CN101202520A - 光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法，适用于电流型并网光伏发电系统或具有蓄电池充电环节的独立光伏发电系统，本发明仅以变换器输出电流作为参考值，只需判断前后两次电流的大小就可进行最大功率点跟踪，具有跟踪速度快、稳定性好、算法简单、所需检测器件少、精度要求不高等优点。

Description

光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法，属于新能源发电控制系统的技术领域。

背景技术

独立光伏发电系统自带储能环节，主要解决偏远无电地区的供电问题；并网光伏发电系统直接与电网相连，如同一个小型分布式发电站，将采集到的电能馈入电网。

光伏电池利用光电效应产生电流，电压-电流曲线如图2所示，图中V-I曲线为伏-安特性曲线，V-P曲线为功率曲线。由图2可知，在某一特定环境下，每块光伏电池板有1个最大功率点P_max，要想提高光伏系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称之为最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。目前，光伏发电系统的应用日渐增多，但系统造价仍居高不下，转换效率也较低，因此，通过控制光伏电池板输出电功率使光伏电池板按MPPT工作，提高系统效率，从某种意义上说相应地降低了系统成本，从而促进光伏发电产业的发展。

传统MPPT算法主要有：恒定电压控制法、扰动观察法、增量电导法等。

①恒定电压法：在温度变化不大的情况下，光伏电池输出最大功率点处对应的电压值近似不变，因此，恒定电压法把光伏电池输出电压控制在某一电压值，使光伏电池输出最大功率。但是当外界环境变化时系统难以进行准确的最大功率点跟踪，从而造成控制系统适应性较差。

②增量电导法：由光伏电池V-P曲线可知，光伏电池在最大功率点处dP_max/dV＝I+V*dI/dV＝0，则有dI/dV＝-I/V。增量电导法以此为判断最大功率点的条件，通过改变变换器功率管的占空比，达到最大功率点跟踪。增量电导法需要较高精度的传感器对光伏电池输出电压、电流进行采样，同时控制算法较复杂，系统成本较高。

③扰动观测法：扰动观测法通过改变光伏电池输出电压调节输出功率，采样并计算当前输出功率P_n，与上次采样得到的功率P_n-1进行比较，若P_n大于P_n-1，则继续同方向增大(或减小)输出电压，反之则减小(或增大)输出电压。扰动观测法较之增量电导法更简单，实现更方便，且与初始参数无关。但是扰动观测法在跟踪稳定时，在最大功率点附近振荡运行，同时扰动观测法需要对光伏电池输出电压、电流进行采样，并且需要将采样结果进行相乘计算功率，增加了控制器运算负担。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法，适用于电流型并网光伏发电系统或具有蓄电池充电环节的独立光伏发电系统，本方法仅以变换器输出电流作为参考值，只需判断前后两次电流的大小进行最大功率点跟踪，具有跟踪速度快、稳定性好、算法简单、所需检测器件少、精度要求不高等优点。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法，其特征在于控制步骤如下：

步骤1：用微处理器作为光伏系统最大功率点跟踪控制器，检测光伏发电系统中变换器的输出电流；

步骤2：该微处理器计算当前输出电流采样值I_k与前一控制周期输出电流采样值I_k-1之差ΔI＝I_k-I_k-1：

若ΔI＝0，

则控制量M不作任何修改，结束。

若ΔI≠0，

则判断ΔI是否大于0；

步骤3：根据步骤2的判断结果：

若ΔI＞0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤4：根据步骤3的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M+ΔM，结束；

否则M＝M-ΔM，结束；

步骤5：根据步骤4的判断结果：

若ΔI＜0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤6：根据步骤5的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M-ΔM，DIR＝1，结束；

否则M＝M+ΔM，DIR＝0，结束。

附图说明

图1是本发明的所述光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法流程图

图2是光伏电池电压-电流曲线和电压-功率曲线图

图3是电流型并网光伏发电系统图

图4是独立光伏发电系统图

图5是最大功率跟踪时逆变器输出最大功率曲线图

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

本发明所述的光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法可应用于电流型并网光伏发电系统，也可用于独立光伏发电系统，以下分别进行说明：

