專利名稱：用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能源技術，特別涉及一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法和裝置。
背景技術：
太陽能作為一種自然界廣泛存在的清潔、安全和高效的可再生能源，日益得到人們的重視。據預測，到2040年，全球的光伏發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的沈％，2050年后將成為世界能源的支柱。眾所周知，在確定的外部條件下，隨著負載的變化，太陽能電池的輸出功率將隨之變化，但是存在一個最大功率點或峰值功率，也就是說，在某個工作電壓或工作電流下，太陽能電池的輸出功率最大。當工作環(huán)境變化時，特別是日光照度和環(huán)境溫度變化時，最大功率點的位置將發(fā)生變化。圖1示出了太陽能電池的輸出功率P與工作電壓U和工作電流I 的關系。參見圖1，粗線為輸出功率P與工作電壓U的關系曲線，而虛線為工作電壓U與工作電流I的關系曲線。為了將太陽能電池的輸出功率維持在最大功率點，需要對最大功率點不斷進行跟蹤。峰值功率跟蹤的實質是一個尋優(yōu)過程，即通過控制太陽能電池的工作電壓，使其在各種不同的日照和溫度環(huán)境下智能地輸出最大功率。常規(guī)的峰值功率跟蹤方法包括增量電導法、曲線擬合法、神經網絡法和干擾觀測法等。增量電導法通過比較太陽能電池的增量電導率和瞬時電導率來跟蹤最大功率點。 由于對太陽能電池的電壓和電流的諧波組成部分需要實時測量并用于調整陣列的參考電壓，因此這種方法需要更多的轉化時間并且還會導致大量功率流失。曲線擬合法使用數字分析尋找最大功率點的電流與相電流之間的近似關系，其中相電流與日照水平成正比。但是這種方法只適用于溫度變化相對較小的地區(qū)，對于太陽輻射突變等較復雜的情況難以準確跟蹤。神經網絡法需要對給定數據進行訓練，從而辨識出最優(yōu)的操作點，并估計出太陽能電池的最大功率。這種方法的缺點是需要耗費大量的時間進行訓練，而且當太陽能電池系統(tǒng)變化時需要重新訓練數據。圖2示出了干擾觀測法的原理示意圖。在圖2中，橫軸代表太陽能電池的工作電壓U，縱軸代表太陽能電池的輸出功率P。如圖2所示，通過持續(xù)地向太陽能電池的工作電壓施加擾動(圖2中以向上和向下的箭頭標示)并比較當前太陽能電池輸出功率與前一周期的輸出功率的大小(在圖2中也即A-E點中成對的相鄰點(A，B)、(B, C)、(C，D)和(D， E))，對太陽能電池的工作點進行實時控制調整，由此可實現對最大功率點的跟蹤(在圖2 所示的情形下，最大功率點為C，其對應的功率和電壓分別為Rii和Um)。該方法的優(yōu)點是控制結構簡單，測量的參數少，缺點是初始值以及跟蹤步長的選取對跟蹤精度和速度有較大的影響，且不能迅速跟蹤最大功率點。由上可見，的確需要一種能夠準確、及時地跟蹤峰值功率的方法和裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法，其可以準確、及時地跟蹤太陽能電池的峰值功率，從而提高太陽能的利用效率。上述目的可以由下述技術方案實現。一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法，執(zhí)行下列步驟確定所述太陽能電池的當前的輸出功率；以及如果當前的輸出功率與所述太陽能電池的前次調整前的輸出功率之差超出一個預設的范圍，則調整所述太陽能電池的工作電壓，其中，根據下列方式調整所述太陽能電池的工作電壓如果所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率，則增加所述工作電壓并且調整量大于前次調整的調整量，如果所述當前的輸出功率小于所述前次調整的輸出功率，則減小所述工作電壓并且調整量小于前次調整的調整量。優(yōu)選地，在上述峰值功率跟蹤方法中，當所述當前的輸出功率大于或小于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量
