CN116454980B - 电源变换装置及最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电源变换装置及最大功率点跟踪控制方法元，涉及光伏发电领域，通过采样连接光伏组件的升压隔离DC/DC变换器的输出端的母线输出电流和母线电压实现光伏组件的最大功率点跟踪控制，将用于追踪光伏组件的最大功率点所需的信号的采样电路由变压器的原边侧移动到了变压器的副边侧，而可以采用较大阻值的采样电阻，以提高采样精度，且损耗也不大，因此可兼具电流采样的精度高和损耗低的优点，设计难度大大降低，并且采用采样电阻的非隔离采样方式的采样延时也较小，控制的实时性更好。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，尤其是电源变换装置及最大功率点跟踪控制方法。
背景技术
在常规能源短缺日益严重的当下，光伏发电作为一种节能环保的绿色发电方式，无论在国内还是国外都逐渐被推广使用。
光伏组件（也即通常所说的太阳能光伏板）将接收到的光照转换成以直流电形成存在的电能，然后变换器将直流电转换为另一直流电而为直流负载供电，或将直流电转换为交流电并网或为交流负载供电。
众所周知，光伏组件的输出功率受光照影响，为获得最大功率输出，光伏组件的最大功率跟踪成为光伏发电的一个核心技术，并随着技术的进步，产品的迭代，已经成为了光伏发电（如光伏单相逆变器，优化器，光伏控制盒等）产品中必不可却，且成熟的技术。
请参阅图1所示的常规光伏组件的PV曲线示意图，可以看到光伏组件的最大功率点只有一个，且与光伏组件的电压相关。现有技术中，通常通过采样光伏组件（PV）的电压和电流，通过计算光伏组件的功率，扰动光伏组件的电压，从而实现追踪光伏组件的最大功率点工作的目的。
对于传统组串式单相逆变器，将光伏组件串联起来获得高压之后进单相逆变器，后级的单相逆变器广泛的使用boost电路作为前级，之后再将高压直流逆变后进电网。由于boost电路和逆变电路均为非隔离变换器，控制器和boost电路共地，因此可以直接使用低成本的电阻加运放的采样方式获取光伏组件串的电压和电流，以实现光伏组件的最大功率点追踪。
随着各国对于光伏发电安全的重视度增加，优化器、微型单相逆变器很快进入大家视野，特别是微型单相逆变器，因能实现低压隔离、组件级的最大功率跟踪和监控，越来越受到人们的青睐。
由于单块光伏组件的输出电压较低，传统的前级boost加后级逆变器的方案，由于boost升压比高，转换效率低等缺点越发明显。所以对于连接单块光伏组件的微型单相逆变器而言，行业里大部分都选择了高频隔离的方案比如反激，LLC，推挽（push-pull）等电路作为前级，利用高频变压器自带的匝比实现高升压。这种高频隔离的方案，将光伏组件和逆变器隔离开来。请参阅图2所示的典型的微型单相逆变器示意图，光伏组件210和逆变器220被高频隔离变换器230中的高频变压器231隔离开来。
由于光伏组件210和逆变器220是隔离的关系，目前的***方案有采用一颗DSP和采用两颗DSP进行控制的两种方案。
其中采用一个DSP的方案为：将控制器240放在光伏组件210侧的低压侧，使用电阻加运放的方式采样光伏组件210的电压Vpv和电流Ipv，使用隔离采样的方式采样交流电压Vac和交流电流Iac；或为：将控制器240放在高压的逆变器220侧，使用电阻加运放的方式采样交流电压Vac和交流电流Iac，同时使用隔离采样光伏组件210的电压Vpv和电流Ipv，并且使用隔离驱动的方式驱动高频隔离变换器230中光伏组件210侧的低压侧的开关管，请参阅图3所示的典型的微型单相逆变器示意图。
这里，光伏组件210的电压Vpv和电流Ipv用于最大功率算法控制，逆变器逆变侧的交流电压Vac和交流电流Iac用于逆变器220的控制。可以看到，无论将控制器240放到光伏组件210侧还是逆变器220所在的交流侧，都必须要采用隔离采样，来获取控制器不在的那一侧的电压和电流。
目前的隔离采样包括光隔离采样、容隔离采样以及磁隔离采样，相比于电阻加运放的非隔离（或称直接采样）成本都会贵非常多、且体积大，并且隔离采样会引入采样延时，给控制带来不便。
其中采用两颗DSP进行控制的方案为：一颗控制器（DSP1）放到光伏组件侧，一颗控制器（DSP2）放到逆变器所在的交流侧，分别直接采样最大功率电跟踪需要的电信号，以及逆变控制需要的电信号，之后通过光耦隔离通讯让DSP1和DSP2互通信息，这种方案虽然避免了采用隔离采样，但需要两颗DSP，成本增加不少，***电路增加也较多。
另外，光伏组件的功率等级通常为几百瓦，如常用的600W。光伏组件的电压Vpv通常为几十伏，如二十几伏或三十几伏，则光伏组件的电流Ipv通常为几十安，如二十安到三十安之间。为实现最大功率电跟踪，在采样光伏组件的电流Ipv的电流时，如果为电阻加运放的非隔离采样方式，如为获得精准的采样，需要采用较大阻值的采样电阻，则会导致采样损耗很大，而如为减少损耗，需要采用较小阻值的采样电阻，则会导致采样精度不够。因此现有技术，还存在光伏组件的电流Ipv采样在精度和损耗之间不能兼具的缺点，导致设计难度大。
发明内容
本发明提出一种应用于光伏***中的电源变换装置，包括：第一升压隔离DC/DC变换器，包括变压器，所述第一升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接一第一光伏组件，所述第一升压隔离DC/DC变换器的输出端用于一直流母线；控制器，接收所述直流母线的母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流，根据所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器工作的开关控制信号控制，以进行所述第一光伏组件的最大功率点跟踪控制。
更进一步的，所述控制器与所述变压器的副边绕组共地。
更进一步的，控制所述第一升压隔离DC/DC变换器的所述开关控制信号控制使得所述第一升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流最大化。
