单级式光伏并网逆变器的钟摆式MPPT算法.pdf

本发明公开了一种单级式光伏并网逆变器的钟摆式MPPT算法，以开路电压的0.8倍作为系统启动的指令电压，这样能快速的到达最大功率点输出电压附近，提高了最大功率点的跟踪速度。在最大功率点附近采用一种新型的变步长的扰动观察法，其主要的思路就是在MPP两侧，电压的前后压差变号这一特性进行分析，由于MPPT算法给定电压为一组阶梯波，在最大功率点处，通过当前电压时刻和上一时刻的差值变号这一特性，来改变最大功率点跟踪的步长。该算法结构简单，易于实现，在最大功率点附近几乎没有振荡，能量损失小。在新能源发电等领域有广阔应用前景。

权利要求书
1.  单级式光伏并网逆变器的钟摆式MPPT算法，应用于单级式光伏并网系统，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据当前的环境温度T及开路电压U(k)，系统启动的指令电压Uref＝N*U(k)，所述指令电压Uref为直流输入电压的给定值；
(2)系统运行t1时刻后稳定，此时开始减小指令电压Uref，采用变步长扰动观察法进行计算；
(3)采样当前时刻指令电压Uref(k)、前一时刻指令电压Uref(k-1)和前两时刻指令电压Uref(k-2)；
(4)定义s＝x1*x2，其中x1＝Uref(k-1)-Uref(k-2)，x2＝Uref(k)-Uref(k-1)，即x1为前一周期的x2；
(5)当s>0时，扰动电压前后压差符号不改变，表示系统在MPP同侧振荡，那么以固定步长扰动；当s<0时，扰动电压前后压差符号改变，表示系统在MPP两侧振荡，那么减小步长并继续扰动，s每出现一次负值，则减小一次步长，直到最后步长减小为0，稳定至最大功率点处；当s＝0时，扰动步长d为0，稳定至最大功率点处，扰动结束，指令电压Uref为定值。

2.  根据权利要求1所述的单级式光伏并网逆变器的钟摆式MPPT算法，其特征在于：步骤(1)中的N的取值为0.8。

说明书单级式光伏并网逆变器的钟摆式MPPT算法
技术领域
本发明涉及光伏并网最大功率跟踪控制，特别涉及单级式光伏并网逆变器的钟摆式MPPT算法，属于电力电子光伏并网发电控制领域。
背景技术
单级式光伏并网系统克服了传统两级式的光伏并网逆变器系统的多级能量变换的效率低，功耗高缺点。单级式光伏并网系统主要由光伏电池阵列、直流母线电容Cpv、DA/AC变流器、输出滤波器以及电网组成。其工作原理为：光伏电池组件通过串并联，将直流侧的电压升高以确保逆变器能够正常工作。同时，通过控制DC/AC变流器以此来实现并网电流与电网电压同频同相和最大功率点的跟踪。可见，单级式光伏并网逆变器仅仅通过逆变器就可以完成最大功率点跟踪和并网电流的控制这两个功能。它具有电路简单，所需的元器件少；无储能环节，减少了投资资本；相对于两级式的光伏并网逆变器，由于只是一级能量变换，其效率高，功耗低，可靠性高。
针对单级式光伏并网逆变器为了使光伏电池在任何环境下都能最大限度的使光能转换为电能，提高光伏电池的利用率，使其在多变的外界环境下依然能够高效、稳定的工作，需要对光伏系统进行最大功率点跟踪(MPPT)算法的控制。目前定电压跟踪法、扰动观察法以及电导增量法这三种MPPT算法应用相对比较多。最大功率点跟踪算法各有优缺点。一、定电压跟踪法控制简单且易实现，但是不能准确跟踪最大功率点；二、扰动观测法简单，实现也较为方便，但是在最大功率点两侧附近产生振荡，对系统造成功率损失，其振荡幅度与步长的选取有关，步长越小，振荡幅度越小，而步长的选取又和系统的跟踪速度密切相关，步长选取的小，跟踪速度慢；并且当环境发生突变时会引起误判；三、电导增量法的控制稳定度高，但是对硬件电路中传感器的要求比较高，相应的设计成本也高。
发明内容
本发明的目的在于解决公知的单级式光伏并网逆变器的最大功率跟踪控制 方法实现复杂，不能简单有效解决最大功率点两侧附近产生振荡的问题，提出能够简单而可靠地实现单级式光伏并网逆变器钟摆式MPPT算法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
钟摆式MPPT算法类似于一个钟表的摆动，12点相当于是最大功率点，钟表每次来回摆动，每摆动一次幅度就相比上一次有所降低，直到最后稳定在12点，即为最大功率点，该种方法称之为钟摆式MPPT算法。
单级式光伏并网逆变器的钟摆式MPPT算法包括以下步骤：
(1)根据当前的环境温度T及开路电压U(k)，系统启动的指令电压Uref＝N*U(k)，所述指令电压Uref为直流输入电压的给定值；
(2)系统运行t1时刻后稳定，此时开始减小指令电压Uref，采用变步长扰动观察法进行计算；
(3)采样当前时刻指令电压Uref(k)、前一时刻指令电压Uref(k-1)和前两时刻指令电压Uref(k-2)；
(4)定义s＝x1*x2，其中x1＝Uref(k-1)-Uref(k-2)，x2＝Uref(k)-Uref(k-1)，即x1为前一周期的x2；
(5)当s>0时，扰动电压前后压差符号不改变，表示系统在MPP同侧振荡，那么以固定步长扰动；当s<0时，扰动电压前后压差符号改变，表示系统在MPP两侧振荡，那么减小步长并继续扰动，s每出现一次负值，则减小一次步长，直到最后步长减小为0，稳定至最大功率点处；当s＝0时，扰动步长d为0，稳定至最大功率点处，扰动结束，指令电压Uref为定值。
作为优选，步骤(1)中的N取经验值0.8。
钟摆式MPPT算法在光伏系统启动过程中采用定电压跟踪法，即以开路电压的0.8倍作为系统启动的指令电压，这样能快速的到达最大功率点输出电压附近，提高了最大功率点的跟踪速度。在最大功率点附近采用一种新型的变步长的扰动观察法，其主要的思路就是在MPP两侧，电压的前后压差变号这一特性进行分析。
由于MPPT算法给定电压为一组阶梯波，在最大功率点处，通过当前电压时刻和上一时刻的差值变号这一特性，来改变最大功率点跟踪的步长。
定义s，s＝x1×x2，其中x2＝Uref-Uref_，x1＝x2；在MPP处，s＝0，并且在MPP两端其符号相反。也就是说在MPP处，利用电压前后压差变号，利用这一 特性实现变步长，其中Uref为采样当前时刻的电压，Uref_为上一时刻的电压。

