CN113824147B - 一种mppt控制方法、光伏逆变器和光伏发电系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种MPPT控制方法、光伏逆变器和光伏发电系统，以提高光伏发电系统总的光能利用率。该方法包括：在各MPPT单元均工作在升压模式时，判断是否至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出；若是，则：筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元；若筛选出的光伏单元的占比超过预设百分比，且筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度超过预设水平，将各MPPT单元切换至直通模式。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种MPPT控制方法、光伏逆变器和光伏发电系统。
背景技术
在图1所示光伏发电系统中，每个光伏单元的输出端各连接一个MPPT(MaximumPower Point Tracking，最大功率点跟踪)单元，各MPPT单元的输出端并联接入逆变单元，由所述逆变单元将直流电能转换成交流电能输出。
各MPPT单元通常工作在升压模式，对自身连接的光伏单元进行独立的MPPT控制。但是当光伏单元输出电流较大时，MPPT单元可能会受自身功率器件电流应力的约束而无法追踪到最大功率点，从而影响光能利用率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种MPPT控制方法、光伏逆变器和光伏发电系统，以提高光伏发电系统总的光能利用率。
一种MPPT控制方法，应用于包含如下拓扑结构的光伏发电系统：每个光伏单元的输出端各连接一个MPPT单元，且各MPPT单元的输出端并联接入逆变单元；所述方法包括：
在各MPPT单元均工作在升压模式时，判断是否至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出；
若是，则：筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元；若筛选出的光伏单元的占比超过预设百分比，且筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度超过预设水平，将各MPPT单元切换至直通模式。
可选的，所述筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元之前，还包括：滤除所有连接异常的光伏单元，所述连接异常的光伏单元是指未接入的光伏单元以及输出断路的光伏单元。
可选的，判断任一光伏单元是否连接异常，包括：
根据光伏单元输出电压、输出电流或输出功率中的任意一个或任意几个的组合，来判断本光伏单元是否连接异常。
可选的，判断任一MPPT单元是否因功率器件电流应力的约束而限功率输出，包括：
判断本MPPT单元的输入电流是否超过电流阈值，若是，判定本MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出。
可选的，判断筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度是否超过预设水平，包括：
判断筛选出的光伏单元的输出电压中的最高值与最低值之差是否低于预设电压值，若是，判定筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度超过预设水平。
可选的，所述将各MPPT单元切换至直通模式后，还包括：
在满足两个预设条件中的任意一个时将各MPPT单元切换回升压模式：
所述两个预设条件分别是：逆变单元的母线电压低于其正常工作电压，以及所有MPPT单元均不会因功率器件电流应力的约束而限功率输出。
可选的，在通过比较参数大小判断是将各MPPT单元切换至直通模式还是切换回升压模式时，采用滞环比较方式。
可选的，MPPT单元还具有旁路模式，此时将MPPT单元切换至直通模式，替换为：将MPPT单元切换至旁路或直通模式。
一种光伏逆变器，包括主电路和控制电路，所述主电路包括多个MPPT单元和一个逆变单元，各MPPT单元的输出端并联接入所述逆变单元，每个MPPT单元的输入端用于连接独立的光伏单元；
所述控制电路上存储有程序，所述程序运行时执行权利要求1-8中任一项所述的MPPT控制方法。
一种光伏发电系统，包括上述光伏逆变器和多个光伏单元，所述光伏逆变器中的每个MPPT单元的输入端接入独立的光伏单元。
从上述的技术方案可以看出，本发明在各MPPT单元工作在升压模式时，一旦检测到至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出，则考虑将各MPPT单元切换至直通模式；切换后各MPPT单元输入电流将免受功率器件电流应力的约束但输入电压相互耦合，若该耦合造成的功率损失较小且不会造成逆变单元停机，则确认切换至直通模式，从而提升光伏发电系统总的光能利用率。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种光伏发电系统结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种MPPT控制方法流程图；
图3a为Y端子组串与普通光伏组串的P-V曲线示意图；
图3b为光伏单元的P-V曲线和I-V曲线示意图；
