CN103885522A - 基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，包括步骤：实时检测逆变器直流母线电压U_dc和直流输入电流I_dc，计算得到实时输入功率P_dc；对直流母线电压U_dc的给定值U_{dc_ref}进行扰动，将U_dc和U_{dc_ref}的差值经PI调节器调节后作为逆变器电流控制的给定输入值I_ref(t)；逆变器按照给定输入值I_ref(t)对输出电流进行PI调节，使输出的有功电流值I_d=I_ref(t)；计算经过该次扰动后逆变器输入功率P_dc的变化情况，得到逆变器输入功率为最大时应有的直流母线电压值。本发明用于大功率光伏逆变器的最大功率跟踪，在PV阵列输入曲线改变的情况下，能使逆变器更迅速和准确地找到新的最大功率点，保持高效和稳定的输出。

Description

基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变器控制领域，尤其涉及基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法。

背景技术

在大功率光伏逆变器应用场合中，逆变器工作时的功率输出须满足PV阵列的功率曲线。而电压逆变器直流输入多为PV阵列直接输入，没有DC/DC部分，为了使光伏逆变器在正常运行的过程中能高效、稳定地输出尽可能接近PV阵列最大输出能力的功率，需要采用合适的最大功率跟踪方法对逆变器的输出进行控制。

但是，由于PV阵列的输入变化频繁，最大功率跟踪不仅需要能在稳定运行情况下找到逆变器的最大输出点，更需要对PV阵列输入的变化及时响应。而主要导致PV阵列输入功率曲线变化的原因有：光照正常增强或减弱；云层遮挡或雷雨天气等导致光照迅速减弱或增强；PV板上灰尘堆积；PV板所在环境温度变化。

因此，PV阵列输入功率曲线变化要求逆变器能快速反应并随时保持在最大功率点处运行，否则逆变器的输出效率会受到影响，甚至因为功率点计算错误导致逆变器直流母线电压崩溃，彻底失去正常运行的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，用于大功率光伏逆变器的最大功率跟踪，在PV阵列输入曲线改变的情况下，能使逆变器更迅速和准确地找到新的最大功率点，保持高效和稳定的输出。

实现上述目的的技术方案是：

一种基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，包括步骤：

步骤1，实时检测逆变器直流母线电压U_dc和直流输入电流I_dc，计算得到实时输入功率P_dc；

步骤2，对直流母线电压U_dc的给定值U_{dc_ref}进行扰动，将U_dc和U_{dc_ref}的差值经PI调节器调节后作为逆变器电流控制的给定输入值I_ref(t)；

步骤3，逆变器按照给定输入值I_ref(t)对输出电流进行PI调节，使输出的有功电流值I_d=I_ref(t)；

步骤4，计算经过该次扰动后逆变器输入功率P_dc的变化情况，若P_dc增大，则再次对U_{dc_ref}进行相同方向的扰动，若P_dc减小，则对U_{dc_ref}进行相反方向的扰动，最终得到逆变器输入功率为最大时应有的直流母线电压值。

进一步地，所述步骤4中，选择适当的PI调节器调整因子，使得直流母线电压U_dc跟上U_{dc_ref}的变化，即认为U_dc=U_{dc_ref}；利用每个功率调整周期对U_{dc_ref}的扰动，达到对U_dc的扰动，从而判断出当前运行情况下U_dc的增减对逆变器输入功率P_dc的影响。

进一步地，所述步骤2中，所述给定输入值I_ref(t)通过如下公式计算得到：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})$

其中，Δu_dc(t)为直流母线电压U_dc和直流母线给定电压U_{dc_ref}之差，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，t为时间，

为PI调节器的积分部分。

本发明的有益效果是：本发明摒弃了传统的利用对逆变器输出电流的控制进行最大功率跟踪的方式，通过对直流母线电压的控制，使PV阵列输入曲线改变的情况下，逆变器能更迅速和准确的找到新的最大功率点，保持高效和稳定的输出，从而使得对电流质量的控制和对功率大小的控制过程不再产生冲突。同时，本发明利用直流母线电压进行控制，可以加快寻找最大功率点的速度，并且从根本上避免了母线电压崩溃的现象。

附图说明

图1是大功率光伏逆变器主电路结构图；

图2是本发明的最大功率跟踪方法的原理图；

图3a、图3b、图3c是大功率光伏逆变器的电压/电流/功率曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，为大功率光伏逆变器主电路结构图，包括直流输入电路、三相全桥IGBT主功率电路、LC滤波电路和交流接触器等。基于图1的逆变器主电路结构图，本发明提出基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，如下：

请参阅图2，本发明的最大功率跟踪方法，包括如下步骤：

步骤1，实时检测逆变器直流母线电压U_dc和直流输入电流I_dc，从而计算得到实时输入功率P_dc；

步骤2，对直流母线电压U_dc的给定值U_{dc_ref}进行扰动，将U_dc和U_{dc_ref}的差值经PI调节器调节后作为逆变器电流控制的给定输入值I_ref(t)，给定输入值计算过程如下：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})$

其中，Δu_dc(t)为直流母线电压U_dc和直流母线给定电压U_{dc_ref}之差，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，t为时间，

为PI调节器的积分部分。

步骤3，通过逆变器对输出电流的PI调节，使输出的有功电流值I_d=I_ref(t)。

步骤4，计算经过该次扰动后逆变器输入功率P_dc的变化情况，通过扰动方向和P_dc变化趋势的关系判断出当前运行情况下U_dc的增减对逆变器输入功率P_dc的影响，最终得到该情况下逆变器输入功率为最大时应有的直流母线电压值，使逆变器保持在此母线电压值附近运行，从而达到最大功率跟踪的效果。其中，利用对U_{dc_ref}的扰动达到最大功率跟踪效果的过程如下：

