一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，包括DC?DC變換器、PV組串和MPPT單元，DC?DC變換器單元包含有小信號(hào)模型、控制器和前饋控制器，該DC?DC變換器單元作為電流跟蹤系統(tǒng)，在PV發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，該DC?DC變換器單元的輸出電流跟蹤輸入?yún)⒖茧娏鞯淖兓籔V組串是由多個(gè)PV模塊組成的PV串聯(lián)支路；MPPT單元包括直流功率通道和基波功率通道；在基波功率通道中設(shè)置有一個(gè)平方器，利用平方器保證有效功率增量始終為正值，使新的工作點(diǎn)更接近最大功率MP點(diǎn)。該裝置能夠解決精確性、收斂性與快速性之間的矛盾，避免了傳統(tǒng)算法在MP點(diǎn)附近存在穩(wěn)態(tài)振蕩的現(xiàn)象，提高了PV組串的平均輸出功率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中，為了使PV模塊、組串或陣列提供最大輸出功率，必須使其工作 在其MP(maximum power，簡(jiǎn)寫(xiě)為MP，中文譯文:最大功率)點(diǎn)。因此最大跟蹤技術(shù)是PV發(fā)電系 統(tǒng)的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。目前MPPT(MPPT-maximum power point tracker，最大功率點(diǎn)跟 蹤)的主要算法有:定電壓跟蹤技術(shù)、電導(dǎo)增量技術(shù)和擾動(dòng)觀察技術(shù)等。
[0003] 定電壓跟蹤技術(shù)是假設(shè)溫度和環(huán)境影響可以略去不計(jì)，MP點(diǎn)的電壓vmp近似等于 0.79倍的開(kāi)路電壓V。。。通過(guò)測(cè)量開(kāi)路電壓確定MP點(diǎn)的電壓。具有簡(jiǎn)單易行、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 但因?yàn)殚_(kāi)路電壓依賴環(huán)境溫度，所以誤差太大。有些文獻(xiàn)介紹用溫度補(bǔ)償消除其誤差。更嚴(yán) 重的問(wèn)題是，當(dāng)PV組串的某個(gè)PV模塊出現(xiàn)硬遮蔽時(shí)，這種方法基本失靈?；谠贛P點(diǎn)功率-電壓的導(dǎo)數(shù)等于零的原理，推導(dǎo)出了電導(dǎo)增量技術(shù)。其基本原理是在MP點(diǎn)PV組串輸出電導(dǎo) 的變化率等于其直流電導(dǎo)的負(fù)值。因此，通過(guò)比較電導(dǎo)的變化率與直流電導(dǎo)確定搜索的方 向。這種方法控制精度高、響應(yīng)速度快、適應(yīng)光照值不斷變換的工況。它的缺點(diǎn)如下：1)因?yàn)?差分對(duì)高頻干擾十分敏感，用差分求取電導(dǎo)變化率時(shí)易于受到干擾;2)對(duì)傳感器要求比較 苛刻。由于MP點(diǎn)的電壓是溫度的函數(shù)，如果考慮到硬遮蔽現(xiàn)象，使得組串的電壓變化范圍較 大；電流是光照值的函數(shù)，如果發(fā)生了軟遮蔽組串電流的變化范圍會(huì)更大。需要使用高精 度-變量程的電壓和電流傳感器才能滿足要求，從而導(dǎo)致了硬件成本造價(jià)昂貴。
[0004] 擾動(dòng)觀察技術(shù)基本原理是每隔一定的時(shí)間間隔，增加或減少PV組串 (Photovoltaic，光伏，簡(jiǎn)寫(xiě)為PV)的輸出電壓，觀察變動(dòng)后的功率變化方向，確定下一步是 增加或減少輸出功率。這種算法簡(jiǎn)單易行。所以擾動(dòng)觀察法(Ρ&0-ΜΡΡΤ法)是目前普遍使用 的MMPT方法，但擾動(dòng)觀察法存在著三大問(wèn)題，其一是MP點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)振蕩，導(dǎo)致了最大功率點(diǎn)的 平均輸出功率下降；其二是光照突變導(dǎo)致偏離MP點(diǎn)，失去跟蹤能力；其三是精確性、收斂性 與快速性之間有著不可協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)性矛盾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，該裝置能夠解決精確 性、收斂性與快速性之間的矛盾，避免了傳統(tǒng)算法在MP點(diǎn)附近存在穩(wěn)態(tài)振蕩的現(xiàn)象，提高了 PV組串的平均輸出功率。
[0006] 一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，所述裝置包括DC-DC變換器、PV組串和MPPT 單元，其中：
[0007] 所述DC-DC變換器單元包含有小信號(hào)模型、控制器和前饋控制器，該DC-DC變換器 單元作為電流跟蹤系統(tǒng)，在PV發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，該DC-DC變換器單元的輸出電流跟蹤輸 入?yún)⒖茧娏鞯淖兓?br>[0008] 所述PV組串是由多個(gè)PV模塊組成的PV串聯(lián)支路，所述DC-DC變換器單元的輸出電 流作為該P(yáng)V組串的輸出電流；
