太阳能驱动系统和用于跟踪光伏阵列最大功率点的方法与流程

本发明涉及一种太阳能驱动系统和一种用于跟踪驱动电动马达的光伏阵列的最大功率点的方法。

背景技术：

在偏远地区以及没有或具有不可靠市电的地区，一个光伏阵列可以用来驱动一个负载，诸如水泵或通风机的电动马达。

光伏阵列的最佳操作点不是恒定的，而是取决于太阳能辐射强度、光伏阵列的温度以及光伏阵列中采用的光伏电池的类型。因此，光伏阵列经常被控制以工作在其i/v特性的最大功率点，从而获得阵列投资的最大益处。

一种常规的使用控制器模数转换器(adc)的光伏阵列输出功率测量具有相对较差的准确度。特别地，输出功率测量会受到不准确性的影响，并且会受到与多个adc以及随后的整数运算相关联的积分和微分非线性两者的影响。这可能导致低于最佳的性能，或导致稳定在远离并小于光伏阵列的实际最大功率峰值的一个杂散功率峰值处。

已知对多个光伏阵列使用最大功率点跟踪(mppt)，以最大化从一个光伏阵列的功率提取。mppt解决的中心问题在于，除其他之外，从一个光伏阵列的功率传输的效率取决于由光伏阵列驱动的负载的多个电特性。例如，当太阳能辐射强度变化时，给出最高功率传输效率的负载特性改变，从而当负载特性改变时太阳能驱动系统的效率被优化，以使功率传输保持在最高效率。这个负载特性被称为最大功率点，并且mppt是找到这个点并将负载特性保持于此的过程。mppt解决了如下问题：选择要提供给光伏阵列的最佳负载，以取出最多可用功率。mppt的目的是：针对任何给定的环境条件，对光伏阵列的输出进行采样，并施加适当的电阻(负载)以获得最大功率。

多个mppt设备通常集成到一个电功率转换器系统中，该系统提供电压或电流转换、滤波和调节以驱动各种诸如电动马达的负载。太阳能逆变器将dc功率转换为ac功率，并可以包括mppt。这样的逆变器对来自光伏阵列的输出功率(iv曲线)进行采样，并施加适当的电阻(负载)以获得最大功率。多个最大功率点跟踪器可以实现不同的算法，并且基于光伏阵列的操作条件在这些算法之间切换。

一种特殊的mppt方法是扰动和观测(p&o)mppt方法。在该方法中，一个控制器通过在步进方向上少量调整光伏阵列的电压来调整负载，并且测量光伏阵列的输出功率。如果功率增加，则尝试在该步进方向上的进一步调整，直到功率不再增加。如果功率降低，则改变步进方向。

技术实现要素：

本发明的一个目的是更准确地跟踪一个太阳能驱动系统的一个光伏阵列的最大功率点。

这个目的由多个独立权利要求解决。在以下描述、多个从属权利要求和多个附图中公开了多个有利的实施例，其中这些实施例(单独地或彼此任意组合地)可以涉及本发明的有利或优选方面。

根据本发明的一种太阳能驱动系统包括：

-至少一个光伏阵列，生成dc电流；

-至少一个逆变器，电连接到光伏阵列，用于将dc电流逆变为ac电流；

-至少一个电动马达，电连接到逆变器，以向电动马达提供ac电流；以及

-用于确定电动马达的当前转动频率的至少一个设备；

-其中逆变器被配置为：通过执行一种扰动和观测最大功率点跟踪方法来跟踪光伏阵列的最大功率点，并且使用所确定的电动马达的当前转动频率来确定扰动和观测最大功率点跟踪方法的一个步进方向。

根据本发明，电动马达的当前转动频率用于确定扰动和观测最大功率点跟踪(p&omppt)方法的步进方向。如果在第一步进方向上进行一个扰动(负载、电压)，并且如果电动马达的当前转动频率增加(这可以从两个相继确定的当前转动频率的比较来确定)，则下一个扰动步进在第一步进方向上进行。如果电动马达的当前转动频率在第一步进方向上减小，则步进方向改变并且下一个步进在第二步进方向上进行。

