本发明涉及光伏发电技术领域，更具体地说，涉及升降压型功率优化器及其控制方法和控制装置。
背景技术：
功率优化器用于对光伏组件执行MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪控制)，使光伏组件输出功率最大化。功率优化器最常见的是采用升降压DC/DC拓扑，这种功率优化器称为升降压型功率优化器。
升降压型功率优化器为实现高精度的MPPT，需要采集光伏组件的输出电压和输出电流iPV做功率计算；同时，为获得更高的暂稳态控制性能，需要采集电感电流iL做电流内环控制。如果用两个电流采样电路分别采集iPV和iL，成本太高，因此现有的做法是仅采集一个电流，另一个电流通过占空比折算的方式得到。但是，由于存在PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)死区和电路损耗等因素，在不同的输入输出电压状态、负载率状态下，折算精度会呈非线性变化，导致MPPT精度或暂稳态控制性能不高。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了升降压型功率优化器及其控制方法和控制装置，以同时实现低成本、高精度的MPPT和高性能的暂稳态控制。
一种升降压型功率优化器控制方法，所述升降压型功率优化器包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L、输入电容C1和输出电容C2，其中：第一开关管S1的第一端接输入电容C1的正极，第一开关管S1的第二端接电感L的一端以及第一二极管D1的阴极，电感L的另一端接第二二极管D2的阳极以及第二开关管S2的第一端，第二二极管D2的阴极接输出电容C2的正极，输出电容C2的负极、第二开关管S2的第二端、第一二极管D1的阳极、输入电容C1的负极连接于一点；
所述升降压型功率优化器控制方法包括：
采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2；
比较V1与V2的大小；
若V1<V2，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算；
若V1>V2，控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
可选的，所述比较V1与V2的大小后，还包括：
若V1＝V2，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
一种升降压型功率优化器控制方法，所述升降压型功率优化器包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Q1、第四开关管Q2、电感L、输入电容C1和输出电容C2，其中：第一开关管S1的第一端接输入电容C1的正极，第一开关管S1的第二端接电感L的一端以及第三开关管Q1的第一端，电感L的另一端接第四开关管Q2的第二端以及第二开关管S2的第一端，第四开关管Q2的第一端接输出电容C2的正极，输出电容C2的负极、第二开关管S2的第二端、第三开关管Q1的第二端、输入电容C1的负极连接于一点；其中，第三开关管Q1、第四开关管Q2均带有反并联二极管。
所述升降压型功率优化器控制方法包括：
采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2；
比较V1与V2的大小，以及绝对值|V1-V2|与预设值a的大小，a>0；
若V1<V2并且|V1-V2|>a，则：控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算；
若V1>V2并且|V1-V2|>a，则：控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算；
若|V1-V2|≤a，则：控制第一开关管S1和第二开关管S2进行高频斩波，计算第一开关管S1的占空比D1和第二开关管S2的占空比D2，比较1-D1与D2的大小，如果1-D1≤D2，根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，如果1-D1>D2，根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
可选的，所述比较V1与V2的大小后，还包括：
若V1＝V2，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
一种升降压型功率优化器控制装置，所述升降压型功率优化器包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L、输入电容C1和输出电容C2，其中：第一开关管S1的第一端接输入电容C1的正极，第一开关管S1的第二端接电感L的一端以及第一二极管D1的阴极，电感L的另一端接第二二极管D2的阳极以及第二开关管S2的第一端，第二二极管D2的阴极接输出电容C2的正极，输出电容C2的负极、第二开关管S2的第二端、第一二极管D1的阳极、输入电容C1的负极连接于一点；
所述升降压型功率优化器控制装置包括：
电压采样单元，用于采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2；
第一比较单元，用于比较V1与V2的大小；
第一控制单元，用于在V1<V2时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算；
第二控制单元，用于在V1>V2时，控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
