基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法
【专利摘要】本发明涉及基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法。本发明利用采样光伏并网微逆变器主开关管的峰值电流以及峰值电流之和，将其与上一个最大峰值电流比较与之和比较大小，从而实现了光伏组件的最大功率点跟踪。本发明克服了过去方法存在的不仅算法复杂，程序运行效率低，最大功率点跟踪精度差，而且硬件成本较高等缺陷。本发明仅通过采样开关管中峰值电流的大小，来判断光伏组件是否实现最大功率点的跟踪，省去光伏组件电压的采样环节，不需要硬件或通过软件滤波环节得到光伏组件的平均输入电流，降低硬件成本，执行效率高，可节省数字控制芯片的资源，则可有效提高抗干扰能力，从而增强系统控制的稳定性。
【专利说明】
基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子与电工技术领域，特别设及基于峰值电流的光伏并网微逆变 器最大功率点快速算法。
【背景技术】
[0002] 在光伏并网微逆变器中，为实现光伏组件的最大功率点跟踪控制，需要计算光伏 组件的功率，通过比较所计算的功率是否达到最大值，来判断光伏组件是否已工作在最大 功率点。
[0003] 通常的计算方法是将光伏组件的输出电压和输出电流做乘法运算得到平均功率。 为此需要采样光伏组件的输出电压和输出电流，传统的电压检测方法有差分采样、电阻分 压采样、电压霍尔采样和线性光禪采样;而电流的采样主要有逆变器输入回路串电阻采样、 电流互感器和电流霍尔采样。基于电压霍尔和电流霍尔的采样方法，成本较高。对于反激型 并网微逆变器或推挽型高频链并网微逆变器，由于变换器的输入电流呈现峰值脉冲状，为 得到它的平均电流往往需要硬件滤波和数字滤波相结合的方法，可知不仅成本较高、消耗 程序资源，且易造成误差，从而导致最大功率点的跟踪精度较差。
[0004] 在本发明作出之前，微忍的Demo板上通过电流互感器得到了反激型微逆变器主开 关管的峰值电流，在程序中将运个峰值电流与采样得到的光伏组件的输出电压相乘得到功 率，进而在若干工频电网半周期内将运些功率值相加，并认为得到了可W表征光伏组件平 均输出功率的线性数值，通过比较该数值的大小来判断光伏组件是否实现最大功率点的跟 踪控制。其实运种计算方法存在严重错误，因为在固定的开关频率条件下，光伏组件平均输 出功率与开关管中的峰值电流呈增函数关系，而与光伏组件的电压无关，更何况光伏组件 的输出电压在跟踪过程中是实时变化的，一般来说，光伏组件输出的电流变大时，则光伏组 件的电压呈下降趋势，故采用光伏组件的电压与开关管中峰值电流相乘的计算方法来判断 功率的大小，具有较大的误差，即不可能实现组件最大功率的准确跟踪。
[0005] 因而当前基于开关管中峰值电流与光伏组件电压相乘得到功率的最大功率点跟 踪计算方法，不仅算法复杂，程序运行效率低，最大功率点跟踪精度差，而且硬件成本较高， 运显然难W实现光伏并网微逆变器所要求的高性能、低成本。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于克服上述缺陷，研制基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率 点快速算法。
[0007] 本发明的技术方案是：
[000引基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，其主要技术特征在于采 样光伏并网微逆变器主开关管的峰值电流，并在一个工频电网半周期内将所采样的峰值电 流进行大小比较，得到该工频电网半周期内的最大峰值电流;将所述的最大峰值电流与上 一个工频电网半周期内得到的最大峰值电流比较大小，如果所述的最大峰值电流已是最大 值，即后续工频电网半周期内的最大峰值电流也都比所述的最大峰值电流小，那么所述的 最大峰值电流所对应的工况就是光伏组件的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率 点跟踪。
