CN101105697B - 太阳能发电系统的最大功率跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能发电系统的最大功率跟踪方法及装置，将直流/直流转换器连接至太阳能电池组，控制器将该直流/直流转换器操作成具有有源电阻特性的电能转换器以供应功率给直流/交流电能转换器或直流负载；利用最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，改变其操作的有源电阻的大小；观察该太阳能电池组输出功率产生变化量，若该太阳能电池组输出功率的变化量为正，则继续调整该直流/直流转换器，使有源电阻特性往相同方向变化；反之，若该太阳能电池组输出功率的变化量为负，则调整该直流/直流转换器，使其有源电阻特性往相反方向变化；重复利用该最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，以改变其操作有源电阻的大小，跟踪该太阳能电池组的最大输出功率点，并在该最大输出功率点附近来回扰动。

Description

太阳能发电系统的最大功率跟踪方法及装置

技术领域

本发明关于一种太阳能发电系统的最大功率跟踪方法及装置，特别是关于将一直流/直流转换器操作成具有有源电阻特性的电能转换器，以供应功率给一直流/交流电能转换器或一直流负载；利用一最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，改变其操作有源电阻的大小；观测太阳能电池组输出功率的变化，以得到该太阳能电池组最大功率的方法及装置。

背景技术

太阳光电能的有效应用上，除了太阳能电池效率的改善或新技术的开发外，最大功率跟踪技术为一关键核心技术。目前最普遍采用的最大功率跟踪技术是扰动观察法。常用的扰动观察法，如美国专利第5327071号，其揭示利用控制一直流/直流转换器以跟踪太阳能电池组的最大功率。首先扰动太阳能电池组的输出电压，接着检测直流/直流转换器的输出功率。将直流/直流转换器输出功率的当次检测资料与前次检测资料进行比较，以决定太阳能电池组输出电压的扰动方向，并持续进行扰动太阳能电池组的输出电压。一旦得到太阳能电池组的最大功率时，在该最大功率的位置点附近进行来回扰动。

如美国专利第5932994号，其亦揭示利用控制一直流/直流转换器连续控制太阳能电池组的输出电压，以便跟踪太阳能电池组的最大功率的位置点。首先扰动该直流/直流转换器的功率开关元件的导通周期(duty cycle)，利用太阳能电池组的输出电压与电流计算该太阳能电池组的输出功率。将太阳能电池组的输出功率的当次检测资料与前次检测资料进行比较，以决定该直流/直流转换器的功率开关元件导通周期的扰动方向，并持续进行扰动该直流/直流转换器功率开关元件的导通周期。一旦得到太阳能电池组的最大功率时，在该最大功率的位置点附近进行来回扰动。

然而，常用扰动观察法需要检测两个以上的电压或电流信号，因此其控制电路存在着整体构造复杂及较高制造成本的缺点。因此，其有必要进一步改进常用太阳能电池组的最大功率跟踪技术。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种太阳能发电系统的最大功率跟踪方法及装置，其将一直流/直流转换器操作成一具有有源电阻特性的电能转换器，以供应功率给一直流/交流电能转换器或一直流负载；利用一最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，改变其操作的有源电阻的大小；观测一太阳能电池组的功率变化，以得到该太阳能电池组的最大功率，使本发明具有简化构造及降低制造成本的目的。

本发明的次要目的是提供一种太阳能发电系统的最大功率跟踪方法及装置，将一个直流/直流转换器连接至一个太阳能电池组，一个控制器检出该直流/直流转换器的一个电感器电流，并产生一信号作为一个脉宽调制信号将一直流/直流转换器操作成一具有有源电阻特性的电能转换器，以供应功率给一直流/交流电能转换器或一直流负载；利用一最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，改变其操作的有源电阻的大小；观测一太阳能电池组输出功率的变化，当该太阳能电池组输出功率的变化量为正，则继续调整该直流/直流转换器，使其有源电阻特性往相同方向变化；反之，若该太阳能电池组的输出功率的变化量为负，则调整该直流/直流转换器，使其有源电阻特性往相反方向变化；重复利用该最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，以改变其操作的有源电阻的大小，以便跟踪该太阳能电池组的最大输出功率点，并在该最大输出功率点附近来回扰动。使本发明具有简化构造及降低制造成本的目的。

