專利名稱：一種單級式光伏并網逆變器的最大功率點跟蹤的優化方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于單級式光伏并網逆變器的優化最大功率點跟蹤過程的方 法，屬新能源技術領域，特別是太陽能光伏發電領域。
背景技術：
太陽能作為一種無污染、可再生的新能源具有非常廣闊的應用和發展前景，隨著 社會經濟的發展，利用太陽能發電成為解決生產生活能源、改善環境污染問題的一條可靠 途徑，可以取得巨大的經濟效益和社會效益。太陽能光伏陣列的輸出受到光照強度、環境溫度等因素的影響，呈現非線性特性。 在一定的光照強度和環境溫度下，太陽能電池可以輸出不同的電壓和電流，也即可以輸出 不同的功率，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列的輸出功率才能夠達到最大值，這時 光伏陣列工作在輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(Maximum Power Point, MPP)。光伏并網發電系統一般包括兩級式和單級式，采用單級式方式時，由于電能只需 要經過一次變換，因此具有變換效率高、太陽能陣列利用率高、可靠性高等顯著優點。單級 光伏并網發電系統包括順序連接的光伏陣列、濾波電容和并網逆變器，如圖4所示。由于光 伏陣列輸出功率為平滑直流，而并網逆變器輸出功率呈現周期性脈動特性，因此光伏陣列 與并網逆變器之間需并入足夠大的電容以平滑并網逆變器引起的光伏陣列輸出功率的脈 動。但作為儲能元件的電容的引入導致了光伏陣列、并網逆變器、電容三者之間的能量耦 合，當光伏陣列的輸出特性發生變化即光伏陣列輸出功率發生變化時，光伏陣列輸出功率 的變化并不能立刻在并網逆變器的輸出功率上體現出來。在光伏發電系統中，通過實時調整太陽能光伏陣列的工作點，使之始終工作在最 大功率點附近，進而可以提高整個光伏發電系統的效率，這一過程稱之為最大功率點跟蹤 (Maximum Power Point iTrackingJPPT)。MPPT策略一般采用實時檢測光伏陣列的輸出功 率，通過一定的控制算法使輸出功率保持在MPP附近。現有的MPPT方法一般通過對并網逆 變器輸出功率施加小的擾動，通過一定算法判斷光伏陣列輸出功率的變化趨勢，進而決定 下一步施加擾動的方式。實際上，上述施加微小擾動的MPPT方法是在光伏陣列輸出特性穩 定的前提下來進行的。當光照條件、溫度條件或者其它不可知的外部因素發生變化而導致 光伏陣列輸出特性發生變化時，也即光伏陣列的輸出功率發生劇烈變化時，由于電容的能 量耦合作用，光伏陣列輸出功率的變化并不能立刻在并網逆變器的輸出功率上體現出來， 因此，此時的MPPT方法不能夠保證并網逆變器的輸出功率跟蹤光伏陣列輸出功率的變化， 也即MPPT失效，嚴重時會導致系統崩潰。傳統的MPPT方法在發生上述情況時一般采取對 輸出功率施加較大擾動量的方法來盡量避免系統崩潰，但對于應該施加擾動量的大小并沒 有明確的量化標準，因此很難保證MPPT跟蹤過程的快速性與穩定性，也即很難保證系統能 迅速重新進入穩態。因此當光照強度、溫度條件等因素發生變化導致光伏陣列輸出特性發 生變化時時，系統重新進入穩態并實現MPPT需要一個較長的過渡過程。
發明內容
本發明針對背景技術中現有MPPT方法應用于單級式光伏并網發電系統中存在的 不足，提出一種應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟蹤過程的方法。下面結合附圖1說明本發明的具體方案，本發明所述的應用于單級式光伏并網發 電系統的優化最大功率點跟蹤過程的方法，作為傳統MPPT方法的優化方法，與傳統MPPT方 法共同使用。上述應用本發明的單級式光伏并網發電系統包括太陽能光伏陣列、濾波電 容、并網逆變器，其中太陽能光伏陣列的輸出直接與濾波電容的兩端以及并網逆變器的兩 個輸入端相連，如圖1所示。所述的應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟 蹤過程的方法根據系統受到擾動導致光伏陣列輸出功率與并網逆變器輸出功率不相等時， 光伏陣列、濾波電容、并網逆變器三者之間的能量關系及濾波電容電壓的變化，迅速計算出 并網逆變器輸出功率給定，使得并網逆變器輸出功率迅速跟蹤光伏陣列輸出功率，在一個 功率周期內解除濾波電容與并網逆變器和光伏陣列之間的能量耦合關系，避免由于上述因 素導致的系統崩潰或者MPPT的動態跟蹤時間過長。