可选的，所述升降压型功率优化器控制装置，还包括：
第三控制单元，用于在V1＝V2时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
一种升降压型功率优化器控制装置，所述升降压型功率优化器包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Q1、第四开关管Q2、电感L、输入电容C1和输出电容C2，其中：第一开关管S1的第一端接输入电容C1的正极，第一开关管S1的第二端接电感L的一端以及第三开关管Q1的第一端，电感L的另一端接第四开关管Q2的第二端以及第二开关管S2的第一端，第四开关管Q2的第一端接输出电容C2的正极，输出电容C2的负极、第二开关管S2的第二端、第三开关管Q1的第二端、输入电容C1的负极连接于一点；其中，第三开关管Q1、第四开关管Q2均带有反并联二极管。
所述升降压型功率优化器控制装置包括：
电压采样单元，用于采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2；
第二比较单元，用于比较V1与V2的大小，以及绝对值|V1-V2|与预设值a的大小，a>0；
第四控制单元，用于在V1<V2并且|V1-V2|>a时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算；
第五控制单元，用于在V1>V2并且|V1-V2|>a时，控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算；
第六控制单元，用于在|V1-V2|≤a时，控制第一开关管S1和第二开关管S2进行高频斩波，计算第一开关管S1的占空比D1和第二开关管S2的占空比D2，比较1-D1与D2的大小，如果1-D1≤D2，根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，如果1-D1>D2，根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
可选的，所述升降压型功率优化器控制装置，还包括：
第七控制单元，用于在V1＝V2时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
一种升降压型功率优化器，包括：如上述公开的任一种升降压型功率优化器控制装置。
从上述的技术方案可以看出，本发明根据升降压型功率优化器的工作状态的不同，选择不同的MPPT运算方法，各MPPT运算方法下都能根据电感电流iL的采样值实现输出功率的无损计算，因而提高了MPPT控制精度。可见，本发明中仅用到一个电流采样电路，同时实现了低成本、高精度的MPPT和高性能的暂稳态控制，解决了现有技术存在的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种升降压型功率优化器拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种升降压型功率优化器控制方法流程图；
图3为又一种升降压型功率优化器拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例公开的又一种升降压型功率优化器控制方法流程图；
图5为本发明实施例公开的一种升降压型功率优化器控制装置结构示意图；
图6为本发明实施例公开的又一种升降压型功率优化器控制装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
升降压型功率优化器典型的拓扑结构如图1所示，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L、输入电容C1和输出电容C2，其中：第一开关管S1的第一端接输入电容C1的正极，第一开关管S1的第二端接电感L的一端以及第一二极管D1的阴极，电感L的另一端接第二二极管D2的阳极以及第二开关管S2的第一端，第二二极管D2的阴极接输出电容C2的正极，输出电容C2的负极、第二开关管S2的第二端、第一二极管D1的阳极、输入电容C1的负极连接于一点。
为了兼顾图1所示升降压型功率优化器控制过程中要求实现的低成本、高精度的MPPT和高性能的暂稳态控制，本发明实施例公开了如图2所示的升降压型功率优化器控制方法，包括：
步骤S01：采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2。
具体的，可以通过两个电压采样电路分别采集升降压型功率优化器的输入电压V1(即光伏组件输出电压)和输出电压V2。在现有技术中，同样需要采集V1和V2进行运算。
步骤S02：比较V1与V2的大小；若V1<V2，进入步骤S03；若V1>V2，进入步骤S04；若V1＝V2，进入步骤S05。
步骤S03：控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流iL和输入电压V1进行MPPT运算。至此，控制结束。
具体的，当V1<V2时，需控制升降压型功率优化器工作在升压模式，具体可采用控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波的开关管控制策略来实现升压。
开关管进行斩波运行，是指开关管不断做导通、关断的交替运行。开关管一般是在具有一定规律的调制策略下进行斩波运行，例如PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)策略、PFM(Pulse Frequency Modulation，脉频调制)策略或者两者相结合形成的混合调制策略等，本发明实施例并不局限于采用哪种具体的调制策略。
