CN104638956B - 一种逆变器的mppt控制装置、方法及逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变器的MPPT控制方法，通过采集直流侧的电流、电压信号以及交流侧的电流、电压信号。然后根据上述信号，计算得到直流功率以及交流功率。并判断直流功率以及交流功率是否满足第一预设条件，如果是，则通过交流功率判断MPPT功率方向的变化；如果否，则通过直流功率判断MPPT功率方向的变化。由于本发明提供的MPPT控制方法是对直流功率和交流功率进行检测，当某一输入侧发生传感器或采样电路失效时，则转换为另一侧功率来判断MPPT功率方向的变化，实现了MPPT的冗余控制。有效的解决了现有技术中当输入侧传感器或采样电路失效时导致的算法失效、能量损失以及发电装置停机的问题。

Description

一种逆变器的MPPT控制装置、方法及逆变器

技术领域

本发明涉及电力发电控制领域，更具体的说，是涉及一种逆变器的MPPT控制装置、方法及逆变器。

背景技术

随着社会经济的不断发展，用电需求的不断增大，常规的能源也日益枯竭，进而，电力系统逐步向新能源以及可再生能源方向发展。而新能源和可再生能源输出能量受多种因素影响，例如光伏系统中光伏板输出电能受光照强度和温度变化而产生明显地变化。为了提高逆变装置的工作效率，需要使其工作在输入源最大功率点。

通常，采用MPPT算法实现对最大功率点的跟踪。具体的MPPT算法实现目标是跟踪的快速性和准确性，即在外界因素引起输入源功率发生突变时，其能够快速响应以及稳定工作时发电装置输出功率波动小。

常用的MPPT算法为扰动观察法，发明人发现：该方法是通过直接或间接地检测发电装置输入侧(输出侧)功率变化方向来实现功率最大点跟踪。一旦输入侧(输出侧)传感器或采样电路失效时，将导致MPPT算法失效，进而导致发电装置无法跟踪最大功率点，降低了输入源的效率以及发电装置的发电量，导致能量的损失，甚至是使发电装置停止工作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种逆变器的MPPT控制装置及方法，有效的解决了现有技术中当输入侧传感器或采样电路失效时导致能量的损失的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种逆变器的MPPT控制装置，包括直流采样支路、交流采样支路、MPPT控制器以及控制电路；

所述控制电路通过所述MPPT控制器分别与所述直流采样支路以及所述交流采样支路相连；

在所述MPPT控制器判断直流功率和交流功率满足第一预设条件时，导通所述交流采样支路与所述控制电路所在的支路；不满足所述第一预设条件时，导通所述直流采样支路与所述控制电路所在的支路。

优选的，所述直流采样支路包括直流电流采样支路以及直流电压采样支路，分别用于采样直流侧的电流信号以及电压信号。

优选的，所述直流采样支路通过第一模数转换器将所述直流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第一数字信号，所述第一数字信号按照第一预设公式计算得到所述直流功率；

所述交流采样支路通过第二模数转换器将所述交流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第二数字信号，所述第二数字信号按照第二预设公式计算得到所述交流功率。

优选的，所述第一预设条件为所述交流功率大于交流功率的上限，且所述直流功率小于直流功率的下限。

优选的，所述不满足所述第一预设条件时，导通所述直流采样支路与所述控制电路所在的支路具体为：

在不满足所述第一预设条件时，在预设时间内，当判断所述直流采样支路采样的电流值不等于预设电流值时，导通所述直流采样支路与所述控制电路所在的支路，所述预设电流值为所述直流采样支路失效后的直流电流值。

一种逆变器的MPPT控制方法，应用于任意一项上述MPPT控制装置，该MPPT控制方法包括：

采集第一信号，所述第一信号包括直流侧的电流、电压信号以及交流侧的电流、电压信号；

根据所述第一信号，计算得到直流功率以及交流功率；

判断所述直流功率以及所述交流功率是否满足第一预设条件，如果是，则通过所述交流功率判断MPPT功率方向的变化；如果否，则通过所述直流功率判断MPPT功率方向的变化。

