CN106437915A - Mppt控制器及方法、控制装置及方法、低温余热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MPPT控制器及方法、控制装置及方法、低温余热发电装置，该MPPT控制器包括：直流母线数据获取单元，其用于获取低温余热发电装置的直流母线的电压信号、电流信号以及直流母线功率表达式；最大功率点搜索单元，其用于以所述直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索最大功率点；所述最大功率点搜索单元包括：梯度搜索法步长调整模块，其用于根据搜索过程中斜率的变化速度和低温余热发电装置发电机组输出功率的百分比，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长。

Description

MPPT控制器及方法、控制装置及方法、低温余热发电系统

技术领域

本发明属于发电领域，尤其涉及一种MPPT控制器及方法、控制装置及方法、低温余热发电装置。

背景技术

现有余热发电系统，现有低温余热发电装置的工作过程为低温余热源通过蒸发器加热有机工作介质，工作介质变成一定的压力和流量的气体，该高压气体推动膨胀机等装置，上述过程将余热中的热能转换成机械能；跟膨胀机相连接的发电机将上述的机械能转换成电能；完成上述工程的工作介质通过冷凝器之后变成低温、低压的液体等待进入下一个工作循环。在冷凝器温度、热源温度、流量一定的条件下，若循环工质的饱和温度越高，系统的热转换效率就越高。从前期试验及其他文献资料获知，系统输出功率随工质泵速度的增大而增大。工作转速达到一个理想值的时候，系统输出功率达到最大值，之后系统输出功率便随着工质泵速度的增大而减小。在其他文献中提出的余热发电系统最大功率点跟踪方法，通过控制涡轮机的转速以跟踪最大功率点。实际低温余热发电装置运行中，上述涡轮机的转速需要通过有机工作介质的压力和流量来控制，并最终由控制工质泵的转速来实现。

从热力学角度分析，当工质泵的转速增加时，将增量的有机工作介质输入到蒸发器中，通过蒸发器的热交换产生更大压力的工质蒸汽驱动膨胀机和永磁同步发电机输出更大的功率，随着蒸发器换热效率达到峰值，这时系统输出功率达到最大值。此后工质泵的转速再增加，即使输入有机工作介质增加，而蒸发器换热效率基本不变，使得有机工作介质不能完全汽化，处于汽液混合状态，反而造成输出功率下降，严重影响系统转换效率，并可能对膨胀机造成损伤。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种MPPT控制器及方法、控制装置及方法、低温余热发电装置。本发明能够实时调整工质泵的转速，使得工质的蒸发压力、蒸发器的换热能力与低温热源相匹配，保证系统输出功率达到最大，从而实现余热发电系统最大功率点跟踪(MPPT)控制策略。

本发明所涉及的低温余热发电装置为现有结构，其具体包括：低温余热源；所述低温余热源通过蒸发器加热有机工作介质，工作介质变成一定的压力和流量的气体来推动膨胀机；所述膨胀机与三相交流发电机相连，用于将机械能转换成电能；工作介质还通过冷凝器之后变成低温低压的液体传送至工质泵，所述工质泵与蒸发器相连。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种MPPT控制器，包括：

直流母线数据获取单元，其用于获取低温余热发电装置的直流母线的电压信号、电流信号以及直流母线功率表达式；

最大功率点搜索单元，其用于以所述直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索最大功率点；

所述最大功率点搜索单元包括：梯度搜索法步长调整模块，其用于根据搜索过程中斜率的变化速度和低温余热发电装置发电机组输出功率的百分比，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长。

本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度。

所述MPPT控制器还包括存储单元，其用于存储直流母线功率表达式。

所述最大功率点搜索单元还包括搜索斜率计算模块，所述搜索斜率计算模块用于以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标，以实时调整的步长调整低温余热发电装置运行频率，计算搜索斜率。

本发明的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点。本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

一种MPPT控制器的工作方法包括：

根据低温余热发电装置的直流母线的电压和电流信号，计算低温余热发电装置的直流母线功率；

以所直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索低温余热发电装置的最大功率点；

其中，根据搜索斜率的变化速度和低温余热发电装置的负载率，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长。

本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度。

在实时调整梯度搜索法的步长过程中，以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标；根据实时调整的步长，求取低温余热发电装置的实时运行频率，进而计算出搜索斜率。

本发明的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点。本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

计算出搜索斜率之后，还包括分别定义搜索斜率、低温余热发电装置的负载率以及频率步长调整系数的隶属度函数，构建模糊逻辑规则表；

根据构建的模糊逻辑规则表，实时改变频率步长调整系数，进而实时调整搜索过程中的步长，达到加快搜索速度的目的。

一种低温余热发电控制装置，包括所述的MPPT控制器，所述MPPT控制器的输入端与低温余热发电装置的直流母线相连，所述低温余热发电装置的直流母线通过AC-DC转换电路与低温余热发电装置的三相交流电机的输出端相连；所述MPPT控制器的输出端通过变频器与低温余热发电装置的电动机相连。

