CN101719737A - 一种太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种寻找太阳能光伏板最大功率点的扫描方法。包括下列步骤：(1)根据太阳能光伏功率电压特性曲线确定需要扫描的功率区间，根据此功率区间确定需要扫描的电压范围(A-B)；(2)在需要扫描的电压范围(A-B)内确定两个黄金分割点(X1、X2)，并计算这两个黄金分割点对应的实际功率；(3)确定下一次扫描的电压范围；(4)在新的扫描电压范围内确定新的黄金分割点，并计算新的黄金分割点对应的功率，回到步骤(3)，以此类推，直到找到最大功率点；(5)找到最大功率点后，对其进行跟踪。该方法能在短时间内寻找到最大功率点，减少能量损失。

Description

一种太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏板，特别涉及一种太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪法。

背景技术

目前业界通用的太阳能最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)的算法极多，比较典型的有如恒压法(或开路电压法)、短路电流法、扰动观察法、导纳增量法(导纳增量法)、变步长的导纳增量法或变步长的扰动观察法、扫描法(扰动观察法的一种改良法)，还有一些算法是在此些算法的基础上的改进，或为解决一些实际问题如局部阴影、光强弱等情况下的算法存在的不足。恒压法与短路电流法控制与算法简单，但这两种跟踪算法的效率都不是太高。目前用得最多是扰动观察法和导纳增量法。

扰动观察法主要是理论依据在最大功率点处dP/dV＝0，并且在最大功率点两边满足下式：

上式是光伏器件在最大功率点两侧dP/dV的特性表达式。式中dP、dV分别代表相邻两个采样周期光伏器件的输出功率和输出电压的变化。扰动观察法(Perturbation&Observation Method，P&O)利用光伏器件这一特性进行最大功率点跟踪控制的。该方法通过不断地根据功率和电压变化量的符号来判断工作在最大功率电的左侧还是右侧，如果在左侧就减小占空比增加输出电压，如果在右侧就增加占空比减小输出电压，最终在最大功率点附近左右扰动，调节光伏器件MPPT电路的工作状态来比较电路调整前后光伏器件输出功率和输出电压的变化情况，再根据变化情况调整MPPT电路的工作，最后使光伏器件工作在最大功率点附近。

导纳增量法也是常用的一种MPPT控制方法。其控制思想与扰动观察法类似，也是利用dP/dV的方向进行最大功率点跟踪控制，只是光伏器件工作在最大功率点时控制有所不同。由P＝VI和最大功率点处的光伏器件特性dP/dV＝0可推导出公式：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=-\frac{I}{V}\\ \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V\·\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0\end{array}\right.\→\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}+\frac{I}{V}=0$

实现方式：首先假设光伏阵列模块工作在一给定工作点；然后采样光伏阵列模块的电压和电流，计算：ΔV＝V(n)-V(n-1)和ΔI＝I(n)-I(n-1)，其中(n)表示新的采样值，(n-1)表示前一次的采样值；如果ΔV为0，表明工作电压没有改变，可以直接利用ΔI的符号判断最大功率点的位置；ΔI为0表明功率点没变返回进入下一调整周期，如果ΔI大于0调整占空比使电压升高来增大功率，如果ΔI小于0调整占空比使电压降低来减小功率(光强降低了)，反之如果ΔV不为0则依据ΔI/ΔV+I/V的符号判断；最后根据前一次的电流参考值加上本次检测所得信息得到新的电流参考值。当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列模块工作在最大功率点。导纳增量法基本消除了光伏器件在最大功率点处的功率振荡现象。但该方法对光伏器件输出电压、输出电流等参数的采样精度要求较高，计算过程也比较复杂。

扰动观察法和导纳增量法都是在先找到最大功率点后进行的跟踪算法，在之前的找最大功率点一般都是在全范围内采用固定步长进行扫描，采用相关MPPT算法的DC/DC电路开关管占空比采用固定步长从最小逐步增加，占空比每次增加后与前一周期进行输出功率比较，直到找到输出功率比前、后周期都大的点，然后以此点为当前最大功率点进行扰动观察跟踪或导纳增量跟踪。由于为计算出每一周期输出功率的正确性，每一周期时间间隔一般相对都会较长(几毫秒至几十毫秒)，全范围扫描一次时间就会相应较长，由于寻找过程不是工作在最大功率点，相对而言，就有能量损失。时间越长，损失就越大。如步长加大，所找的最大功率点与实际功率点偏差也越大，需要变小步长在所找最大功率点前后两个占空比之间进行二次找最大功率点，这个过程也存在一定的能量损失。另外，由于光强是不断变化的，在跟踪时由于最大功率的变化会造成跟踪失败，为解决这个问题，在算法中往往需要在跟踪失败时或定时进行一次全范围扫描(或部分范围)重新寻找最大功率点，这也会造成能量损失，特别是采用定时全范围扫描的算法，能量损失更大。

