專(zhuān)利名稱(chēng)：光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的一種非主動(dòng)擾動(dòng)最大功率跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電領(lǐng)域，尤其是光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的一種非主動(dòng)擾動(dòng)最大功
率跟蹤方法。
背景技術(shù)：
光伏陣列的輸出功率具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性，而且和日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等氣象條件
密切相關(guān)。在某一環(huán)境溫度、不同日照強(qiáng)度下，光伏陣列的電流-電壓(i-v)和功率-電壓
(P-V)特性曲線(xiàn)如圖l(a)和圖l(b)所示。由圖l(b)可以看出，在一定的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列只有運(yùn)行在某一電壓時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值，此時(shí)的光伏陣列工作點(diǎn)就達(dá)到輸出P-V曲線(xiàn)的最高點(diǎn)，稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point,MPP)。 在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，要使系統(tǒng)處于比較理想的工況，而且對(duì)于任何日照，為了使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行中能夠從光伏陣列中獲取最大功率輸出，必須采用最大功率跟蹤技術(shù)。 現(xiàn)有的成熟最大功率跟蹤技術(shù)有以下多種，如通過(guò)周期性地增加或減少陣列電壓來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)的觀察擾動(dòng)法(Perturb and Observe methods)、通過(guò)瞬時(shí)靜態(tài)電導(dǎo)與電導(dǎo)增量比較來(lái)快速定位最大功率點(diǎn)的電導(dǎo)增量法(IncrementalConductance methods)。這些方法的主要原理是基于光伏陣列的電壓和功率的主動(dòng)擾動(dòng)方式，判斷最大功率搜索方向，進(jìn)而判斷光伏陣列是否處于最大功率點(diǎn)的工作。這種主動(dòng)擾動(dòng)方式涉及擾動(dòng)步長(zhǎng)的選擇、擾動(dòng)頻率和速度的選擇等，也有采用變步長(zhǎng)方式加快跟蹤速度，如果相關(guān)參數(shù)選擇不好，會(huì)影響系統(tǒng)的跟蹤效率，對(duì)并網(wǎng)電流和功率產(chǎn)生擾動(dòng)，影響并網(wǎng)電流的質(zhì)量。此外，這種主動(dòng)擾動(dòng)方式需要在系統(tǒng)的運(yùn)行中始終擾動(dòng)，即使工作電壓已經(jīng)到達(dá)最大功率點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的一種非主動(dòng)擾動(dòng)最大功率跟蹤方法，
以避免現(xiàn)有技術(shù)中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中現(xiàn)有最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)所存在的不足之處，提出
一種不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)影響，最大功率跟蹤速度較快，無(wú)需任何參數(shù)的選擇和設(shè)定，可以適
用于單相或三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制方法。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為 1、光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的一種非主動(dòng)擾動(dòng)最大功率跟蹤方法，其特征在于采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP控制最大功率點(diǎn)跟蹤太陽(yáng)能控制器MPPT，根據(jù)光伏陣列輸出功率的自然波動(dòng)，對(duì)光伏陣列的工作電壓及工作電流進(jìn)行采樣，判斷搜索光伏陣列的最大功率并進(jìn)行跟蹤，包括以下步驟 (1)將所述光伏陣列的電壓正極輸出端接入DC/AC逆變電路的直流母線(xiàn)，所述DC/AC逆變電路的直流一側(cè)接入有電容以濾波和穩(wěn)壓，所述DC/AC逆變電路的輸出線(xiàn)接入有電抗器，DC/AC逆變電路的輸出電壓經(jīng)過(guò)電抗器濾波后接入電網(wǎng)；所述最大功率點(diǎn)跟蹤太陽(yáng)
