一种用于调节电源的方法
【专利摘要】一种用于调节电源的方法包括以下步骤：检测与所述电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件，在检测所述一个或更多个预定条件时，获得所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被设置成接近所述电源的真实最大负载功率；和处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值，其中所述局部最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地接近所述电源的真实最大负载功率。
【专利说明】-种用于调节电源的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于调节电源的方法，并且特别地但非排他地涉及一种用于对光 伏系统中的发电单元进行最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT)的方 法。
【背景技术】
[0002] 电源用于提供电能，也可以被转化为其它形式的能量，诸如光和热，对于人类的日 常生活来说是必要的。
[0003] 光伏装置，诸如太阳能电池，可用于将太阳能转化为电能。多个太阳能电池可以被 联接以增加太阳能的日晒面积以转化更多太阳能。
[0004] 为了满足节能的要求并且最大化这些光伏装置的发电效率，可以采用一些方法来 控制光伏装置的负载条件，从而最大化光伏装置产生的功率。然而，已知的方法可能不适合 于各种日照情况。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的第一方面，提供一种用于调节电源的方法，该方法包括以下步骤：
[0006] 检测与所述电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件；
[0007] 在检测所述一个或更多个预定条件时，获得所述电源的电特性以确定整体最大负 载功率值，所述整体最大负载功率值被设置成接近所述电源的真实最大负载功率；和
[0008] 处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述 局部最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地接近所述电 源的真实最大负载功率。
[0009] 在第一方面的实施例中，真实最大负载功率被定义为在操作条件中操作的电源的 操作电压的范围内的与电源相关的被输送到电负载的最大可用功率。
[0010] 在第一方面的实施例中，所述一个或更多个预定条件包括在操作电压下的所述电 源的负载功率的预定变化。
[0011] 在第一方面的实施例中，所述一个或更多个预定条件包括达到所述电源已经操作 的时间间隔。
[0012] 在第一方面的实施例中，获取所述电源的电特性以确定整体最大负载功率值的步 骤还包括扫描和获取所述电源的输入电流-电压特性。
[0013] 在第一方面的实施例中，输入电流-电压特性包括电源的充电特性和和放电特 性。
[0014] 在第一方面的实施例中，确定整体最大负载功率还包括以下步骤：处理获得的所 述输入电流-电压特性以便确定所述整体最大负载功率值。
[0015] 在第一方面的实施例中，扫描和获取输入电流-电压特性还包括以下步骤：
[0016] 扫描和获取所述输入电流-电压特性的第一时段，其中输入电压被设置用于从最 初输入电压扫描到第一输入电压；
[0017] 扫描和获取所述输入电流-电压特性的第二时段，其中所述输入电压被设置用于 从所述第一输入电压扫描到第二输入电压；和
[0018] 扫描和获取所述输入电流-电压特性的第三时段，其中所述输入电压被设置用于 从所述第二输入电压扫描到所述最初输入电压。
[0019] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0020] 通过以下步骤提供合并的电流-电压特性曲線：
[0021] 组合所述输入电流-电压特性的第一时段和第三时段；和
[0022] 平均所述输入电流-电压特性的第二时段与所述输入电流-电压特性的组合的第 一和第三时段。
[0023] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：通过确定的整体最大负载功率值更新 输入电压参考值Vref，其中所述电源的负载功率与所述输入电压参考值Vref关联地变化。
[0024] 在第一方面的实施例中，局部最大负载功率值通过另外包括以下步骤被确定：
[0025] 提供所述电源的与戴维南（Th6venin)等效电路关联的电流-电压特性的多个参 数。
[0026] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0027] 处理所述电源的与戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的参数；和
[0028] 确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件。
[0029] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：提供临界值，所述临界值被设置用于在 达到用于所述局部最大负载功率值的条件的情况下在确定中允许预定公差。
