CN101651436B - 一种高精度最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度最大功率点跟踪方法，本方法是一种变步长寻优和基于功率预测的扰动观察法相结合MPPT算法，即基于功率预测的变步长扰动观察法。能够克服常规扰动观察法、变步长扰动观察法等方法的缺点，解决误判及局部最大功率等问题，快速、精确跟踪到最大功率点。

Description

一种高精度最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及各种光伏发电系统最大功率点跟踪方法。

背景技术

对于光伏系统，最重要的就是调节PV端电压，使其迅速收敛至最大功率点。扰动观察法因为其算法简单，测量参数少而应用极其广泛，但也存在明显的缺点：一方面即使已经运行在最大功率点附近，扰动仍不停止，即出现电压振荡而导致部分功率损失；另一方面，当光强快速变化时容易发生误判。常规的扰动观察法由于采用固定的步长进行运算，存在明显缺陷：若步长过小，会使光伏阵列较长时间滞留在低功率输出区；若步长过大，又会使系统振荡加剧。

变步长扰动观察法是在常规扰动观察法基础上提出的，其可以在一定程度上解决固定步长存在的问题，在快速性和精确性方面与扰动观察法相比有很大的提高，在外界环境变化不大的情况下，能够精确跟踪到最大功率点。但是如果在有云的天气下，光照强度变化比较剧烈，仍然会出现误判现象。并且当外界环境，如光照强度，温度等变化时，光伏曲线有可能出现局部最大功率点等情况，变步长扰动观察法在这种情况下将失效。

发明内容

本发明提出一种变步长寻优和基于功率预测的扰动观察法相结合MPPT算法，即基于功率预测的变步长扰动观察法，能够克服常规扰动观察法、变步长扰动观察法等方法的缺点，解决误判及局部最大功率等问题，快速、精确跟踪到最大功率点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高精度最大功率点跟踪的方法，逆变器正常运行后，分别测量第k，第k+1/2以及第k+1个周期时光伏阵列输出的直流电压和直流电流，根据公式P(K)＝V(K)*I(K)分别计算P(K)、P(K+1/2)、P(K+1)的功率，P′(K)按公式(1)计算，公式(1)为P′(K)＝2P(K+1/2)-P(K)，再按公式dP＝P(K+1)-P′(K)计算功率差值，根据公式|dP/a(k-1)|进行判别，如果|dP/a(k-1)|＞e，则执行下一步判断，判断dP，若dP＞0，则Slope＝1，反之Slope＝-1。如果|dP/a(k-1)|＜e，也对dP进行判别，dP＜0直接进入下一步操作，dP＞0则Slope取反，然后通过公式

在线计算a(k)，最后算出占空比D(K)对BOOST电路进行控制，如此不断循环寻找最大功率点；

其中：V(K)为直流电压采样值；I(K)为直流电流采样值；P(K)为KT时刻在电压V_K处测得功率；P(K+1/2)为(K+1/2)T时刻在电压V_K处测得功率；P′(K)为(K+1)T时刻预测功率；P(K+1)为(K+1)T时刻测得电压V_K+1处的功率；dP为(K+1)T时刻同一曲线上的功率值差值；a(k)为本周期用于调整的占空比；a(k-1)为上一周期用于调整的占空比；e为允许的误差值；c为恒定系数；D(K)为本周期占空比；D(K-1)为上一周期占空比；Slope为扰动方向。

本发明提出一种基于功率预测的变步长扰动观察法，不仅能够在外部环境不变的情况下快速、精确跟踪到最大功率点，而且在光照很弱，如早上或晚上或外部环境快速变化的情况下，克服误判现象，并且避免跟踪到局部最大功率点，跟踪到真正的最大功率点。能够显著的减小能量损失。提高系统跟踪精度及整个光伏系统的效率。

附图说明：

图1为功率预测示意图。

图2为基于功率预测的变步长扰动观察法的MPPT算法的流程图。

图3基于前级DC-AC逆变器实现MPPT的并网逆变器系统结构图

具体实施方式：

如图1所示，由于开关频率较高，这里我们可以假定在一个周期中，光照的变化速率恒定。KT时刻在电压V_K处测得功率P(K)，此时并不对参考电压加扰动，在(K+1/2)T时刻增加一次测量，测得功率P(K+1/2)，得到预测功率：

P′(K)＝2P(K+1/2)-P(K)    (1)

