CN103296694B - 一种用于光伏并网逆变器的多通道可自由组合式mppt系统 - Google Patents

一种用于光伏并网逆变器的多通道可自由组合式mppt系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光伏并网逆变器的多通道可自由组合式MPPT环节，包括n路基本MPPT通道、一路输出，每个基本MPPT通道均设一路PV输入接口；一路以上的基本MPPT通道并联组成一路等效MPPT通道，一路等效MPPT通道连接一路外设的PV输入，所述外设的PV输入分多路输入线，分别连接等效MPPT通道中的每一个基本MPPT通道的PV输入接口。本发明最多可实现1～n路独立MPPT的不同组合方案，提高了对于同一款并网逆变器输入光伏阵列配置的灵活性，也提高了产品的通用性。

Description

一种用于光伏并网逆变器的多通道可自由组合式MPPT 系统
技术领域
本发明涉及光伏并网逆变器的MPPT环节，尤其涉及一种用于光伏并网逆变器的多通道可自由组合式MPPT环节。
背景技术
光伏并网逆变器是将光伏电池阵列（PV）输出的直流电转换为交流电输出到电网的装置。其中光伏阵列是由标准单位的光伏电池板通过串并联组合形成的具有一定电压和功率等级的电池整体。由于光伏板本身是非线性受控功率源，为了使其在当前光照条件下输出最大功率，必须通过后端的光伏逆变器对其进行功率控制，因此一般光伏逆变器，特别是50KW以下的中小功率并网逆变器，内部会专门集成有独立的最大功率追踪（MPPT）环节。MPPT将前端光伏阵列输出的不稳定直流电转换为稳定直流电提供给后级逆变的同时，还按照一定的寻优算法对输入光伏阵列的输出电压或电流进行控制，使逆变器工作在光伏阵列的最大功率点。
现有的内部集成有独立MPPT环节的光伏并网逆变器，均包括三个部分，MPPT环节、直流母线电容环节、功率逆变环节，三个部分从前向后顺次连接，MPPT环节的功能是对接入的PV阵列进行DC-DC功率变换，为后级DC-AC逆变电路提供输入直流电压，并在此过程中通过自动寻优算法控制，使输入的光伏阵列工作在最大功率点；直流母线电容环节主要是为前级直流电和后级交流电之间提供功率解耦，或者能量储存，一般采用电解电容或者薄膜电容，通过串并联等方式构成具有一定耐压值和一定容值的等效电容模块；功率逆变环节是将各个MPPT单元输出的直流电压进行DC-AC变换，向电网输出交流电。
目前市面上的光伏逆变器产品，大多为单通道MPPT，即实现对单个PV阵列的最大功率追踪，单个PV阵列输入应用方式的缺点是：由于PV本身的特性，阵列中任何一块电池板单元因遮光、灰尘、局部发热等因素导致的异常将会影响整个光伏阵列的性能，降低整体输出功率；另一方面，当需要对PV阵列局部检修时，也必须将整个光伏阵列与并网逆变器断开，发电系统停止工作，造成发电损失。基于此，将光伏阵列分散化为多单元成为应用趋势。
目前市场上的多通道MPPT产品仅见双通道MPPT，即最多只能接入两路独立的PV阵列，并且其最大缺陷是无法与单通道MPPT逆变器兼容，即相互之间不可通用。这主要是因为目前市场上双通道MPPT逆变器产品内部的两个MPPT单元各自只能实现对一路独立PV阵列的控制，而无法用两个MPPT单元同时去控制一路PV阵列，否则会出现控制的紊乱而导致机器无法正常工作。因此双通道MPPT并网逆变器接单路PV阵列输入时，只能将PV阵列接入到其中的一路MPPT工作，而让另一路MPPT处于闲置状态，而且在此情况下所接入的PV阵列的最大功率不能超过机器内部单路MPPT单元的最大功率处理能力。但实际上由于在双路MPPT逆变器中，单个MPPT单元的设计最大功率处理能力一般在整机最大功率的50%~70%之间，所以这将导致逆变器只能降额使用，造成输入光伏阵列电能的浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的多通道MPPT产品兼容性差，且在使用时存在一路MPPT闲置的情况，导致逆变器只能降额使用，造成输入光伏阵列电能的浪费。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于光伏并网逆变器的多通道可自由组合式MPPT环节，包括n路基本MPPT通道、一路输出，每个基本MPPT通道均设一路PV输入接口；一路以上的基本MPPT通道并联组成一路等效MPPT通道，一路等效MPPT通道连接一路外设的PV输入，所述外设的PV输入分多路输入线，分别连接等效MPPT通道中的每一个基本MPPT通道的PV输入接口。