更进一步的，所述控制器包括：第一乘法运算模块，将所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率；最大功率点跟踪控制模块，根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率与前一时刻输出功率的差值，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数；第二乘法运算模块，将所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数与所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值；第一减法运算模块，将所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值与所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做减法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值；第一运算单元，根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器的所述开关控制信号。
更进一步的，还包括逆变器，所述逆变器的直流端连接所述直流母线，所述逆变器的交流端用于输出交流电。
更进一步的，所述控制器还接收所述逆变器输出的交流电的交流电流和交流电压，并且根据所述母线电压、所述交流电流和所述交流电压输出控制所述逆变器工作的开关控制信号。
更进一步的，所述控制器还包括：第二减法运算模块，将母线电压参考值与所述母线电压做减法运算，得到母线电压差值；第二运算模块，根据所述母线电压差值得到所述交流电流变化系数；锁相控制模块，根据所述交流电压输出经锁相之后的正弦波；第三乘法运算模块，将所述经锁相之后的正弦波、所述交流电流变化系数以及交流电流峰值做乘法运算，得到交流电流参考值；第三减法运算模块，将所述交流电流参考值与所述交流电流做减法运算，得到交流电流差值；第三运算单元，根据所述交流电流差值输出控制所述逆变器的开关控制信号。
更进一步的，还包括：第二升压隔离DC/DC变换器，包括变压器，所述第二升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接一第二光伏组件，所述第二升压隔离DC/DC变换器的输出端用于所述直流母线；所述控制器还接收所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流，根据所述母线电压和所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流输出控制所述第二升压隔离DC/DC变换器工作的开关控制信号控制，以进行所述第二光伏组件的最大功率点跟踪控制。
更进一步的，控制所述第二升压隔离DC/DC变换器的所述开关控制信号控制使得所述第二升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流最大化。
更进一步的，所述第一光伏组件由一个光伏电池组形成，或者由多个光伏电池组串并联形成。
本申请还提供一种光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，包括：一电压检测电路检测连接一第一升压隔离DC/DC变换器输出端的直流母线的母线电压；第一电流检测电路检测所述第一升压隔离DC/DC变换器的输出端的母线输出电流；一控制器根据所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流进行一第一光伏组件的最大功率点跟踪控制，其中所述第一升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接所述第一光伏组件。
更进一步的，所述控制器根据所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流控制使得所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流最大化，以实现所述第一光伏组件的最大功率点跟踪控制。
更进一步的，所述控制器执行：将所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率；根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率与前一时刻输出功率的差值，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数；将所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数与所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值；将所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值与所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做减法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值；根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器的开关控制信号，以跟踪所述第一光伏组件的最大功率点。
更进一步的，还包括：一交流电压检测电路检测一逆变器的交流输出侧的交流电压；一交流电流检测电路检测所述逆变器的交流输出侧的交流电流，其中所述逆变器的直流端连接所述直流母线，所述控制器还执行：根据所述母线电压、所述交流电流和所述交流电压输出控制所述逆变器工作的开关控制信号。
更进一步的，所述控制器还执行：将母线电压参考值与所述母线电压做减法运算，得到母线电压差值；根据所述母线电压差值得到所述交流电流变化系数；根据所述交流电压输出经锁相之后的正弦波；将所述经锁相之后的正弦波、所述交流电流变化系数以及交流电流峰值做乘法运算，得到交流电流参考值；将所述交流电流参考值与所述交流电流做减法运算，得到交流电流差值；根据所述交流电流差值输出控制所述逆变器的所述开关控制信号。
