CN101630171B - 应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法及系统 - Google Patents

应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法及系统，其方法是通过对光伏电池输出功率进行分区，然后通过将相邻两时刻的功率差与设定值进行比较，找出当前功率所在的区域，再调节占空比进行下一时刻功率测量，直到找出最大功率点；其系统包括依次电路连接的光伏电池、DC/DC变换器和铅酸蓄电池，DC/DC变换器和铅酸蓄电池之间的电路设有电压检测模块和电流检测模块，电压检测模块和电流检测模块的出口端分别与微处理器连接，微处理器的出口端通过隔离/驱动电路与DC/DC变换器连接。本发明加快了最大功率点的跟踪速度，提高系统抗干扰性，也加快了系统最大功率点自寻优过程，同时减小了其系统在最大功率点处的震荡。

Description

应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法及系统
技术领域
本发明涉及太阳能光伏电池的控制技术，特别涉及一种应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法及系统。
背景技术
随着社会经济的高速发展，能源和资源的消耗是越来越快。节约能源，保护环境已经成为可持续发展的焦点话题，人类的注意力就由常规能源转移到了那些可再生能源身上了，比如太阳能、风能、潮汐能等。随着太阳能技术的飞速发展，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色能源，太阳能俨然已经成为科研和生产各个领域的热点。
由不同温度不同日照强度下光伏电池的I-V曲线可知，温度主要影响光伏电池的输出电压，而日照强度主要影响其输出电流。在不同的日照强度和环境温度下，其输出特性曲线不同，且均为非线性。当太阳能辐射度和电池温度变化时，光伏电池输出电压和输出电流呈非线性关系变化，其输出功率也随之改变。因此可以看出，每一个环境状态下，系统都会有一个最大功率点(MaximumPower Point，简称MPP)，且此最大功率点随环境状态变化而相应变化。为了使光伏电池在不同温度、不同辐照度条件下始终工作于该外界条件下的最佳工作点，当最大功率点发生漂移时，我们采用一定的方法使光伏电池始终工作于最大功率点处，称之为最大功率跟踪技术，即MPPT技术。人们对最大功率跟踪技术进行了深入研究，现已获得了多种算法，目前使用最多的是扰动观察法，如图1的流程所示，通过将相邻两时刻的功率差与设定的常数e进行比较，从而跟踪到光伏电池的最大功率点，这种方法简单，但是其调整占空比D时存在调整步长大小选择的问题，即步长过小时，跟踪时间较长，影响系统的动态响应特性；而步长过大时，输出功率波动加大，其平均值大大小于最大值，稳态误差变大；这就难以保证系统的动态和稳态性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法，该方法改善了MPPT跟踪速度和跟踪精度之间的矛盾，能够快速准确的追踪到光伏电池最大输出功率。
本发明的另一目的在于提供一种用于上述方法的应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山系统。
本发明通过以下技术方案实现：一种应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法，包括以下步骤：
(1)初始化系统，设定初始变量，包括常数M、常数e1、常数e2、可slope＝+1和Vmax；同时将光伏电池的输出功率分成大步长逼近区、自适应爬山区和最大功率区；
其中，常数M的值决定了系统的柔韧性；常数e1和e2的值决定了系统的跟踪精度；slope为占空比D步长a的符号位，其值决定占空比D的变化方向，取+1或-1，当功率减小时，slope取-1，反之，slope取+1；Vmax为系统输出电压的最大值；
(2)测量光伏电池在k时刻输出的电压值Vk和电流值Ik并通过信号调理电路送至系统中微处理器的A/D转换模块，然后功率计算模块根据公式P＝V×I计算k时刻的功率值Pk，再根据公式|ΔP|＝|Pk-P(k-1)|计算出k时刻和(k-1)时刻的功率变化值|ΔP|；
(3)微处理器的分析比较模块将|ΔP|与e1进行比较，若|ΔP|≤e1，则此时光伏电池的输出功率在其最大功率区内，最大功率区处理模块通过PWM端口输出信号，系统返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；若|ΔP|＞e1，则此时光伏电池的输出功率在其自适应爬山区或大步长逼近区，系统进入步骤(4)继续计算；