[0030] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0031] 当达到用于所述局部最大负载功率值的所述条件时重复第一方面的实施例的步 骤；或
[0032] 当不达到用于所述局部最大负载功率值的所述条件时，改变所述输入参考电压 VMf，并且然后时重复第一方面的实施例的步骤以确定是否达到用于所述局部最大负载功 率值的所述条件，其中所述负载功率与变化的Vref关联地变化。
[0033] 在第一方面的实施例中，通过将电流_电压特性变换到与局部最大负载功率值附 近的电流-电压特性关联的二次特性曲線，增加局部最大负载功率值的确定的精度和/或 速度。
[0034] 在第一方面的实施例中，通过处理与所述电流-电压特性关联的所述二次特性曲 線的内插关系和/或外插关系而提供所述局部最大负载功率值的预测，进一步增加局部最 大负载功率值的确定的精度和/或速度。
[0035] 在第一方面的实施例中，所述输入参考电压VMf改变与所述内插关系和/或所述 外插关系关联的动态步长。
[0036] 在第一方面的实施例中，通过与电流_电压特性关联的三个或更多个数据点获得 二次特性曲線。
[0037] 在第一方面的实施例中,确定局部最大负载功率值还包括以下步骤：
[0038] 记录输入电压值Vin和输入电流值Iin ;
[0039] 以预定步长A 改变所述输入参考电压VMf ;
[0040] 记录所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin;
[0041] 处理所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin和所述电源的与所述戴维南等效电 路关联的所述电流-电压特性的参数；
[0042] 当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时，以预定步长AVref增加所述输入 参考电压VMf，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，以预定步长AVref减小 所述输入参考电压;
[0043] 记录所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin;和
[0044] 从所述处理步骤重复直到获得所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin的预定 的一组值。
[0045] 在第一方面的实施例中，其中用于调节电源的负载功率的所述方法被实施在数字 域中。
[0046] 在第一方面的实施例中，确定局部最大负载功率还包括以下步骤：
[0047] 提供所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流_电压特性的多个离散 化的参数；
[0048] 在确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件之后提供临时参考电压 Vtemp_ref；
[0049] 其中当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时,所述临时参考电压Vtemp_ ref等于VMf+AVref，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，所述临时参考电 压Vtemp_ref等于Vref-AVref;
[0050] 提供虚拟二次特性曲線，所述虚拟二次特性曲線与所述电源的与所述戴维南等效 电路关联的所述电流-电压特性的离散化参数关联；
[0051] 验证所述虚拟二次特性曲線和所述二次特性曲線之间的截取点；
[0052] 在未成功验证时，在所述截取点将VMf更新到等于Vtemp_ref的值；和
[0053] 重复第一方面的实施例中步骤。
[0054] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0055] 提供值等于Vtemp_ref的回溯参考电压Vbacktrack;
[0056] 将VMf更新到与所述截取点关联的值；
[0057] 比较与所述虚拟二次特性曲線关联的虚拟功率值Pvirtual和与所述二次特性曲線 关联的功率值Paetual ;
[0058]当Pvirtual的值不接近Paetual的值时,将V,ef更新到等于Vbactoadt的值；和
[0059] 重复第一方面的实施例中步骤。
[0060] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0061]以AVrtf减小Vref;和
[0062] 重复第一方面的实施例中步骤。
[0063]在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：重复处理所述局部最大负载功率值的 步骤以更新所述电源的局部最大负载功率值。
[0064] 在第一方面的实施例中，处理所述局部最大负载功率值以更新所述电源的局部最 大负载功率值。
[0065] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0066] 将进入的信号重新映射到数据结构以便处理所述整体最大负载功率值和/或所 述局部最大负载功率值；
[0067] 将所述输入电压参考分配给输入电压控制器以便改变所述电源的负载功率。
[0068] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0069] 提供增益调度器，所述增益调度器被布置成用于控制DC总线电压控制器的一个 或更多个增益参数，其中所述DC总线电压控制器可用于控制所述电源的负载功率。
