[发明专利]太阳能驱动系统和用于跟踪光伏阵列最大功率点的方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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&O MPPT)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&O MPPT，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&O MPPT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&O MPPT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。