专利名称：光伏并网逆变系统中的一种非主动扰动最大功率跟踪方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电领域，尤其是光伏并网逆变系统中的一种非主动扰动最大功
率跟踪方法。
背景技术：
光伏阵列的输出功率具有强烈的非线性，而且和日照强度、环境温度等气象条件
密切相关。在某一环境温度、不同日照强度下，光伏阵列的电流-电压(i-v)和功率-电压
(P-V)特性曲线如图l(a)和图l(b)所示。由图l(b)可以看出，在一定的日照强度和环境温度下，光伏阵列只有运行在某一电压时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，此时的光伏阵列工作点就达到输出P-V曲线的最高点，称之为最大功率点(Maximum Power Point,MPP)。 在光伏并网发电系统中，要使系统处于比较理想的工况，而且对于任何日照，为了使并网发电系统在运行中能够从光伏阵列中获取最大功率输出，必须采用最大功率跟踪技术。 现有的成熟最大功率跟踪技术有以下多种，如通过周期性地增加或减少阵列电压来达到最大功率点的观察扰动法(Perturb and Observe methods)、通过瞬时静态电导与电导增量比较来快速定位最大功率点的电导增量法(IncrementalConductance methods)。这些方法的主要原理是基于光伏阵列的电压和功率的主动扰动方式，判断最大功率搜索方向，进而判断光伏阵列是否处于最大功率点的工作。这种主动扰动方式涉及扰动步长的选择、扰动频率和速度的选择等，也有采用变步长方式加快跟踪速度，如果相关参数选择不好，会影响系统的跟踪效率，对并网电流和功率产生扰动，影响并网电流的质量。此外，这种主动扰动方式需要在系统的运行中始终扰动，即使工作电压已经到达最大功率点。
发明内容
本发明的目的是提供光伏并网逆变系统中的一种非主动扰动最大功率跟踪方法，
以避免现有技术中光伏并网发电系统中现有最大功率点跟踪技术所存在的不足之处，提出
一种不对电网产生扰动影响，最大功率跟踪速度较快，无需任何参数的选择和设定，可以适
用于单相或三相光伏并网逆变系统的最大功率跟踪控制方法。 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为 1、光伏并网逆变系统中的一种非主动扰动最大功率跟踪方法，其特征在于采用数字信号处理器DSP控制最大功率点跟踪太阳能控制器MPPT，根据光伏阵列输出功率的自然波动，对光伏阵列的工作电压及工作电流进行采样，判断搜索光伏阵列的最大功率并进行跟踪，包括以下步骤 (1)将所述光伏阵列的电压正极输出端接入DC/AC逆变电路的直流母线，所述DC/AC逆变电路的直流一侧接入有电容以滤波和稳压，所述DC/AC逆变电路的输出线接入有电抗器，DC/AC逆变电路的输出电压经过电抗器滤波后接入电网；所述最大功率点跟踪太阳
3能控制器MPPT的信号输入端分别与所述光伏阵列负极以及所述电容电连接，采集所述光 伏阵列的工作电压及工作电流，所述数字信号处理器DSP与所述最大功率点跟踪太阳能控 制器MPPT电连接，控制MPPT进行采样，并处理MPPT返回的数据，所述DSP与所述DC/AC逆 变电路的驱动电路电连接，向所述DC/AC逆变电路发出驱动信号； (2)所述DSP控制所述MPPT对光伏阵列一个载波周期中工作电压及工作电流信号 进行n次采样，并将采集到n个电压及电流信号传送至DSP，在DSP中计算所述一个载波周 期中n个采样信号各自对应的输出功率； (3)按照采样频率所对应的时间间隔，在DSP的载波周期中搜索第一个电压脉动 周期光伏阵列输出功率最大时所对应的光伏阵列的工作电压，并将所述工作电压作为DSP 向下一个电压脉动周期发出的电压指令； (4)在DSP中搜索第二个压脉动周期中光伏阵列输出功率最大时所对应的光伏阵 列的工作电压，在DSP中将MPPT采集到的第二个电压脉动周期中光伏阵列最大输出功率， 与步骤(3)所述指令电压所对应的输出功率进行比较，如果光伏阵列在第二个电压脉动周 期输出功率最大值大于或等于步骤(3)所述指令电压对应的输出功率值，则DSP经过PI调 节器向DC/AC逆变电路发出并网逆变电流指令，将步骤(3)所述指令电压由DSP内部的P丽 模块转换成DC/AC电路的驱动占空比，并将所述第二个电压脉动周期输出功率最大值所对 应的光伏阵列工作电压作为DSP向下一个电压脉动周期的电压指令； 如果光伏阵列在所述第二个电压脉动周期最大输出功率值小于所述指令电压对
