CN102148507A - 基于导纳最优法的光伏并网逆变器mppt*** - Google Patents

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张海波
孙邦伍
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Abstract

本发明公开了一种基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，本发明创造结合电导增量法，和模糊控制法的优点，自主研发了导纳最优法，建立模糊化的传递函数和反模糊化判决。通过光伏阵列P-U曲线求出光伏阵列Pmax，快速跟随电压电平变化，不要求很复杂化的算法，能够快速追踪太阳能电池最大功率，并可以很好地适应各种场合对光伏***MPPT控制的要求，试验证明此方法，较电导增量法具有更好的兼容不同***和快速等效果。经过大量的实验与测试，显示其实时性和动态性能非常好，而且跟踪稳定，不会出现误判现象，跟踪精度高达99％。

Description

基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***
一、技术领域
本发明属于光伏并网***，具体而言是基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***。
二、背景技术
光伏并网***的稳定性、成本、效率等很大部分取决于光伏并网逆变电源。电源的品质如对电网污染严重、波形畸变等决定电网是否可以接受。因为太阳能光伏组件的效率很低(国内、外的效率都是15％左右)，而且材料成本较高，这是光伏发电不能像太阳能热水器一样普及的根本原因。举一例子：一个家庭的负载容量是2KW，而目前的太阳能光伏组件的价格大约是15元人民币/瓦，这样就是太阳能光伏组件一项就需要3万元人民币，这个价格对于大多数的家庭来说是很高的，所以就需要能让太阳能光伏组件在同样的日照和温度下尽可能多的输出电能，从而节约太阳能光伏***的成本，这样在理论和实践上就提出了最大功率点跟踪(MPPT-Max Power PointerTracking)的问题。光伏电池板提升效率的空间和可能性目前尚属于未知数，但是通过技术创新可以实现光伏并网***向高效低成本方向发展，如利用导纳最优方法提升MPPT跟踪效果，可以比目前太阳能利用***利用效率提高20％左右。所以，一款高效低成本的光伏并网***示范工程能极大推动光伏并网发电事业的发展。
由于太阳能光伏组件U-I的强烈的非线性和受温度的影响很大，这样就使得最大功率点跟踪(MPPT)的实现变的非常复杂，而目前日本、美国和欧洲主要采用的方法是电导增量法(Incremental Conductance Algorithms)，这种方法实现的最大优点是当太阳电池上的照度发生变化时，其输出端电压能以平稳的方式跟随其变化，电压晃动相对扰动法较小，像德国壳牌公司，日本的京瓷公司就是采用的这种方法实现的，但它明显的不足就是算法非常的复杂，在跟踪的过程中需要花费相当多的时间去执行A/D转换，这对微处理器在控制上会造成相当大的困难。国内主要采用的是扰动观察法P&O(Perturb&Observe Algorithms)，此法最大的特点在于模块化控制回路，跟踪法则简明，容易实现，缺点是只能在最大功率点附近震荡运行，导致部分功率损失，初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大的影响，有时会发生程序运行的失序(“误判”)现象。国内的单位像合肥工业大学能源研究所等多采用这种方式实现。
由于太阳能光伏组件U-I强烈的非线性和受温度的影响很大，这样就使得实现MPPT变得非常复杂，而目前日本、美国和欧洲主要采用电导增量法(IncrementalConductance Algorithms)，国内主要采用的是扰动观察法P&O(Perturb&ObserveAlgorithms)、其它还采用干扰观测法、模糊逻辑控制和最优梯度法、“上山法(一阶差分法)”等，但是上述方法在控制精度、稳定性和运算难度方面均有不足，在实际运用中，要么对硬件要求高，要么出现程序失序现象，不能保证MPPT***的正常运行。
三、发明内容
为了解决现有技术中出现的问题，本发明提出一种技术方案：
本发明创造结合电导增量法和模糊控制法的优点，研发了基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，建立模糊化的传递函数和反模糊化判决。通过光伏阵列P-U曲线求出光伏阵列Pmax，快速跟随电压电平变化，不要求很复杂化的算法，能够快速追踪太阳能电池最大功率，并可以很好地适应各种场合对光伏***MPPT控制的要求，试验证明此方法，较电导增量法具有更好的兼容不同***和快速等效果。
本发明的有益效果：
经过大量的实验与测试，显示其实时性和动态性能非常好，而且跟踪稳定，不会出现误判现象，跟踪精度高达99％。
四、附图说明
图1是本发明的光伏阵列伏安特性及MPPT寻优曲线。
图2是本发明的高效低成本并网技术路线图。
图3是本发明的并网逆变原理图。
图4是本发明的光伏并网电源***组织框图。
图5是本发明的并网逆变智能控制图。
图6是本发明的光伏并网***控制用参考电流提取算法。
图7是本发明的交替型Boost功率因数校正电路。
图8是本发明的交替型Boost功率因数校正电路的四个工作状态。
五、具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明创造作进一步说明：
由于光伏电池在不同的工作条件下其输出电能具有不同的伏安特性，呈非线性特征，因而需要对光伏电池的输出最大功率点进行跟踪，使其输出电能始终工作在最大功率上，以最大限度地利用太阳能，这对光伏***的稳定高效工作起到至关重要的作用。MPPT(Max Power Pointer Tracking)是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式。这种方式实时调整发电***的输出电流，来跟踪最大功率点。本***采用导纳最优法来实现MPPT跟踪，实验结果发现采用的导纳最优法实时性和动态性能非常好，而且很稳定，不会出现误判断现象，精度高达99％，应用前景非常好。
以下是性能比较：
表一MPPT各种方法比较
Figure GSA00000021616900031
采用本发明创造的导纳最优MPPT***，可以实行光伏电池最大功率跟踪。该技术稳定成熟，为高效低成本集中体现。
本发明创造结合电导增量法，和模糊控制法的优点，自主研发了导纳最优法，建立模糊化的传递函数和反模糊化判决。通过光伏阵列P-U曲线求出光伏阵列Pmax(如图1)，快速跟随电压电平变化，不要求很复杂化的算法，能够快速追踪太阳能电池最大功率，并可以很好地适应各种场合对光伏***MPPT控制的要求，试验证明此方法，较电导增量法具有更好的兼容不同***和快速等效果。经过大量的实验与测试，显示其实时性和动态性能非常好，而且跟踪稳定，不会出现误判现象，跟踪精度高达99％。
光伏并网电源技术路线及高效、低成本分析如图2所示。
高效低成本并网电源的逆变原理如图3、图4所示，由PWM控制器，驱动电路，电抗器、传感器、PI调节器，智能匹配接口等部分组成。
并网逆变数学模型
在并网电流逆变数学模型的基础上，利用智能算法，对电网进行电流、电压双闭环控制，其中电流为瞬时闭环，电压为前馈控制。太阳能输出将采用导纳最优MPPT算法，将实时的太阳能电池板以最大的能量输出，具体的高效低成本并网逆变控制如图5所示。
软开关技术
利用建立的并网逆变的数学模型，对功率器件的开通电流、电压以及关断电流、电压进行最小面积的控制，使开关功率损耗最小。
能量管理单元
该单元将光伏阵列MPPT控制和基于瞬时无功理论的无功和谐波电流补偿控制有机地结合在一起，使光伏并网既可以向电网提供一定的有功功率，又可以在一定程度上实现的无功和谐波电流补偿。其中，有功电流、无功电流和谐波电流的检测是并网电源的关键问题，直接影响***的性能。
如图6光伏并网***控制用参考电流的提取算法。其中图以三相并网为例。P：瞬时功率；q：无功功率。
交替型双BOOST功率因数校正电路
现在大多采用的是普通的升压式变换电路，对于几百瓦的小功率的功率因数的校正是成熟的，但对3～5KW和更大功率的电路，则存在不少问题，这种电路很好的解决了反向电流冲击问题，而且功率因数非常高，达到0.99，很适用于大功率应用场合。
这种方案是将两个Boost电路相并联，如图7、图8所示，两个Boost电路工作于相同的频率，但是两个开关管交替导通，这就提高了电路的整体工作频率，减小了对滤波的要求，由于这种电路是由两个变换器共同承担功率，因此可以采用较小电流的开关管，采用这种方案，可以提高功率因数，而且效率也不会降低。
这种变换器的主要优点有以下几点：
(1)和传统的升压变换器相比，电感可减小一半。
(2)开关管的电流等级可减小一半。
(3)非常明显减小了输入电流的谐波，
(4)有效解决了二极管反向恢复电流的冲击问题。
采用交替型Boost功率因数校正电路可以将***功率因数提高到0.9999，从而保证有功输出。
成本控制集中体现
另外，通过结构和电路的优化设计来降低并网控制逆变器的成本，从而促使太阳能并网发电规模化的生产和推广。具体措施有
通过先进算法技术，实现MOSFET替代传统的昂贵的IPM模块，且性能指标更为突出，大大降低了***硬件成本。
采用智能高频双闭环BOOST的DC/DC升压电路，取消了传统笨重的工频变压器，不仅降低***集成成本，减轻了整机的重量与体积，同时也提高了***的效率。
***设计采用模块化、单元化、智能化的设计理念，可以依据客户不同的需求在不改变核心控制主电路的情况下可以实现各种组合功能，同时也降低了安装维护成本。
采用单数字处理器，实现了真正的控制逆变一体，替代了传统的并网逆变电源与控制器组合配置模式，减少信息采集通道和执行通道，保证信息一致性和实时性，减少了故障，有效地控制了制造成本。
通过软件与硬件相结合的控制方式，实现THD比传统的SPWM减少50％，减小后端的滤波器的大小，降低***的成本。
采用了软开关技术，降低了功率器件的损耗，在实现在同等功率的情况下，可以采用更小的功率器件及散热设备，明显地减小了***的成本和提高了***的发电效率。
虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本实用新型，任何熟悉此技艺者，在不脱离本实用新型之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (6)