先看图3，本发明所述的应用该控制方法的电流型并网光伏发电系统包括：

(1)光伏电池板：作为整个系统的输入，为包括控制电路、检测电路在内的整个系统提供电能。在有光照的情况下，太阳能电池板将所接受的光能转换为电能；无光照时，其停止工作，输出端开路。

(2)电流型并网逆变器：根据并网电流输出量的变化直接改变PWM调制深度，使并网可输出电流始终维持最大，实现光伏阵列在最大功率点并网发电。

(3)电网：作为电流型并网光伏发电系统的能量传输线路，将光伏电池采集的电能输送给负载。

再看图4，本发明所述的应用该控制方法的独立光伏发电系统包括：

(1)太阳能电池板：作为整个系统的输入，为包括控制电路、检测电路在内的整个系统提供电能。在有光照的情况下，太阳能电池板将所接受的光能转换为电能；无光照时，其停止工作，输出端开路。

(2)DC/DC变换器：包括cuk’变换器、或boost变换器、或buck变换器，作为能量变换环节，根据该变换器输出电流的大小改变变换器内功率开关管的占空比，使输出电流始终维持最大，实现光伏阵列最大功率点跟踪。

(3)蓄电池：作为独立光伏发电系统的储能环节，白天蓄电池存储太阳能电池板输出的电能，到负载需要时再将其释放出来。

一种用于光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法，其特征在于控制步骤如下：

步骤1：用微处理器作为光伏系统最大功率点跟踪控制器，检测光伏发电系统中变换器的输出电流；

步骤2：该微处理器计算当前输出电流采样值I_k与前一控制周期输出电流采样值I_k-1之差ΔI＝I_k-I_k-1：

若ΔI＝0，

则控制量M不作任何修改，结束。

若ΔI≠0，

则判断ΔI是否大于0；

步骤3：根据步骤2的判断结果：

若ΔI＞0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤4：根据步骤3的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M+ΔM，结束；

否则M＝M-ΔM，结束；

步骤5：根据步骤4的判断结果：

若ΔI＜0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤6：根据步骤5的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M-ΔM，DIR＝1，结束；

否则M＝M+ΔM，DIR＝0，结。

本光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法原理简述如下：

本方法是一种新型扰动观察法。设M_k+1和M_k分别为第k+1和k时刻变换器输出电流的控制量，|ΔM|为扰动控制量；P_in，k和P_in，k-1分别为第k和k-1时刻的光伏电池输出功率；符号函数sign()作如下定义：

$\left\{\begin{array}{cc}\sin g\left(x\right)=1& (x\&GreaterEqual;0)\\ \sin g\left(x\right)=-1& (x<0)\end{array}\right.---\left(1\right)$

进行最大功率点跟踪时，若P_in，k大于P_in，k-1，则继续同方向增大变换器控制量；否则减小变换器控制量。因而下一次的控制量可由下式决定：

M_k+1＝M_k+|ΔM|sign(ΔM)sign(P_in，k-P_in，k-1)    (2)

变换器输出电流I与输出电压U乘积为变换器输出功率，即P_out＝I×U。假如忽略变换器损耗，由能量守恒可得P_in＝P_out，所以：

sign(P_in，k-P_in，k-1)＝sign(P_out，k-P_out，k-1)    (3)

式(2)变换为：

M_k+1＝M_k+|ΔM|sign(ΔM)sign(P_out，k-P_out，k-1)    (4)

由于本发明光伏发电系统中变换器输出电压为电网电压或蓄电池电压，电压幅值近似恒定不变，所以变换器输出功率P_out正比于变换器输出电流I，即如式(5)所示：

P_out∝I    (5)

将式(5)代入式(4)得：

M_k+1＝M_k+|ΔM|sign(ΔM)sign(I_k-I_k-1)    (6)

