CN112332661A - 一种波浪发电系统的双扰动mppt方法 - Google Patents

一种波浪发电系统的双扰动mppt方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，属于水力发电技术领域，通过双开关电容C1和C2的串并联，扩大电压调节范围，使输出电压在1‑3倍的输入电压范围内变化；同时开关电容单元SC1和SC2之间形成双向互补，当一个开关电容单元正向或者反向溢出时，其扰动任务将由另一个开关电容单元执行，在一定范围内对整流后的电能输出进行跟踪调节，提高了系统的跟踪速度，可以快速稳定地启动并减少误判，增强抗干扰能力，有效降低系统输出功率在最大功率点处的振荡现象，提高最大功率点跟踪的稳定性。

Description

一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法
技术领域
本发明属于水力发电技术领域，涉及一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法。
背景技术
波浪能是一种清洁的可再生能源。调查研究表明，全球可利用的波浪能达到2TW，相当于目前全世界用电负荷的2倍。大规模开发利用波浪能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要意义。近年来，各国开发出了多种波浪能发电装置，如振荡水柱(OWC)波浪发电装置、阿基米德波浪摆(AWS)、Pelamis、Wave Dragon、鸭式及鹰式波浪能发电装置等，其中部分已经进入了商业化试运营。可以预见，在不远的将来，随着波浪能发电技术日益成熟，将会有越来越多的波浪能发电系统接入电网运行。
现有的波浪发电系统最大功率跟踪通常调整波浪发电系统中的Boost等DC/DC变换器中开关管的占空比，调整系统等效阻抗，但是由于波浪的时变性很强，这类方法在动态性能上难以满足要求，限制了波浪发电的效率，因此采用合理的最大功率点跟踪有利于波浪发电装置捕获最大的能量，可以最大化降低波浪发电装置成本，减少系统能量损失，提高发电效率。
发明内容
技术问题：本发明提供一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法,由双开关电容单元构成的DC/DC变换器上，开关电容单元SC1和SC2采取双向互补控制方式，其中一个进入死区后则只能反向扰动，其正向扰动只能由另一个完成。
技术方案：
一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，包括以下步骤：
步骤1：波浪发电装置在海上工作时，波浪入射会使波浪能转换装置运动将波浪能转换为线性运动从而将动能传递给直线永磁同步电机；
步骤2：直线永磁同步电机通过将动子的运动转换为变频变幅值的电能输出给不可控整流装置；
步骤3：不可控整流装置将直流电能输出，通过电流互感器和电压互感器采集到直流侧输出电压和电流；
步骤4：通过模数转换器将采集到的电流电压模拟信号转换为数字信号输出给MPPT控制器进行处理从而输出各个开关电容单元的IGBT模块的PWM导通信号；
步骤5：分别通过电流互感器和电压互感器采集到的直流侧电流和电压，当IGBT模块的占空比D1>b且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元SC1正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝-1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元SC2的算法控制器上执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成；
步骤6：当IGBT模块的占空比D1<0且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元SC1反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元SC2的算法控制器上会执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成；
步骤7：当IGBT模块的占空比D2>b且ΔP·ΔV<0时，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元SC2正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝-1，在下个周期初始阶段，在由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S2＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成；
步骤8：当IGBT模块的占空比D2<0且ΔP·ΔV<0时，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元SC2反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容电源单元在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成；
步骤9：分别输出IGBT模块的占空比D1和IGBT模块的占空比D2，通过PWM发生器，其开关信号送给IGBT模块和IGBT模块，分别取非后开关信号送给IGBT模块和IGBT模块；
步骤10：经过两个开关电容单元组成的开关电容变换器匹配过负载阻抗后输出的电信号再经过由电感和电容构成的滤波器输出给负载，从而达到MPPT的控制效果。
作为本发明的一种优选方案，通过直线永磁同步电机采集波浪能，电枢绕组接入不可控整流装置，整流后通过电流互感器和电压互感器采集到输出的电流和电压。
作为本发明的一种优选方案，经过采集的电流和电压通过模数转换装置，从而将模拟信号转换为数字信号输送给MPPT控制器。
作为本发明的一种优选方案，当IGBT模块的占空比D1>b且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容单元SC1正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝-1，在下个周期初始阶段，在由上桥臂IGBT模块、二极管、电容和下桥臂IGBT模块构成的开关电容单元SC2的算法控制器上执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成。