本发明在逆变器内部集成n路基本MPPT通道，每个基本MPPT通道均有一路PV输入接口，通过界面设置或远程通讯指令，当设置为单个MPPT模式时，n路基本MPPT通道在外部输入接口上进行并联连接，在内部控制上设为并联运行模式，构成一路等效MPPT单元，由于内部所有MPPT基本通道均实际参与功率转换，整机可以工作在满负荷状态；当设置为双路MPPT模式时，n路基本MPPT通道按照双路PV的功率大小关系组合成两路独立的等效MPPT单元，每个单元各自工作在独立MPPT的模式，对外构成两个独立的MPPT，可以接入两个独立的光伏阵列，整机可以工作在满负荷状态；以此类推，内部集成n个基本MPPT通道的MPPT环节，则最多可实现1～n路独立MPPT的不同组合方案，从而极大的提高了对于同一款并网逆变器输入光伏阵列配置的灵活性，或者说极大的提高了逆变器对设定的光伏阵列的适应性，对于制造厂家，也提高了产品的通用性。
作为本发明的一种改进方案，所述PV输入包括输入正端和输入负端，输入正端连接基本MPPT通道的正端接口，输入负端连接基本MPPT通道的负端接口；所述输出包括输出正端和输出负端，输出与外设的母线电容并联；所有基本MPPT通道的负端接口的输入线并联后得到并联线，该并连线连接到输出负端；所述基本MPPT通道为一个boost电路，包括一个功率电感、一个功率开关、一个功率二极管，功率电感的一端连接正端接口，另一端连接到功率二极管的阳极，将功率二极管的阴极连接到输出正端，将功率开关的一端连接到功率二极管的阳极，另一端连接到前述并联线。
作为本发明的另一种改进方案，所述外设的PV输入通过汇流箱或者集线器分多路输入线。
本发明的优点是：本发明解决了目前市面上光伏并网逆变器MPPT路数较少，以及单双路MPPT不能通用的缺陷，使产品具有很高的通用性，极大的提高了输入光伏阵列配置的灵活性，或者说极大的提高了逆变器对设定的光伏阵列的适应性。而且这一设计，利用MPPT电路本身的特点来实现硬件功能，通过内部CPU的算法控制实现软件功能，不增加电路的复杂性，也不增加电路成本。
附图说明
图1是现有的光伏并网逆变器的电路图。
图2是本发明光伏并网逆变器的电路图。
图3是本发明采用电压扰动观察法MPPT算法与控制方式时的流程示意图。
图4是本发明采用电压扰动观察法MPPT算法与控制方式时的电路图。
图5是本发明三通道MPPT的电路图。
图6是本发明三通道MPPT的电路图（等效为一路MPPT）。
图7是本发明三通道MPPT的电路图（等效为两路MPPT）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，现有的光伏并网逆变器包括A、B、C三个部分，其中A部分为MPPT环节，由功率器件包括功率开关管（如MOSFET、IGBT等）、功率二极管、以及电感、电容等组成的功率变换电路，功能是对接入的PV阵列进行DC-DC功率变换，为后级DC-AC逆变电路提供输入直流电压，并在此过程中通过自动寻优算法控制，使输入的光伏阵列工作在最大功率点；B部分为直流母线电容环节，主要是为前级直流电和后级交流电之间提供功率解耦，或者能量储存，一般采用电解电容或者薄膜电容，通过串并联等方式构成具有一定耐压值和一定容值的等效电容模块；C部分是功率逆变环节，是由功率器件包括功率开关管（如MOSFET、IGBT等）、功率二极管、以及电感、电容等组成的功率变换电路，其功能是将各个MPPT单元输出的直流电压进行DC-AC变换，向电网输出交流电。
如图2所示，本发明包括n路基本MPPT通道、一路输出，每路基本MPPT通道均设一路PV输入接口，所述PV输入接口用于连接外设的PV输入，由于PV输入包括输入正端和输入负端，因此，一路PV输入接口包括一个正端接口和一个负端借口；总计有V1+/V1- ～ Vn+/Vn-共n路PV输入接口；一路以上的基本MPPT通道并联可组成一路等效MPPT通道，一路等效MPPT通道连接一路外设的PV输入，所述外设的PV输入通过汇流箱或者集线器分成多路输入线，分多路输入线，分别连接等效MPPT通道中的每一个基本MPPT通道的PV输入接口。例如将PV1的输入正端PV1+和输入负端PV1-分成PV1_1+/PV1_1-, PV1_2+/PV1_2- 和PV1_3+/PV1_3-，分别接至基本MPPT通道的V1+/V1-, V2+/V2-和V3+/V3-，即实现了将基本MPPT通道1~3并联为一路等效MPPT单元。