优选的，将所述直流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第一数字信号，所述第一数字信号按照第一预设公式计算得到所述直流功率；

将所述交流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第二数字信号，所述第二数字信号按照第二预设公式计算得到所述交流功率。

优选的，所述第一预设条件为所述交流功率大于交流功率的上限，且所述直流功率小于直流功率的下限。

优选的，所述如果否，则通过所述直流功率判断MPPT功率方向的变化，具体为：

在不满足所述第一预设条件时，在预设时间内，当判断所述直流采样支路采样的电流值不等于预设电流值时，通过所述直流功率判断MPPT功率方向的变化，所述预设电流值为所述直流采样支路失效后的直流电流值。

一种逆变器，其特征在于，包括任意一项上述的MPPT控制装置。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种逆变器的MPPT控制方法，应用于MPPT控制装置，该MPPT控制方法通过采集第一信号，其中，第一信号包括直流侧的电流、电压信号以及交流侧的电流、电压信号。然后根据第一信号，计算得到直流功率以及交流功率。并判断直流功率以及交流功率是否满足第一预设条件，如果是，则通过交流功率判断MPPT功率方向的变化；如果否，则通过直流功率判断MPPT功率方向的变化。由于本发明提供的MPPT控制方法是对直流功率和交流功率进行检测，当某一输入侧发生传感器或采样电路失效时，则转换为另一侧功率来判断MPPT功率方向的变化，实现了MPPT的冗余控制。有效的解决了现有技术中当输入侧传感器或采样电路失效时导致的算法失效、能量损失以及发电装置停机的问题。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为传感器或采样电路失效时常用MPPT算法失效示意图；

图2为本发明提供的一种用于DC-AC变换器情况下的控制装置的结构示意图；

图3为本发明提供的一种逆变器的MPPT控制方法的流程图；

图4为本发明提供的一种用于DC-AC变换器情况下的MPPT控制方法的流程图；

图5为采用本发明提供的一种用于DC-AC变换器情况下的MPPT控制方法的效果图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

MPPT：Maximum power point tracking，最大功率点跟踪。

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。

请参阅附图3，为本发明提供的一种逆变器的MPPT控制方法的流程图，该MPPT控制方法应用于如图2所示的MPPT控制装置，该MPPT控制方法包括步骤：

S101：采集第一信号。

其中，第一信号包括直流侧的电流、电压信号以及交流侧的电流、电压信号。图2中的采样电路101采集直流侧的电流信号和电压信号，采样电路102采样交流侧的交流电压和电流信号。这里需要说明的是，该采样电路101和采样电路102的结构可以相同，只是根据不同的采样需求，安装在不同的信号输出端，如直流侧或交流侧。从图2中不难发现，采样电路101分为电压采样支路以及电流采样支路，分别对直流侧的输出电压u_dc以及输出电流i_dc进行采样，该采样可以通过电压传感器以及电流传感器实现，当然，并不局限于此。在本实施例中，只要能实现对直流侧和交流侧输出电压以及电流的采样即可，并不限定采样所需的器件以及电路种类。

S102：根据第一信号，计算得到直流功率以及交流功率。

具体的，此处可以将直流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第一数字信号，第一数字信号按照第一预设公式计算得到直流功率。将交流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第二数字信号，第二数字信号按照第二预设公式计算得到交流功率。

预设公式可以为功率计算公式：功率=电流*电压，进而计算出交流侧和直流侧的功率值。

S103：判断直流功率以及交流功率是否满足第一预设条件，如果是，则通过交流功率判断MPPT功率方向的变化；如果否，则通过直流功率判断MPPT功率方向的变化。

其中，第一预设条件为交流功率大于交流功率的上限，且直流功率小于直流功率的下限。且在不满足第一预设条件时，在预设时间内，当判断直流采样支路采样的电流值不等于预设电流值时，通过直流功率判断MPPT功率方向的变化，预设电流值为直流采样支路失效后的直流电流值。

