CN2012101591993A 一种单相单级光伏逆变器最大功率点跟踪控制方法 1-13

(10)申请公布号 CN 102684537 A (43)申请公布日 2012.09.19 CN 102684537 A *CN102684537A* (21)申请号 201210159199.3 (22)申请日 2012.05.22 H02M 7/537(2006.01) H02N 6/00(2006.01) (71)申请人 于晶荣 地址 410082 湖南省长沙市岳麓区麓山南路 1 号湖南大学 (72)发明人 于晶荣 曹一家 陈岗 徐勇 荣飞 (74)专利代理机构 北京聿宏知识产权代理有限 公司 11372 代理人 刘华联 孙明岩 (54) 发明名称 一种单相单级光伏逆变器最大功率点跟踪控 制方法 (57) 摘要 本发明公开了一种单相单级光伏逆变器MPPT 控制方法， 在该方法中， 采样光伏电池的输出电流 和输出电压， 并计算出光伏电池的输出功率 ； 通 过高通滤波将输出电压和输出功率的直流分量分 别滤除， 以得到输出电压和输出功率的交流分量 ； 将输出电压的交流分量作为极值寻优控制的扰动 量 ； 将扰动量与输出功率的交流分量相乘， 之后 经过低通滤波和积分得到最大功率输出点的估计 的工作电压 ； 以及将扰动量再叠加于估计的工作 电压上， 反复进行上述步骤， 以保证光伏电池始终 在最大功率输出点附近工作。本发明充分利用了 系统的固有性质， 无需额外的注入扰动信号， 消除 了外部扰动信号对系统的影响。 此外， 本发明可保 证 MPPT 控制方法计算量小， 因此便于实现。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 8 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 8 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种单相单级光伏逆变器最大功率点跟踪控制方法， 包括步骤 ： S101、 采样光伏电池的输出电流和输出电压， 并计算出光伏电池的输出功率 ； S102、 通过高通滤波将所述输出电压和所述输出功率的直流分量分别滤除， 以得到所 述输出电压的交流分量和所述输出功率的交流分量 ； S103、 将所述输出电压的交流分量作为极值寻优控制的扰动量 ； S104、 将所述扰动量与所述输出功率的交流分量相乘， 之后经过低通滤波和积分得到 光伏电池的最大功率输出点的估计的工作电压 ； 以及 S105、 将所述扰动量再叠加于所述估计的工作电压上， 返回到步骤 S101 反复进行， 以 保证光伏电池始终在最大功率输出点附近工作。 2.如权利要求1所述的最大功率点跟踪控制方法， 其特征在于， 在步骤S104中， 所述扰 动信号与所述输出功率的交流分量的乘积经过低通滤波和积分后， 进一步经过补偿控制以 加快收敛速度。 3. 如权利要求 2 所述的最大功率点跟踪控制算法， 其特征在于， 所述补偿控制为比例 控制， 其中比例系数根据系统动态性能要求进行整定。 4. 如权利要求 3 所述的最大功率点跟踪控制方法， 其特征在于， 所述比例系数为 9.5。 5.如权利要求14任一项所述的最大功率点跟踪控制方法， 其特征在于， 所述高通滤 波和所述低通滤波均采用二阶巴特沃斯滤波。 6. 如权利要求 5 所述的最大功率点跟踪控制方法， 其特征在于， 低通滤波的截止频率 为 10Hz， 高通滤波的截止频率为 50Hz。 7. 如权利要求 6 所述的最大功率点跟踪控制方法， 其特征在于， 所述交流分量是二次 谐波分量。 8. 如权利要求 7 所述的最大功率点跟踪控制方法， 其特征在于， 所述二次谐波分量的 频率为 100Hz， 幅度为所述工作电压的 1-3。 