更进一步的，还包括：第二电流检测电路检测一第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流；所述控制器还根据所述母线电压和所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流进行一第二光伏组件的最大功率点跟踪控制，其中所述第二升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接所述第二光伏组件。
更进一步的，所述控制器根据所述母线电压和所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流控制使得所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流最大化，以实现所述第二光伏组件的最大功率点跟踪控制。
附图说明
图1为常规光伏组件的PV曲线示意图。
图2为典型的微型单相逆变器示意图。
图3为典型的微型单相逆变器示意图。
图4为典型的电源变换装置示意图。
图5为本发明一实施例的电源变换装置示意图。
图6为升压隔离DC/DC变换器的输出功率与母线输出电流之间的曲线示意图。
图7为本申请一实施例的应用于图5所示的电源变换装置内的控制器的示意图。
图8为本发明另一实施例的电源变换装置示意图。
图9为本申请一实施例的应用于图8所示的电源变换装置内的控制器的示意图。
图10为本申请另一实施例的电源变换装置示意图。
图11为应用于图10所示的电源变换装置的控制器示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图4所示的典型的电源变换装置示意图，该电源变换装置应用于光伏逆变***。如图4所示，电源变换装置至少包括第一升压隔离DC/DC变换器230和逆变器220，第一升压隔离DC/DC变换器230包括变压器231，第一升压隔离DC/DC变换器230的输入端连接第一光伏组件210，第一升压隔离DC/DC变换器230的输出端连接直流母线250，第一光伏组件210用于将光能转换为电能，第一升压隔离DC/DC变换器230用于将第一光伏组件210产生的电能升压变化为输出到直流母线250处的直流电，第一升压隔离DC/DC变换器230中的变压器231实现第一光伏组件210与直流母线250间的隔离。逆变器220的直流端连接直流母线250，将直流母线250上的直流电逆变为交流电，而用于并网或为交流负载供电。如此实现光伏发电。
请继续参阅图4，电源变换***还可包括第二升压隔离DC/DC变换器330，第二升压隔离DC/DC变换器330包括变压器331，第二升压隔离DC/DC变换器330的输入端连接第二光伏组件310，第二升压隔离DC/DC变换器330的输出端连接直流母线250。同样的，第二光伏组件310用于将光能转换为电能，第二升压隔离DC/DC变换器330用于将第二光伏组件310产生的电能升压变化为输出到直流母线250处的直流电，第二升压隔离DC/DC变换器330中的变压器331实现第二光伏组件310与直流母线250间的隔离。
如此，多路升压隔离DC/DC变换器做为前级电路，一个逆变器220做为后级逆变电路，可提高电源变换装置的功率等级及效率。并且与传统的前级boost电路相比，升压隔离DC/DC变换器利用高频变压器自带的匝比实现高升压。图4为目前典型的应用于光伏逆变***的电源变换装置，其还可以根据需要设计前级的升压隔离DC/DC变换器的数量，满足不同功率等级的需求。
对于图4所示的电源变换装置，也如现有技术中所述，为跟随光伏组件的最大功率点，并对逆变器进行控制，需要同时采样光伏组件的电压Vpv和电流Ipv以及逆变器逆变侧的交流电压Vac和交流电流Iac，因此无论将控制器放到光伏组件侧还是逆变器所在的交流侧，都必须要采用隔离采样，来获取控制器不在的那一侧的电压和电流，而导致光伏最大功率点跟踪控制存在成本高、体积大、信号延迟或损耗大的问题。
对于升压隔离DC/DC变换器，输入侧接收光伏组件输出的电能，也即具有输入功率Pin=Vpv*Ipv，其中Vpv为光伏组件的电压，Ipv为光伏组件的电流。输出侧输出母线电压Vbus和母线输出电流Ibus，也即具有输出功率Pout=Vbus*Ibus。由于升压隔离DC/DC变换器的功率损耗，通常Pout=k*Pin，其中k大于0小于1。
现有技术中，通常通过采样光伏组件（PV）的电压和电流来计算光伏组件的功率，扰动光伏组件的电压，从而实现追踪光伏组件的最大功率点工作的目的，可参考图2和图3，也即实现升压隔离DC/DC变换器的输入功率Pin最大化。而存在现有技术中提到的诸多问题。
然而经发明人研究发现，根据升压隔离DC/DC变换器输入功率Pin与输出功率Pout的关系（Pout=k*Pin）可知，若能实现输出功率Pout最大化则就能实现输入功率Pin最大化。
基于实现升压隔离DC/DC变换器的输出功率Pout最大化则就能实现输入功率Pin最大化的理念，本发明一实施例中，在于提供一种电源变换装置，其可应用于光伏发电***，具体的，请参阅图5所示的本发明一实施例的电源变换装置示意图，电源变换装置包括：第一升压隔离DC/DC变换器230，包括变压器231，第一升压隔离DC/DC变换器230的输入端用于连接一第一光伏组件210，第一升压隔离DC/DC变换器230的输出端用于一直流母线250；
控制器240，接收直流母线250的母线电压Vbus和第一升压隔离DC/DC变换器230输出的母线输出电流Ibus1，根据母线电压Vbus和第一升压隔离DC/DC变换器230输出的母线输出电流Ibus1输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器230工作的开关控制信号C1，以进行第一光伏组件210的最大功率点跟踪控制。
如上所述，实现通过采样光伏组件（PV）的电压和输出电流实现追踪光伏组件的最大功率点，转换为通过采样压隔离DC/DC变换器输出侧的母线电压和母线输出电流实现追踪光伏组件的最大功率点，也即将用于追踪光伏组件的最大功率点所需的信号的采样电路由变压器的原边侧移动到了变压器的副边侧。目前直流母线的母线电压Vbus通常为400V，并有向600V过渡的趋势。对于母线电压Vbus为400V直流母线，功率等级为600W的光伏组件，则第一升压隔离DC/DC变换器230输出的母线输出电流Ibus1仅为1.5A，相对于光伏组件的几十安的电流Ipv，其电流值大大降低。因此可以采用较大阻值的采样电阻，以提高采样精度，且损耗也不大。因此本申请提供的电源变换装置可兼具电流采样的精度高和损耗低的优点，设计难度大大降低。并且采用采样电阻的非隔离采样方式的采样延时也较小，控制的实时性更好。
