基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法

摘要

本发明涉及基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法。本发明利用采样光伏并网微逆变器主开关管的峰值电流以及峰值电流之和，将其与上一个最大峰值电流比较与之和比较大小，从而实现了光伏组件的最大功率点跟踪。本发明克服了过去方法存在的不仅算法复杂，程序运行效率低，最大功率点跟踪精度差，而且硬件成本较高等缺陷。本发明仅通过采样开关管中峰值电流的大小，来判断光伏组件是否实现最大功率点的跟踪，省去光伏组件电压的采样环节，不需要硬件或通过软件滤波环节得到光伏组件的平均输入电流，降低硬件成本，执行效率高，可节省数字控制芯片的资源，则可有效提高抗干扰能力，从而增强系统控制的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子与电工技术领域，特别涉及基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法。

背景技术

在光伏并网微逆变器中，为实现光伏组件的最大功率点跟踪控制，需要计算光伏组件的功率，通过比较所计算的功率是否达到最大值，来判断光伏组件是否已工作在最大功率点。

通常的计算方法是将光伏组件的输出电压和输出电流做乘法运算得到平均功率。为此需要采样光伏组件的输出电压和输出电流，传统的电压检测方法有差分采样、电阻分压采样、电压霍尔采样和线性光耦采样；而电流的采样主要有逆变器输入回路串电阻采样、电流互感器和电流霍尔采样。基于电压霍尔和电流霍尔的采样方法，成本较高。对于反激型并网微逆变器或推挽型高频链并网微逆变器，由于变换器的输入电流呈现峰值脉冲状，为得到它的平均电流往往需要硬件滤波和数字滤波相结合的方法，可知不仅成本较高、消耗程序资源，且易造成误差，从而导致最大功率点的跟踪精度较差。

在本发明作出之前，微芯的Demo板上通过电流互感器得到了反激型微逆变器主开关管的峰值电流，在程序中将这个峰值电流与采样得到的光伏组件的输出电压相乘得到功率，进而在若干工频电网半周期内将这些功率值相加，并认为得到了可以表征光伏组件平均输出功率的线性数值，通过比较该数值的大小来判断光伏组件是否实现最大功率点的跟踪控制。其实这种计算方法存在严重错误，因为在固定的开关频率条件下，光伏组件平均输出功率与开关管中的峰值电流呈增函数关系，而与光伏组件的电压无关，更何况光伏组件的输出电压在跟踪过程中是实时变化的，一般来说，光伏组件输出的电流变大时，则光伏组件的电压呈下降趋势，故采用光伏组件的电压与开关管中峰值电流相乘的计算方法来判断功率的大小，具有较大的误差，即不可能实现组件最大功率的准确跟踪。

因而当前基于开关管中峰值电流与光伏组件电压相乘得到功率的最大功率点跟踪计算方法，不仅算法复杂，程序运行效率低，最大功率点跟踪精度差，而且硬件成本较高，这显然难以实现光伏并网微逆变器所要求的高性能、低成本。

发明内容

本发明目的在于克服上述缺陷，研制基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法。

本发明的技术方案是：

基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，其主要技术特征在于采样光伏并网微逆变器主开关管的峰值电流，并在一个工频电网半周期内将所采样的峰值电流进行大小比较，得到该工频电网半周期内的最大峰值电流；将所述的最大峰值电流与上一个工频电网半周期内得到的最大峰值电流比较大小，如果所述的最大峰值电流已是最大值，即后续工频电网半周期内的最大峰值电流也都比所述的最大峰值电流小，那么所述的最大峰值电流所对应的工况就是光伏组件的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。

本发明的另一技术方案是：

基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，其主要技术特征在于所述采样光伏并网微逆变器主开关管的峰值电流，并在一个工频电网半周期内将所采样的峰值电流做加法运算，从而得到峰值电流之和；将所述的峰值电流之和与上一个工频电网半周期内的峰值电流之和比较大小，若所述峰值电流之和达到最大值，即后续工频电网半周期内的峰值电流之和也都比所述峰值电流之和小，那么所述峰值电流之和所对应的工况就是光伏组件的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。

