CN101626213A - 光伏发电系统中最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电系统中最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法，属于光伏发电系统中最大功率点跟踪领域。该方法通过内、外两层的算法结构，实现对功能的明确划分：外层控制算法对初始搜索区间进行压缩，完成功率点的定界；内层算法在压缩后的区间内搜索最大功率点，采用等步长扰动观测法来满足设计要求。在外界环境条件发生剧烈变化时，本方法可以通过转换机制及时调整区间范围，保证了该方法具有较强的适应能力。通过以上的嵌套结构进行算法设计，可以在增强系统对环境变化适应能力的同时，使算法具有结构清晰、功能明确、实现简单等优点。

Description

光伏发电系统中最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法
技术领域
本发明涉及一种用于光伏发电系统中解决最大功率点跟踪问题的搜索方法，尤其涉及一种光伏发电系统中最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法，属于光伏发电系统中最大功率点跟踪领域。
背景技术
在光伏发电系统中，最受研究者关注的问题是最大功率点跟踪问题，即保持系统工作在功率曲线的峰值点，最大效率地将太阳能转变为电能。在选择优化方法时，需要统筹考虑多方面的因素，包括实现的难易程度、经济成本、传感器精度要求、反应速度等，尤其是当光照、温度等外界环境变化引起最大功率点频繁变化时，优化方法的适应性是关注的重点问题。
当前采用的优化算法分为自寻优算法和非自寻优算法，其中主要方法包括：恒定电压法、扰动观测法、导纳增量法。恒定电压法使系统电压工作在设定的最大功率点，优点是控制简单，易于实现，稳定性好，缺点是当系统外界条件改变时，系统对最大功率点变化的适应性差；扰动观测法通过周期性的增加或减少系统的输出电压，寻找最大功率点，优点是控制思想简单，实现方便，提高了利用效率，缺点是扰动方向总是不断改变，稳态时在最大功率点附近振荡运行；导纳增量法是通过光伏发电系统的增量电导和瞬时电导调节系统的参考电压，优点是控制效果好，控制稳定性高，不受功率时间曲线的影响，缺点是对系统精度要求较高，控制算法较为复杂，需要变步长策略加以修正。
发明内容
本发明为解决最大功率点跟踪算法中适应能力和复杂度之间的平衡问题而提出一种光伏发电系统中最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法。
本发明的光伏发电系统中最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法是由内、外两层控制算法和转换机制构成，具体执行过程如下：
算法开始后进行系统初始化和变量初始化，然后进入外层控制算法；
(1)外层控制算法采用三点相等区间消去法完成功率点的定界
首先进行第一次区间压缩：在选取的初始搜索区间上确定三个等分点，通过PWM驱动电路进行大步长的占空比调整，改变输出电压，然后提取太阳能电池板输出端的电压和电流值，并计算得出功率值，从而得到三个等分点对应的功率值；通过比较上述三个功率值，将最大功率点的取值范围压缩为初始搜索区间的1/2，得到新的搜索区间，然后在该新的搜索区间进行第二次区间压缩，压缩过程与第一次相同；
经过三次相同的区间压缩过程，将搜索区间压缩为初始搜索区间的1/8，得到最终搜索区间，然后转入内层控制算法；
(2)内层控制算法在最终搜索区间内运用扰动观测法追踪最大功率点
