專利名稱：一種單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的最大功率點(diǎn)跟蹤的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方 法，屬新能源技術(shù)領(lǐng)域，特別是太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能作為一種無(wú)污染、可再生的新能源具有非常廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，隨著 社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，利用太陽(yáng)能發(fā)電成為解決生產(chǎn)生活能源、改善環(huán)境污染問(wèn)題的一條可靠 途徑，可以取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。太陽(yáng)能光伏陣列的輸出受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素的影響，呈現(xiàn)非線性特性。 在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，太陽(yáng)能電池可以輸出不同的電壓和電流，也即可以輸出 不同的功率，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能夠達(dá)到最大值，這時(shí) 光伏陣列工作在輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point, MPP)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般包括兩級(jí)式和單級(jí)式，采用單級(jí)式方式時(shí)，由于電能只需 要經(jīng)過(guò)一次變換，因此具有變換效率高、太陽(yáng)能陣列利用率高、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)。單級(jí) 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括順序連接的光伏陣列、濾波電容和并網(wǎng)逆變器，如圖4所示。由于光 伏陣列輸出功率為平滑直流，而并網(wǎng)逆變器輸出功率呈現(xiàn)周期性脈動(dòng)特性，因此光伏陣列 與并網(wǎng)逆變器之間需并入足夠大的電容以平滑并網(wǎng)逆變器引起的光伏陣列輸出功率的脈 動(dòng)。但作為儲(chǔ)能元件的電容的引入導(dǎo)致了光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、電容三者之間的能量耦 合，當(dāng)光伏陣列的輸出特性發(fā)生變化即光伏陣列輸出功率發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列輸出功率 的變化并不能立刻在并網(wǎng)逆變器的輸出功率上體現(xiàn)出來(lái)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整太陽(yáng)能光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終工作在最 大功率點(diǎn)附近，進(jìn)而可以提高整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，這一過(guò)程稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤 (Maximum Power Point iTrackingJPPT)。MPPT策略一般采用實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功 率，通過(guò)一定的控制算法使輸出功率保持在MPP附近。現(xiàn)有的MPPT方法一般通過(guò)對(duì)并網(wǎng)逆 變器輸出功率施加小的擾動(dòng)，通過(guò)一定算法判斷光伏陣列輸出功率的變化趨勢(shì)，進(jìn)而決定 下一步施加擾動(dòng)的方式。實(shí)際上，上述施加微小擾動(dòng)的MPPT方法是在光伏陣列輸出特性穩(wěn) 定的前提下來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)光照條件、溫度條件或者其它不可知的外部因素發(fā)生變化而導(dǎo)致 光伏陣列輸出特性發(fā)生變化時(shí)，也即光伏陣列的輸出功率發(fā)生劇烈變化時(shí)，由于電容的能 量耦合作用，光伏陣列輸出功率的變化并不能立刻在并網(wǎng)逆變器的輸出功率上體現(xiàn)出來(lái)， 因此，此時(shí)的MPPT方法不能夠保證并網(wǎng)逆變器的輸出功率跟蹤光伏陣列輸出功率的變化， 也即MPPT失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。傳統(tǒng)的MPPT方法在發(fā)生上述情況時(shí)一般采取對(duì) 輸出功率施加較大擾動(dòng)量的方法來(lái)盡量避免系統(tǒng)崩潰，但對(duì)于應(yīng)該施加擾動(dòng)量的大小并沒(méi) 有明確的量化標(biāo)準(zhǔn)，因此很難保證MPPT跟蹤過(guò)程的快速性與穩(wěn)定性，也即很難保證系統(tǒng)能 迅速重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。