CN109787289B - 功率变换系统、光伏优化器及功率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种功率变换系统、光伏优化器及功率跟踪方法，所述光伏发电系统包括逆变器和串联连接在所述逆变器输入端口之间的多个光伏优化器，本发明实施例通过跟踪所述光伏优化器的输入电压和/或所述逆变器的输入电压以跟踪系统的最大功率点，由此，可以使得光伏优化器和逆变器协同工作以实现对所述光伏发电系统的最大功率点的有效识别和跟踪，从而实现在光伏组件存在局部阴影时提高光伏发电系统的输出功率。

Description

功率变换系统、光伏优化器及功率跟踪方法

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，更具体地，涉及一种功率变换系统、光伏优化器及功率跟踪方法。

背景技术

由于单个光伏组件的输出电压很低，因此在实际应用中通常将多个光伏组件进行串并联后以提高光伏发电系统的输出电压和输出功率。当光照和温度均一样时，光伏发电系统的输出功率只有一个峰值点，可以通过扰动观察法和导纳增量法来实现最大功率点的跟踪。但是，当部分光伏组件遇到障碍物遮挡导致的局部阴影时，各个光伏组件的输出特性不再一致，处于局部阴影的光伏组件会使整体光伏电池的输出功率严重下降，因此如何有效识别和跟踪最大功率点是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此,本发明实施例提供一种功率变换系统、光伏优化器及功率跟踪方法，以实现对光伏发电系统的最大功率点的有效识别和跟踪，从而实现在光伏组件存在局部阴影时提高光伏发电系统的输出功率。

第一方面，本发明实施例提供一种用于光伏发电的功率变换系统，包括：

逆变器；以及，

至少一个光伏优化器，所述光伏优化器的输入端耦接至光伏组件的输出端，输出端串联连接在所述逆变器的输入端口之间，并工作在第一模式和第二模式；

其中，在第一模式下，所述光伏优化器工作在直通模式跟踪所述逆变器的输入电压，所述逆变器调节所述逆变器的输入电压以跟踪系统的最大功率点；

在第二模式下，所述光伏优化器工作在开关模式跟踪所述光伏组件的输出电压以跟踪所述系统的最大功率点。

进一步地，所述光伏优化器还工作在第三模式，在第三模式下，所述光伏优化器工作在限压模式以将所述光伏优化器的输出电压限制在最大电压预设值，所述逆变器通过调节所述光伏优化器的输出功率以跟踪所述系统的最大功率点。

进一步地，所述光伏优化器被配置为根据所述光伏优化器的输入电压、输出电压和输出电流的变化调节与所述光伏优化器的输入电压对应的输入电压参考信号以跟踪所述系统的最大功率点。

进一步地，在所述第一模式下，所述光伏优化器被配置为根据所述光伏优化器的输出电压的变化调节所述输入电压参考信号，在所述第二模式下，所述光伏优化器被配置为根据所述光伏优化器的输入电压的变化调节所述输入电压参考信号。

进一步地，在所述第一模式下，所述光伏优化器被配置为根据所述逆变器的工作点与所述光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小所述输入电压参考信号。

进一步地，在所述第二模式下，所述光伏优化器被配置为根据所述光伏优化器的工作点与所述光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小所述输入电压参考信号。

进一步地，所述光伏优化器被配置为在所述第一模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率增大，根据所述光伏优化器在当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。

进一步地，所述光伏优化器被配置为在所述第一模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率增大，调节下一周期的输入电压参考信号为所述光伏优化器在当前周期的输出电压减去预定步长。

进一步地，所述光伏优化器被配置为在所述第一模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率不增大，保持工作在所述第一模式或者切换至所述第二模式。

进一步地，所述光伏优化器被配置为在所述第二模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率不增大且所述光伏优化器的输入电压增大，减小所述输入电压参考信号，响应于所述光伏优化器的输出功率不增大且所述光伏优化器的输入电压减小，增大所述输入电压参考信号，响应于所述光伏优化器的输出功率增大且所述光伏优化器的输入电压增大，增大所述输入电压参考信号，响应于所述光伏优化器的输出功率增大且所述光伏优化器的输入电压减小，减小所述输入电压参考信号。

进一步地，所述光伏优化器被配置为在第三模式下，根据所述光伏优化器在当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。

进一步地，所述光伏优化器被配置为所述光伏优化器对应的占空比为1时，工作在第一模式，在所述光伏优化器对应的占空比小于1时，工作在第二模式，在所述光伏优化器的输出电压不小于最大电压预设值时，工作在第三模式。

进一步地，所述光伏优化器包括：

功率变换器，被配置为对所述光伏组件的输出进行功率变换；以及

控制电路，被配置为根据所述光伏优化器的输入电压，输出电压和输出电流的变化，调节与所述光伏优化器的输入电压相对应的输入电压参考信号。

第二方面，本发明实施例提供一种光伏优化器，应用于光伏发电系统，所述光伏发电系统包括至少一个光伏优化器和逆变器，所述光伏优化器工作在第一模式和第二模式，所述光伏优化器包括：