(4)将|ΔP/a(k-1)|与e2进行比较，若|ΔP/a(k-1)|≤e2，则此时光伏电池的输出功率在其自适应爬山区，自适应爬山区处理模块通过PWM端口输出信号，系统进入步骤(5)进行自适应爬山区占空比的调节；若|ΔP/a(k-1)|＞e2，则此时光伏电池的输出功率在其大步长逼近区，大步长逼近区处理模块通过PWM端口输出信号，系统进入步骤(6)进行大步长逼近区占空比的调节；
(5)判断ΔP是否大于0，若ΔP＞0，则slope＝+1；若ΔP＜0，则slope＝-1；然后改变占空比Dk，得到(k+1)时刻的占空比D(k+1)并经过隔离/驱动电路送至DC/DC变换器，最后返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；
(6)判断Vk与Vmax的大小关系，若Vk＞Vmax，则slope＝-1；若Vk＜Vmax，则slope＝+1；然后改变占空比Dk，得到(k+1)时刻的占空比D(k+1)并经过隔离/驱动电路送至DC/DC变换器，最后返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；
(7)重复步骤(2)至步骤(6)，直至跟踪到光伏电池的最大输出功率。
步骤(4)中所述a(k-1)为(k-1)时刻占空比D(k-1)的调整步长，通过以下公式进行自动在线调整
a(k+1)＝M|ΔP|/a(k)；
式中，a(k)为k时刻占空比Dk的调整步长，0＜a(k)≤1；ΔP为光伏电池在相邻两时刻的功率变化值；M为常数。
步骤(2)中所述电压值Vk通过系统中的电压检测模块测量得到，所述电流值Ik通过系统中的电流检测模块测量得到。
步骤(5)和(6)中占空比D(k+1)均通过公式
D(k+1)＝Dk+α(k)·slope
计算得到。
本发明用于上述方法的应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山系统，包括依次电路连接的光伏电池、DC/DC变换器和铅酸蓄电池，DC/DC变换器和铅酸蓄电池之间的电路设有电压检测模块和电流检测模块，电压检测模块和电流检测模块的出口端分别与微处理器连接，微处理器的出口端通过隔离/驱动电路与DC/DC变换器连接。
所述微处理器为DSP芯片。
所述微处理器包括A/D转换模块、功率计算模块、分析比较模块、最大功率区处理模块、自适应爬山区处理模块、大步长逼近区处理模块和PWM输出端口，其中A/D转换模块通过信号调理电路分别外接电压检测模块和电流检测模块，按照信号方向，A/D转换模块依次连接功率计算模块、分析比较模块和PWM输出端口，分析比较模块和PWM输出端口之间分别设有并联的最大功率区处理模块、自适应爬山区处理模块和大步长逼近区处理模块。
所述电压检测模块为电压传感器，所述电流检测模块为电流传感器。
本发明应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法，其工作原理是：光伏电池的输出功率随温度和光强的变化而变化，一般来说，光伏电池阵列输出功率随着温度的上升而下降，随着光强的增强而增大；由于温度和光强的变化是随机的，因此本发明将某一时刻的光伏电池阵列的P-U曲线分为三个区域：大步长逼近区、自适应爬山区以及最大功率区；然后通过改变不同区域的占空比，从而改善对最大输出功率点的追踪速度和追踪范围。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的分段自适应爬山法及其系统加快了跟踪速度，提高系统抗干扰性。由于该方法将对光伏电池的最大功率跟踪过程分为三部分，在系统处于大步长逼近区域时，仅通过光伏电池端的电压即可判断系统逼近方向和步长，除可加快了跟踪速度，还可在外界环境有较大变化或者系统受到干扰时以最快速度重新到达自寻优区，防止最大功率跟踪在方向和大小上的误判，提高系统抗干扰性。
2、本发明的分段自适应爬山法可加快其系统最大功率点自寻优过程。系统可以根据光伏电池的输出与最大功率点的位置自动改变占空比的步长，从而可以自动调节占空比改变其步长，加快自寻优过程。
3、本发明的分段自适应爬山法减小了其系统在MPP(最大功率点)点处的震荡。当系统工作于最大功率点附近一个较小区域时，认为系统已处于MPP点处，减小系统在最大功率点附近的震荡。
附图说明
图1是现有扰动观察法的流程示意图。
图2是本发明的分段自适应爬山法的流程示意图。
图3是本发明的分段自适应爬山系统的结构示意图。
图4是本发明中光伏电池输出功率的分区示意图。
图5是本发明中光伏电池输出功率P与占空比D的关系曲线示意图。
图6是本发明的分段自适应爬山系统结构中微处理器的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)初始化系统，设定初始变量，包括常数M、常数e1、常数e2、slope＝+1和Vmax同时将光伏电池的输出功率分成如图4所示的大步长逼近区1和6、自适应爬山区2和5、最大功率区3和4；
其中，常数M的值决定了系统的柔韧性；常数e1和e2为的值决定了系统的跟踪精度；slope为占空比D步长a的符号位，其值决定占空比D的变化方向，取+1或-1，如图5所示，当功率减小时，slope取-1，反之，slope取+1；Vmax为系统输出电压的最大值；