根据本发明的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其包含：一太阳能电池组，其用以供应一输出功率；一直流/直流转换器，其连接至该太阳能电池组，如此该太阳能电池组可经由该直流/直流转换器供应输出功率，该直流/直流转换器包含一输入电容器、一电感器、一电力电子开关、一二极管、一输出电容器及一控制器，该控制器借助反馈该电感器电流控制以产生一驱动信号，将该驱动信号控制该直流/直流转换器的电力电子开关的导通及截止，如此该控制器将该直流/直流转换器操作成具有有源电阻特性的电能转换器，并将其能量转换至其后级的直流/交流电能转换器或直流负载；一最大功率跟踪电路，其连接至该直流/直流转换器的控制器，该最大功率跟踪电路输出一有源电阻控制信号，借助该最大功率跟踪电路输出的该有源电阻控制信号调整该直流/直流转换器，改变其操作的有源电阻的大小，观察该太阳能电池组相对产生的输出功率的变化量；该太阳能电池组的输出功率是由检测出的该直流/直流转换器中该电感器电流的平均值平方再与该有源电阻控制信号相乘而得，若该太阳能电池组的输出功率的变化量为正，则继续往相同方向调整该最大功率跟踪电路的该有源电阻控制信号；反之，若该太阳能电池组的输出功率的变化量为负，则往相反方向调整该最大功率跟踪电路的该有源电阻控制信号；重复利用该最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，改变其操作的有源电阻大小，以便跟踪该太阳能电池组的最大输出功率点，并在该最大输出功率点附近来回扰动。

根据本发明的太阳能发电是统的最大功率跟踪方法，它只需检测该直流/直流转换器中该电感器电流的信号，具有简化构造及降低制造成本的功效。

本发明的优点在于：

其将一直流/直流转换器连接至一太阳能电池组，该直流/直流转换器操作成一具有有源电阻特性的电能转换器，以供应功率给一直流/交流电能转换器或直流负载；利用一最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，改变其操作的有源电阻的大小；观测该太阳能电池组的功率变化，以得到该太阳能电池组的最大功率，从而有效简化构造及降低制造成本。

附图说明

图1：本发明第一较佳实施例的太阳能发电系统架构的方块图。

图2：本发明第一较佳实施例太阳能发电系统最大功率跟踪方法及装置采用直流/直流转换器的架构示意图。

图3：本发明第一较佳实施例太阳能发电系统最大功率跟踪方法及装置采用直流/直流转换器控制器的控制方块图。

图4：本发明第一较佳实施例太阳能发电系统最大功率跟踪方法及装置采用最大功率跟踪电路的流程图。

图5：本发明第二较佳实施例的太阳能发电系统架构的方块图。

具体实施方式

为了让本发明的上述及其他目的、特征、优点能更明显易懂，下文将特举本发明较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

图1揭示本发明第一较佳实施例的太阳能发电系统架构的方块图。请参照图1所示，一太阳能发电系统1包含一太阳能电池组10及一直流/直流转换器11。该太阳能发电系统1连接一直流/交流转换器2，如此该太阳能发电系统1输出的一直流功率可经由该直流/交流转换器2转换成一交流功率，并输送至一配电系统3。该直流/交流转换器2控制的该直流/直流转换器11的输出直流电压亦可依该配电系统3的交流电压变动而产生变动。

图2揭示本发明第一较佳实施例太阳能发电系统最大功率跟踪方法及装置所采用直流/直流转换器的架构示意图。请参照图2所示，该直流/直流转换器11包含一输入电容器110、一电感器111、一电力电子开关112、一二极管113、一输出电容器114及一控制器115。

请再参照图1及图2所示，该输入电容器110用以稳定该太阳能电池组10的电压，该电力电子开关112由该控制器115产生的控制信号控制其导通或截止。当该电力电子开关112导通时，该电感器111由该太阳能电池组10进行充电储能。当该电力电子开关112截止时，该电感器111的储能经该二极管113释放至该输出电容器114。因此，将该太阳能电池组10的电能进行升压，以便转换至较高电压准位的直流电能。