功率变换器，被配置为对所述光伏组件的输出进行功率变换；以及

控制电路，被配置为在第一模式下，控制所述功率变换器工作在直通模式跟踪所述逆变器的输入电压，其中，所述逆变器调节所述逆变器的输入电压以跟踪所述系统的最大功率点；

所述控制电路还被配置为在第二模式下，控制所述功率变换器工作在开关模式以跟踪所述光伏优化器的输入电压以跟踪所述系统的最大功率点。

进一步地，所述光伏优化器工作在第三模式，所述控制电路在所述第三模式控制所述功率变换器工作在限压模式，其中，所述逆变器通过调节所述光伏优化器的输出功率以跟踪所述系统的最大功率点。

第三方面，本发明实施例提供一种用于光伏发电系统的功率跟踪方法，所述光伏发电系统包括逆变器和串联连接在所述逆变器输入端口之间的多个光伏优化器，所述方法包括：

根据所述光伏优化器的输入电压，输出电压和输出电流的变化，调节与所述输入电压相对应的输入电压参考信号，以跟踪所述系统的最大功率点；

其中，所述光伏优化器工作在第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述光伏优化器根据所述光伏优化器的输出电压的变化调节所述输入电压参考信号，在所述第二模式下，所述光伏优化器根据所述光伏优化器的输入电压的变化调节所述输入电压参考信号。

进一步地，所述光伏优化器工作在第三模式，在所述第三模式下，所述光伏优化器根据当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。

本发明实施例的技术方案通过跟踪光伏优化器的输入电压和/或逆变器的输入电压以跟踪系统的最大功率点，由此，可以使得光伏优化器和逆变器协同工作以实现对所述光伏发电系统的最大功率点的有效识别和跟踪，从而实现在光伏组件存在局部阴影时提高光伏发电系统的输出功率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的光伏发电系统的示意图；

图2是本实施例的用于光伏发电的功率变换系统的示意图；

图3-图6是本发明实施例的光伏发电系统的工作示意图；

图7是本发明实施例的功率跟踪方法的流程图；

图8是本发明实施例的一种实施方式的功率跟踪方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明实施例的光伏发电系统的示意图。如图1所示，本实施例的光伏发电系统1包括至少一个光伏组件11、至少一个光伏优化器12和逆变器13。光伏优化器12的输入端分别耦接至对应的光伏组件的输出端，光伏优化器12的输出端串联连接在逆变器13的输入端口之间。其中，光伏组件11和光伏优化器12被配置为将太阳能转化而来的直流电能输出至逆变器13。逆变器13被配置为将直流电能转换为交流电能输出至电网14。

为了有效识别光伏发电系统的最大功率点，本实施例的光伏优化器12工作在第一模式和第二模式下。在第一模式下，光伏优化器工作在直通模式跟踪逆变器13的输入电压，逆变器13调节其输入电压以跟踪光伏发电系统1的最大功率点。容易理解，逆变器13的输入电压为光伏优化器12的输出电压之和。在第二模式下，光伏优化器12工作在开关模式跟踪光伏组件11的输出电压以跟踪光伏发电系统1的最大功率点。容易理解，光伏组件11的输出电压为对应的光伏优化器12的输入电压。

在一种可选的实现方式中，光伏优化器12被配置为根据光伏优化器12的输入电压、输出电压和输出电流的变化调节与光伏优化器12的输入电压对应的输入电压参考信号，光伏优化器12接收更新后的输入电压参考信号以改变其最大功率点，从而追踪光伏发电系统的最大功率点。本示例中，光伏优化器12可以采取多种方式实现对输入电压参考信号的调节，比如获取输入电压参考信号的调节方向，如增大或减小；或者获取输入电压参考信号的目标电压，再将输入电压参考信号调节至所述目标电压。

在一种可选的实现方式中，第一模式下，光伏优化器12被配置为根据光伏优化器12的输出电压(也即逆变器13的输入电压)的变化调节输入电压参考信号。在第二模式，光伏优化器12被配置为根据光伏优化器的输入电压的变化调节输入电压参考信号。

在一种可选的实现方式中，光伏优化器12还工作在第三模式，在第三模式下，光伏优化器12工作在限压模式，逆变器31通过调节优化器的输出功率以跟踪光伏发电系统的最大功率点。

在本实施例中，光伏优化器12被配置为光伏优化器12对应的占空比为1时，工作在第一模式，在光伏优化器12对应的占空比小于1时，工作在第二模式，在光伏优化器12的输出电压不小于最大电压预设值时，工作在第三模式。

在一种可选的实现方式中，光伏优化器12被配置为在第一模式下，光伏优化器12被配置为根据逆变器13的工作点与光伏组件11的最大功率点的关系，增大或减小输入电压参考信号。可选的，响应于光伏优化器的输出功率增大，根据当前周期的光伏优化器12的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的光伏优化器12的输出电压减去一个预定步长，以追踪光伏发电系统的最大功率点。

