CN104617595B - 一种基于并网功率波动的线性外推mppt方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，计算光伏组件输出功率P_PV，将嵌入式处理器产生的并网电压同步2倍频信号u_G2与计算得到的含有100Hz波动影响的光伏组件输出功率P_PV在一个或数个2倍工频周期(0.01秒)内进行积分，根据结果判断当前工作点与最大功率点的位置关系，通过线性外推法得到下一步光伏组件两端电压的指令值，调整光伏组件的工作点使其向最大功率点移动，实现最大功率点跟踪。本发明一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，与传统扰动观察法相比，没有人为施加扰动的环节，提高了MPPT的跟踪速度、精度。

Description

一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法

技术领域

本发明属于光伏并网逆变器最大功率点跟踪(MPPT)技术领域，具体涉及一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法。

背景技术

上个世纪以来，随着石油、煤炭和天然气为代表的化石能源的逐渐消耗以及化石能源燃烧，造成环境问题日趋严峻，世界能源结构由以化石能源为主导向大力发展非化石能源的转变势在必行。

我国作为一个资源大国，同时也是世界上最大的发展中国家，能源结构的优化还有很长的路要走。根据最新的资料显示，2013年中国一次能源生产总量34亿吨标煤，居世界第一，其中煤炭产量占世界的47.5％，石油产量占5％，天然气产量占3.2％，非化石能源产量占15.3％，电力装机占24.5％，非化石能源消费占能源消费总量的9.8％，非化石能源装机总量占电力装机总量的30.9％，目前，风电并网容量累计达到8123万千瓦，位列世界前茅，光伏发电增长强劲，装机容量达到2242万千瓦。

国家主席习近平在APEC工商领导人峰会的演讲中，以及APEC第二十二次领导人非正式会议上的开幕辞里，两次提及“能源革命”，并将其与科技革命、产业革命并列为新一轮全球性的“革命”。中美发布的“气候变化和清洁能源合作的联合声明”，宣布了中国在2020年之后的气候变化行动。这是中国首次正式提出温室气体排放峰值将于2030年左右到来，并提出非化石能源占一次能源消费比例从2020年的15％提升到2030年20％左右。

光伏发电作为非化石能源的重要组成部分，具有其独特的优势条件。首先，太阳能资源储量巨大。太阳照射地球的功率达80万千瓦/每秒，假如将地球表面0.1％的太阳能转为电能，转换效率5％，则每年发电量可达5.6×1012kWh，相当于全球能耗的40倍。其次，太阳能发电系统不受地域、海拔等因素的限制，并且太阳能光伏发电本身不排放包括温室气体和其他废气在内的任何物质，无需燃料、无噪声，属于真正绿色可再生能源。此外光伏发电还可以很容易地与建筑物相结合，组成光伏、建筑一体化发电系统，无需单独占地，节省了宝贵的土地资源。

光伏并网系统是光伏发电系统的重要组成部分，单相多级式光伏并网逆变器系统结构简单、灵活易用，在光伏发电应用中占有重要地位。它的输出端与电网连接，负责将光伏电池组件产生的不稳定的直流电能转化为稳定的交流电能，送至电网。如图1所示，光伏组件产生的电能经DC/DC直流-直流调压后再经直流母线电容C_DC以及DC/AC直流交流逆变器转换为交流电能，与电网连接，将电能传输至电网。

转换效率的提高，是光伏并网逆变器设计最重要的目的之一。光伏组件的输出特性曲线具有非线性特征，受到光照强度、环境温度、湿度、地域和负载等情况影响，如图2所示。而MPPT的工作就是在光伏并网逆变器的输入端，在外界条件不断变化的影响下，通过改变光伏组件两端的电压，调整其工作点，使光伏组件始终以最大的功率向逆变器输送，在源头上提高光伏并网逆变器的效率。因而MPPT是光伏发电系统的关键技术之一，具有非常重要的意义。

通常采用的MPPT方法包括固定步长跟踪法、扰动观察法、电导增量法、智能MPPT控制法等。其中扰动观察法是使用最广泛的一种MPPT方法。该方法算法简单，对传感器精度要求不高，但却带有一些缺点，包括：稳态工作时工作点振荡，造成功率损失；人为施加扰动，若外界环境剧烈变化，会导致系统误判，造成功率损失，甚至于发生电压崩溃。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，与传统扰动观察法相比，没有人为施加扰动的环节，提高了MPPT的跟踪速度、精度。