[0009] 所述MPPT單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 組串輸出功率的直流成分，所述基波功率通道提取所述PV組串輸出功率的基波分量；
[0010]在所述基波功率通道中設(shè)置有一個(gè)平方器，利用該平方器保證有效功率增量始終 為正值，使新的工作點(diǎn)更接近最大功率MP點(diǎn)。
[0011]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，上述裝置能夠解決精確性、收斂性與快 速性之間的矛盾，避免了傳統(tǒng)算法在MP點(diǎn)附近存在穩(wěn)態(tài)振蕩的現(xiàn)象，提高了 PV組串的平均 輸出功率。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0013] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明所舉實(shí)例的裝置工作原理示意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明所舉實(shí)例中DC-DC變換器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本 發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017]本發(fā)明實(shí)施例基于i-p特性在MP點(diǎn)對(duì)交流擾動(dòng)信號(hào)存在的整流效應(yīng)，以及電流-功 率斜率嚴(yán)重依賴工作點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，提出了一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，下面將結(jié)合 附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述，如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供擾動(dòng)觀察最 大功率點(diǎn)的跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述裝置包括DC-DC變換器、PV(光伏）組串和MPPT單 元，其中：
[0018] 所述DC-DC變換器單元包含有小信號(hào)模型6[)(8)、控制器6。。（ 8)和前饋控制器Gcf (s);該DC-DC變換器單元作為電流跟蹤系統(tǒng)，在PV發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，該DC-DC變換器單 元的輸出電流跟蹤輸入?yún)⒖茧娏鞯淖兓?br>[0019] 所述PV組串是由多個(gè)PV模塊組成的PV串聯(lián)支路，所述DC-DC變換器單元的輸出電 流作為該P(yáng)V組串的輸出電流；
[0020] 所述MPPT單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 組串輸出功率的直流成分，所述基波功率通道提取所述PV組串輸出功率的基波分量；
[0021] 在所述基波功率通道中設(shè)置有一個(gè)平方器，利用該平方器保證有效功率增量始終 為正值，使新的工作點(diǎn)（如圖2中A '點(diǎn)所示:A點(diǎn)為當(dāng)前時(shí)刻工作點(diǎn)，而A '點(diǎn)為系統(tǒng)下一時(shí)刻 的工作點(diǎn)）更接近最大功率MP點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，電流擾動(dòng)量經(jīng)過(guò)PV組串的i-p特性后，轉(zhuǎn)換為擾 動(dòng)功率，擾動(dòng)功率經(jīng)過(guò)平方器的處理后變?yōu)橐粋€(gè)正增量(ZP)的有效擾動(dòng)功率，正增量的有 效擾動(dòng)功率量保證了新工作點(diǎn)更接近MP點(diǎn)。
[0022] 具體實(shí)現(xiàn)中，該基波功率通道的輸出量為電流增量，該電流增量的計(jì)算公式為：
[0023] ^I=KipXa'2/2
[0024] 隨著工作點(diǎn)逐步接近MP點(diǎn)，電流-功率斜率1(^的絕對(duì)值具有由大向小變化的趨勢(shì)， 該電流增量ZI正比于電流-功率斜率K ip。所以搜索步長(zhǎng)將自動(dòng)變化，提高了跟蹤速度，避免 了振蕩風(fēng)險(xiǎn)。具體來(lái)說(shuō)，基波通道的電流-功率斜率K1P的符號(hào)隨工作區(qū)變化，當(dāng)工作點(diǎn)位于 恒壓區(qū)（VSR)時(shí)，Kip>0,增量電流Ζ?>0;在恒流區(qū)（CSR)工作時(shí)，ΖΚ0。因此無(wú)論工作點(diǎn)位 于VSR區(qū)或CSR區(qū)，新工作點(diǎn)將趨近于ΜΡ點(diǎn)。
