CN102566645B - 光伏并网逆变器的最大功率控制方法 - Google Patents

光伏并网逆变器的最大功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种光伏并网逆变器的最大功率控制方法，包括：开启光伏并网逆变器；检测光伏并网逆变器的初始直流母线电压(以后简称端电压或者电压)U0；设定电压增加步长ΔU，以初始端电压U0为起始，每次增加一个电压增加步长ΔU，检测光伏并网逆变器的直流功率(以后简称功率)P，其中功率P是端电压U的函数，P＝f(U)；基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua，Ub]，在该单峰区间[Ua，Ub]内功率P仅有一个峰值；设定功率精确度ε；基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua，Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U＊；控制光伏并网逆变器以最优端电压U＊工作。该方法具有响应速度快、精度高、稳定性高的优势。

Description

光伏并网逆变器的最大功率控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，更具体地说，涉及一种应用于光伏发电的光伏并网逆变器的最大功率控制方法。
背景技术
随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏(Photovoltaic，PV)发电技术得到了持续的发展，光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光伏发电并网逆变***的研究，对于缓解能源和环境问题，研究高性能分布式发电***，开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义。
光伏并网***的控制中，功率环控制是其关键。功率环控制又与最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制互相结合，需要同时兼顾响应速度、最大功率点跟踪精度和母线电压稳定性。对现有算法进行优化，使之满足上述要求是提高***效率的关键之一。
申请号为CN200710098911.2，题为“一种太阳能光伏电池最大功率点追踪的方法”的专利申请揭示了一种太阳能光伏电池最大功率点追踪的方法，采用一条特定斜率的直线跟踪太阳能电池的最大功率点，运算十分简便，但需要计算不同日照强度下电池的给定电压，在日照强度变化较快时响应较慢，最大功率跟踪的效率低。
申请号为CN200610012144.4，题为“dP/dV-I近线性的光伏发电***最大功率点跟踪法”的专利申请揭示了一种dP/dV-I近线性的光伏发电***最大功率点跟踪法，基于光伏阵列的输出功率P对其输出电压V的变化率与光伏阵列负载电流I近似线性关系，通过调节光伏阵列输出电流实时跟踪参考电流实现最大功率输出，但因为参考电流采用线性变化，调节速度较慢。
发明内容
本发明旨在提出一种能对光伏并网逆变器的功率进行控制的方法。
根据本发明的一实施例，揭示了一种光伏并网逆变器的最大功率控制方法，包括下述的步骤：
开启光伏并网逆变器；
检测光伏并网逆变器的初始直流母线电压(以后简称端电压或者电压)U0；
设定电压增加步长ΔU，以初始端电压U0为起始，每次增加一个电压增加步长ΔU，检测光伏并网逆变器的直流功率(以后简称功率)P，其中功率P是端电压U的函数，P＝f(U)；
基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua，Ub]，在该单峰区间[Ua，Ub]内功率P仅有一个峰值；
设定功率精确度ε；
基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua，Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U＊；
控制光伏并网逆变器以最优端电压U＊工作。
在单峰区间[Ua，Ub]内，在Ua至U＊的端电压范围内，功率P单调上升，在U＊至Ub的端电压范围内，功率P单调下降。
在一个实施例中，该方法还包括：
设定电压波动阈值，当最优端电压U＊的波动超过电压波动阈值时，重新设定初始端电压U0并确定新的最优端电压U＊。