ρ冬=Iix(^zl)2其中，i為工作電壓調整順序的編號，λ i和λ η為第i和(i-Ι)次調整時的調整量，Ph和別為第(i-Ι)次調整前后的輸出功率。優(yōu)選地，在上述峰值功率跟蹤方法中，當所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量A1 = Ai^ X (1 + or χ β~βι fA =( 2
^i-I其中，i為工作電壓調整順序的編號，λ i和λ η為第i和(i-Ι)次調整時的調整量，Ph和別為第(i_l)次調整前后的輸出功率，α為大于零的常數，并且當所述當前的輸出功率小于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量Λ =A-Ix(^l)2
尸卜2其中，i為工作電壓調整順序的編號，λ i和λ η為第i和(i-Ι)次調整時的調整量，Ph和別為第(i-Ι)次調整前后的輸出功率。優(yōu)選地，在上述峰值功率跟蹤方法中，以不定期的方式執(zhí)行所述步驟，并且峰值功率跟蹤過程的執(zhí)行的間隔隨著時間的推移而增大。本發(fā)明的上述還可以通過下列技術方案實現。一種在太陽能電池的外部工作條件發(fā)生較大變化時的峰值功率跟蹤方法，包括下列步驟測量所述太陽能電池的多個工作電壓下的多個輸出功率；將與所述多個輸出功率中的最大值對應的所述工作電壓確定為初始值；以及
從所述初始值出發(fā)，調整所述太陽能電池的工作電壓直到所述太陽能電池的當前的輸出功率與前次調整前的輸出功率之差在一個預設的范圍內，其中，根據下列方式調整所述太陽能電池的工作電壓如果所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率，則增加所述工作電壓并且調整量大于前次調整的調整量，如果所述當前的輸出功率小于所述前次調整前的輸出功率，則減小所述工作電壓并且所述調整量小于前次調整的調整量。優(yōu)選地，在上述峰值功率跟蹤方法中，如果環(huán)境光強或環(huán)境溫度在單位時間內的變化幅度大于一個預設值，則確定外部工作條件發(fā)生較大變化。本發(fā)明的還有一個目的是提供一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤裝置，其可以準確、及時地跟蹤太陽能電池的峰值功率，從而提高太陽能的利用效率。上述目的可以由下述技術方案實現。一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤裝置，包括直流-直流轉換電路，其適于連接在所述太陽能電池與外部負載之間，并且適于使所述太陽能電池以設定的工作電壓輸出功率；以及與所述直流-直流轉換電路相連的控制單元，其特征在于，所述控制單元根據下列方式確定所述設定的工作電壓如果太陽能電池的當前的輸出功率大于前次調整前的輸出功率，則將工作電壓與調整量相加以得到新的工作電壓，并且所述調整量大于前次調整的調整量，如果所述當前的輸出功率小于所述前次調整前的輸出功率，則將工作電壓與調整量相減以得到新的工作電壓，并且調整量小于前次調整的調整量。優(yōu)選地，在上述峰值功率跟蹤裝置中，所述直流-直流轉換電路采用Buck直流-直流轉換器的形式，所述控制單元包括信號采集電路，用于測量所述太陽能電池的工作電流；與所述信號采集電路相連的微控制器，用于確定所述設定的工作電壓并生成具有與所述新的工作電壓對應的占空比的PWM驅動信號；與所述微控制器相連的PWM驅動電路，用于根據所述PWM驅動信號來調整所述直流-直流轉換電路的降壓比，從而使所述太陽能電池以新的工作電壓輸出功率。按照本發(fā)明的實施例，在非均勻或迅速變化的日照條件下均能跟蹤實際最大功率點，并且能夠快速響應，跟蹤精度也很高。此外，在一個實施例中，無需測量環(huán)境溫度和光照強度，也不需要了解太陽能電池的具體參數。從結合附圖的以下詳細說明中，將會使本發(fā)明的上述和其它目的及優(yōu)點更加完全清楚。


圖1示出了太陽能電池的輸出功率P與工作電壓U和工作電流I的關系。圖2示出了干擾觀測法的原理示意圖。圖3為按照本發(fā)明一個實施例的用于太陽能電池的峰值功率跟蹤裝置的示意圖。圖4為圖3所示峰值功率跟蹤裝置中的控制單元的示意圖。圖如和恥為按照本發(fā)明另一個實施例的用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法的示意圖。圖6a_6c為按照本發(fā)明還有一個實施例的用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法的示意圖。