应的输出功率值，则DSP不向DC/AC逆变电路发出并网逆变电流驱动指令，并将第一个电压
脉动周期中光伏阵列输出功率最大时所对应的光伏阵列的工作电压作为下一个电压脉动
周期的电压指令，重复步骤(3)及步骤(4)，完成对光伏阵列的最大功率进行跟踪。 本发明根据光伏阵列输出功率的自然波动，判断搜索光伏阵列的最大功率跟踪，
实现快速无扰动的光伏阵列最大功率跟踪控制。本发明利用数字信号处理器DSP，在一个载
波周期中，采样光伏阵列电压n次，计算当前阵列的输出功率并进行实时比较，选取较大输
出功率对应的电压值作为下一电压脉动周期的电压指令，实现实际光伏阵列最大功率的跟
踪o 对于单相光伏并网逆变系统，其并网交流电流波形为正弦，并网交流电流与直流 母线电流存在关联，直流母线的电流脉动基波频率是电网频率的2倍。由于光伏阵列功率 和滤波电容容量的有限性，母线的电流脉动肯定会引起直流母线电压的周期波动，母线电 压的波动频率是电网频率的2倍。母线电压的周期波动也即是光伏阵列电压存在的周期波 动，因此光伏阵列的功率输出存在波动，这种功率输出波动是自然存在的，利用这种功率的 自然波动，判断搜索光伏阵列的最大功率跟踪，实现快速无扰动的光伏阵列最大功率跟踪 控制。 本发明方法不会对电网产生扰动影响，最大功率跟踪速度较快，无需任何参数的 选择和设定，适用于单相或三相光伏并网逆变系统的最大功率跟踪控制。
图1为本发明光伏阵列特性曲线图，其中图l(a)为光伏阵列的I-V电压电流特性 曲线图，图l(b)为光伏阵列的P-V功率电压特性曲线图。
4
图2为本发明光伏并网逆变系统结构图。 图3为本发明光伏阵列电压脉动与输出功率关系图。 图4为本发明系统最大功率跟踪控制框图。 图5为本发明最大功率跟踪流程框图。
具体实施例方式
参见图1，光伏阵列的输出功率具有强烈的非线性。光伏阵列的输出短路电流和最 大功率点电流随日照强度的上升而增大，但日照变化对阵列的输出开路电压影响不是那么 大，在一定的日照强度和环境温度下，光伏阵列的输出功率有最高点。为提高并网发电系统 的综合效率，系统应采用MPPT最大功率跟踪控制，即必须保证系统不论在何种日照强度及 环境温度条件下，始终使光伏阵列自动处于最大功率输出状态。在实际使用过程中，光伏组 件常常来自于不同生产厂商，组件的参数和特性也时有差异，它们的最大功率点处的电压 值不尽相同，因此从客观上提出了一种要求在所有不同场合都能使光伏阵列输出最大功率 的控制方法。 参见图2，光伏并网逆变系统结构图。光伏阵列电压正极输出接入DC/AC逆变电 路直流母线，在逆变电路直流侧接入电容Cl用以滤波和稳压。DC/AC电路可以是由M0SFET 或IGBT组成的单相或三相逆变桥。逆变器输出经过电抗器L滤波后连接到电网。控制部 分使用数字信号处理芯片DSP，采样光伏阵列电压，计算光伏阵列输出功率。
参见图3，光伏阵列电压脉动与输出功率关系。其中，Va为CVT的指令电压，位于 Pmax左侧(区域III)，电压脉动的谷点对应功率输出脉动的谷点，电压脉动的峰点对应功 率脉动的峰点，如果在下一周期，以功率峰点的电压值为新的母线电压控制指令，系统的工 作电压将会不断向右(或向大的)方向移动，也即向最大功率点方向移动。系统稳定时，由 于电流有100HZ脉动，所以直流母线的电压脉动轨迹如P-V曲线上的短粗线所示，如果阵 列电压和阵列功率的采样频率为10khz，每次采样周期进行瞬时功率比较，以选择20ms周 期内的最大瞬时功率对应的阵列电压值，则其最大功率对应的电压值位于Val处(虚线所 示)，Val大于Va。如果在下一周期20ms或50ms后以Val为CVT电压指令，则系统的工作 电压会不断向右移动，直至最大功率点电压Vc，此时最大功率点的电压与指令Vc电压是重 叠的如Pmax处的短粗线所示。 当系统的工作电压移动到最大功率点时，阵列功率变化的峰点将会位于电压脉动 的中点，此时，如果以原定的控制策略进行最大功率跟踪控制(峰点功率对应的电压最为 指令)，则母线工作电压不会再移动，除非最大功率点随温度、辐射强度发生变化。
