太阳能发电系统的电力控制装置

摘要

在太阳能发电系统的电力控制装置中,读出太阳能电池板的输出电压和输出电流。在正常状态下,进行MPPT控制,从而太阳能电池将在最大输出点工作,其中太阳能发电系统用于转换太阳能电池板所发电力,并向负载提供转换电力。如果太阳能电池板的输出功率超过了预定功率,则对功率转换装置进行控制,以便增加太阳能电池板的输出电压,从而限制了太阳能电池板的输出功率。因此,电力控制装置防止了输出过载功率。

说明书

本发明涉及太阳能发电系统的电力控制装置。

众所周知，太阳能发电系统包括太阳能电池阵列和电力控制装置。太阳能电池阵列将日光转换为电能。电力控制装置将太阳能电池阵列所发的电力转换为与负载相匹配的状态，并向负载供电。

由于太阳能电池阵列所发电力变化显著(取决于太阳辐射量和温度以及太阳能电池的工作电压和电流)，所以为了在所有时刻都能从太阳能电池阵列中提取最大电力，电力控制装置进行最大电力点跟踪控制(以下称为“MPPT”控制)，以便调整太阳能电池阵列的负载。

鉴于太阳能电池最大电力点的电力Pmax近似与太阳辐射量成正比，当太阳辐射较强时，存在电力控制装置输出过载功率的危险。众所周知，有两种方法用于防止过载功率。方法一：提供电力控制装置输出值上限，并将电力控制装置的输出电流限制在预定值内，从而保护电力控制装置构件避免过载电流。方法二：读出电力控制装置的输出功率，并以不超过预定值的方式控制输出功率。

但是，以上方法具有明显的缺陷。具体而言，对于将输出电流限制在固定值的电力控制装置，在输出电压并不完全取决于电力控制装置的情况下(例如，以负载方式连入了商业AC电力系统)，有时电力控制装置的输出电压会变化，并且超过额定电压。因此，即使限制输出电流，有时电力控制装置的输出电压也会超过额定功率。

当电力控制装置的输出功率很大时，在装置内会产生较多热量，必须对电力控制装置的构件进行热保护。

因此，本发明的目的在于防止太阳能发电系统中的电力控制装置输出过高功率。

本发明的另一目的在于通过防止输出过高功率，对电力控制装置构件进行热保护。

根据本发明，通过提供电力控制装置(该装置用于将太阳能电池的输出电力供应给负载)实现上述目的。该电力控制装置包括：转换装置(将太阳能电池的输出功率转换为与负载匹配的功率)、读出装置(读出太阳能电池的输出电压和输出电流)、设置装置(根据读出的输出电压和输出电流设置太阳能电池的工作电压)和控制装置(以使太阳能电池的输出电压变为固定工作电压的方式，控制转换装置的操作)。其中，在所读取的输出电压和输出电流之积大于预定值时，设置装置就将工作电压增加一预定电压值。

根据本发明，通过提供电力控制装置(该装置用于将太阳能电池的输出电力供应给负载)实现上述目的。该电力控制装置包括：转换装置(将太阳能电池的输出功率转换为与负载匹配的功率)、读出装置(读出太阳能电池的输出电压和输出电流)、指示装置(根据所读取的输出电压和输出电流指示太阳能电池的状态)、和控制装置(根据指示装置的指示，控制转换装置的操作)。其中，在所读取的输出电压和输出电流之积小于等于预定值时，指示装置指示太阳能电池的工作电压，并且控制装置以使太阳能电池的输出电压达到指示工作电压的方式，控制转换装置的操作。在所读取的输出电压和输出电流之积超过预定值时，指示装置指示增加太阳能电池的工作电压，并且命令控制装置抑制(输出)功率，同时控制装置以下述方式控制转换装置的操作，即通过将所指示的工作电压增加一预定值，使太阳能电池的输出电压达到控制电压。

根据本发明，通过提供电力控制装置(该装置用于将太阳能电池的输出电力供应给负载)实现上述目的。该电力控制装置包括：转换装置(将太阳能电池的输出功率转换为与负载匹配的功率)、第一读出装置(读出转换装置的输出功率)、第二读出装置(读出太阳能电池的输出电压和输出电流)、设置装置(根据读出的太阳能电池的输出电压和输出电流设置太阳能电池的工作电压)和控制装置(根据固定工作电压和所读出的转换装置的输出功率，通过控制转换装置的操作，控制太阳能电池的输出电压)。