本发明所采用的技术方案是：一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，计算光伏组件输出功率P_PV，将嵌入式处理器产生的并网电网同步2倍频信号u_G2与计算得到的含有100Hz波动影响的光伏组件输出功率P_PV在一个或数个2倍工频周期(0.01秒)内进行积分，根据结果判断当前工作点与最大功率点的位置关系，通过线性外推法得到下一步光伏组件两端电压的指令值，调整光伏组件的工作点使其向最大功率点移动，实现最大功率点跟踪。

具体包括以下步骤：

步骤1：由嵌入式处理器产生相位与电网电压同相、频率是电网电压频率2倍的正弦信号u_G2，同时由光伏组件两端传感器检测得到的光伏组件输出电压瞬时值u_PV、输出电流瞬时值i_PV，计算得到光伏组件输出功率瞬时值P_PV＝u_PVi_PV；

步骤2：当系统工作点稳定时，利用嵌入式处理器，在一个或数个100Hz周期，即0.01×n秒内对步骤1得到的u_G2及P_PV的乘积进行积分得到S_int：

其中，S_int为积分结果，n为参与积分计算的周期总数，n取大于等于1的整数，T＝0.01s，是100Hz波动的周期；

记录当前工作点及上一工作点的S_int及U_PV，其中U_PV为光伏组件两端电压的稳态直流分量：

步骤3：根据步骤2确定的当前工作点的U_PV、S_int及上一工作点的U_PV、S_int，采用线性外推的算法确定下一工作点的U_PV，通过调整工作点使工作点向S_int＝0处移动，实现最大功率点跟踪。

本发明的特点还在于，

步骤1中嵌入式处理器的型号为STM32ZBT6。

步骤1中光伏组件输出电压瞬时值u_PV由HT7050A型电压传感器测得，输出电流瞬时值i_PV由MAX471型电流传感器测得。

步骤2中n的优选值为5。

步骤3具体为：

假设当前工作点为A点，对应U_PV＝U，S_int＝S，前一工作点为A₀，对应U_PV＝U₀，S_int＝S₀，则：

步骤3.1：连接AA₀两点，与横轴交点为U₁，显然A₀U₀U₁与AUU₁是两个相似三角形，根据相似三角形对应边成比例的公式可知：

其中这样就可以求出U₁，即：

步骤3.2：以U₁为指令，调整光伏组件的工作点至A₁，即：使工作点向S_int＝0处移动；

步骤3.3：待工作点稳定后，返回步骤2，计算新的当前工作点A₁的S_int值，接着用新的当前工作点A₁的U_PV、S_int数据与上一工作点A的U_PV、S_int数据重复步骤3，当前后两个工作点的电压差ΔU_PV小于阈值U_TH时停止调整工作点，实现最大功率点跟踪。

步骤3.2中工作点的调整方法为：对于单相两级式光伏并网逆变器，通过调整BOOST电路的占空比D改变U_PV来调整工作点；对于单相单级式光伏并网逆变器，通过调节并网电流的指令值来调整工作点。

步骤3.3中的阈值U_TH不超过最大功率点处电压U_MPP的5％，即U_TH≤5％U_MPP。

本发明的有益效果是：本发明一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，利用光伏并网逆变器并网工作产生的扰动来寻找最大功率点，消除了人为施加扰动的环节，降低了MPPT误判的可能性；以一个或数个波动周期内多次采样数据的和作为判断依据，降低了传感器以及系统误差对结果的影响，提高了MPPT的准确性；采用线性外推的方法以及合理的阈值设定，在保证MPPT效率的前提下，提高了跟踪速度和精度、实现了稳态无振荡，尤其适用于单相光伏并网逆变器的MPPT。