进一步地，在本实施例中，在第一模式下，光伏优化器12被配置为响应于光伏优化器12的输出功率不增大，保持工作在第一模式或者切换至第二模式。

在一种可选的实现方式中，光伏优化器12被配置为在第二模式下，光伏优化器12被配置为根据光伏优化器12的工作点与光伏组件11的最大功率点的关系，增大或减小输入电压参考信号。可选的，当光伏优化器12的输出功率不增大且光伏优化器12的输入电压增大时，光伏优化器12的工作点在光伏组件11最大功率点的右侧，减小输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号减去第一步长。当光伏优化器12的输出功率不增大且光伏优化器12的输入电压减小时，光伏优化器12的工作点在光伏组件11最大功率点的左侧，增大输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号加上第二步长。当光伏优化器的输出功率增大且光伏优化器12的输入电压增大时，光伏优化器12的工作点工作在光伏组件11的最大功率点的左侧，增大输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号加上第二步长。当光伏优化器的输出功率增大且光伏优化器12的输入电压减小，光伏优化器12的工作点在光伏组件11最大功率点的右侧，减小输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号减去第一步长，以追踪光伏发电系统的最大功率点。应理解，第一步长和第二步长可以相等也可以不等，第一步长、第二步长可以为一个固定的预设值，也可以是一个变化值。

在一种可选的实现方式中，光伏优化器12被配置为在第三模式下，根据当前周期的光伏优化器12的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的光伏优化器12的输出电压减去一个预定步长，以追踪光伏发电系统的最大功率点。

本实施例通过跟踪光伏优化器的输入电压和/或逆变器的输入电压以跟踪系统的最大功率点，由此，可以使得光伏优化器和逆变器协同工作以实现对光伏发电系统的最大功率点的有效识别和跟踪，从而实现在光伏组件存在局部阴影时提高光伏发电系统的输出功率。

图2是本实施例的用于光伏发电的功率变换系统的示意图。如图2所示，本实施例的功率变换系统2包括逆变器13和光伏优化器12。其中，光伏优化器12包括功率变换器121和控制电路122。功率变换器121被配置为对光伏组件11的输出进行功率变换。本实施例的功率变换器121为降压型拓扑(Buck)，容易理解，功率变换器121也可以为升压型拓扑(Boost)或升降压型拓扑(buck-boost)等其他拓扑结构电路。

在本实施例中，控制电路122包括MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点追踪控制电路)122a、第一误差信号生成电路122b、第二误差生成电路122c、最小值检测电路122d、电压调节器122e、第三误差生成电路122f、电流调节器122g以及PWM生成电路122h。MPPT122a被配置为根据光伏优化器的输入电压Vin、输出电压Vo和输出电流Io的变化调节与输入电压Vin相对应的输入电压参考信号Vin_ref，以跟踪光伏发电系统的最大功率点。

其中，第一误差信号生成电路122b用于根据输入电压参考信号Vin_ref与用于表征输入电压Vin的输入电压反馈信号Vin_fb生成第一误差信号Vin_err。第二误差信号生成电路122c用于根据输出电压参考信号Vo_ref与用于表征输出电压Vo的输出电压反馈信号Vo_fb生成第二误差信号Vo_err。在一种可选的实现方式中，输出电压参考信号Vo_ref为最大电压预设值Vh。最小值检测电路122d被配置为比较第一误差信号Vin_err和第二误差信号Vo_err的大小，并获取两者的最小值输出至电压调节器122e中。电压调节器122e被配置为根据第一误差信号Vin_err和第二误差信号Vo_err中的最小值获取电流参考信号Vc。第三误差信号生成电路122f根据电流参考信号Vc和用于表征输出电流Io的输出电流反馈信号Io_fb输出第三误差信号Io_err，PWM生成电路122h根据电流调节器122g处理过的第三误差信号Io_err生成功率变换器121中的晶体管Q1和晶体管Q2的开关控制信号HG和LG，并输出开关控制信号HG的占空比至MPPT122a。由此，在本实施例中，可以通过光伏优化器12的输入电压环路来调节功率变换器121的占空比，也可以通过光伏优化器的输出电压环路来调节功率变换器121的占空比，从而追踪光伏发电系统的最大功率点。

在本实施例中，在输入电压参考信号Vin_ref低于光伏优化器12的输入电压Vin时，光伏优化器12的输入电压环路开环工作，使得功率变换器121中的晶体管Q1(也即主功率管)一直保持导通，也即功率变换器的占空比duty为1。在输入电压参考信号Vin_ref高于光伏优化器12的输入电压Vin时，光伏优化器12的输入电压环路闭环工作，使得功率变换器121中的晶体管Q1和晶体管Q2交替导通，也即功率变换器的占空比duty小于1。由此，在一种可选的实现方式中，MPPT122a通过检测功率变换器121中的晶体管Q1的占空比duty，以确定光伏优化器12的工作模式。