因此當(dāng)光照強(qiáng)度、溫度條件等因素發(fā)生變化導(dǎo)致光伏陣列輸出特性發(fā) 生變化時(shí)時(shí)，系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)并實(shí)現(xiàn)MPPT需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)渡過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)中現(xiàn)有MPPT方法應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中存在的 不足，提出一種應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方法。下面結(jié)合附圖1說(shuō)明本發(fā)明的具體方案，本發(fā)明所述的應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā) 電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方法，作為傳統(tǒng)MPPT方法的優(yōu)化方法，與傳統(tǒng)MPPT方 法共同使用。上述應(yīng)用本發(fā)明的單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能光伏陣列、濾波電 容、并網(wǎng)逆變器，其中太陽(yáng)能光伏陣列的輸出直接與濾波電容的兩端以及并網(wǎng)逆變器的兩 個(gè)輸入端相連，如圖1所示。所述的應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟 蹤過(guò)程的方法根據(jù)系統(tǒng)受到擾動(dòng)導(dǎo)致光伏陣列輸出功率與并網(wǎng)逆變器輸出功率不相等時(shí)， 光伏陣列、濾波電容、并網(wǎng)逆變器三者之間的能量關(guān)系及濾波電容電壓的變化，迅速計(jì)算出 并網(wǎng)逆變器輸出功率給定，使得并網(wǎng)逆變器輸出功率迅速跟蹤光伏陣列輸出功率，在一個(gè) 功率周期內(nèi)解除濾波電容與并網(wǎng)逆變器和光伏陣列之間的能量耦合關(guān)系，避免由于上述因 素導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰或者M(jìn)PPT的動(dòng)態(tài)跟蹤時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。本發(fā)明所述的應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方 法的特征在于1)該方法依據(jù)光伏陣列與并網(wǎng)逆變器之間的濾波電容的電壓的變化趨勢(shì)來(lái)判斷 并網(wǎng)逆變器輸出功率與光伏陣列輸出功率的瞬時(shí)關(guān)系，也即如果電容電壓下降，則并網(wǎng)逆 變器輸出功率大于光伏電池輸出功率，如果電容電壓上升，則并網(wǎng)逆變器輸出功率小于光 伏陣列輸出功率，電容電壓變化趨勢(shì)發(fā)生改變的時(shí)刻就是并網(wǎng)逆變器輸出功率等于光伏陣 列輸出功率的時(shí)刻。2)該方法依次包括以下步驟步驟1 用微處理器作為控制器，檢測(cè)電容電壓u。，電網(wǎng)電壓v。，并網(wǎng)逆變器輸出電 流i0 ；步驟2 用當(dāng)前電容電壓減去上一控制周期采樣的電容電壓，得到兩次采樣的差 值 Διι ；步驟3 根據(jù)上一控制周期計(jì)算得到的電容電壓差值和當(dāng)前計(jì)算得到的電容電壓 差值判斷電容電壓的變化趨勢(shì)是否發(fā)生改變是記錄當(dāng)前次的正弦表點(diǎn)數(shù)和采樣的V。和i。，若Au由正變負(fù)，計(jì)算該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出功率P1，并記錄對(duì)應(yīng)于當(dāng)前時(shí)刻的正弦 表值sin α j ；則計(jì)算該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出功率ρ2，并記錄對(duì)應(yīng)于當(dāng)前時(shí)刻的正弦表值sinci 2 ；否繼續(xù)執(zhí)行步驟4;步驟4 判斷程序是否已運(yùn)行了半個(gè)市電周期是判斷sin2 α ^sin2a 2是否等于1 是結(jié)束；否并網(wǎng)逆變器的輸出功率給定pm調(diào)整為P1 · sin2 a 1+p2 · sin2 a 2，結(jié)束；否結(jié)束；本發(fā)明所述方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)光照強(qiáng)度等因素突然變化導(dǎo)致光伏陣列輸出功率與并網(wǎng)逆變器輸出功率不相等時(shí)，能夠迅速解除濾波電容的能量耦合作用，使并網(wǎng)逆 變器輸出功率迅速跟蹤光伏陣列輸出功率，避免系統(tǒng)崩潰或者M(jìn)PPT的動(dòng)態(tài)跟蹤時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。