前述基本MPPT通道为一个Boost电路，包括一个功率电感L，一个功率开关S和一个功率二极管D，例如将L1，S1和D1构成的电路定义为基本MPPT通道MPPT1。在一个基本MPPT通道例如MPPT1中各个器件的连接方式为：电感L1的一端连接到正端接口V1+，另一端连接到二极管D1的阳极，将二极管D1的阴极连接到输出正端P，将功率开关S1的一端连接到二极管D的阳极，另一端连接到PV输入的输入负端PV-。将正端接口V1+与负端接口V1-之间的电压定义为V1,将正端接口V1+流入的电流，或者流过L1的电流定义为i1，将输出PN之间的电压定义为母线电压Vdc。
以此类推，整个电路将功率电感L1～Ln的一端分别连接到对应的输入正端V1+,V2+,,,Vn+ ，另一端分别连接到对应功率二极管D1，D2，，，Dn的阳极，将功率二极管D1,D2,,,Dn的阴极连接到输出正端P，将功率开关S1，S2,,,Sn的一端分别连接到对应的功率二极管D1,D2,,,Dn的阳极，另一端分别连接到PV输入的输入负端PV-，于是整个电路就构成了包括n个基本MPPT通道的电路，每个基本MPPT通道元可连接一路独立的光伏阵列输出，所有基本MPPT通道的输出都并联输出到后级母线电容上。在功率设计上，由于每个基本MPPT通道都具有相同的电路结构和器件，所以它们具有相同工作条件，即相同的最大输入电压和输出电压以及相同的最大功率容量。理论上将每个基本MPPT通道的最大功率处理能力设置为整机最大功率的1/n, 如果考虑功率冗余能力，则实际可将每个MPPT基本通道的最大功率处理能力设置为整机最大功率的（1~1.5）/n。
如图3-4所示，本发明所描述的MPPT电路，其控制原理是通过数字与信号处理芯片（可以是MCU、DSP、FPGA、CPLD等，在本系统中统称为CPU）来完成。系统通过外围的采样电路获取各基本MPPT单元的输入电压和电流值，然后送CPU按照一定的MPPT算法进行运算，最终得到对每个基本MPPT通道的功率开关的控制信号即占空比D，并通过驱动电路对其进行驱动控制，使每个MPPT基本通道实现对其PV输入功率的控制。
前述基本MPPT通道Boost电路的MPPT算法为现有技术，在专业领域内有多种公开的成熟算法可选择，如电压扰动观察法，电流扰动观察法，电导法，最优梯度法等。
但无论选择哪一种MPPT算法，其基本原理都是通过实时采样当前采样周期（例如当前为第n周期）输入PV阵列的电压V(n)和电流i(n)，计算出当前采样周期PV输出功率P(n)=V(n)*i(n)，通过与上次采样周期PV输出功率的计算值P(n-1)的对比，来确定当前PV是否工作在最大输出功率状态，并以此确定下一采样周期所期望的PV输出电压V(n+1)或电流i(n+1)的值，并由此通过控制功率开关S去控制PV的输出电压V(n+1)或电流i(n+1)，使其达到期望的目标值。
以电压扰动观察法为例，控制对象为一个基本MPPT通道所对应的一路输入PV，控制参量为该路PV的输出电压，通过对该路PV电压的扰动来改变其输出功率，并通过对比来确定当前PV输出电压下所对应的输出功率是否已经达到最大值。具体控制过程为，系统通过采样该MPPT通道当前的输入电压V(n)和电流i(n)，计算得到当前功率P(n)，并与上次采样周期功率计算值P(n-1)进行对比，如果功率比上次增加了，则将PV电压沿着相同的方向扰动，使PV输出电压上升，直至PV功率开始由增加变为减少为止，则该转折点即为P-V曲线的顶点，也即最大功率点。每次功率对比后给出的下一周期电压扰动期望值Vref送入到闭环控制函数，将电压扰动期望值Vref和实际控制PV输出电压值V的误差经PI调节后，通过高频PWM比较器，得到新的开关控制占空比D，然后按照该占空比去控制功率开关的导通时间。在该闭环控制框图中，Gdv是基本MPPT通道即BOOST电路的传递函数，电压环只控制PV电压，而输出Vdc并不参与MPPT算法控制，它是通过后级的电压闭环控制来实现稳定电压。 由于n个基本MPPT通道都是相同的Boost电路，所以其传递函数Gdv是一样的。每个基本MPPT单元的控制可表述为Di = F(Vi, ii )，F(x, y)表示具体的某种MPPT算法。
