CN105867513B - 一种扰动观察最大功率点的跟踪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扰动观察最大功率点的跟踪装置，包括DC‑DC变换器、PV组串和MPPT单元，DC‑DC变换器单元包含有小信号模型、控制器和前馈控制器，该DC‑DC变换器单元作为电流跟踪系统，在PV发电系统进入稳态后，该DC‑DC变换器单元的输出电流跟踪输入参考电流的变化；PV组串是由多个PV模块组成的PV串联支路；MPPT单元包括直流功率通道和基波功率通道；在基波功率通道中设置有一个平方器，利用平方器保证有效功率增量始终为正值，使新的工作点更接近最大功率MP点。该装置能够解决精确性、收敛性与快速性之间的矛盾，避免了传统算法在MP点附近存在稳态振荡的现象，提高了PV组串的平均输出功率。

Description

一种扰动观察最大功率点的跟踪装置
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种扰动观察最大功率点的跟踪装置。
背景技术
在电力系统领域中，为了使PV模块、组串或阵列提供最大输出功率，必须使其工作在其MP(maximum power,简写为MP，中文译文：最大功率)点。因此最大跟踪技术是PV发电系统的重要基础技术之一。目前MPPT(MPPT--maximum power point tracker，最大功率点跟踪)的主要算法有：定电压跟踪技术、电导增量技术和扰动观察技术等。
定电压跟踪技术是假设温度和环境影响可以略去不计，MP点的电压Vmp近似等于0.79倍的开路电压Voc。通过测量开路电压确定MP点的电压。具有简单易行、成本低等优点。但因为开路电压依赖环境温度，所以误差太大。有些文献介绍用温度补偿消除其误差。更严重的问题是，当PV组串的某个PV模块出现硬遮蔽时，这种方法基本失灵。基于在MP点功率-电压的导数等于零的原理，推导出了电导增量技术。其基本原理是在MP点PV组串输出电导的变化率等于其直流电导的负值。因此，通过比较电导的变化率与直流电导确定搜索的方向。这种方法控制精度高、响应速度快、适应光照值不断变换的工况。它的缺点如下：1)因为差分对高频干扰十分敏感，用差分求取电导变化率时易于受到干扰；2)对传感器要求比较苛刻。由于MP点的电压是温度的函数，如果考虑到硬遮蔽现象，使得组串的电压变化范围较大；电流是光照值的函数，如果发生了软遮蔽组串电流的变化范围会更大。需要使用高精度-变量程的电压和电流传感器才能满足要求，从而导致了硬件成本造价昂贵。
扰动观察技术基本原理是每隔一定的时间间隔，增加或减少PV组串(Photovoltaic,光伏,简写为PV)的输出电压，观察变动后的功率变化方向，确定下一步是增加或减少输出功率。这种算法简单易行。所以扰动观察法(P&O-MPPT法)是目前普遍使用的MMPT方法，但扰动观察法存在着三大问题，其一是MP点的稳态振荡，导致了最大功率点的平均输出功率下降；其二是光照突变导致偏离MP点，失去跟踪能力；其三是精确性、收敛性与快速性之间有着不可协调的结构性矛盾。
发明内容
本发明的目的是提供一种扰动观察最大功率点的跟踪装置，该装置能够解决精确性、收敛性与快速性之间的矛盾，避免了传统算法在MP点附近存在稳态振荡的现象，提高了PV组串的平均输出功率。
一种扰动观察最大功率点的跟踪装置，所述装置包括DC-DC变换器、PV组串和MPPT单元，其中：
所述DC-DC变换器单元包含有小信号模型、控制器和前馈控制器，该DC-DC变换器单元作为电流跟踪系统，在PV发电系统进入稳态后，该DC-DC变换器单元的输出电流跟踪输入参考电流的变化；
所述PV组串是由多个PV模块组成的PV串联支路，所述DC-DC变换器单元的输出电流作为该PV组串的输出电流；
所述MPPT单元包括直流功率通道和基波功率通道，所述直流功率通道提取所述PV组串输出功率的直流成分，所述基波功率通道提取所述PV组串输出功率的基波分量；