由于本发明提供的MPPT控制方法是对直流功率和交流功率进行检测，当某一输入侧发生传感器或采样电路失效时，则转换为另一侧功率来判断MPPT功率方向的变化，实现了MPPT的冗余控制。有效的解决了现有技术中当输入侧传感器或采样电路失效时导致的算法失效、能量损失以及发电装置停机的问题。

上述本发明提供的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置实现，因此本发明还提供了一种逆变器的MPPT控制装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅图2，为本发明提供的一种逆变器的MPPT控制装置的结构示意图，包括直流采样支路101、交流采样支路201、MPPT控制器103以及控制电路104。

其中，控制电路通过MPPT控制器分别与直流采样支路以及交流采样支路相连；

在MPPT控制器判断直流功率和交流功率满足第一预设条件时，导通交流采样支路与控制电路所在的支路；不满足第一预设条件时，导通直流采样支路与控制电路所在的支路。优选的，直流采样支路包括直流电流采样支路以及直流电压采样支路，分别用于采样直流侧的电流信号以及电压信号。

优选的，直流采样支路通过第一模数转换器将直流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第一数字信号，第一数字信号按照第一预设公式计算得到直流功率。交流采样支路通过第二模数转换器将交流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第二数字信号，第二数字信号按照第二预设公式计算得到交流功率。

需要说明的是，第一预设条件为交流功率大于交流功率的上限，且直流功率小于直流功率的下限。在不满足第一预设条件时，在预设时间内，当判断直流采样支路采样的电流值不等于预设电流值时，导通直流采样支路与控制电路所在的支路，预设电流值为直流采样支路失效后的直流电流值。

现结合上述电路，对本实施例提供的MPPT控制装置的工作原理进行说明：

技术背景中已经介绍常用MPPT算法为扰动观察法，本实施例以DC-AC变换器中采用电压扰动实现MPPT算法为例，令直流电压和电流采样分别为u_dc和i_dc。当电流传感器或电流采样电路失效时，控制器电流采样值i_dc通常在一个固定值i_c小范围内波动。假设i_c<0，当电压施加扰动量为Δu时，功率变化量ΔP可以表示为：

ΔP=Δu×i_c (1)

由于i_c<0，所以ΔP的方向与Δu方向相反。假设起始Δu>0，则ΔP<0，此时控制器判断当前功率点在P-V曲线右侧，所以下次施加电压扰动量Δu<0，其产生的功率变化量ΔP>0，此时控制器同样判断当前功率点在P-V曲线右侧。以此类推，控制器施加的扰动量Δu一直小于0，从而使得功率点一直往左偏，直至u_dc等于控制器设置的MPPT下限，图1(a)给出了该情况下MPPT失效示意图，图中P-V曲线表示实际输入源的输出功率与输出电压关系曲线，I-V曲线表示控制器采样电流与电压关系曲线，图中箭头表示MPPT搜索过程中实际走向。可以看出，当传感器或采样电路失效后，I-V曲线为一条直线。当i_c>0、i_c=0时，同样可采用上述方法分析，图1(b)、(c)给出相应情况下MPPT失效示意图。

通过分析可得出如下结论：当i_c≠0时，MPPT失效表现为功率点会偏向P-V曲线的左侧或右侧；当i_c=0时，功率点会在当前工作点左右波动，该情况虽然功率点不会向左或右偏移，但当外界因素引起输入源功率波动时，其将无法自动跟踪最大功率功率点，所以MPPT算法仍然失效。

结合图2，微处理器AD模块采样输入输出电气量，并计算直流功率P_dc和交流有功功率P_ac，用于传感器或采样失效监测、MPPT冗余控制和MPPT算法。传感器或采样失效监测及MPPT冗余控制器输出为开关信号S_MPPT，当S_MPPT为‘0’时，采用直流电气量实现MPPT控制；当S_MPPT为‘1’时，采用交流电气量实现MPPT控制。MPPT控制结合控制器最终输出占空比信号，由PWM模块经过驱动电路控制变换器各个开关。