其中，设定的功率精确度ε＞0，单峰区间[Ua，Ub]中Ua＜Ub；基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua，Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U＊包括：
步骤a1，取U2＝Ua+0.618(Ub-Ua)，计算功率P2＝f(U2)，转到步骤a2；
步骤a2，取U1＝Ua+0.382(Ub-Ua)，计算功率P1＝f(U1)，转到步骤a3；
步骤a3，若|Ub-Ua|≤ε，则取U＊＝(Ua+Ub)/2，输出U＊；否则转到步骤a4；
步骤a4，若P1＞P2，则取Ub＝U2、U2＝U1、P2＝P1，回到步骤a2；若P1＝P2，则取Ua＝U1、Ub＝U2，转到步骤a1；若P1＜P2，则Ua＝U1、U1＝U2、P1＝P2，转到步骤a5；
步骤a5，取U2＝Ua+0.618(Ub-Ua)，P2＝f(U2)，转到步骤a3。
设定的电压增加步长ΔU＞0；基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua，Ub]包括：
步骤b1，计算P0＝f(U0)；
步骤b2，计算U1＝U0+ΔU，计算P1＝f(U1)，若P1≥P0，转到步骤b3，否则转到步骤b5；
步骤b3，取ΔU’＝2ΔU，计算U2＝U1+ΔU’，计算P2＝f(U2)，若P1≥P2，则得到区间[U0，U2]为单峰区间；若P1＜P2，则转到步骤b4；
步骤b4，取U0＝U1，U1＝U2，P0＝P1，P1＝P2，转到步骤b3；
步骤b5，取ΔU’＝2ΔU，U2＝U0-ΔU’，计算P2，若P0≥P2，则得到区间[U2，U1]为单峰区间；若P0＜P2，则转到步骤b6；
步骤b6，取U1＝U0，U0＝U2，P1＝P0，P0＝P2，转到步骤b5。
采用本发明的技术方案，该光伏并网逆变器的最大功率控制方法具有响应速度快、精度高、稳定性高的优势。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优点将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显。其中：
图1揭示了根据本发明的一实施例的光伏并网逆变器的最大功率控制方法的流程图。
图2揭示了光伏并网逆变器的电路结构。
图3揭示了太阳能电池的P-U特性曲线。
图4揭示了根据外推迭代确定端电压的单峰区间的运算逻辑。
图5揭示了根据黄金分割迭代确定最优端电压的曲线示意图。
图6揭示了根据黄金分割迭代确定最优端电压的运算逻辑。
具体实施方式
首先参考图2所示，图2揭示了光伏并网逆变器的电路结构。如图2所示的，光伏并网逆变器包括光伏阵列201、直流母线电容C、逆变桥T1-T4、升压变压器T以及滤波电感L1组成。光伏并网逆变器的控制策略采用双闭环控制，电网交流电压采样，电流同步，PWM调制和驱动单元四个部分作为内环控制；输入功率采样和MPPT作为外环控制，保证光伏并网***工作在最大功率点，实现最大的功率输出。内环控制可采用常用的SPWM调制方式，外环为功率环，是***控制的核心。本发明即针对该MPPT控制提出一种光伏并网逆变器的最大功率控制方法。
参考图1所示，揭示了根据本发明的一实施例的光伏并网逆变器的最大功率控制方法的流程图。该方法包括如下的步骤：
S101.开启光伏并网逆变器。
S102.检测光伏并网逆变器的初始直流母线电压(以后简称端电压或者电压)U0。
S103.设定电压增加步长ΔU，以初始端电压U0为起始，每次增加一个电压增加步长ΔU，检测光伏并网逆变器的直流功率(以后简称功率)P，其中功率P是端电压U的函数，P＝f(U)。
S104.基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua，Ub]，在该单峰区间[Ua，Ub]内功率P仅有一个峰值。
S105.设定功率精确度ε。
S106.基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua，Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U＊。
S107.控制光伏并网逆变器以最优端电压U＊工作。
S108.设定电压波动阈值，当最优端电压U＊的波动超过电压波动阈值时，重新设定初始端电压U0并确定新的最优端电压U＊。