[0025] 當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)ΜΡ點(diǎn)時(shí)，i-ρ特性曲線的整流效應(yīng)使得所述PV組串輸出的功率擾動(dòng) 信號(hào)的基波分量等于零，搜索自動(dòng)停止。這樣就避免了傳統(tǒng)算法在MP點(diǎn)附近存在穩(wěn)態(tài)振蕩 現(xiàn)象，提高了PV組串的平均輸出功率。
[0026] 當(dāng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MP點(diǎn)時(shí)，適當(dāng)?shù)卦黾訑_動(dòng)幅度，以提高搜索效率；
[0027] 當(dāng)工作點(diǎn)接近MP點(diǎn)時(shí)，減少擾動(dòng)幅度，避免虛假M(fèi)P收斂。
[0028]另外，上述DC-DC變換器單元的輸入?yún)⒖茧娏魇窃谥绷鞴ぷ鼽c(diǎn)上疊加一個(gè)小幅度 的正弦擾動(dòng)量，其輸出電流作為PV組串的輸出電流;該輸出電流經(jīng)過(guò)PV組串的i-p特性變換 后，得到功率擾動(dòng)信號(hào)。具體實(shí)現(xiàn)中，該功率擾動(dòng)信號(hào)含有直流功率和擾動(dòng)功率，由于i-p特 性的非線性特性，除MP點(diǎn)外，功率擾動(dòng)信號(hào)包含有基波和高次諧波分量。
[0029] 下面以具體的實(shí)例對(duì)上述裝置的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如圖2所示為本 發(fā)明所舉實(shí)例的工作原理示意圖，參考圖2:DC-DC變換器具有穩(wěn)態(tài)電流跟蹤能力，所以將其 等效為單位增益(G I=1)的理想電流跟隨器;MPPT單元分為直流功率通道和基波功率通道。
[0030] 當(dāng)工作點(diǎn)位于MP點(diǎn)的左邊A點(diǎn)時(shí)，輸出功率的表達(dá)式為：
[0032] 上述公式(2)中的第一項(xiàng)為直流功率分量，通過(guò)MPPT單元的DC功率通道，得到直流 電流參考分量為：
[0034]公式(2)中第二項(xiàng)為擾動(dòng)功率的基波分量，通過(guò)MPPT單元的基波功率通道中的帶 通濾波器BPF、平方器和低通濾波器LPF2后，得到有效功率增量為：
[0036]進(jìn)一步得到參考電流增量為：
[0038]因?yàn)楣ぷ鼽c(diǎn)位于i-p特性的電壓區(qū)，功率-電流的斜率K1P大于零，所以新的參考電 流為：
[0040]由此可知，新工作點(diǎn)沿著i-p曲線向右移動(dòng)，更加接近ΜΡ點(diǎn)。同理，當(dāng)工作點(diǎn)位于i- P曲線的電流區(qū)，即MP點(diǎn)的右邊，斜率K1P小于零，使得新參考電流為：
[0042]所以，新工作點(diǎn)沿著i-ρ曲線向左移動(dòng)，趨近于ΜΡ點(diǎn)；當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)i-p曲線的ΜΡ點(diǎn) 時(shí)，則功率擾動(dòng)信號(hào)變?yōu)槿ㄕ鞑ㄐ危ㄕ鞑ㄐ螞](méi)有基波分量，因此系統(tǒng)停止搜索， 穩(wěn)定工作在MPA。
[0043]另外，在上述公式（5)中，參考電流增量正比于斜率Kip。當(dāng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離ΜΡ點(diǎn)時(shí)，Kip 的絕對(duì)值較大，搜索步長(zhǎng)增加；當(dāng)工作點(diǎn)接近ΜΡ點(diǎn)，Kip的絕對(duì)值逐步減小，搜索步長(zhǎng)自動(dòng)減 少；當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)MP點(diǎn)時(shí)，i-p特性曲線的整流效應(yīng)使得功率擾動(dòng)信號(hào)的基波分量等于零， 搜素自動(dòng)停止，這樣就避免了傳統(tǒng)算法在MP點(diǎn)附近存在穩(wěn)態(tài)振蕩現(xiàn)象，提高了 PV組串的平 均輸出功率。
[0044]上述公式(5)還表明：搜索步長(zhǎng)正比于正弦擾動(dòng)幅度的平方值，變擾動(dòng)幅度用以下 公式表不為：
[0046] 式中，0P表示直流工作點(diǎn)。
[0047]當(dāng)0P遠(yuǎn)離MP點(diǎn)，如位于VSR區(qū)或CSR區(qū)，選用較大的擾動(dòng)幅度，以便增大搜索步長(zhǎng)， 但過(guò)大的步長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。