作为本发明的一种优选方案，当D1<0且ΔP·ΔV>0时，SC1反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝1，在下个周期初始阶段，SC2的算法控制器上会执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成。
作为本发明的一种优选方案，当IGBT模块的占空比D2>b且ΔP·ΔV<0时，SC2正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝-1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S2＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成。
作为本发明的一种优选方案，D2<0且ΔP·ΔV<0时，SC2反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成。
作为本发明的一种优选方案，MPPT控制器控制其输出占空比D1和D2，通过PWM发生器，得到每个开关电容器单元上桥臂IGBT模块的开关动作信号，以其分别取非得到每个单元下桥臂IGBT模块的开关信号。
作为本发明的一种优选方案，输出的PWM信号控制IGBT模块的开关信号，不可控整流装置输出的直流电能经过开关电容变换器匹配过负载阻抗后输出的电信号再经过由滤波电容和滤波电感组成的滤波器电容输出给负载。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明为一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，与传统扰动观察法将当前功率与上一时刻功率比较，直接调整占空比D，调节Boost电路输入输出关系实现阻抗匹配的功能不同的是，双扰动MPPT方法引入双开关电容变换器，通过双开关电容C1和C2的串并联，扩大电压调节范围，同时SC1和SC2之间双向互补，当一个SC正向或者反向溢出时，其扰动任务将有另一个SC执行，提高了系统的跟踪速度，减少死区和误判，增强抗干扰能力，提高最大功率点跟踪的稳定性。
附图说明
图1是本发明基于MPPT控制的等效电路图
图2是SC1算法流程图
图3是SC2算法流程图
图中：1-海上波浪，2-波浪能转换装置，3-直线永磁同步电机，4-不可控整流装置，5-直流侧电容，6、9、14、15-有反并联二极管的IGBT模块，7、10-二极管，8、11-开关电容变换器电容，12-滤波器电感，13-滤波器电容，16-模数转换器，17-MPPT控制器。其中6-11和14-15共同组成开关电容变换器。
具体实施方式
如图所示，一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，包括以下步骤：
步骤1：波浪发电装置在海上工作时，波浪1入射会使波浪能转换装置2运动将波浪能转换为线性运动从而将动能传递给直线永磁同步电机3；
步骤2：直线永磁同步电机3通过将动子的运动转换为变频变幅值的电能输出给不可控整流装置4；
步骤3：不可控整流装置4将直流电能输出，通过电流互感器和电压互感器采集到直流侧输出电压和电流；
步骤4：通过模数转换器将采集到的电流电压模拟信号转换为数字信号输出给MPPT控制器17进行处理从而输出各个开关电容单元的IGBT模块6、9、14、15的PWM导通信号；
步骤5：分别通过电流互感器和电压互感器采集到的直流侧电流和电压，当IGBT模块6的占空比D1>b且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块6、二极管7、电容8和下桥臂IGBT模块14构成的开关电容电源单元SC1正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝-1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块9、二极管10、电容11和下桥臂IGBT模块15构成的开关电容电源单元SC2的算法控制器上执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成；
步骤6：当IGBT模块6的占空比D1<0且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块6、二极管7、电容8和下桥臂IGBT模块14构成的开关电容电源单元SC1反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块9、二极管10、电容11和下桥臂IGBT模块15构成的开关电容电源单元SC2的算法控制器上会执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成；
步骤7：当IGBT模块9的占空比D2>b且ΔP·ΔV<0时，由上桥臂IGBT模块9、二极管10、电容11和下桥臂IGBT模块15构成的开关电容电源单元SC2正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝-1，在下个周期初始阶段，在由上桥臂IGBT模块6、二极管7、电容8和下桥臂IGBT模块14构成的开关电容电源单元SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S2＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成；
步骤8：当IGBT模块9的占空比D2<0且ΔP·ΔV<0时，由上桥臂IGBT模块9、二极管10、电容11和下桥臂IGBT模块15构成的开关电容电源单元SC2反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块6、二极管7、电容8和下桥臂IGBT模块14构成的开关电容电源单元在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成；