如果温度、日照发生变化，Pmax点电压发生偏移，Vc指令与该电压不重叠，则自动 再次移动。如果初始工作电压位于Pmax右侧(区域I)，原理相同电压脉动的谷点对应功 率输出脉动的峰点，电压脉动的峰点对应功率脉动的谷点，如果在下一周期，以功率峰点的 电压值为新的母线电压控制指令，则系统的工作电压将会不断向左(或向小的)方向移动， 也即向最大功率点方向移动。 根据以上描述，在系统最大功率跟踪时，未加扰动，利用系统本身的电压脉动，指 令电压自动移动到最大功率点处， 参见图4，系统最大功率跟踪控制框图。系统最大功率跟踪控制框图。采样光伏阵列的工作电压并计算当前的输出功率，在电压脉动周期中搜索最大功率对应的母线电压值，并将该电压值作为下一周期的电压指令。光伏阵列的实际工作电压与指令电压反馈比较，经过PI调节器输出并网逆变电流指令，由DSP内部P丽模块转换成DC/AC电路的驱动占空比，实现对光伏阵列工作电压指令的跟踪。 参见图5，系统最大功率跟踪流程框图。 一个载波周期中，设置载波比为N，采样光伏阵列电压并计算阵列的输出功率，对输出功率进行实时比较，选取较大输出功率对应的电压值作为下一 电压脉动周期的电压指令。
权利要求
光伏并网逆变系统中的一种非主动扰动最大功率跟踪方法，其特征在于采用数字信号处理器DSP控制最大功率点跟踪太阳能控制器MPPT，根据光伏阵列输出功率的自然波动，对光伏阵列的工作电压及工作电流进行采样，判断搜索光伏阵列的最大功率并进行跟踪，包括以下步骤(1)将所述光伏阵列的电压正极输出端接入DC/AC逆变电路的直流母线，所述DC/AC逆变电路的直流一侧接入有电容以滤波和稳压，所述DC/AC逆变电路的输出线接入有电抗器，DC/AC逆变电路的输出电压经过电抗器滤波后接入电网；所述最大功率点跟踪太阳能控制器MPPT的信号输入端分别与所述光伏阵列负极以及所述电容电连接，采集所述光伏阵列的工作电压及工作电流，所述数字信号处理器DSP与所述最大功率点跟踪太阳能控制器MPPT电连接，控制MPPT进行采样，并处理MPPT返回的数据，所述DSP与所述DC/AC逆变电路的驱动电路电连接，向所述DC/AC逆变电路发出驱动信号；(2)所述DSP控制所述MPPT对光伏阵列一个载波周期中工作电压及工作电流信号进行n次采样，并将采集到n个电压及电流信号传送至DSP，在DSP中计算所述一个载波周期中n个采样信号各自对应的输出功率；(3)按照采样频率所对应的时间间隔，在DSP的载波周期中搜索第一个电压脉动周期光伏阵列输出功率最大时所对应的光伏阵列的工作电压，并将所述工作电压作为DSP向下一个电压脉动周期发出的电压指令；(4)在DSP中搜索第二个电压脉动周期中光伏阵列输出功率最大时所对应的光伏阵列的工作电压，在DSP中将MPPT采集到的第二个电压脉动周期中光伏阵列最大输出功率，与步骤(3)所述指令电压所对应的输出功率进行比较，如果光伏阵列在第二个电压脉动周期输出功率最大值大于或等于步骤(3)所述指令电压对应的输出功率值，则DSP经过PI调节器向DC/AC逆变电路发出并网逆变电流指令，将步骤(3)所述指令电压由DSP内部的PWM模块转换成DC/AC电路的驱动占空比，并将所述第二个电压脉动周期输出功率最大值所对应的光伏阵列工作电压作为DSP向下一个电压脉动周期的电压指令；如果光伏阵列在所述第二个电压脉动周期最大输出功率值小于所述指令电压对应的输出功率值，则DSP不向DC/AC逆变电路发出并网逆变电流驱动指令，并将第一个电压脉动周期中光伏阵列输出功率最大时所对应的光伏阵列的工作电压作为下一个电压脉动周期的电压指令，重复步骤(3)及步骤(4)，完成对光伏阵列的最大功率进行跟踪。
全文摘要
光伏并网逆变系统中的一种非主动扰动最大功率跟踪技术，根据光伏阵列输出功率的自然波动，实现快速无扰动的光伏阵列最大功率跟踪控制。光伏并网逆变系统中的一种非主动扰动最大功率跟踪技术控制过程为在载波周期中采样光伏阵列的工作电压并计算当前的输出功率；在电压脉动周期中搜索最大功率对应的母线电压值，该电压值作为下一周期的电压指令，光伏阵列的工作电压向最大功率点移动；系统的工作电压移动到最大功率点时，阵列功率变化的峰点位于电压脉动的中点，根据最大功率跟踪控制策略稳定母线工作电压。本发明方法不会对电网产生扰动影响，最大功率跟踪速度较快，无需任何参数的选择和设定，适用于单相或三相光伏并网逆变系统的最大功率跟踪控制。
文档编号H02J3/38GK101697423SQ20091018497
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者周伟, 姚俊, 彭凯, 梁雨生, 汪海宁, 瞿晓丽, 苏建徽, 谢富华, 马志保 申请人:安徽颐和新能源科技股份有限公司;