图3揭示本发明第一较佳实施例太阳能发电系统最大功率跟踪方法及装置所采用直流/直流转换器的控制器的控制方块图。请参照图3所示，该控制器115包含一电流检出器40、一乘法器41、一放大器42及一脉宽调制电路43。另外，该控制器115的乘法器41连接至一最大功率跟踪电路5。

请再参照图2及3所示，该直流/直流转换器11的电感器111的电流经该电流检出器40检出。将该电流检出器40的输出与最大功率跟踪电路5输出的有源电阻控制信号送至该乘法器41进行相乘。接着，将该乘法器41的输出结果送至该放大器42进行放大，再将该放大器42的输出送至该脉宽调制电路43作为一调变信号，该脉宽调制电路43输出一驱动信号，该控制器115的该驱动信号用以控制该电力电子开关112的导通及截止。

请再参照图2所示，当该电力电子开关112导通时，该电力电子开关112两端的电压差是零电压准位。当该电力电子开关112截止时，该二极管113形成导通，该电力电子开关112两端的电压差是该直流/直流转换器11输出电压。因此在交替控制该电力电子开关112导通及截止时，该电力电子开关112两端的电压差产生一方波信号，该电力电子开关112两端电压在该直流/直流转换器11输出电压与零电压准位两值之间交替变动，在电感电流连续导通时，其平均值电压正比于该电力电子开关112截止的时间。

请再参照图3所示，该脉宽调制电路43的调变信号正比于该电感器111的电流信号。将该调变信号送入该脉宽调制电路43，并与一三角波进行比较。当该调变信号高于该三角波时，该控制器115控制该电力电子开关112形成截止。反之，当该调变信号低于该三角波时，则该控制器115控制该电力电子开关112形成导通。该电力电子开关112的截止时间长度正比于该调变信号，因此在该电力电子开关112两端的电压平均值正比于该电感器111的电流，即该直流/直流转换器11产生一正比于输入电流的电压，如此，该直流/直流转换器11操作成具有有源电阻特性的电能转换器，因此该直流/直流转换器11可视为一有源电阻，在电感电流连续导通时，该有源电阻值正比于该最大功率跟踪电路5输出的有源电阻控制信号。

图4揭示本发明第一较佳实施例太阳能发电系统最大功率跟踪方法及装置中最大功率跟踪电路采用的最大功率跟踪流程图。请参照图2至4所示，首先设定一变化量ΔR(n)及一有源电阻控制信号初始值R(0)，并将该有源电阻控制信号的初始值R(0)送出至该直流/直流转换器11的控制器115，以做为一有源电阻控制信号。接着，延迟一段时间间隔并计算该电感器111的平均电流IL。将该电感器111的平均电流IL平方乘以该有源电阻控制信号的初始值R(0)，以计算该太阳能电池组10的输出功率的初始值P(0)。延迟时间间隔的目的是给有源电阻控制信号后，必须一段时间该直流/直流转换器11的电压及电流才会稳定，以测得正确的电路参数。

将该有源电阻控制信号的初始值R(0)作为该有源电阻控制信号的旧值R(n-1)，将该输出功率初始值P(0)作为输出功率的旧值P(n-1)。另外，该有源电阻控制信号的新值R(n)是该有源电阻控制信号的旧值R(n-1)加上一个变化量的新值ΔR(n)，并将该有源电阻控制信号的新值输出至该直流/直流转换器11的控制器115，以做为一有源电阻控制信号，将该变化量的新值ΔR(n)取代成该变化量的旧值ΔR(n-1)。接着，延迟一段时间间隔并计算该电感器111的平均电流IL，并以该电感器111的平均电流IL平方乘以该有源电阻控制信号的新值R(n)，以计算出该太阳能电池组10的输出功率的新值P(n)。

将该太阳能电池组10的输出功率的新值P(n)与旧值P(n-1)进行比较，若该新值P(n)大于该旧值P(n-1)时，则该变化量的新值ΔR(n)不改变，该变化量的新值ΔR(n)是采用相同于该变化量的旧值ΔR(n-1)的正值，(即ΔR(n)＝+ΔR(n-1))。反之，若该新值P(n)小于该旧值P(n-1)，则该变化量的新值ΔR(n)取反向，该变化量的新值ΔR(n)采用该变化量的旧值ΔR(n-1)的负值，(即ΔR(n)＝-ΔR(n-1))。最后，将该输出功率的新值P(n)取代该输出功率的旧值P(n-1)，同时该有源电阻控制信号新值R(n)取代该有源电阻控制信号旧值R(n-1)。