在晶体管Q1的占空比duty为1时，光伏优化器12工作在第一模式下，也即直通模式。在第一模式下，光伏优化器12跟踪逆变器13的输入电压(也即光伏优化器12的输出电压Vo)，逆变器13通过调节其输入电压以跟踪系统的最大功率点。此时，晶体管Q1在一直导通，光伏优化器12的输入电压和输出电压近似相等。在一种可选的实现方式中，在第一模式下，光伏优化器12被配置为根据逆变器13的输入电压(也即光伏优化器12的输出电压Vo)的变化调节输入电压参考信号Vin_ref，以追踪光伏发电系统的最大功率点。

在晶体管Q1的占空比duty小于1时，光伏优化器工作在第二模式下，也即开关模式。在第二模式下，光伏优化器12通过跟踪光伏组件11的输出电压(也即光伏优化器12的输入电压Vin)以跟踪光伏发电系统的最大功率点。也就是说，光伏优化器12被配置为根据光伏优化器12的输入电压Vin的变化调节输入电压参考信号Vin_ref，以追踪最大功率点。

在光伏优化器12的输出电压不小于最大电压预设值时，光伏优化器12工作在第三模式，在第三模式下，光伏优化器12工作在限压模式以将光伏优化器12的输出电压限制在最大输出电压预设值，逆变器13通过调节光伏优化器12的输出功率(例如抽取电流)以跟踪所述系统的最大功率点。

本实施例通过跟踪光伏优化器12的输入电压和/或逆变器13的输入电压以跟踪系统的最大功率点，由此，可以使得光伏优化器和逆变器协同工作以实现对光伏发电系统的最大功率点的有效识别和跟踪，从而实现在光伏组件存在局部阴影时提高光伏发电系统的输出功率。

光伏优化器12被配置为根据光伏优化器12的输入电压Vin、输出电压Vo和输出电流Io的变化调节与光伏优化器的输入电压Vin对应的输入电压参考信号Vin_ref。其中，在第一模式下，光伏优化器12被配置为根据逆变器13的工作点与光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小输入电压参考信号Vin_ref。可选的，在第一模式下，响应于光伏优化器12的输出功率增大，根据当前周期的光伏优化器12的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号Vin_ref。例如，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为光伏优化器12在当前周期的输出电压减去预定步长。由此，可以追踪光伏发电系统的最大功率点。

进一步地，在本实施例中，在第一模式下，光伏优化器12被配置为响应于光伏优化器12的输出功率不增大，保持工作在第一模式或者切换至第二模式。

在一种可选的实现方式中，在第二模式下，控制电路122被配置为响应于光伏优化器12的输出功率不增大且光伏优化器12的输入电压Vin增大，减小输入电压参考信号Vin_ref，例如调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref减去第一步长，响应于光伏优化器12的输出功率不增大且光伏优化器12的输入电压Vin减小，增大输入电压参考信号Vin_ref，例如调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref加上第二步长，响应于光伏优化器12的输出功率增大且光伏优化器12的输入电压Vin增大，增大输入电压参考信号Vin_ref，例如调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref加上第二步长，响应于光伏优化器12的输出功率增大且光伏优化器12的输入电压Vin减小，减小输入电压参考信号Vin_ref，例如调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref减去第一步长。也就是说，控制电路122被配置为根据光伏优化器12的输入电压Vin逐步调节电压参考信号Vin_ref的大小，以调节第一误差信号Vin_err，进而控制电路122根据第一误差信号Vin_err控制PWM生成电路122h调节功率变换器121的占空比以调节光伏优化器12的输出电压，从而调节光伏优化器12的输出功率，由此，可以追踪光伏发电系统的最大功率点。

在一种可选的实现方式中，在第三模式下，控制电路122被配置为根据光伏优化器12在当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为光伏优化器12在当前周期的输出电压Vo减去一个预定步长。具体地，在逆变器13未启动时，光伏组件11在开路状态，其输出电压高于最大电压预设值Vh值。也即此时，光伏优化器12的输入电压高于输入电压参考信号Vin_ref。此时，光伏优化器12的输出电压被限制至最大电压预设值Vh。控制电路122中的MPPT122a采集光伏优化器12的输出电压，并将下一周期的输入电压参考信号Vin_ref调节至光伏优化器12在当前周期的输出电压减去一个预定步长。在逆变器13启动后，逆变器13通过抽取电流以增大光伏优化器12的输出功率，直至光伏组件11的输出电压低于最大电压预设值Vh值。此时，光伏优化器12切换为第一模式(也即直通模式)。

图3-图6是本发明实施例的光伏发电系统的工作示意图。其中，图3为本发明实施例的光伏优化器工作在直通模式、其逆变器当前工作在最大功率点右侧的示意图。如图3所示，光伏组件的输出功率P随输出电压V的增大先增大后减小，输出电流在最大功率点Ph之前基本保持不变，在最大功率点Ph之后开始随输出电压增大而减小。

