专利名称：一种光伏电能优化器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光伏发电系统，尤其涉及一种适用于光伏发电的光伏电能优 4^ 1 O
背景技术：
随着当今世界能源危机和环境污染的日益严重，太阳能以其无噪声、无污染、能量随处可得等优点越来越受到重视。但由于太阳能发电成本较高，近年来，研究者主要致力于提高光伏系统稳定性和转化效率、降低成本的研究。众所周知，在不同光照强度和环境温度下，光伏模块的输出电流-电压(I-V)以及功率-电压(P-V)具有非线性特性；光伏模块在某一输出电压值时，其输出功率才能达到最大值，这时的工作点称为最大功率点(maximum power point，简称MPP)。因此，要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏模块的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就为最大功率点跟踪(maximum power point tracking，简称 MPPT)。电能优化器安装在每个光伏模块上独立运作，可单独处理每块光伏模块的MPPT， 保证光伏模块安全连续地运行。现有技术的硬件响应速度慢，在稳态情况下，会导致光伏模块的实际工作点在MPP附近振荡，造成功率损失，在噪声、测量误差和数字控制量化误差的影响，特别是外界环境变化剧烈时，现有电能优化器也无法避免最大功率点附近的振荡。
实用新型内容本发实用新型所要解决的技术问题是需要提供一种针对外界光照强度或温度突变，以及光伏模块部分遮挡时，用于控制光伏模块的输出最大功率点的光伏电能优化器。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏电能优化器，该光伏电能优化器包括光伏模块，其将太阳能转化为直流电能；第一电容，其耦接于所述光伏模块，对所述直流电能进行滤波；转换模块，其耦接于所述第一电容，转换所述光伏模块的输出功率以生成最大功率；最大功率点跟踪控制模块，其耦接于所述转换模块，跟踪控制所述最大功率的输出；以及第二电容，其耦接于所述转换模块，稳定所述转换模块的输出电压。根据本发明的一个实施例，还包括储能模块，其耦接于所述第二电容，将所述转换模块的输出直流电能进行存储。根据本发明的一个实施例，所述光伏模块包括单个太阳能光伏板或者多个太阳能光伏板的串和/或并联结构。根据本发明的一个实施例，所述转换模块为包括集成开关元件、电容器、电感器、 续流二极管的升压电路。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点本实用新型光伏电能优化器在外界环境变化剧烈或太阳能电池板有遮蔽时，能有效地跟踪MPP，获取额外的电能，提高MPPT控制的稳态性能，并且避免最大功率点附近的振荡，提升了转换模块的性能，既能处理多余能源的情况，也能处理能源减少的情况。可以广泛地应用于实际光伏发电系统中，具有高适应性、鲁棒性和有效性。本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。虽然在下文中将结合一些示例性实施来描述本实用新型，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本实用新型限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本实用新型的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中图1是根据本实用新型的光伏电能优化器的结构示意图；图2是根据本实用新型第一实施例的电能优化器的最大功率点跟踪控制模块的结构示意图；图3是根据本实用新型第二实施例的电能优化器的最大功率点跟踪控制模块的结构示意图；图4是分别采用现有光伏电能优化器与本实用新型第一实施例的对比仿真示意图；图5是采用本实用新型第一实施例在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图；图6是采用本实用新型第一实施例在误差阈值为0. 02时的测试结果示意图；图7是在光照强度周期变化时，采用本实用新型第一实施例的测试结果示意图；图8是在光照强度剧烈变化时，采用现有光伏电能优化器与本实用新型第二实施例的仿真示意图；图9是采用本实用新型第二实施例在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图；图10是采用本实用新型第二实施例的控制效率示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，