所述的工频电网半周期内的最大峰值电流，在于光伏并网微逆变器的平均输入功率是工频电网半周期内最大峰值电流的增函数，故可根据工频半周期内的最大峰值电流是否达到最大值，来判断光伏组件是否已实现最大功率点的跟踪，如果工频半周期内的最大峰值电流没有达到最大值，则可以通过扰动并网电流的给定值，直到工频半周期内的最大峰值电流稳定在最大值，从而实现光伏组件的最大功率点跟踪。

所述的工频电网半周期内的最大峰值电流和工频电网半周期内峰值电流之和，还在于一个工频电网半周期内得到的最大峰值电流是该工频电网半周期内峰值电流之和的增函数，因而光伏并网微逆变器的平均输入功率也是工频电网半周期内峰值电流之和的增函数，故可根据工频半周期内的峰值电流之和是否达到最大值，来判断光伏组件是否已实现最大功率点的跟踪。如果工频半周期内的最大峰值电流没有达到最大值，则可以通过扰动并网电流的给定值，直到工频半周期内的峰值电流之和稳定在最大值，从而实现光伏组件的最大功率点跟踪。

本发明光伏并网微逆变器最大功率点的快速算法，具有以下优点：仅通过采样开关管中峰值电流的大小，来判断光伏组件是否实现最大功率点的跟踪，可省去光伏组件电压的采样环节，且不需要硬件或通过软件滤波环节得到光伏组件的平均输入电流。因而可以降低光伏并网微型逆变器的硬件成本；判断光伏组件是否工作在最大功率点，只需要经过逻辑运算和加法运算，而不需要乘法运算，故程序的执行效率高，可节省数字控制芯片的资源。另外若通过工频电网周期内的峰值电流之和的方法，则可有效提高抗干扰能力，从而增强系统控制的稳定性。

本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。

本发明中涉及的术语：MPPT(Maximum Power Point Tracking)，最大功率点跟踪。

附图说明

图1——本发明原理说明示意图。

图2——本发明应用电路硬件构成示意图。

图3——本发明通过比较峰值电流最大值的大小实现MPPT的控制流程示意图。

图4——本发明通过比较峰值电流之和的大小实现MPPT的控制流程示意图。

图5——本发明中基于峰值电流之和算法实现最大功率点跟踪的实验波形示意图。

图中各标号表示对应的部件名称如下：

光伏并网微逆变器主开关1、电流采样传感器2、调理电路3、程序处理单元4。

图1中的符号名称：

图2中的符号名称：

图3中的符号名称：

图4中的符号名称：

具体实施方式

本发明的技术主要技术思路是：

针对当前光伏并网微逆变器实现最大功率点的算法复杂、跟踪精度不高、程序的执行效率低和成本较高现状，提出了基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法。

下面具体说明本发明。

如图1、图2所示，本发明的部件构成：

光伏并网微逆变器主开关1，电流采样传感器2，调理电路3，程序处理单元4。电流采样传感器2采样光伏并网微逆变器主开关1中的峰值电流i_s，送到调理电路3后再送到数字控制芯片的程序处理单元4，在半个工频电网周期内，光伏并网微逆变器主开关1按电流临界连续工作时，依次得到峰值电流I_{pk_i}(i＝1，2，…，N)。在程序处理单元4中，通过比较I_{pk_i}的大小可以得到最大峰值电流I_{pk_max}；通过对I_{pk_i}求和可以得到半个工频周期内的峰值电流之和I_{pk_Sum}。在图1中，I_{p_max}是最大峰值电流I_{pk_max}所在开关周期的平均电流；I_{p_i}(i＝1，2，…，N)是峰值电流I_{pk_i}所在开关周期的平均电流；I_{pk_sum}为半个工频电网周期内所有峰值电流I_{pk_i}之和。

本发明实现光伏并网微逆变器最大功率点的快速算法，采样光伏并网微逆变器主开关管的峰值电流i_s，若在一个工频电网半周期内采样次数是N次，则得到N个峰值电流采样值，即相应程序处理单元4中的I_{pk_i}，其中i＝1，2，…，N。并在一个工频电网半周期内将所采样的峰值电流I_{pk_i}进行大小比较，从而得到该工频电网半周期内的最大峰值电流I_{pk_max}，将所述的最大峰值电流I_{pk_max}与上一个工频电网半周期内得到的最大峰值电流比较大小，如果所述的最大峰值电流已是最大值，即后续工频电网半周期内的最大峰值电流也都比所述的最大峰值电流I_{pk_max}小，那么所述的最大峰值电流I_{pk_max}所对应的工况就是光伏组件的最大功率输出状态，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。