(2)测量光伏电池在k时刻输出的电压值Vk和电流值Ik并通过信号调理电路送至系统中微处理器的A/D转换模块，然后功率计算模块根据公式P＝V×I计算k时刻的功率值Pk，再根据公式|ΔP|＝|Pk-P(k-1)|计算出k时刻和(k-1)时刻的功率变化值|ΔP|；
(3)微处理器的分析比较模块将|ΔP|与e1进行比较，若|ΔP|≤e1，则此时光伏电池的输出功率在其最大功率区内，最大功率区处理模块通过PWM端口输出信号，系统返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；若|ΔP|＞e1，则此时光伏电池的输出功率在其自适应爬山区或大步长逼近区，系统进入步骤(4)继续计算；
(4)将|ΔP/a(k-1)|与e2进行比较，若|ΔP/a(k-1)|≤e2，则此时光伏电池的输出功率在其自适应爬山区，自适应爬山区处理模块通过PWM端口输出信号，系统进入步骤(5)进行自适应爬山区占空比的调节；若|ΔP/a(k-1)|＞e2，则此时光伏电池的输出功率在其大步长逼近区，大步长逼近区处理模块通过PWM端口输出信号，系统进入步骤(6)进行大步长逼近区占空比的调节；
(5)判断ΔP是否大于0，若ΔP＞0，则slope＝+1；若ΔP＜0，则slope＝-1；然后改变占空比Dk，得到(k+1)时刻的占空比D(k+1)并经过隔离/驱动电路送至DC/DC变换器，最后返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；
(6)判断Vk与Vmax的大小关系，若Vk＞Vmax，则slope＝-1；若Vk＜Vmax，则slope＝+1；然后改变占空比Dk，得到(k+1)时刻的占空比D(k+1)并经过隔离/驱动电路送至DC/DC变换器，最后返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；
(7)重复步骤(2)至步骤(6)，直至跟踪到光伏电池的最大输出功率。
步骤(4)中所述a(k-1)为(k-1)时刻占空比D(k-1)的调整步长，通过以下公式进行自动在线调整
a(k+1)＝M|ΔP|/a(k)；
式中，a(k)为k时刻占空比Dk的调整步长，0＜a(k)≤1；ΔP为光伏电池在相邻两时刻的功率变化值；M为常数。
步骤(2)中电压值Vk通过系统中的电压检测模块测量得到，电流值Ik通过系统中的电流检测模块测量得到。
步骤(5)和(6)中占空比D(k+1)均通过公式
D(k+1)＝Dk+α(k)·slope
计算得到。
本实施例应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法，其工作原理是：光伏电池的输出功率随温度和光强的变化而变化，一般来说，光伏电池阵列输出功率随着温度的上升而下降，随着光强的增强而增大；由于温度和光强的变化是随机的，因此本发明将某一时刻的光伏电池阵列的P-U曲线分为三个区域：大步长逼近区、自适应爬山区以及最大功率区；然后通过改变不同区域的占空比，从而改善对最大输出功率点的追踪速度和追踪范围。
本实施例用于上述方法的应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山系统，如图3所示，包括依次电路连接的光伏电池、DC/DC变换器和铅酸蓄电池，DC/DC变换器和铅酸蓄电池之间的电路设有电压检测模块和电流检测模块，电压检测模块和电流检测模块的出口端分别与微处理器连接，微处理器的出口端通过隔离/驱动电路与DC/DC变换器连接。
所述微处理器为DSP芯片。
其中微处理器为DSP芯片，采用TI公司的TMS320LF2407A型DSP(数字信号处理器)芯片；DC/DC变换器采用BOOST电路，BOOST电路中的开关管采用绝缘栅双极型晶体管IGBT；电压检测模块采用CHV-25P闭环霍尔电压检测模块；电流检测模块采用CSM005A霍尔闭环电流检测模块；系统中的PWM调制频率为20KHZ。
微处理器的内部结构如图6所示，包括A/D转换模块、功率计算模块、分析比较模块、最大功率区处理模块、自适应爬山区处理模块、大步长逼近区处理模块和PWM输出端口，其中A/D转换模块通过信号调理电路分别外接电压检测模块和电流检测模块，按照信号方向，A/D转换模块依次连接功率计算模块、分析比较模块和PWM输出端口，分析比较模块和PWM输出端口之间分别设有并联的最大功率区处理模块、自适应爬山区处理模块和大步长逼近区处理模块。
电压检测模块为电压传感器，电流检测模块为电流传感器。
本实施例中光伏电池阵列经过DC/DC转换器的电路后，其电流和电压分别经过电流检测模块和电压检测模块，同时将电流电压转化为小于5V的电压信号，然后该组信号送入DSP的A/D转换模块，由功率计算模块和分析对比模块依次对输入的电流和电压信号进行分析处理，再由DSP的PWM输出端口产生PWM波，经过隔离/驱动电路后，驱动DC/DC变换器(BOOST电路)中的IGBT开关管，通过调整开关管的占空比来调节光伏电池阵列的输出，从而实现对光伏电池阵列最大输出功率的跟踪控制。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (6)