该装置还包括电压电流检测电路，所述电压电流检测电路用于检测直流母线上的电压和电流信号；所述电压电流检测电路与A/D转换电路相连，所述A/D转换电路与MPPT控制器的输入端相连，所述MPPT控制器的输出端通过D/A转换电路与变频器相连。

一种低温余热发电控制装置的控制方法，包括以下步骤：

电压电流检测电路检测直流母线的电压和电流信号，传送至MPPT控制器，且代入直流母线功率表达式，进而计算出直流母线功率；

以所直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索低温余热发电装置的最大功率点；

其中，根据搜索斜率的变化速度和低温余热发电装置的负载率，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长，得到调整后的低温余热发电装置运行频率，输出至变频器，进而控制低温余热发电装置的电动机的输出频率。

本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度。

在实时调整梯度搜索法的步长过程中，以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标；根据实时调整的步长，求取低温余热发电装置的实时运行频率，进而计算出搜索斜率。

本发明的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点。本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

计算出搜索斜率之后，还包括分别定义搜索斜率、低温余热发电装置的负载率以及频率步长调整系数的隶属度函数，构建模糊逻辑规则表；

根据构建的模糊逻辑规则表，实时改变频率步长调整系数，进而实时调整搜索过程中的步长，达到加快搜索速度的目的。

一种低温余热发电系统，包括低温余热发电装置以及所述的低温余热发电控制装置。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；

(2)本发明在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；

(3)本发明采用的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；在众多搜索算法中，梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点；

(4)本发明采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度；

(5)本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

附图说明

图1是本发明的一种MPPT控制器的结构示意图；

图2初始搜索步长Δf递增示意图；

图3逼近最大效率工作点时步长Δf调整示意图；

图4为LOAD_％隶属度函数图；

图5为S₂₁(k-1)隶属度函数图；

图6为C_Δf的隶属度函数图；

图7为低温余热发电控制装置结构示意图。

其中，1.低温余热发电装置，2.交流到直流转换电路，3.直流到交流转换电路或负载，4.直流母线电压和电流检测电路，5.MPPT控制器，6.变频器，7.电动机，8.工质泵。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

图1是本发明的一种MPPT控制器的结构示意图。如图1所示的MPPT控制器，包括：

直流母线数据获取单元，其用于获取低温余热发电装置的直流母线的电压信号、电流信号以及直流母线功率表达式；

最大功率点搜索单元，其用于以所述直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索最大功率点；

所述最大功率点搜索单元包括：梯度搜索法步长调整模块，其用于根据搜索过程中斜率的变化速度和低温余热发电装置发电机组输出功率的百分比，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长。

本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度。

其中，MPPT控制器还包括存储单元，其用于存储直流母线功率表达式。

最大功率点搜索单元还包括搜索斜率计算模块，所述搜索斜率计算模块用于以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标，以实时调整的步长调整低温余热发电装置运行频率，计算搜索斜率。

本发明的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点。本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

本发明的MPPT控制器的工作方法包括：

根据低温余热发电装置的直流母线的电压和电流信号，计算低温余热发电装置的直流母线功率；

以所直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索低温余热发电装置的最大功率点；

其中，根据搜索斜率的变化速度和低温余热发电装置的负载率，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长。

图2为初始搜索步长Δf递增示意图。在搜索初始阶段时运行频率f₁距离预估最大功率运行点较远,通过计算获得直流母线功率P₁。然后将系统运行到频率f₂＝f₁+Δf，同样计算直流母线功率P₂，再将系统运行到频率f₃＝f₂+Δf，同样计算流母线功率P₃。这时(S₂₁和S₃₂>0)，按照图2所示的取一个新的运行频率f₄＝f₃+Δf，并根据式S₄₃＝(P₄-P₃)/(f₄-f₃)计算斜率S₄₃，按照对应顺序用图中点{2,3,4}代替点{1,2,3}，用斜率S₃₂和S₄₃替代S₂₁和S₃₂。重复上面的步骤运行频率逐渐逼近预估的最大功率运行点。

图3为逼近最大功率工作点时步长Δf调整示意图。搜索过程这个时候逼近了最大功率工作点，按照图2中的方法判断时，出现斜率(S₂₁>0和S₃₂≤0)。按照图3中所示的位置，据式f₄＝f₃-0.5Δf取一个新的运行频率f₄，并计算对应的斜率。按照对应顺序用图中点{2,4,3}代替点{1,2,3}，用斜率S₄₂和S₃₄替代S₂₁和S₃₂执行进行判断，重复执行该步骤直到系统运行于最大功率点。