[0009] 本发明的另一技术方案是：
[0010] 基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，其主要技术特征在于所 述采样光伏并网微逆变器主开关管的峰值电流，并在一个工频电网半周期内将所采样的峰 值电流做加法运算，从而得到峰值电流之和;将所述的峰值电流之和与上一个工频电网半 周期内的峰值电流之和比较大小，若所述峰值电流之和达到最大值，即后续工频电网半周 期内的峰值电流之和也都比所述峰值电流之和小，那么所述峰值电流之和所对应的工况就 是光伏组件的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。
[0011] 所述的工频电网半周期内的最大峰值电流，在于光伏并网微逆变器的平均输入功 率是工频电网半周期内最大峰值电流的增函数，故可根据工频半周期内的最大峰值电流是 否达到最大值，来判断光伏组件是否已实现最大功率点的跟踪，如果工频半周期内的最大 峰值电流没有达到最大值，则可W通过扰动并网电流的给定值，直到工频半周期内的最大 峰值电流稳定在最大值，从而实现光伏组件的最大功率点跟踪。
[0012] 所述的工频电网半周期内的最大峰值电流和工频电网半周期内峰值电流之和，还 在于一个工频电网半周期内得到的最大峰值电流是该工频电网半周期内峰值电流之和的 增函数，因而光伏并网微逆变器的平均输入功率也是工频电网半周期内峰值电流之和的增 函数，故可根据工频半周期内的峰值电流之和是否达到最大值，来判断光伏组件是否已实 现最大功率点的跟踪。如果工频半周期内的最大峰值电流没有达到最大值，则可W通过扰 动并网电流的给定值，直到工频半周期内的峰值电流之和稳定在最大值，从而实现光伏组 件的最大功率点跟踪。
[0013] 本发明光伏并网微逆变器最大功率点的快速算法，具有W下优点：仅通过采样开 关管中峰值电流的大小，来判断光伏组件是否实现最大功率点的跟踪，可省去光伏组件电 压的采样环节，且不需要硬件或通过软件滤波环节得到光伏组件的平均输入电流。因而可 W降低光伏并网微型逆变器的硬件成本;判断光伏组件是否工作在最大功率点，只需要经 过逻辑运算和加法运算，而不需要乘法运算，故程序的执行效率高，可节省数字控制忍片的 资源。另外若通过工频电网周期内的峰值电流之和的方法，则可有效提高抗干扰能力，从而 增强系统控制的稳定性。
[0014] 本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。
[0015] 本发明中设及的术语:MPPT(Maximum化wer Point Tracking)，最大功率点跟踪。
【附图说明】
[0016] 图1一一本发明原理说明示意图。
[0017] 图2-一本发明应用电路硬件构成示意图。
[0018] 图3-一本发明通过比较峰值电流最大值的大小实现MPPT的控制流程示意图。
[0019] 图4--本发明通过比较峰值电流之和的大小实现MPPT的控制流程示意图。
[0020] 图5-一本发明中基于峰值电流之和算法实现最大功率点跟踪的实验波形示意 图。
[0021] 图中各标号表示对应的部件名称如下：
[0022] 光伏并网微逆变器主开关1、电流采样传感器2、调理电路3、程序处理单元4。
[0023] 图1中的符号名称：
[0030] 图4中的符号名称；
[0031]
【具体实施方式】
[0032] 本发明的技术主要技术思路是：
[0033] 针对当前光伏并网微逆变器实现最大功率点的算法复杂、跟踪精度不高、程序的 执行效率低和成本较高现状，提出了基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算 法。
[0034] 下面具体说明本发明。
[0035] 如图1、图2所示，本发明的部件构成：