在具体应用中，用于采样一升压隔离DC/DC变换器230输出的母线输出电流Ibus1的电流采样电路通常为电阻加运放的采样电路。其不但具备非隔离采样电路的体积小、成本低的优势，还具备上述的电流采样精度高和损耗低的优点。
更进一步的，如图5所示，第一升压隔离DC/DC变换器230包括开关管，开关控制信号C1用于控制第一升压隔离DC/DC变换器230内开关管，而实现第一光伏组件210的最大功率点跟踪控制。
更进一步的，第一升压隔离DC/DC变换器230可为任何的兼具升压和隔离功能的变换器，如反激，LLC，推挽（push-pull）等电路，本申请对第一升压隔离DC/DC变换器230的具体结构并不限定。
通常，第一升压隔离DC/DC变换器230包括原边开关单元、变压器和副边开关单元，原边开关单元连接在第一光伏组件210与变压器230的原边绕组之间，副边开关单元连接在变压器230的副边绕组与直流母线250之间。上述的开关控制信号C1通常用于控制原边开关单元内的开关管，而实现第一光伏组件210的最大功率点跟踪控制。
在实际应用中，控制器240与变压器231的副边绕组共地。而可实现将用于追踪光伏组件的最大功率点所需的信号的采样电路放在变压器的副边侧。
请参阅图6所示的升压隔离DC/DC变换器的输出功率与母线输出电流之间的曲线示意图。升压隔离DC/DC变换器的输出功率Pout=Vbus*Ibus，其中母线电压Vbus为基本恒定的电压值，因此升压隔离DC/DC变换器的输出功率Pout随升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus的增大而增大，基本成线性关系。因此只要控制升压隔离DC/DC变换器使得升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus最大化，就可以使得升压隔离DC/DC变换器的输出功率Pout最大化，进而实现第一光伏组件210的最大功率点跟踪。
也即，更进一步的，控制第一升压隔离DC/DC变换器230的开关控制信号C1控制使得第一升压隔离DC/DC变换器230输出的母线输出电流Ibus1最大化。这里的“最大化”指使被控制对象趋近于其所能达到的最大值。
具体的，请参阅图7所示的本申请一实施例的应用于图5所示的电源变换装置内的控制器的示意图，如图7所示，控制器240包括：
第一乘法运算模块2411，将母线电压Vbus和第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1做乘法运算，得到第一升压隔离DC/DC变换器230的当前输出功率Pbus1；
最大功率点跟踪控制模块（MPPT）2412，根据第一升压隔离DC/DC变换器230的当前输出功率Pbus1与前一时刻输出功率的差值，得到第一升压隔离DC/DC变换器230的额定电流变化系数k1；
第二乘法运算模块2413，将第一升压隔离DC/DC变换器230的额定电流变化系数k1与第一升压隔离DC/DC变换器230的额定电流Irated做乘法运算，得到第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流参考值Ibus_ref1；
第一减法运算模块2414，将第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流参考值Ibus_ref1与第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1做减法运算，得到第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流差值Err_Ibus1；
第一运算模块2415，根据第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流差值Err_Ibus1输出控制第一升压隔离DC/DC变换器230的开关控制信号C1。
具体的，在一实施例中，第一运算模块2415为PI模块。但本申请并不限定第一运算模块2415的具体类型，只要能根据母线输出电流差值Err_Ibus1输出所需的开关控制信号即可。
具体的，在实际应用中，控制器240为DSP或其它的微型控制器。因此上述的第一乘法运算模块2411、最大功率点跟踪控制模块（MPPT）2412、第二乘法运算模块2413、第一减法运算模块2414以及第一运算模块2415通过编程实现。
具体的，根据图7所示的控制器原理可知，用于最大功率点追踪控制的环路为控制母线输出电流Ibus的电流环，通过计算第一升压隔离DC/DC变换器230的输出功率，扰动第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1，实现第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1的最大化，以跟踪第一升压隔离DC/DC变换器230的最大输出功率，从而实现追踪光伏组件的最大功率点工作的目的。
通常实现追踪光伏组件的最大功率点的控制器还用于后级的逆变器的控制，因此用于追踪光伏组件的最大功率点所需的信号的采样以及用于逆变器的控制的采样均位于变压器的副边侧，而无需隔离采样，因此相对于现有技术，具有光伏最大功率点跟踪控制成本低、且体积小以及无信号延迟的优点。
请参阅图8所示的本发明另一实施例的电源变换装置示意图，电源变换装置还包括逆变器220，逆变器220的直流端连接直流母线250，逆变器220的交流端用于输出交流电。也即逆变器220用于将直流母线处的直流电逆变为交流电，以为交流负载供电或并网。则图8所示的电源变换装置实现为光伏逆变***。