接着，利用前述方式再重复新的循环，直至跟踪到该太阳能电池组10的输出功率的最大点。最后，一旦发现该输出功率的最大点时，该最大功率跟踪电路5在该太阳能电池组的输出功率的最大点附近持续来回扰动。该有源电阻控制信号的变化量ΔR的大小可采用一定值或一可变值，当该有源电阻控制信号的变化量ΔR的大小采用一可变值，该有源电阻控制信号每一次变化量ΔR的大小正比于该太阳能电池组10的输出功率的新值P(n)与旧值P(n-1)的差值，当该太阳能电池组10的输出功率的新值P(n)与旧值P(n-1)的差值大时代表离最大功率点较远，该有源电阻控制信号的变化量ΔR大小相对较大，以便加速跟踪该太阳能电池组10的输出功率的最大点。反之，当该太阳能电池组10的输出功率的新值P(n)与旧值P(n-1)的差值变小时，该有源电阻控制信号的变化量ΔR大小相对较小，以便减缓在该太阳能电池组10的输出功率的最大点附近来回扰动的幅度。

请再参照图3及4所示，该太阳能发电系统最大功率跟踪方法与装置只需检出该直流/直流转换器11的电感器111的电流即能完成最大功率的跟踪，并控制该直流/直流转换器11，而常用最大功率跟踪方法至少必需检出两个或两个以上电压或电流信号，因此本发明的太阳能发电系统最大功率跟踪方法与装置具有简化构造及降低制造成本的功效。

图5揭示本发明第二较佳实施例的太阳能发电系统架构的方块图。请参阅第5图所示，该太阳能发电系统1包含一太阳能电池组10及一直流/直流转换器11。该直流/直流转换器11包含一最大功率跟踪装置。该太阳能发电系统1输出一直流功率，其可选择供应给一蓄电池6及一直流负载7。本发明第二较佳实施例的太阳能发电系统的控制原理与本发明第一较佳实施例的太阳能发电系统一样，不再赘述。

虽然本发明已利用前述较佳实施例详细揭示，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当以权利要求书所要求的内容为准。

Claims (15)

1.一种太阳能发电系统的最大功率跟踪方法：

将一个直流/直流转换器连接至一个太阳能电池组，一个控制器检出该直流/直流转换器的一个电感器电流，并产生一信号作为一个脉宽调制信号，以将该直流/直流转换器操作成具有有源电阻特性的电能转换器，其中，该脉宽调制信号比例于一个最大功率跟踪电路输出的有源电阻控制信号与该电感器电流的乘积；

利用该最大功率跟踪电路输出的该有源电阻控制信号，以调整该直流/直流转换器的有源电阻的大小；

观察该太阳能电池组的输出功率产生一个变化量，若该太阳能电池组的输出功率的变化量为正，则继续调整该直流/直流转换器，使其有源电阻特性往相同方向变化；反之，若该太阳能电池组的输出功率的变化量为负，则继续调整该直流/直流转换器，使其有源电阻特性往相反方向变化；

重复利用该最大功率跟踪电路调整该直流/直流转换器，以改变该有源电阻的大小，以便跟踪该太阳能电池组的一个最大输出功率点，并在该最大输出功率点附近来回扰动。

2.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其中该最大功率跟踪电路包含步骤：

A、提供该直流/直流转换器操作的有源电阻控制信号的一个初始值及一个变化量的新值，并运作一段时间间隔，使该直流/直流转换器的电压及电流稳定；

B、测量并计算该太阳能电池组对应该有源电阻控制信号初始值所产生的该太阳能电池组的输出功率的初始值；

C、利用该有源电阻控制信号的初始值为该有源电阻控制信号的旧值，利用该太阳能电池组的输出功率的初始值为该太阳能电池组的输出功率的旧值；

D、该有源电阻控制信号的旧值加该变化量的新值作为该有源电阻控制信号的新值，将该变化量的新值取代成为该变化量的旧值并运作一段时间间隔，以稳定该直流/直流转换器的电压及电流；

