CN104615189B

CN104615189B - 一种适用于单级式并网光伏逆变***的最大功率跟踪方法

Info

Publication number: CN104615189B
Application number: CN201510047916.7A
Authority: CN
Inventors: 刘邦银; 邹常跃; 段善旭; 李锐
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN104615189A

Abstract

本发明公开了一种适用于单级式并网光伏逆变器的最大功率跟踪方法。所述最大功率跟踪方法特征在于周期性执行如下步骤：(1)采样光伏阵列输出电压，判断光伏阵列输出电压是否降低到设置的临界值以下，是则跳过步骤(2)、(3)、(4)执行步骤(5)，否则执行步骤(2)；(2)判断光伏阵列电压是否增加，若是则执行步骤(3)，否则跳过步骤(3)执行步骤(4)；(3)记录当前光伏阵列电压和并网电流指令；(4)增加并网电流指令并限幅，限幅值为步骤(5)中的记录值；(5)记录当前并网电流指令，并减小并网电流指令；(6)并网电流指令经电流环后得到PWM控制信号，控制开关管动作，实现最大功率跟踪；本方法减少了采样量，且在多极值点的工况下可跟踪到全局最大功率点。

Description

一种适用于单级式并网光伏逆变***的最大功率跟踪方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，更具体地，涉及一种适用于单级式并网光伏逆变***的最大功率跟踪方法。

背景技术

光伏并网发电***因其无污染等优势受到研究人员的广泛关注。因光伏阵列输出功率随天气变化而大范围变化，因而需要利用最大功率跟踪技术使光伏阵列利用率维持在较高水平。

双级式***由DC-DC电路和DC-AC电路串联而成，通常由DC-DC变换环节实现最大功率跟踪，DC-AC环节根据光伏阵列电压外环生成并网电流指令，维持光伏阵列电压恒定。与双级式***不同，单级式***可以取消电容电压控制环，直接由最大功率跟踪方法生成最终并网电流指令，这样避免了光伏阵列电压环的加入，控制器设计更加简单。

在单级式并网光伏***中，常用的最大功率跟踪方法有扰动观察法及导纳增量法等。这类算法根据功率与电压的变化方向来判断当前工作点位于最大功率点左侧或右侧，实现最大功率跟踪。通常需要同时采样光伏阵列电压和光伏阵列输出电流，且同时需考虑MPPT算法对***稳定性的影响，增加防失稳算法。

此外，传统最大功率跟踪方法通常不能区分局部最大功率点和全局最大功率点，因而需使用额外算法，例如基于粒子群算法的分布MPPT算法以适应多极值点工况，这一算法很大程度上增加了实现复杂度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于单级式并网光伏***的单电压采样的最大功率跟踪方法，减少了最大功率跟踪需要的采样量，算法天然具备追踪全局最大功率点的能力，同时避免了光伏阵列电压崩溃的可能。

为实现上述目的，本发明提供了一种单电压采样的最大功率跟踪方法，包括周期性地执行如下步骤：(1)采样光伏阵列的输出电压，判断光伏阵列输出电压是否降低到设置的临界值以下，是则跳过步骤(2)(3)(4)执行步骤(5)，否则执行步骤(2)；(2)根据连续两次光伏阵列采样值来判断光伏阵列电压是否增加，若是则执行步骤(3)，否则跳过步骤(3)执行步骤(4)；(3)记录当前光伏阵列电压和并网电流指令；(4)增加并网电流指令，但最大值小于步骤(5)记录的并网电流指令；(5)记录当前时刻并网电流指令，并减小并网电流指令；(6)并网电流指令经电流环后得到PWM控制信号，控制逆变电路开关管的开关动作，实现最大功率跟踪。

优选地，所述步骤(1)中，设置的临界光伏阵列电压为式中ΔV_Lmax为滤波电路上最大压降；对单相全桥***，U_grid为电网电压有效值，对三相***，U_grid为相电压有效值，若采用SPWM调制，若采用SVPWM调制k_c为可靠系数，为大于1的常数。

优选地，所述步骤(3)中，电流指令减小幅度宜选取为：式中U_x为最后一次使光伏阵列电压增加对应的光伏阵列电压，I_x为此时的并网电流指令，U_n为当前采样到的光伏阵列电压，k为可靠系数，是大于1的常数。

由于仅根据直流电压是否出现崩溃性下降或降低到额定电压以下，本发明所提最大功率跟踪方法无需采样直流输入电流，减少了采样量，降低了最大功率跟踪方法实现的硬件成本。其次，所述最大功率跟踪方法利用单级式***中输出功率大于光伏阵列能全局最大功率会出现光伏阵列电压崩溃特性实现最大功率跟踪，在局部极值点并不会产生电压崩溃现象，因而天然具备跟踪全局最大功率点的功能。最后，在该方法下，最大功率跟踪对***稳定性的影响得到直接处理，因而不会因最大功率跟踪方法误判导致***失稳。

附图说明

图1是本发明提供的光伏***最大功率跟踪方法的实现流程图；

图2是本发明提供的单级式并网光伏***；

图3是本发明的实验测试图；其中图3(a)为***追踪单峰曲线实验波形；图3(b)为利用光伏模拟源模拟的双峰曲线；图3(c)为***追踪双峰曲线实验波形；图3(a)与图3(c)中左侧数字为示波器对应通道的零点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明所述的最大功率跟踪方法，参见图1，101，采集输入光伏阵列电压，即光伏阵列输出电压，根据采样值判断光伏阵列电压是否小于若是，则跳转105；否则跳转102；