图4为LOAD_％隶属度函数图。对于负载率LOAD_％的模糊集及其论域定义如下：

LOAD_％的模糊集为:{NB,NS,ZO,PS,PB}；

LOAD_％的论域为:{0,15,25,40，50，60，75,85,100}；

根据负载率LOAD_％的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到图4中负载率LOAD_％的隶属度。

图5为S₂₁(k-1)隶属度函数μ_S21(k-1)图。对于斜率S₂₁(k-1)的模糊集及其论域定义如下：

S₂₁(k-1)的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

S₂₁(k-1)的论域为:{0.2,0.4,0.8，1.0，3.0,5.0,7.0}；

根据斜率S₂₁(k-1)的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到图5中斜率S₂₁(k-1)的隶属度。

图6为C_Δf的隶属度函数图。对于频率步长调整系数C_Δf的模糊集及其论域定义如下：

C_Δf的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

C_Δf的论域为:{0.1,0.3,,0.6,1.0,1.4,1.8,2.5}；

根据频率步长Δf的步长调整系数C_Δf的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到图6中步长调整系数C_Δf的隶属度。

上述对负载百分比LOAD_％、斜率S₂₁(k-1)、步长调整系数C_Δf的模糊集、论域及隶属度的定义都不是最优值，实际应用时可以根据经验进行调整；根据上述的设定，通过实际的现场经验确定步长调整系数C_Δf的控制规则表。

步长调整系数C_Δf的控制规则表，如表1所示，控制规则表里面的内容也可以根据不同的应用场合来调整。

表1步长调整系数C_Δf的控制规则表

根据表1，步长调整系数C_Δf取值举例如下：

1)如果负载百分比LOAD_％＞100％，则LOAD_％＝PB；斜率S₂₁(k-1)＞7，则S₂₁(k-1)＝PB；查表得C_Δf＝NS，步长调整系数C_Δf取0.6。

2)如果负载百分比LOAD_％≤0，则LOAD_％＝NB；斜率S₂₁(k-1)≤0.2，则S₂₁(k-1)＝NB；查表得C_Δf＝PS，步长调整系数C_Δf取1.4。

本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度。

在实时调整梯度搜索法的步长过程中，以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标；根据实时调整的步长，求取低温余热发电装置的实时运行频率，进而计算出搜索斜率。

本发明的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点。本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

计算出搜索斜率之后，还包括分别定义搜索斜率、低温余热发电装置的负载率以及频率步长调整系数的隶属度函数，构建模糊逻辑规则表；

根据构建的模糊逻辑规则表，实时改变频率步长调整系数，进而实时调整搜索过程中的步长，达到加快搜索速度的目的。

如图7所示，一种低温余热发电控制装置结构示意图，该装置主要包括交流到直流转换电路2、直流到交流转换电路或负载3、直流母线电压和电流检测电路4、MPPT控制器5、变频器6、电动机7、工质泵8。

该装置的工作原理如下：余热通过余热发电装置1中的蒸发器来加热工质泵7所驱动的有机工作介质，有机工作介质经过状态变换之后，转化成高温高压的蒸汽，该蒸汽驱动膨胀机和永磁发电机将上述能量转化成三相交流电。

该三相交流电经过交流到直流转换电路2中的EMI、整流、PFC电感和电容滤波后变成直流电源。

直流电源通过直流到交流转换电路3中的逆变器、LC滤波到负载或者直接到负载。

在直流母线部分采用电压和电流传感器，通过电压和电流检测电路4将直流母线的电压和电流信号传送到MPPT控制器5的A/D转换接口。

MPPT控制器5对采集到的直流母线的电压和电流信号进行处理之后，实时计算出直流母线功率。

本发明所提出的MPPT控制器5中最大功率点跟踪策略主要思想是以上面所计算的直流输出功率为目标函数，以变频器输出频率f为控制变量，通过对f在一定范围内搜索，使得系统运行在最大功率工作点。梯度搜索的步长Δf按照输出功率运行情况和搜索过程中斜率的大小来实时确定。

通过上述所提到的方法进行运算处理之后，通过MPPT控制器5中的数字量到模拟量转换电路转换成对应的模拟量信号来控制变频器6的输出频率。

变频器6驱动电动机7和工质泵8，工质泵驱动换热后的工作介质进入余热发电装置1中的蒸发器，这样实现整个的工作循环。

通过上述的方法，通过测量直流母线功率随工质泵转速的变化，搜寻出系统的最大功率点。

本发明的低温余热发电控制装置的控制方法，包括以下步骤：

电压电流检测电路检测直流母线的电压和电流信号，传送至MPPT控制器，且代入直流母线功率表达式，进而计算出直流母线功率；

以所直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索低温余热发电装置的最大功率点；

其中，根据搜索斜率的变化速度和低温余热发电装置的负载率，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长，得到调整后的低温余热发电装置运行频率，输出至变频器，进而控制低温余热发电装置的电动机的输出频率。

