CN101800489A - 单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏发电系统控制技术应用领域的单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法，首先从当前环境条件下光伏阵列输出功率-电压特性曲线的左侧，开始搜索该曲线左侧的局域最大功率点，通过光伏阵列输出功率对电压的微分k和随k的绝对值递增的系数C，来共同决定叠加在光伏阵列最大功率点参考电压U_ref上的步长和方向，使U_ref快速迭代收敛至此曲线左侧局部最大功率点所对应的参考电压，有效提高跟踪的速度和精度；然后，同理分别从该特性曲线的右侧或中部开始搜索曲线右侧或中部可能存在的局部最大功率点；最后，从所有搜索到的局部最大功率点中选取功率最大的点为所求最大功率点。

Description

单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法，属于光伏发电系统控制技术应用领域。

背景技术

对于光伏发电系统而言，最主要的问题是如何提高系统的发电效率。单级光伏系统由于只有一个能量变换环节，系统具有简单的结构，较高的效率和稳定性，已成为国内外的研究热点。一般，其控制系统采用多环控制，即首先由最大功率点跟踪MPPT环节给出光伏阵列最大功率点参考电压U_ref，再通过由电压PI控制器和电流PI控制器所组成的双闭环控制系统控制光伏阵列输出电压U_pv跟踪U_ref。在整个光伏控制系统中，MPPT对于提高整个系统的发电效率具有重要的意义。但是，由于太阳光照强度的不确定性、光伏阵列温度的变化以及光伏阵列输出功率-电压特性曲线的非线性特征，使得光伏阵列最大功率点的快速准确跟踪成为一个非常复杂的问题。

由于光伏阵列均是由多个单体光伏电池及二极管串联或并联而成，当光伏阵列中各单体光伏电池所接收的太阳光照强度均等，即无阴影遮挡时，其输出功率-电压特性曲线呈单峰状，然而，在很多情况下，由于光伏组件表面存在不透明物体的遮挡或者由于多云天气等导致光伏阵列中部分单体光伏电池接收的光照强度异于其它电池，此种情况下，光伏阵列输出功率-电压特性曲线极有可能呈2峰形状或3峰形状。而目前的扰动观察法、电导增量法等都只会收敛到某个峰值，即局部最大功率点处，不能保证获得全局最大功率点，造成能量的浪费，同时，扰动观察法、电导增量法等都很难确保跟踪快速且跟踪精度高，进一步造成光伏阵列能量的损失。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种跟踪精度高、跟踪快速且阴影遮挡情况下更可能获得全局最大功率点的单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法。该发明方法的特征在于：首先从当前环境条件下光伏阵列输出功率-电压特性曲线的左侧，开始搜索该曲线左侧的局域最大功率点，通过光伏阵列输出功率对电压的微分k和随k的绝对值递增的系数C，来共同决定叠加在光伏阵列最大功率点参考电压U_ref上的步长和方向，使U_ref快速迭代收敛至此曲线左侧局部最大功率点所对应的参考电压，有效提高跟踪的速度和精度；然后，同理分别从该特性曲线的右侧或中部开始搜索曲线右侧或中部可能存在的局部最大功率点；最后，从所有搜索到的局部最大功率点中选取功率最大的点为所求最大功率点。

本发明是通过以下技术方案实现：

1)检测光伏阵列输出电压U_pv、电流I_pv；

2)设k为1、2或3，初始化k＝1，设置初始跟踪电压U_ref(1)＝5％U_oc，其中U_oc为标准环境条件，即光照强度为1kW/m²和温度为25℃下光伏阵列开路电压；

3)设置i＝2，i为当前采样时刻，i为自然数且i≥2；

4)由式(1)求得当前采样时刻i及前一时刻i-1的光伏阵列输出功率P_pv(i)、P_pv(i-1)，由式(1)和(2)求得当前i时刻光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k；

P_pv(i)＝U_pv(i)I_pv(i)               (1)

$k\left(i\right)=\frac{P_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-P_{\mathrm{pv}}(i-1)}{U_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-U_{\mathrm{pv}}(i-1)}---\left(2\right)$