附图说明

图1是单相两级式光伏并网系统的原理示意图；

图2是不同外界条件下的光伏组件工作特性功率-电压(P-U)曲线；

图3是单相两级式光伏并网逆变系统的拓扑结构图；

图4是光伏组件的功率-电压(P-U)特性曲线；

图5是不同工作区域光伏组件输出功率波形对比图；

图6是本发明一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法的S_int-U(积分-电压)曲线图；

图7是本发明一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法的策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，可应用于单相单级式光伏并网逆变器，亦可应用于单相两级式光伏并网逆变器，所不同的地方在于MPPT的控制器件前者由DC/AC逆变器完成，后者由DC/DC器件(这里采用BOOST电路)实现。现以图3所示的单相两级式光伏并网逆变器结构图为例，具体说明其原理：

图3所示单相两级式光伏并网逆变器系统，右侧并网侧在稳态工作的情况下，处于单位功率因数并网(并网电压与并网电流同相位)状态，并网电压记为u_G，并网电流记为i_G，此时并网电压u_G实际上就是电网的电压，受电网控制，并网电流i_G是一个与并网电压同频同相的正弦量，其幅值和相位由嵌入式处理器产生通断信号的逆变器的四个开关器件S₁、S₂、S₃、S₄所控制，进而实现并网电流i_G相位跟踪电网电压u_G相位，向电网输送功率。

并网电压u_G与并网电流i_G具有相同的频率和相位，不妨设

其中U为电网电压有效值，I为电网电流有效值，ω为电网电压的角频率(ω＝2π×50Hz＝100π)。则逆变器向电网输送的功率

可见并网功率P_G含有一个频率为2倍工频也就是100Hz的正弦波动量。

从能量的角度来看，逆变器由开关元件组成，内部不包含储能元件，因而认为逆变器对功率没有影响，另外由于实际电路滤波电感L的值非常小，其影响可以忽略，同时忽略各种损耗(包括开关损耗、无源器件损耗、线路损耗等)，因而逆变器左侧的输入功率与右侧的并网功率相等，即

P_G＝u_Gi_G＝UI-UIcos2ωt＝u_DCi_DC

可见直流母线电容C_DC输出功率P_C包含有与并网功率P_G同频同相的100Hz正弦波动。

直流母线电容C_DC作为其左侧部分与右侧部分的能量缓冲元件，其输出功率P_C为并网功率的波动分量，即P_C＝-UIcos2ωt，随着其功率的正负正弦变化，其端电压u_DC也会包含有波动分量，令其中U_DC为直流分量，为交流波动分量。直流母线电容C_DC的输出功率P_C可表示为：

通常直流母线电容的电容值取的较大，电容电压波动分量的幅值相对直流分量小很多，因而上式可近似写成：

移项并积分可得

可见直流母线电容两端电压u_DC包含一个与电网电压同相，频率是其2倍的正弦分量

直流母线电容C_DC左侧的BOOST电路，其功能是将其左边输入侧光伏组件两端较低的电压u_PV升压为右侧较高的电压u_DC。通过调节开关S₀的占空比D可以改变左右两侧电压的比例，即u_PV＝(1-D)u_DC。由于S₀开关频率较高(一般为10KHz数量级)，u_DC的波动分量频率较低，若D相对稳定，则u_PV也会包含与u_DC同频同相的波动。这个波动反映在图4光伏组件的P-U特性曲线上就是P_PV随着u_PV的波动而波动。

通过调整占空比D可以改变其直流分量U_PV(工作点)，不同的工作点会产生不同的P_PV波形，如图5所示。图5中第一个U_PV-t为光伏组件两端电压的波形，后面五个分别为不同的U_PV所对应的不同P_PV波形。图中P_P3的波形对应于图4中最大功率点(MPP)附近的工作范围P₃，此时系统工作在最大功率输出状态，此时的U_PV即是所要寻找的最大功率点对应的工作点，记为U_MPP。

本发明一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，并网输出功率的波动在忽略逆变器损耗以及并网侧滤波电感等因素的情况下，逆变器直流侧有功功率与交流侧有功功率是相等的，因而直流母线电容两端的电压以及光伏组件两端的电压u_PV亦会随之产生100Hz的波动。本发明即利用这个波动，首先计算光伏组件输出功率P_PV，然后将嵌入式处理器产生的并网电网同步2倍频信号u_G2与经过采样计算得到的含有100Hz波动影响的光伏组件输出功率P_PV在一个或数个2倍工频周期(0.01秒)内进行积分，根据结果判断当前工作点与最大功率点的位置关系，通过线性外推法得到下一步光伏组件两端电压的指令值，调整光伏组件的工作点使其向最大功率点移动，实现最大功率点跟踪。