本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度。

在实时调整梯度搜索法的步长过程中，以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标；根据实时调整的步长，求取低温余热发电装置的实时运行频率，进而计算出搜索斜率。

本发明的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点。本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

计算出搜索斜率之后，还包括分别定义搜索斜率、低温余热发电装置的负载率以及频率步长调整系数的隶属度函数，构建模糊逻辑规则表；

根据构建的模糊逻辑规则表，实时改变频率步长调整系数，进而实时调整搜索过程中的步长，达到加快搜索速度的目的。

本发明还提出了一种低温余热发电系统，包括低温余热发电装置以及所述的低温余热发电控制装置。

本发明采用直流母线功率作为目标值，该目标值在系统运行过程中比较稳定；在实际电路中只需要采样直流母线的电压、电流，就可以获得直流母线功率，采集量少；本发明采用的梯度搜索算法简单，计算量少；所采用的电路简单、容易实现；在众多搜索算法中，梯度搜索技术比其他搜索技术更快收敛于最优点；本发明采用模糊逻辑变步长方法能够根据系统运行负载率和斜率实时修改步长，加快了系统的收敛速度；本发明即使系统最初运行在未知状态，也能保证系统运行于最大功率工作点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种MPPT控制器，其特征在于，包括：

直流母线数据获取单元，其用于获取低温余热发电装置的直流母线的电压信号、电流信号以及直流母线功率表达式；

最大功率点搜索单元，其用于以所述直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索最大功率点；

所述最大功率点搜索单元包括：梯度搜索法步长调整模块，其用于根据搜索过程中斜率的变化速度和低温余热发电装置发电机组输出功率的百分比，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长。

2.如权利要求1所述的一种MPPT控制器，其特征在于，所述最大功率点搜索单元还包括搜索斜率计算模块，所述搜索斜率计算模块用于以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标，以实时调整的步长调整低温余热发电装置运行频率，计算搜索斜率。

3.一种如权利要求1-2任一所述的MPPT控制器的工作方法，其特征在于，包括：

根据低温余热发电装置的直流母线的电压和电流信号，计算低温余热发电装置的直流母线功率；

以所直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索低温余热发电装置的最大功率点；

其中，根据搜索斜率的变化速度和低温余热发电装置的负载率，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长。

4.如权利要求3所述的一种MPPT控制器的工作方法，其特征在于，在实时调整梯度搜索法的步长过程中，以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标；根据实时调整的步长，求取低温余热发电装置的实时运行频率，进而计算出搜索斜率。

5.如权利要求4所述的一种MPPT控制器的工作方法，其特征在于，计算出搜索斜率之后，还包括分别定义搜索斜率、低温余热发电装置的负载率以及频率步长调整系数的隶属度函数，构建模糊逻辑规则表；

根据构建的模糊逻辑规则表，实时改变频率步长调整系数，进而实时调整搜索过程中的步长，达到加快搜索速度的目的。

6.一种低温余热发电控制装置，其特征在于，包括如权利要求1-2任一所述的MPPT控制器，所述MPPT控制器的输入端与低温余热发电装置的直流母线相连，所述低温余热发电装置的直流母线通过AC-DC转换电路与低温余热发电装置的三相交流电机的输出端相连；所述MPPT控制器的输出端通过变频器与低温余热发电装置的电动机相连。

7.一种如权利要求6所述的低温余热发电控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

电压电流检测电路检测直流母线的电压和电流信号，传送至MPPT控制器，且代入直流母线功率表达式，进而计算出直流母线功率；

以所直流母线功率表达式为目标函数，采用梯度搜索法来实时搜索低温余热发电装置的最大功率点；

其中，根据搜索斜率的变化速度和低温余热发电装置的负载率，应用模糊逻辑自动实时调整梯度搜索法的步长，得到调整后的低温余热发电装置运行频率，输出至变频器，进而控制低温余热发电装置的电动机的输出频率。

8.如权利要求7所述的低温余热发电控制装置的控制方法，其特征在于，在实时调整梯度搜索法的步长过程中，以低温余热发电装置运行频率为横坐标，直流母线功率为纵坐标；根据实时调整的步长，求取低温余热发电装置的实时运行频率，进而计算出搜索斜率。

9.如权利要求8所述的低温余热发电控制装置的控制方法，其特征在于，计算出搜索斜率之后，还包括分别定义搜索斜率、低温余热发电装置的负载率以及频率步长调整系数的隶属度函数，构建模糊逻辑规则表；

根据构建的模糊逻辑规则表，实时改变频率步长调整系数，进而实时调整搜索过程中的步长，达到加快搜索速度的目的。

10.一种低温余热发电系统，其特征在于，包括低温余热发电装置以及如权利要求6所述的低温余热发电控制装置。