[發明專利]MPPT控制器及方法、控制裝置及方法、低溫余熱發電系統

有效

• 申請號: 201610805117.6
• 申請日: 2016-09-06
• 公開（公告）號: CN106437915B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 周廣旭;張立功;王平來;李小偉;李偉生;王知學
• 申請（專利權）人: 山東省科學院自動化研究所
• 主分類號: F01K27/02
• 分類號: F01K27/02;H02P9/04;G05D13/66
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 趙妍

技術領域

本發明屬于發電領域，尤其涉及一種MPPT控制器及方法、控制裝置及方法、低溫余熱發電裝置。

背景技術

現有余熱發電系統，現有低溫余熱發電裝置的工作過程為低溫余熱源通過蒸發器加熱有機工作介質，工作介質變成一定的壓力和流量的氣體，該高壓氣體推動膨脹機等裝置，上述過程將余熱中的熱能轉換成機械能；跟膨脹機相連接的發電機將上述的機械能轉換成電能；完成上述工程的工作介質通過冷凝器之后變成低溫、低壓的液體等待進入下一個工作循環。在冷凝器溫度、熱源溫度、流量一定的條件下，若循環工質的飽和溫度越高，系統的熱轉換效率就越高。從前期試驗及其他文獻資料獲知，系統輸出功率隨工質泵速度的增大而增大。工作轉速達到一個理想值的時候，系統輸出功率達到最大值，之后系統輸出功率便隨著工質泵速度的增大而減小。在其他文獻中提出的余熱發電系統最大功率點跟蹤方法，通過控制渦輪機的轉速以跟蹤最大功率點。實際低溫余熱發電裝置運行中，上述渦輪機的轉速需要通過有機工作介質的壓力和流量來控制，并最終由控制工質泵的轉速來實現。

從熱力學角度分析，當工質泵的轉速增加時，將增量的有機工作介質輸入到蒸發器中，通過蒸發器的熱交換產生更大壓力的工質蒸汽驅動膨脹機和永磁同步發電機輸出更大的功率，隨著蒸發器換熱效率達到峰值，這時系統輸出功率達到最大值。此后工質泵的轉速再增加，即使輸入有機工作介質增加，而蒸發器換熱效率基本不變，使得有機工作介質不能完全汽化，處于汽液混合狀態，反而造成輸出功率下降，嚴重影響系統轉換效率，并可能對膨脹機造成損傷。

發明內容

為了解決現有技術的缺點，本發明提供一種MPPT控制器及方法、控制裝置及方法、低溫余熱發電裝置。本發明能夠實時調整工質泵的轉速，使得工質的蒸發壓力、蒸發器的換熱能力與低溫熱源相匹配，保證系統輸出功率達到最大，從而實現余熱發電系統最大功率點跟蹤(MPPT)控制策略。

本發明所涉及的低溫余熱發電裝置為現有結構，其具體包括：低溫余熱源；所述低溫余熱源通過蒸發器加熱有機工作介質，工作介質變成一定的壓力和流量的氣體來推動膨脹機；所述膨脹機與三相交流發電機相連，用于將機械能轉換成電能；工作介質還通過冷凝器之后變成低溫低壓的液體傳送至工質泵，所述工質泵與蒸發器相連。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種MPPT控制器，包括：

直流母線數據獲取單元，其用于獲取低溫余熱發電裝置的直流母線的電壓信號、電流信號以及直流母線功率表達式；

最大功率點搜索單元，其用于以所述直流母線功率表達式為目標函數，采用梯度搜索法來實時搜索最大功率點；

所述最大功率點搜索單元包括：梯度搜索法步長調整模塊，其用于根據搜索過程中斜率的變化速度和低溫余熱發電裝置發電機組輸出功率的百分比，應用模糊邏輯自動實時調整梯度搜索法的步長。

本發明采用直流母線功率作為目標值，該目標值在系統運行過程中比較穩定；在實際電路中只需要采樣直流母線的電壓、電流，就可以獲得直流母線功率，采集量少；采用模糊邏輯變步長方法能夠根據系統運行負載率和斜率實時修改步長，加快了系統的收斂速度。

所述MPPT控制器還包括存儲單元，其用于存儲直流母線功率表達式。

所述最大功率點搜索單元還包括搜索斜率計算模塊，所述搜索斜率計算模塊用于以低溫余熱發電裝置運行頻率為橫坐標，直流母線功率為縱坐標，以實時調整的步長調整低溫余熱發電裝置運行頻率，計算搜索斜率。

本發明的梯度搜索算法簡單，計算量少；所采用的電路簡單、容易實現；梯度搜索技術比其他搜索技術更快收斂于最優點。本發明即使系統最初運行在未知狀態，也能保證系統運行于最大功率工作點。

一種MPPT控制器的工作方法包括：

根據低溫余熱發電裝置的直流母線的電壓和電流信號，計算低溫余熱發電裝置的直流母線功率；

以所直流母線功率表達式為目標函數，采用梯度搜索法來實時搜索低溫余熱發電裝置的最大功率點；

其中，根據搜索斜率的變化速度和低溫余熱發電裝置的負載率，應用模糊邏輯自動實時調整梯度搜索法的步長。

本發明采用直流母線功率作為目標值，該目標值在系統運行過程中比較穩定；在實際電路中只需要采樣直流母線的電壓、電流，就可以獲得直流母線功率，采集量少；采用模糊邏輯變步長方法能夠根據系統運行負載率和斜率實時修改步長，加快了系統的收斂速度。