在光伏优化器的输入电压参考信号Vin_ref低于光伏优化器的输入电压Vin_o时，光伏优化器中的功率变换器的晶体管Q1(也即主功率管)将工作在长通的状态。本实施例可以通过检测光伏优化器的占空比判断光伏优化器的工作模式。

在光伏优化器中的功率变换器的晶体管Q1一直导通，即光伏优化器工作在直通模式，其占空比等于1，此时，光伏优化器的输出电压和输入电压非常接近。如图3所示，光伏优化器的输入侧工作点Vin_o1与输出侧工作点Vin_i1基本重合。此时，光伏优化器仅需保持输入电压环路开环工作，逆变器对光伏发电系统的最大功率点进行追踪。在逆变器工作在最大功率点Ph右侧时，逆变器减小其输入电压(也即光伏优化器的输出电压)，例如将输入电压由Vin_i1减小至Vin_i2，如果检测到光伏优化器的输出功率变大，则光伏优化器减小输入电压参考信号Vin_ref。在一种可选的实现方式中，将输入电压参考信号Vin_ref设置为：逆变器的输入电压减去第三步长，也即光伏优化器的输出电压减去第三步长，以保证光伏优化器的输入电压环路开环工作(也即保证输入电压参考信号Vin_ref低于光伏优化器的输入电压)。在逆变器的输入电压为Vin_i1时，下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为输入电压为Vin_i1减去第三步长，如图中输入电压参考信号Vin_ref1，在逆变器的输入电压为Vin_i2时，下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为输入电压Vin_i2减去第三步长，如图中输入电压参考信号Vin_ref2。当逆变器往功率变大的方向进行追踪时，光伏优化器始终跟踪逆变器的输入电压以调节输入电压参考信号Vin_ref，并将逆变器的输入电压(光伏优化器的输出电压)减去第三步长作为下一周期的输入电压参考信号。往复工作直到逆变器找到光伏组件的最大功率点Ph。

在通过逆变器找最大功率点时，可能会在最大功率点两侧来回工作。在本实施例中，在光伏优化器的输出功率不再增加时，例如逆变器输入电压的调节方向使得光伏优化器的输出功率变小，光伏优化器保持工作在第一模式或者切换至第二模式。若光伏优化器由第一模式跳变至第二模式，则可以根据光伏优化器的输入电压变化调节输入电压参考信号，具体工作方式可以参见图5和图6，若光伏优化器继续工作在第一模式，其输入电压环保持开环工作，当光伏优化器工作在最大功率点的右侧时，光伏优化器减小输入电压参考信号，当光伏优化器工作在最大功率点左侧时，光伏优化器增大输入电压参考信号。

图4为本发明实施例的光伏优化器工作在直通模式、其逆变器当前工作在最大功率点左侧的示意图。同理，在本实施例中，其工作原理与图3类似。光伏优化器工作在直通模式，其占空比等于1，此时，光伏优化器的输出电压和输入电压非常接近。如图4所示，光伏优化器的输入侧工作点Vin_o1与输出侧工作点Vin_i1基本重合。此时，光伏优化器仅需保持输入电压环路开环工作，逆变器对光伏发电系统的最大功率点进行追踪。在逆变器工作在最大功率点Ph左侧时，逆变器增大其输入电压(也即光伏优化器的输出电压)，例如将输入电压由Vin_i1增大至Vin_i2，如果检测到光伏优化器的输出功率变大，则光伏优化器增大输入电压参考信号Vin_ref。在一种可选的实现方式中，将输入电压参考信号Vin_ref设置为：逆变器的输入电压减去第三步长，也即光伏优化器的输出电压减去第三步长，保证光伏优化器的输入电压环开环工作。在逆变器的输入电压为Vin_i1时，下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为输入电压Vin_i1减去第三步长，如图中输入电压参考信号Vin_ref1。在逆变器的输入电压为Vin_i2时，下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为输入电压Vin_i2减去第三步长，如图中输入电压参考信号Vin_ref2。当逆变器往功率变大的方向进行追踪时，光伏优化器始终跟踪逆变器的输入电压以调节输入电压参考信号Vin_ref，并将逆变器的输入电压(光伏优化器的输出电压)减去第三步长作为下一周期的输入电压参考信号Vin_ref。往复工作直到逆变器找到光伏组件的最大功率点Ph。

图5是本发明实施例的光伏优化器工作在开关模式(第二模式)、光伏优化器当前工作在最大功率点右侧的示意图。在第二模式下，在光伏发电系统包括多个光伏组件时，如果一个优化器所连接的光伏组件受到遮挡，其输出功率减小，逆变器会跟踪其他未被遮挡的光伏组件，以维持固定的输入电流。也就是说，在本实施例中，与受遮挡的光伏组件连接的光伏优化器工作在开关模式，与未受遮挡的光伏组件连接的光伏优化器工作在直通模式。