具體實施例方式下面將根據表示本發(fā)明實施方式的附圖具體說明本發(fā)明。在本說明書中，“連接”一詞應當理解為在兩個單元之間直接傳送能量或信號，或者經一個或多個第三單元間接傳送能量或信號，而且這里所稱的信號包括但不限于以電、 光和磁的形式存在的信號。圖3為按照本發(fā)明一個實施例的用于太陽能電池的峰值功率跟蹤裝置的示意圖。參見圖3，按照本發(fā)明的實施例的用于太陽能電池的峰值功率跟蹤裝置30包括直流-直流轉換電路310和控制單元320。直流-直流轉換電路310串聯連接在太陽能電池 10與外部負載20(這里例如為蓄電池)之間，借助其可將太陽能電池10的工作電壓設置在一定的水平。可選地，直流-直流轉換電路310可以采用Buck直流-直流變換器的形式， 在這種實現方式下，通過脈沖寬度調制(PWM)的方式來控制直流-直流轉換電路310的導通-關斷時間之比或其上的電壓降，從而將太陽能電池10的工作電壓調整到所希望的水平上。控制單元320與直流-直流轉換電路310相連，其通過直流-直流轉換電路310將太陽能電池10的工作電壓設置在所希望的水平。有關控制單元320確定工作電壓的方式將在下面結合圖以及6a-6c作詳細的描述。圖4為圖3所示峰值功率跟蹤裝置中的控制單元的示意圖。參見圖5，控制單元320包括信號采集電路321、微控制器322和PWM驅動電路323。 信號采集電路321測量太陽能電池10的工作電流并將測量值輸出至微控制器322。PWM驅動電路323與直流-直流轉換電路310和微控制器322相連，其相當于微控制器322與直流-直流轉換電路之間的接口電路。PWM驅動電路根據微控制器322的指示，向直流-直流轉換電路310輸出具有一定占空比的PWM驅動信號，從而在直流-直流轉換電路310上形成相應的電壓降，使太陽能電池10以設定的工作電壓輸出功率。以下描述微控制器322確定工作電壓或PWM驅動信號的占空比的方式。在每次確定太陽能電池10的工作電壓時，首先判斷太陽能電池的前次調整前后的輸出功率之差是否超出一個預設的范圍。本發(fā)明的發(fā)明人認識到，當該差值在較小的范圍內時，通過調整太陽能電池的工作電壓來提高輸出功率的效果微不足道，因此為了降低峰值跟蹤裝置的功耗，可以設定一個預設的范圍，只有當差值超出該范圍時才調整工作電壓。在本發(fā)明的實施例中，當微控制器322判斷太陽能電池的前次調整前后的輸出功率之差超出一個預設的范圍時，將采用下列策略來設定工作電壓如果前次調整之后的輸出功率大于前次調整之前的太陽能電池的輸出功率，則提高工作電壓，并且調整量大于前次調整的調整量；如果前次調整之后的輸出功率小于前次調整之前的輸出功率，則降低工作電壓，并且調整量小于前次調整的調整量。本發(fā)明的發(fā)明人經過深入研究后發(fā)現，當按照下列公式確定調整量時，可以達到較佳的峰值跟蹤性能，特別就精度、速度和計算資源而言。
權利要求
1.一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法，執(zhí)行下列步驟確定所述太陽能電池的當前的輸出功率；以及如果當前的輸出功率與所述太陽能電池的前次調整前的輸出功率之差超出一個預設的范圍，則調整所述太陽能電池的工作電壓，其特征在于，根據下列方式調整所述太陽能電池的工作電壓如果所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率，則增加所述工作電壓并且調整量大于前次調整的調整量，如果所述當前的輸出功率小于所述前次調整的輸出功率，則減小所述工作電壓并且調整量小于前次調整的調整量。
2.如權利要求1所述的峰值功率跟蹤方法，其中，當所述當前的輸出功率大于或小于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量
3.如權利要求1所述的峰值功率跟蹤方法，其中，當所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量