然后在(K+1/2)T时刻使参考电压增加ΔV，在(K+1)T时刻测得电压V_K+1处的功率P(K+1)，计算功率值差值dP＝P(K+1)-P′(K)。

实现变步长算法时，一般在电流变化率低于7％时，认为光伏阵列工作于类似恒流源区，此时每次电压变化的步长为原来电压的10％；而当电流变化率高于7％时，则认为光伏阵列工作在最大功率点附近或类似恒压源区，此时每次电压变化的步长为原来电压的0.3％。变步长算法在不改变精度的情况下，加快了寻优的速度。在基于开关变换器的光伏发电系统中，MPPT总是通过控制开关的占空比来实现的，即通过判断逻辑，直接调整占空比D，D(k)＝D(k-1)±step，其中step是控制步长。当step是定值时，即属于定步长的MPPT算法；而当step是变值时，即属于变步长的MPPT算法。对于变步长的MPPT算法，通常考虑将step设为dP/dU的线性函数，即

$D\left(k\right)=D(k-1)\±N\×\left|\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}\right|---\left(2\right)$

其中：N为比例因数。

当采用数字电路实现时，上式可转化为

$D\left(k\right)=D(k-1)\±N\×\left|\frac{P\left(k\right)-P^{\′}(k-1)}{U\left(k\right)-U(k-1)}\right|---\left(3\right)$

其中N为一个常量。

该算法的具体实施方案采用基于前级DC-DC变换器MPPT控制的两级光伏并网逆变器，系统结构如图3所示(以并网逆变器为例进行说明，离网型类似)。图中：前级的Boost型DC-DC变换器主要完成MPPT控制，即根据采样当前光伏阵列的输出电压和电流，经过MPPT控制算法并通过控制Boost变换器开关管的占空比来调节光伏阵列的工作点，使其逼近光伏阵列的最大功率点，图中的MPPT模块即采用本专利的上述算法；而后级的DC-AC逆变器部分主要完成稳定中间DC母线电压以及实现网侧单位功率因数正弦电流控制。

由于后级的DC-AC逆变器部分能够稳定中间直流母线电压，因此随着前级Boost变换器开关占空比的增、减而使光伏阵列的输出电压也相应减、增。另外从伏安特性曲线可以知道：光伏电池阵列的工作点是随其工作电压的变化而变化的，改变光伏电池阵列的工作电压就能唯一的决定其工作点的位置，因而通过改变前级Boost变换器的开关占空比来调节光伏阵列的工作电压，就可以方便地实现并网逆变器的MPPT控制。

本文的算法，通过汇编或C语言程序写入逆变器核心控制芯片DSP，驱动前级BOOST电路按照流程图的算法进行工作，即能很好地跟踪到最大功率点。

Claims (1)

1.一种高精度最大功率点跟踪方法，其特征在于逆变器正常运行后，分别测量第k，第k+1/2以及第k+1个周期时光伏阵列输出的直流电压和直流电流，根据公式P(K)＝V(K)*I(K)分别计算P(K)、P(K+1/2)、P(K+1)的功率，P′(K)按公式(1)计算，公式(1)为P′(K)＝2P(K+1/2)-P(K)，，再按公式dP＝P(K+1)-P′(K)计算功率差值，根据公式|dP/a(k-1)|进行判别，如果|dP/a(k-1)|＞e，则执行下一步判断，判断dP，若dP＞0，则Slope＝1，反之Slope＝-1；如果|dP/a(k-1)|＜e，也对dP进行判别，dP＜0直接进入下一步操作，dP＞0则Slope取反，然后通过公式 

在线计算a(k)，最后算出占空比D(K)对BOOST电路进行控制，如此不断循环寻找最大功率点；

其中：V(K)为直流电压采样值；I(K)为直流电流采样值；P(K)为KT时刻在电压V_K处测得功率；P(K+1/2)为(K+1/2)T时刻在电压V_K处测得功率；P′(K)为(K+1)T时刻预测功率；P(K+1)为(K+1)T时刻测得电压V_K+1处的功率；dP为(K+1)T时刻同一曲线上的功率值差值；a(k)为本周期用于调整的占空比；a(k-1)为上一周期用于调整的占空比；e为允许的误差值；c为恒定系数；D(K)为本周期占空比；D(K-1)为上一周期占空比；Slope为扰动方向。 

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