以下结合附图对本实用新型作进一步地详细说明。图1是根据本实用新型光伏电能优化器的结构示意图，如图1所示，光伏电能优化器包括光伏模块101、转换模块102、最大功率点跟踪控制模块103、第一电容104和第二电容105。接下来，将分别就光伏电能优化器所包含的各个模块及其具备的功能进行详细说明。光伏模块101，其将太阳能转化为直流电能，产生输出电压、输出电流以及输出功率。其中，光伏模块101包括单个太阳能光伏板或者多个太阳能光伏板的串并联结构。转换模块102—端经由第一电容104(如图1中的Cpv)与光伏模块101相并联，另一端耦接于第二电容105(如图1中的CD。)，转换模块102为直流-直流转换模块，其实时根据环境的变化，通过调节控制开关转换光伏模块101的输出功率以生成最大功率，第一电容104对直流电能进行滤波，第二电容105稳定转换模块102的输出电压。转换模块102是以集成开关元件为核心，并由电容器、电感器、续流二极管等基本元器件构成的升压式(Boost)电路，其中，二极管用来续流，电容器和电感器组成LC电路用于滤波，通过集成开关元件的开关控制实现光伏模块101最大功率输出。最大功率点跟踪控制器模块103，检测外界环境， 跟踪控制转换模块102的最大功率的输出。本实用新型电能优化器还可以包括储能模块106，其耦接于第二电容105并存储转换模块102的输出直流，将转换模块102的输出直流电能进行存储。综上所述，本实用新型光伏电能优化器在外界环境变化剧烈或太阳能电池板有遮蔽时，能有效地跟踪MPP，获取额外的电能，提高MPPT控制的稳态性能，并且避免最大功率点附近的振荡，提升转换模块102的性能，既能处理多余能源的情况，也能处理能源减少的情况。第一实施例图2是根据本实用新型第一实施例的最大功率点跟踪控制模块的结构示意图，下面参考图2对本实施例中最大功率点跟踪控制模块的结构进行详细说明。如图2所示，最大功率点跟踪控制模块103包括采样单元210、斜率计算单元230、 第一判断单元M0、第二判断单元250以及参考电压控制单元沈0。接下来，将分别就最大功率点跟踪控制模块103所包含的各个单元及其具备的功能进行详细说明。在此实施例中，采样单元210，其对光伏模块101的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并计算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量，例如，通过10位A/D转换器对光伏模块101的输出电压和输出电流进行采样。举例而言，将一个周期作为预设时间段，将第k周期采样所得光伏模块101的输出电压与第k-1周期光伏模块的输出电压进行差值计算得到电压变化量，将第k周期所得光伏模块的输出电流与第k-1周期所得光伏模块的输出电流进行差值计算得到电流变化量， 其中k为整数。斜率计算单元230，其耦接于采样单元210并接收采样单元210所获得的输出电压、输出电流、电压变化量和电流变化量，计算输出功率-电压曲线的斜率H。第一判断单元M0，其耦接于斜率计算单元230并接收斜率的数据，判断斜率是否小于等于预设的误差阈值。第二判断单元250，其耦接于第一判断单元M0，当第一判断单元240判断为斜率小于等于预设的误差阈值时，接收斜率的数据，第二判断单元250判断预设时间段内的斜率的均值是否等于零，若等于零，则判断为光伏模块101工作在最大功率点处；若不等于零，则判断为光伏模块101未工作在最大功率点处，并且将判断结果传送到转化模块102， 转换模块102的开关的占空比将进行重新设置以使得光伏模块101工作在最大功率点处。参考电压控制单元沈0，其耦接于第一判断单元M0，在第一判断单元240判断为斜率大于预设的误差阈值时，接收斜率的数据，通过判断斜率的正负符号来改变光伏电能优化的参考电压的值。需要说明的是，通过控制参考电压值的大小来实现最大功率的跟踪，例如开始将参考电压值设置为0，经过不断改变以控制达到最终理想状态，理想的参考电压为光伏模块最大功率点相对应的期望电压值。综上所述，本实施例的最大功率点跟踪控制模块103通过控制开关占空比来进行最大功率点控制，既可以较容易地在实际应用中实现，又能快速跟踪并且稳定精确地得到最大功率点。第二实施例图3是根据本实用新型第二实施例的最大功率点跟踪控制模块的结构示意图，下面参考附图对本实施例进行详细说明。为了便于说明，不再对与前述实施例相同的结构进行详细展开，而仅重点说明与前述实施例的不同之处。在图3中，对与前述实施例相同或相似的结构采用了相同的附图标记。如图3所示，最大功率点跟踪控制模块103包括采样单元210、第三判断单元220、 斜率计算单元230、第一判断单元M0、第二判断单元250以及参考电压控制单元沈0。接下来，将对第三判断单元220的功能进行详细说明。如图3所示，第三判断单元220，其耦接于采样单元210以及斜率计算单元230，当电流变化量不为零时，其接收所述采样单元(210)所得的所述电压变化量和所述电流变化量计算电阻变化量，在电阻变化量小于等于预设值时，判断所述预设时间段内的第一输出电阻和第二输出电阻是否相等，当电流变化量为零时，则对光伏模块101进行一次随机干扰，其中，第一输出电阻和第二输出电阻为采样单元210在预设时间段内预设的两个时刻的输出电阻，例如，第一输出电阻为在一个周期内中间时刻的输出电阻，以及第二输出电阻为在该周期内终点时刻的输出电阻。仿真实验效果图4是分别采用现有光伏电能优化器与本实用新型第一实施例的对比仿真示意图。由图可以看出，光照强度随时间变化，在3秒至7秒时高光照强度为1000W/m2，其余低光照强度大约为60W/m2 ；而光伏模块的输出电压、输出电流以及产生的功率随着光照强度的变化而变化。