在一定的太阳辐照强度和环境温度下，太阳能电池板的输出功率P只与端电压U有关，即P＝f(U)，并且P是U的上单峰函数，当U在区间[0，1.0]上取值，P存在极大值。图3揭示了太阳能电池的P-U特性曲线。揭示了单峰函数的特征。若P＝f(U)在区间[Ua，Ub]上是上单峰函数，则意味着在[Ua，Ub]内f(U)有唯一极大值点U＊，在U＊的左边，即从Ua至U＊的范围内f(U)严格上升，而在U＊的右边，即在U＊至Ub的范围内f(U)严格下降。在单峰区间[Ua，Ub]内，如果任取两点U1、U2，且U1＜U2，计算两点处的函数值f(U1)、f(U2)。若f(U1)＞f(U2)，则U＊∈[Ua，U2]；若f(U1)≤f(U2)，则U＊∈[U2，Ub]。于是，只要确定了端电压的单峰区间[Ua，Ub]，就能够确定对应功率峰值P的最优端电压U＊。
根据本发明，步骤S104中通过基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua，Ub]，在该单峰区间[Ua，Ub]内功率P仅有一个峰值。在单峰区间[Ua，Ub]内，在Ua至U＊的端电压范围内，功率P单调上升，在U＊至Ub的端电压范围内，功率P单调下降。
参考图4所示，图4揭示了根据外推迭代确定端电压的单峰区间的运算逻辑。外推迭代确定端电压的单峰区间的过程如下：首先设定的电压增加步长ΔU＞0。
按照下述的过程基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua，Ub]：
步骤b1，计算P0＝f(U0)；
步骤b2，计算U1＝U0+ΔU，计算P1＝f(U1)，若P1≥P0，转到步骤b3，否则转到步骤b5；
步骤b3，取ΔU’＝2ΔU，计算U2＝U1+ΔU’，计算P2＝f(U2)，若P1≥P2，则得到区间[U0，U2]为单峰区间；若P1＜P2，则转到步骤b4；
步骤b4，取U0＝U1，U1＝U2，P0＝P1，P1＝P2，转到步骤b3；
步骤b5，取ΔU’＝2ΔU，U2＝U0-ΔU’，计算P2，若P0≥P2，则得到区间[U2，U1]为单峰区间；若P0＜P2，则转到步骤b6；
步骤b6，取U1＝U0，U0＝U2，P1＝P0，P0＝P2，转到步骤b5。
在获取的单峰区间[Ua，Ub]后，就能够在该单峰区间[Ua，Ub]中确定最优端电压U＊。在本发明中，在步骤S106基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua，Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U＊。图5揭示了根据黄金分割迭代确定最优端电压的曲线示意图。如图5所示，只要在[Ua，Ub]内取两点U1、U2，并计算出P1＝f(U1)、P2＝f(U2)，通过比较就可以将区间[Ua，Ub]缩短为[Ua，U2]或[U1，Ub]。因为新的区间内包含一个已经计算过函数值的点，所以再从其中取一个试点，又可将这个新区间缩短一次。不断地重复这个过程，直至最终的区间长度缩短到满足预先给定的精度ε为止。
为了提高运算效率，需要在保证同样精度的情况下使得计算P＝f(U)函数值的次数最少，本发明采用的黄金分割法，即每次迭代都把区间缩短率定为0.618，所以每次迭代的试点分别为：
U1＝Ua+0.382(Ub-Ua)；
U2＝Ua+0.618(Ub-Ua)。
对于预先给定的精确度ε＞0，当保留的区间长度|Ub-Ua|≤ε时，停止迭代。此时可取保留区间[Ua，Ub]内任一点作为极大值点的近似值。
图6揭示了根据黄金分割迭代确定最优端电压的运算逻辑。基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua，Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U＊的过程如下：首先设定的功率精确度ε＞0，单峰区间[Ua，Ub]中Ua＜Ub；
步骤a1，取U2＝Ua+0.618(Ub-Ua)，计算功率P2＝f(U2)，转到步骤a2；
步骤a2，取U1＝Ua+0.382(Ub-Ua)，计算功率P1＝f(U1)，转到步骤a3；
步骤a3，若|Ub-Ua|≤ε，则取U＊＝(Ua+Ub)/2，输出U＊；否则转到步骤a4；