3能控制器MPPT的信號(hào)輸入端分別與所述光伏陣列負(fù)極以及所述電容電連接，采集所述光 伏陣列的工作電壓及工作電流，所述數(shù)字信號(hào)處理器DSP與所述最大功率點(diǎn)跟蹤太陽(yáng)能控 制器MPPT電連接，控制MPPT進(jìn)行采樣，并處理MPPT返回的數(shù)據(jù)，所述DSP與所述DC/AC逆 變電路的驅(qū)動(dòng)電路電連接，向所述DC/AC逆變電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)； (2)所述DSP控制所述MPPT對(duì)光伏陣列一個(gè)載波周期中工作電壓及工作電流信號(hào) 進(jìn)行n次采樣，并將采集到n個(gè)電壓及電流信號(hào)傳送至DSP，在DSP中計(jì)算所述一個(gè)載波周 期中n個(gè)采樣信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的輸出功率； (3)按照采樣頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，在DSP的載波周期中搜索第一個(gè)電壓脈動(dòng) 周期光伏陣列輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的光伏陣列的工作電壓，并將所述工作電壓作為DSP 向下一個(gè)電壓脈動(dòng)周期發(fā)出的電壓指令； (4)在DSP中搜索第二個(gè)壓脈動(dòng)周期中光伏陣列輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的光伏陣 列的工作電壓，在DSP中將MPPT采集到的第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期中光伏陣列最大輸出功率， 與步驟(3)所述指令電壓所對(duì)應(yīng)的輸出功率進(jìn)行比較，如果光伏陣列在第二個(gè)電壓脈動(dòng)周 期輸出功率最大值大于或等于步驟(3)所述指令電壓對(duì)應(yīng)的輸出功率值，則DSP經(jīng)過(guò)PI調(diào) 節(jié)器向DC/AC逆變電路發(fā)出并網(wǎng)逆變電流指令，將步驟(3)所述指令電壓由DSP內(nèi)部的P麗 模塊轉(zhuǎn)換成DC/AC電路的驅(qū)動(dòng)占空比，并將所述第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期輸出功率最大值所對(duì) 應(yīng)的光伏陣列工作電壓作為DSP向下一個(gè)電壓脈動(dòng)周期的電壓指令； 如果光伏陣列在所述第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期最大輸出功率值小于所述指令電壓對(duì)
應(yīng)的輸出功率值，則DSP不向DC/AC逆變電路發(fā)出并網(wǎng)逆變電流驅(qū)動(dòng)指令，并將第一個(gè)電壓
脈動(dòng)周期中光伏陣列輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的光伏陣列的工作電壓作為下一個(gè)電壓脈動(dòng)
周期的電壓指令，重復(fù)步驟(3)及步驟(4)，完成對(duì)光伏陣列的最大功率進(jìn)行跟蹤。 本發(fā)明根據(jù)光伏陣列輸出功率的自然波動(dòng)，判斷搜索光伏陣列的最大功率跟蹤，
實(shí)現(xiàn)快速無(wú)擾動(dòng)的光伏陣列最大功率跟蹤控制。本發(fā)明利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP，在一個(gè)載
波周期中，采樣光伏陣列電壓n次，計(jì)算當(dāng)前陣列的輸出功率并進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，選取較大輸
出功率對(duì)應(yīng)的電壓值作為下一電壓脈動(dòng)周期的電壓指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)際光伏陣列最大功率的跟