根据以下说明和附图，本发明的其他功能和优点将是显而易见的，其中所有附图中的相同参考字符表示相同或相似部分。

所有附图(它们被插入到说明书中构成部分说明书)、本发明的示例实施方式连同以下说明用于解释本发明的原理。

图1是一个框图，说明太阳能发电系统的结构，该系统采用了根据本发明第一实施方式的电力控制装置；

图2是一个流程图，用于描述图1中所示电压设置装置实现电压设置方法的细节；

图3是一个框图，说明太阳能发电系统的结构，该系统采用了根据本发明第二实施方式的电力控制装置；

图4是一个流程图，用于描述图3中所示电压设置装置实现电压设置方法的细节；

图5是一个图形，说明在某种太阳辐射条件下，太阳能电池板的输出特征曲线；

图6是一个框图，说明太阳能发电系统的结构，该系统采用了根据本发明第三实施方式的电力控制装置；

图7是一个流程图，说明图6所示的控制器进行电力控制的过程。

现在将参照附图详细说明根据本发明的电力控制装置的最佳实施方式。

[第一实施方式]

图1说明了太阳能发电系统的结构，该系统采用了根据本发明的电力控制装置。

如图1所示，该系统包括产生电力的太阳能电池板1，功率转换装置2转换太阳能电池板1产生的电力，并以与负载3匹配的状态供电。经过转换产生的电力供给负载3。

通过以并行/串行方式排列组合采用非晶硅、晶体硅或复合半导体的多个太阳能电池，可以得到太阳能电池板1，其中，将电池排列成阵列以便得所需输出电压和电流。

功率转换装置2可以是DC/DC转换器或电压反馈自激DC/AC反相器，反相器采用自断开类型的切换设备，如功率晶体管、功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或栅电路断开可控硅(GTO)。通过改变供给功率转换装置2的切换设备的栅脉冲的开/关比(以下也称为占空比)，可以控制功率转换装置2的输出(包括功率、电压、频率等等)。

例如，负载3可为电子加热器、电动机或商业AC电力系统。在负载3为商业AC电力系统的情况下，即，在栅极引线(grid connection)太阳能发电系统的情况下，接到商业AC电力系统的太阳能发电系统的电力是不受限制的。因此，对于从太阳能电池板1中提取最大电量，以上构造是非常理想的。

电压传感器4和电流传感器5对太阳能电池板1的输出电压和输出电流进行采样。电压传感器4以数字数据方式输出一电压信号，该信号表示太阳能电池板1的输出电压。该信号进入电压设置装置6和控制器7。电流传感器5以数字数据方式输出一电流信号，该信号表示太阳能电池板1的输出电流。该信号进入电压设置装置6。

根据作用到电压设置装置6的电压信号和电流信号，电压设置装置6决定电压设置值。利用微型计算机(由CPU、RAM、ROM、输入/输出装置等组成)进行控制能够实现电压设置装置6。

控制器7以如下方式调整上述占空比，即太阳能电池板1的输出电压为电压设置装置6决定的电压设置值，同时根据该占空比，控制器7产生PWM脉冲。PWM脉冲为栅脉冲，用于驱动功率转换装置2中切换设备的栅。基于比例积分(PI)控制的反馈控制系统可以作为一种占空比调整方法。产生PWM脉冲的方法包括三角波比较法和滞后比较器法。

可通过模拟电路或数字电路组成控制器7。在控制器7为数字电路的情况下，控制器7由CPU或DSP构成，并且可由单一计算机实现以便与电压设置装置6一起进行控制。因此，为了控制太阳能电池板1的输出电压，要控制功率转换装置2的输出。

现在参照图2的流程图，详细说明电压设置装置6进行电压设置的方法。

在步骤S00进行初始设置。具体而言，将初始工作点电压设置为V0，将电压搜索步长设置为dV，将电压搜索方向设置为减小方向，将功率界限值(即从太阳能电池板1进入功率转换装置2的功率界限值)设置为PL。

然后是步骤S01，当启动电力控制装置进行控制时，在该步将初始工作点电压V0赋给操作电压V，以便设置太阳能电池板1的工作点。将设置的工作电压V发送到控制器7作为电压设置值。

