光伏陣列最大功率跟蹤裝置以及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源領(lǐng)域，特別涉及一種光伏陣列最大功率跟蹤裝置以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源的消耗，可再生能源受到越來越多的關(guān)注。在眾多的可再生能源中，光能以其無污染、蘊(yùn)含量大而越來越多的受到人們青睞。但是光伏陣列輸出功率隨外部環(huán)境及負(fù)載的改變而變化，一般情況下利用率不高，需要對其最大功率進(jìn)行跟蹤以提高光伏陣列的利用率。目前常用光伏陣列最大功率跟蹤方法有開環(huán)方法和閉環(huán)方法。
[0003]開環(huán)方法主要有開路電壓法以及短路電流法。開路電壓法或者短路電流法利用開路電壓或者短路電流與最大功率點(diǎn)電壓或者最大功率點(diǎn)電流近似成比例關(guān)系，進(jìn)行最大功率跟蹤。這類方法跟蹤速度快，但是對光伏陣列的輸出特性具有較強(qiáng)的依賴性，只能近似的跟蹤，效率不高；且在開路時(shí)存在瞬時(shí)功率損失，短路時(shí)測量參數(shù)比較復(fù)雜。
[0004]閉環(huán)方法有擾動觀察法以及電導(dǎo)增量法，這類算法利用在正常光照的條件下，光伏電池的輸出P-U特性曲線是一個(gè)以最大功率點(diǎn)為極值點(diǎn)的單峰值函數(shù)，在最大功率點(diǎn)處有dP/dU = 0，通過自尋優(yōu)來滿足dP/dU = Oo但是當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生巨變，或者光伏電池被部分遮擋時(shí)，上述方法可能產(chǎn)生振蕩或者誤判，因此不能很好的完成最大功率的跟蹤。
[0005]因此，需要提出一種新的光伏陣列最大功率跟蹤技術(shù)，以提高光伏陣列的利用率，加快跟蹤光伏電池最大功率的速度，減少在跟蹤最大功率點(diǎn)過程中的功率振蕩，提高太陽能的利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提出一種光伏陣列最大功率跟蹤裝置以及方法，能夠提高光伏陣列的利用率，加快跟蹤光伏電池最大功率的速度，減少在跟蹤最大功率點(diǎn)過程中的功率振蕩，提尚太陽能的利用率。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種光伏陣列最大功率跟蹤裝置，其至少包括中央處理單元、脈沖寬度調(diào)制處理器以及電能變換電路，其中:所述中央處理單元分別與光伏陣列以及所述脈沖寬度調(diào)制處理器相連，用于采集所述光伏陣列的輸出電壓及輸出電流，并根據(jù)所采集的工作點(diǎn)的輸出電壓及輸出電流獲取擾動步長變化量并傳輸至所述脈沖寬度調(diào)制處理器。
[0008]優(yōu)選地，所述中央處理單元采集相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出電壓及輸出電流，然后根據(jù)輸出電壓及輸出功率即可得到相鄰三個(gè)工作點(diǎn)與功率-電壓特性曲線中電壓坐標(biāo)軸所構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積，以及最后一個(gè)采樣點(diǎn)與前一采樣點(diǎn)的輸出功率差值，隨后根據(jù)兩個(gè)四邊形的面積、相應(yīng)輸出功率差值，采用自適應(yīng)面積差法即可獲取擾動步長變化量。
[0009]優(yōu)選地，所述相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第一工作點(diǎn)A的坐標(biāo)為(Ul，Pl)，第二工作點(diǎn)B的坐標(biāo)為(U2，P2)，第三工作點(diǎn)C的坐標(biāo)為(U3，P3)，其中U為所述光伏陣列的輸出電壓，P為所述光伏陣列的輸出功率，所述第一工作點(diǎn)A在所述功率-電壓特性曲線的電壓坐標(biāo)軸上的投影為F，所述第二工作點(diǎn)B在所述功率-電壓特性曲線的電壓坐標(biāo)軸上的投影為E，第三工作點(diǎn)C在所述功率-電壓特性曲線的電壓坐標(biāo)軸上的投影為D，則線段AB、BE、EF、FA構(gòu)成了一個(gè)四邊形ABEF，其面積為:S1 = (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ;線段BC、CD、DE和EB構(gòu)成了一個(gè)四邊形BCDE，其面積為:S2 = (P2+P3)*(U3 — U2)*0.5 ;通過SI與S2的面積差值以及第三工作點(diǎn)C與第二工作點(diǎn)B輸出功率差值，進(jìn)而確定擾動步長變化量。
[0010]本發(fā)明還提供一種光伏陣列最大功率跟蹤方法，其通過中央處理單元采集光伏陣列的輸出電壓及輸出電流，并根據(jù)所采集的工作點(diǎn)的輸出電壓及輸出電流獲取擾動步長變化量并傳輸至脈沖寬度調(diào)制處理器
[0011]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，以使本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)更為明顯。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的太陽能光伏陣列最大功率跟蹤裝置的方框示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光伏陣列P-U輸出特性曲線示意圖；
[0014]圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光伏陣列最大功率跟蹤方法的流程圖；