[0070] 在第一方面的实施例中，包括以下步骤：
[0071] 在所述增益调度器中定义一个或更多个特性曲線，其中所述增益调度器被布置成 用于根据所述特性曲線调节增益，根据与确定所述整体最大负载功率值的步骤关联的一个 或更多个状态选择所述特性曲線。
[0072] 在第一方面的实施例中，所述增益调度器可用于以更快的瞬态响应稳定所述DC 总线电压控制器的DC总线电压。
[0073] 在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：
[0074] 提供信号到连接到光伏装置的DC-DC变换器，其中所述DC-DC变换器可用于调节 光伏装置的输出功率，其中所述输出功率是所述负载功率，并且其中所述电源是所述光伏 装直。
[0075] 根据本发明的第二方面，提供一种电功率调节设备，该电功率调节设备包括：
[0076] 控制器模块，所述控制器模块被布置成用于检测与所述电源的负载功率关联的一 个或更多个预定条件；
[0077] 整体最大搜索模块，所述整体最大搜索模块被布置成用于获得所述电源的电特性 以确定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被布置成用于代表所述电源的真实 最大负载功率，由此检测所述一个或更多个预定条件；和
[0078] 局部最大搜索模块，所述局部最大搜索模块被布置成用于处理所述整体最大负载 功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述局部最大负载功率值被设置成当 与所述整体最大负载功率值相比时更精确地代表所述电源的真实最大负载功率。
[0079] 在第二方面的实施例中，所述电功率调节设备可用于提供信号到连接到光伏装置 的功率变换器，并且其中所述功率变换器可用于调节光伏装置的输出功率。
[0080] 在第二方面的实施例中，所述电功率调节设备被实施在数字信号处理器（DSP) 中。
【专利附图】
【附图说明】
[0081] 现在将参考附图通过例子的方式描述本发明的实施例，其中：
[0082] 图1是示出太阳能电池的特性的例子的曲线图；
[0083] 图2是示出日照变化对太阳能电池的电流-电压特性的影响的曲线图；
[0084] 图3A是示出在跨越太阳能电池板的一致日照下，串联的多个太阳能电池板的图；
[0085] 图3B是示出在跨越太阳能电池板的不一致日照下，串联的多个太阳能电池板的 图；
[0086] 图4是根据本发明的一个实施例的电源调节器的框图；
[0087] 图5是根据本发明的另一实施例的电源调节器的框图；
[0088] 图6是根据本发明的另一实施例的电源调节器的框图，并且该电源调节器与电源 和电负载关联；
[0089] 图7是根据本发明的一个实施例的太阳能电池板的戴维南等效电路的示意图；
[0090]图8A是示出太阳能电池板的电特性的曲线图；
[0091] 图8B是示出太阳能电池板的戴维南电阻的曲线图；
[0092] 图8C是示出太阳能电池板的戴维南电阻和输入电阻的曲线图；
[0093] 图8D是示出图8C的太阳能电池板的戴维南电阻和输入电阻的曲线图中的局部放 大的曲线图；
[0094] 图8E是示出太阳能电池板的电流-电压特性的曲线图；
[0095] 图9是示出太阳能电池板的功率_电压特性的曲线图；
[0096] 图IOA是示出根据图9的太阳能电池板的功率-电压特性的曲线图和通过插值法 (interpolation)提供局部最大负载功率值的预测的曲线图；
[0097] 图IOB是示出根据图9的太阳能电池板的功率-电压特性的曲线图和通过外插法 (extrapolation)提供局部最大负载功率倌的预测的曲线图；
[0098] 图11是示出以扫描和获取电源的输入电流-电压特性来确定整体最大负载功率 值的例子的曲线图；
[0099] 图12是示出产生电源的联合（unified)输入电流-电压特性以便确定整体最大负 载功率值的例子的框图；
[0100] 图13是示出根据本发明的一个实施例的用于调节电源的方法的实验结果的曲线 图；
[0101] 图14是根据本发明的一个实施例的用于调节电源的方法的流程图；
[0102] 图15是根据图14的方法中，用于调节电源的方法的确定整体最大负载功率值的 步骤的流程图；并且
[0103] 图16是根据图14的方法中，用于调节电源的方法的确定局部最大负载功率值的 步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0104] 本发明人已经通过他们自己的研究，试验和实验而发明，想到存在利用太阳能电 池阵列产生的能量的数种方式。太阳能电池阵列产生的能量可以被注入公用电网（供给电 网上的应用）或存储到电池中以便以后使用。其中三个最基本的部分包括：太阳能电池阵 列，功率调节单元，和负载/电网/电池。
[0105] 太阳能电池是太阳能模块的基本组成元件。基本上，太阳能电池是具有大的表面 积的P-N结（P-Njunction)。
[0106] 太阳能电池的电模型由电流源组成。该电流源输送光电流Iph。Iph的量与入射 光的福照G成比例。当光子撞击太阳能电池的p-型（p-doped)半导体时，电子被激发并且 从P-型半导体逃出到n-型半导体，因此产生光电流（photocurrent)。此外，太阳能电池的 温度T也将影响Iph的量。然而，由T的变化引起的对Iph的影响远远不如G的变化的影 响。
