專利名稱：一種光伏電能優化器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光伏發電系統，尤其涉及一種適用于光伏發電的光伏電能優 4^ 1 O
背景技術：
隨著當今世界能源危機和環境污染的日益嚴重，太陽能以其無噪聲、無污染、能量隨處可得等優點越來越受到重視。但由于太陽能發電成本較高，近年來，研究者主要致力于提高光伏系統穩定性和轉化效率、降低成本的研究。眾所周知，在不同光照強度和環境溫度下，光伏模塊的輸出電流-電壓(I-V)以及功率-電壓(P-V)具有非線性特性；光伏模塊在某一輸出電壓值時，其輸出功率才能達到最大值，這時的工作點稱為最大功率點(maximum power point，簡稱MPP)。因此，要提高光伏發電系統的整體效率，一個重要的途徑就是實時調整光伏模塊的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就為最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，簡稱 MPPT)。電能優化器安裝在每個光伏模塊上獨立運作，可單獨處理每塊光伏模塊的MPPT， 保證光伏模塊安全連續地運行。現有技術的硬件響應速度慢，在穩態情況下，會導致光伏模塊的實際工作點在MPP附近振蕩，造成功率損失，在噪聲、測量誤差和數字控制量化誤差的影響，特別是外界環境變化劇烈時，現有電能優化器也無法避免最大功率點附近的振蕩。

實用新型內容本發實用新型所要解決的技術問題是需要提供一種針對外界光照強度或溫度突變，以及光伏模塊部分遮擋時，用于控制光伏模塊的輸出最大功率點的光伏電能優化器。為了解決上述技術問題，本發明提供了一種光伏電能優化器，該光伏電能優化器包括光伏模塊，其將太陽能轉化為直流電能；第一電容，其耦接于所述光伏模塊，對所述直流電能進行濾波；轉換模塊，其耦接于所述第一電容，轉換所述光伏模塊的輸出功率以生成最大功率；最大功率點跟蹤控制模塊，其耦接于所述轉換模塊，跟蹤控制所述最大功率的輸出；以及第二電容，其耦接于所述轉換模塊，穩定所述轉換模塊的輸出電壓。根據本發明的一個實施例，還包括儲能模塊，其耦接于所述第二電容，將所述轉換模塊的輸出直流電能進行存儲。根據本發明的一個實施例，所述光伏模塊包括單個太陽能光伏板或者多個太陽能光伏板的串和/或并聯結構。根據本發明的一個實施例，所述轉換模塊為包括集成開關元件、電容器、電感器、 續流二極管的升壓電路。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點本實用新型光伏電能優化器在外界環境變化劇烈或太陽能電池板有遮蔽時，能有效地跟蹤MPP，獲取額外的電能，提高MPPT控制的穩態性能，并且避免最大功率點附近的振蕩，提升了轉換模塊的性能，既能處理多余能源的情況，也能處理能源減少的情況。可以廣泛地應用于實際光伏發電系統中，具有高適應性、魯棒性和有效性。本實用新型的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。雖然在下文中將結合一些示例性實施來描述本實用新型，但本領域技術人員應當理解，為并不旨在將本實用新型限制于這些實施例。反之，旨在覆蓋包含在所附的權利要求書所定義的本實用新型的精神與范圍內的所有替代品、修正及等效物。

附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本實用新型的實施例一起用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的限制。在附圖中圖1是根據本實用新型的光伏電能優化器的結構示意圖；圖2是根據本實用新型第一實施例的電能優化器的最大功率點跟蹤控制模塊的結構示意圖；圖3是根據本實用新型第二實施例的電能優化器的最大功率點跟蹤控制模塊的結構示意圖；圖4是分別采用現有光伏電能優化器與本實用新型第一實施例的對比仿真示意圖；圖5是采用本實用新型第一實施例在200W光伏發電系統實驗室樣機中的測試結果示意圖；圖6是采用本實用新型第一實施例在誤差閾值為0. 