内层控制算法采用等步长扰动观测法，选取最终搜索区间内任意一点作为初始点开始搜索，提取太阳能电池板输出端的电压和电流值，并计算得出功率值，通过比较前后两点的功率值，调整占空比的变化方向，完成对最大功率点的跟踪，其中：所述前后两点是指搜索过程中相隔一个步长的前后两点；
当外界环境剧烈变化，最大功率点变化到最终搜索区间以外时，则进入步骤(3)的转换机制；
(3)转换机制：包括越界激发和定时激发
越界激发在内层控制算法运行中，当最终搜索区间的边界值为极值，则跳转到外层控制算法重新定界，即重新对初始搜索区间进行压缩；
定时激发是对最终搜索区间的重新调整，设定时间长度作为激发条件，当在内层控制算法运行达到设定时间后，则转入外层控制算法重新定界，即重新对初始搜索区间进行压缩。
本发明的有益效果是：通过内外双层嵌套结构达到对最大功率点的有效跟踪，同时明确内外双层控制算法的功能分配，降低算法的复杂度。具体包括以下方面：①在光照、温度等外界环境相对稳定时，通过外层算法的定界功能和内层算法的搜索功能可以很快找到最大功率点，并稳定在该点，持续输出最大功率；②当外界环境发生较大变化时，通过嵌套转换机制，利用外层算法的重新定界功能，可以快速调整新的搜索区间，适应环境变化，完成对变化后最大功率点的搜索功能。
综上，本发明嵌套搜索方法中内外双层算法的设计具有以下优点：
1、基于先定界后搜索的设计思想，内外双层控制功能明确，算法运行简单、高效；
2、外层算法实现定界功能，通过压缩搜索区间，提高了内层算法的搜索效率；
3、内层算法实现搜索功能，由于外层算法对搜索区间进行了压缩，所以采用简单的搜索算法，降低了内层算法的复杂度；
4、通过算法中的嵌套转换机制，可及时相应外界变化，增强了系统对外界环境的适应能力。
附图说明
图1是最大功率点跟踪(MPPT)硬件结构示意图。
图2是充电回路电路原理图。
图3是车载独立光伏系统的结构示意图。
图4是本发明双层嵌套搜索法的结构和功能示意图。
图5是本发明双层嵌套算法运行流程图。
图6是本发明中外层控制算法流程图。
具体实施方式
如图1所示为最大功率点跟踪(MPPT)硬件结构图，包括太阳能电池阵列，主回路DC/DC变换器，蓄电池或负载，电压、电流信号提取模块，PWM驱动电路，Freescale主芯片控制模块。
如图3所示为车载独立光伏系统结构示意图，是应用本发明的一个具体实例。该系统结构通过太阳能电池板对铅酸蓄电池充电，并可驱动负载，在微控制器中实现MPPT控制、充放电控制、驱动等功能，本发明最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法用来实现其中的MPPT控制部分。
根据图1和图3所示的结构搭建主回路。太阳能电池板将太阳能转化为电能，通过DC/DC变换器把产生的电能转化为蓄电池(或负载)所需的电压值，对其进行充电(或供电)。充电回路如图2所示，在充电回路的基础上，需要调整变换器的输出电压以跟踪最大功率点。提取太阳能电池输出端的电压和电流值，并计算得到功率值作为控制系统的输入，以PWM驱动电路作为控制系统的输出，形成一个闭环回路，实现对系统功率的调整。
硬件搭建完成后，在Freescale主芯片中进行软件编程，实现如图4所示的双层嵌套搜索功能。具体包括外层、内层控制算法和相应的转换机制，外层算法实现定界功能，适应外界变化；内层算法利用扰动观测法，进行定步长搜索，跟踪最大功率点变化；当外界环境发生变化(光强变化、温度变化等)，激发外层算法功能，重新定界后再转入内层算法进行最大功率点跟踪，而后驱动外围电路，实现跟踪功能。
图5给出了本发明双层嵌套算法运行流程图。算法开始后进行初始化过程，而后转入如图6所示的外层算法；
(1)外层算法采用三点相等区间消去法完成功率点的定界功能