4.如權利要求1所述的峰值功率跟蹤方法，其中，以不定期的方式執(zhí)行所述步驟，并且峰值功率跟蹤過程的執(zhí)行的間隔隨著時間的推移而增大。
5.一種在太陽能電池的外部工作條件發(fā)生較大變化時的峰值功率跟蹤方法，其特征在于，包括下列步驟測量所述太陽能電池的多個工作電壓下的多個輸出功率；將與所述多個輸出功率中的最大值對應的所述工作電壓確定為初始值；以及從所述初始值出發(fā)，調整所述太陽能電池的工作電壓直到所述太陽能電池的當前的輸出功率與前次調整前的輸出功率之差在一個預設的范圍內，其中，根據下列方式調整所述太陽能電池的工作電壓如果所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率，則增加所述工作電壓并且調整量大于前次調整的調整量，如果所述當前的輸出功率小于所述前次調整前的輸出功率，則減小所述工作電壓并且所述調整量小于前次調整的調整量。
6.如權利要求5所述的峰值功率跟蹤方法，其中，當所述當前的輸出功率大于或小于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量
7.如權利要求5所述的峰值功率跟蹤方法，其中，當所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量
8.如權利要求5所述的峰值功率跟蹤方法，其中，如果環(huán)境光強或環(huán)境溫度在單位時間內的變化幅度大于一個預設值，則確定外部工作條件發(fā)生較大變化。
9.一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤裝置，包括直流-直流轉換電路，其適于連接在所述太陽能電池與外部負載之間，并且適于使所述太陽能電池以設定的工作電壓輸出功率；以及與所述直流-直流轉換電路相連的控制單元，其特征在于，所述控制單元根據下列方式確定所述設定的工作電壓如果太陽能電池的當前的輸出功率大于前次調整前的輸出功率，則將工作電壓與調整量相加以得到新的工作電壓，并且所述調整量大于前次調整的調整量，如果所述當前的輸出功率小于所述前次調整前的輸出功率，則將工作電壓與調整量相減以得到新的工作電壓，并且調整量小于前次調整的調整量。
10.如權利要求9所述的峰值功率跟蹤裝置，其中，所述直流-直流轉換電路采用Buck 直流-直流轉換器的形式，所述控制單元包括信號采集電路，用于測量所述太陽能電池的工作電流；與所述信號采集電路相連的微控制器，用于確定所述設定的工作電壓并生成具有與所述新的工作電壓對應的占空比的PWM驅動信號；與所述微控制器相連的PWM驅動電路，用于根據所述PWM驅動信號來調整所述直流-直流轉換電路的降壓比，從而使所述太陽能電池以新的工作電壓輸出功率。
11.如權利要求9所述的峰值功率跟蹤裝置，其中，當所述當前的輸出功率大于或小于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量
12.如權利要求9所述的峰值功率跟蹤裝置，其中，當所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率時，按照下式確定所述調整量
全文摘要
本發(fā)明涉及能源技術，特別涉及一種用于太陽能電池的峰值功率跟蹤方法和裝置。按照本發(fā)明，峰值功率跟蹤方法執(zhí)行下列步驟確定所述太陽能電池的當前的輸出功率；以及如果當前的輸出功率與所述太陽能電池的前次調整前的輸出功率之差超出一個預設的范圍，則調整所述太陽能電池的工作電壓，其中，根據下列方式調整所述太陽能電池的工作電壓如果所述當前的輸出功率大于所述前次調整前的輸出功率，則增加所述工作電壓并且調整量大于前次調整的調整量，如果所述當前的輸出功率小于所述前次調整的輸出功率，則減小所述工作電壓并且調整量小于前次調整的調整量。按照本發(fā)明的實施例，在非均勻或迅速變化的日照條件下均能跟蹤實際最大功率點，并且能夠快速響應，跟蹤精度也很高。
文檔編號H02N6/00GK102570907SQ20101062062
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年12月29日
發(fā)明者李軍, 楊凱, 王鼎鼎, 秦孟蘇, 鄧恒, 錢龍 申請人:上海汽車集團股份有限公司