02時的測試結果示意圖；圖7是在光照強度周期變化時，采用本實用新型第一實施例的測試結果示意圖；圖8是在光照強度劇烈變化時，采用現有光伏電能優化器與本實用新型第二實施例的仿真示意圖；圖9是采用本實用新型第二實施例在200W光伏發電系統實驗室樣機中的測試結果示意圖；圖10是采用本實用新型第二實施例的控制效率示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，
以下結合附圖對本實用新型作進一步地詳細說明。圖1是根據本實用新型光伏電能優化器的結構示意圖，如圖1所示，光伏電能優化器包括光伏模塊101、轉換模塊102、最大功率點跟蹤控制模塊103、第一電容104和第二電容105。接下來，將分別就光伏電能優化器所包含的各個模塊及其具備的功能進行詳細說明。光伏模塊101，其將太陽能轉化為直流電能，產生輸出電壓、輸出電流以及輸出功率。其中，光伏模塊101包括單個太陽能光伏板或者多個太陽能光伏板的串并聯結構。轉換模塊102—端經由第一電容104(如圖1中的Cpv)與光伏模塊101相并聯，另一端耦接于第二電容105(如圖1中的CD。)，轉換模塊102為直流-直流轉換模塊，其實時根據環境的變化，通過調節控制開關轉換光伏模塊101的輸出功率以生成最大功率，第一電容104對直流電能進行濾波，第二電容105穩定轉換模塊102的輸出電壓。轉換模塊102是以集成開關元件為核心，并由電容器、電感器、續流二極管等基本元器件構成的升壓式(Boost)電路，其中，二極管用來續流，電容器和電感器組成LC電路用于濾波，通過集成開關元件的開關控制實現光伏模塊101最大功率輸出。最大功率點跟蹤控制器模塊103，檢測外界環境， 跟蹤控制轉換模塊102的最大功率的輸出。本實用新型電能優化器還可以包括儲能模塊106，其耦接于第二電容105并存儲轉換模塊102的輸出直流，將轉換模塊102的輸出直流電能進行存儲。綜上所述，本實用新型光伏電能優化器在外界環境變化劇烈或太陽能電池板有遮蔽時，能有效地跟蹤MPP，獲取額外的電能，提高MPPT控制的穩態性能，并且避免最大功率點附近的振蕩，提升轉換模塊102的性能，既能處理多余能源的情況，也能處理能源減少的情況。第一實施例圖2是根據本實用新型第一實施例的最大功率點跟蹤控制模塊的結構示意圖，下面參考圖2對本實施例中最大功率點跟蹤控制模塊的結構進行詳細說明。如圖2所示，最大功率點跟蹤控制模塊103包括采樣單元210、斜率計算單元230、 第一判斷單元M0、第二判斷單元250以及參考電壓控制單元沈0。接下來，將分別就最大功率點跟蹤控制模塊103所包含的各個單元及其具備的功能進行詳細說明。在此實施例中，采樣單元210，其對光伏模塊101的輸出電壓和輸出電流進行采樣，以獲得輸出電壓和輸出電流，并計算得到預設時間段內的電壓變化量和電流變化量，例如，通過10位A/D轉換器對光伏模塊101的輸出電壓和輸出電流進行采樣。舉例而言，將一個周期作為預設時間段，將第k周期采樣所得光伏模塊101的輸出電壓與第k-1周期光伏模塊的輸出電壓進行差值計算得到電壓變化量，將第k周期所得光伏模塊的輸出電流與第k-1周期所得光伏模塊的輸出電流進行差值計算得到電流變化量， 其中k為整數。斜率計算單元230，其耦接于采樣單元210并接收采樣單元210所獲得的輸出電壓、輸出電流、電壓變化量和電流變化量，計算輸出功率-電壓曲線的斜率H。第一判斷單元M0，其耦接于斜率計算單元230并接收斜率的數據，判斷斜率是否小于等于預設的誤差閾值。第二判斷單元250，其耦接于第一判斷單元M0，當第一判斷單元240判斷為斜率小于等于預設的誤差閾值時，接收斜率的數據，第二判斷單元250判斷預設時間段內的斜率的均值是否等于零，若等于零，則判斷為光伏模塊101工作在最大功率點處；若不等于零，則判斷為光伏模塊101未工作在最大功率點處，并且將判斷結果傳送到轉化模塊102， 轉換模塊102的開關的占空比將進行重新設置以使得光伏模塊101工作在最大功率點處。