在逆变器运行过程中，选择适当的PI调节器调整因子，使得直流母线电压U_dc跟上U_{dc_ref}的变化，即认为U_dc=U_{dc_ref}；利用每个功率调整周期对U_{dc_ref}的扰动，达到对U_dc的扰动，从而判断出当前运行情况下U_dc的增减对逆变器输入功率P_dc的影响，最终得到该情况下逆变器输入功率为最大时应有的直流母线电压值，达到最大功率跟踪的效果。

本实施例具体作如下分析：

请参阅图3a、图3b、图3c，为大功率光伏逆变器的电压/电流/功率曲线，以光伏逆变器从上电到在最大功率点处稳定运行的调节过程以及逆变器遇到光照突降的情况为例，来说明本发明的实施步骤。图中，MPP指Maximum power point（光伏阵列最大功率点）。

如图3a所示，在光伏逆变器刚开始逆变的时刻，直流母线电压由PV阵列所提供，逆变器处于功率曲线的开环电压处（VOC），电压为最高，电流为最小。对直流母线电压U_dc的参考值U_{dc_ref}进行扰动，使U_{dc_ref}<U_dc，两者之差进行PI调节，获得逆变器输出电流的给定值，即：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;})$

以I_ref(t)为参考值对逆变器的输出电流进行PI调节，直至逆变器的输出有功电流值I_d=I_ref(t)。

如图3a，在逆变器开始逆变的时刻，I_d=0，U_dc=U_VOC，故经过一次扰动后，逆变器调整的结果将使I_d>0，逆变器的工作点将沿PV阵列的功率曲线上移，使U_dc<U_VOC，逆变器输入功率P_dc增加。即该次扰动是使得P_dc增加的正确扰动方向，故继续按此扰动方向进行扰动，使U_{dc_ref}持续减小。

如图3b所示，U_dc随U_{dc_ref}继续减小，直至U_dc到达PV阵列的最大功率点处。此时***将按照既有的扰动方向对U_{dc_ref}再一次进行减小，逆变器的工作点也将继续左移，使***的工作点偏离最大功率点，向功率减小，电压减小的方向移动。

***计算可得此次扰动使P_dc减小，则再一次扰动将改变扰动方向，即令U_{dc_ref}增大，则此时U_dc<U_{dc_ref}，按照：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;})$

I_ref(t)减小，逆变器经PI调节之后输出的有功电流I_d将随之减小，***的工作点将向功率曲线的右侧，即电压增大、电流减小的方向移动，直至再次越过PV阵列的最大功率点，回到最大功率点的右侧。

***在最大功率点两侧持续进行对U_{dc_ref}的扰动，扰动的方向随***的工作点的位置改变，最终达到相对稳定的状态，***将在最大功率点附近稳定运行。

如图3c所示，当稳定在最大功率点处运行的逆变器的PV阵列所处环境发生光照瞬时跌落，PV阵列的功率曲线将发生改变，由于***的输出电流需要经过PI调节器进行调节，其变化速度相对于直流母线电压下降较慢，故***的工作点将向电流增大、电压降低的方向偏离，即工作点落到新的功率曲线的最大功率点的左侧。

对于一般利用对逆变器输出电流控制进行最大功率跟踪的***，由于在功率曲线最大功率点左侧***电流随***功率变化的趋势非常平缓，在一般采样精度的条件下，难以通过对电流的扰动获得正确的***功率P_dc的变化趋势，故在光照跌落情况下最大功率点左侧运行的***存在直流母线崩溃的风险。

而本发明基于对母线电压的控制进行最大功率跟踪，在最大功率点左侧电压随***功率变化的趋势仍然比较明显，在不需要对采样精度进行提高的条件下，通过对电压的扰动寻找P_dc的变化趋势依然比较容易，***能够在光照跌落后寻找到新的功率曲线的最大功率点并且继续高效、稳定的运行。

使用本发明运行的大功率光伏逆变器，在模拟光伏阵列运行情况的直流源的测试条件下稳定运行时的最大功率跟踪效率超过99.3%，满足光伏逆变器的效率要求。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (3)

1.一种基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，实时检测逆变器直流母线电压U_dc和直流输入电流I_dc，计算得到实时输入功率P_dc；

步骤2，对直流母线电压U_dc的给定值U_{dc_ref}进行扰动，将U_dc和U_{dc_ref}的差值经PI调节器调节后作为逆变器电流控制的给定输入值I_ref(t)；

步骤3，逆变器按照给定输入值I_ref(t)对输出电流进行PI调节，使输出的有功电流值I_d=I_ref(t)；

步骤4，计算经过该次扰动后逆变器输入功率P_dc的变化情况，若P_dc增大，则再次对U_{dc_ref}进行相同方向的扰动，若P_dc减小，则对U_{dc_ref}进行相反方向的扰动，最终得到逆变器输入功率为最大时应有的直流母线电压值。

2.根据权利要求1所述的基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述步骤4中，选择适当的PI调节器调整因子，使得直流母线电压U_dc跟上U_{dc_ref}的变化，即认为U_dc=U_{dc_ref}；利用每个功率调整周期对U_{dc_ref}的扰动，达到对U_dc的扰动，从而判断出当前运行情况下U_dc的增减对逆变器输入功率P_dc的影响。

3.根据权利要求1所述的基于直流母线电压控制的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述步骤2中，所述给定输入值I_ref(t)通过如下公式计算得到：

$I_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=K_p(\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{dc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;})$

其中，Δu_dc(t)为直流母线电压U_dc和直流母线给定电压U_{dc_ref}之差，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，t为时间，

为PI调节器的积分部分。

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