蹤o 對(duì)于單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，其并網(wǎng)交流電流波形為正弦，并網(wǎng)交流電流與直流 母線(xiàn)電流存在關(guān)聯(lián)，直流母線(xiàn)的電流脈動(dòng)基波頻率是電網(wǎng)頻率的2倍。由于光伏陣列功率 和濾波電容容量的有限性，母線(xiàn)的電流脈動(dòng)肯定會(huì)引起直流母線(xiàn)電壓的周期波動(dòng)，母線(xiàn)電 壓的波動(dòng)頻率是電網(wǎng)頻率的2倍。母線(xiàn)電壓的周期波動(dòng)也即是光伏陣列電壓存在的周期波 動(dòng)，因此光伏陣列的功率輸出存在波動(dòng)，這種功率輸出波動(dòng)是自然存在的，利用這種功率的 自然波動(dòng)，判斷搜索光伏陣列的最大功率跟蹤，實(shí)現(xiàn)快速無(wú)擾動(dòng)的光伏陣列最大功率跟蹤 控制。 本發(fā)明方法不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)影響，最大功率跟蹤速度較快，無(wú)需任何參數(shù)的 選擇和設(shè)定，適用于單相或三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制。


圖1為本發(fā)明光伏陣列特性曲線(xiàn)圖，其中圖l(a)為光伏陣列的I-V電壓電流特性 曲線(xiàn)圖，圖l(b)為光伏陣列的P-V功率電壓特性曲線(xiàn)圖。
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圖2為本發(fā)明光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本發(fā)明光伏陣列電壓脈動(dòng)與輸出功率關(guān)系圖。 圖4為本發(fā)明系統(tǒng)最大功率跟蹤控制框圖。 圖5為本發(fā)明最大功率跟蹤流程框圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，光伏陣列的輸出功率具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性。光伏陣列的輸出短路電流和最 大功率點(diǎn)電流隨日照強(qiáng)度的上升而增大，但日照變化對(duì)陣列的輸出開(kāi)路電壓影響不是那么 大，在一定的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列的輸出功率有最高點(diǎn)。為提高并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 的綜合效率，系統(tǒng)應(yīng)采用MPPT最大功率跟蹤控制，即必須保證系統(tǒng)不論在何種日照強(qiáng)度及 環(huán)境溫度條件下，始終使光伏陣列自動(dòng)處于最大功率輸出狀態(tài)。在實(shí)際使用過(guò)程中，光伏組 件常常來(lái)自于不同生產(chǎn)廠商，組件的參數(shù)和特性也時(shí)有差異，它們的最大功率點(diǎn)處的電壓 值不盡相同，因此從客觀上提出了一種要求在所有不同場(chǎng)合都能使光伏陣列輸出最大功率 的控制方法。 參見(jiàn)圖2，光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。光伏陣列電壓正極輸出接入DC/AC逆變電 路直流母線(xiàn)，在逆變電路直流側(cè)接入電容Cl用以濾波和穩(wěn)壓。DC/AC電路可以是由M0SFET 或IGBT組成的單相或三相逆變橋。逆變器輸出經(jīng)過(guò)電抗器L濾波后連接到電網(wǎng)?？刂撇?分使用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP，采樣光伏陣列電壓，計(jì)算光伏陣列輸出功率。
參見(jiàn)圖3，光伏陣列電壓脈動(dòng)與輸出功率關(guān)系。其中，Va為CVT的指令電壓，位于 Pmax左側(cè)(區(qū)域III)，電壓脈動(dòng)的谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率輸出脈動(dòng)的谷點(diǎn)，電壓脈動(dòng)的峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)功 率脈動(dòng)的峰點(diǎn)，如果在下一周期，以功率峰點(diǎn)的電壓值為新的母線(xiàn)電壓控制指令，系統(tǒng)的工 作電壓將會(huì)不斷向右(或向大的)方向移動(dòng)，也即向最大功率點(diǎn)方向移動(dòng)。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，由 于電流有100HZ脈動(dòng)，所以直流母線(xiàn)的電壓脈動(dòng)軌跡如P-V曲線(xiàn)上的短粗線(xiàn)所示，如果陣 列電壓和陣列功率的采樣頻率為10khz，每次采樣周期進(jìn)行瞬時(shí)功率比較，以選擇20ms周 期內(nèi)的最大瞬時(shí)功率對(duì)應(yīng)的陣列電壓值，則其最大功率對(duì)應(yīng)的電壓值位于Val處(虛線(xiàn)所 示)，Val大于Va。