最大功率電壓指令值同時送給三路DC-DC變換器的控制回路，作為其各自的控制環的公共電壓指令信號；d)每個DC-DC變換器通過各自獨立的控制閉環去跟隨這個公共的電壓指令，三個獨立的PWM控制單元比較各自輸入光伏電池組的電壓幅值和給定的指令電壓值，生成PWM信號，去控制相應的開關管；e)每當“嵌入式智能光伏模塊”輸出側的最大功率跟蹤單元進行擾動尋找最大功率點時，每個DC-DC變換器的輸入側電壓則通過各自獨立的PWM閉環進行控制從而實現了對各自輸入側電壓的控制。DC-DC變換器的拓撲結構是一個Buck電路。請參閱圖4 (A)至圖4 (F)所示，為各種光伏電池的1-V曲線和P-V曲線，其中，圖4 (A)和圖4 (D)分別為傳統光伏電池的1-V曲線和P-V曲線，圖4 (B)和圖4 (E)分別為本發明光伏模塊采用傳統控制方法處理后的一個Buck電路的輸出1-V曲線和P-V曲線，因為每一個Buck電路是串聯結構，所以輸出母線電流相同，電壓相互累加，由此得到整個嵌入式智能光伏模塊的輸出特性曲線，如圖4 (C)和圖4 (F)所示。請參閱圖5 (A)至圖5 (F)所示，為不同情況下光伏電池的I_V曲線和P_V曲線圖，其中，圖5 (A)和圖5 (D)分別為傳統光伏電池組輸出的1-V曲線和P-V曲線。因為每一個DC-DC變換器的控制電壓參考值是通過輸出的最大功率跟蹤單元統一給出，所以，在穩態情況下，電路任何時刻的輸入電壓應該穩定在同一個電壓值，如圖5 (B)和圖5 (E)所示，從中得知，由最大功率跟蹤單元給出的最大功率電壓既不是理想光照下光伏電池板的最大功率點電壓值，也不是陰影遮擋下光伏電池組的最大功率點電壓值，而是系統整體功率最大值的最優電壓點。將每一個DC-DC電路的輸出曲線相加，可以得到整個嵌入式智能光伏模塊的輸出特性曲線如圖5 (C)和圖5 (F)中所示。圖6至圖8為在相同的光照和陰影遮擋情況下，不同結構和不同控制方法設計下的光伏模塊輸出特性曲線，其中，圖6為單個傳統光伏太陽能板在其輸出側做最大功率跟蹤(即目前市場上的光伏優化器產品)時的P-V曲線；圖7為嵌入式光伏智能模塊的主電路結構，但是采用傳統的最大功率跟蹤控制策略時的P-V曲線；圖8為嵌入式光伏智能模塊的主電路結構，并且采用本發明所提出的最大功率輸出統一控制方法時得到的P-V曲線。圖9 (A)至圖9 (H)分別為本發明的實驗裝置在不同光照情況下的輸出特性曲線圖，均為實驗結果，其中，圖9 (A)和圖9 (E)分別為理想光照情況下無陰影遮擋時候的輸出特性曲線圖，圖9 (B)和圖9 (F)分別為一路光伏電池組出現陰影遮擋時候的輸出特性曲線圖，圖9 (C)和圖9 (G)分別為兩路光伏電池組出現陰影遮擋時候的輸出特性曲線圖，圖9 (D)和圖9 (H)分別為三路光伏電池組在不同光照情況下系統的輸出特性曲線圖。本發明所提出的統一輸出最大功率跟蹤的控制策略可以讓所有的光伏太陽能電池都工作在系統的最優功率點，大大減少了控制芯片，電壓電流傳感器以及相應的AD，DA的數量，簡化了系統結構，降低了成本，并且保證了輸出能量的最大化，有效地解決了光伏系統在不匹配光照情況下的能量損失問題，具有廣泛的工業應用價值。本發明嵌入式智能光伏模塊的系統特點如下:1)僅對嵌入式智能光伏模塊的輸出電壓電流進行采樣，所需要的采樣單元和相應的AD，DA器件都大大減少。2)僅需要一個控制芯片進行最大功率跟蹤運算，其給出的電壓指令信號同時發送給三路Buck變換器的控制回路，作為共同的電壓指令。