因此，传统的扰动观察法、导纳增量法及它们的各种改进方法、其它跟踪方法在需要进行先寻找最大功率点进行全范围(或部分范围)扫描时，由于其扫描方法不是最优的，会造成一定的能量损失；为解决光强变化、局部阴影等问题产生跟踪失败需要进行重新全范围(或部分范围)扫描时，由于其扫描方法不是最优的，会造成一定的能量损失。如采为1％步长占空比进行扫描时，占空比从0扫到100％需要计算101次，每次占用10毫秒，将用1秒时间才能扫完，且精度只有1％。如为防跟踪指失败需要每5秒进行一次全范围扫描时，能量损失就为较大。太阳能光伏整体的转换率就会较低。

综上所述，传统的扰动观察法存在如下问题：

1、开机需在先扫描找最大功率点，由于扫描方法不是最优的，存在能量损失相对较多；

2、为防跟踪失败需要定时扫描，由于扫描方法不是最优的，存在能量损失相对较多；

3、为防跟踪失败需要定时扫描，定时周期短，能量损失较多，定时周期长，则可能存在较长时间跟踪丢失。

4、由于系统测量精度所限，最大功率点跟踪不准确或易失败。

发明内容

本发明的目的是一种太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，所要解决的技术问题是：能在短时间内寻找到最大功率点，减少开机扫描和定时扫描寻最大功率点过程中的能量损失；

本发明进一步所要解决的技术问题是：防止正常天气下因环境条件变化或系统测量精度受限引起的最大功率点跟踪不准确或易失败，防止异常天气变化引起的跟踪失败。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，其特征在于：包括下列步骤，(1)确定需要扫描的最大电压范围：根据太阳能光伏功率电压特性曲线和环境条件确定需要扫描的最大功率波动对应的电压区间，此电压区间即为需要扫描的最大电压范围；(2)在需要扫描的最大电压范围内确定两个黄金分割点，并计算这两个黄金分割点对应的实际功率；(3)确定下一次扫描的电压范围：比较功率大小，如果两个黄金分割点对应的功率相等，则两个黄金分割点之间的区间即为下一次扫描的电压范围；如果两个黄金分割点对应的功率不相等，则将功率较大的点定为功率好点，功率较小的点定为功率差点，舍弃原电压范围中功率差点背离功率好点一侧的区间，原电压范围中剩下的区间即为下一次扫描的电压范围；(4)在新的扫描电压范围内确定新的黄金分割点，并计算新的黄金分割点对应的功率，回到步骤(3)，以此类推，直到找到最大功率点；(5)找到最大功率点后，对其进行跟踪。

优选的技术方案中，

还包括(6)小扫描步骤：每隔一个小时间周期，在找到的最大功率点附近一个小功率区间对应的小电压范围内重复扫描一次；所述小功率区间应满足如下条件：最大功率点在正常天气情况下在小时间周期内的最大波动范围在所设定的小功率区间内。

还包括(7)大扫描步骤：每隔一个大时间周期，在一个大功率区间对应的大电压范围内重复扫描一次确定新的最大功率点。

所述小扫描步骤和大扫描步骤的启动是通过计时器来实现，在找到最大功率点后，启动计时器计时，当计时到达小扫描周期时，启动小扫描步骤；当计时到达大扫描周期时，启动大扫描步骤，确定新的最大功率点后，计时器清零重新计时，进入下一轮计时周期。

进一步优选的技术方案中，

所述步骤(2)中黄金分割点对应的实际功率计算方法为，根据最大功率点跟踪算法的直流/直流拓扑输入电压、输出电压与占空比的关系，由黄金分割点电压值确定对应的占空比，根据此占空比工作时计算对应太阳能光伏板实际输出功率。

所述最大功率点跟踪算法为扰动观察法或导纳增量法。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明在传统的扰动观察法和导纳增量法中引进黄金分割法，进行太阳能最大功率跟踪时的起始扫描和在跟踪过程中扫描寻最大功率点，能在短时间内寻找到最大功率点，减少开机扫描和定时扫描寻最大功率点过程中的能量损失。进一步地，将传统的扰动观察法中跟踪过程中的定时扫描分为不同扫描周期不同扫描区间进行检测，进一步减少能量损失，防止正常天气下因环境条件变化或系统测量精度受限引起的最大功率点跟踪不准确或易失败，防止异常天气变化引起的跟踪失败。