如果在下一周期20ms或50ms后以Val為CVT電壓指令，則系統(tǒng)的工作 電壓會(huì)不斷向右移動(dòng)，直至最大功率點(diǎn)電壓Vc，此時(shí)最大功率點(diǎn)的電壓與指令Vc電壓是重 疊的如Pmax處的短粗線(xiàn)所示。 當(dāng)系統(tǒng)的工作電壓移動(dòng)到最大功率點(diǎn)時(shí)，陣列功率變化的峰點(diǎn)將會(huì)位于電壓脈動(dòng) 的中點(diǎn)，此時(shí)，如果以原定的控制策略進(jìn)行最大功率跟蹤控制(峰點(diǎn)功率對(duì)應(yīng)的電壓最為 指令)，則母線(xiàn)工作電壓不會(huì)再移動(dòng)，除非最大功率點(diǎn)隨溫度、輻射強(qiáng)度發(fā)生變化。
如果溫度、日照發(fā)生變化，Pmax點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，Vc指令與該電壓不重疊，則自動(dòng) 再次移動(dòng)。如果初始工作電壓位于Pmax右側(cè)(區(qū)域I)，原理相同電壓脈動(dòng)的谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)功 率輸出脈動(dòng)的峰點(diǎn)，電壓脈動(dòng)的峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率脈動(dòng)的谷點(diǎn)，如果在下一周期，以功率峰點(diǎn)的 電壓值為新的母線(xiàn)電壓控制指令，則系統(tǒng)的工作電壓將會(huì)不斷向左(或向小的)方向移動(dòng)， 也即向最大功率點(diǎn)方向移動(dòng)。 根據(jù)以上描述，在系統(tǒng)最大功率跟蹤時(shí)，未加擾動(dòng)，利用系統(tǒng)本身的電壓脈動(dòng)，指 令電壓自動(dòng)移動(dòng)到最大功率點(diǎn)處， 參見(jiàn)圖4，系統(tǒng)最大功率跟蹤控制框圖。系統(tǒng)最大功率跟蹤控制框圖。采樣光伏陣列的工作電壓并計(jì)算當(dāng)前的輸出功率，在電壓脈動(dòng)周期中搜索最大功率對(duì)應(yīng)的母線(xiàn)電壓值，并將該電壓值作為下一周期的電壓指令。光伏陣列的實(shí)際工作電壓與指令電壓反饋比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器輸出并網(wǎng)逆變電流指令，由DSP內(nèi)部P麗模塊轉(zhuǎn)換成DC/AC電路的驅(qū)動(dòng)占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列工作電壓指令的跟蹤。 參見(jiàn)圖5，系統(tǒng)最大功率跟蹤流程框圖。 一個(gè)載波周期中，設(shè)置載波比為N，采樣光伏陣列電壓并計(jì)算陣列的輸出功率，對(duì)輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，選取較大輸出功率對(duì)應(yīng)的電壓值作為下一 電壓脈動(dòng)周期的電壓指令。
權(quán)利要求
光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的一種非主動(dòng)擾動(dòng)最大功率跟蹤方法，其特征在于采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP控制最大功率點(diǎn)跟蹤太陽(yáng)能控制器MPPT，根據(jù)光伏陣列輸出功率的自然波動(dòng)，對(duì)光伏陣列的工作電壓及工作電流進(jìn)行采樣，判斷搜索光伏陣列的最大功率并進(jìn)行跟蹤，包括以下步驟(1)將所述光伏陣列的電壓正極輸出端接入DC/AC逆變電路的直流母線(xiàn)，所述DC/AC逆變電路的直流一側(cè)接入有電容以濾波和穩(wěn)壓，所述DC/AC逆變電路的輸出線(xiàn)接入有電抗器，DC/AC逆變電路的輸出電壓經(jīng)過(guò)電抗器濾波后接入電網(wǎng)；所述最大功率點(diǎn)跟蹤太陽(yáng)能控制器MPPT的信號(hào)輸入端分別與所述光伏陣列負(fù)極以及所述電容電連接，采集所述光伏陣列的工作電壓及工作電流，所述數(shù)字信號(hào)處理器DSP與所述最大功率點(diǎn)跟蹤太陽(yáng)能控制器MPPT電連接，控制MPPT進(jìn)行采樣，并處理MPPT返回的數(shù)據(jù)，所述DSP與所述DC/AC逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路電連接，向所述DC/AC