在光伏组件受到遮挡时，光伏优化器的输入电压参考信号Vin_ref高于输入电压Vin_o，光伏优化器工作在开关模式，其占空比小于1。如图5所示的V-I曲线中，当光伏优化器的输入电压和输出电压相差较大，光伏优化器工作在开关模式跟踪系统的最大功率点，解除光伏优化器中的功率变换器的晶体管Q1的直通状态，光伏优化器的输出工作点Vin_i将在恒功率曲线上。此时若光伏优化器检测到光伏优化器的输出功率未变大，同时输入电压增大，或者光伏优化器的输出功率变大，同时输入电压减小，光伏优化器工作在最大功率点的右侧，将光伏优化器的输入电压参考信号Vin_ref向左侧扰动，也即逐步减小输入电压参考信号Vin_ref，例如将下一周期的输入电压参考信号Vin_ref设为当前周期的输入电压参考值信号Vin_ref减去第一步长。

图6是本发明实施例的光伏优化器工作在开关模式(第二模式)、光伏优化器当前工作在最大功率点左侧的示意图。同理，在本实施例中，其工作原理与图5类似。在光伏组件受到遮挡时，光伏优化器的输入电压参考信号Vin_ref高于输入电压Vin_o，光伏优化器工作在开关模式，其占空比小于1。如图6所示，由于逆变器的输入电流固定，则看到在V-I曲线上，光伏优化器输出侧工作点Vin_o水平右移。此时若光伏优化器检测到其输出功率变大，同时输入电压增大，或者输出功率未增大，同时输入电压减小，光伏优化器工作在最大功率点左侧，此时，可以将光伏优化器的输入电压参考信号Vin_ref向右侧扰动，也即逐步增大输入电压参考信号Vin_ref，例如将下一周期的输入电压参考信号Vin_ref设为当前周期的输入电压参考值信号Vin_ref加上第二步长。由此，在第二模式下，可以根据光伏优化器的工作点与光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小当前周期的输入电压参考信号Vin_ref，以基于新的输入电压参考信号Vin_ref调节电路，从而有效跟踪系统的最大功率点，提高系统的效率。

图7是本发明实施例的功率跟踪方法的流程图。其中，实施例的功率跟踪方法应用于光伏发电系统，光伏发电系统包括逆变器和串联连接在逆变器输入端口之间的多个光伏优化器。如图7所示，本实施例的功率跟踪方法包括以下步骤：

步骤S100，检测光伏优化器的输入电压、输出电压和输出电流。

步骤S200，根据光伏优化器的输入电压、输出电压和输出电流的变化，调节与光伏优化器的输入电压相对应的输入电压参考信号以跟踪系统的最大功率点。

其中，光伏优化器工作在第一模式和第二模式，在第一模式下，光伏优化器根据光伏优化器的输出电压的变化调节输入电压参考信号，在第二模式下，光伏优化器根据光伏优化器的输入电压的变化调节输入电压参考信号。

进一步地，在第一模式下，光伏优化器根据逆变器的工作点与光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小输入电压参考信号。可选的，响应于光伏优化器的输出功率增大，根据光伏优化器在当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。例如调节下一周期的输入电压参考信号为光伏优化器在当前周期的输出电压减去一个预定步长，以追踪光伏发电系统的最大功率点。

进一步地，在本实施例中，在第一模式下，响应于光伏优化器的输出功率不增大，光伏优化器保持工作在第一模式或者切换至第二模式。

进一步地，在第二模式下，光伏优化器根据光伏优化器的工作点与光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小输入电压参考信号。可选的，当光伏优化器的输出功率未增大且光伏优化器的输入电压增大时，光伏优化器的工作点在光伏组件最大功率点的右侧，减小输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号减去第一步长。当光伏优化器的输出功率未增大且光伏优化器的输入电压减小时，光伏优化器的工作点在光伏组件最大功率点的左侧，增大输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号加上第二步长。当光伏优化器的输出功率增大且光伏优化器的输入电压增大时，光伏优化器的工作点工作在光伏组件的最大功率点的左侧，增大输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号加上第二步长。当光伏优化器的输出功率增大且光伏优化器的输入电压减小，光伏优化器的工作点在光伏组件最大功率点的右侧，减小输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的输入电压参考信号减去第一步长，以追踪光伏发电系统的最大功率点。应理解，第一步长和第二步长可以相等也可以不等，第一步长、第二步长可以为一个固定的预设值，也可以是一个变化值。

进一步地，光伏优化器还可以工作在在第三模式。在第三模式下，光伏优化器根据当前周期的光伏优化器的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号，例如调节下一周期的输入电压参考信号为当前周期的光伏优化器的输出电压减去一个预定步长，以追踪光伏发电系统的最大功率点。