图4为本发明实施例公开的又一种MPPT控制方法流程图；
图5为本发明实施例公开的又一种MPPT控制方法流程图；
图6为现有技术公开的一种Boost电路结构示意图。
具体实施方式
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。
参见图2，本发明实施例公开了一种应用于图1所示光伏发电系统的MPPT控制方法，包括：
步骤S01：在各MPPT单元均工作在升压模式时，判断是否至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出；若是，进入步骤S02，若否，返回步骤S01。
具体的，MPPT控制算法，就是根据光伏单元的工作温度和太阳光辐射强度的变化，实时调整该光伏单元的输出电压，使之尽可能始终工作在最大功率点。该光伏单元可以是单个光伏组件，也可以是多个光伏组件的串联、并联或串并联组合。
在图1所示光伏发电系统中，各MPPT单元通常工作在升压模式，对自身连接的光伏单元进行独立的MPPT控制。但是，在太阳光辐射较强时，光伏单元尤其是超配的光伏单元输出电流较大，此时，与之相连接的MPPT单元很容易受到功率器件电流应力的约束而限功率输出，无法追踪到最大功率点。其中，所述超配的光伏单元例如是Y端子组串(两个光伏组串合并在一起形成一个光伏组串，即输入是两路，输出是一路，呈Y字形，称为Y端子组串)，Y端子组串与普通光伏组串相比，包含的光伏组件数量更多，电压基本一致，电流相差较大，其P-V曲线如图3a所示。
其中，MPPT单元可能受自身功率器件电流应力的约束而无法追踪到最大功率点的原因，具体分析如下：
光伏单元的P-V曲线和I-V曲线如图3b示，Pm、Vm、Im分别为该光伏单元的最大功率、最大功率点电压和最大功率点电流，Voc、Isc分别为该光伏单元的开路电压和短路电流。当各MPPT单元在升压模式下对各光伏单元进行独立的MPPT控制时，各MPPT单元的输入端之间相互解耦、互不干扰，此时对于其中任意一个MPPT单元以及这一MPPT单元对应的光伏单元来说：假设光伏单元输出电压大于最大功率点电压Vm，则在向左调节光伏单元输出电压的过程中，光伏单元输出电流将不断增大，但受MPPT单元内功率器件电流应力的约束，光伏单元输出电流不能无限制增大，若光伏单元输出电压尚未调节到Vm时光伏单元输出电流已达到上限值Isc，则MPPT单元将无法追踪到最大功率点，从而影响光伏单元的光能利用率。
为提升光伏发电系统总的光能利用率，当各MPPT单元均工作在升压模式且至少有一个MPPT单元因功率器件的电流应力约束而无法追踪到最大功率点(即限功率输出)时，有必要采取一定的应对措施，具体参见下述步骤S02～步骤S05。
其中，判断任一MPPT单元是否因功率器件的电流应力约束而限功率输出的方法，可以是：判断本MPPT单元的输入电流是否超过电流阈值(该电流阈值取决于MPPT单元的满载电流大小)，若是，判定本MPPT单元因功率器件的电流应力约束而限功率输出。
步骤S02：筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元，之后进入步骤S03。
步骤S03：判断筛选出的光伏单元的占比是否超过预设百分比，若是，进入步骤S04，若否，返回步骤S01。其中，所述占比＝筛选出的光伏单元的个数/光伏单元总数。
步骤S04：判断筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度是否超过预设水平，若是，进入步骤S05，若否，返回步骤S01。
步骤S05：将各MPPT单元切换至直通模式，至此本轮控制结束。
具体的，MPPT单元不论是在升压模式还是直通模式下，都始终进行MPPT控制。各MPPT单元切换至直通模式(在直通模式下，MPPT单元中的开关管处于封波状态，MPPT单元的输入输出端通过MPPT单元内部的电感、二极管直接连通，输入输出电压相等)后，各MPPT单元内的功率器件上不再有电流流过，所以各MPPT单元输入电流不再受功率器件电流应力的约束。但由于各MPPT单元切换至直通模式后，各MPPT单元的输入端通过逆变单元的直流母线并联耦合在一起，此时各光伏单元并联等效成一个大容量光伏单元，同时各MPPT单元通过输入并联+输出并联从而等效成一个大容量MPPT单元(该大容量MPPT单元的输入输出电压相等)，该大容量MPPT单元对该大容量光伏单元进行MPPT控制，使得该大容量光伏单元的输出电压也即逆变单元的母线电压稳定在该大容量光伏单元的最大功率点电压Vmax。
由于光伏单元在生产和使用过程中产生的不一致性，导致各光伏单元的最大功率点电压不可能完全一致，那么各光伏单元并联后，必然有个别光伏单元无法工作在最大功率点。但只要各光伏单元并联后，绝大多数光伏单元能够工作在最大功率点附近，则光伏发电系统总的光能利用率就会有明显提升。
而绝大多数光伏单元能够工作在最大功率点的前提条件是：筛选出所有输出电压大于逆变单元正常工作电压的光伏单元，筛选出的光伏单元的占比很大且筛选出的光伏单元的输出电压相近。这是因为：只有光伏单元的输出电压大于逆变单元正常工作电压(为便于描述，将这样的光伏单元简称为高压单元)时，各光伏单元并联后，MPPT单元才有空间继续向左调节高压单元的输出电压，使之更接近该高压单元的最大功率点电压；而且，高压单元的输出电压相近时，其最大功率点电压同样接近，当高压单元占比较大时，各光伏单元并联后，该大容量光伏单元的最大功率点电压与各高压单元的最大功率点电压能够保持比较接近的水平，这时每个高压单元均工作在最大功率点附近，可以做到整体输出功率最优。