在一个工频电网半周期内将所采样的N个峰值电流I_{pk_i}做加法运算，从而得到峰值电流之和I_{pk_Sum}，然后通过比较这个峰值电流之和I_{pk_Sum}是否达到最大值，如果是最大值，则表明已实现了光伏组件的最大功率点跟踪，否则通过扰动并网电流的给定值，直到峰值电流之和达到最大值，最终实现最大功率点的跟踪。这一结论的具体推导过程如下：

在一个工频电网半周期内将所采样的N个峰值电流I_{pk_i}做加法运算，从而得到峰值电流之和I_{pk_Sum}，将所述的峰值电流之和I_{pk_Sum}与上一个工频电网半周期内的峰值电流之和进行大小比较，若所述峰值电流之和I_{pk_Sum}达到最大值，即后续工频电网半周期内的峰值电流之和也都比所述峰值电流之和小，那么所述峰值电流之和所对应的工况就是光伏组件的最大功率输出，即实现了光伏组件的最大功率点跟踪。

下面给出理论分析过程。如图1中的程序处理单元4所示：逆变器输出到电网的电流波形应是与电网电压同步的正弦波，显然在正弦波的波峰和波谷时输出电流达到最大，此时主开关管中流过的峰值电流将达到最大值I_{Pk_max}，在相应开关周期内的平均电流记作I_{p_max}。设光伏组件的输出电压为U_i，光伏组件的输出电流为I_i，则光伏组件的平均输出功率可以在一个工频电网半周期内计算得到，如公式(1)：

$>P_i=U_i·I_i=\frac{2}{\pi }·U_i·I_{p\_\max }---\left(1\right)$>

在一个开关周期T_S内，设开关管的导通时间为t_on，那么可以得到峰值电流I_{pk_max}和对应的开关周期内平均电流I_{p_max}的关系如式(2)：

$>\frac{1}{2}·t_{on}·I_{pk\_max}=I_{p\_max}·T_s---\left(2\right)$>

设电路中变压器原边的电感量为L_m，可得光伏组件的电压U_i与峰值电流I_{pk_max}的关系，见式(3)：

$>\frac{U_i}{L_m}·t_{on}=I_{pk\_\max }---\left(3\right)$>

将式(3)变形得到式(4)：

$>t_{on}=I_{pk\_max}·\frac{L_m}{U_i}---\left(4\right)$>

将式(1)变形得到式(5)：

$>I_{p\_max}=\frac{\pi ·I_i}{2}---\left(5\right)$>

将式(4)、(5)带入式(2)中得式(6)：

$>P_i=I_i·U_i=\frac{L_m·I_{pk\_max}^2}{\pi ·T_s}---\left(6\right)$>

忽略损耗，光伏组件的输出功率就是微逆变器的输入功率。从式(6)可以看出光伏组件的输出功率P_i与I²_{pk_max}成正比，且当I_{pk_i}＞0时，光伏组件的输出功率P_i是I_{pk_max}的单调增函数。基于以上分析，在最大功率跟踪控制时，可以通过判断I_{pk_max}是否达到最大值来实现最大功率点的跟踪。

具体结合图3说明，图3是基于峰值电流最大值判断的扰动法MPPT控制流程。I_gref是并网电流幅值的给定值，其初始值在初始化程序中给出，ΔI_g为并网电流幅值的扰动步长。程序中以工频电网半周期的整数倍时间来调用扰动法MPPT子程序，将当前并网电流幅值给定值I_gref(k)所对应的工频电网半周期峰值电流最大值I_{pk_max}(k)与上一个峰值电流最大值I_{pk_max}(k-1)比较大小，若当前峰值电流最大值I_{pk_max}(k)大于I_{pk_max}(k-1)，根据上述分析知道，此时光伏组件的输出功率增大，故相应的I_gref应继续按同样的方向进行扰动，即若I_gref(k)大于I_gref(k-1)，则当前并网电流的幅值给定应修正为I_gref(k)＝I_gref(k)+ΔI_g，否则应为I_gref(k)＝I_gref(k)-ΔI_g。若当前峰值电流最大值I_{pk_max}(k)小于I_{pk_max}(k-1)，根据上述分析知道，此时光伏组件的输出功率减少，故相应的I_gref应按相反的方向进行扰动，即若I_gref(k)大于I_gref(k-1)，则当前并网电流的幅值给定应修正为I_gref(k)＝I_gref(k)-ΔI_g，否则应为I_gref(k)＝I_gref(k)+ΔI_g。当I_{pk_max}(k)与I_{pk_max}(k-1)近似相等时，则表明光伏组件已工作在最大功率点，相应的I_gref则为最大功率点时的并网电流基准。图3给出了以扰动并网电流幅值与本发明中所述的峰值电流最大值判断最大功率点方法相结合的一种扰动法MPPT跟踪控制流程。若以扰动光伏组件的电压与本发明相结合，效果也是一样。