附图说明

图1是本发明具体实施例中太阳能光伏功率电压特性曲线；

图2是本发明具体实施例中黄金分割点选取示意图；

图3是本发明具体实施例中大小扫描步骤流程图；

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

本发明根据数学上单峰指标函数的优选法说明一种最快的单峰指标函数寻最大点的方法。如图1所示，为太阳能光伏功率电压特性曲线，横轴对应为太阳能光伏输入电压，纵轴为太阳能光伏输入功率。从图中可知，在一定光强条件下，太阳能光伏功率电压特性曲线为单峰指标函数，即在一定范围内只有一个最大点，所以可以用数学上的单峰指标函数的优选法设计一种最快的寻最大功率点的方法。

第一步，确定需要扫描的最大电压范围。此扫描范围可以是全电压范围，也可以是根据最大功率点在各种环境情况下可能波动的最大范围确定的一个扫描范围。本具体实施例中，根据太阳能光伏本身的光电特性、环境条件等确定最大功率点可能波动的一个最大范围，根据此最大范围对应的电压区间确定需要扫描的最大电压范围为AB，如图2所示。

第二步，在电压范围AB内确定两个黄金分割点X1和X2，并计算这两个黄金分割点对应的实际功率Px1和Px2。

如图2所示， $(X2-A)=(B-X1)=\frac{\sqrt{5}-1}{2}(B-A)=0.618(B-A).$ 确定黄金分割点X1和X2后，根据MPPT的实际DC/DC拓扑输入电压、输出电压与占空比的关系，由X1和X2的电压值确定对应输入电压为X1、X2时的占空比D1、D2，占空比D1、D2工作所产生的输出功率即为两个黄金分割点对应的实际功率Px1和Px2。图2中，C点对应的功率为实际的最大功率。

第三步，确定下一次扫描的电压范围。

比较第二步中的Px1和Px2，当Px1等于Px2时，保留两个黄金分割点之间的区间，舍弃两头区间，则两个黄金分割点之间的区间为下一次扫描的电压范围。当Px1不等于Px2时，将功率较大的点定义为功率好点，功率较小的点定义为功率差点，根据数学单峰指标函数黄金分割法的证明，功率好点与实际可能的最大功率点在功率差点的同侧。此时，舍弃原电压范围中功率差点背离功率好点一侧的区间，则原电压范围中剩下的区间为下一次扫描的电压范围。

如图2所示，本具体实施例中，X2为功率好点，X1为功率差点，则应舍弃的区间为X1背离X2的一侧区间A-X1段，X1-B段为下一次扫描的电压范围。

第四步，在X1-B段内确定新的黄金分割点，并计算新的黄金分割点对应的功率，产生新的功率好点与功率差点，舍弃新的功率差点背离新的功率好点一侧的区间，再次产生一个更新的扫描区间。以此类推，直到找到认可的最大功率点。

本实施例中，经过n次计算后，精度为0.618ⁿ。当所选区间较小时，例如最大功率对应的输入电压波动范围为10V，经过10次计算后的精度就为0.08V，即10次扫描后找到的点对应的输入电压与最大功率对应输入电压点只差0.08V时，则对应的功率已基本与最大功率相同了，其精度已超过电压与电流最小测量精度，也就是说超过了功率计算所能达到的最小精度了。因此从理论上讲，当输入电压扫描范围在10V以内，采用黄金分割法只要10次就能找到最大功率点。绝大部分情况不用10次，就能满足最大功率的判断范围了。如采用恒定步长法扫描10次，精度为1V，远大于0.08V。可见黄金分割法能在短时间内寻找到最大功率点，其优势是十分明显的。

进一步地，定时扫描周期太长太短都存在较大问题，在这里由于我们引进最优的黄金分割扫描法，可以在最短时间内扫描到真正的最大功率点，所以我们将传统的定时周期扫描改为分段分时扫描，即小扫描步骤和大扫描步骤。

小扫描步骤为：确定小电压范围和小时间周期，每隔一个小时间周期，在小电压范围内重复扫描一次。在先找到最大功率点后，在这个最大功率点附近一个小功率区间对应的电压范围内采用一个小时间周期定时扫描，如在最大功率点Pmax±2％的区间内每隔T1＝5~10秒左右进行一次黄金分割扫描。这样，由于测量精度受限引起的跟踪不准确或跟踪方向错误引起的跟踪失败就可以在较短时间内得到更正。同时，在绝大部分正常情况下，由于光强与环境温度变化是一个相对缓慢的过程，在几秒周期内光强与温度等环境变化量引起的最大功率变化量一般都在2~5％以内，因此只要时间周期的选择与在这个时间周期内最大功率变化量的选择适当合理，即最大功率点在正常天气情况下的最大波动范围在所设定的小功率区间内，就可以大幅缩短传统定时扫描的功率区间，同时减小扫描次时，达到减小定时扫描时的能量损失。