在此控制原理下，当采用某种具体的MPPT算法方式时，当多个基本MPPT通道组合为一个等效MPPT单元时，仍然按照对基本MPPT通道的控制方式实现对等效MPPT单元的控制。此时由于并联关系，等效MPPT单元的输入电压与它内部所并联的每个基本MPPT通道的输入电压都相同，而输入电流则为它内部所并联的每个基本MPPT通道输入电流的和，也即等效MPPT单元的状态参量仍然为一个输入电压和一个输入电流，所以其MPPT算法程序仍然与基本MPPT通道算法一致，最终得到一个控制参量即占空比D，然后对该等效MPPT单元内部并联的所有基本MPPT通道的功率开关，均按照该占空比D去同步控制即可，即Di = F( Vi, ∑ii )。
实施例
如图5-7所示，生产一台具有3个基本MPPT通道的三相并网逆变器，额定功率20KW，每个MPPT单元可最大处理10KW功率，则对于这样一台逆变器，前端的光伏阵列配置，即可设计为如下模式：
单个20KW的光伏阵列，内部3个基本MPPT通道并联为20KW单MPPT模式；
两个10KW光伏阵列，内部两个MPPT并联成10KW MPPT，另一构成10KW MPPT；
三个7KW光伏阵列， 内部三个MPPT独立运行，构成3路10KW MPPT等。
基于上述提出的发明原理，制作了一台内部集成两个基本MPPT通道的单相非隔离并网逆变器原理样机，该样机额定功率4.6KW，每个基本MPPT通道最大功率2.5KW；最大输入电压600V。采用Chroma 6561B型光伏电池板模拟器模拟PV输入，采用市电直接并网，实测结果为：
当将输入配置为600V，4.6KW单阵列输入时，逆变器工作在单MPPT模式，实测MPPT效率>99.5%；
当将输入配置为两个600V，2KW双阵列输入时，逆变器工作在双MPPT模式，实测MPPT效率>99.5%；
当将输入配置为一路600V，3KW阵列和一路600V，1.6KW阵列时，实测MPPT效率>99.5%；
这一实验结果证明了本发明方案的可行性和实际效果。

Claims (1)

1.一种用于光伏并网逆变器的多通道可自由组合式MPPT系统，其特征是：包括n路基本MPPT通道、一路输出，每个基本MPPT通道均设一路PV输入接口；一路以上的基本MPPT通道并联组成一路等效MPPT通道，一路等效MPPT通道连接一路外设的PV输入，所述外设的PV输入分多路输入线，分别连接等效MPPT通道中的每一个基本MPPT通道的PV输入接口；
所述PV输入包括输入正端和输入负端，输入正端连接基本MPPT通道的正端接口，输入负端连接基本MPPT通道的负端接口；
所述输出包括输出正端和输出负端，输出与外设的母线电容并联；
所有基本MPPT通道的负端接口的输入线并联后得到并联线，该并联线连接到输出负端；
所述基本MPPT通道为一个boost电路，包括一个功率电感、一个功率开关、一个功率二极管，功率电感的一端连接正端接口，另一端连接到功率二极管的阳极，将功率二极管的阴极连接到输出正端，将功率开关的一端连接到功率二极管的阳极，另一端连接到前述并联线；
所述外设的PV输入通过汇流箱或者集线器分多路输入线；
其中，通过界面设置或远程通讯指令，当设置为单个MPPT模式时，n路基本MPPT通道在外部输入接口上进行并联连接，在内部控制上设为并联运行模式，构成一路等效MPPT单元，由于内部所有MPPT基本通道均实际参与功率转换，整机可以工作在满负荷状态；当设置为双路MPPT模式时，n路基本MPPT通道按照双路PV的功率大小关系组合成两路独立的等效MPPT单元，每个单元各自工作在独立MPPT的模式，对外构成两个独立的MPPT，可以接入两个独立的光伏阵列，整机可以工作在满负荷状态；以此类推，内部集成n个基本MPPT通道的MPPT系统，则最多可实现1～n路独立MPPT的不同组合方案。
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