本发明是基于以下认识：对于一个p&omppt，实际绝对功率水平不那么重要。相反，重要的因素是确定功率水平是增加还是减少。因此，功率测量的线性不如其单调性重要。

电动马达的当前转动频率可以被简单地确定，并且从这样的确定来完全准确地知道。当已知光伏阵列的输出功率是电动马达转动频率的一个单调函数(这是通常的情况)时，可以在p&omppt步进算法中使用该因子(即，电动马达的转动频率)，而不是从电流和电压测量得出的电功率，从而引起p&omppt性能和可靠性的显著改善。因此，太阳能驱动系统的光伏阵列的最大功率点可以被更准确地跟踪。

根据本发明的太阳能驱动系统还可以包括两个或更多个光伏阵列，该两个或更多个光伏阵列共同地驱动单个电动马达，或者每个光伏阵列驱动一个单独的电动马达。在第一种情况下，太阳能驱动系统包括单个逆变器。在第二种情况下，太阳能驱动系统包括用于每个电动马达的一个单独的逆变器。光伏阵列可以是一个使用光电效应的太阳能光伏阵列或一个热光伏阵列。光伏阵列生成直流(dc)电流和dc电压。

为了控制光伏阵列的电压，逆变器可以包括一个比例-积分-导数(pid)控制回路。逆变器生成具有一个、两个、三个或更多相的交流(ac)电流和ac电压。

电动马达可以是用于泵送一种液体(特别是水)的一个泵的一个泵马达，或者例如通风和/或气候设备的另一个驱动马达。电动马达可以是一个三相马达。

优选地，逆变器被配置为从逆变器的ac电流的频率来确定电动马达的当前转动频率。因此，不需要附加的传感器设备来确定电动马达的当前转动频率。电动马达的转动频率随着逆变器的ac电流的频率而增加，并且反之亦然。在电动马达的转动频率和逆变器的ac电流频率之间存在唯一的分配。逆变器本身的频率设置点可用于电动马达转动频率的检测。

优选地，太阳能驱动系统还包括至少一个设备，该至少一个设备用于确定电动马达的当前转动频率，并且被布置在电动马达上并且电连接到逆变器。利用该设备，可以直接测量电动马达的当前转动频率。为了将对应的测量信号传送到逆变器，该设备电连接到逆变器。该设备可以是任何种类的传感器或确定算法，其具有一个与电动马达的当前转动频率不同的输入，但是能够从所述输入来准确地确定当前转动频率。

优选地，该设备包括至少一个传感器元件，至少一个传感器元件用于检测电动马达的当前转动频率，并且被布置在电动马达上，传感器元件有线或无线地连接到逆变器。传感器元件可以是旋转编码器等。

优选地，该设备是电动马达的一个马达电子电路的一个部件，马达电子电路有线或无线地连接到逆变器。因此，不需要附加的传感器元件等。

根据本发明的一种用于跟踪驱动一个电动马达的一个光伏阵列的最大功率点的方法包括：

-确定电动马达的当前转动频率；

-执行一种扰动和观测最大功率点跟踪方法；以及

-使用所确定的电动马达的当前转动频率，来确定扰动和观测最大功率点跟踪方法的一个步进方向。

以上提到的关于太阳能驱动系统的优点与此方法对应地联系。特别地，可以使用太阳能驱动系统来执行该方法。

优选地，电动马达的当前转动频率从由一个逆变器提供给电动马达的ac电流的频率来确定。这可以由逆变器本身或由一个单独的单元来完成。

优选地，电动马达的当前转动频率被直接测量。这可以利用以上描述的设备完成。

附图说明

通过参考以下结合多个附图对本发明多个实施例的描述，本发明的上述多个特质和其他特征和优点以及达到它们的方式将变得更加明显，并且本发明本身将被更好地理解，其中，

图1示出了根据本发明一个实施例的一个太阳能驱动系统，

图2示出了根据本发明另一实施例的一个太阳能驱动系统的一个电压控制器，以及

图3示出了根据本发明另一实施例的一种用于跟踪驱动一个电动马达的一个光伏阵列的最大功率点的方法。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的一个太阳能驱动系统1。