权 利 要 求 书 CN 102684537 A 2 1/8 页 3 一种单相单级光伏逆变器最大功率点跟踪控制方法 技术领域 0001 本发明涉及光伏发电领域， 具体而言， 涉及一种单相单级光伏逆变器的最大功率 点跟踪 （MPPT， Maximum Power Point tracking） 方法。 背景技术 0002 近年来， 新能源发电技术发展迅猛， 其中光伏发电以其清洁性和经济性被认为是 最具有发展前景的可再生能源利用技术。 光伏屋顶被认为是未来光伏发电技术推广和普及 的主要形式。在这种光伏系统中， 光伏电池通过逆变器连接至单相电网或供给负载。逆变 器作为光伏系统的关键元件， 直接影响着系统的整体性能、 效率和成本。 单相单级逆变器因 成本低、 可靠性高和配置灵活等特点， 是小容量光伏系统中最具有应用前景的拓扑结构， 已 成为国内外光伏领域的一个研究热点。 0003 单相单级逆变器由于只有一个能量枢纽， 需要同时兼顾最大功率点跟踪和输出电 流波形控制。因此， 控制复杂度增大， 对各控制环节的要求也增加了。目前最大功率点跟 踪控制技术常用的有恒电压跟踪方法、 扰动观察法、 增量电导法和极值寻优控制法 （ESC， Exstreme Seeking Control） 和智能 MPPT 等， 其中恒电压跟踪有控制简单、 可靠性高、 稳 定性好和易于实现等优点， 但不能顺应温度变化的情况。扰动观察法 （P&O， Perturb and Observe） 是目前经常被采用的 MPPT 方法之一， 该算法简单， 且易于硬件实现， 但是响应速 度较慢， 只适用于那些光照强度变化比较缓慢的场合。 在稳态情况下， 会导致光伏电池的实 际工作点在最大功率点附近小幅振荡， 因此会造成一定的功率损失， 当然针对这些问题提 出了一些变步长的改进 P&O 算法， 一定程度上弥补其不足。增量电导法可使光伏电池输出 电压能以平稳的方式追随光照强度的变化， 而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小， 因此 控制精度较高。但增量电导法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点。根据光伏电池 的单峰函数特性， 极值寻优控制法通过调制、 解调等能自适应的搜索到最大功率点。 随着智 能控制的发展， 模糊控制， 神经网络思想也逐步应用在光伏系统的 MPPT 技术上， 取得了较 好的效果。 0004 极值寻优控制是针对设定值无法事先确定， 控制目标需要选择合适的设定值， 从 而使某个性能指标取得极值， 这类特殊的控制问题而提出的一种控制方法。 由于光照强度、 环境温度的影响， 最佳直流电压是未知和不断变化的， 而最佳的直流电压设定值对应着最 高的光伏电池效率。从这个角度看， 直流电压设定值的寻优问题是典型的极值寻优控制问 题。 发明内容 0005 为克服已有技术的不足， 本发明的目的在于提供一种无需额外引入扰动信号、 动 态性能能够符合要求的新型的单相单级光伏逆变器 MPPT 控制算法， 其包括 ： 0006 S101、 采样光伏电池的输出电流和输出电压， 并计算出光伏电池的输出功率 ； 0007 S102、 通过高通滤波将所述输出电压和所述输出功率的直流分量分别滤除， 以得 说 明 书 CN 102684537 A 3 2/8 页 4 到所述输出电压的交流分量和所述输出功率的交流分量 ； 0008 S103、 将所述输出电压的交流分量作为极值寻优控制的扰动量 ； 0009 S104、 将所述扰动量与所述输出功率的交流分量相乘， 之后经过低通滤波和积分 得到光伏电池的最大功率输出点的估计的工作电压 ； 以及 0010 S105、 将所述扰动量再叠加于所述估计的工作电压上， 然后返回到步骤 S101 反复 进行， 以保证光伏电池始终在最大功率输出点附近工作。 