步骤9：分别输出IGBT模块6的占空比D1和IGBT模块9的占空比D2，通过PWM发生器，其开关信号送给IGBT模块6和IGBT模块9，分别取非后开关信号送给IGBT模块14和IGBT模块15；
步骤10：经过两个开关电容单元组成的开关电容变换器匹配过负载阻抗后输出的电信号再经过由电感12和电容13构成的滤波器输出给负载，从而达到MPPT的控制效果。
通过直线永磁同步电机3采集波浪能，电枢绕组接入不可控整流装置4，整流后通过电流互感器和电压互感器采集到输出的电流和电压。
经过采集的电流和电压通过模数转换装置16，从而将模拟信号转换为数字信号输送给MPPT控制器17。
当IGBT模块6的占空比D1>b且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块6、二极管7、电容8和下桥臂IGBT模块14构成的开关电容单元SC1正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝-1，在下个周期初始阶段，在由上桥臂IGBT模块9、二极管10、电容11和下桥臂IGBT模块15构成的开关电容单元SC2的算法控制器上执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成。
当D1<0且ΔP·ΔV>0时，SC1反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝1，在下个周期初始阶段，SC2的算法控制器上会执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成。
当IGBT模块9的占空比D2>b且ΔP·ΔV<0时，SC2正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝-1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S2＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成。
D2<0且ΔP·ΔV<0时，SC2反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成。
MPPT控制器17控制其输出占空比D1和D2，通过PWM发生器，得到每个开关电容器单元上桥臂IGBT模块的开关动作信号，以其分别取非得到每个单元下桥臂IGBT模块的开关信号。
输出的PWM信号控制IGBT模块的开关信号，不可控整流装置4输出的直流电能经过开关电容变换器匹配过负载阻抗后输出的电信号再经过由滤波电容12和滤波电感组成的滤波器电容13输出给负载。
本发明方法中，开关电容变换器可以分为四个工作状态，在一个周期内开关电容变换器在不同工作状态之间进行切换，通过调节各个模态之间的运行时间长短来控制系统直流输出电压，从而实现直流斩波功能。随着开关Sa1和Sa2的占空比D1和D2增大，输出电压也会变大。但是由于开关电容变换器是非互补性结构，SC1和SC2的占空比越趋向于1，对应的电容文波就会越大。假设占空比Di(i＝1，2)属于区间[0,b]时，系统属于常规状态，当占空比不在这个区间范围内时，则系统属于溢出状态，当Di>b时为正向溢出(b为一个略小于1的值)，当Di<0时为方向溢出。同时设置变量S1和变量S2分别为SC1和SC2的扰动错误标志，它们的初始化值均为0。当Di>b，且ΔP·ΔV<0时，S＝-1；当Di<0，且ΔP·ΔV>0时，S＝1。其中ΔP是功率波动范围，ΔV为电压纹波大小，N1、N2分别为速度因子。
SC1和SC2的最大功率跟踪控制均采用变步长算法，速度因子分别为N1和N2，扰动步长分别为N1×|ΔP/ΔV|和N2×|ΔP/ΔV|，系统总的扰动步长为(N1+N2)×|ΔP/ΔV|，在此设定ΔD1max和ΔD2max分别对应SC1和SC2在变步长算法中最大占空比调整量。为了保证迭代的收敛性，变步长扰动方法应该遵循下式：
N1×|dP/dU|max<ΔD1max
N2×|dP/dU|max<ΔD2max
上式中的|dP/dU|max需根据波浪发电系统的特性计算，由于当最大步长ΔDmax<1.25时，算法将以趋于零的误差收敛于MPP，即ΔD1max+ΔD2max<1.25，根据系统稳定性的要求选取合适的ΔD1max避免SC1进入死区，由于是双向互补控制方式，同时可使容易进入死区的SC2自主返回；根据系统灵活性的要求选取合适的ΔD2max以保证收敛速度，解决了传统变步长算法速度因子和最大步长选取的限制问题，同时提高系统的稳定性和跟踪速度，由于不同速度因子下的收敛区域不同，使控制系统互补性强，进一步减小死区的可能性。
利用开关电容C1和C2一个周期内串联和并联的开关比实现调压跟踪，其中SC1与SC2互相监测，当外界扰动时变步长算法使系统误判能快速返回；当系统静态震荡时仅由SC1通过变步长MPPT算法调节，减少能量损失，这种双扰动的控制方式具有良好的动态特性和静态特性，其控制算法相对简单，易于应用，保证了系统的有效性和稳定性，在不断修正精度的情况下，加快了跟踪的速度。

Claims (9)

1.一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：波浪发电装置在海上工作时，波浪(1)入射会使波浪能转换装置(2)运动将波浪能转换为线性运动从而将动能传递给直线永磁同步电机(3)；
步骤2：直线永磁同步电机(3)通过将动子的运动转换为变频变幅值的电能输出给不可控整流装置(4)；
步骤3：不可控整流装置(4)将直流电能输出，通过电流互感器和电压互感器采集到直流侧输出电压和电流；
步骤4：通过模数转换器将采集到的电流电压模拟信号转换为数字信号输出给MPPT控制器(17)进行处理从而输出各个开关电容单元的IGBT模块(6、9、14、15)的PWM导通信号；
步骤5：分别通过电流互感器和电压互感器采集到的直流侧电流和电压，当IGBT模块(6)的占空比D1>b且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块(6)、二极管(7)、电容(8)和下桥臂IGBT模块(14)构成的开关电容电源单元SC1正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝-1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块(9)、二极管(10)、电容(11)和下桥臂IGBT模块(15)构成的开关电容电源单元SC2的算法控制器上执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成；