[0107] 线性元件Rsh和Rs是太阳能电池的寄生电阻。通常，分流电阻Rsh的量级远远大 于串联电阻Rs的量级。并且流过串联电阻Rs的电流是太阳能电池的输出电流Ipv。模型 中还有分流二极管（shuntdiode)。Id是流过分流二极管的电流，并且该二极管由肖特基 二极管方程（Schottkydiodeequation)建模：
【权利要求】
1. 一种用于调节电源的方法，所述方法包括以下步骤： 检测与所述电源的负载功率关联的一个或更多个预定条件； 在检测所述一个或更多个预定条件时，获得所述电源的电特性以确定整体最大负载功 率值，所述整体最大负载功率值被设置成接近所述电源的真实最大负载功率；和 处理所述整体最大负载功率值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述局部 最大负载功率值被设置成当与所述整体最大负载功率值相比时更精确地接近所述电源的 真实最大负载功率。
2. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述真实最大负载功率被定义为在操 作条件中操作的所述电源的操作电压的范围内的与所述电源相关的被输送到电负载的最 大可用功率。
3. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述一个或更多个预定条件包括在操 作电压下的所述电源的负载功率的预定变化。
4. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述一个或更多个预定条件包括达到 操作所述电源的时间间隔。
5. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中获取所述电源的电特性以确定整体最 大负载功率值的步骤还包括扫描和获取所述电源的输入电流-电压特性。
6. 根据权利要求5的用于调节电源的方法，其中所述输入电流-电压特性包括所述电 源的充电特性和放电特性。
7. 根据权利要求5的用于调节电源的方法，其中确定所述整体最大负载功率还包括以 下步骤：处理获得的所述输入电流-电压特性以便确定所述整体最大负载功率值。
8. 根据权利要求5的用于调节电源的方法，其中扫描和获取所述输入电流-电压特性 还包括以下步骤： 扫描和获取所述输入电流-电压特性的第一时段，其中输入电压被设置用于从最初输 入电压扫描到第一输入电压； 扫描和获取所述输入电流-电压特性的第二时段，其中所述输入电压被设置用于从所 述第一输入电压扫描到第二输入电压；和 扫描和获取所述输入电流-电压特性的第三时段，其中所述输入电压被设置用于从所 述第二输入电压扫描到所述最初输入电压。
9. 根据权利要求8的用于调节电源的方法，还包括以下步骤： 通过以下步骤提供合并的电流-电压特性曲線： 组合所述输入电流-电压特性的第一时段和第三时段；和 平均所述输入电流-电压特性的第二时段与所述输入电流-电压特性的组合的第一和 第二时段。
10. 根据权利要求5的用于调节电源的方法，还包括用确定的所述整体最大负载功率 值更新输入电压参考值的步骤，其中所述电源的负载功率与所述输入电压参考值关联 地变化。
11. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中所述局部最大负载功率值通过还包 括以下步骤被确定： 提供所述电源的与戴维南等效电路关联的电流-电压特性的多个参数。
12. 根据权利要求11的用于调节电源的方法，还包括以下步骤： 处理所述电源的与戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的参数；和 确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件。
13. 根据权利要求12的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：提供临界值，所述临界 值被设置成用于在达到用于所述局部最大负载功率值的条件的情况下在确定中允许预定 公差。
14. 根据权利要求12的用于调节电源的方法，还包括以下步骤： 当达到所述局部最大负载功率值的所述条件时，重复根据权利要求12的步骤；或 当没有达到所述局部最大负载功率值的所述条件时，改变所述输入参考电压；并且 然后重复根据权利要求12所述的步骤以确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的所 述条件，其中所述负载功率与变化的Vref之间有关联。
15. 根据权利要求14的用于调节电源的方法，其中通过将所述电流-电压特性变换到 与所述局部最大负载功率值附近的所述电流-电压特性关联的二次特性曲線，增加局部最 大负载功率值的确定的精度和/或速度。
16. 根据权利要求15的用于调节电源的方法，其中通过处理与所述电流-电压特性关 联的所述二次特性曲線的内插关系和/或外插关系而提供所述局部最大负载功率值的预 测，进一步增加局部最大负载功率值的确定的精度和/或速度。
17. 根据权利要求16的用于调节电源的方法，其中所述输入参考电压VMf改变与所述 内插关系和/或所述外插关系关联的动态步长。
18. 根据权利要求15的用于调节电源的方法，其中通过与所述电流-电压特性关联的 三个或更多个数据点获得所述二次特性曲線。