可选的，判断筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度是否相近的方法，具体为：计算筛选出的光伏单元的输出电压中的最高值与最低值之差，该差值越小，说明筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度越高；本发明实施例在该差值低于预设电压值，视为筛选出的光伏单元的输出电压相近。
可选的，所述步骤S03与步骤S04的执行顺序可以互换，并不局限。
综上，本发明实施例在各MPPT单元工作在升压模式时，一旦检测到至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出，则考虑将各MPPT单元切换至直通模式。切换后各MPPT单元输入电流将免受功率器件电流应力的约束但输入电压相互耦合，若该耦合造成的功率损失较小且不会造成逆变单元停机，则确认切换至直通模式，从而提升光伏发电系统总的光能利用率。
可选的，考虑到光伏发电系统中可能存在未接入MPPT单元的光伏单元或接入后又脱离MPPT单元的光伏单元(接入后又脱离MPPT单元的光伏单元即输出断路的光伏单元)，这两类光伏单元统称为连接异常的光伏单元，为避免其造成上述MPPT控制方法出现误判，有必要预先识别并滤除出所有连接异常的光伏单元。对应的MPPT控制方法如图4所示，包括：
步骤S11：在各MPPT单元均工作在升压模式时，判断是否至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出；若是，进入步骤S12，若否，返回步骤S11。
步骤S12：滤除出所有连接异常的光伏单元，之后进入步骤S13。
步骤S13：筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元，之后进入步骤S14。
步骤S14：判断筛选出的光伏单元的占比是否超过预设百分比，若是，进入步骤S15，若否，返回步骤S11。
此时，所述占比＝筛选出的光伏单元的个数/(光伏单元总数-所有连接异常的光伏单元)。
步骤S15：判断筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度是否超过预设水平，若是，进入步骤S16，若否，返回步骤S11。
步骤S16：将各MPPT单元切换至直通模式，至此本轮控制结束。
具体的，光伏单元连接异常时，理论上其输出电流为零，输出功率为零且输出电压达到开路电压。基于此，在判断任一光伏单元是否连接异常时，可以依据该光伏单元的输出电压、输出电流或输出功率中的任意一个或任意多个的组合进行判断。
可选的，在上述公开的任一实施例中，在满足两个预设条件中的任意一个时还需要将各MPPT单元切换回升压模式，对应的流程图如图5所示。所述两个预设条件分别是：逆变单元的母线电压低于其正常工作电压，以及所有MPPT单元均不会因功率器件电流应力的约束而限功率输出。
只基于电压变化来调整MPPT单元运行模式的方法，在工作在直通模式的时候，在电压不低于逆变器正常工作电压时，可能无法及时退出直通，带来发电量损失；增加输入电流判断，可以在电流低于功率器件安全运行电流时，快速切换回升压模式。也即是说，本发明实施例在光伏单元输出电压的基础上，引入光伏单元输出电流判断，对光伏单元功率变化更为敏感，在光伏单元功率发生变化时，可快速调整MPPT单元运行模式，避免发电量损失。
可选的，本发明实施例采用滞环比较法来控制各MPPT单元在直通模式和升压模式之间的切换，以避免在临界点频繁切换。比如说，当依据MPPT单元的输入电流与阈值作比较来判断本MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出时，可以是：当MPPT单元的输入电流大于MPPT单元的满载电流时，判定本MPPT单元会因功率器件电流应力的约束而限功率输出，当MPPT单元的输入电流小于MPPT单元的满载电流的0.8倍时，判定本MPPT单元不会因功率器件电流应力的约束而限功率输出。
参见图5，所述控制方法包括：
步骤S21：在各MPPT单元均工作在升压模式时，判断是否至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出；若是，进入步骤S22，若否，返回步骤S21。
步骤S22：滤除出所有连接异常的光伏单元，之后进入步骤S23。
步骤S23：筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元，之后进入步骤S24。
步骤S24：判断筛选出的光伏单元的占比是否超过预设百分比，若是，进入步骤S25，若否，返回步骤S21。
此时，所述占比＝筛选出的光伏单元的个数/(光伏单元总数-所有连接异常的光伏单元)。
步骤S25：判断筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度是否超过预设水平，若是，进入步骤S26，若否，返回步骤S21。
步骤S26：将各MPPT单元切换至直通模式，之后进入步骤S27。
步骤S27：判断逆变单元的母线电压低于其正常工作电压，若是，进入步骤S29，若否，返回步骤S28。
步骤S28：判断是否至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出，若是，返回步骤S21，若否，返回步骤S29。
步骤S29：将各MPPT单元切换回升压模式。