太阳能驱动系统1包括一个光伏阵列2，光伏阵列2生成dc电流ipv和dc电压vpv。太阳能驱动系统1还包括电连接到光伏阵列2的一个逆变器3，用于将dc电流ipv逆变为ac电流，并将dc电压vpv逆变为ac电压。此外，太阳能驱动系统1包括电连接到逆变器3的一个电动马达4，以向电动马达4提供ac电流。电动马达4是用于泵送液体(特别是水)的泵5的一个泵马达。

逆变器3被配置为通过执行一种扰动和观测最大功率点跟踪方法来跟踪光伏阵列2的最大功率点，并且使用电动马达4的当前转动频率来确定扰动和观测最大功率点跟踪方法的步进方向。为此，逆变器3还配置为从逆变器3的ac电流的频率来确定电动马达4的当前转动频率。

备选地，太阳能驱动系统1可以包括一个用于确定电动马达4的当前转动频率的设备6。设备6可以电连接到逆变器3，以将所确定的当前转动频率提供给逆变器3。在大多数情况下，电动马达4的转动频率将被假定为逆变器3的ac输出频率，但是作为替代方式也可以使用外部设备6。

该设备可以包括至少一个传感器元件(未示出)，该至少一个传感器元件用于检测电动马达4的当前转动频率并布置在电动马达4上，传感器元件有线或无线地连接到逆变器3。备选地，设备6可以是电动马达4的马达电子电路(未示出)的一个部件，该马达电子电路有线或无线地连接到逆变器3。

图2示出了根据本发明另一实施例的太阳能驱动系统(未示出)的一个电压控制器7。

电压控制器7包括一个微分器8，用于确定设置点电压vsp与光伏阵列(未示出)生成的当前电压vpv之间的差值ve。差值电压ve被提供给电压控制器7的pid9。pid9生成一个提供给电动马达(未示出)的控制信号fem。利用控制信号fem，电动马达的转动频率被调整以实现所要求的阵列电压设置点。因此，例如，如果电压vpv增加至高于vsp，则电压控制器7将适当地增加电动马达的转动频率，以使电压vpv再次降低回去。为此，需要电动马达功率消耗是电动马达转动频率的一个单调函数。

图3示出了根据本发明另一实施例的一种用于跟踪驱动电动马达的光伏阵列的最大功率点的方法。

电动马达当前转动频率是连续地或以多个时间间隔确定的，并且一种扰动和观测最大功率点跟踪方法被执行。

在方法步骤10中，进行一个通过改变负载/电压的扰动步进，并且在该扰动之后确定电动马达的当前转动频率。然后，将所确定的当前转动频率与电动马达的先前确定的当前转动频率进行比较。如果所确定的当前转动频率小于先前确定的当前转动频率，则在方法步骤20中改变步进方向。如果所确定的当前转动频率大于先前确定的当前转动频率，则步进方向不改变，并且在方法步骤30中在上次步进方向上进行下一个扰动步进。重复这些方法步骤，直到所确定的当前转动频率等于先前确定的当前转动频率。然后，光伏阵列的当前电压已达到设置点电压。因此，使用所确定的电动马达的当前转动频率，来确定扰动和观测最大功率点跟踪方法的步进方向。

尽管已经结合多个优选实施例详细解释和描述了本发明，但是注意，本发明不限于所公开的多个实施例。本领域技术人员可以从这些实施例中得到其他变型，而不脱离本发明的保护范围。