在最大功率的同一侧，即s＞0，这时不改变步长。当s＜0，即s变号时，减小步长，每变一次符号，减小一个步长，直到最后步长减少，使得给定电压为一个定值。
钟摆式MPPT算法，由于系统在启动过程中采用了定电压跟踪法，其系统能够很快的到达最大功率点附近，在提高最大功率点跟踪速度的同时也适应于在不同环境下的快速启动。变步长利用在最大功率点处前后压差变号这一特性，避免了在最大功率点处产生的振荡，在最大功率点附近一直进行搜索，直到步长减小为零，因此大大减少了系统的能量损失。
本发明的有益效果在于：
本发明通过对单级式光伏并网逆变器实施钟摆式MPPT算法，既可以消除在最大功率点附近产生振荡的问题，减少系统的能量损失，也可以快速的到达最大功率点输出电压附近，提高最大功率点的跟踪速度。该算法结构简单，易于实现，在最大功率点附近几乎没有振荡，能量损失小。有助于光伏并网的广泛推广，尤其适于新能源等领域使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提及的单级式光伏并网逆变器举例。
图2为本发明的钟摆式MPPT算法变步长示意图。
图3为本发明的钟摆式MPPT算法流程图。
图4为本发明的钟摆式MPPT算法光伏阵列的给定电压仿真图。
具体实施方式
如图1所示的本发明所提及的单级式光伏并网逆变器。该单级式光伏并网逆变器，其主要由光伏电池阵列、直流母线电容Cpv、DA/AC变流器、输出滤 波器以及电网组成。
其工作原理为：光伏电池组件通过串并联，将直流侧的电压升高以确保逆变器能够正常工作。同时，通过控制DC/AC变流器以此来实现并网电流与电网电压同频同相和最大功率点的跟踪。可见，单级式光伏并网逆变器仅仅通过逆变器就可以完成最大功率点跟踪和并网电流的控制这两个功能。
图2为本发明的钟摆式MPPT算法变步长示意图。钟摆式MPPT算法在光伏系统启动过程中采用定电压跟踪法，即以开路电压的0.8倍作为系统启动的指令电压，这样能快速的到达最大功率点输出电压附近，提高了最大功率点的跟踪速度。在最大功率点附近采用一种新型的变步长的扰动观察法，其主要的思路就是在最大功率点处，通过当前电压时刻和上一时刻的差值变号这一特性，来改变最大功率点跟踪的步长。
图3为本发明的钟摆式MPPT算法流程图。在最大功率的同一侧，即s＞0，这时不改变步长。当s＜0，即s变号时，减小步长，每变一次符号，减小一个步长，直到最后步长减少，使得给定电压为一个定值。其中d为扰动步长，A为每改变一次符号，步长减小的值，运行t1时间表示系统稳定后对其进行扰动，启动过程中采用恒压法。
图4为本发明的钟摆式MPPT算法光伏阵列的给定电压仿真图。电压给定的初始扰动步长为10，每改变一次符号，步长减小2，以此类推，最后光伏电池的输出电压稳定在设置的最大功率点电压720V上，而且在最大功率点两侧没有产生振荡。
以上公开的仅为本专利的具体实施例，但本专利并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。