具体的，如图8所示，控制器240还接收逆变器220输出的交流电的交流电流Iac和交流电压Vac，并且根据母线电压Vbus、交流电流Iac和交流电压Vac输出控制逆变器220工作的开关控制信号C_IVT，以实现将直流电变换为交流电，并稳定母线电压Vbus。也因为母线电压Vbus被后级的逆变器稳住，所以可以通过控制使得第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1最大化，而实现第一升压隔离DC/DC变换器230的最大输出功率，从而实现追踪光伏组件的最大功率点的目的。
请参阅图9所示的本申请一实施例的应用于图8所示的电源变换装置内的控制器的示意图，如图9所示，控制器240在图7所示的基础上还包括：
第二减法运算模块2421，将母线电压参考值Vbus_ref与母线电压Vbus做减法运算，得到母线电压差值Err_Vbus；
第二运算模块2422，根据母线电压差值Err_Vbus得到交流电流变化系数k3；
锁相控制模块2426，根据交流电压Vac输出经锁相之后的正弦波Sin；
第三乘法运算模块2423，将经锁相之后的正弦波Sin、交流电流变化系数k3以及交流电流峰值Iac_pk做乘法运算，得到交流电流参考值Iac_ref；
第三减法运算模块2424，将交流电流参考值Iac_ref与交流电流Iac做减法运算，得到交流电流差值Err_Iac；
第三运算模块2425，根据交流电流差值Err_Iac输出控制逆变器220的开关控制信号C_IVT。
具体的，在一实施例中，第二运算模块2422和第三运算模块2425为PI模块。但本申请并不限定第二运算模块2422和第三运算模块2425的具体类型，只要第二运算模块2422能根据母线电压差值Err_Vbus得到交流电流变化系数k3即可，只要第三运算模块242能根据交流电流差值Err_Iac输出控制逆变器220的开关控制信号C_IVT即可。
同样的上述的第二减法运算模块2421、第二运算模块2422、锁相控制模块2426、第三乘法运算模块2423、第三减法运算模块2424以及第三运算模块2425通过在控制器240内编程实现。
如图9所示，后级的逆变器的控制包含两个环路，一个是母线电压Vbus的电压环，其输出为交流电流变化系数k3，交流电流变化系数k3乘以经过锁相之后的正弦波Sin，再乘以交流电流峰值Iac_pk获得交流电流参考值Iac_ref，之后使用采样到的交流电流Iac和交流电流参考值Iac_ref的差做PI，获得控制后级的逆变器的开关控制信号C_IVT。后级的逆变器的两个环路，一个用于稳定母线电压Vbus，一个用于输出正弦电流。
这里的母线电压参考值Vbus_ref和交流电流峰值Iac_pk在电源变换装置设计完成时已确定，因此母线电压参考值Vbus_ref和交流电流峰值Iac_pk为给定值。
这里的母线电压Vbus、第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1、交流电流Iac和交流电压Vac为采用获得。如图8所示，由于控制器240与第一升压隔离DC/DC变换器230中的变压器的副边绕组共地，也即控制器240放在了逆变器侧，且母线电压Vbus、第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1、交流电流Iac和交流电压Vac这四个采样信号也均在逆变器侧。相较于现有技术的采用一颗控制器的方案，本申请可以无需隔离采样，而可降低陈本，减小体积，且不会引入采样延时，给控制带来方便。相当于现有技术的采用两颗控制器的方案，本申请可以减少一颗控制器，而可降低成本，***电路也可相应的减少很多。
请参阅图10所示的申请另一实施例的电源变换装置示意图，其在图8所示的电源变换装置的基础上还包括：第二升压隔离DC/DC变换器330，包括变压器331，第二升压隔离DC/DC变换器330的输入端用于连接一第二光伏组件310，第二升压隔离DC/DC变换器330的输出端用于直流母线250，以提高电源变换装置的功率等级。
则控制器240还接收第二升压隔离DC/DC变换器330的母线输出电流Ibus2，根据母线电压Vbus和第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus2输出控制第二升压隔离DC/DC变换器330工作的开关控制信号控制C2，以进行第二光伏组件310的最大功率点跟踪控制。
其实现第二光伏组件310的最大功率点跟踪的原理与上述的第一光伏组件210的最大功率点跟踪的原理相同，在此不再赘述。
具体的，可参阅图11所示的应用于图10所示的电源变换装置的控制器示意图。其在图9所示的控制器的基础上增加了控制使得第二升压隔离DC/DC变换器330的母线输出电流Ibus2最大化的控制环路。具体的包括乘法运算模块2431、MPPT模块2432、乘法算模块2433、减法运算模块2434以及运算模块2435，其功能分别与第一乘法运算模块2411、最大功率点跟踪控制模块（MPPT）2412、第二乘法运算模块2413、第一减法运算模块2414和第一运算模块2415相同，在此不再赘述。
在具体实施时，第一光伏组件210和第二光伏组件310均可由一个光伏电池组形成，或者均由多个光伏电池组串并联形成。当然也可其中一个由一个光伏电池组形成，另一个由多个光伏电池组串并联形成。这里的串并联包括串联、并联、串联后并联以及并联后串联。不管第一光伏组件210和第二光伏组件310内光伏组件的个数，第一光伏组件210和第二光伏组件310的电压均较低，而需要升压隔离DC/DC变换器将其抬升到较高的电压后再进行后级的变换。
如图10所示的***中，有两路升压隔离DC/DC变换器连接到直流母线，但实际应用中，可根据功率等级的需求，设定连接到直流母线的升压隔离DC/DC变换器的个数，对应的控制器也需要对应个数的环路来对应控制升压隔离DC/DC变换器的工作，以实现跟踪与每一个升压隔离DC/DC变换器连接的光伏组件的最大功率点。
对于多路升压隔离DC/DC变换器的***，每一路均只需通过非隔离采样电路采样其输出端的母线输出电流，相对于现有技术的采用多个隔离采样电路采样光伏组件的电压来讲，节省了多个隔离采样电路，因此可大大降低成本以及电源变换***的体积。
在上述的功率变换***中，后级均为逆变器，以使得其输出并网或为交流负载供电。在实际应用，其后级也可为直流/直流变换电路，以将母线电压处的直流电变换为适合为直流负载供电的直流电，本申请对后级电路的具体类型并不做限定。