具体按照以下步骤实施：

步骤1：由STM32ZBT6型嵌入式处理器产生相位与电网电压同相、频率是电网电压频率2倍的正弦信号u_G2，同时由光伏组件两端传感器检测得到的光伏组件输出电压瞬时值u_PV、输出电流瞬时值i_PV，电压检测采用HT7050A型传感器、电流检测采用MAX471型传感器，计算得到光伏组件输出功率瞬时值P_PV＝u_PVi_PV；

步骤2：当系统工作点稳定时，利用嵌入式处理器，在一个或数个100Hz周期，即0.01×n秒内对步骤1得到的u_G2及P_PV的乘积进行积分得到S_int：

其中，S_int为积分结果，n为参与积分计算的周期总数，n取大于等于1的整数，理论上来说，n越大，传感器误差的影响越小，但跟踪速度会变慢，n优选值为5；T＝0.01s，是100Hz波动的周期。

记录当前工作点及上一工作点的S_int及U_PV；其中U_PV为光伏组件两端电压的稳态直流分量：

其原理为：通过仿真验证发现工作点越接近U_MPP(最大功率工作点)，S_int的值越接近于0，如图6所示。另从图5可以看出，由P_P1/P_P5向P_P3变化(图4曲线左右两侧向MPP靠近)的波形可看出，越靠近MPP，功率波形的频率由100Hz逐渐变为200Hz。当工作点在MPP处其功率曲线P_P3与是正交的，即两者乘积在一个100Hz周期(0.01s)内积分为0。u_G2正弦信号与同频同相，可替代其参与运算，并且u_G2可以很容易地由处理器程序产生。实现工作点在MPP左侧积分为正、在右侧积分为负，与图6相对应，因而只要使工作点向S_int为0处移动，即实现MPPT。

步骤3：根据步骤2确定的当前工作点的U_PV、S_int及上一工作点的U_PV、S_int，采用线性外推的算法确定下一工作点的U_PV，通过调整工作点使工作点向S_int＝0处移动，实现最大功率点跟踪；

具体按照以下步骤实施：

如图7所示，假设当前工作点为A点，对应U_PV＝U，S_int＝S，前一工作点为A₀，对应U_PV＝U₀，S_int＝S₀，则：

步骤3.1：连接AA₀两点，与横轴交点为U₁，显然A₀U₀U₁与AUU₁是两个相似三角形，根据相似三角形对应边成比例的公式可知：

其中这样就可以求出U₁，即：

步骤3.2：以U₁为指令，调整光伏组件的工作点至A₁，即：使工作点向S_int＝0处移动；对于单相两级式光伏并网逆变器，通过调整BOOST电路开关S₀的占空比D改变U_PV来调整工作点；对于单相单级式光伏并网逆变器，通过调节并网电流的指令值来调整工作点；

步骤3.3：待工作点稳定后，返回步骤2，计算新的当前工作点A₁的S_int值，接着用新的当前工作点A₁的U_PV、S_int数据与上一工作点A的U_PV、S_int数据重复步骤3，为了保证MPPT策略稳态工作时无振荡，取一阈值U_TH，当前后两个工作点的电压差ΔU_PV小于该阈值U_TH时停止调整工作点，实现最大功率点跟踪。

阈值U_TH的选取需要考虑MPPT跟踪精度以及传感器的精度等问题，根据实际情况选取，一般U_TH≤5％U_MPP。

本发明的有益效果在于：

(1)相较于通常采用的扰动观察法通过人为施加扰动实现MPPT，本发明利用单位功率因数并网所造成的系统固有波动实现MPPT，一定程度上避免了人为扰动造成的功率损失以及误判断；

(2)采用积分(实际实现是通过多次采样求和)的结果作为判断最大功率点的依据，降低了传感器及系统误差对结果的不利影响，一定程度上减少了误判的可能；

(3)采用线性外推的方法调整工作点，实现MPPT需要的调整步长少、跟踪速度快，提高了系统的动态响应能力(即MPPT跟踪速度)；

(4)在最大功率点附近设定阈值范围，避免了工作点在最大功率点附近的振荡，提高了系统稳态运行的效率(即MPPT跟踪效率)。

Claims (7)

