CN101694942B - 最大功率追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种最大功率追踪方法，其检测作为最大功率追踪对象的发电设备的输出功率P和该输出功率的控制变量X，并确定该控制变量X与所述输出功率P的关系P(x)，在控制变量X的变动范围[x_min，x_max]内以x_io、X′_opt和X_opt为临界点依次分成四个区域，在每个区域使用不同的并网功率P_e，并以A_opt为嵌位点实行并网定功率控制，从而该方法简单、便于实现、抗干扰能力强，且有利于电力系统的稳定控制。

Description

最大功率追踪方法

(一)技术领域

本发明涉及一种最大功率追踪方法，具体是应用于风力发电和太阳能发电系统的最大功率追踪方法。最大功率追踪又称最大功率点跟踪，即Maximum Power Point Tracking，简称MPPT，指控制器能够实时侦测发电设备的发电电压，并追踪最大功率值，使系统以最高的效率对蓄电池充电或并入电网。

(二)背景技术

随着社会的快速发展，能源危机逐渐凸显，以风力发电和太阳能发电为主的新能源发电技术得到快速发展。MPPT技术是新能源发电系统的关键技术之一，短短十多年中，MPPT方法被不断的提出，常用的MPPT方法有：恒电压追踪(CVT)法、扰动观测法(P&O)、导纳增量法(INC)、间歇扫描法、实时监测法。

不同的MPPT方法适用于不同的场合。例如，在航天火箭和空间站这些需要大量资金的应用情况，MPPT控制器的成本和复杂性不如它的性能和可靠性重要。因为控制器需要在尽可能短的时间和不需周期调节的前提下，不断追踪到真正的最大功率点(MPP)，则P&O，INC和RCC较适合。太阳能汽车最需快速收敛到MPP，那么模糊控制，神经网络，RCC是较好选择。又因为太阳能汽车的负载主要包含电池，所以也可以考虑负载电流或电压最大化方法。

下面详细介绍几种常用MPPT方法的原理：

1)恒电压法(CVT)

恒电压追踪方法并不是严格意义上的最大功率追踪方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理是：通过对光伏电池输出特性的分析可知，最大功率点一般位于(0.75～0.95)U_oc(开路电压)或者(0.85～0.95)I_sc(短路电流)之间，该特性与光伏电池的材料和制造工艺有很大关系。那么若当前温度下的电池开路电压已知，就可计算出此时的最大功率点电压，只要控制光伏电池的输出电压在这一点上，就可大致保证在该温度下光伏电池输出最大功率。把最大功率点追踪简化为恒电压追踪(CVT)，这就是CVT控制的理论依据。

衡电压法缺点在于，控制精度差，系统最大功率追踪的精度取决于给定电压值选择的合理性，控制的适应性差。当系统外界环境发生变化，如日照强度，光伏电池板温度发生改变时系统难以进行准确的最大功率点追踪。

2)扰动观测法(P&O)

扰动观测法的基本原理是人为给光伏电池组件的端口电压增加一个扰动量，将扰动前后的光伏电池输出功率进行比较：若扰动后光伏电池的输出功率增加，则说明此前的扰动能够提高光伏电池的输出功率，下一次则往相同的方向继续扰动光伏电池组的输出电压；反之，若扰动后光伏电池的输出功率减少，则说明扰动不利于增加光伏电池的输出功率，下一次则往相反的方向扰动。

由于扰动观测法需要时刻对光伏电池的端口电压进行扰动，因此也具有一些不可避免的缺点：稳态时，只能在最大功率点附近振荡运行，造成一定的功率损失，这个缺点是由扰动观测法自身的原理所造成的，因此无法进行完全的避免，只能通过合理选择扰动量大小的方法来减小功率损失。

3)增量电导法(INC)

光伏阵列输出功率P＝IV

两边对V求导，得

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=\frac{d\left(\mathrm{IV}\right)}{V}=I+V\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}$

说明书附图1示出了增量电导法的原理，如图示：

当 $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}>0$ 时，V小于最大功率点电压V_max；

当 $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}<0$ 时，V大于最大功率点电压V_max；

当 $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=0$ 时，V即为最大功率点电压V_max。

即：当V小于最大功率点电压时， $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}-\frac{I}{V}>0$

当V大于最大功率点电压时， $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}-\frac{I}{V}<0$

当V等于最大功率点电压时， $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}-\frac{I}{V}=0$