步骤6：当IGBT模块(6)的占空比D1<0且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块(6)、二极管(7)、电容(8)和下桥臂IGBT模块(14)构成的开关电容电源单元SC1反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块(9)、二极管(10)、电容(11)和下桥臂IGBT模块(15)构成的开关电容电源单元SC2的算法控制器上会执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成；
步骤7：当IGBT模块(9)的占空比D2>b且ΔP·ΔV<0时，由上桥臂IGBT模块(9)、二极管(10)、电容(11)和下桥臂IGBT模块(15)构成的开关电容电源单元SC2正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝-1，在下个周期初始阶段，在由上桥臂IGBT模块(6)、二极管(7)、电容(8)和下桥臂IGBT模块(14)构成的开关电容电源单元SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S2＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成；
步骤8：当IGBT模块(9)的占空比D2<0且ΔP·ΔV<0时，由上桥臂IGBT模块(9)、二极管(10)、电容(11)和下桥臂IGBT模块(15)构成的开关电容电源单元SC2反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝1，在下个周期初始阶段，由上桥臂IGBT模块(6)、二极管(7)、电容(8)和下桥臂IGBT模块(14)构成的开关电容电源单元在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成；
步骤9：分别输出IGBT模块(6)的占空比D1和IGBT模块(9)的占空比D2，通过PWM发生器，其开关信号送给IGBT模块(6)和IGBT模块(9)，分别取非后开关信号送给IGBT模块(14)和IGBT模块(15)；
步骤10：经过两个开关电容单元组成的开关电容变换器匹配过负载阻抗后输出的电信号再经过由电感(12)和电容(13)构成的滤波器输出给负载，从而达到MPPT的控制效果。
2.根据权利要求1所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：通过直线永磁同步电机(3)采集波浪能，电枢绕组接入不可控整流装置(4)，整流后通过电流互感器和电压互感器采集到输出的电流和电压。
3.根据权利要求2所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：经过采集的电流和电压通过模数转换装置(16)，从而将模拟信号转换为数字信号输送给MPPT控制器(17)。
4.根据权利要求3所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：当IGBT模块(6)的占空比D1>b且ΔP·ΔV>0时，由上桥臂IGBT模块(6)、二极管(7)、电容(8)和下桥臂IGBT模块(14)构成的开关电容单元SC1正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝-1，在下个周期初始阶段，在由上桥臂IGBT模块(9)、二极管(10)、电容(11)和下桥臂IGBT模块(15)构成的开关电容单元SC2的算法控制器上执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成。
5.根据权利要求4所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：当D1<0且ΔP·ΔV>0时，SC1反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝1，在下个周期初始阶段，SC2的算法控制器上会执行Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成。
6.根据权利要求4、5所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：当IGBT模块(9)的占空比D2>b且ΔP·ΔV<0时，SC2正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝-1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S2＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成。
7.根据权利要求6所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：D2<0且ΔP·ΔV<0时，SC2反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S1＝0，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成。
8.根据权利要求7所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：MPPT控制器(17)控制其输出占空比D1和D2，通过PWM发生器，得到每个开关电容器单元上桥臂IGBT模块的开关动作信号，以其分别取非得到每个单元下桥臂IGBT模块的开关信号。
9.根据权利要求8所述的一种波浪发电系统的双扰动MPPT方法，其特征在于：输出的PWM信号控制IGBT模块的开关信号，不可控整流装置(4)输出的直流电能经过开关电容变换器匹配过负载阻抗后输出的电信号再经过由滤波电容(12)和滤波电感组成的滤波器电容(13)输出给负载。
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