步骤a4，若P1＞P2，则取Ub＝U2、U2＝U1、P2＝P1，回到步骤a2；若P1＝P2，则取Ua＝U1、Ub＝U2，转到步骤a1；若P1＜P2，则Ua＝U1、U1＝U2、P1＝P2，转到步骤a5；
步骤a5，取U2＝Ua+0.618(Ub-Ua)，P2＝f(U2)，转到步骤a3。
由于上述的设定是在一定的太阳辐照强度和环境温度下，而在实际情况中，由于太阳辐照强度和环境温度可能会变化，为了确保光伏并网逆变器的实时工作状态为最优端电压，本发明在步骤S108对电压波动进行监测。当逆变器开始工作或者检测到太阳能电池板输出功率变化超过阀值的时候，将重新以给定的初始点或者当前的最大功率点为初始点，重复上述的步骤，得到新的最优端电压U＊。具体而言，包括设定电压波动阈值，当最优端电压U＊的波动超过电压波动阈值时，重新设定初始端电压U0并确定新的最优端电压U＊。
本发明的光伏并网逆变器的最大功率控制方法具有下述的优势：
1)响应速度快。通过分析可知，在保证同样精度的情况下黄金分割法可以使计算步数最少。因此即使在日照强度快速变化的场合也能迅速响应。
2)精度高。由于黄金分割法的步长以0.618的指数倍缩小，故可以以任意的精度逼近最大功率点。
3)稳定性高。黄金分割法的区间长度是步数的收敛函数，并且最终收敛于0，所以不会出现振荡现象。
述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (4)

1.一种光伏并网逆变器的最大功率控制方法，其特征在于，包括：
开启光伏并网逆变器；
检测光伏并网逆变器的初始端电压U0；
设定电压增加步长ΔU，ΔU>0，以初始端电压U0为起始，每次增加一个电压增加步长ΔU，检测光伏并网逆变器的功率P，其中功率P是端电压U的函数，P=f(U)；
基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua,Ub]，在该单峰区间[Ua,Ub]内功率P仅有一个峰值，所述基于外推迭代确定端电压的单峰区间[Ua,Ub]包括：
步骤b1，计算P0=f(U0)；
步骤b2，计算U1=U0+ΔU，计算P1=f(U1)，若P1≥P0，转到步骤b3，否则转到步骤b5；
步骤b3，取ΔU’=2ΔU，计算U2=U1+ΔU’，计算P2=f(U2)，若P1≥P2，则得到区间[U0,U2]为单峰区间；若P1<P2，则转到步骤b4；
步骤b4，取U0=U1，U1=U2，P0=P1，P1=P2，转到步骤b3；
步骤b5，取ΔU’=2ΔU，U2=U0-ΔU’，计算P2，若P0≥P2，则得到区间[U2,U1]为单峰区间；若P0<P2，则转到步骤b6；
步骤b6，取U1=U0，U0=U2，P1=P0，P0=P2，转到步骤b5；设定功率精确度ε；
基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua,Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U*；
控制光伏并网逆变器以最优端电压U*工作。
2.如权利要求1所述的光伏并网逆变器的最大功率控制方法，其特征在于，
在单峰区间[Ua,Ub]内，在Ua至U*的端电压范围内，功率P单调上升，在U*至Ub的端电压范围内，功率P单调下降。
3.如权利要求1所述的光伏并网逆变器的最大功率控制方法，其特征在于，还包括：
设定电压波动阈值，当最优端电压U*的波动超过电压波动阈值时，重新设定初始端电压U0并确定新的最优端电压U*。
4.如权利要求1所述的光伏并网逆变器的最大功率控制方法，其特征在于，
设定的功率精确度ε>0，单峰区间[Ua,Ub]中Ua<Ub；
所述基于黄金分割迭代确定在单峰区间[Ua,Ub]内的具有峰值功率P的最优端电压U*包括：
步骤a1，取U2=Ua+0.618(Ub-Ua)，计算功率P2=f(U2)，转到步骤a2；
步骤a2，取U1=Ua+0.382(Ub-Ua)，计算功率P1=f(U1)，转到步骤a3；
步骤a3，若|Ub-Ua|≤ε，则取U*=(Ua+Ub)/2，输出U*；否则转到步骤a4；
步骤a4，若P1>P2，则取Ub=U2、U2=U1、P2=P1，回到步骤a2；若P1=P2，则取Ua=U1、Ub=U2，转到步骤a1；若P1<P2，则Ua=U1、U1=U2、P1=P2，转到步骤a5；
步骤a5，取U2=Ua+0.618(Ub-Ua)，P2=f(U2)，转到步骤a3。
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