[发明专利]最大功率点跟踪方法、光致电压系统控制器、光致电压系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种跟踪光致电压(photovoltaic)系统的最大功率点的方法，光致电压系统包括具有控制器的电路，控制器对发往直流(DC)电压转换器的DC电压加以控制，DC电压转换器用于对光致电压系统的输出电流进行转换。

本发明还涉及一种实现这种方法的光致电压系统控制器。

本发明还涉及一种包括这种光致电压系统控制器的光致电压系统。

背景技术

出于多种原因，可再生能量产生受到越来越多的关注。首先，可再生能量被认为是基于化石燃料的能量产生的优选备选方案，以便抗击温室气体排放(例如，CO₂)，温室气体排放是造成全球气候变化的原因。其次，关于化石燃料(具体地，石油)的供应，预计在可预见的将来就会用尽，必须找到备选能量供应以供将来生产。

收获太阳能是产生可再生能量的最有前途方式之一，这是由于这种在全球自由可用的能源是非常丰富的。在过去的20年，太阳能转换越来越多地对全世界能量供应的产生做出贡献。典型地，将太阳能转换成热或电，后者典型地由光致电压电池(photovoltaic cell)阵列来实现。这种光致电压系统所产生的能量典型的存储在一个或多个电池中，以根据需要产生可用的电。

公知的是，如果将负载直接连接至光致电压系统的输出，则该布置以并非最优的效率工作。例如在图1中说明了这一点，在图1中，给定辐照强度下光致电压系统的I-V曲线(实线)与这样的负载(虚线)一起示出。系统的工作点由I-V曲线与负载曲线的交叉点来确定。在图1中，工作点在较低功率点处，而不是在最大功率点(MPP)处，最大功率点是I-V曲线上的点，在该点处工作电压与电流乘积(即，输出功率)最大。

出于该原因，光致电压系统典型地包括光致电压系统控制器，光致电压系统控制器通过控制DC电压-DC电压转换器的占空比，对与光致电压电池相连的电路的负载或阻抗进行匹配，以确保光致电压系统在最大功率点处工作，其中DC电压-DC电压转换器将光致电压电池所产生的直流电压转换成另一电压。然而，这不是微不足道的应用，因为最大功率点不是先验已知的，并且例如由于辐照强度(irradiation intensity)和/或温度和/或部分遮蔽(partial shadowing)的变化，最大功率点会发生变化。为此，这样的控制器典型地实现一些主动跟踪光致电压系统的最大功率点的算法。

可以在D.P Hohm和M.E.Ropp的“Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms”in Progress in Photovoltaics：Research and Applications，Vol.11(2003)，pages 47-62中找到通常使用的算法的概述。最通常使用的算法包括干扰和观察(Perturb and Observe)(P&O)，其中对光致电压阵列的功率输出进行监控，并且根据所监控的功率输出，来调整光致电压系统控制器的DC电压-DC电压转换器的占空比(例如，脉宽)，以便将光致电压阵列的工作电压移至尽可能接近其最大功率点。

P&Q算法的缺陷在于，P&Q算法到最大功率点的收敛会较慢，并且执行算法期间最大功率点的偏移可以引起光致电压系统的功率点围绕最大功率点振荡，或者甚至于偏离最大功率点。

另一种通常使用的算法是递增收敛(INC)算法，该算法监视光致电压系统的电导变化，以调整DC转换器的占空比，这基于以下认识：在最大功率点处，dP/dV(即，系统功率P相对于其工作电压V的差分)为零。尽管在快速改变辐照度的情况下INC算法与P&Q算法相比具有改进的性能，但是INC算法对噪声和量化误差敏感，这会导致系统工作点围绕最大功率点振荡。

另一种用于MPP跟踪的通常使用的算法是恒定电压算法，该算法基于以下认识：对于光致电压系统的不同I-V曲线，光致电压电池阵列的最大电源电压与开路电压之间的比值或多或少是恒定的。该算法的缺陷在于：由于MPP电压取决于制造工艺、材料质量和其他因素，所以MPP电压不始终为开路电压的固定百分比，而由于MPP通常因例如辐照度、温度和部分遮蔽的变化而频繁改变，所以需要对开路电压进行频繁测量以便精确跟踪MPP。在开路电压测量期间，不能对光致电压系统的电池进行充电，即，丢失了光致电压电池阵列的功率输出，从而降低了光致电压系统的效率。