0011 其中， 在步骤 S104 中， 所述扰动信号与所述输出功率的交流分量的乘积经过低通 滤波和积分后， 进一步经过补偿控制以加快收敛速度。 0012 根据本发明的一个实施例， 所述补偿控制为比例控制， 其中比例系数根据系统动 态性能要求进行整定。 0013 根据本发明的一个实施例， 所述比例系数为 9.5。 0014 根据本发明的一个实施例， 所述高通滤波和所述低通滤波均采用二阶巴特沃斯滤 波。 0015 根据本发明的一个实施例， 低通滤波的截止频率为 10Hz， 高通滤波的截止频率为 50Hz。 0016 根据本发明的一个实施例， 所述交流分量是二次谐波分量。 0017 根据本发明的一个实施例， 所述二次谐波分量的频率为 100Hz， 幅度为所述工作电 压的 1 3。 0018 本发明与已有技术相比有以下优点 ： 1. 该 MPPT 算法利用极值寻优控制算法以周 期性信号为调制波的特点， 提取出直流电压中的纹波电压， 并以该纹波作为极值寻优控制 算法的扰动信号 ； 2. 充分利用单相单级逆变器的固有纹波， 无需额外注入扰动信号， 避免 了外加扰动信号对系统性能的影响 ； 3. 在极值寻优控制算法中增加一个控制自由度， 通过 该自由度提高算法的收敛速度， 进一步优化 MPPT 控制的稳态和动态性能 ； 4. 稳态情况下， 直流侧电压纹波主要为二次谐波， 谐波次数较低， 便于电流控制环节对该纹波的适应性控 制 ； 5. 优化补偿环节采用比例控制， 保证 MPPT 算法计算量小、 便于实现。 附图说明 0019 图 1 是光伏电池标准条件下的特性曲线 ； 0020 图 2 是单相单级光伏逆变器拓扑结构 ； 0021 图 3 是极值寻优控制算法的原理图 ； 0022 图 4 是根据本发明的一个实施例的单相单级光伏逆变器 MPPT 控制的原理框图 ； 0023 图 5 是图 4 所示原理框图的简化的框图 ； 0024 图 6 是根据图 4 所示的 MPPT 控制的方法步骤图 ； 0025 图 7 是根据本发明的一个实施例在仿真环境下观察到的直流侧纹波电压现象 ； 0026 图 8 10 是根据本发明的一个实施例在不同初始条件下进行仿真的参考电压变 化曲线图 ； 0027 图 11 是根据本发明的一个实施例在不同初始条件下进行仿真的输出功率的曲线 图。 说 明 书 CN 102684537 A 4 3/8 页 5 具体实施方式 0028 以下结合附图作详述， 但不作为本发明的限定。 0029 （1） 光伏电池特性曲线 0030 在不同光照强度和环境温度下， 光伏电池的输出电流 - 电压呈现非线性特征， 其 电流 - 电压特性方程为 0031 0032 式中， UPV、 IPV分别为光伏电池阵列的输出电压和电流， Iph 为光生电流， Io 为二极 管饱和电流， q 为电荷量， A 为二极管因子， k 为波尔兹曼常数， T 为光伏电池温度。 0033 根据式 (1)， 光伏电池阵列的电流 - 电压 (I-V)、 功率 - 电压 (P-V) 特性曲线如附 图图 1 所示。 0034 从图1可见， 光伏电池阵列在无遮挡的情况下P-V特性为单峰曲线， 在某一特定电 压值时， 其功率输出达到最大值。因此， 为提高光伏系统的效率， 需要使其始终工作在最大 功率点附近， 即采用 MPPT 控制。 0035 （2） 单相单级光伏逆变器拓扑结构及其直流侧纹波电压 0036 单相单级光伏逆变器由直流侧储能电容 C、 单相电压型逆变桥和输出滤波器组成， 其拓扑结构如图 2 所示。