參考電壓控制單元沈0，其耦接于第一判斷單元M0，在第一判斷單元240判斷為斜率大于預設的誤差閾值時，接收斜率的數據，通過判斷斜率的正負符號來改變光伏電能優化的參考電壓的值。需要說明的是，通過控制參考電壓值的大小來實現最大功率的跟蹤，例如開始將參考電壓值設置為0，經過不斷改變以控制達到最終理想狀態，理想的參考電壓為光伏模塊最大功率點相對應的期望電壓值。綜上所述，本實施例的最大功率點跟蹤控制模塊103通過控制開關占空比來進行最大功率點控制，既可以較容易地在實際應用中實現，又能快速跟蹤并且穩定精確地得到最大功率點。第二實施例圖3是根據本實用新型第二實施例的最大功率點跟蹤控制模塊的結構示意圖，下面參考附圖對本實施例進行詳細說明。為了便于說明，不再對與前述實施例相同的結構進行詳細展開，而僅重點說明與前述實施例的不同之處。在圖3中，對與前述實施例相同或相似的結構采用了相同的附圖標記。如圖3所示，最大功率點跟蹤控制模塊103包括采樣單元210、第三判斷單元220、 斜率計算單元230、第一判斷單元M0、第二判斷單元250以及參考電壓控制單元沈0。接下來，將對第三判斷單元220的功能進行詳細說明。如圖3所示，第三判斷單元220，其耦接于采樣單元210以及斜率計算單元230，當電流變化量不為零時，其接收所述采樣單元(210)所得的所述電壓變化量和所述電流變化量計算電阻變化量，在電阻變化量小于等于預設值時，判斷所述預設時間段內的第一輸出電阻和第二輸出電阻是否相等，當電流變化量為零時，則對光伏模塊101進行一次隨機干擾，其中，第一輸出電阻和第二輸出電阻為采樣單元210在預設時間段內預設的兩個時刻的輸出電阻，例如，第一輸出電阻為在一個周期內中間時刻的輸出電阻，以及第二輸出電阻為在該周期內終點時刻的輸出電阻。仿真實驗效果圖4是分別采用現有光伏電能優化器與本實用新型第一實施例的對比仿真示意圖。由圖可以看出，光照強度隨時間變化，在3秒至7秒時高光照強度為1000W/m2，其余低光照強度大約為60W/m2 ；而光伏模塊的輸出電壓、輸出電流以及產生的功率隨著光照強度的變化而變化。在現有光伏電能優化器中，光伏模塊輸出電壓、輸出電流以及產生的功率呈周期性振蕩。而本實用新型第一實施例的光伏電能優化器大大地減小了振蕩，因此可以更加精確穩定地跟蹤光伏模塊的MPP。圖5是采用本實用新型第一實施例在200W光伏發電系統實驗室樣機中的測試結果示意圖。本光伏發電系統實驗室樣機為兩級光伏并網發電系統，由光伏模塊HIP-200BA3 提供電能，經升壓轉換器和全橋逆變器將直流光伏電能轉換為交流電能提供給電網。其硬件電路主要分為兩部分基于微控制器的控制電路和功率電路。輸出電壓和輸出電流的控制周期為100 μ s，最大功率點跟蹤控制周期為50ms。升壓直流轉換器開關頻率為20kHz，輸出結果如圖10所示。圖中，通道1為系統輸出電壓；通道2為系統輸出電流；Math通道為系統輸出功率。圖6是采用本實用新型第一實施例在誤差閾值為0. 02時的測試結果示意圖。可以得到，MPPT效率約為99. 1% ο圖7是在光照強度周期為0. 8Hz變化時，采用本實用新型第一實施例的測試結果示意圖。同樣可以看出，本實用新型第一實施例的光伏電能優化器具有高跟蹤精度。[0050]圖8是在光照強度劇烈變化時，采用現有光伏電能優化器與本實用新型第二實施例的仿真示意圖。在Matlab中建立一個穩態最大輸出功率5W，開路電壓為25V的光伏模塊。開始時，系統穩態運行，在IOOms時，外界光照強度劇烈變化，直到400ms時恢復正常。 由仿真結果可以清楚地看到，現有光伏電能優化器在外界光照強度劇烈變化時，無法跟蹤到光伏模塊的最大功率點輸出，在輸出負載小時，將很快地使輸出功率降低到零；而當光照強度恢復正常后，dPPV/dVPV始終保持為零，無法繼續跟蹤光伏模塊的MPP。