光伏系统延长最大功率追踪运行时间的方法与流程

本发明涉及IPC分类H02S20/32(2014.01)I，即光伏系统小功率逆变器设备以及自动追踪装置的结构改进技术，尤其是光伏系统延长最大功率追踪运行时间的方法。

背景技术：

目前，光伏系统的发电量直接影响光伏发电系统的大规模应用。

在光伏逆变器技术方面提高发电量的措施主要包括两个方面，一是提高转换效率，尽量减少自身损耗；二是延长运行时间，尽量延长光伏面板能够产生电能的工作时间。

常见的小功率光伏逆变器分为两级架构，包括DC-DC、DC-AC两级主要结构。正常运行过程中前级DC-DC结构完成最大功率点追踪即MPPT技术，实现在外界不断变化的条件下自我调节，使光伏面板阵列能在各种不同的日照和温度环境下，由前级DC-DC结构自动输出最大功率；后级实现稳定直流母线，并由后级DC-AC结构将直流转换为交流馈入电网或向负载提供交流电源的作用。在启动过程中，由于后级DC-AC结构尚未与电网连接，直流母线的能量只能够来自于光伏面板，所以直流母线的稳定需要由前级DC-DC实现。

事实上，光伏逆变器的启动过程分为三步：母线升压、自检、并网。其中，母线升压需要由光伏面板提供能量到光伏逆变器直流母线中，当直流母线达到一定值后光伏逆变器会进入自检阶段，检测完毕后，在确保直流母线电压高于市电所需电压的前提条件下，光伏逆变器才会进入并网状态。

常见的启动方法是前级DC-DC结构开环启动，脉宽调制PWM占空比依照一定速度逐步线性变化，从而实现直流母线逐步升压的目的，当直流母线电压升到要求电压后，PWM占空比停止线性变化，使直流母线维持不变，保证逆变器的后续动作可以依序完成。

光伏组件功率输出特性具有非线性特征,输出电流随着输出电压的增大，先是缓慢下降，当达到Umppt点之后会急剧下降。而且，此输出特性会随着温度、光照条件的变化而变化。当逆变器启动时，光伏组件电流会增大，相应的输出电压会减小，再加之温度和光照条件的变化，极易造成逆变器启动失败，重复开关机。造成光伏组件可发电量的流失，虽然功率较小，但随着太阳能发电的规模不断扩大，此处的经济效益损失会越来越大。

相应专利公开文献较少。

中国专利申请201510014423.3公开一种光伏追踪控制器及其控制方法，所述风速传感器与控制器相连，太阳位置及辐照强度传感器安装在光伏电池板支架上并与控制器相连，电机驱动电流传感器与控制器相连，光伏电池板角度传感器安装在光伏电池板支架上并与控制器相连，两个追踪运动极限位置传感器分别安装在追踪传动机构两个极限位置并均与控制器相连，电机驱动器分别与控制器和电机相连，电机分别与电机驱动器和追踪传动机构相连，追踪传动机构两端分别连接电机和光伏电池板支架，所述控制器通过通讯模块与监控系统相连。本发明提高了光伏电池板追踪太阳的角度精度，提高了恶劣条件下的安全性，提高了可靠性和稳定性，进而提高了光伏电池板的发电量。

中国专利申请201610418347.7涉及最大功率追踪领域，具体涉及一种快速光伏组件最大功率追踪系统及其追踪方法，包括电压传感器、电流传感器、开关器件，还包括：递推平均滤波模块，锁相放大器，除法器，积分调节器，所述电压传感器分别连接递推平均滤波模块和锁相放大器，所述递推平均滤波模块和锁相放大器分别连接除法器，所述除法器连接积分调节器，所述积分调节器连接开关器件。本发明提供一种快速光伏组件最大功率追踪系统及追踪方法，在外界环境条件发生变化时能很好的实现光伏组件最大功率点追踪控制，可有效地抑制在最大功率点附近输出功率的振荡，追踪速度快且易于实现，提高了光伏组件的发电效率。

中国专利申请201310343212.5提供了一种光伏组件的最大功率点追踪装置，该最大功率点追踪装置用于侦测一光伏组件的输出功率，并对一负载模块消耗的功率进行调节，使该光伏组件工作在最大功率点上，该最大功率点追踪装置包括一光伏侦测单元、一存储单元、一判断单元以及一控制单元，所述负载模块包括一温度控制单元以及一密闭容器。所述最大功率点追踪装置通过所述温度控制单元降低所述密闭容器内的温度，以增加所述负载模块的功率，使光伏组件工作在最大功率点上，同时将光伏组件提供的部分能量以冷气的形式存储在密闭容器内。本发明还提供了一种光伏组件最大功率点追踪方法。