[0036] 光伏并网微逆变器主开关1，电流采样传感器2,调理电路3,程序处理单元4。电流 采样传感器2采样光伏并网微逆变器主开关1中的峰值电流is,送到调理电路3后再送到数 字控制忍片的程序处理单元4,在半个工频电网周期内，光伏并网微逆变器主开关1按电流 临界连续工作时，依次得到峰值电流Ipk_i(i = l，2,…，N)。在程序处理单元4中，通过比较 Ipk_i的大小可W得到最大峰值电流Ipk_max;通过对Ipk_i求和可W得到半个工频周期内的峰值 电流之和Ipk_s?。在图1中，Ip_max是最大峰值电流Ipk_max所在开关周期的平均电流;Ip_i(i = l， 2，···，Ν)是峰值电流Ipk_i所在开关周期的平均电流;Ipk_s?为半个工频电网周期内所有峰值 电流Ipk_i之和。
[0037] 本发明实现光伏并网微逆变器最大功率点的快速算法，采样光伏并网微逆变器主 开关管的峰值电流is,若在一个工频电网半周期内采样次数是N次，则得到N个峰值电流采 样值，即相应程序处理单元4中的Ipk_i，其中i = l，2，…，N。并在一个工频电网半周期内将所 采样的峰值电流Ipk_i进行大小比较，从而得到该工频电网半周期内的最大峰值电流Ipk_"ax， 将所述的最大峰值电流Ipk_max与上一个工频电网半周期内得到的最大峰值电流比较大小， 如果所述的最大峰值电流已是最大值，即后续工频电网半周期内的最大峰值电流也都比所 述的最大峰值电流Ipk_max小，那么所述的最大峰值电流Ipk_max所对应的工况就是光伏组件的 最大功率输出状态，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。
[0038] 在一个工频电网半周期内将所采样的N个峰值电流Ipk_i做加法运算，从而得到峰 值电流之和Ipk_s?，然后通过比较运个峰值电流之和Ipk_s?是否达到最大值，如果是最大值， 则表明已实现了光伏组件的最大功率点跟踪，否则通过扰动并网电流的给定值，直到峰值 电流之和达到最大值，最终实现最大功率点的跟踪。运一结论的具体推导过程如下：
[0039] 在一个工频电网半周期内将所采样的N个峰值电流Ipk_i做加法运算，从而得到峰 值电流之和Ipk_s?，将所述的峰值电流之和Ipk_s?与上一个工频电网半周期内的峰值电流之 和进行大小比较，若所述峰值电流之和Ipk_s?达到最大值，即后续工频电网半周期内的峰值 电流之和也都比所述峰值电流之和小，那么所述峰值电流之和所对应的工况就是光伏组件 的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。
[0040]下面给出理论分析过程。如图1中的程序处理单元4所示：逆变器输出到电网的电 流波形应是与电网电压同步的正弦波，显然在正弦波的波峰和波谷时输出电流达到最大， 此时主开关管中流过的峰值电流将达到最大值IPk_max，在相应开关周期内的平均电流记作 Ip_max。设光伏组件的输出电压为化，光伏组件的输出电流为Ii，则光伏组件的平均输出功率 可W在一个工频电网半周期内计算得到，如公式(1):
[0041 ]
(1)
[0042] 在一个开关周期TS内，设开关管的导通时间为t。。，那么可W得到峰值电流Ipk_max和 对应的开关周期内平均电流Ip_max的关系如式(2):
[0043]
(2)
[0044] 设电路中变压器原边的电感量为Lm，可得光伏组件的电压化与峰值电流Ipk_max的关 系，见式(3):
[0052] 忽略损耗，光伏组件的输出功率就是微逆变器的输入功率。从式(6)可W看出光伏 组件的输出功率Pi与12pk_max成正比，且当Ipk_i > 0时，光伏组件的输出功率Pi是Ipk_max的单调 增函数。基于W上分析，在最大功率跟踪控制时，可W通过判断Ipk_max是否达到最大值来实 现最大功率点的跟踪。