图中， 4 个 IGBT 构成了电压型逆变桥， 电感 Lf1、 Lf2、 电容 Cf和电阻 Rc构成输出滤波器， R1为等效负载。 0037 设光伏逆变器交流侧电压的表达式为 vg=vmsint， 其中 vm为电压峰值， 为角频 率 ； 交流侧电流的表达式为 ig=imsint， 其中 im为电流峰值。则光伏系统的输出功率 p 为 0038 0039 由式 (2) 可以看出， 光伏系统的输出功率由直流分量和二次谐波分量两部分组 成。 在稳态条件下， 功率的直流分量由光伏电池来提供， 而二次谐波分量由并联在光伏电池 上的电容来提供， 因此电容充放电过程会在电容上形成一个近似二次谐波电压， 该谐波电 压的幅值为 0040 0041 式中， C 为并联在光伏电池侧的电容值。一般， 纹波幅值取为额定电压值的 1% 3% 之间。 0042 本发明正是以电容电压上频率为2倍基波频率、 幅值为Uc的纹波电压作为MPPT 算法的扰动信号。 0043 （3） 极值寻优控制算法的原理 0044 极值寻优控制实质上是一个调制过程， 即在待寻优的目标值上叠加一个幅值较小 的、 周期变化的激励信号， 使得被控对象输出或某个性能指标发生变化， 再通过高通滤波器 和解调过程不断对性能指标相对目标值变化的导数进行估计， 并利用梯度法获得局部最优 解。 0045 极值寻优控制算法原理如图 3 所示。图中， f(t,u) 为功能函数，为外 部扰动信号， LPF 和 HPF 分别为低通滤波器和高通滤波器。若功能函数 f(t,u) 的时变速度 说 明 书 CN 102684537 A 5 4/8 页 6 远小于外部扰动的变化率， 则图 3 能够实现对梯度的优化估计。 0046 极值寻优控制算法的一个关键点是解调过程如何提取有用信息并最终寻优控制 到最优值。设扰动量和解调信号是同频率的正弦信号， 其表达式为 0047 0048 式中， a、 b 分别是扰动量和的幅值， n是扰动量的角频率， 是两信号 之间的相位差。 0049 考虑到 f(t,u) 的变化频率远小于纹波的频率， 所以 f(t,u) 可以用 f(u) 来表 示。 设在某一时刻函数f(u)在u*点存在极大值， 把在最优值u*处进行二阶泰勒展 开来近似， 可得到 0050 0051 f () 表示 f(u) 对 u 的二阶导数， 通过 HPF 可以得到其高频分量， 同时忽略扰动 分量的平方项， 可以得到 0052 0053 乘以扰动量后， 同时经过低通滤波器以后， 得 0054 0055 加上积分环节以后， 得 0056 0057 解微分方程， 得 0058 0059 式中， 为常数。若 f(u) 存在极大值， 则其二阶导数小于零， 且最终得到 即估计值等于最优值。 0060 （4） 基于系统固有纹波的 MPPT 方法 0061 单相单级光伏逆变器由于输出功率包含二次谐波成分， 导致直流电容上存在以二 次谐波为主要成分的纹波电压， 因此可以利用纹波电压对光伏逆变器的影响， 通过极值寻 优控制算法使光伏电池始终工作在最大功率输出点附近。 0062 由于以电容纹波电压为扰动信号和调制信号的极值寻优控制算法收敛速度较慢， 本文在极值寻优控制算法中增加一个控制自由度， 即在极值寻优控制算法中引入补偿控制 器， 以提高极值寻优控制算法的收敛速度。 0063 基于极值寻优控制的 MPPT 方法原理如图 4 所示。图中， 极值寻优控制算法的功能 函数 f(t,u) 对应于光伏电池的电压 - 电流函数， 即图 1 中的 I-V 曲线， 其输出值为光伏电 池输出电流Ipv； K(s)为优化极值寻优控制算法性能的补偿器传递函数 ； F1(s)和F2(s)分别 为电流和电压采样电路的等效传递函数。 