根据上述分析，基于峰值电流最大值I_{pk_max}的最大功率点快速算法，包含两个层次的逻辑大小判断，首先是在工频电网半周期内对峰值电流I_{pk_i}进行N次峰值电流大小的比较，得到该工频电网半周期内的峰值电流最大值I_{pk_max}，然后是将不同工频电网半周期内的峰值电流最大值进行逻辑大小的比较，从而判断是否已实现最大功率点的跟踪。

考虑到实际应用过程，所采样的峰值电流难免受到高频开关切换的干扰而出现的采样误差，这就会导致最大功率点判断的错误。针对干扰的存在，在数字控制中经常使用平均滤波的方法。本发明中将一个工频电网半周期内的N个峰值电流I_{pk_i}取和，即通过加法运算得到工频电网半周期内的峰值电流之和I_{pk_Sum}，如式(7)。

$>I_{pk\_sum}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_{pk\_i}=k·I_{pk\_\max }---\left(7\right)$>

式中，I_{pk_i}是工频电网半周期内开关管在每个开关周期中的峰值电流，N是工频电网半周期内峰值电流的采样次数，k为常数。

由式(7)可以看出，当I_{pk_i}＞0时，逆变器的工频电网半周期内峰值电流之和I_{pk_sum}是该工频电网半周期内峰值电流最大值I_{pk_max}的单调增函数。由于单调增函数的反函数也是单调增函数，所以相同工频电网半周期内的I_{pk_max}也是I_{pk_sum}的单调增函数。结合式(6)得到的结论，可以知道，当I_{pk_i}＞0时，光伏组件输出功率P_i是工频电网半周期内峰值电流之和I_{pk_sum}的单调增函数。故光伏组件的最大功率点可以采用工频电网半周期内峰值电流之和I_{pk_sum}的大小来判断，即可将不同工频电网半周期内的峰值电流之和进行比较，若当某个工频电网半周期内的峰值电流之和出现最大值，则该工频电网半周期所对应的光伏组件电压给定值或并网电流给定值所对应的工况就已实现最大功率点的跟踪控制。否则就对光伏组件的电压给定值或并网电流的给定值进行扰动，直至工频电网半周期内的峰值电流之和出现最大值。

提出的基于峰值电流之和I_{pk_sum}的最大功率点快速算法实现MPPT跟踪控制，具体结合图4说明。图4是基于峰值电流之和判断的扰动法MPPT控制流程。I_gref是并网电流幅值的给定值，其初始值在初始化程序中给出，ΔI_g为并网电流幅值的扰动步长。程序中以工频电网半周期的整数倍时间来调用扰动法MPPT子程序，将当前并网电流幅值给定值I_gref(k)所对应的工频电网半周期峰值电流之和I_{pk_sum}(k)与上一个峰值电流最大值I_{pk_sum}(k-1)比较大小，若当前峰值电流之和I_{pk_sum}(k)大于I_{pk_sum}(k-1)，根据上述分析知道，此时光伏组件的输出功率增大，故相应的I_gref应继续按同样的方向进行扰动，即若I_gref(k)大于I_gref(k-1)，则当前并网电流的幅值给定应修正为I_gref(k)＝I_gref(k)+ΔI_g，否则应为I_gref(k)＝I_gref(k)-ΔI_g。若当前峰值电流之和I_{pk_sum}(k)小于I_{pk_sum}(k-1)，根据上述分析知道，此时光伏组件的输出功率减少，故相应的I_gref应按相反的方向进行扰动，即若I_gref(k)大于I_gref(k-1)，则当前并网电流的幅值给定应修正为I_gref(k)＝I_gref(k)-ΔI_g，否则应为I_gref(k)＝I_gref(k)+ΔI_g。当I_{pk_max}(k)与I_{pk_max}(k-1)近似相等时，则表明光伏组件已工作在最大功率点，相应的I_gref则为最大功率点时的并网电流基准。图4给出了以扰动并网电流幅值与本发明中所述的峰值电流之和判断最大功率点方法相结合的一种扰动法MPPT跟踪控制流程。若以扰动光伏组件的电压与本发明相结合，效果也是一样。