首先，选取50％-100％的区间为初始搜索区间，并在初始搜索区间上确定三个等分点(X11、X21、X31)，通过PWM驱动电路进行大步长的占空比调整，改变输出电压，然后提取太阳能电池板输出端的电压和电流值，并计算得出功率值，从而得到三个等分点对应的功率值(f(X11)、f(X21)、f(X31))；通过比较上述三个功率值，将最大功率点的取值范围压缩为初始搜索区间的1/2，得到新的搜索区间；然后，在新的搜索区间开始第二次区间压缩，过程与第一次相同，确定新的三个等分点(X12、X22、X32)，得到对应功率值(f(X12)、f(X22)、f(X32))，通过比较将搜索区间再压缩1/2；
这样，经过三次相同的区间压缩过程，将搜索区间压缩为初始搜索区间的1/8，得到最终搜索区间，然后转入内层控制算法；
(2)内层控制算法在最终搜索区间内运用扰动观测法追踪最大功率点
内层控制算法采用等步长扰动观测法，选取最终搜索区间内任意一点(一般选取中间点)作为初始点开始搜索，提取太阳能电池板输出端的电压和电流值，并计算得出功率值，通过比较前后两点的功率值，调整占空比的变化方向，完成对最大功率点的跟踪，其中：所述前后两点是指搜索过程中相隔一个步长的前后两点；
内层算法运行过程是不断逼近最大功率点的过程，只要最大功率点在所选定的搜索区间内，就能保证很快完成对最大功率点的搜索跟踪工作；
当外界环境剧烈变化，最大功率点变化到最终搜索区间以外时，则进入步骤(3)的转换机制；
(3)转换机制：包括越界激发和定时激发
越界激发在内层控制算法运行中，当最终搜索区间的边界值为极值，则跳转到外层控制算法重新定界，即重新对初始搜索区间进行压缩；
定时激发是对最终搜索区间的重新调整，设定时间长度作为激发条件，当在内层控制算法运行达到设定时间后，则转入外层控制算法重新定界，即重新对初始搜索区间进行压缩；
通过这些激发过程可以主动或被动地响应电压/功率曲线变化所带来的最大功率点变化，增强对外界环境的适应性。
因此，由外层、内层控制算法和转换机制形成一个闭环，实现双层嵌套搜索方法的最大功率点跟踪功能。

Claims (1)

1、一种光伏发电系统中最大功率点跟踪的双层嵌套搜索方法，其特征在于：该方法由内、外两层控制算法和转换机制构成，具体执行过程如下：
算法开始后进行系统初始化和变量初始化，然后进入外层控制算法；
(1)外层控制算法采用三点相等区间消去法完成功率点的定界
首先进行第一次区间压缩：在选取的初始搜索区间上确定三个等分点，通过PWM驱动电路进行大步长的占空比调整，改变输出电压，然后提取太阳能电池板输出端的电压和电流值，并计算得出功率值，从而得到三个等分点对应的功率值；通过比较上述三个功率值，将最大功率点的取值范围压缩为初始搜索区间的1/2，得到新的搜索区间，然后在该新的搜索区间进行第二次区间压缩，压缩过程与第一次相同；
经过三次相同的区间压缩过程，将搜索区间压缩为初始搜索区间的1/8，得到最终搜索区间，然后转入内层控制算法；
(2)内层控制算法在最终搜索区间内运用扰动观测法追踪最大功率点
内层控制算法采用等步长扰动观测法，选取最终搜索区间内任意一点作为初始点开始搜索，提取太阳能电池板输出端的电压和电流值，并计算得出功率值，通过比较前后两点的功率值，调整占空比的变化方向，完成对最大功率点的跟踪，其中：所述前后两点是指搜索过程中相隔一个步长的前后两点；
当外界环境剧烈变化，最大功率点变化到最终搜索区间以外时，则进入步骤(3)的转换机制；
(3)转换机制：包括越界激发和定时激发
越界激发在内层控制算法运行中，当最终搜索区间的边界值为极值，则跳转到外层控制算法重新定界，即重新对初始搜索区间进行压缩；
定时激发是对最终搜索区间的重新调整，设定时间长度作为激发条件，当在内层控制算法运行达到设定时间后，则转入外层控制算法重新定界，即重新对初始搜索区间进行压缩。
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