由图1可知，在第一开关管S1导通，第二开关管S2关断期间，电感电流iL与光伏组件输出电流iPV完全相等，所以可以仅采集电感电流iL，将iL的采样值直接赋值给iPV，iPV的赋值并不会受到PWM死区和电路损耗引入的非线性影响。这样在此期间内，便可以在仅采用电感电流采样电路的情况下，同时得到高精度的iL和iPV两个值，从而实现低成本、高精度的MPPT和高性能的暂稳态控制。
步骤S04：控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流iL和输出电压V2进行MPPT运算。至此，控制结束。
具体的，当V1>V2时，需控制升降压型功率优化器需工作在降压模式，具体可采用控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波的开关管控制策略来实现降压。
由图1可知，在第二开关管S2关断，第一开关管S1导通期间，电感电流iL与升降压型功率优化器输出电流完全相等，采集电感电流iL与输出电压V2可以计算得到精确的升降压型功率优化器输出功率。根据能量守恒定律可知，升降压型功率优化器输入功率等于输出功率与电路损耗之和，而电路损耗是固定的，所以升降压型功率优化器输入功率会随输出功率的升高而升高，随输出功率的降低而降低。那么此期间内便可对计算得到的输出功率进行最大输出功率点追踪，当追踪到最大输出功率点时，就追踪到了最大输入功率点(即MPP点)，从而实现高精度的MPPT。可见，此期间内仅采用电感电流采样电路，就能同时实现低成本、高精度的MPPT和高性能的暂稳态控制。
步骤S05：控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。至此，控制结束。
具体的，当V1＝V2时，需控制升降压型功率优化器处于直通模式，具体可采用控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断的开关管控制策略来实现直通。该开关管控制策略下实现高精度MPPT的原理请参见前文描述，此处不再赘述。
由上可知，本发明实施例根据升降压型功率优化器的工作状态的不同，选择不同的MPPT运算方法，各MPPT运算方法下都能根据电感电流iL的采样值实现输出功率的无损计算，因而提高了MPPT控制精度。可见，本发明实施例中仅用到一个电流采样电路，同时实现了低成本、高精度的MPPT和高性能的暂稳态控制，解决了现有技术存在的问题。
可选的，考虑到V1＝V2这一状态的持续时间非常短，所以该时段内出现MPPT控制精度降低或暂稳态控制性能变差也是允许的，因此该时段内可以仅采集电感电流iL，然后采用现有技术中利用占空比折算的方式得到光伏组件输出电流iPV。也就是说，当V1＝V2时，可以仅采集电感电流iL，而光伏组件输出电流iPV则用占空比折算的方式得到，从而仅同时实现低成本和高精度的MPPT。
对于图1所示升降压型功率优化器来说，为了降低电路损耗，第一二极管D1、第二二极管D2可以分别并联开关管，或者直接用带有反并联二极管的开关管代替，例如带有反并联二极管的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。MOSFET封装时自带体二极管，该体二极管就是所述反并联二极管。图3示出了用带有反并联二极管的开关管Q1、Q2分别代替D1、D2的升降压型功率优化器，其中，Q1与S1互补运行、Q2与S2互补运行，以降低原来流经D1、D2的电流的传导损耗，提高升降压型功率优化器运行效率。
如图3所示，该升降压型功率优化器控制方法包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Q1、第四开关管Q2、电感L、输入电容C1和输出电容C2，其中：第一开关管S1的第一端接输入电容C1的正极，第一开关管S1的第二端接电感L的一端以及第三开关管Q1的第一端，电感L的另一端接第四开关管Q2的第二端以及第二开关管S2的第一端，第四开关管Q2的第一端接输出电容C2的正极，输出电容C2的负极、第二开关管S2的第二端、第三开关管Q1的第二端、输入电容C1的负极连接于一点。
为了兼顾图3所示升降压型功率优化器控制过程中要求实现的低成本、高精度的MPPT和高性能的暂稳态控制，本发明实施例公开了如图4所示的升降压型功率优化器控制方法，包括：
步骤S11：采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2。
步骤S12：比较V1与V2的大小，以及绝对值|V1-V2|与预设值a的大小，a>0。若V1<V2并且|V1-V2|>a，进入步骤S13；若V1>V2并且|V1-V2|>a，进入步骤S14；若|V1-V2|≤a(即V1与V2非常接近)，进入步骤S15；若V1＝V2，进入步骤S16。
步骤S13：控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流iL和输入电压V1进行MPPT运算。至此，控制结束。本步骤原理请参见上一实施例中对步骤S03的原理分析，此处不再赘述。
步骤S14：控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流iL和输出电压V2进行MPPT运算。至此，控制结束。本步骤原理请参见上一实施例中对步骤S04的原理分析，此处不再赘述。
步骤S15：控制第一开关管S1和第二开关管S2进行高频斩波，计算第一开关管S1的占空比D1和第二开关管S2的占空比D2。
步骤S16：比较1-D1与D2的大小；如果1-D1≤D2，进入步骤S17；如果1-D1>D2，进入步骤S18；
步骤S17：根据电感电流iL和输入电压V1进行MPPT运算。至此，控制结束。