下一步，在步骤S02，对太阳能电池板1的工作点电压和电流进行采样，并计算所得电压和电流之积，以便查找太阳能电池板1的输出功率P0。将值P0存储到存储器中。

在步骤S03比较输出功率P0和功率界限值PL。若P0≤PL成立，这表示正常状态，流程继续到步骤S04。

根据初始设置的搜索方向，在步骤S04进行电压搜索处理。如果设置的电压搜索方向为增加方向，则将工作电压设置为电压V+dV(通过将V增加步长dV得到)。如果设置的电压搜索方向为减小方向，则将工作电压设置为电压V-dV(通过将V减小步长dV得到)。根据电压搜索方向设置的工作电压V被发送到控制器7作为电压设置值。流程继续到步骤S07。

在步骤S07，对太阳能电池板1(控制器7根据在步骤S05或步骤S06设置的工作电压V，对太阳能电池板1进行控制)的当前工作点电压和电流进行采样，以上述方式从电压和电流之积得到输出功率P1，将输出功率P1存储到存储器中。

下一步，在步骤S08，比较太阳能电池板1当前工作点输出功率P1和预定工作点功率P0。如果输出功率并未增加(即P1≤P0成立)，则在步骤S09反向电压搜索方向。亦即，如果当前电压搜索方向为减小方向，则使搜索方向变为增加方向；如果当前电压搜索方向为增加方向，则使搜索方向变为减小方向。流程继续到步骤S10。如果在步骤S08发现输出功率增加，则不改变电压搜索方向，流程直接继续到步骤S10。

在流程返回到步骤S03之后，在步骤S10将所存储的功率值P0更改为输出功率值P1。正常情况下步骤S03到步骤S10将重复，从而以如下方式控制太阳能电池板1的工作点，即从太阳能电池板1提取最大功率。换句话说，电压设置装置6以如下方式设置工作电压V，即跟踪太阳能电池板1的最大功率点。

在太阳辐射非常强烈的情况下，当在步骤S03比较输出功率P0和功率界限值PL时，输出功率P0有可能超过功率界限值PL。在该情况下，处理流程为从步骤S03到S11。

在步骤S11将电压搜索方向设置为增加方向而不考虑已设置的电压搜索方向。由于步骤S11将电压搜索方向设置为增加方向，在步骤S04提供的判断为：流程从步骤S04继续到步骤S05，在步骤S05工作电压V增加步长dV。随后以上述方式执行从步骤S07到步骤S10的处理。

当输出电压P0大于功率界限值PL(P0＞PL)时，重复步骤S03，S11，S04，，S10并以步长dV为增量增加工作电压V，直至输出功率P0小于等于功率界限值PL(P0≤PL)，也就是，太阳能电池板1将导出一工作电压，从而获得一个近似等于功率界限值PL的输出功率P0。因此，如在某种太阳辐射条件下，太阳能电池板1的输出特征曲线(由图5表示)所示，电压设置装置6设置工作电压V，以便在功率界限值PL附近跟踪太阳能电池板1的工作点P_T。

如果太阳辐射减弱，则太阳能电池板1产生的功率下降，并且其输出功率P0低于功率界限值PL，电压设置装置6将再次设置工作电压V以便跟踪最大正规功率点。反之，如果太阳辐射增强并且太阳能电池板1的最大功率超过功率界限值PL，则启动电压设置装置6，抑制太阳能电池板1的输出功率，并设置工作电压V以跟踪工作点P_T。

因此，根据第一实施方式，通常以从太阳能电池板1提取最大功率Pmax的方式，控制太阳能电池板1的工作点，从而能向负载3提供更多电力。在太阳能电池板1的输出功率超过功率界限值PL的情况下，提高太阳能电池板1的工作点电压，从而将太阳能电池板1的输出功率保持在功率界限值PL。换句话说，本发明集中在电力控制装置的输入功率和输出功率之间的关系上，并控制太阳能电池板1的输出功率，其中太阳能电池板1的输出功率等于电力控制装置的输入功率，从而以使电力控制装置的输出功率不会过大的方式执行控制。

因此，通过简单排列而并不增加任何用于读出电力控制装置输出功率的硬件，就能够防止电力控制装置的输出功率过大。所以，抑制了该装置内产生的热量，并且能够保护电力控制装置的构件，特别是功率转换装置2，免受过载产生的热量。

在上述实施方式中，利用所谓的爬山法(即逐渐增加或降低工作点电压)作为从太阳能电池板1提取最大功率Pmax的方法。但是，这并不限制本发明采用其他方法，例如，可以采用日本专利申请公开No.6-348352说明书中公开的曲线逼近法而并不背离本发明的要点。

[第二实施方式]

图3说明了太阳能发电系统的结构框图，该系统采用了根据本发明第二实施方式的电力控制装置。本实施方式与图1中所示的实施方式的区别在于：从电压设置装置6向控制器7发送一功率抑制信号。而在其他方面，两种结构是相同的。