本发明实施例通过跟踪光伏优化器的输入电压、输出电压和输出电流以跟踪系统的最大功率点，由此，可以使得光伏优化器和逆变器协同工作以实现对光伏发电系统的最大功率点的有效识别和跟踪，从而实现在光伏组件存在局部阴影时提高光伏发电系统的输出功率。

图8是本发明实施例的一种实施方式的功率跟踪方法的流程图。如图8所示，本实施例的光伏优化器的功率跟踪方法包括以下步骤：

步骤S110，采集获取光伏优化器在当前周期的输入电压、输出电压和输出电流的变化量。

步骤S120，判断光伏优化器的输出电压Vo是否大于最大电压预设值Vh。在光伏优化器的输出电压Vo大于最大电压预设值Vh时，执行步骤S130，光伏优化器的输出电压Vo不大于最大电压预设值Vh时，执行步骤S140。

步骤S130，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为光伏优化器在当前周期的输出电压Vo减去第三步长step3。

步骤S140，判断光伏优化器是否工作在直通模式。在一种可选的实现方式中，通过检测光伏优化器中的功率变换器的占空比来判断光伏优化器的工作模式。其中，以BUCK变换器为例，在光伏优化器中的功率变换器的占空比为1时，光伏优化器工作在直通模式，在光伏优化器中的功率变换器的占空比小于1时，光伏优化器工作在开关模式。在光伏优化器工作在直通模式时，执行步骤S150。光伏优化器工作在开关模式，执行步骤S190。

步骤S150，判断输出功率的变化量是否大于0，也即判断输出功率是否增大。在输出功率增大时，执行步骤S130。在输出功率未增大时，光伏优化器由直通模式切换至开关模式，并开始做最大功率跟踪，执行步骤S160。在一种替代实施例中，在输出功率未增大时，光伏优化器继续工作在直通模式(图中未示出)，当光伏优化器工作在最大功率点的右侧时，光伏优化器减小输入电压参考信号，当光伏优化器工作在最大功率点左侧时，光伏优化器增大输入电压参考信号。

步骤S160，判断光伏优化器的输入电压的变化量是否大于0，也即判断光伏优化器的输入电压是否增大。在光伏优化器的输入电压增大时，光伏优化器工作在最大功率点的右侧，减小输入电压参考信号Vin_ref，执行步骤S170。在光伏优化器的输入电压未增大时，光伏优化器工作在最大功率点的左侧，增大输入电压参考信号Vin_ref，执行步骤S180。

步骤S170，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref减去第一步长step1。也就是说，在光伏优化器工作在开关模式下，输出功率未增大且输入电压增大时(即光伏优化器工作在最大功率点的右侧)，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref减去第一步长step1。

步骤S180，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref加上第二步长step2。也就是说，在光伏优化器工作在开关模式下，输出功率未增大且输入电压未增大时(即光伏优化器工作在最大功率点的左侧)，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref加上第二步长step2。

步骤S190，判断输出功率的变化量是否大于0，也即判断输出功率是否增大。在输出功率增大时，执行步骤S1A0。在输出功率未增大时，执行步骤S160。

步骤S1A0，判断光伏优化器的输入电压的变化量是否大于0，也即判断光伏优化器的输入电压是否增大。在光伏优化器的输入电压增大时，光伏优化器工作在最大功率点的左侧，增大输入电压参考信号Vin_ref，执行步骤S180。在光伏优化器的输入电压未增大时，光伏优化器工作在最大功率点的右侧，减小输入电压参考信号Vin_ref，执行步骤S170。

也就是说，在光伏优化器工作在开关模式下，输出功率未增大且输入电压增大时(即光伏优化器工作在最大功率点的右侧时)，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号减去第一步长step1。在光伏优化器工作在开关模式下，输出功率未增大且输入电压未增大时(即光伏优化器工作在最大功率点的左侧)，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref加上第二步长step2。在光伏优化器工作在开关模式下，输出功率增大且输入电压未增大时(即光伏优化器工作在最大功率点的右侧)，调节下一周期的输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref减去第一步长step1。在光伏优化器工作在开关模式下，输出功率增大且输入电压增大时(即光伏优化器工作在最大功率点的左侧时)，调节下一周期输入电压参考信号Vin_ref为当前周期的输入电压参考信号Vin_ref加上第二步长step2。其中，第一步长step1、第二步长step2和第三步长step3可以相等，也可以不等，可以是一个固定值，也可以是一个变化值。

步骤S1B0，更新当前周期的光伏优化器的输入电压，输出电压和输出电流，然后执行步骤S110。

本发明实施例通过跟踪光伏优化器的输入电压、输出电压和输出电流以跟踪系统的最大功率点，由此，可以使得光伏优化器和逆变器协同工作以实现对光伏发电系统的最大功率点的有效识别和跟踪，从而实现在光伏组件存在局部阴影时提高光伏发电系统的输出功率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种用于光伏发电的功率变换系统，其特征在于，包括：