由式(6)可以看出本发明中变换器控制量只与变换器输出电流有关，通过检测输出电流对变换器进行控制，即可实现最大功率点跟踪。本发明的控制方法依次包含以下步骤：

步骤1：用微处理器作为光伏系统最大功率点跟踪控制器，检测光伏发电系统中变换器的输出电流；

步骤2：该微处理器计算当前输出电流采样值I_k与前一控制周期输出电流采样值I_k-1之差ΔI＝I_k-I_k-1：

若ΔI＝0，

则控制量M不作任何修改，结束。

若ΔI≠0，

则判断ΔI是否大于0；

步骤3：根据步骤2的判断结果：

若ΔI＞0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤4：根据步骤3的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M+ΔM，结束；

否则M＝M-ΔM，结束；

步骤5：根据步骤4的判断结果：

若ΔI＜0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤6：根据步骤5的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M-ΔM，DIR＝1，结束；

否则M＝M+ΔM，DIR＝0，结束。

本发明的控制方法通过周期性检测并计算变换器输出电流的有效值I，调节控制量M，使得变换器输出电流有效值I始终维持最大可输出电流，从而实现光伏阵列的最大功率输出。该方法控制简单，响应速度快，传感器精度要求不高，不仅适用于天气条件变化较快的场合，对于输出电压变化较大的场合也有很好的跟踪效果。

下面分别以独立光伏发电系统和电流型并网发电系统为例，说明具体控制方式。

在电流型并网光伏发电系统中(如图3所示)，M为逆变器调制深度，逆变器的输出电压U就是电网电压。由上述分析可知，光伏阵列输出功率与逆变器输出电流有效值I成线性关系。通过改变调制深度M，使得I维持可输出的最大值，即可实现最大功率点跟踪。

图5为最大功率跟踪时逆变器输出最大功率曲线图，图中曲线a和曲线b分别为不同光照强度下逆变器输出最大功率曲线。由图5可知，当电网电压由U₁变到U₂时，假如逆变器调制深度M不变，根据能量守恒定律，逆变器并网电流I会因电网电压降低而由I₁增大到I₂，此时逆变器输出功率不变，依然在等功率曲线a上，只是工作点由原来的A点变到B点，逆变器继续稳定在B点进行MPPT工作。假如光照强度突然变强时，则逆变器工作点由B点变到C点，此后逆变器在等功率曲线b上进行MPPT工作。因此，本发明在天气条件变化较快的场合，以及电网电压变化较大的场合也有很好的跟踪效果。

在独立光伏发电系统中(如图4所示)，M为DC/DC变换器功率开关管的占空比。DC/DC变换器输出电压U为蓄电池电压，蓄电池电压近似恒定不变。由上述分析可知，光伏阵列输出功率与DC/DC变换器输出电流I成线性关系，该输出电流为蓄电池充电电流。通过改变占空比M，使得I维持最大值输出，即可实现光伏阵列最大功率点跟踪。

本发明所述的并网和独立光伏发电系统的MPPT控制流程图如图1所示。图1中，I为当前时刻检测到的变换器输出电流，I_OLD为上一时刻检测到的电流值。本发明的MPPT控制算法最大的优点在于只需检测逆变器输出电流信号，而且算法简单，无论是光照强度、环境温度还是输出电压发生变化时，均可快速平稳的跟踪最大功率点。

Claims (1)

1.一种光伏发电系统直接电流控制的最大功率点跟踪方法，其特征在于控制步骤如下：

步骤1：用微处理器作为光伏系统最大功率点跟踪控制器，检测光伏发电系统中变换器的输出电流；

步骤2：该微处理器计算当前输出电流采样值I_k与前一控制周期输出电流采样值I_k-1之差ΔI＝I_k-I_k-1：

若ΔI＝0，

则控制量M不作任何修改，结束。

若ΔI≠0，

则判断ΔI是否大于0；

步骤3：根据步骤2的判断结果：

若ΔI＞0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤4：根据步骤3的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M+ΔM，结束；

否则M＝M-ΔM，结束；

步骤5：根据步骤4的判断结果：

若ΔI＜0，

则检查控制标志DIR是否等于0；

步骤6：根据步骤5的判断结果：

若DIR＝0，

则M＝M-ΔM，DIR＝1，结束；

否则M＝M+ΔM，DIR＝0，结束。

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