在没有功率抑制信号的情况下，控制器7以如下方式调整作用到功率转换装置2切换设备上栅脉冲的占空比，即太阳能电池板1的输出电压为电压设置装置6确定的电压设置值。该操作类似与第一实施方式。当电压设置装置6输出功率抑制信号时，以使太阳能电池板1的输出电压高于电压设置值的方式调整占空比。当功率抑制信号消失时，以使太阳能电池板1的输出电压接近电压设置值的方式调整占空比。

以下参照图4所示的流程图，详细说明第二实施方式中电压设置方法。应注意到：用相同的步骤号表示与第一实施方式中电压设置步骤(如图2所示)相同的步骤，并且不再详述这些步骤。

如上述所述，在步骤S03比较输出功率P0和功率界限值PL。当太阳辐 射较强时，则出现输出功率P0超过功率界限值PL。在此情况下，处理流程由步骤S03继续到步骤S31。

在步骤S31输出表示功率抑制的功率抑制信号。作为应答，控制器7根据太阳能电池板1的预置工作特征曲线将电压设置值校正到一较高值，以降低作用到功率转换装置2切换设备上栅脉冲的占空比。换句话说，电路栅脉冲接通时间减少，电路栅脉冲断开时间增加。因此，降低了进入功率转换装置2的功率。

如上所述，下一步，在步骤S32，对太阳能电池板1的工作点电压和电流进行采样，从该电压和电流之积得到输出功率P0，并将P0存储到存储器中。

在步骤S33比较太阳能电池板1当前工作点的输出功率P0和功率界限值PL。若输出功率P0仍然大于功率界限值PL(P0＞PL)，则流程返回到步骤S31。在输出功率P0大于功率界限值PL(P0＞PL)期间，重复从S31到步骤S33之间的循环，以抑制进入功率转换装置2的功率。

如果在步骤S33发现太阳能电池板1的输出功率P0小于等于功率界限值PL(P0≤PL)，则确定不需要更多电压抑制，处理流程继续到步骤S34。

在步骤S34输出表示取消功率抑制的功率抑制信号。作为应答，控制器7减少电压设置值的校正量，以增加作用到功率转换装置2切换设备上栅脉冲的占空比。换句话说，栅脉冲接通时间增加，栅脉冲断开时间减小。因此，增加了进入功率转换装置2的功率。

如上所述，随后是步骤S35，对太阳能电池板1的工作点电压和电流进行采样，从该电压和电流之积得到输出功率P0，并存储到存储器中。然后，在步骤S36，比较采样工作点电压Vop和工作电压V。如果工作点电压Vop大于工作电压V(V＜Vop)，则确定控制器7的操作仍为功率抑制状态，流程返回到步骤S33。

因此，在输出功率P0小于等于功率界限值PL(P0≤PL)并且采样工作电压Vop大于工作电压V(V＜Vop)时，则重复步骤S33到步骤S36，使控制器7的电压设置值的校正量近似等于零，并使控制器7脱离功率抑制状态。

在通过重复步骤S33到步骤S36使控制器7脱离功率抑制状态的处理中，在在输出功率P0超过功率界限值PL的情况下，流程再次返回到步骤S31，并执行上述操作。

如果在步骤S36发现采样工作点电压Vop低于和工作电压的设置值V(V≥Vop)，则确定不需要功率抑制，并确定控制器7已经脱离了功率抑制状态。然后流程返回到步骤S03。

因此，根据第二实施方式，通常以从太阳能电池板1中提取最大功率Pmax的方式，控制太阳能电池板1的工作点，从而能向负载3提供更多电力。在太阳能电池板1的输出功率超过功率界限值PL的情况下，向控制器7发送表示功率抑制的信号。控制器7一接收到该信号，就校正从电压设置装置6发送的电压设置值V，以提高太阳能电池板1的工作点电压，从而将太阳能电池板1的输出功率保持在功率界限值PL。

因此，通过简单排列而并不增加任何用于读出电力控制装置输出功率的硬件，就能够防止电力控制装置的输出功率过大。所以，抑制了该装置内产生的热量，并且能够保护电力控制装置的构件，特别是功率转换装置2，免受过载产生的热量。

[第三实施方式]

图6是一个说明第三实施方式结构的框图。该实施方式与图1所示实施方式的区别在于：提供功率读出装置8和比较器9。如上所述，根据表示读出电压和读出电流的信号，电压设置装置6输出一设置电压设置值Vs，以便获得来自太阳能电池板1的最大功率点功率Pmax。