5)由式(3)确定系数C；

$C=\left\{\begin{array}{cc}5,& \left|k\left(i\right)\right|\&GreaterEqual;10\\ \frac{4}{7}\left(\right|k\left(i\right)|-3)+1,& 3\&le;<\left|k\left(i\right)\right|10\\ 0.5,& \left|k\left(i\right)\right|<3\end{array}\right.---\left(3\right)$

6)按照式(4)计算当前i时刻的光伏阵列最大功率点参考电压U_ref(i)；

U_ref(i)＝U_ref(i-1)+C·k(i)         (4)

7)如果满足条件(5)，则得到第k个局域最大值点(U(k)，P(k))，其中U(k)＝U_ref(i)，P(k)＝P_pv(i)，继续执行下一步；否则，i＝i+1，回到步骤(3)；

ΔP＝|P_pv(i)-P_pv(i-1)|≤1          (5)

8)如果k＝1，则k＝k+1，设置初始跟踪电压U_ref(1)＝95％U_oc，回到步骤(3)；

9)如果k＝2，则继续判断是否同时满足式(6)和式(7)，若同时满足式(6)和(7)，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)，P(k-1))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤；若不同时满足式(6)和(7)，则设置初始跟踪电压U_ref(1)＝(U(k)+U(k-1))/2，k＝k+1，回到步骤(3)；

ΔP＝|P(k)-P(k-1)|≤1              (6)

ΔU＝|U(k)-U(k-1)|≤1              (7)

10)如果k＝3，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)、P(k-1)、P(k-2))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)跟踪精度高。由于光伏阵列输出功率对电压的微分k即为光伏阵列输出功率-电压特性曲线(如图2所示)上某一点切线的斜率，而对于光伏阵列输出功率-电压特性曲线而言，在局部最大功率点处，即峰值点处，斜率为0，在该峰左侧，斜率大于0，在该峰右侧，斜率小于0，在该峰两侧离峰值点越远，斜率越大，离峰值点越近，斜率越小。因此，当光伏阵列最大功率点参考电压U_ref离光伏阵列局部最大功率点，即峰值点，越近时，k自适应地变小，由式(3)知C也将变小，跟踪速度变慢，跟踪精度逐渐提高，当所搜索的最大功率点最终按照式(4)收敛至峰顶时，k＝0，则迭代步长C×k(i)＝0，由式(4)知U_ref(i)与U_ref(i-1)相等，即光伏阵列的工作点可以稳定在局域最大功率点处，没有振荡；

2)跟踪快速。由于光伏阵列输出功率对电压的微分k即为光伏阵列输出功率-电压特性曲线(如图2所示)上某一点切线的斜率，而对于光伏阵列输出功率-电压特性曲线而言，在局部最大功率点处，即峰值点处，斜率为0，在该峰左侧，斜率大于0，在该峰右侧，斜率小于0，在该峰两侧离峰值点越远，斜率越大，离峰值点越近斜率越小。因此，当光伏阵列最大功率点参考电压U_ref离光伏阵列最大功率点越远时，k自适应地变大，由式(3)知C也将变大，式(4)中迭代步长C×k(i)变大，跟踪快速；另外，由于C为式(3)所示的随k的绝对值递增的简单分段函数，迭代步长C×k(i)不仅跟踪精度高、跟踪速度快，而且比模糊控制等复杂控制方法更加简单、实用；

3)阴影遮挡情况下更可能获得全局最大功率点。光伏阵列输出功率-电压特性曲线就像一座山，当光伏阵列各部分外部环境条件(如太阳光照强度、温度等)相同时，该山将只有一个峰，而当光伏阵列各部分外部环境条件(如太阳光照强度、温度等)不同时，该山将出现双峰、三峰两种模式。由于本发明方法首先从这座山的左侧5％U_oc处开始按式(4)上山迭代收敛至峰值点A，然后从这座山的右侧95％U_oc处开始按式(4)上山迭代收敛至峰值点B，如果判断峰值点A和B的横纵坐标，即光伏阵列输出电压、输出功率同时满足式(6)和(7)，则选取峰值点A和B中功率较大的一个为所求最大功率点；如果判断峰值点A和B的横纵坐标，即光伏阵列输出电压、输出功率不同时满足式(6)和(7)，则说明峰值点A和B不为同一个点，该座山至少存在2个峰，为搜索此山是否存在第3个峰，进一步寻求可能的更大功率点，则从当前已搜索的峰值点A和B的横坐标的均值，即该座山的中部继续按照式(4)向临近的峰值开始搜索，直至到达峰值点C，最后选取所搜索到的峰值点A、B和C中功率最大的一个点为所求最大功率点。