本申请一实施例中，还提供一种光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，应用于光伏发电***中，可参阅图5所示的电源变换装置，该方法包括：一电压检测电路检测连接一第一升压隔离DC/DC变换器230输出端的直流母线的母线电压Vbus；
第一电流检测电路检测第一升压隔离DC/DC变换器230的输出端的母线输出电流Ibus1；
一控制器240根据所述母线电压Vbus和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus1进行第一光伏组件210的最大功率点跟踪控制，其中所述第一升压隔离DC/DC变换器230的输入端用于连接所述第一光伏组件210。
与上述相同的，将用于追踪光伏组件的最大功率点所需的信号的采样电路移到变压器的副边侧。可以采用较大阻值的采样电阻，以提高采样精度，且损耗也不大。因此本申请提供的方法可兼具电流采样的精度高和损耗低的优点，设计难度大大降低。并且采用采样电阻的非隔离采样方式的采样延时也最小，控制的实时性更好。
在一实施例中，所述控制器240根据所述母线电压Vbus和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus1控制使得所述第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1最大化，以实现所述第一光伏组件210的最大功率点跟踪控制。可参阅图6及其描述，母线电压Vbus为基本恒定的电压值，因此升压隔离DC/DC变换器的输出功率Pout随升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus的增大而增大，因此只要控制升压隔离DC/DC变换器使得升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus最大化，就可以使得升压隔离DC/DC变换器的输出功率Pout最大化，进而实现第一光伏组件210的最大功率点跟踪。
在一实施例中，可参阅图7及其描述，所述控制器240执行：
将所述母线电压Vbus和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus1做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率Pbus1；
根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率Pbus1与前一时刻输出功率的差值，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数k1；
将所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数k1与所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流Irated做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值Ibus_ref1；
将所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值Ibus_ref1与所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus1做减法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值Err_Ibus1；
根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值Err_Ibus1输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器的开关控制信号C1，以跟踪所述第一光伏组件210的最大功率点。
如此，用于最大功率点追踪控制的环路为控制母线输出电流Ibus的电流环，通过计算第一升压隔离DC/DC变换器230的输出功率，扰动第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1，实现第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1的最大化，以跟踪第一升压隔离DC/DC变换器230的最大输出功率，从而实现追踪光伏组件的最大功率点的目的。
在一具体实施例中，请参阅图8所示的电源变换装置，该方法还包括：
一交流电压检测电路检测逆变器220的交流输出侧的交流电压Vac；
一交流电流检测电路检测逆变器220的交流输出侧的交流电流Iac，其中所述逆变器220的直流端连接所述直流母线250，所述控制器240还执行：根据所述母线电压Vbus、所述交流电流Iac和所述交流电压Vac输出控制所述逆变器工作的开关控制信号C_IVT。
如此，控制器240还接收逆变器220输出的交流电的交流电流Iac和交流电压Vac，并且根据母线电压Vbus、交流电流Iac和交流电压Vac输出控制逆变器220工作的开关控制信号C_IVT，以实现将直流电变换为交流电，并稳定母线电压Vbus。也因为母线电压Vbus被后级的逆变器稳住，所以可以通过控制使得第一升压隔离DC/DC变换器230的母线输出电流Ibus1最大化，而实现第一升压隔离DC/DC变换器230的最大输出功率，从而实现追踪光伏组件的最大功率点的目的。并且输出适合并网或交流负载的交流电。
在一具体实施例中，可参阅图9及其描述，所述控制器还执行：
将母线电压参考值Vbus_ref与所述母线电压Vbus做减法运算，得到母线电压差值Err_Vbus；
根据所述母线电压差值Err_Vbus得到所述交流电流变化系数k3；
根据所述交流电压Vac输出经锁相之后的正弦波Sin；
将所述经锁相之后的正弦波Sin、所述交流电流变化系数k3以及交流电流峰值Iac_pk做乘法运算，得到交流电流参考值Iac_ref；
将所述交流电流参考值Iac_ref与所述交流电流Iac做减法运算，得到交流电流差值Err_Iac；