MPPT单元的基本工作模式包括升压模式和直通模式。此外在MPPT单元上增设用于将MPPT单元本体旁路的电路后，MPPT单元还增加了旁路模式(其旁路功能开启时，所述MPPT单元进入旁路模式)，例如MPPT单元为图6所示Boost电路，此时：旁路开关K1断开且功率器件S1工作时，Boost电路工作在升压模式；旁路开关K1断开且功率器件S1封波时，Boost电路工作在直通模式；旁路开关K1闭合且功率器件S1封波时，Boost电路工作在旁路模式。
各MPPT单元从升压模式切换至旁路模式后，各MPPT单元内的功率器件上不再有电流流过，此时各MPPT单元输入电流不再受功率器件电流应力的约束，而且各MPPT单元从升压模式切换至旁路模式后，各MPPT单元的输入端通过逆变单元的直流母线并联耦合在一起。参考前文对直通模式的描述可知，当MPPT单元还具有旁路模式时，可将前文所述的“将各MPPT单元切换至直通模式”替换为“将各MPPT单元切换至旁路或直通模式”，同样能够解决现有技术存在的问题。
此外，本发明实施例还公开了一种光伏逆变器，包括主电路和控制电路，所述主电路包括多个MPPT单元和一个逆变单元，各MPPT单元的输出端并联接入所述逆变单元，每个MPPT单元的输入端用于连接独立的光伏单元；所述控制电路上存储有程序，所述程序运行时执行上述公开的任一种MPPT控制方法。
此外，本发明实施例还公开了一种光伏发电系统，包括上述光伏逆变器和多个光伏单元，所述光伏逆变器中的每个MPPT单元的输入端接入独立的光伏单元。
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。对于实施例公开的光伏逆变器而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开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实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例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公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种MPPT控制方法，应用于包含如下拓扑结构的光伏发电系统：每个光伏单元的输出端各连接一个MPPT单元，且各MPPT单元的输出端并联接入逆变单元；其特征在于，所述方法包括：
在各MPPT单元均工作在升压模式时，判断是否至少有一个MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出；
若是，则：筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元；若筛选出的光伏单元的占比超过预设百分比，且筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度超过预设水平，将各MPPT单元切换至直通模式；
其中，判断任一MPPT单元是否因功率器件电流应力的约束而限功率输出，包括：
判断本MPPT单元的输入电流是否超过电流阈值，若是，判定本MPPT单元因功率器件电流应力的约束而限功率输出。
2.根据权利要求1所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述筛选出所有输出电压大于所述逆变单元的正常工作电压的光伏单元之前，还包括：滤除所有连接异常的光伏单元，所述连接异常的光伏单元是指未接入的光伏单元以及输出断路的光伏单元。
3.根据权利要求2所述的MPPT控制方法，其特征在于，判断任一光伏单元是否连接异常，包括：
根据光伏单元输出电压、输出电流或输出功率中的任意一个或任意几个的组合，来判断本光伏单元是否连接异常。
4.根据权利要求1、2或3所述的MPPT控制方法，其特征在于，判断筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度是否超过预设水平，包括：
判断筛选出的光伏单元的输出电压中的最高值与最低值之差是否低于预设电压值，若是，判定筛选出的光伏单元的输出电压均衡程度超过预设水平。
5.根据权利要求1、2或3所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述将各MPPT单元切换至直通模式后，还包括：
在满足两个预设条件中的任意一个时将各MPPT单元切换回升压模式：
所述两个预设条件分别是：逆变单元的母线电压低于其正常工作电压，以及所有MPPT单元均不会因功率器件电流应力的约束而限功率输出。
6.根据权利要求5所述的MPPT控制方法，其特征在于，在通过比较参数大小判断是将各MPPT单元切换至直通模式还是切换回升压模式时，采用滞环比较方式。
7.根据权利要求1、2或3所述的MPPT控制方法，其特征在于，MPPT单元还具有旁路模式，此时将MPPT单元切换至直通模式，替换为：将MPPT单元切换至旁路或直通模式。
8.一种光伏逆变器，其特征在于，包括主电路和控制电路，所述主电路包括多个MPPT单元和一个逆变单元，各MPPT单元的输出端并联接入所述逆变单元，每个MPPT单元的输入端用于连接独立的光伏单元；
所述控制电路上存储有程序，所述程序运行时执行权利要求1-7中任一项所述的MPPT控制方法。
9.一种光伏发电系统，其特征在于，包括权利要求8所述的光伏逆变器和多个光伏单元，所述光伏逆变器中的每个MPPT单元的输入端接入独立的光伏单元。
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