0064 图4中功能函数f(t,u)为光伏电池I-V曲线， 设和分别表示光伏电池输出 功率 Ppv和输出电压 Vpv的交流分量， 从图 1 中 P-V 曲线上可以看出， 有 说 明 书 CN 102684537 A 6 5/8 页 7 为了避免计算光伏电池的瞬时量和时引入额外干扰， 对交流分量取平均值， 处理得 到 ： 0065 0066 式中， T 为积分周期。由式 (10)， 可以得到 ： 0067 0068 由于稳态时二次纹波电压的幅值由 Uc确定， 而频率为电网频率的两倍， 所以当积分周期足够长时 （远大于二次纹波的周期） ，为常数， 所以与 存在一定的比例关系， 而反映了实际工作电压与最大功率输出点电压 之间的关系， 因此也可以近似表示实际工作电压与最大功率输出点电压之间 的关系。 也就是说在较长的时间段内 （相对于二次纹波周期） ，能说明实际工作 点在最大功率输出点电压的左侧还是右侧， 以及离最大功率输出点电压的远近程度。 0069 根据以上分析， 如图 4 所示的 MPPT 方法中， 通过 F1(s) 和 F2(s) 得到光伏电池输出 电流和电压采样信号后， 计算出光伏电池输出功率 Ppv； 采用高通滤波器滤除直流分量， 可 以分别得到输出电压 Vpv的交流分量和输出功率 Ppv的交流分量电压交流分量 一方面作为扰动信号， 同时也作为解调信号， 即 ：直流侧电容上的纹波电压将 导致光伏电池的输出功率发生了扰动， 而经过解调以后能够反映实际电压工作点的位 置， 这样再经过低通滤波器后就能够得到光伏电池的最佳工作点电压的估计值 ； 为了兼顾 系统的复杂性和控制效果， 本文中补偿器 K(s) 选择比例控制。 0070 （5） MPPT 算法稳定性分析及优化设计 0071 一般地， 电流及电压采样电路采用相同的低通滤波电路， 滤除采样信号中的高 频噪声， 同时应该保证信号中的二次谐波成分能顺利通过， 本发明采用二阶巴特沃斯 （Butterworth） 滤波器来消除噪声， 转折频率设置大于 10 倍此谐波频率。因此能够保证二 次谐波信号顺利通过， 同时对二次谐波的相位影响很小， 因此可以忽略， 简化以后 MPPT 方 法的模型如图 5 所示。 0072 图中 G2表示低通滤波器、 积分器和补偿器 K(s) 合并在一起的传递函数， G1表示高 通滤波器。 0073 从图 5 的原理框图来看， 可以根据平均模型的概念来推导得出估计值 的闭环传 递函数 （估计值的变化频率应远小于二次谐波的频率） ： 0074 0075 将光伏电池的输出功率函数在最大功率输出点电压处进行二阶泰勒展开， 忽略高 说 明 书 CN 102684537 A 7 6/8 页 8 次项， 则可以近似得到 ： 0076 0077 式中， Q 为最大功率输出点电压处功率曲线的二阶导数。 0078 将式 (13) 应用到式 （12） ， 得到 ： 0079 0080 0081 0082 G1是高通滤波器， 消除直流分量， 设在二次谐波角频率附近的幅值增益定义为 g1， 则上式可以简化为 ： 0083 0084 按照平均模型的概念， 我们定义 ： 0085 0086 0087 将 （16） 和 （17） 代入到 （15） 式， 可以得到 0088 0089 从 （18） 式可以得出闭环系统的特征方程为 0090 1-G2g1Qr2 0 （19） 0091 本发明使用的高通滤波器为二阶巴特沃斯 （Butterworth） 滤波器， 其等效传递函 数 G1(s) 为 0092 0093 其截止频率为 50Hz。在 100HZ 附近， G1(s) 的幅值增益为 0.97， 相角为 43.31 度， 低频段以 -40db 的速度衰减。 