E、测量并计算该太阳能电池组对应该有源电阻控制信号的新值所产生的该太阳能电池组的输出功率，并作为该太阳能电池组的输出功率的新值；

F、比较该太阳能电池组的输出功率的新值与旧值的变化量；

G、若该太阳能电池组的输出功率的新值与旧值的变化量为正，则该有源电阻控制信号的变化量新值与该变化量旧值相同；反之，若该太阳能电池组的输出功率的新值与旧值的变化量为负，则该有源电阻控制信号的变化量新值为该变化量旧值取负号；

H、利用该有源电阻控制信号的新值作为该有源电阻的旧值，利用该太阳能电池组的输出功率的新值作为该太阳能电池组的输出功率的旧值；

I、重复步骤D至H。

3.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其中该控制器包含一个电流检出器、一个乘法器、一个放大器及一个脉宽调制电路；该控制器的该乘法器连接至该最大功率跟踪电路。

4.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其中该控制器输出的该脉宽调制信号作为一个驱动信号，该驱动信号控制该直流/直流转换器内的电力电子开关的导通及截止。

5.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其中利用该电感器电流的平均值计算其平方值，该平方值再乘以该有源电阻控制信号，以计算该太阳能电池组的输出功率。

6.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其中该直流/直流转换器的输出能量供应至一个直流/交流转换器。

7.如权利要求1所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪方法，其中该直流/直流转换器的输出能量供应至一个直流负载及蓄电池。

8.一种太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其包含：

一个太阳能电池组，其用以提供一个输出能量；

一个直流/直流转换器，其连接至该太阳能电池组，如此该太阳能电池组经由该直流/直流转换器提供输出功率，该直流/直流转换器具有一个控制器、一个电感器及一个电力电子开关，该控制器检出该电感器的电流以产生一个驱动信号，再以该驱动信号控制该电力电子开关的导通及截止，将该直流/直流转换器操作成具有有源电阻特性的电能转换器，其中，该驱动信号比例于一个最大功率跟踪电路输出的有源电阻控制信号与该电感器电流的乘积；

该最大功率跟踪电路，其连接至该直流/直流转换器的控制器，该最大功率跟踪电路输出该有源电阻控制信号；

其中该最大功率跟踪电路观察该太阳能电池组的输出功率产生一个变化量，若该太阳能电池组的输出功率的变化量为正，则继续调整该直流/直流转换器，使其有源电阻特性往相同方向变化；反之，若该太阳能电池组的输出功率的变化量为负，则继续调整该直流/直流转换器，使其有源电阻特性往相反方向变化；

借助该最大功率跟踪电路调整该有源电阻控制信号的变化量，以便跟踪该太阳能电池组的一个最大输出功率点，并在该最大输出功率点附近来回扰动。

9.如权利要求8所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其中该太阳能发电系统连接至一个直流/交流转换器，如此该太阳能发电系统输出的一个直流功率经由该直流/交流转换器转换成一个交流功率，输送至一个配电系统，该直流/交流转换器并作为该太阳能发电系统输出电压的稳压控制。

10.如权利要求8所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其中该太阳能发电系统连接至一个直流负载及蓄电池。

11.如权利要求8所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其中该直流/直流转换器另包含一个输入电容器、一个二极管及一个输出电容器。

12.如权利要求8所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其中该控制器包含一个电流检测器、一个乘法器、一个放大器及一个脉宽调制电路。

13.如权利要求12所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其中该电流检测器检出该直流/直流转换器的该电感器电流。

14.如权利要求8所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其中将检测出的该直流/直流转换器的该电感器电流与该最大功率跟踪电路的有源电阻控制信号相乘，以便该控制器产生一个驱动信号，将该驱动信号控制该直流/直流转换器的该电力电子开关的导通及截止，因此该控制器将该直流/直流转换器操作成具有有源电阻特性的一个电能转换器。

15.如权利要求8所述的太阳能发电系统的最大功率跟踪装置，其中该最大功率跟踪电路利用检测的该电感器电流的平均值计算其平方值，该平方值再乘以该有源电阻控制信号，以计算该太阳能电池组的输出功率。

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