逆變電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；(2)所述DSP控制所述MPPT對(duì)光伏陣列一個(gè)載波周期中工作電壓及工作電流信號(hào)進(jìn)行n次采樣，并將采集到n個(gè)電壓及電流信號(hào)傳送至DSP，在DSP中計(jì)算所述一個(gè)載波周期中n個(gè)采樣信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的輸出功率；(3)按照采樣頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，在DSP的載波周期中搜索第一個(gè)電壓脈動(dòng)周期光伏陣列輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的光伏陣列的工作電壓，并將所述工作電壓作為DSP向下一個(gè)電壓脈動(dòng)周期發(fā)出的電壓指令；(4)在DSP中搜索第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期中光伏陣列輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的光伏陣列的工作電壓，在DSP中將MPPT采集到的第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期中光伏陣列最大輸出功率，與步驟(3)所述指令電壓所對(duì)應(yīng)的輸出功率進(jìn)行比較，如果光伏陣列在第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期輸出功率最大值大于或等于步驟(3)所述指令電壓對(duì)應(yīng)的輸出功率值，則DSP經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器向DC/AC逆變電路發(fā)出并網(wǎng)逆變電流指令，將步驟(3)所述指令電壓由DSP內(nèi)部的PWM模塊轉(zhuǎn)換成DC/AC電路的驅(qū)動(dòng)占空比，并將所述第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期輸出功率最大值所對(duì)應(yīng)的光伏陣列工作電壓作為DSP向下一個(gè)電壓脈動(dòng)周期的電壓指令；如果光伏陣列在所述第二個(gè)電壓脈動(dòng)周期最大輸出功率值小于所述指令電壓對(duì)應(yīng)的輸出功率值，則DSP不向DC/AC逆變電路發(fā)出并網(wǎng)逆變電流驅(qū)動(dòng)指令，并將第一個(gè)電壓脈動(dòng)周期中光伏陣列輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的光伏陣列的工作電壓作為下一個(gè)電壓脈動(dòng)周期的電壓指令，重復(fù)步驟(3)及步驟(4)，完成對(duì)光伏陣列的最大功率進(jìn)行跟蹤。
全文摘要
光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的一種非主動(dòng)擾動(dòng)最大功率跟蹤技術(shù)，根據(jù)光伏陣列輸出功率的自然波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速無(wú)擾動(dòng)的光伏陣列最大功率跟蹤控制。光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的一種非主動(dòng)擾動(dòng)最大功率跟蹤技術(shù)控制過(guò)程為在載波周期中采樣光伏陣列的工作電壓并計(jì)算當(dāng)前的輸出功率；在電壓脈動(dòng)周期中搜索最大功率對(duì)應(yīng)的母線(xiàn)電壓值，該電壓值作為下一周期的電壓指令，光伏陣列的工作電壓向最大功率點(diǎn)移動(dòng)；系統(tǒng)的工作電壓移動(dòng)到最大功率點(diǎn)時(shí)，陣列功率變化的峰點(diǎn)位于電壓脈動(dòng)的中點(diǎn)，根據(jù)最大功率跟蹤控制策略穩(wěn)定母線(xiàn)工作電壓。本發(fā)明方法不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)影響，最大功率跟蹤速度較快，無(wú)需任何參數(shù)的選擇和設(shè)定，適用于單相或三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101697423SQ20091018497
公開(kāi)日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者周偉, 姚俊, 彭凱, 梁雨生, 汪海寧, 瞿曉麗, 蘇建徽, 謝富華, 馬志保 申請(qǐng)人:安徽頤和新能源科技股份有限公司;