常用的光伏逆变器启动方法为开环法，是一种将PWM占空比依照一定速度逐步线性变化，从而实现直流母线逐步升压目的方法。当直流母线电压升到要求电压后，PWM占空比停止线性变化，使直流母线维持不变。在整个母线升压过程中对光伏面板的发电需求会随着占空比的变化而上升，此方法无法响应由于光照条件变化造成的功率不稳定情况，极易出现反复的启动失败情况，在此过程中也浪费了光伏组件的发电量。

如附图1所示，当清晨太阳刚刚升起时，光照较弱，MPPT曲线平缓而不稳定，当PV开路电压达到光伏逆变器启动电压A时，光伏逆变器会自动进入启动步骤，随着前级DC-DC结构PWM开始工作，电流会随着PWM占空比的变化而逐渐增大，光伏组件的工作点会从A走到B点。但是若此时光照变弱，MPP曲线发生变化，工作点由B点走到C点，小于前级DC-DC结构电路的最小工作电压D。此时前级DC-DC结构电路会由于输入电压过低而停止工作。并且，启动过程中光伏逆变器尚未与市电连接，光伏逆变器所需功率只能由直流端光伏组件提供，这样就造成启动失败，光伏逆变器无法进入正常发电状态。

技术实现要素：

本发明的目的是提供光伏系统延长最大功率追踪运行时间的方法，克服由于光照变弱使得工作点变化及至小于前级DC-DC结构电路的最小工作电压而造成逆变器停止工作的缺陷。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：设定目标为尽量降低启动过程时需要的光伏组件提供电流，并且能够根据光伏组件电压及母线电压做出实时调整，启动过程中对光伏组件所需电流即Iref的设定越小，启动过程受到光照变化的影响越小；光伏面板连接前级DC-DC结构，前级DC-DC结构连接直流母线，直流母线连接后级DC-AC结构；在光伏面板和直流母线之间连接控制电路模块，控制电路模块中包括软启调理电路模块、直流母线、前电压调理模块、控制器、后电压调理模块、面板采样模块和母线采样模块；控制器通过软启调理电路模块连接前级DC-DC结构，同时，控制器通过前电压调理模块和后电压调理模块分别连接在前级DC-DC结构前后侧，而且，控制器通过面板采样模块连接光伏面板，控制器通过母线采样模块连接直流母线。前级DC-DC结构电路中开关管PWM占空比与直流母线电容C_BUS、当前光伏面板组件输出电流I_PV、当前光伏面板组件电压U_PV和启动时间t有关；当设定I_PV为启动电流参考值I_ref之后，占空比仅与当前光伏面板组件电压U_PV呈反向关系，与启动时间t呈正向关系；若光照条件稳定，随着启动时间t的逐渐增加，Duty值会逐渐增大，直到U_BUS达到目标电压U_ref；若出现光照条件变差，U_PV会由于曲线的变化而降低，由于的关系U'_PV会随之降低，则下一拍Duty会根据公式做出调整，进而保证U_BUS电压上升过程的平稳性。

尤其是，控制软启调理电路模块(3)，它的加入可以最大限度的减小在启动过程中对光伏面板组件电流的需求，只要工作点到达B’点即可维持直流母线的正常上升，即使光照条件变弱，使得工作点变化到C’点，但是C’点电压高于D，所以不会因为工作电压小于前级DC-DC结构电路的最小工作电压而造成逆变器停止工作，最大限度的提高了逆变器启动的成功率，可以使光伏逆变器尽早进入发电状态。

尤其是，通过采样电路获取当前光伏面板电压与直流母线电压的信息，输入到控制器中，依据当前的光伏面板1组件电压和目标直流母线电压Uref生成PWM1其对应占空比为Duty1，将此目标占空比和光伏面板组件电压实时信息输入到软启调理电路模块中，结合设定的启动电流Iref生成新的PWM参数对应占空比Duty，进而控制前级DC-DC结构电路中的开关管动作变化。通过设定启动电流Iref的减小，实现在直流母线电压稳定上升到目标值Uref的过程中，最大化的降低了对输入电流的需求。

本发明的优点和效果：可以最大限度的减小在启动过程中对光伏组件电流的苛求，克服由于光照变弱使得工作点变化及至小于前级DC-DC结构电路的最小工作电压而造成逆变器停止工作的缺陷，最大限度的提高逆变器启动的成功率，使光伏逆变器尽早进入发电状态，提高光伏系统的发电量。