而本實用新型第二實施例的光伏電能優化器，可以分析出環境的變化影響，繼續有效的進行控制；當外界環境變化恢復正常后，也能繼續跟蹤光伏模塊的最大功率點。圖9是采用本實用新型第二實施例在200W光伏發電系統實驗室樣機中的測試結果示意圖。實驗室樣機由光伏模塊HIP-200BA3提供電能，經升壓轉換器進行最大功率點跟蹤，并將電能存儲在蓄電池中。電壓和電流控制周期為100 μ s，最大功率點跟蹤控制周期為 50ms。升壓直流轉換器開關頻率為20kHz，外界光照強度在&-88劇烈變化時，光伏模塊在本實用新型第二實施例的輸出電壓和輸出電流實驗結果如圖所示。可以看出，本實用新型第二實施例的實驗結果與仿真結果一致。圖10是采用本實用新型第二實施例的控制效率示意圖。建立了一臺200W光伏發電系統實驗樣機，通過一系列實驗再次證明，在變化的環境下，本實用新型第二實施例具有高魯棒性，其控制精度約為98. 3%。本領域的技術人員應該明白，上述的本實用新型的各模塊可以將它們分別制作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊制作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本實用新型不限制于任何特定的硬件結合。雖然實用新型所揭露的實施方式如上，但所述內容只是為了便于理解本實用新型而采用的實施方式，并非用以限定本實用新型。任何本實用新型所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本實用新型所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本實用新型的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
權利要求1.一種光伏電能優化器，其特征在于，包括 光伏模塊(101)，其將太陽能轉化為直流電能；第一電容(104)，其耦接于所述光伏模塊(101)，對所述直流電能進行濾波； 轉換模塊(102)，其耦接于所述第一電容(104)，轉換所述光伏模塊(101)的輸出功率以生成最大功率；最大功率點跟蹤控制模塊(103)，其耦接于所述轉換模塊(102)，跟蹤控制所述最大功率的輸出；以及第二電容(105)，其耦接于所述轉換模塊(102)，穩定所述轉換模塊(10 的輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的光伏電能優化器，其特征在于，還包括儲能模塊(106)，其耦接于所述第二電容(105)，將所述轉換模塊(10 的輸出直流電能進行存儲。
3.根據權利要求1所述的光伏電能優化器，其特征在于，所述光伏模塊(101)包括單個太陽能光伏板或者多個太陽能光伏板的串和/或并聯結構。
4.根據權利要求1所述的光伏電能優化器，其特征在于，所述轉換模塊(10 為包括集成開關元件、電容器、電感器、續流二極管的升壓電路。
專利摘要本實用新型公開了一種光伏電能優化器，其主要由光伏模塊、第一電容、轉換模塊、最大功率點跟蹤控制模塊以及第二電容組成。光伏模塊，其將太陽能轉化為直流電能；第一電容，其耦接于所述光伏模塊，對所述直流電能進行濾波；轉換模塊，其耦接于所述第一電容，轉換所述光伏模塊的輸出功率以生成最大功率；最大功率點跟蹤控制模塊，其耦接于所述轉換模塊，跟蹤控制所述最大功率的輸出；以及第二電容，其耦接于所述轉換模塊，穩定所述轉換模塊的輸出電壓。本實用新型光伏電能優化器在外界環境變化劇烈或太陽能電池板有遮蔽時，能有效地跟蹤MPP，獲取額外的電能。
文檔編號H02N6/00GK202334369SQ201120396318
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月18日 優先權日2010年12月27日
發明者楊建 , 董密 申請人:楊建 , 董密