1.一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，其特征在于，计算光伏组件输出功率P_PV，将嵌入式处理器产生的并网电压同步2倍频信号u_G2与计算得到的含有100Hz波动影响的光伏组件输出功率P_PV在一个或数个2倍工频周期，即0.01秒内进行积分，根据积分结果判断当前工作点与最大功率点的位置关系，通过线性外推法得到下一步光伏组件两端电压的指令值，调整光伏组件的工作点使其向最大功率点移动，实现最大功率点跟踪；

具体包括以下步骤：

步骤1：由嵌入式处理器产生相位与电网电压同相、频率是电网电压频率2倍的正弦信号u_G2，同时由光伏组件两端传感器检测得到的光伏组件输出电压瞬时值u_PV、输出电流瞬时值i_PV，计算得到光伏组件输出功率瞬时值P_PV＝u_PVi_PV；

步骤2：当系统工作点稳定时，利用嵌入式处理器，在一个或数个100Hz周期，即0.01×n秒内对步骤1得到的u_G2及P_PV的乘积进行积分得到S_int：

$S_{\mathrm{int}}=\frac{{\∫}_0^{nT}{u}_{G2}{P}_{PV}dt}{n}$

其中，S_int为积分结果，n为参与积分计算的周期总数，n取大于等于1的整数，T＝0.01s，是100Hz波动的周期；

记录当前工作点及上一工作点的S_int及U_PV，其中U_PV为光伏组件两端电压的稳态直流分量：

$U_{PV}=\frac{{\∫}_0^{nT}{u}_{PV}dt}{n}$

步骤3：根据步骤2确定的当前工作点的U_PV、S_int及上一工作点的U_PV、S_int，采用线性外推的算法确定下一工作点的U_PV，通过调整工作点使工作点向S_int＝0处移动，实现最大功率点跟踪。

2.如权利要求1所述的一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，其特征在于，所述步骤1中嵌入式处理器的型号为STM32ZBT6。

3.如权利要求1所述的一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，其特征在于，所述步骤1中光伏组件输出电压瞬时值u_PV由HT7050A型电压传感器测得，输出电流瞬时值i_PV由MAX471型电流传感器测得。

4.如权利要求1所述的一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，其特征在于，所述步骤2中n的优选值为5。

5.如权利要求1所述的一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

假设当前工作点为A点，对应U_PV＝U，S_int＝S，前一工作点为A₀，对应U_PV＝U₀，S_int＝S₀，则：

步骤3.1：连接AA₀两点，与横轴交点为U₁，显然A₀U₀U₁与AUU₁是两个相似三角形，根据相似三角形对应边成比例的公式可知：

$\frac{\stackrel{\‾}{AU}}{\stackrel{\‾}{A_0{U}_0}}=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{UU}}_1}}{\stackrel{\‾}{U_0{U}_1}}$

其中这样就可以求出U₁，即：

$U_1=\frac{{\mathrm{SU}}_0+S_{0}U}{S+S_0}$

步骤3.2：以U₁为指令，调整光伏组件的工作点至A₁，即：使工作点向S_int＝0处移动；

步骤3.3：待工作点稳定后，返回步骤2，计算新的当前工作点A₁的S_int值，接着用新的当前工作点A₁的U_PV、S_int数据与上一工作点A的U_PV、S_int数据重复步骤3，当前后两个工作点的电压差ΔU_PV小于阈值U_TH时停止调整工作点，实现最大功率点跟踪。

6.如权利要求5所述的一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，其特征在于，所述步骤3.2中工作点的调整方法为：对于单相两级式光伏并网逆变器，通过调整BOOST电路的占空比D改变U_PV来调整工作点；对于单相单级式光伏并网逆变器，通过调节并网电流的指令值来调整工作点。

7.如权利要求5所述的一种基于并网功率波动的线性外推MPPT方法，其特征在于，所述步骤3.3中的阈值U_TH不超过最大功率点处电压U_MPP的5％，即U_TH≤5％U_MPP。