同时，为了防止光强突变、温度突变，如阵雨、暴雪等异常情况或局部阴影及其它任何情况下引起的最大功率突变导致最大功率跟踪丢失，引进了大扫描步骤。大扫描步骤为：确定大电压范围和大时间周期，每隔一个大时间周期，在大电压范围内重复扫描一次确定新的最大功率点。根据光伏板的特性和这个太阳能系统所处的实际环境可能导致最大功率点最大的可能波动范围，将这个最大功率点最大波动范围对应成相应的光伏输入电压的波动范围，即为大电压范围。如果不能确定最大功率点最大的可能波动范围或未输入对应输入电压波动范围的最大最小值，则可输入光伏方阵常温下的最大开路电压或最大功率点电压(光伏板上一般均有相应最大开路电压、最大功率点、短路电流等参数)来确定大电压范围。因为此处大扫描功率区间约为前面小扫描功率区间的5～10倍，所以选择的大扫描周期T2为前面小扫描周期T1的10～100倍。此处大扫描周期T2的具体选择可根据光伏系统所选光伏板特性、系统所处的地理位置、环境气候等情况进行选择，以最大限度减少能量损失。根据采用的MPPT算法将大电压范围转换成相应DC/DC拓扑对应的相应开关管占空比范围，每隔大时间周期，同样采用黄金分割法进行扫描。

本实施例中，上述小扫描步骤和大扫描步骤的启动是通过计时器来实现的。其简单流程图如图3所示。在找到最大功率点进行扰动跟踪后，启动计时器计时，当计时到达小检测周期时，在小电压范围内进行黄金分割法扫描，以对当前的最大功率点进行校正；当计时到达大检测周期时，则对最大功率点在各种可能和环境条件下可能波动的最大范围进行一次重新扫描，采用以上黄金分割法进行扫描，可以最快速度找到新的最大功率点，扫描确定新的最大功率点后进入常规的扰动跟踪，并进行计时器清零，重新计时，进入下一轮跟踪周期。

以上的方法可用于扰动观察法和导纳增量法的MPPT算法，都能达到在短时间内寻找到最大功率点，减少能量损失的目的。

以上方法也可用于风力机寻找最大功率点。风力机输出功率特性也是一种单峰指标函数，在一定范围内只有一个最大点，所以以上方法也可以用于风力机寻找最大功率点，减少风力机寻找最大功率点的能量损失，提高风力机效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，其特征在于：包括下列步骤，

(1)确定需要扫描的最大电压范围：根据太阳能光伏功率电压特性曲线和环境条件确定需要扫描的最大功率波动对应的电压区间，此电压区间即为需要扫描的最大电压范围(A-B)；

(2)在需要扫描的最大电压范围(A-B)内确定两个黄金分割点(X1、X2)，并计算这两个黄金分割点对应的实际功率；

(3)确定下一次扫描的电压范围：比较功率大小，如果两个黄金分割点对应的功率相等，则两个黄金分割点之间的区间即为下一次扫描的电压范围；如果两个黄金分割点对应的功率不相等，则将功率较大的点定为功率好点，功率较小的点定为功率差点，舍弃原电压范围(A-B)中功率差点背离功率好点一侧的区间，原电压范围(A-B)中剩下的区间即为下一次扫描的电压范围；

(4)在新的扫描电压范围内确定新的黄金分割点，并计算新的黄金分割点对应的功率，回到步骤(3)，以此类推，直到找到最大功率点；

(5)找到最大功率点后，对其进行跟踪。

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，其特征在于：还包括(6)小扫描步骤：每隔一个小时间周期，在找到的最大功率点附近一个小功率区间对应的小电压范围内重复扫描一次；所述小功率区间应满足如下条件：最大功率点在正常天气情况下在小时间周期内的最大波动范围在所设定的小功率区间内。

3.根据权利要求2所述的太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，其特征在于：还包括(7)大扫描步骤：每隔一个大时间周期，在一个大功率区间对应的大电压范围内重复扫描一次确定新的最大功率点。

4.根据权利要求3所述的太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，其特征在于：所述小扫描步骤和大扫描步骤的启动是通过计时器来实现，在找到最大功率点后，启动计时器计时，当计时到达小扫描周期时，启动小扫描步骤；当计时到达大扫描周期时，启动大扫描步骤，确定新的最大功率点后，计时器清零重新计时，进入下一轮计时周期。

5.根据权利要求1所述的太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中黄金分割点对应的实际功率计算方法为，根据最大功率点跟踪算法的直流/直流拓扑输入电压、输出电压与占空比的关系，由黄金分割点电压值确定对应的占空比，根据此占空比工作时计算对应太阳能光伏板实际输出功率。

6.根据权利要求5所述的太阳能光伏板最大功率点的扫描跟踪方法，其特征在于：所述最大功率点跟踪算法为扰动观察法或导纳增量法。

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