根据所述交流电流差值Err_Iac输出控制所述逆变器220的所述开关控制信号C_IVT。
也即，后级的逆变器的控制包含两个环路，一个是母线电压Vbus的电压环，其输出为交流电流变化系数k3，交流电流变化系数k3乘以经过锁相之后的正弦波Sin，再乘以交流电流峰值Iac_pk获得交流电流参考值Iac_ref，之后使用采样到的交流电流Ia和交流电流参考值Iac_ref的差做PI，获得控制后级的逆变器的开关控制信号C_IVT。后级的逆变器的的两个环路，一个用于稳定母线电压Vbus，一个用于输出正弦电流。
在一具体实施例中，可参阅图10所示的电源变换***，该方法还包括：第二电流检测电路检测第二升压隔离DC/DC变换器330的母线输出电流Ibus2；所述控制器240还根据所述母线电压Vbus和第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus2进行一第二光伏组件310的最大功率点跟踪控制，其中所述第二升压隔离DC/DC变换器330的输入端用于连接所述第二光伏组件310。
更进一步的，所述控制器240根据所述母线电压Vbus和所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流Ibus2控制使得所述第二升压隔离DC/DC变换器330的母线输出电流Ibus2最大化，以实现所述第二光伏组件310的最大功率点跟踪控制。
在具体实施时，上述的开关控制信号C1、开关控制信号C2以及开关控制信号C_IVT可为占空比控制信号PWM或者频率控制信号PFM。
本申请采用的电流采样电路和电压采样电路均为非隔离采样电路，如电阻加运放的采样电路。但本申请并不限定非隔离采样电路的具体结构，只要实现电流或电压的采样，且为非隔离的电路均适用于本申请。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (15)
1.一种应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，包括：
第一升压隔离DC/DC变换器，包括变压器，所述第一升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接一第一光伏组件，所述第一升压隔离DC/DC变换器的输出端用于连接一直流母线；
控制器，接收所述直流母线的母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流，根据所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器工作的开关控制信号，以进行所述第一光伏组件的最大功率点跟踪控制，
所述控制器包括：
第一乘法运算模块，将所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率；
最大功率点跟踪控制模块，根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率与前一时刻输出功率的差值，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数；
第二乘法运算模块，将所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数与所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值；
第一减法运算模块，将所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值与所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做减法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值；
第一运算单元，根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器的所述开关控制信号。
2.根据权利要求1所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，所述控制器与所述变压器的副边绕组共地。
3.根据权利要求1所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，控制所述第一升压隔离DC/DC变换器的所述开关控制信号使得所述第一升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流最大化。
4.根据权利要求1所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，还包括逆变器，所述逆变器的直流端连接所述直流母线，所述逆变器的交流端用于输出交流电。
5.根据权利要求4所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，所述控制器还接收所述逆变器输出的交流电的交流电流和交流电压，并且根据所述母线电压、所述交流电流和所述交流电压输出控制所述逆变器工作的开关控制信号。
6.根据权利要求5所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，所述控制器还包括：
第二减法运算模块，将母线电压参考值与所述母线电压做减法运算，得到母线电压差值；
第二运算模块，根据所述母线电压差值得到交流电流变化系数；
锁相控制模块，根据所述交流电压输出经锁相之后的正弦波；
第三乘法运算模块，将所述经锁相之后的正弦波、所述交流电流变化系数以及交流电流峰值做乘法运算，得到交流电流参考值；
第三减法运算模块，将所述交流电流参考值与所述交流电流做减法运算，得到交流电流差值；
第三运算单元，根据所述交流电流差值输出控制所述逆变器的开关控制信号。
7.根据权利要求1所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，还包括：第二升压隔离DC/DC变换器，包括变压器，所述第二升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接一第二光伏组件，所述第二升压隔离DC/DC变换器的输出端用于连接所述直流母线；