本發明所述的應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟蹤過程的方 法的特征在于1)該方法依據光伏陣列與并網逆變器之間的濾波電容的電壓的變化趨勢來判斷 并網逆變器輸出功率與光伏陣列輸出功率的瞬時關系，也即如果電容電壓下降，則并網逆 變器輸出功率大于光伏電池輸出功率，如果電容電壓上升，則并網逆變器輸出功率小于光 伏陣列輸出功率，電容電壓變化趨勢發生改變的時刻就是并網逆變器輸出功率等于光伏陣 列輸出功率的時刻。2)該方法依次包括以下步驟步驟1 用微處理器作為控制器，檢測電容電壓u。，電網電壓v。，并網逆變器輸出電 流i0 ；步驟2 用當前電容電壓減去上一控制周期采樣的電容電壓，得到兩次采樣的差 值 Διι ；步驟3 根據上一控制周期計算得到的電容電壓差值和當前計算得到的電容電壓 差值判斷電容電壓的變化趨勢是否發生改變是記錄當前次的正弦表點數和采樣的V。和i。，若Au由正變負，計算該時刻對應的輸出功率P1，并記錄對應于當前時刻的正弦 表值sin α j ；則計算該時刻對應的輸出功率ρ2，并記錄對應于當前時刻的正弦表值sinci 2 ；否繼續執行步驟4;步驟4 判斷程序是否已運行了半個市電周期是判斷sin2 α ^sin2a 2是否等于1 是結束；否并網逆變器的輸出功率給定pm調整為P1 · sin2 a 1+p2 · sin2 a 2，結束；否結束；本發明所述方法的最大優點在于當光照強度等因素突然變化導致光伏陣列輸出功率與并網逆變器輸出功率不相等時，能夠迅速解除濾波電容的能量耦合作用，使并網逆 變器輸出功率迅速跟蹤光伏陣列輸出功率，避免系統崩潰或者MPPT的動態跟蹤時間過長。
圖1為單級光伏并網發電系統構成示意圖。圖2為并網逆變器輸出功率與光伏陣列輸出功率關系分析示意圖。圖3為本發明應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟蹤過程的方 法的原理分析示意圖。圖4為應用本發明所述應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟蹤 過程的方法時的控制程序流程圖。附圖中符號說明10為單級光伏并網發電系統；101為太陽能光伏陣列；102為并 網逆變器；cm為濾波電容；Ppv為光伏陣列的輸出功率，P。為流入濾波電容的功率，P。為并網 逆變器的輸出功率；叫為電容電壓J1及S11代表面積；t，ti; t2，t3，、代表時間；Tp代表一 個功率周期；α工和α 2代表角度；ω代表電網電壓角速度。
具體實施例方式下面結合
本發明的具體實施方式
。如圖1所示，所述的應用本發明最大 功率跟蹤方法的單級光伏并網發電系統包括太陽能光伏陣列、濾波電容和并網逆變器。其 中太陽能光伏陣列的輸出直接與濾波電容的兩端以及并網逆變器的輸入端相連。本發明所述方法與傳統的最大功率點跟蹤(MPPT)方法共同使用，對于所用MPPT 方法沒有限制。如圖1所示，不考慮并網逆變器的功率損耗，即并網逆變器的輸入功率等于輸出 功率，由能量守恒定律，可以知道光伏陣列、濾波電容、并網逆變器三者之間的瞬時功率關 系pPV = Pe+PQ，其中，Ppv為光伏陣列的輸出功率，為流入濾波電容的功率，P。為并網逆變 器的輸出功率。并網逆變器以單位功率因數向電網注入正弦電流，則P。具有下列形式 凡=氕Sin2M,其中ω = 100π，九為并網逆變器輸出功率的峰值，并網逆變器輸出功率的 頻率為電網電壓頻率的兩倍。不論Ppv具有何種函數形式，在一個輸出功率周期內，并網逆 變器輸出功率曲線與光伏陣列輸出功率曲線必然有且僅有兩個交點，假設Ppv與P。的交點 對應的時間為t1; t2，t3，t4......，如圖2所示，則可以得到如下結論1.在區間(t1; t2)，(t3，t4)......上電容放電，濾波電容電壓值U。單調減小；2.在區間(t2，t3)，(t4，t5)......上電容充電，濾波電容電壓值U。單調增加；3. Ppv與p0的交點時刻即為濾波電容電壓變化趨勢發生改變的時刻；4.若圖中pPV與p0曲線包圍的面積& = S11,則表明在一個功率周期內(IOOHz)， 電容的凈功率流為零，即在一個周期內，PV輸出功率與逆變器輸出功率平衡，即在一個功率 周期內，濾波電容與光伏陣列和并網逆變器之間沒有發生能量耦合。穩態運行時，電容在一個功率周期內平均功率流為零，等價于電容對低頻功率 (100赫茲)的耦合作用被消除。