图4给出了本发明用于DC-AC变换器情况下MPPT控制方法的流程图。描述前对引用的变量定义如下：u_dc、i_dc为直流电压、电流采样，P_dc为直流功率，u_x(x=A,B,C)、i_x(x=A,B,C)为交流电压、电流采样，P_ac为交流有功功率。为了判断传感器或采样是否失效，设置交流有功上限P_max和直流功率下限P_min。i_c为传感器或采样电路失效后直流电流维持的固定值，Δi为实际直流电流采样波动范围，其值一般很小。i_dc1、P_ac1为扰动前直流电流和交流有功，i_dc2、P_ac2为扰动后直流电流和交流有功，Δu为施加的扰动量，u_{MPPT_min}为控制器设置的MPPT下限，u_c为判断u_dc是否在u_{MPPT_min}附近设置的裕量，P_c为判断施加扰动Δu后，P_ac是否变化而设置的阈值，S_MPPT为冗余MPPT控制开关标志，‘1’表示启用冗余控制。下面结合流程图给出本发明实现的具体步骤，如下所示：

S401、采集直流和交流电气量，包括直流电压电流和交流电压电流；

S402、对所述采样信号进行模数转换，获得采样数字信号u_dc、i_dc、u_x(x=A,B,C)、i_x(x=A,B,C)。

由于实际应用中，计算过程是通过处微处理器等实现的，其只能处理数字信号，故需对采样得到的模拟信号形式进行模数转换；

S403、根据采样获得交直流数字信号计算直流功率P_dc和交流有功功率P_ac；

S404、对上述计算的直流功率和交流有功功率进行判断，判断条件如式(2)所示：

如果满足上述条件，则将则将MPPT切换标志S_MPPT置为‘1’，并跳至S408；反之继续S405；

S405、在一段时间t内，判断直流电流是否维持在定值附近，判断条件如式(3)所示：

i_dc=i_c+Δi （3）

如果满足上述条件，则表明直流电流维持为定值，继续S406；反之，将则将MPPT切换标志S_MPPT置为‘0’，并跳至S408；

S406、对当前MPPT算法施加扰动Δu，并记录扰动前直流电流i_dc1、交流有功P_ac1和扰动后直流电流i_dc2、交流有功P_ac2。本流程图以施加电压扰动为例，Δu方向由如下表达式确定：

S407、根据前后记录直流电流和交流有功判断是否启用MPPT冗余控制，判断条件如式(5)所示：

式(5)两者为“与”的关系，P_c是为了判断施加扰动Δu后，交流有功是否变化而设置的阈值。当满足上述条件时，则将MPPT切换标志S_MPPT置为‘1’。

S408、判断S_MPPT的状态，当S_MPPT为‘1’，则启用MPPT冗余控制，用交流有功P_ac来判断MPPT功率方向的变化；反之，仍然采用直流功率P_dc来判断。

图5给出了本发明用于DC-AC变换器情况下实际效果图。图5(a)描述如下：

(1)时间t₁段：直流侧传感器或采样电路正常，此时S_MPPT为‘0’，采用P_dc来实现MPPT跟踪，对应P-V曲线1和I-V曲线1。从图中可以看出，最终功率点搜索在MPP点附近；

(2)时间t₂段：直流侧传感器或采样电路失效，此时S_MPPT为‘0’，仍然采用P_dc实现MPPT跟踪，对应P-V曲线2和I-V曲线2。从图中可以看出，功率点向左侧偏离MPP点；

(3)时间t₃段：控制器检测到直流侧传感器或采样电路失效，此时S_MPPT为‘1’，启用MPPT冗余控制，采用P_ac实现MPPT跟踪，对应P-V曲线3和I-V曲线2。可以看出，最终功率点搜索在MPP点附近。

图5(b)所示为采用P_ac实现MPPT跟踪时P-V曲线和I-V曲线。综上所述，本发明专利提出的MPPT冗余控制算法能够很好地解决常用MPPT算法失效问题，从而使得输入源能量得到最大化利用，提高发电装置的发电量。