步骤S18：根据电感电流iL和输出电压V2进行MPPT运算。至此，控制结束。
具体的，开关管在导通和关断切换过程中存在一个极短的过渡过程(约为100ns)，该过程中开关管处于放大态，可能会发生较大的功率损耗，因此，有必要限制开关管导通的最短时间不低于该过渡过程时间，即避免窄脉冲。另外，对于S1、Q1这样的串联桥臂结构，为了避免桥臂直通，有必要在S1和Q1的互补导通逻辑中增加一段死区时间，在死区时间内S1和Q1均处于关断状态。为了避免窄脉冲和防止桥臂直通，会限制开关管的最大或最小占空比。例如，S1的占空比可能会被限制为不超过0.95，而Q1的占空比可能会被限制为不低于0.05。
对占空比最大值或最小值的限制，会导致在降压模式或升压模式下，输入电压V1与输出电压V2非常接近但又不相等时，可能无法找到合适的占空比来使电路有效工作。例如，V2/V1＝0.99，升降压型功率优化器应该工作在降压模式，理论上S1的占空比应当设置为0.99，但由于开关管S1的占空比被限制为不超过0.95，则无法达到控制目的。
此时，可以同时控制S1、S2进行高频斩波，即升降压型功率优化器的降压功能和升压功能同时使能，使等效的电压传输比可以连续变化，以抵消单纯降压模式或单纯升压模式下占空比限制的影响。例如，V2/V1＝0.99，则可以控制S1的占空比D1＝0.9，S2的占空比D2＝0.091，则功率优化器的电压传输比为D1/(1-D2)＝0.9/(1-0.091)＝0.99，从而达到了控制目的。
在升降压型功率优化器的降压功能和升压功能同时使能的这种模式下，电感电流iL与光伏组件输出电流iPV不相等，与升降压型功率优化器输出电流也不相等，因此无论是根据电感电流iL和输入电压V1进行MPPT运算，还是根据电感电流iL和输出电压V2进行MPPT运算，都存在一定误差，那么为尽量减小误差，可以选择误差较小的一方来进行MPPT运算。
假设升降压型功率优化器输出电流为i2，则iL与iPV的差值iL-iPV＝iL-D1*iL＝(1-D1)*iL，iL与i2的差值iL-I2＝iL-(1-D2)*iL＝D2*iL，即若1-D1<D2，则电感电流iL更接近于iPV，此时用电感电流iL和输入电压V1来进行MPPT运算误差更小，在进行MPPT运算时，可以用相应的占空比将电感电流iL换算成iPV；若1-D1>D2，则电感电流iL更接近于i2，此时用电感电流iL和输出电压V2来进行MPPT运算误差更小，在进行MPPT运算时，也可以用相应的占空比将电感电流iL换算成输出电流i2。
步骤S19：控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。至此，控制结束。
可选的，所述步骤S19也可替换为：在直通模式下，根据利用占空比折算的方式得到的光伏组件输出电流iPV进行功率计算。
此外，与上述方法实施例相对应的，对于图1所示升降压型功率优化器，本发明实施例公开了一种如图5所示的升降压型功率优化器控制装置，包括：
电压采样单元100，用于采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2；
第一比较单元200，用于比较V1与V2的大小；
第一控制单元300，用于在V1<V2时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算；
第二控制单元400，用于在V1>V2时，控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
可选的，所述升降压型功率优化器还包括：
第三控制单元，用于在V1＝V2时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
此外，对于图3所示升降压型功率优化器，本发明实施例公开了一种如图6所示的升降压型功率优化器控制装置，包括：
电压采样单元101，用于采集升降压型功率优化器的输入电压V1和输出电压V2；
第二比较单元102，用于比较V1与V2的大小，以及绝对值|V1-V2|与预设值a的大小，a>0；
第四控制单元103，用于在V1<V2并且|V1-V2|>a时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2进行高频斩波，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算；
第五控制单元104，用于在V1>V2并且|V1-V2|>a时，控制第二开关管S2关断，第一开关管S1进行高频斩波，此时根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算；
第六控制单元105，用于在|V1-V2|≤a时，控制第一开关管S1和第二开关管S2进行高频斩波，计算第一开关管S1的占空比D1和第二开关管S2的占空比D2，比较1-D1与D2的大小，如果1-D1≤D2，根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，如果1-D1>D2，根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
可选的，所述升降压型功率优化器控制装置还包括：
第七控制单元，用于在V1＝V2时，控制第一开关管S1导通，第二开关管S2关断，此时根据电感电流和输入电压V1进行MPPT运算，或者根据电感电流和输出电压V2进行MPPT运算。
此外，本发明实施例还公开了一种升降压型功率优化器，包括：如上述公开的任一种升降压型功率优化器控制装置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。