这样，可以根据

与之间的关系来调整工作点电压而实现最大功率点的追踪。图2即为增量电导法的流程图。

增量电导法的主要缺点是，由于增量电导法在进行控制判断时需要较多的运算判断，控制算法相对复杂，对控制系统要求较高。

4)间歇扫描法

间歇扫描法实现MPPT的原理是让系统定时地工作在一段电压范围内(通常是0.75～0.9倍的开路电压)，记录下不同工作电压对应的输出功率，经过计算、比较，从而确定这个范围内的最大功率点。这个方法不需要不停地搜索，只要定时地重复上述过程，但它不能及时有效地追踪最大功率点，对数字处理芯片的计算能力要求较高。

5)实时监控法

实时监控法是利用一个和主光伏阵列特性一样的小电池模块作为对系统参数的检测工具，通过测量小电池模块的开路电压、短路电流、日照强度和温度等参数，利用已有的光伏电池的模型知识，来分析计算实时的光伏电池的最大功率点电压，从而使主阵列获得最大的功率输出。这种方法需要额外的光伏电池，并且要求有光伏电池复杂而精确的数学模型。

(三)发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种可用于风力发电系统和光伏发电系统的最大功率追踪方法，该方法简单、便于实现、抗干扰能力强，且有利于电力系统的稳定控制。

本发明采用以下技术方案：

该发明最大功率追踪方法，其包括以下步骤：

a)检测作为最大功率追踪对象的发电设备的输出功率P和该输出功率的控制变量X，并确定该控制变量X与所述输出功率P的关系P(x)；

b)确定所述控制变量X的变动范围[x_min，x_max]和该范围内发电设备的最大功率P_max及该最大功率对应的控制变量X^*；

c)获取最大功率运行点A_opt及其控制变量X_opt，和依据发电设备输出功率-控制变量曲线获取与所述最大功率运行点等值输出功率对应的控制变量X′_opt，以及发电设备并网临界控制变量值X_io；

d)把控制变量的变动范围[x_min，x_max]以X_io、X′_opt和X_opt为临界点依次分成四个区域，在每个区域使用不同的并网功率P_e，并以A_opt为嵌位点实行并网定功率控制。

根据本发明技术方案的最大功率追踪方法采用功率嵌位的方法可以有效地避免不断的功率波动对电网的冲击和负面影响，有利于整个电力系统的稳定运行，提高其安全性。另一方面，将发电设备功率输出特性曲线划分为四个不同的区间，每个区间特性不同，而采用不同的控制策略，简化了控制，并且由于控制变量容易获取，其控制本身易于实现。此外，依据输出功率-控制变量曲线可以清楚的得知发电设备正常工作后，也就是所说的后两个临界点之间的区间，采用定功率运行，可以保证发电设备输出最大功率，提高经济性。

且易于验证的是稳定运行点A_opt处具有小干扰稳定性，由于上述曲线为类似于抛物线的帽子形状，除了最大输出功率点外，其余每个输出功率均对应两个运行点，由于曲线的最小值到最大值间斜率是大于零的，另一边是小于零的，前者对应的是不稳定运行点，后者是稳定运行点，由于实行定功率控制，那么在当发电设备运行在稳定运行点A_opt对应的不稳定运行点上时，任何小扰动都将使得运行点自动过渡到具有稳定性的A_opt点。

本方案可以通过改变发电设备输出功率和控制变量的采样方式和采样周期灵活的控制，能有效地避免测量误差和环境中的小干扰，抗干扰能力强、运行可靠，且控制灵活。

上述最大功率追踪方法，所述步骤c)中A_opt的获取方法是在输出功率P的减区间内，取P＝P_opt＝(1-δ₀)P_max，该输出功率输出点为最大功率输出点，其中参数δ₀为补偿发电设备至电网间的功率损耗P_Loss及系统波动幅度所引起的系统稳定性的补偿系数。