[0053] 具体结合图3说明，图3是基于峰值电流最大值判断的扰动法MPPT控制流程。Igref 是并网电流幅值的给定值，其初始值在初始化程序中给出，A Ig为并网电流幅值的扰动步 长。程序中W工频电网半周期的整数倍时间来调用扰动法MPPT子程序，将当前并网电流幅 值给定值IgreKk)所对应的工频电网半周期峰值电流最大值Ipk_"ax化)与上一个峰值电流最 大值Ipk_max化-1)比较大小，若当前峰值电流最大值Ipk_max化)大于Ipk_max化-1)，根据上述分 析知道，此时光伏组件的输出功率增大，故相应的Igref应继续按同样的方向进行扰动，即若 Igre：Kk)大于Igref化-l)，贝lJ当前并网电流的幅值给定应修正为Igref化) = Igref化)+AIg，否则 应为Igref化）= Igref化)-ΔIg。若当前峰值电流最大值Ipk_max化)小于Ipk_max化-l)，根据上述 分析知道，此时光伏组件的输出功率减少，故相应的Igref应按相反的方向进行扰动，即若 Igre：Kk)大于Igref化-l)，贝lJ当前并网电流的幅值给定应修正为Igref化) = Igref化)-AIg，否则 应为Igref化）= Igref化)+ΔIg。当Ipk_max化)与Ipk_max化-l)近似相等时，则表明光伏组件已工 作在最大功率点，相应的Igref则为最大功率点时的并网电流基准。图3给出了 W扰动并网电 流幅值与本发明中所述的峰值电流最大值判断最大功率点方法相结合的一种扰动法MPPT 跟踪控制流程。若W扰动光伏组件的电压与本发明相结合，效果也是一样。
[0054] 根据上述分析，基于峰值电流最大值Ipk_"ax的最大功率点快速算法，包含两个层次 的逻辑大小判断，首先是在工频电网半周期内对峰值电流Ipk_i进行N次峰值电流大小的比 较，得到该工频电网半周期内的峰值电流最大值Ipk_"ax，然后是将不同工频电网半周期内的 峰值电流最大值进行逻辑大小的比较，从而判断是否已实现最大功率点的跟踪。
[0055] 考虑到实际应用过程，所采样的峰值电流难免受到高频开关切换的干扰而出现的 采样误差，运就会导致最大功率点判断的错误。针对干扰的存在，在数字控制中经常使用平 均滤波的方法。本发明中将一个工频电网半周期内的N个峰值电流Ipk_i取和，即通过加法运 算得到工频电网半周期内的峰值电流之和Ipk_s?，如式(7)。
[0化6]
(7)
[0057]式中，Ipk_i是工频电网半周期内开关管在每个开关周期中的峰值电流，N是工频电 网半周期内峰值电流的采样次数，k为常数。
[005引由式(7)可W看出，当lpk_i>0时，逆变器的工频电网半周期内峰值电流之和Ipk_sum 是该工频电网半周期内峰值电流最大值Ipk_"ax的单调增函数。由于单调增函数的反函数也 是单调增函数，所W相同工频电网半周期内的Ipk_"ax也是Ipk_s?的单调增函数。结合式(6)得 到的结论，可W知道，当lpk_i>0时，光伏组件输出功率Pi是工频电网半周期内峰值电流之和 Ipk_sum的单调增函数。故光伏组件的最大功率点可W采用工频电网半周期内峰值电流之和 Ipk_sum的大小来判断，即可将不同工频电网半周期内的峰值电流之和进行比较，若当某个工 频电网半周期内的峰值电流之和出现最大值，则该工频电网半周期所对应的光伏组件电压 给定值或并网电流给定值所对应的工况就已实现最大功率点的跟踪控制。否则就对光伏组 件的电压给定值或并网电流的给定值进行扰动，直至工频电网半周期内的峰值电流之和出 现最大值。
[0059]提出的基于峰值电流之和Ipk_su"的最大功率点快速算法实现MPPT跟踪控制，具体 结合图4说明。图4是基于峰值电流之和判断的扰动法MPPT控制流程。Igref是并网电流幅值 的给定值，其初始值在初始化程序中给出，A Ig为并网电流幅值的扰动步长。程序中W工频 电网半周期的整数倍时间来调用扰动法MPPT子程序，将当前并网电流幅值给定值Igref(k) 所对应的工频电网半周期峰值电流之和Ipk_s?化)与上一个峰值电流最大值Ipk_s?化-1)比 较大小，若当前峰值电流之和Ipk_sum化)大于Ipk_sum化-1)，根据上述分析知道，此时光伏组件 的输出功率增大，故相应的Igref应继续按同样的方向进行扰动，即若IgreKk)大于IgreKk- 1 )，则当自U并网电流的幅值给走应修正为Igref化）二Igref化)+ Δ Ig ,否则应为Igref化）=Igref 化)-Alg。