所述控制器还接收所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流，根据所述母线电压和所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流输出控制所述第二升压隔离DC/DC变换器工作的开关控制信号，以进行所述第二光伏组件的最大功率点跟踪控制。
8.根据权利要求7所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，控制所述第二升压隔离DC/DC变换器的所述开关控制信号使得所述第二升压隔离DC/DC变换器输出的母线输出电流最大化。
9.根据权利要求1所述的应用于光伏***中的电源变换装置，其特征在于，所述第一光伏组件由一个光伏电池组形成，或者由多个光伏电池组串并联形成。
10.一种光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，包括：
一电压检测电路检测连接一第一升压隔离DC/DC变换器输出端的直流母线的母线电压；
第一电流检测电路检测所述第一升压隔离DC/DC变换器的输出端的母线输出电流；
一控制器根据所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流进行一第一光伏组件的最大功率点跟踪控制，其中所述第一升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接所述第一光伏组件，
所述控制器执行：
将所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率；
根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的当前输出功率与前一时刻输出功率的差值，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数；
将所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流变化系数与所述第一升压隔离DC/DC变换器的额定电流做乘法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值；
将所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流参考值与所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流做减法运算，得到所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值；
根据所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流差值输出控制所述第一升压隔离DC/DC变换器的开关控制信号，以跟踪所述第一光伏组件的最大功率点。
11.根据权利要求10所述的光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述母线电压和所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流控制使得所述第一升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流最大化，以实现所述第一光伏组件的最大功率点跟踪控制。
12.根据权利要求10所述的光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，还包括：
一交流电压检测电路检测一逆变器的交流输出侧的交流电压；
一交流电流检测电路检测所述逆变器的交流输出侧的交流电流，其中所述逆变器的直流端连接所述直流母线，所述控制器还执行：根据所述母线电压、所述交流电流和所述交流电压输出控制所述逆变器工作的开关控制信号。
13.根据权利要求12所述的光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，所述控制器还执行：
将母线电压参考值与所述母线电压做减法运算，得到母线电压差值；
根据所述母线电压差值得到所述交流电流变化系数；
根据所述交流电压输出经锁相之后的正弦波；
将所述经锁相之后的正弦波、所述交流电流变化系数以及交流电流峰值做乘法运算，得到交流电流参考值；
将所述交流电流参考值与所述交流电流做减法运算，得到交流电流差值；
根据所述交流电流差值输出控制所述逆变器的所述开关控制信号。
14.根据权利要求10或12所述的光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，还包括：
第二电流检测电路检测一第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流；
所述控制器还根据所述母线电压和所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流进行一第二光伏组件的最大功率点跟踪控制，其中所述第二升压隔离DC/DC变换器的输入端用于连接所述第二光伏组件。
15.根据权利要求14所述的光伏组件的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述母线电压和所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流控制使得所述第二升压隔离DC/DC变换器的母线输出电流最大化，以实现所述第二光伏组件的最大功率点跟踪控制。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Distributed control for modular plug-and-play subpanel photovoltaic converter system;Yue Zheng 等;IEEE;全文 * |
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