圖1為單級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。圖2為并網(wǎng)逆變器輸出功率與光伏陣列輸出功率關(guān)系分析示意圖。圖3為本發(fā)明應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方 法的原理分析示意圖。圖4為應(yīng)用本發(fā)明所述應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤 過(guò)程的方法時(shí)的控制程序流程圖。附圖中符號(hào)說(shuō)明10為單級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；101為太陽(yáng)能光伏陣列；102為并 網(wǎng)逆變器；cm為濾波電容；Ppv為光伏陣列的輸出功率，P。為流入濾波電容的功率，P。為并網(wǎng) 逆變器的輸出功率；叫為電容電壓J1及S11代表面積；t，ti; t2，t3，、代表時(shí)間；Tp代表一 個(gè)功率周期；α工和α 2代表角度；ω代表電網(wǎng)電壓角速度。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。如圖1所示，所述的應(yīng)用本發(fā)明最大 功率跟蹤方法的單級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能光伏陣列、濾波電容和并網(wǎng)逆變器。其 中太陽(yáng)能光伏陣列的輸出直接與濾波電容的兩端以及并網(wǎng)逆變器的輸入端相連。本發(fā)明所述方法與傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方法共同使用，對(duì)于所用MPPT 方法沒(méi)有限制。如圖1所示，不考慮并網(wǎng)逆變器的功率損耗，即并網(wǎng)逆變器的輸入功率等于輸出 功率，由能量守恒定律，可以知道光伏陣列、濾波電容、并網(wǎng)逆變器三者之間的瞬時(shí)功率關(guān) 系pPV = Pe+PQ，其中，Ppv為光伏陣列的輸出功率，為流入濾波電容的功率，P。為并網(wǎng)逆變 器的輸出功率。并網(wǎng)逆變器以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)注入正弦電流，則P。具有下列形式 凡=氕Sin2M,其中ω = 100π，九為并網(wǎng)逆變器輸出功率的峰值，并網(wǎng)逆變器輸出功率的 頻率為電網(wǎng)電壓頻率的兩倍。不論P(yáng)pv具有何種函數(shù)形式，在一個(gè)輸出功率周期內(nèi)，并網(wǎng)逆 變器輸出功率曲線與光伏陣列輸出功率曲線必然有且僅有兩個(gè)交點(diǎn)，假設(shè)Ppv與P。的交點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t1; t2，t3，t4......，如圖2所示，則可以得到如下結(jié)論1.在區(qū)間(t1; t2)，(t3，t4)......上電容放電，濾波電容電壓值U。單調(diào)減?。?.在區(qū)間(t2，t3)，(t4，t5)......上電容充電，濾波電容電壓值U。單調(diào)增加；3. Ppv與p0的交點(diǎn)時(shí)刻即為濾波電容電壓變化趨勢(shì)發(fā)生改變的時(shí)刻；4.若圖中pPV與p0曲線包圍的面積& = S11,則表明在一個(gè)功率周期內(nèi)(IOOHz)， 電容的凈功率流為零，即在一個(gè)周期內(nèi)，PV輸出功率與逆變器輸出功率平衡，即在一個(gè)功率 周期內(nèi)，濾波電容與光伏陣列和并網(wǎng)逆變器之間沒(méi)有發(fā)生能量耦合。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電容在一個(gè)功率周期內(nèi)平均功率流為零，等價(jià)于電容對(duì)低頻功率 (100赫茲)的耦合作用被消除。當(dāng)系統(tǒng)受到外界因素的擾動(dòng)，比如光照強(qiáng)度突然發(fā)生變化 時(shí)，光伏陣列的輸出功率瞬間發(fā)生變化，由于濾波電容的影響，并網(wǎng)逆變器輸出功率不能立5刻跟蹤光伏陣列輸出功率的變化，由于擾動(dòng)的不可預(yù)知性，會(huì)導(dǎo)致正常的MPPT過(guò)程受到影 響，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，即使系統(tǒng)不發(fā)生崩潰，從光伏陣列輸出特性發(fā)生變化時(shí)刻 開始，到濾波電容的能量耦合作用完全消除，系統(tǒng)過(guò)渡到并網(wǎng)逆變器輸出功率等于光伏陣 列輸出功率的過(guò)程是相當(dāng)于一個(gè)二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程，從控制論的基本原理出 發(fā)，容易知道，當(dāng)阻尼系數(shù)小于1時(shí)該過(guò)程必然振蕩；而阻尼系數(shù)大于1則意味著過(guò)渡過(guò)程 增加。實(shí)際上上述過(guò)程為一個(gè)系統(tǒng)自身被動(dòng)解除濾波電容能量耦合的過(guò)程，稱之為被動(dòng)解 耦過(guò)程。