1.基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，其特征在于：它包括太阳能光伏组件、PWM控制器，驱动电路，电抗器、传感器、PI调节器，智能匹配接口等部分组成。
2.根据权利要求1所述的基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，其特征在于：***对电网进行电流、电压双闭环控制，其中电流为瞬时闭环，电压为前馈控制。
3.根据权利要求1所述的基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，其特征在于：利用建立的并网逆变的数学模型，对功率器件的开通电流、电压以及关断电流、电压进行最小面积的控制，使开关功率损耗最小。
4.根据权利要求1所述的基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，其特征在于：***采用交替型双BOOST功率因数校正电路。
5.根据权利要求1所述的基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，其特征在于：***还包括能量管理单元，所述能量管理单元将光伏阵列MPPT控制和基于瞬时无功理论的无功和谐波电流补偿控制有机地结合在一起，使光伏并网既可以向电网提供一定的有功功率，又可以在一定程度上实现的无功和谐波电流补偿。
6.根据权利要求1所述的基于导纳最优法的光伏并网逆变器MPPT***，其特征在于：***建立模糊化的传递函数和反模糊化判决，通过光伏阵列P-U曲线求出光伏阵列Pmax，快速跟随电压电平变化，能够快速追踪太阳能电池最大功率，并可以很好地适应各种场合对光伏***MPPT控制的要求。
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