附图说明

图1为现有技术中光照变弱时工作点甚至低于最小工作电压关系曲线示意图。

图2为本发明实施例1结构示意图。

图3为本发明实施例1中光照变弱时工作点仍高于最小工作电压示意图。

附图标记包括：

光伏面板1、前级DC-DC结构2、软启调理电路模块3、直流母线4、前电压调理模块5、控制器6、后电压调理模块7、面板采样模块8、母线采样模块9、后级DC-AC结构10。

具体实施方式

本发明原理在于，通过对传统启动过程的分析，可以发现启动过程中对光伏组件所需电流越小，则启动过程受到外界的影响越小，所以改进光伏系统结构所体现的启动算法的设定目标为尽量降低启动过程时需要的光伏组件提供电流，并且能够根据光伏组件电压及母线电压做出实时调整。

本发明包括：光伏面板1、前级DC-DC结构2、软启调理电路模块3、直流母线4、前电压调理模块5、控制器6、后电压调理模块7、面板采样模块8、母线采样模块9和后级DC-AC结构10。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图1所示，光伏面板1连接前级DC-DC结构2，前级DC-DC结构2连接直流母线4，直流母线4连接后级DC-AC结构10；在光伏面板1和直流母线4之间连接控制电路模块，控制电路模块中包括软启调理电路模块3、直流母线4、前电压调理模块5、控制器6、后电压调理模块7、面板采样模块8和母线采样模块9；控制器6通过软启调理电路模块3连接前级DC-DC结构2，同时，控制器6通过前电压调理模块5和后电压调理模块7分别连接在前级DC-DC结构2前后侧，而且，控制器6通过面板采样模块8连接光伏面板1，控制器6通过母线采样模块9连接直流母线4。

本实施例中，后级DC-AC结构10连接入电网。

本实施例中，软启调理电路模块3的原理如下：

设定直流母线4的当前电压为U_BUS,直流母线4的上升目标电压为U_ref，光伏面板1组件的当前电压为U_PV。则根据前级DC-DC结构2的特性可以得到开关管PWM占空比与直流母线4电压和光伏面板1组件电压之间的关系为：

在启动过程中，直流母线4电容中的能量全部来自于光伏面板1组件，根据能量守恒定律可以得到以下公式：

Q_BUS＝Pt，t为启动过程已用时间。

其中Pt＝U_PVI_PVt，则：C_BUS为直流母线4电容值。

推导出：

则可得到：

由以上公式可以看出，前级DC-DC结构2电路中开关管PWM占空比与直流母线4电容C_BUS、当前光伏面板1组件输出电流I_PV、当前光伏面板1组件电压U_PV和启动时间t有关。当设定I_PV为启动电流参考值I_ref之后，占空比仅与当前光伏面板1组件电压U_PV呈反向关系，与启动时间t呈正向关系。若光照条件稳定，随着启动时间t的逐渐增加，Duty值会逐渐增大，直到U_BUS达到目标电压U_ref；若出现光照条件变差，U_PV会由于曲线的变化而降低，由于的关系U'_PV会随之降低，则下一拍Duty会根据公式做出调整，进而保证U_BUS电压上升过程的平稳性。

由以上分析可以知道，Iref的设定越小，启动过程受到光照变化的影响越小。从而使光伏逆变器尽早进入发电状态，提高光伏系统的发电量。

本发明的重点在于控制软启调理电路模块3，它的加入可以最大限度的减小在启动过程中对光伏面板1组件电流的需求，只要工作点到达B’点即可维持直流母线4的正常上升，即使光照条件变弱，使得工作点变化到C’点，但是C’点电压高于D，所以不会因为工作电压小于前级DC-DC结构2电路的最小工作电压而造成逆变器停止工作，最大限度的提高了逆变器启动的成功率，可以使光伏逆变器尽早进入发电状态。

本发明在工作时，通过采样电路获取当前光伏面板1电压与直流母线4电压的信息，输入到控制器6中，依据当前的光伏面板1组件电压和目标直流母线4电压Uref生成PWM1其对应占空比为Duty1，将此目标占空比和光伏面板1组件电压实时信息输入到软启调理电路模块3中，结合设定的启动电流Iref生成新的PWM参数对应占空比Duty，进而控制前级DC-DC结构2电路中的开关管动作变化。通过设定启动电流Iref的减小，实现在直流母线4电压稳定上升到目标值Uref的过程中，最大化的降低了对输入电流的需求。