0094 在本发明提出的 MPPT 方法中， 扰动量和解调信号是幅值相同 （忽略高通 滤波器 G1(s) 对扰动信号幅值的衰减） 、 频率相同的交流信号， 将式 (4) 带入式 (17)， 有 0095 0096 0097 0098 根据图 4 所示， 扰动量和解调信号的相角差为高通滤波器的相位滞后， 即43.31； 扰动量和解调信号的幅值a为直流电容纹波电压的幅值， 由Uc 确定， 本例取纹波幅值约为直流分量的 3% 左右， 纹波幅值在最大输出功率时约为 1V。 0099 最大功率输出点电压处功率曲线的二阶导数 Q 为 说 明 书 CN 102684537 A 8 7/8 页 9 0100 0101 根据图 1 所示， 在最大功率输出点电压处的二阶导数近似为一个常数。 0102 本发明所用光伏电池的最大功率点处的电压约为 30V， 最大功率约为 180V， 则斜 率为 1/6， 取最大电压处的宽度 1.6V， 则最大功率输出点电压处的二阶导数约为 1/4.8。 0103 图 4 中， 低通滤波器采用 MATLAB 来辅助设计， 采用二阶巴特沃斯 （Butterworth） 滤波器， 二次谐波的频率为 100HZ， 取低通滤波器的截止频率为 10HZ（远小于谐波频率） ， 用 MATLAB 自带的 Butter 函数可以直接得出低通滤波器的传递函数为 0104 0105 由于 k(s) 控制器的传递函数为一比例系数 kp， 根据 （18） 式可得闭环系统的特征 方程为 ： 0106 0107 可见闭环系统是一个三阶系统， 按照工程上整定方法可近似为二阶系统， 然后按 照二阶系统最佳性能来整定。 0108 图 6 显示了基于图 4 所示的原理框图进行光伏电池的 MPPT 控制的方法步骤图。 0109 在步骤 S101 中， 采样光伏电池的输出电流和输出电压， 并计算出光伏电池的输出 功率。接下来， 在步骤 S102 中， 通过高通滤波将所述输出电压和所述输出功率的直流分量 分别滤除， 以得到所述输出电压的交流分量和所述输出功率的交流分量。 然后， 在步骤S103 中， 将所述输出电压的交流分量作为极值寻优控制的扰动量。 接着处理进行到步骤S104， 在 该步骤中将所述扰动量与所述输出功率的交流分量相乘， 之后经过低通滤波和积分得到光 伏电池的最大功率输出点的估计的工作电压。最后， 在步骤 S105 中， 将所述扰动量再叠加 于所述估计的工作电压上， 然后处理返回到步骤 S101 反复进行， 从而保证光伏电池始终在 最大功率输出点附近工作。 0110 此外， 为了加快极值优化控制的收敛速度， 可以在步骤 S104 中， 在所述扰动信号 与所述输出功率的交流分量的乘积经过低通滤波和积分后， 进一步经过补偿控制。为简化 操作， 本实施例对于该补偿控制采用比例控制， 其中比例控制系数根据系统动态性能进行 整定。根据仿真结果， 优选比例控制系数为 9.5。 0111 （5） 实验结果 0112 为了进一步验证本发明所提 MPPT 方法的性能和效果， 在实验环境下搭建了单相 单级光伏发电系统试验平台。该试验平台的光伏电池部分由两块 100W 的光伏电池并联组 成， 光伏电池的开路电压在天气晴好的情况下在 36-38V 之间， 短路电流在 4-6A 之间， 最大 功率输出点电压大致在 29-30V 并且会随温度的变化而变化， 在阳光很强烈的情况， 实际最 大输出功率在 140-150 之间 ； 单相单级逆变器拓扑结构如图 2 所示， 逆变器控制系统采用 DSP+CPLD 结构， DSP 芯片采用 TI 公司的 32 位定点 TMS320F2812， CPLD 采用 ALTERA 公司的 可编程芯片 EPM7256AETC144 ； 光伏系统的控制频率为 10kHz。 0113 单相单级光伏逆变器的实验波形如图 7-11 所示。其中， 图 7-10 是 2011 年 11 月