上述最大功率追踪方法，所述步骤d)所采用的并网功率方法是：

1)在控制变量X小于X_io，控制送入电网的功率P_e＝0；

2)控制变量大于等于X_io而小于X′_opt时，控制送入电网的功率P_e＝max(0，2P-(1+δ)P_max)，其中δ为大于0的正数；

3)控制变量大于等于X′_opt而小于等于X_opt时，控制送入电网的功率P_e＝(1-δ₀)P_max；

4)控制变量大于X_opt时，控制送入电网的功率P_e＝(1+δ)P_max。

上述最大功率追踪方法，取步骤a)中检测发电设备输出功率P和控制变量X的采样周期为T_s，令P(i)和X(i)为当前时刻i的测量值，P(i-1)和X(i-1)为上一时刻i-1的测量值，在X(i)≥X_io的情况下：

i.若P(i)∈[P_opt，P_max]，控制并保持P_e＝P_opt；

ii.在不满足步骤i的情况下，控制P_e＝max(0，2P(i)-(1+δ)P_max)的条件是P(i)＞P(i-1)且X(i)＞X(i-1)，或者P(i)＜P(i-1)且X(i)＜X(i-1)；

iii.在不满足步骤i的情况下，控制P_e＝(1+δ)P_max的条件是P(i)＞P(i-1)且X(i)＜X(i-1)，或者P(i)＜P(i-1)且X(i)＞X(i-1)；

iv.控制P_e＝P_opt的条件是，若i-1时刻，运行点位于步骤ii控制变量的区间内而在i时刻进入步骤iii的区间内；或者，若i-1时刻，运行点位于步骤iii控制变量的区间内而在i时刻进入步骤ii的区间内；该两条件任一条件满足时，发电设备的最大功率P_max＝P(i-1)及该最大功率对应的控制变量X^*＝X(i-1)。

上述最大功率追踪方法，当检测发电设备输出功率P和控制变量X的采样失真或超过预定误差，加大采样周期T_s。

上述方法，采用控制变量的动态方程 $\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{M}(P\left(X\right)-P_e)$ 验证当前点的稳定性。

上述最大功率追踪方法，所述控制变量在发电设备是光伏发电设备时为其出口直流电压U_DC，是风力发电设备时为风力机主轴转速ω_m。

(四)附图说明

下面结合说明书附图对本发明的技术方案再进一步的阐述，使本领域的技术人员更好的理解本发明，其中：

图1为增量电导法原理图。

图2为增量电导法算法流程图。

图3为本发明实施例中最大功率追踪方法原理示意图。

图4为并网光伏电站系统框图。

图5为光辐照度变化曲线和光伏阵列出口直流电压变化曲线图，该图取自监控仪器，横轴为时间轴(0.02s)，纵轴下半部分出口直流电压(100V)，上半部分为光辐照度(50，极点是500)。

图6为电网三相相电压、光伏电站注入电网电流和功率，该图取自监控仪器，横轴为时间轴(0.02s)，纵轴的三部分从下至上分别为光伏电站注入电网功率(0.5*10⁴)，光伏电站注入电网电流(±20)，电网三相相电压(±200)。

图7为本发明实施例中最大功率追踪方法追踪最大功率过程曲线。

图中：1、光伏阵列，2、稳压电容，3、DC-DC变换器，4、DC-AC变换器，5、滤波器，6、变压器，7、母线，8、电网。

(五)具体实施方式

参照说明书附图3，一个实例一种最大功率追踪方法，其包括以下步骤：

a)检测作为最大功率追踪对象的发电设备的输出功率P和该输出功率的控制变量X，并确定该控制变量X与所述输出功率P的关系P(x)；

b)确定所述控制变量X的变动范围[x_min，x_max]和该范围内发电设备的最大功率P_max及该最大功率对应的控制变量X^*；

c)获取最大功率运行点A_opt及其控制变量X_opt，和依据发电设备输出功率-控制变量曲线获取与所述最大功率运行点等值输出功率对应的控制变量X′_opt，以及发电设备并网临界控制变量值_Xio；

d)把控制变量的变动范围[x_min，x_max]以X_io、X′_opt和X_opt为临界点依次分成四个区域，在每个区域使用不同的并网功率P_e，并以A_opt为嵌位点实行并网定功率控制。

其中所说的四个区域依次定义为I区、II区、III区和IV区。

所述步骤c)中A_opt的获取方法是在输出功率P的减区间内，取P＝P_opt＝(1-δ₀)P_max，该输出功率输出点为最大功率输出点，其中参数δ₀为主要补偿发电设备至电网间的功率损耗P_Loss的补偿系数，该补偿系数还考虑系统波动所引起的系统运行稳定性，其值是一个常数，根据发电设备的特性可以很容易计算出来，从而可以使功率追踪更可信。