若当前峰值电流之和Ipk_sum化)小于Ipk_sum化-1)，根据上述分析知道，此时光伏组 件的输出功率减少，故相应的Igref应按相反的方向进行扰动，即若IgreKk)大于IgreKk-l)， 则当自U并网电流的幅值给走应修正为Igref化)二Igref化)-Δ Ig ,否则应为Igref化)=Igref化)+ Alg。当Ipk_max化)与Ipk_max化-1)近似相等时，则表明光伏组件已工作在最大功率点，相应的 Igref则为最大功率点时的并网电流基准。图4给出了 W扰动并网电流幅值与本发明中所述 的峰值电流之和判断最大功率点方法相结合的一种扰动法MPPT跟踪控制流程。若W扰动光 伏组件的电压与本发明相结合，效果也是一样。
[0060] 本发明提出的基于峰值电流之和Ipk_sum的最大功率点快速算法，实现最大功率点 的判断主要包括两个层次。第一是求出工频电网半周期内的峰值电流之和，然后是将不同 工频电网半周期内的峰值电流之和进行大小的逻辑比较。运种方法设及加法运算，和逻辑 比较，故程序运行速度快，执行效率高。和基于峰值电流最大值Ipk_max的最大功率点快速算 法相比，由于功率大小的判断由工频电网半周期内的峰值电流之和的大小比较决定，避免 了开关干扰造成的影响，从而可有效的提高抗干扰能力，增强系统的稳定性。
[0061] 由上分析可知:若采用本发明所提出的基于峰值电流的最大功率点快速算法，与 并网电流幅值扰动法实现最大功率跟踪控制，无需采样光伏组件的电压化，且不需要输入 电压化与输入电流Ii相乘得到具体的功率Pi，就可W得到最大功率点。故本发明中提出的基 于峰值电流最大值Ipk_"ax的最大功率点快速算法，能提高最大功率点算法的速度和执行效 率，节省程序的资源;同时可W省去输入电压的采样环节，从而降低成本。
[0062] 从上述分析可知：通过调节并网电流幅值的给定Igref的大小，或调节光伏组件的 电压给定值，通过适当的控制后，若工频电网半周期内的峰值电流最大值或峰值电流之和 处于最大值，就表明光伏组件已工作在最大功率点。
[0063] 本发明的一个具体实施例子如下：
[0064] 将本发明基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法应用在245W的 反激型光伏并网微逆变器中，如图2所示:光伏组件的输入电压范围：Ui = 22V~50V，额定电 网电压vg= 180~265V，额定电网频率50化/60Hz，电网频率范围47-51.5/57~60.5化。反激 电路的中的主M0S管采用英飞凌190N15NS，反激变压器副边续流二极管的型号为Cree公司 的C4D02120A，电流传感器采用EPC0S公司的B82801B305A125,运算放大器采用微忍的 MCP6022-I，控制忍片采用飞思卡尔的单片机MK10DX64VLF5。
[0065] 反激型微逆变器主开关管化中的电流is由电流传感器TR2采样，应比是100:1，传感 器的副边采样电阻Ri将采样电流变成电流采样信号，送到电流调理电路，调理电路中的运 放MCP6022-I将电流采样信号变换成单片机所能接受的信号，送单片机中程序处理单元进 行处理。在单片机的程序处理单元中，通过简单的加法运算得到工频电网半周期内的峰值 电流之和Ipk_s?，然后采用如图4的扰动法MPPT控制，通过比较工频电网半周期内的大小，找 到了相应的并网电流给定值Igref，并网电流环采用PI控制，从而实现了实施例的最大功率 点跟踪，图5所示为最大功率跟踪的实验波形，MPPT跟踪精度达0.99。可见本发明提出的方 法是有效的。
[0066] 实施例未采用传统的功率计算和功率比较得到最大功率点的跟踪控制方法，也没 有采样光伏组件的输入电压，只是采用了峰值电流求和的加法运算，并采用峰值电流大小 比较的逻辑算法，故相应程序运算单元的运算速度较快且执行效率较高；实施例的并网微 逆变器由于省去了光伏组件的电压采样电路，成本较低。发明的基于峰值电流最大功率点 快速算法不仅适用于反激型并网微型逆变器，推挽型高频链并网微型逆变器，而且适用于 所有峰值电流控制的微逆变器电路拓扑。