3)每個Buck變換器擁有各自獨立的控制回路。這種控制策略中，最大功率跟蹤控制單元檢測嵌入式智能光伏模塊輸出端的電壓和電流值，通過對其采樣進行最大功率的跟蹤，然后計算出一個最大功率的電壓指令值，分別同時送給三路Buck變換器作為其各自的控制環電壓指令信號，最后每個DC-DC變換器通過各自獨立的控制閉環去跟隨這個統一指令，然后三個獨立的PWM控制單元比較各自輸入光伏電池組的電壓幅值和給定的指令電壓值，生成PWM信號，去控制相應的開關管。每當輸出側的最大功率跟蹤控制單元進行擾動尋找最大功率點時，每個DC-DC變換器的輸入側電壓則通過各自獨立的PWM閉環進行控制從而實現了對各自輸入側電壓的控制。
權利要求
1.一種智能光伏模塊，其特征在于，包括光伏電池組、DC-DC變換器，以及最大功率跟蹤單元，所述每一個光伏電池組與一個DC-DC變換器的輸入端直接相連，所述DC-DC變換器的輸出端依次串聯，所述每一個DC-DC變換器連接有各自的控制回路，所述最大功率跟蹤單元采集到智能光伏模塊的輸出電流和電壓信號后通過最大功率算法計算最大功率點電壓，并且將其作為每一個DC-DC變換器的控制回路的指令電壓信號用以保證每一個光伏電池組在任何外部光照條件下都工作在整個智能光伏模塊的輸出功率最優點。
2.一種基于權利要求1所述的智能光伏模塊的光伏系統，其特征在于:光伏系統由所述的智能光伏模塊作為基本單元進行串并聯構成。
3.一種基于權利要求1所述的智能光伏模塊的控制方法，其特征在于:最大功率跟蹤單元接收到光伏模塊輸出端的電壓和電流信號后，對其進行最大功率跟蹤計算，得到此刻光照條件下的最大功率電壓指令值，然后將該最大功率電壓指令值同時送給各個DC-DC變換器的控制回路，并將所述最大功率電壓指令值作為各個控制回路的統一控制環電壓指令信號從而控制相應DC-DC變換器的開關管。
4.按權利要求3所述的智能光伏模塊的控制方法，其特征在于:所述DC-DC變換器的控制回路接收到所述統一最大功率電壓指令值后，比較各自輸入光伏電池組的電壓幅值和給定的指令電壓值，生成PWM信號，去控制相應的開關管。
5.按權利要求3所述的智能光伏模塊的控制方法，其特征在于:所述最大功率跟蹤單元通過擾動尋找最大功率點。
6.按權利要求5所述的智能光伏模塊的控制方法，其特征在于:所述最大功率跟蹤單元通過擾動尋找最大功率點時，每個DC-DC變換器的輸入側電壓通過各自獨立的PWM閉環進行控制，從而實現對各自輸入側電壓的控制。
全文摘要
本發明公開了一種智能光伏模塊及其控制方法以及基于該模塊的光伏系統，智能光伏模塊包括光伏電池組、DC-DC變換器，以及最大功率跟蹤單元，所述每一個DC-DC變換器連接有各自的控制回路，所述最大功率跟蹤單元采集到智能光伏模塊的輸出電流和電壓信號后將其傳輸給每一個DC-DC變換器的控制回路以保證每一個光伏電池組在任何外部光照條件下都工作在整個模塊的輸出功率最優點。本發明通過DC-DC變換器替代傳統太陽能板接線盒中的并聯二極管，使得一塊標準光伏太陽能板中的每一個光伏電池串在任何外部光照條件下都可以工作在整個模塊的輸出功率最優點，極大地提高了光伏太陽能系統在不匹配光照條件下的輸出功率。
文檔編號H02N6/00GK103095180SQ201310031069
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者王豐, 吳新科, 卓放 申請人:西安交通大學