所述步骤d)所采用的并网功率方法是：

1)在控制变量X小于X_io，也就是I区，控制送入电网的功率P_e＝0；

2)控制变量大于等于X_io而小于X′_opt时，也就是II区，控制送入电网的功率P_e＝max(0，2P-(1+δ)P_max)，其中δ为大于0的正数；

3)控制变量大于等于X′_opt而小于等于X_opt时，也就是III区，控制送入电网的功率P_e＝(1-δ₀)P_max；

4)控制变量大于X_opt时，也就是IV区，控制送入电网的功率P_e＝(1+δ)P_max。

其中，对III区和IV区实行定功率控制，尤其是前者，所选择的具有稳定性的A_opt，不仅是系统运行稳定性好，且可以保证发电设备输出最大功率以提高经济性。此外又I区和II区并没有完全利用发电设备的所有输出功率，储存在稳定电容内，因此IV区的功率输出也是能够保证的，且是稳定的。

发电设备输出特性曲线受多种因素影响(以光伏阵列为例，其输出特性曲线受光辐照度、温度、风速等多种外界条件影响)而时刻变化，又由该例上面步骤4)知道，由运行点由II区进入IV区或由IV进入II的时刻来确定P_max＝P(i-1)，与发电设备输出特性曲线真实的最大功率很难相等。再有，由上面对功率钳位式的最大功率追踪方法的阐述可知，(1+δ)P_max稍大于发电设备输出特性曲线真实的最大功率是必要的，通过设置可靠系数δ可起到补偿这种误差的作用。

为了更方便的确定发电设备并网功率的转换，取步骤a)中检测发电设备输出功率P和控制变量X的采样周期为T_s，令P(i)和X(i)为当前时刻i的测量值，P(i-1)和X(i-1)为上一时刻i-1的测量值，在X(i)≥X_io的情况下：

i.若P(i)∈[P_opt，P_max]，控制并保持P_e＝P_opt；

ii.在不满足步骤i的情况下，控制P_e＝max(0，2P(i)-(1+δ)P_max)的条件是P(i)＞P(i-1)且X(i)＞X(i-1)，或者P(i)＜P(i-1)且X(i)＜X(i-1)；

iii.在不满足步骤i的情况下，控制P_e＝(1+δ)P_max的条件是P(i)＞P(i-1)且X(i)＜X(i-1)，或者P(i)＜P(i-1)且X(i)＞X(i-1)；

iv.控制P_e＝P_opt的条件是，若i-1时刻，运行点位于步骤ii控制变量的区间(II区)内而在i时刻进入步骤iii的区间(III区)内；或者，若i-1时刻，运行点位于步骤iii控制变量的区间内而在i时刻进入步骤ii的区间内，该两条件任一条件满足时，发电设备的最大功率P_max＝P(i-1)及该最大功率对应的控制变量X^*＝X(i-1)。

当检测发电设备输出功率P和控制变量X的采样失真或超过预定误差，加大采样周期T_s，可以用简单的方法解决测量误差及环境中的小干扰。

采用控制变量的动态方程 $\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{M}(P\left(X\right)-P_e)$ 验证当前点的稳定性。式中M与发电设备有关，若是光伏发电设备，则指稳压电容C与相应控制变量的积。一个例子，在III区内，施行定功率控制策略P_e＝P_opt时，发电设备有两个可能的运行点A′_opt和A_opt。

将上式在A′_opt和A_opt点处进行线性化得到：

$\frac{\mathrm{d\&Delta;X}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{M}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dX}}\mathrm{\&Delta;X}$

特征方程为：

$\mathrm{\&lambda;}-\frac{1}{M}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dX}}=0$

从而，系统只有一个实数特征根：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{1}{M}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dX}}$

在A′_opt运行点处，由于 $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dX}}>0$ ，从而λ为一个大于0的实数，也即A′_opt点是不稳定运行点。而在A_opt点处，由于 $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dX}}<0$ ，从而λ为一个小于0的实数，也即A_opt点是稳定运行点。因此，在III内的A′_opt点处运行时，任何小扰动都将使得运行点自动过渡到具有稳定性的A_opt点。

所述控制变量在发电设备是光伏发电设备时为其出口直流电压U_DC，是风力发电设备时为风力机主轴转速ω_m。

以光伏发电设备为例，实施例条件设定：光伏阵列并网发电系统，系统结构如图4所示，控制变量为稳压电容电压U_DC，并网运行最低电压为500V(直流)，δ＝0.1，δ₀＝0.03。光辐照度依照图5上图所示进行变化