102：根据相邻两次光伏阵列电压采样值，判断光伏阵列电压是否增加，若是则执行103，否则跳过103执行104；

103：记录当前光伏阵列电压和并网电流指令，为电压跌落后的功率减小提供数据依据；

104：增加并网电流指令，并网电流指令越大，最大功率跟踪速度越快，但稳态时波动；反之，则跟踪速度越慢，稳定波动小；实际***中电流增量可取为额定功率的0.05％～0.2％，但增加后电流指令需小于105中记录的电流指令，避免光伏阵列电压再次跌落到临界值以下；

105：记录当前并网电流指令，并减小并网电流指令，指令减小步长不小于ΔI_D；ΔI_D的计算式为

106：并网电流指令经电流环后得到输出PWM控制信号，控制逆变电路开关管的开关动作，实现最大功率跟踪。

为了更进一步的说明本发明提供的适用于单级式并网光伏逆变***的最大功率跟踪方法，现结合图2和具体实例详述如下：

图2示出了单级式并网光伏发电***的结构图及控制策略，单级式并网光伏发电***包括依次串联在电网接入端的光伏阵列、逆变电路和滤波电路。其控制方法为：最大功率跟踪方法如图1所示，最大功率跟踪方法输出并网有功电流指令，无功功率指令通过上位机设置，默认为0；并网电流经过abc/dq坐标变换后得出输出有功、无功电流大小，上述指令与实际电流值相减，并经过控制器(常用比例-积分控制器)形成d、q轴下控制指令，d、q轴下控制指令经dq/abc坐标变换及SVPWM算法后形成PWM控制信号，控制开关管动作，实现最大功率跟踪。

以一个630kW三相光伏并网***为例进一步说明实施方案。***中直流母线电容为25.2mF，电网电压为181.8V(相有效值)，采用SVPWM调制，最大功率算法扰动步长为1A(峰值)，如图1所述循环每100ms执行一次，注入有功时最大电感压降为54.4V。根据上述公式计算得：

U_{c} = k_{c} n \sqrt{U_{grid}^{2} + Δ V_{L \max}^{2}} = 1.05 \times \sqrt{6} \times \sqrt{{181.8}^{2} + 54. 4^{2}} = 488 V,

取490V。即光伏阵列电压临界值选取为490V。

电流指令减小量按式计算。

设置上述变量后，***运行波形图如图3所示。图3(a)为***追踪单峰曲线实验波形。图中直流母线电压发生快速跌落并跌落到临界值以下，并网电流指令减小以维持***稳定；从长时运行中观察到，采用该算法后***不出现直流母线电压快速下降导致***不稳的现象。图3(b)为利用光伏模拟源模拟的双峰曲线，图3(c)为***追踪双峰曲线实验波形，图中直流母线电压第一次出现快速下降对应双峰曲线的第一个峰值，由于并未达到全局最大功率点，母线电压在短暂下降后回升，而直流输出电流在电压回升后继续上升，***朝着全局最大功率点移动，图中第二次电压快速跌落对应达到最大功率点，其特性与图3(a)类似。测试结果表明，所述最大功率跟踪方法天然适应多峰值点曲线，可有效跟踪到全局最大功率电。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于单级式并网逆变器的最大功率跟踪方法，其特征在于，周期性执行以下步骤：

(1)获取光伏阵列电压采样值，判断光伏阵列输出电压是否降低到设置的临界值U_c以下，若是，则转入步骤(5)，若否，则进入步骤(2)；

(2)根据连续两次光伏阵列采样值来判断光伏阵列电压是否增加，若是，则进入步骤(3)，若否，则转入步骤(4)；

(3)记录当前时刻的光伏阵列电压和并网电流指令；

(4)增加所述并网电流指令，并转入步骤(6)；

其中，电流增量为额定功率的0.05％～0.2％，且增加后电流指令需小于上一次步骤(5)中记录的电流指令；

(5)记录当前时刻的并网电流指令，并减小所述并网电流指令；

其中所述并网电流指令的减小步长不小于ΔI_D；

(6)并网电流指令经电流环后得到输出PWM控制信号，控制逆变电路开关管的开关动作，实现最大功率跟踪。

2.如权利要求1所述的最大功率跟踪方法，设置的临界值U_c为逆变器逆变最低门槛电压，

U_{c} = k_{c} n \sqrt{U_{g r i d}^{2} + {ΔV}_{L m a x}^{2}},

其中，ΔV_Lmax为滤波电路上最大压降；对单相全桥***，U_grid为电网电压有效值，对三相***，U_grid为相电压有效值，若采用SPWM调制，若采用SVPWM调制k_c为可靠系数，为大于1的常数。

3.如权利要求1所述的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据最后一次光伏阵列电压增加时的光伏阵列电压、并网电流及当前采样到的光伏阵列电压计算最小电流减小量ΔI_D，其计算公式为：

Δ I_{D} = k \frac{U_{x} - U_{n}}{U_{x}} \times I_{x};

其中，U_x、I_x为步骤(3)中记录的值，即U_x为最后一次使光伏阵列电压增加对应的光伏阵列电压，I_x为对应时刻的并网电流指令，U_n为当前采样到的光伏阵列电压，k为可靠系数，是大于1的常数。