本發(fā)明所述的方法即為針對(duì)上述情況的主動(dòng)解耦過(guò)程，保證并網(wǎng)逆變器輸出功率 在一個(gè)功率周期內(nèi)跟蹤光伏陣列輸出功率，避免震蕩及過(guò)渡過(guò)程，同時(shí)避免系統(tǒng)發(fā)生崩潰， 保證MPPT的有效性，從而極大的提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性。如圖3所示，以并網(wǎng)逆變器輸出功率等于0的時(shí)刻為一個(gè)功率周期的起始時(shí)刻， 在一個(gè)功率周期內(nèi)ppv與ρ。發(fā)生相交的應(yīng)兩個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角度分別記為、和α2，對(duì)應(yīng)兩 個(gè)時(shí)刻的并網(wǎng)逆變器的輸出功率分別為P1和P2，假設(shè)光伏陣列輸出功率為平滑直流。圖中 Ppv與P。曲線包圍的兩個(gè)面積分別即為&和，則當(dāng)光伏陣列輸出功率pPV發(fā)生變化或者 輸出功率P。受到其它因素?cái)_動(dòng)發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器輸出功率的平均值與光伏陣列 輸出功率的平均值不相等時(shí)，也即&和S11不相等時(shí)的主動(dòng)解耦過(guò)程即為求出新的并網(wǎng)逆 變器輸出功率給定值，使得并網(wǎng)逆變器輸出功率的平均值與光伏陣列輸出功率的平均值相 等，也即圖3中&和S11的面積相等。該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，即圖中αι，α2&Ρι* P2已知求尻,使得S1 = Sno首先，求積分
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方法，其特征在 于，該方法依據(jù)光伏陣列與逆變器之間的濾波電容電壓的變化趨勢(shì)來(lái)判斷并網(wǎng)逆變器輸出 功率與光伏陣列輸出功率的瞬時(shí)關(guān)系，也即如果電容電壓下降，則并網(wǎng)逆變器輸出功率大 于光伏電池輸出功率，如果電容電壓上升，則并網(wǎng)逆變器輸出功率小于光伏陣列輸出功率， 電容電壓變化趨勢(shì)發(fā)生改變的時(shí)刻即為并網(wǎng)逆變器輸出功率等于光伏陣列輸出功率的時(shí) 刻。
2.如權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤 過(guò)程的方法，其特征在于該方法依次包括以下步驟步驟1 用微處理器作為控制器，檢測(cè)電容電壓u。，電網(wǎng)電壓v。，并網(wǎng)逆變器輸出電流步驟2:用當(dāng)前電容電壓減去上一控制周期采樣的電容電壓，得到兩次采樣的差值A(chǔ)u ；步驟3 根據(jù)上一控制周期計(jì)算得到的電容電壓差值和當(dāng)前計(jì)算得到的電容電壓差值 判斷電容電壓的變化趨勢(shì)是否發(fā)生改變是記錄當(dāng)前次的正弦表點(diǎn)數(shù)和采樣的V。和i。，若Au由正變負(fù)，計(jì)算該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出功率Pl，并記錄當(dāng)前時(shí)刻的正弦表值 sin α j ；則計(jì)算該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出功率P2,并記錄當(dāng)前時(shí)刻的正弦表值sin α 2 ； 否繼續(xù)執(zhí)行步驟4 ；步驟4 判斷程序是否已運(yùn)行了半個(gè)市電周期 是判斷sin2 α 1+sin2 α 2是否等于1 是結(jié)束；否并網(wǎng)逆變器的輸出功率給定Pm調(diào)整為P1 · sin2 α 1+ρ2 · sin2 α 2，結(jié)束； 否結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方法。本發(fā)明所述的應(yīng)用該方法的單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能光伏陣列、濾波電容、并網(wǎng)逆變器。本發(fā)明所述的優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程的方法，基于濾波電容的功率解耦思想，根據(jù)光伏陣列輸出特性受到擾動(dòng)時(shí)光伏陣列、濾波電容、并網(wǎng)逆變器三者之間的能量關(guān)系及濾波電容電壓的變化，迅速計(jì)算出對(duì)應(yīng)的并網(wǎng)逆變器輸出功率給定以消除該擾動(dòng)，從而利于快速實(shí)現(xiàn)MPPT。該方法能夠消除由于光照強(qiáng)度、溫度條件或其它因素發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致光伏陣列輸出特性變化而對(duì)MPPT過(guò)程產(chǎn)生的影響，加快MPPT速度，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102044883SQ200910206009
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者古俊銀 申請(qǐng)人:盈威力新能源科技(上海)有限公司