在现有光伏电能优化器中，光伏模块输出电压、输出电流以及产生的功率呈周期性振荡。而本实用新型第一实施例的光伏电能优化器大大地减小了振荡，因此可以更加精确稳定地跟踪光伏模块的MPP。图5是采用本实用新型第一实施例在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图。本光伏发电系统实验室样机为两级光伏并网发电系统，由光伏模块HIP-200BA3 提供电能，经升压转换器和全桥逆变器将直流光伏电能转换为交流电能提供给电网。其硬件电路主要分为两部分基于微控制器的控制电路和功率电路。输出电压和输出电流的控制周期为100 μ s，最大功率点跟踪控制周期为50ms。升压直流转换器开关频率为20kHz，输出结果如图10所示。图中，通道1为系统输出电压；通道2为系统输出电流；Math通道为系统输出功率。图6是采用本实用新型第一实施例在误差阈值为0. 02时的测试结果示意图。可以得到，MPPT效率约为99. 1% ο图7是在光照强度周期为0. 8Hz变化时，采用本实用新型第一实施例的测试结果示意图。同样可以看出，本实用新型第一实施例的光伏电能优化器具有高跟踪精度。[0050]图8是在光照强度剧烈变化时，采用现有光伏电能优化器与本实用新型第二实施例的仿真示意图。在Matlab中建立一个稳态最大输出功率5W，开路电压为25V的光伏模块。开始时，系统稳态运行，在IOOms时，外界光照强度剧烈变化，直到400ms时恢复正常。 由仿真结果可以清楚地看到，现有光伏电能优化器在外界光照强度剧烈变化时，无法跟踪到光伏模块的最大功率点输出，在输出负载小时，将很快地使输出功率降低到零；而当光照强度恢复正常后，dPPV/dVPV始终保持为零，无法继续跟踪光伏模块的MPP。而本实用新型第二实施例的光伏电能优化器，可以分析出环境的变化影响，继续有效的进行控制；当外界环境变化恢复正常后，也能继续跟踪光伏模块的最大功率点。图9是采用本实用新型第二实施例在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图。实验室样机由光伏模块HIP-200BA3提供电能，经升压转换器进行最大功率点跟踪，并将电能存储在蓄电池中。电压和电流控制周期为100 μ s，最大功率点跟踪控制周期为 50ms。升压直流转换器开关频率为20kHz，外界光照强度在&-88剧烈变化时，光伏模块在本实用新型第二实施例的输出电压和输出电流实验结果如图所示。可以看出，本实用新型第二实施例的实验结果与仿真结果一致。图10是采用本实用新型第二实施例的控制效率示意图。建立了一台200W光伏发电系统实验样机，通过一系列实验再次证明，在变化的环境下，本实用新型第二实施例具有高鲁棒性，其控制精度约为98. 3%。本领域的技术人员应该明白，上述的本实用新型的各模块可以将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块制作成单个集成电路模块来实现。这样，本实用新型不限制于任何特定的硬件结合。虽然实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求1.一种光伏电能优化器，其特征在于，包括 光伏模块(101)，其将太阳能转化为直流电能；第一电容(104)，其耦接于所述光伏模块(101)，对所述直流电能进行滤波； 转换模块(102)，其耦接于所述第一电容(104)，转换所述光伏模块(101)的输出功率以生成最大功率；最大功率点跟踪控制模块(103)，其耦接于所述转换模块(102)，跟踪控制所述最大功率的输出；以及第二电容(105)，其耦接于所述转换模块(102)，稳定所述转换模块(10 的输出电压。
2.根据权利要求1所述的光伏电能优化器，其特征在于，还包括储能模块(106)，其耦接于所述第二电容(105)，将所述转换模块(10 的输出直流电能进行存储。
3.根据权利要求1所述的光伏电能优化器，其特征在于，所述光伏模块(101)包括单个太阳能光伏板或者多个太阳能光伏板的串和/或并联结构。
4.根据权利要求1所述的光伏电能优化器，其特征在于，所述转换模块(10 为包括集成开关元件、电容器、电感器、续流二极管的升压电路。
专利摘要本实用新型公开了一种光伏电能优化器，其主要由光伏模块、第一电容、转换模块、最大功率点跟踪控制模块以及第二电容组成。光伏模块，其将太阳能转化为直流电能；第一电容，其耦接于所述光伏模块，对所述直流电能进行滤波；转换模块，其耦接于所述第一电容，转换所述光伏模块的输出功率以生成最大功率；最大功率点跟踪控制模块，其耦接于所述转换模块，跟踪控制所述最大功率的输出；以及第二电容，其耦接于所述转换模块，稳定所述转换模块的输出电压。本实用新型光伏电能优化器在外界环境变化剧烈或太阳能电池板有遮蔽时，能有效地跟踪MPP，获取额外的电能。
文档编号H02N6/00GK202334369SQ201120396318
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月18日 优先权日2010年12月27日
发明者杨建 , 董密 申请人:杨建 , 董密