本发明提出的基于峰值电流之和I_{pk_sum}的最大功率点快速算法，实现最大功率点的判断主要包括两个层次。第一是求出工频电网半周期内的峰值电流之和，然后是将不同工频电网半周期内的峰值电流之和进行大小的逻辑比较。这种方法涉及加法运算，和逻辑比较，故程序运行速度快，执行效率高。和基于峰值电流最大值I_{pk_max}的最大功率点快速算法相比，由于功率大小的判断由工频电网半周期内的峰值电流之和的大小比较决定，避免了开关干扰造成的影响，从而可有效的提高抗干扰能力，增强系统的稳定性。

由上分析可知：若采用本发明所提出的基于峰值电流的最大功率点快速算法，与并网电流幅值扰动法实现最大功率跟踪控制，无需采样光伏组件的电压U_i，且不需要输入电压U_i与输入电流I_i相乘得到具体的功率P_i，就可以得到最大功率点。故本发明中提出的基于峰值电流最大值I_{pk_max}的最大功率点快速算法，能提高最大功率点算法的速度和执行效率，节省程序的资源；同时可以省去输入电压的采样环节，从而降低成本。

从上述分析可知：通过调节并网电流幅值的给定I_gref的大小，或调节光伏组件的电压给定值，通过适当的控制后，若工频电网半周期内的峰值电流最大值或峰值电流之和处于最大值，就表明光伏组件已工作在最大功率点。

本发明的一个具体实施例子如下：

将本发明基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法应用在245W的反激型光伏并网微逆变器中，如图2所示：光伏组件的输入电压范围：U_i＝22V～50V，额定电网电压v_g＝180～265V，额定电网频率50Hz/60Hz，电网频率范围47-51.5/57～60.5Hz。反激电路的中的主MOS管采用英飞凌190N15NS，反激变压器副边续流二极管的型号为Cree公司的C4D02120A，电流传感器采用EPCOS公司的B82801B305A125，运算放大器采用微芯的MCP6022-I，控制芯片采用飞思卡尔的单片机MK10DX64VLF5。

反激型微逆变器主开关管Q₁中的电流i_s由电流传感器TR₂采样，匝比是100∶1，传感器的副边采样电阻R₁将采样电流变成电流采样信号，送到电流调理电路，调理电路中的运放MCP6022-I将电流采样信号变换成单片机所能接受的信号，送单片机中程序处理单元进行处理。在单片机的程序处理单元中，通过简单的加法运算得到工频电网半周期内的峰值电流之和I_{pk_sum}，然后采用如图4的扰动法MPPT控制，通过比较工频电网半周期内的大小，找到了相应的并网电流给定值I_gref，并网电流环采用PI控制，从而实现了实施例的最大功率点跟踪，图5所示为最大功率跟踪的实验波形，MPPT跟踪精度达0.99。可见本发明提出的方法是有效的。

实施例未采用传统的功率计算和功率比较得到最大功率点的跟踪控制方法，也没有采样光伏组件的输入电压，只是采用了峰值电流求和的加法运算，并采用峰值电流大小比较的逻辑算法，故相应程序运算单元的运算速度较快且执行效率较高；实施例的并网微逆变器由于省去了光伏组件的电压采样电路，成本较低。发明的基于峰值电流最大功率点快速算法不仅适用于反激型并网微型逆变器，推挽型高频链并网微型逆变器，而且适用于所有峰值电流控制的微逆变器电路拓扑。

从以上的描述可知，发明的基于峰值电流的光伏并网微逆变器最大功率点快速算法，具有以下优点：

(1)不需要电压采样电路，降低了成本；

(2)发明的快速算法节约了数字控制芯片的资源，提高了算法的速度，提高了程序的执行效率；

(3)发明的快速算法应用广泛，不仅仅局限于光伏并网微逆变器，还可用在光伏离网逆变器；

(4)在中小功率的风力发电中也可以利用这一快速算法实现最大功率点的跟踪。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。