當系統受到外界因素的擾動，比如光照強度突然發生變化 時，光伏陣列的輸出功率瞬間發生變化，由于濾波電容的影響，并網逆變器輸出功率不能立5刻跟蹤光伏陣列輸出功率的變化，由于擾動的不可預知性，會導致正常的MPPT過程受到影 響，嚴重情況下會導致系統崩潰，即使系統不發生崩潰，從光伏陣列輸出特性發生變化時刻 開始，到濾波電容的能量耦合作用完全消除，系統過渡到并網逆變器輸出功率等于光伏陣 列輸出功率的過程是相當于一個二階環節的階躍響應的過渡過程，從控制論的基本原理出 發，容易知道，當阻尼系數小于1時該過程必然振蕩；而阻尼系數大于1則意味著過渡過程 增加。實際上上述過程為一個系統自身被動解除濾波電容能量耦合的過程，稱之為被動解 耦過程。本發明所述的方法即為針對上述情況的主動解耦過程，保證并網逆變器輸出功率 在一個功率周期內跟蹤光伏陣列輸出功率，避免震蕩及過渡過程，同時避免系統發生崩潰， 保證MPPT的有效性，從而極大的提高系統的動態特性及穩定性。如圖3所示，以并網逆變器輸出功率等于0的時刻為一個功率周期的起始時刻， 在一個功率周期內ppv與ρ。發生相交的應兩個時刻對應的角度分別記為、和α2，對應兩 個時刻的并網逆變器的輸出功率分別為P1和P2，假設光伏陣列輸出功率為平滑直流。圖中 Ppv與P。曲線包圍的兩個面積分別即為&和，則當光伏陣列輸出功率pPV發生變化或者 輸出功率P。受到其它因素擾動發生變化時導致并網逆變器輸出功率的平均值與光伏陣列 輸出功率的平均值不相等時，也即&和S11不相等時的主動解耦過程即為求出新的并網逆 變器輸出功率給定值，使得并網逆變器輸出功率的平均值與光伏陣列輸出功率的平均值相 等，也即圖3中&和S11的面積相等。該問題轉化為一個數學問題，即圖中αι，α2&Ρι* P2已知求尻,使得S1 = Sno首先，求積分
權利要求
1.一種應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟蹤過程的方法，其特征在 于，該方法依據光伏陣列與逆變器之間的濾波電容電壓的變化趨勢來判斷并網逆變器輸出 功率與光伏陣列輸出功率的瞬時關系，也即如果電容電壓下降，則并網逆變器輸出功率大 于光伏電池輸出功率，如果電容電壓上升，則并網逆變器輸出功率小于光伏陣列輸出功率， 電容電壓變化趨勢發生改變的時刻即為并網逆變器輸出功率等于光伏陣列輸出功率的時 刻。
2.如權利要求1所述的一種應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟蹤 過程的方法，其特征在于該方法依次包括以下步驟步驟1 用微處理器作為控制器，檢測電容電壓u。，電網電壓v。，并網逆變器輸出電流步驟2:用當前電容電壓減去上一控制周期采樣的電容電壓，得到兩次采樣的差值Au ；步驟3 根據上一控制周期計算得到的電容電壓差值和當前計算得到的電容電壓差值 判斷電容電壓的變化趨勢是否發生改變是記錄當前次的正弦表點數和采樣的V。和i。，若Au由正變負，計算該時刻對應的輸出功率Pl，并記錄當前時刻的正弦表值 sin α j ；則計算該時刻對應的輸出功率P2,并記錄當前時刻的正弦表值sin α 2 ； 否繼續執行步驟4 ；步驟4 判斷程序是否已運行了半個市電周期 是判斷sin2 α 1+sin2 α 2是否等于1 是結束；否并網逆變器的輸出功率給定Pm調整為P1 · sin2 α 1+ρ2 · sin2 α 2，結束； 否結束。
全文摘要
本發明涉及一種應用于單級式光伏并網發電系統的優化最大功率點跟蹤過程的方法。本發明所述的應用該方法的單級式光伏并網發電系統包括太陽能光伏陣列、濾波電容、并網逆變器。本發明所述的優化最大功率點跟蹤過程的方法，基于濾波電容的功率解耦思想，根據光伏陣列輸出特性受到擾動時光伏陣列、濾波電容、并網逆變器三者之間的能量關系及濾波電容電壓的變化，迅速計算出對應的并網逆變器輸出功率給定以消除該擾動，從而利于快速實現MPPT。該方法能夠消除由于光照強度、溫度條件或其它因素發生變化時，導致光伏陣列輸出特性變化而對MPPT過程產生的影響，加快MPPT速度，提高光伏發電系統的效率，同時提高了系統的穩定性和可靠性。
文檔編號H02J3/38GK102044883SQ200910206009
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月12日 優先權日2009年10月12日
發明者古俊銀 申請人:盈威力新能源科技(上海)有限公司