功率读出装置8检测功率转换装置2的输出功率Po，并向比较器9输出指示所检测的输出功率Po的信号。比较器9将功率Po(由以上信号表示)和一预定值Pd进行比较，并向控制器7输出一比较信号。

图7是一个流程图，说明根据本发明第三实施方式的控制器7执行功率控制的过程。

在步骤S41，控制器7将电压设置值Vs设置为电压设置值Vs′，Vs′用于调整作用到功率转换装置2切换设备上栅脉冲的占空比。在步骤S42，根据比较信号，确定功率转换装置2的输出功率Po和预定值Pd之间的关系。如果比较信号表示Po≤Pd成立，则流程继续到步骤S44，在步骤S44比较Vs和Vs′。如果在步骤S44发现Vs′≤Vs成立，则在步骤S46建立等式Vs′＝Vs。然后在步骤S47，以如下方式调整作用到功率转换装置2切换设备上栅脉冲的占空比，即在流程返回到步骤S42之后，太阳能电池板1的输出电压保持在电压设置值。换句话说，在此情况下，执行常规MPPT控制操作。

如果比较信号表示Po＞Pd成立，则在步骤S43将电压校正值Va加到电压设置值Vs′中，并在步骤S47以使太阳能电池板1的输出电压大于电压设置值的方式调整占空比。随后流程返回到步骤S42。如果比较信号仍然表示Po＞Pd成立，则再次将Va加到当前Vs′中，并重复用于在步骤S47进行调整占空比的功率抑制控制。

在将Vs′设置为大于Vs之后，若在步骤S42发现比较信号表示Po≤Pd，则在步骤S45从Vs′中减去Va，并在步骤S47调整占空比。然后流程返回到步骤S42。在比较信号仍然表示Po≤Pd成立的情况下，在步骤S45从当前Vs′中再减去Va，并重复在步骤S47进行调整占空比的处理。如果步骤S44提供的判断为Vs′≤Vs成立，则在步骤S46建立Vs′＝Vs。换句话说，恢复常规MPPT控制操作。

因此，在功率控制装置2的AC输出功率Po大于预定值Pd的情况下，控制器7根据电压设置值Vs′(经过校正Vs得到Vs′，而Vs是从电压设置装置6输入的)控制功率转换装置2的切换操作。从而，太阳能电池板1的工作电压升高，功率控制装置的输出功率Po得到抑制。因此能够保护电力控制装置的构件，特别是功率转换装置2构件，免受过载产生的热量。

如上所述，上述每个实施方式均利用了以下特征曲线：当太阳能电池板的输出电压超过最佳工作电压时，降低太阳能电池板的输出功率，其中最佳工作电压对应最大功率Pmax。换句话说，在常规操作时，通过控制栅脉冲(该栅脉冲作用于功率转换装置的切换设备)的占空比，执行MPPT控制，从而获得根据太阳能电池板的特征曲线设置的太阳能电池板的输出电压。如果预测到功率控制装置的输出功率将变得非常大(如，在太阳辐射增强，从而增加太阳能电池板产生的功率的情况下)，则以如下方式控制作用到功率转换装置切换设备上栅脉冲的占空比，即将太阳能电池板的输出电压变为根据太阳能电池板的输出特征曲线设置的输出电压，从而降低太阳能电池板的输出功率。该占空比控制也对功率抑制进行控制。自然，在太阳辐射减弱，太阳能电池板的发电量降低的情况下，终止功率抑制控制并恢复MPPT控制。

根据上述实施方式，得到以下优点：

(1)本发明能够防止功率控制装置的输出功率过大，并能够防止电力控制装置的构件受热。

(2)根据第一实施方式和第二实施方式，通过简单排列而不增加或更改任何硬件，就能实现功率抑制控制。

(3)只需设置不同参数(如上述与太阳能电池板的特征曲线相符的电压设置值，与功率转换装置的规格相符的功率界限值)，就可以将功率抑制控制应用到任何一种太阳能系统。从而能够以较低的成本实现功率抑制控制，同时又具有广泛的通用性。

因此，在与商业AC电力系统相连的太阳能发电系统中，使用本发明的电力控制装置是非常有用和非常有效的。

对于本发明，显然能够作出大不相同的实施方式而不背离其精神和范围，应该清楚，除附属权利要求书中所定义的权利要求外，本发明并不限定其特定实施方式。