19. 根据权利要求17的用于调节电源的方法，其中确定所述局部最大负载功率值还包 括以下步骤： 记录输入电压值Vin和输入电流值Iin ; 以预定步长A 改变所述输入参考电压VMf ; 记录所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin ; 处理所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin和所述电源的与所述戴维南等效电路关 联的所述电流-电压特性的参数； 当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时，以预定步长△VMf增加所述输入参考 电压VMf，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，以预定步长AYg减小所述 输入参考电压Yg; 记录所述输入电压值vin和所述输入电流值Iin ;和 从所述处理步骤重复直到获得所述输入电压值Vin和所述输入电流值Iin的预定的一 组值。
20. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，其中用于调节电源的负载功率的所述方 法被实施在数字域中。
21. 根据权利要求20的用于调节电源的方法，其中确定所述局部最大负载功率还包括 以下步骤： 提供所述电源的与所述戴维南等效电路关联的所述电流-电压特性的多个离散化的 参数； 在确定是否达到用于所述局部最大负载功率值的条件之后提供临时参考电压vtMP ;其中当达到所述局部最大负载功率值较大的条件时，所述临时参考电压VtMPMf等于 U+△VMf，或者当达到所述局部最大负载功率值较小的条件时，所述临时参考电压VtMP 等于 ; 提供虚拟二次特性曲線，所述虚拟二次特性曲線与所述电源的与所述戴维南等效电路 关联的所述电流-电压特性的离散化参数关联； 验证所述虚拟二次特性曲線和所述二次特性曲線之间的截取点； 在未成功验证时，在所述截取点将更新到等于VtMP 的值；和 重复根据权利要求12所述的步骤。
22. 根据权利要求21的用于调节电源的方法，在成功验证的情况下，还包括以下步骤： 提供值等于 Vtemp_ref的回溯参考电压Vb acktrack ? 将VMf更新到与所述截取点关联的值； 比较与所述虚拟二次特性曲線关联的虚拟功率值Pvirtual和与所述二次特性曲線关联 的功率值？_1; 当Pvirtual的值不接近Partual的值，将V,6f更新到等于vbactoadt的值；和 重复根据权利要求12所述的步骤。
23. 根据权利要求22的用于调节电源的方法，在Pvirtual的值接近Pac;tual的值的情况下， 还包括以下步骤： 以AVMf减小VMf;和 重复根据权利要求12所述的步骤。
24. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤：重复处理所述局部最大 负载功率值的步骤以更新所述电源的局部最大负载功率值。
25. 根据权利要求24的用于调节电源的方法，在所述一个或更多个预定条件被检测的 情况下，处理所述局部最大负载功率值以更新所述电源的局部最大负载功率值。
26. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤： 将输入的信号重新映射到数据结构以便处理所述整体最大负载功率值和/或所述局 部最大负载功率值； 将所述输入电压参考分配给输入电压控制器以便改变所述电源的负载功率。
27. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤： 提供增益调度器，所述增益调度器被布置成用于控制DC总线电压控制器的一个或更 多个增益参数，其中所述DC总线电压控制器可用于控制所述电源的负载功率。
28. 根据权利要求27的用于调节电源的方法，包括以下步骤： 在所述增益调度器中定义一个或更多个特性曲線，其中所述增益调度器被布置成用于 根据所述特性曲線调节增益，根据与确定所述整体最大负载功率值的步骤关联的一个或更 多个状态选择所述特性曲線。
29. 根据权利要求27的用于调节电源的方法，其中所述增益调度器可用于以更快的瞬 态响应稳定所述DC总线电压控制器的DC总线电压。
30. 根据权利要求1的用于调节电源的方法，还包括以下步骤： 提供信号到连接到光伏装置的DC-DC变换器，其中所述DC-DC变换器可用于调节光伏 装置的输出功率，其中所述输出功率是所述负载功率，并且其中所述电源是所述光伏装置。
31. -种电功率调节设备，所述电功率调节设备包括： 控制器模块，所述控制器模块被布置成用于检测与所述电源的负载功率关联的一个或 更多个预定条件； 整体最大搜索模块，所述整体最大搜索模块被布置成用于获得所述电源的电特性以确 定整体最大负载功率值，所述整体最大负载功率值被布置成用于代表所述电源的真实最大 负载功率，由此检测所述一个或更多个预定条件；和 局部最大搜索模块，所述局部最大搜索模块被布置成用于处理所述整体最大负载功率 值以确定所述电源的局部最大负载功率值；其中所述局部最大负载功率值被设置成当与所 述整体最大负载功率值相比时更精确地代表所述电源的真实最大负载功率。
32. 根据权利要求31的电功率调节设备，其中所述电功率调节设备可用于提供信号 到连接到光伏装置的功率变换器，并且其中所述功率变换器可用于调节光伏装置的输出功 率。
33. 根据权利要求31的电功率调节设备，其中所述电功率调节设备被实施在数字信号 处理器（DSP)中。
【文档编号】G05F1/67GK104516394SQ201410521279
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2013年10月3日
【发明者】钟树鸿, 杨纯彰, W·马林 申请人:香港城市大学, 保力科技有限公司