[0015]圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光伏陣列最大功率跟蹤裝置的系統(tǒng)仿真電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下將對本發(fā)明的實(shí)施例給出詳細(xì)的說明。盡管本發(fā)明將結(jié)合一些【具體實(shí)施方式】進(jìn)行闡述和說明，但需要注意的是本發(fā)明并不僅僅只局限于這些實(shí)施方式。相反，對本發(fā)明進(jìn)行的修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
[0017]另外，為了更好的說明本發(fā)明，在下文的【具體實(shí)施方式】中給出了眾多的具體細(xì)節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，沒有這些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明同樣可以實(shí)施。在另外一些實(shí)例中，對于大家熟知的結(jié)構(gòu)、組件和設(shè)備未作詳細(xì)描述，以便于凸顯本發(fā)明的主旨。
[0018]圖1所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光伏陣列最大功率跟蹤裝置的方框示意圖。在本實(shí)施例中，所述光伏陣列最大功率跟蹤裝置，包括中央處理(Central Processing Unit，簡稱CPU)單元10、脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulat1n，簡稱PWM)處理器12以及電能變換電路14。
[0019]在正常光照的條件下，光伏陣列2的P-U輸出特性曲線為一條單峰值曲線，只有一個(gè)最大功率點(diǎn)；因此可以通過對光伏陣列2的輸出電壓進(jìn)行擾動，即通過擾動步長來實(shí)現(xiàn)光伏陣列2最大功率點(diǎn)的跟蹤。所述CPU單元10分別與光伏陣列2以及PWM處理器12相連，用于采集光伏陣列2的輸出電壓U及輸出電流I，并根據(jù)所采集的相鄰三個(gè)工作點(diǎn)的輸出電壓及輸出電流獲取擾動步長變化量并傳輸至所述PWM處理器12。所述CPU單元10根據(jù)所采集的工作點(diǎn)的輸出電壓及輸出電流可以得到相應(yīng)工作點(diǎn)的輸出功率；根據(jù)輸出電壓及輸出功率即可得到相鄰三個(gè)工作點(diǎn)與U坐標(biāo)軸所構(gòu)成的兩個(gè)四邊形的面積，以及最后一個(gè)采樣點(diǎn)與前一采樣點(diǎn)的輸出功率差值；根據(jù)兩個(gè)四邊形的面積、相應(yīng)輸出功率差值，采用自適應(yīng)面積差法即可獲取擾動步長變化量。
[0020]圖2所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光伏陣列2的P-U輸出特性曲線示意圖。如圖所示，假設(shè)該曲線上相鄰三個(gè)工作點(diǎn)中第一工作點(diǎn)A的坐標(biāo)為(Ul，Pl)，第二工作點(diǎn)B的坐標(biāo)為(U2，P2)，第三工作點(diǎn)C的坐標(biāo)為(U3，P3)，其中U為光伏陣列2的輸出電壓，P為光伏陣列2的輸出功率。點(diǎn)A在所述P-U輸出特性曲線的U坐標(biāo)軸上的投影為F，點(diǎn)B在U坐標(biāo)軸上的投影為E，點(diǎn)C在U坐標(biāo)軸上的投影為D。線段AB、BE、EF、FA構(gòu)成了一個(gè)四邊形ABEF，其面積為:
[0021]SI = (P1+P2)*(U2 — Ul) *0.5 ；
[0022]線段BC、⑶、DE和EB構(gòu)成了一個(gè)四邊形B⑶E，其面積為:
[0023]S2 = (P2+P3) * (U3 — U2) *0.5。
[0024]在光伏陣列2的P-U輸出特性曲線上最大功率點(diǎn)M的左邊，隨著工作點(diǎn)靠近最大功率點(diǎn)，SI與S2的面積差值不斷變化；工作點(diǎn)在離光伏陣列2的最大功率點(diǎn)M左邊越遠(yuǎn)的位置，SI與S2的面積差值越大，隨著工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)M靠近，SI與S2的面積差值逐漸減小。在光伏陣列2的P-U輸出特性曲線上最大功率點(diǎn)M的右邊正好相反。因此，通過SI與S2的面積差值以及第三工作點(diǎn)C與第二工作點(diǎn)B輸出功率差值，可以確定擾動步長變化量，從而對光伏陣列2的輸出電壓進(jìn)行擾動來實(shí)現(xiàn)光伏陣列2的最大功率點(diǎn)的跟蹤。第三工作點(diǎn)C的擾動步長變化量的值為Λ D = K*(S2 - SI)，擾動靈敏度K為常系數(shù)(0〈K〈1)，可以通過實(shí)驗(yàn)得到。且第三工作點(diǎn)C在最大功率點(diǎn)M左邊，第三工作點(diǎn)C與第二工作點(diǎn)B兩者輸出功率差值大于零，故Λ D取正值。當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較遠(yuǎn)時(shí)，面積差S2 -SI較大，此時(shí)擾動步長變化量Λ D較大，可以快速地跟蹤最大功率點(diǎn)；當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)M較近時(shí)，面積差S2 - SI較小，此時(shí)擾動步長變化量Λ D較小，可以減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩；當(dāng)在最大功率點(diǎn)M附近時(shí)，面積差S2 - SI幾乎為零，擾動步長變化量Λ D幾乎為零，從而能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，基本消除了振蕩現(xiàn)象，減小了功率損失。在最大功率點(diǎn)M左側(cè)，Λ P = Ρ3 - Ρ2>0，根據(jù)S2 — SI的大小，所述CPU單元10產(chǎn)生相應(yīng)大小且正向的Λ D并傳輸至所述PWM處理器12 ;在最大功率點(diǎn)M