1.应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)初始化系统，设定初始变量，包括常数M、常数e1、常数e2、slope＝+1和Vmax；同时将光伏电池的输出功率分成大步长逼近区、自适应爬山区和最大功率区；其中，Vmax为系统输出电压的最大值；
(2)测量光伏电池在k时刻输出的电压值Vk和电流值Ik并通过信号调理电路送至系统中微处理器的A/D转换模块，然后功率计算模块根据公式P＝V×I计算k时刻的功率值Pk，再根据公式|ΔP|＝|Pk-P(k-1)|计算出k时刻和(k-1)时刻的功率变化值|ΔP|；
(3)微处理器的分析比较模块将|ΔP|与e1进行比较，若|ΔP|≤e1，则此时光伏电池的输出功率在其最大功率区内，最大功率区处理模块通过PWM端口输出信号，系统返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；若|ΔP|＞e1，则此时光伏电池的输出功率在其自适应爬山区或大步长逼近区，系统进入步骤(4)继续计算；
(4)将|ΔP/a(k-1)|与e2进行比较，若|ΔP/a(k-1)|≤e2，则此时光伏电池的输出功率在其自适应爬山区，自适应爬山区处理模块通过PWM端口输出信号，系统进入步骤(5)进行自适应爬山区占空比的调节；若|ΔP/a(k-1)|＞e2，则此时光伏电池的输出功率在其大步长逼近区，大步长逼近区处理模块通过PWM端口输出信号，系统进入步骤(6)进行大步长逼近区占空比的调节；
其中，所述a(k-1)为(k-1)时刻占空比D(k-1)的调整步长，通过以下公式进行自动在线调整
a(k+1)＝M|ΔP|/a(k)；
式中，a(k)为k时刻占空比Dk的调整步长，0＜a(k)≤1；ΔP为光伏电池在相邻两时刻的功率变化值；M为常数；
(5)判断ΔP是否大于0，若ΔP＞0，则slope＝+1；若ΔP＜0，则slope＝-1；然后改变占空比Dk，得到(k+1)时刻的占空比D(k+1)并经过隔离/驱动电路送至DC/DC变换器，最后返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；
其中，占空比D(k+1)通过公式
D(k+1)＝Dk+α(k)·slope
计算得到；
(6)判断Vk与Vmax的大小关系，若Vk＞Vmax，则slope＝-1；若Vk＜Vmax，则slope＝+1；然后改变占空比Dk，得到(k+1)时刻的占空比D(k+1)并经过隔离/驱动电路送至DC/DC变换器，最后返回步骤(2)进行下一时刻的功率变化值测量和计算；
其中，占空比D(k+1)通过公式
D(k+1)＝Dk+α(k)·slope
计算得到；
(7)重复步骤(2)至步骤(6)，直至跟踪到光伏电池的最大输出功率。
2.根据权利要求1所述应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山法，其特征在于，步骤(2)中所述电压值Vk通过系统中的电压检测模块测量得到，所述电流值Ik通过系统中的电流检测模块测量得到。
3.用于权利要求1～2任一项所述方法的应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山系统，其特征在于，包括依次电路连接的光伏电池、DC/DC变换器和铅酸蓄电池，DC/DC变换器和铅酸蓄电池之间的电路设有电压检测模块和电流检测模块，电压检测模块和电流检测模块的出口端分别与微处理器连接，微处理器的出口端通过隔离/驱动电路与DC/DC变换器连接。
4.根据权利要求3所述应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山系统，其特征在于，所述微处理器为DSP芯片。
5.根据权利要求3所述应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山系统，其特征在于，所述微处理器包括A/D转换模块、功率计算模块、分析比较模块、最大功率区处理模块、自适应爬山区处理模块、大步长逼近区处理模块和PWM输出端口，其中A/D转换模块通过信号调理电路分别外接电压检测模块和电流检测模块，按照信号方向，A/D转换模块依次连接功率计算模块、分析比较模块和PWM输出端口，分析比较模块和PWM输出端口之间分别设有并联的最大功率区处理模块、自适应爬山区处理模块和大步长逼近区处理模块。
6.根据权利要求3所述应用于光伏电池最大功率跟踪的分段自适应爬山系统，其特征在于，所述电压检测模块为电压传感器，所述电流检测模块为电流传感器。
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