在所述基波功率通道中设置有一个平方器，利用该平方器保证有效功率增量始终为正值，使新的工作点更接近最大功率MP点。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置能够解决精确性、收敛性与快速性之间的矛盾，避免了传统算法在MP点附近存在稳态振荡的现象，提高了PV组串的平均输出功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供扰动观察最大功率点的跟踪装置的结构示意图；
图2为本发明所举实例的装置工作原理示意图；
图3为本发明所举实例中DC-DC变换器单元的结构示意图。
具体实施方式
下面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，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例基于i-p特性在MP点对交流扰动信号存在的整流效应，以及电流-功率斜率严重依赖工作点的发现，提出了一种扰动观察最大功率点的跟踪装置，下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供扰动观察最大功率点的跟踪装置的结构示意图，所述装置包括DC-DC变换器、PV(光伏)组串和MPPT单元，其中：
所述DC-DC变换器单元包含有小信号模型Gp(s)、控制器Gcc(s)和前馈控制器Gcf(s)；该DC-DC变换器单元作为电流跟踪系统，在PV发电系统进入稳态后，该DC-DC变换器单元的输出电流跟踪输入参考电流的变化；
所述PV组串是由多个PV模块组成的PV串联支路，所述DC-DC变换器单元的输出电流作为该PV组串的输出电流；
所述MPPT单元包括直流功率通道和基波功率通道，所述直流功率通道提取所述PV组串输出功率的直流成分，所述基波功率通道提取所述PV组串输出功率的基波分量；
在所述基波功率通道中设置有一个平方器，利用该平方器保证有效功率增量始终为正值，使新的工作点(如图2中A’点所示：A点为当前时刻工作点，而A’点为系统下一时刻的工作点)更接近最大功率MP点。具体来说，电流扰动量经过PV组串的i-p特性后，转换为扰动功率，扰动功率经过平方器的处理后变为一个正增量(⊿P)的有效扰动功率，正增量的有效扰动功率量保证了新工作点更接近MP点。
具体实现中，该基波功率通道的输出量为电流增量，该电流增量的计算公式为：
⊿I＝Kip×a^2/2
随着工作点逐步接近MP点，电流-功率斜率Kip的绝对值具有由大向小变化的趋势，该电流增量⊿I正比于电流-功率斜率Kip。所以搜索步长将自动变化，提高了跟踪速度，避免了振荡风险。具体来说，基波通道的电流-功率斜率Kip的符号随工作区变化，当工作点位于恒压区(VSR)时，Kip>0，增量电流⊿I>0；在恒流区(CSR)工作时,⊿I<0。因此无论工作点位于VSR区或CSR区，新工作点将趋近于MP点。
当工作点到达MP点时，i-p特性曲线的整流效应使得所述PV组串输出的功率扰动信号的基波分量等于零，搜索自动停止。这样就避免了传统算法在MP点附近存在稳态振荡现象，提高了PV组串的平均输出功率。
当工作点远离MP点时，适当地增加扰动幅度，以提高搜索效率；
当工作点接近MP点时，减少扰动幅度，避免虚假MP收敛。
另外，上述DC-DC变换器单元的输入参考电流是在直流工作点上叠加一个小幅度的正弦扰动量，其输出电流作为PV组串的输出电流；该输出电流经过PV组串的i-p特性变换后，得到功率扰动信号。具体实现中，该功率扰动信号含有直流功率和扰动功率，由于i-p特性的非线性特性，除MP点外，功率扰动信号包含有基波和高次谐波分量。
下面以具体的实例对上述装置的结构和工作过程进行详细说明，如图2所示为本发明所举实例的工作原理示意图，参考图2：DC-DC变换器具有稳态电流跟踪能力，所以将其等效为单位增益(GI＝1)的理想电流跟随器；MPPT单元分为直流功率通道和基波功率通道。
当工作点位于MP点的左边A点时，输出功率的表达式为：
上述公式(2)中的第一项为直流功率分量，通过MPPT单元的DC功率通道，得到直流电流参考分量为：
公式(2)中第二项为扰动功率的基波分量，通过MPPT单元的基波功率通道中的带通滤波器BPF、平方器和低通滤波器LPF2后，得到有效功率增量为：
进一步得到参考电流增量为：
因为工作点位于i-p特性的电压区，功率-电流的斜率Kip大于零，所以新的参考电流为：