[0067] 从W上的描述可知，发明的基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算 法，具有W下优点：
[0068] (1)不需要电压采样电路，降低了成本；
[0069] (2)发明的快速算法节约了数字控制忍片的资源，提高了算法的速度，提高了程序 的执行效率；
[0070] (3)发明的快速算法应用广泛，不仅仅局限于光伏并网微逆变器，还可用在光伏离 网逆变器；
[0071] (4)在中小功率的风力发电中也可W利用运一快速算法实现最大功率点的跟踪。
[0072] 本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技 术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可W对其中的一些技术特征作出一 些替换和变形，运些替换和变形均在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，其特征在于采样光伏并网 微逆变器主开关管的峰值电流，并在一个工频电网半周期内将所采样的峰值电流进行大小 比较，得到该工频电网半周期内的最大峰值电流;将所述的最大峰值电流与上一个工频电 网半周期内得到的最大峰值电流比较大小，如果所述的最大峰值电流已是最大值，即后续 工频电网半周期内的最大峰值电流也都比所述的最大峰值电流小，那么所述的最大峰值电 流所对应的工况就是光伏组件的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。2. 基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，其特征在于所述采样光伏 并网微逆变器主开关管的峰值电流，并在一个工频电网半周期内将所采样的峰值电流做加 法运算，从而得到峰值电流之和;将所述的峰值电流之和与上一个工频电网半周期内的峰 值电流之和比较大小，若所述峰值电流之和达到最大值，即后续工频电网半周期内的峰值 电流之和也都比所述峰值电流之和小，那么所述峰值电流之和所对应的工况就是光伏组件 的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。3. 基于权利要求1所述的基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，其 特征在于所述的工频电网半周期内的最大峰值电流，光伏并网微逆变器的平均输入功率是 工频电网半周期内最大峰值电流的增函数，故可根据工频半周期内的最大峰值电流是否达 到最大值，来判断光伏组件是否已实现最大功率点的跟踪;如果工频半周期内的最大峰值 电流没有达到最大值，则可以通过扰动并网电流的给定值，直到工频半周期内的最大峰值 电流稳定在最大值，从而实现光伏组件的最大功率点跟踪。4. 基于权利要求1或2或3中所述的基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速 算法，其特征在于所述的工频电网半周期内的最大峰值电流和工频电网半周期内峰值电流 之和，还在于一个工频电网半周期内得到的最大峰值电流是该工频电网半周期内峰值电流 之和的增函数，因而光伏并网微逆变器的平均输入功率也是工频电网半周期内峰值电流之 和的增函数，故可根据工频电网半周期内的峰值电流之和是否达到最大值，来判断光伏组 件是否已实现最大功率点的跟踪，如果工频半周期内的最大峰值电流没有达到最大值，则 可以通过扰动并网电流的给定值，直到工频半周期内的峰值电流之和稳定在最大值，从而 实现光伏组件的最大功率点跟踪。
【文档编号】G05F1/67GK106058927SQ201610502982
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】方宇, 马明明
【申请人】扬州大学