光伏电站光辐照度变化，光伏电站动态特性随之发生改变，依照所提功率钳位式最大功率追踪方法追踪最大功率的仿真结果分别如图5、图6和图7所示。

图5下面的小图显示了随着光辐照度的变化，光伏阵列出口直流电压的变化过程。光辐照度由0突变为1000时，光伏阵列为稳压电容充电，直流电压在0.008s左右上升至500V，电站并网运行(见图5、图6)。光辐照度由1000降至500时，在所提最大功率追踪方法的控制下，经过0.04s左右，系统稳定运行在新的稳定点(见图6、图7)。

本实施例结果验证了本发明所提出的对并网功率进行嵌位的最大功率追踪方法的可行性和有效性。

Claims (4)

1.一种最大功率追踪方法，其特征在于其包括以下步骤：

a)检测作为最大功率追踪对象的发电设备的输出功率P和该输出功率的控制变量X，并确定该控制变量X与所述输出功率P的关系P(x)，其中控制变量X在发电设备是光伏发电设备时为其出口直流电压U_DC，是风力发电设备时为风力机主轴转速ω_m；

b)确定所述控制变量X的变动范围[x_min，x_max ]和该范围内发电设备的最大功率P_max及该最大功率对应的控制变量X^*；

c)获取最大功率运行点A_opt及其控制变量X_pot，和依据发电设备输出功率-控制变量曲线获取与所述最大功率运行点等值输出功率对应的控制变量X′_opt，以及发电设备并网临界控制变量值X_io，其中最大功率运行点A_opt的获取方法是在输出功率P的减区间内，取P＝P_opt＝(1-δ₀)P_max，该输出功率输出点为最大功率输出点，其中参数δ₀为补偿发电设备至电网间的功率损耗P_Loss及系统波动幅度所引起的系统稳定性的补偿系数；

d)把控制变量的变动范围[x_min，x_max ]以X_io、X′_opt和X_opt为临界点依次分成四个区域，在每个区域使用不同的并网功率P_e，并以A_opt为嵌位点实行并网定功率控制，其中在每个区域使用不同的并网功率P_e的方法为：

1)在控制变量X小于X_io控制送入电网的功率P_e＝0；

2)控制变量大于等于X_io而小于X′_opt时，控制送入电网的功率P_e＝max(0，2P-(1+δ)P_max)，其中δ为正数；

3)控制变量大于等于X′_opt而小于等于X_opt时，控制送入电网的功率P_e＝(1-δ₀)P_max；

4)控制变量大于X_opt时，控制送入电网的功率P_e＝(1+δ)P_max。

2.根据权利要求1所述的最大功率追踪方法，其特征在于：取步骤a)中检测发电设备输出功率P和控制变量X的采样周期为T_s，令P(i)和X(i)为当前时刻i的测量值，P(i-1)和X(i-1)为上一时刻i-1的测量值，在X(i)≥X_io的情况下： 

i.若P(i)∈[P_opt，P_max]，控制并保持P_e＝P_opt；

ii.在不满足步骤i的情况下，控制P_e＝max(0，2P(i)-(1+δ)P_max)的条件是P(i)＞P(i-1)且X(i)＞X(i-1)，或者P(i)＜P(i-1)且X(i)＜X(i-1)；

iii.在不满足步骤i的情况下，控制P_e＝(1+δ)P_max的条件是P(i)＞P(i-1)且X(i)＜X(i-1)，或者P(i)＜P(i-1)且X(i)＞X(i-1)；

iv.控制P_e＝P_opt的条件是，若i-1时刻，运行点位于步骤ii控制变量的区间内而在i时刻进入步骤iii的区间内；或者，若i-1时刻，运行点位于步骤iii控制变量的区间内而在i时刻进入步骤ii的区间内；该两条件任一条件满足时，发电设备的最大功率P_max＝P(i-1)及该最大功率对应的控制变量X^*＝X(i-1)。

3.根据权利要求2所述的最大功率追踪方法，其特征在于：当检测发电设备输出功率P和控制变量X的采样失真或超过预定误差，加大采样周期T_s。

4.根据权利要求3所述的最大功率追踪方法，其特征在于：在光伏发电设备中采用控制变量的动态方程 验证当前点的稳定性，其中M为稳压电容与相应控制变量的积。 

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