综上所述：本发明提供了一种逆变器的MPPT控制方法，应用于MPPT控制装置，该MPPT控制方法通过采集第一信号，其中，第一信号包括直流侧的电流、电压信号以及交流侧的电流、电压信号。然后根据第一信号，计算得到直流功率以及交流功率。并判断直流功率以及交流功率是否满足第一预设条件，如果是，则通过交流功率判断MPPT功率方向的变化；如果否，则通过直流功率判断MPPT功率方向的变化。由于本发明提供的MPPT控制方法是对直流功率和交流功率进行检测，当某一输入侧发生传感器或采样电路失效时，则转换为另一侧功率来判断MPPT功率方向的变化，实现了MPPT的冗余控制。有效的解决了现有技术中当输入侧传感器或采样电路失效时导致的算法失效、能量损失以及发电装置停机的问题。

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。对于实施例提供的装置而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所提供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的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种逆变器的MPPT控制装置，其特征在于，包括直流采样支路、交流采样支路、MPPT控制器以及控制电路；

所述控制电路通过所述MPPT控制器分别与所述直流采样支路以及所述交流采样支路相连；

在所述MPPT控制器判断直流功率和交流功率满足第一预设条件时，导通所述交流采样支路与所述控制电路所在的支路；不满足所述第一预设条件时，导通所述直流采样支路与所述控制电路所在的支路；

所述第一预设条件为所述交流功率大于交流功率的上限，且所述直流功率小于直流功率的下限。

2.根据权利要求1所述的MPPT控制装置，其特征在于：所述直流采样支路包括直流电流采样支路以及直流电压采样支路，分别用于采样直流侧的电流信号以及电压信号。

3.根据权利要求1所述的MPPT控制装置，其特征在于：所述直流采样支路通过第一模数转换器将所述直流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第一数字信号，所述第一数字信号按照第一预设公式计算得到所述直流功率；

所述交流采样支路通过第二模数转换器将所述交流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第二数字信号，所述第二数字信号按照第二预设公式计算得到所述交流功率。

4.根据权利要求1所述的MPPT控制装置，其特征在于，所述不满足所述第一预设条件时，导通所述直流采样支路与所述控制电路所在的支路具体为：

在不满足所述第一预设条件时，在预设时间内，当判断所述直流采样支路采样的电流值不等于预设电流值时，导通所述直流采样支路与所述控制电路所在的支路，所述预设电流值为所述直流采样支路失效后的直流电流值。

5.一种逆变器的MPPT控制方法，应用于如权利要求1-4中任意一项所述MPPT控制装置，其特征在于，该MPPT控制方法包括：

采集第一信号，所述第一信号包括直流侧的电流、电压信号以及交流侧的电流、电压信号；

根据所述第一信号，计算得到直流功率以及交流功率；

判断所述直流功率以及所述交流功率是否满足第一预设条件，如果是，则通过所述交流功率判断MPPT功率方向的变化；如果否，则通过所述直流功率判断MPPT功率方向的变化。

6.根据权利要求5所述的MPPT控制方法，其特征在于：

将所述直流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第一数字信号，所述第一数字信号按照第一预设公式计算得到所述直流功率；

将所述交流采样支路采集到的电流、电压信号转换为第二数字信号，所述第二数字信号按照第二预设公式计算得到所述交流功率。

7.根据权利要求5所述的MPPT控制方法，其特征在于：所述第一预设条件为所述交流功率大于交流功率的上限，且所述直流功率小于直流功率的下限。

8.根据权利要求5所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述如果否，则通过所述直流功率判断MPPT功率方向的变化，具体为：

在不满足所述第一预设条件时，在预设时间内，当判断所述直流采样支路采样的电流值不等于预设电流值时，通过所述直流功率判断MPPT功率方向的变化，所述预设电流值为所述直流采样支路失效后的直流电流值。

9.一种逆变器，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的MPPT控制装置。