由此可知，新工作点沿着i-p曲线向右移动，更加接近MP点。同理，当工作点位于i-p曲线的电流区，即MP点的右边，斜率Kip小于零，使得新参考电流为：
所以，新工作点沿着i-p曲线向左移动，趋近于MP点；当工作点到达i-p曲线的MP点时，则功率扰动信号变为全波整流波形，全波整流波形没有基波分量，因此系统停止搜索，稳定工作在MP点。
另外，在上述公式(5)中，参考电流增量正比于斜率Kip。当工作点远离MP点时，Kip的绝对值较大，搜索步长增加；当工作点接近MP点，Kip的绝对值逐步减小，搜索步长自动减少；当工作点到达MP点时，i-p特性曲线的整流效应使得功率扰动信号的基波分量等于零，搜素自动停止，这样就避免了传统算法在MP点附近存在稳态振荡现象，提高了PV组串的平均输出功率。
上述公式(5)还表明：搜索步长正比于正弦扰动幅度的平方值，变扰动幅度用以下公式表示为：
式中，OP表示直流工作点。
当OP远离MP点，如位于VSR区或CSR区，选用较大的扰动幅度，以便增大搜索步长，但过大的步长会导致系统振荡。
当工作点进入MPP区后，较大的扰动幅度更容易引起振荡，导致PV组串的平均输出功率减少。另外，在MP点附近，增加电流扰动幅度会使扰动功率信号过早的出现整流效应，使得系统停止搜索，导致了虚假MP点收敛。因此，在MPPR区，选择较小的扰动幅度以避免虚假MP点收敛。事实上，如果令扰动幅度正比于电流-功率斜率Kip,则实现了扰动幅度的自动改变。
进一步的，为了便于描述前馈控制技术，将图1中的DC-DC变换器单元提取出来，如图3所示为本发明所举实例中DC-DC变换器单元的结构示意图，参考图3：Gp(s)、Gcc(s)和Gcf(s)分别为DC-DC变换器的小信号模型—控制对象、控制器和前馈控制器。
前馈控制器的传递函数定义为：
Gcf(s)＝1/Gp(s) (9)
则DC-DC变换器单元的闭环传递函数为：
上式表明：DC-DC变换器单元可作为电流跟踪系统，在PV发电系统进入稳态后，其输出电流跟踪输入参考电流的变化。
综上所述，本发明实施例所提供的跟踪装置避免了传统算法在MP点附近存在稳态振荡的现象，提高了PV组串的平均输出功率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种扰动观察最大功率点的跟踪装置，其特征在于，所述装置包括DC-DC变换器单元、PV组串和MPPT单元，其中：
所述DC-DC变换器单元包含有小信号模型、控制器和前馈控制器，该DC-DC变换器单元作为电流跟踪系统，在PV发电系统进入稳态后，该DC-DC变换器单元的输出电流跟踪输入参考电流的变化；
所述PV组串是由多个PV模块组成的PV串联支路，所述DC-DC变换器单元的输出电流作为该PV组串的输出电流；
所述MPPT单元包括直流功率通道和基波功率通道，所述直流功率通道提取所述PV组串输出功率的直流成分，所述基波功率通道提取所述PV组串输出功率的基波分量；
在所述基波功率通道中设置有一个平方器，利用该平方器保证有效功率增量始终为正值，使新的工作点更接近最大功率MP点。
2.根据权利要求1所述扰动观察最大功率点的跟踪装置，其特征在于，
所述基波功率通道的输出量为电流增量，该电流增量的计算公式为：
⊿I＝Kip×a^2/2
该电流增量⊿I正比于电流-功率斜率Kip；
且a为变扰动幅度。
3.根据权利要求1所述扰动观察最大功率点的跟踪装置，其特征在于，在所述装置运行过程中：
当工作点到达MP点时，i-p特性曲线的整流效应使得所述PV组串输出的功率扰动信号的基波分量等于零，搜索自动停止。
4.根据权利要求1所述扰动观察最大功率点的跟踪装置，其特征在于，在所述装置运行过程中：
当工作点远离MP点时，增加扰动幅度；
当工作点接近MP点时，减少扰动幅度。
5.根据权利要求1所述扰动观察最大功率点的跟踪装置，其特征在于，所述DC-DC变换器单元的输出电流作为该PV组串的输出电流，具体包括：
所述DC-DC变换器单元的输入参考电流是在直流工作点上叠加一个小幅度的正弦扰动量，其输出电流作为PV组串的输出电流；
该输出电流经过PV组串的i-p特性变换后，得到功率扰动信号。
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