[0048] 當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入MPP區(qū)后，較大的擾動(dòng)幅度更容易引起振蕩，導(dǎo)致PV組串的平均輸出 功率減少。另外，在MP點(diǎn)附近，增加電流擾動(dòng)幅度會(huì)使擾動(dòng)功率信號(hào)過(guò)早的出現(xiàn)整流效應(yīng)， 使得系統(tǒng)停止搜索，導(dǎo)致了虛假M(fèi)P點(diǎn)收斂。因此，在MPPR區(qū)，選擇較小的擾動(dòng)幅度以避免虛 假M(fèi)P點(diǎn)收斂。事實(shí)上，如果令擾動(dòng)幅度正比于電流-功率斜率K ip，則實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)幅度的自動(dòng) 改變。
[0049] 進(jìn)一步的，為了便于描述前饋控制技術(shù)，將圖1中的DC-DC變換器單元提取出來(lái)，如 圖3所示為本發(fā)明所舉實(shí)例中DC-DC變換器單元的結(jié)構(gòu)示意圖，參考圖3:G P(S)、Gcc(s)和Gcf (s)分別為DC-DC變換器的小信號(hào)模型一控制對(duì)象、控制器和前饋控制器。
[0050] 前饋控制器的傳遞函數(shù)定義為：
[0051] Gcf(s) = l/Gp(s) (9)
[0052] 則DC-DC變換器單元的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0054]上式表明：DC-DC變換器單元可作為電流跟蹤系統(tǒng)，在PV發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，其 輸出電流跟蹤輸入?yún)⒖茧娏鞯淖兓?br>[0055]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所提供的跟蹤裝置避免了傳統(tǒng)算法在MP點(diǎn)附近存在穩(wěn)態(tài) 振蕩的現(xiàn)象，提高了 PV組串的平均輸出功率。
[0056]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，其特征在于，所述裝置包括DC-DC變換器、PV 組串和MPPT單元，其中： 所述DC-DC變換器單元包含有小信號(hào)模型、控制器和前饋控制器，該DC-DC變換器單元 作為電流跟蹤系統(tǒng)，在PV發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，該DC-DC變換器單元的輸出電流跟蹤輸入?yún)?考電流的變化； 所述PV組串是由多個(gè)PV模塊組成的PV串聯(lián)支路，所述DC-DC變換器單元的輸出電流作 為該P(yáng)V組串的輸出電流； 所述MPPT單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組串 輸出功率的直流成分，所述基波功率通道提取所述PV組串輸出功率的基波分量； 在所述基波功率通道中設(shè)置有一個(gè)平方器，利用該平方器保證有效功率增量始終為正 值，使新的工作點(diǎn)更接近最大功率MP點(diǎn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，其特征在于， 所述基波功率通道的輸出量為電流增量，該電流增量的計(jì)算公式為： ^I=KipXa'2/2 該電流增量ZI正比于電流-功率斜率Kip。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，其特征在于，在所述裝置運(yùn)行 過(guò)程中： 當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)MP點(diǎn)時(shí)，i-p特性曲線的整流效應(yīng)使得所述PV組串輸出的功率擾動(dòng)信號(hào) 的基波分量等于零，搜索自動(dòng)停止。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，其特征在于，在所述裝置運(yùn)行 過(guò)程中： 當(dāng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MP點(diǎn)時(shí)，增加擾動(dòng)幅度； 當(dāng)工作點(diǎn)接近MP點(diǎn)時(shí)，減少擾動(dòng)幅度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述擾動(dòng)觀察最大功率點(diǎn)的跟蹤裝置，其特征在于，所述DC-DC變換 器單元的輸出電流作為該P(yáng)V組串的輸出電流，具體包括： 所述DC-DC變換器單元的輸入?yún)⒖茧娏魇窃谥绷鞴ぷ鼽c(diǎn)上疊加一個(gè)小幅度的正弦擾動(dòng) 量，其輸出電流作為PV組串的輸出電流； 該輸出電流經(jīng)過(guò)PV組串的i-p特性變換后，得到功率擾動(dòng)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G05F1/67GK105867513SQ201610193150
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】張懋, 張衛(wèi)平, 毛鵬, 仲順安
【申請(qǐng)人】北方工業(yè)大學(xué)