逆变器；以及，

至少一个光伏优化器，所述光伏优化器的输入端耦接至光伏组件的输出端，输出端串联连接在所述逆变器的输入端口之间，并工作在第一模式和第二模式；

其中，在第一模式下，所述光伏优化器工作在直通模式通过跟踪所述逆变器的输入电压和所述光伏优化器的输出功率的变化调节输入电压参考信号，从而跟踪系统的最大功率点；

在第二模式下，所述光伏优化器工作在开关模式通过跟踪所述光伏组件的输出电压和所述光伏优化器的输出功率的变化调节所述输入电压参考信号，从而跟踪所述系统的最大功率点。

2.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器还工作在第三模式，在第三模式下，所述光伏优化器工作在限压模式以将所述光伏优化器的输出电压限制在最大电压预设值，所述逆变器通过调节所述光伏优化器的输出功率以跟踪所述系统的最大功率点。

3.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器被配置为根据所述光伏优化器的输入电压、输出电压和输出电流的变化调节与所述光伏优化器的输入电压对应的输入电压参考信号以跟踪所述系统的最大功率点。

4.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，在所述第一模式下，所述光伏优化器被配置为根据所述逆变器的工作点与所述光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小所述输入电压参考信号。

5.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，在所述第二模式下，所述光伏优化器被配置为根据所述光伏优化器的工作点与所述光伏组件的最大功率点的关系，增大或减小所述输入电压参考信号。

6.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器被配置为在所述第一模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率增大，根据所述光伏优化器在当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。

7.根据权利要求6所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器被配置为在所述第一模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率增大，调节下一周期的输入电压参考信号为所述光伏优化器在当前周期的输出电压减去预定步长。

8.根据权利要求6所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器被配置为在所述第一模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率不增大，保持工作在所述第一模式或者切换至所述第二模式。

9.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器被配置为在所述第二模式下，响应于所述光伏优化器的输出功率不增大且所述光伏优化器的输入电压增大，减小所述输入电压参考信号，响应于所述光伏优化器的输出功率不增大且所述光伏优化器的输入电压减小，增大所述输入电压参考信号，响应于所述光伏优化器的输出功率增大且所述光伏优化器的输入电压增大，增大所述输入电压参考信号，响应于所述光伏优化器的输出功率增大且所述光伏优化器的输入电压减小，减小所述输入电压参考信号。

10.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器被配置为在第三模式下，根据所述光伏优化器在当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。

11.根据权利要求2所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器被配置为所述光伏优化器对应的占空比为1时，工作在第一模式，在所述光伏优化器对应的占空比小于1时，工作在第二模式，在所述光伏优化器的输出电压不小于最大电压预设值时，工作在第三模式。

12.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于，所述光伏优化器包括：

功率变换器，被配置为对所述光伏组件的输出进行功率变换；以及

控制电路，被配置为根据所述光伏优化器的输入电压，输出电压和输出电流的变化，调节与所述光伏优化器的输入电压相对应的输入电压参考信号。

13.一种光伏优化器，应用于光伏发电系统，所述光伏发电系统包括至少一个光伏优化器和逆变器，其特征在于，所述光伏优化器工作在第一模式和第二模式，所述光伏优化器包括：

功率变换器，被配置为对光伏组件的输出进行功率变换；以及

控制电路，被配置为在第一模式下，控制所述功率变换器工作在直通模式，以通过跟踪所述逆变器的输入电压和所述光伏优化器的输出功率的变化调节输入电压参考信号，从而跟踪系统的最大功率点；

所述控制电路还被配置为在第二模式下，控制所述功率变换器工作在开关模式，以通过跟踪所述光伏优化器的输入电压和所述光伏优化器的输出功率的变化调节所述输入电压参考信号，从而跟踪所述系统的最大功率点。

14.根据权利要求13所述的光伏优化器，其特征在于，所述光伏优化器工作在第三模式，所述控制电路在所述第三模式控制所述功率变换器工作在限压模式，其中，所述逆变器通过调节所述光伏优化器的输出功率以跟踪所述系统的最大功率点。

15.一种用于光伏发电系统的功率跟踪方法，所述光伏发电系统包括逆变器和串联连接在所述逆变器输入端口之间的多个光伏优化器，其特征在于，所述方法包括：

根据所述光伏优化器的输入电压，输出电压和输出电流的变化，调节与所述输入电压相对应的输入电压参考信号，以跟踪所述系统的最大功率点；

其中，所述光伏优化器工作在第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述光伏优化器工作在直通模式根据所述光伏优化器的输出电压的变化调节所述输入电压参考信号，在所述第二模式下，所述光伏优化器工作在开关模式根据所述光伏优化器的输入电压的变化调节所述输入电压参考信号。

16.根据权利要求15所述的功率跟踪方法，其特征在于，所述光伏优化器工作在第三模式，在所述第三模式下，所述光伏优化器工作在限压模式根据当前周期的输出电压获取下一周期的输入电压参考信号。

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