附图说明

图1为单级光伏系统的多峰最大功率跟踪控制方法流程。

图2为光伏阵列输出功率-电压特性曲线有1个峰时，本发明方法跟踪效果图。

图3为光伏阵列输出功率-电压特性曲线有2个峰时，本发明方法跟踪效果图。

图4为光伏阵列输出功率-电压特性曲线有3个峰时，本发明方法跟踪效果图。

具体实施方式

本发明具体是通过以下技术方案实现：

1)检测光伏阵列输出电压U_pv、电流I_pv；

2)由于光伏阵列功率-电压特性曲线受阴影遮挡所产生的多峰现象一般不会超过3个峰，故设k为1、2或3，其中k＝1实际上为不存在阴影遮挡情况下光伏阵列输出功率-电压特性曲线所呈现的正常的单峰现象，初始化k＝1，设置初始跟踪电压U_ref(1)＝5％U_oc，其中U_oc为标准环境条件，即光照强度为1kW/m²和温度为25℃下光伏阵列开路电压，从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线的左侧开始搜索此曲线左侧局部最大功率点；

3)设置i＝2，i为当前采样时刻，i为自然数且i≥2；

4)由式(1)求得当前采样时刻i及前一时刻i-1的光伏阵列输出功率P_pv(i)、P_pv(i-1)，由式(1)和(2)求得当前i时刻光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k，由于光伏阵列输出功率对电压的微分k即为光伏阵列输出功率-电压特性曲线(如图2所示)上某一点切线的斜率，而对于光伏阵列输出功率-电压特性曲线而言，在局部最大功率点处，即峰值点处，斜率为0，在该峰左侧，斜率大于0，在该峰右侧，斜率小于0，在该峰两侧离峰值点越远，斜率越大，离峰值点越近，斜率越小；

P_pv(i)＝U_pv(i)I_pv(i)               (1)

$k\left(i\right)=\frac{P_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-P_{\mathrm{pv}}(i-1)}{U_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-U_{\mathrm{pv}}(i-1)}---\left(2\right)$

5)由式(3)确定系数C；

$C=\left\{\begin{array}{cc}5,& \left|k\left(i\right)\right|\&GreaterEqual;10\\ \frac{4}{7}\left(\right|k\left(i\right)|-3)+1,& 3\&le;<\left|k\left(i\right)\right|10\\ 0.5,& \left|k\left(i\right)\right|<3\end{array}\right.---\left(3\right)$

6)按照式(4)计算当前i时刻的光伏阵列最大功率点参考电压U_ref(i)，由式(4)可见C×k(i)为U_ref(i)的迭代步长，其方向，即k(i)的符号决定了U_ref(i)收敛的方向，其大小决定了U_ref(i)收敛的精度和速度，一方面，当光伏阵列最大功率点参考电压U_ref离光伏阵列局部最大功率点，即峰值点，越近时，k自适应地变小，由式(3)知C也将变小，跟踪速度变慢，跟踪精度逐渐提高，当所搜索的最大功率点逐步按照式(4)收敛至峰顶时，k＝0，则迭代步长C×k(i)＝0，由式(4)知U_ref(i)与U_ref(i-1)相等，即光伏阵列的工作点可以稳定在局域最大功率点处，没有振荡，另一方面，当光伏阵列最大功率点参考电压U_ref离光伏阵列最大功率点越远时，k自适应地变大，跟踪速度加快，由式(3)知C也将变大，则式(4)中迭代步长C×k(i)变大，跟踪快速，故本发明方法很好的协调了跟踪速度与跟踪精度之间的矛盾，不仅跟踪精度高，而且跟踪快速；

U_ref(i)＝U_ref(i-1)+C·k(i)         (4)

7)如果满足条件(5)，则得到第k个局域最大值点(U(k)，P(k))，其中U(k)＝U_ref(i)，P(k)＝P_pv(i)，继续执行下一步；否则，i＝i+1，回到步骤(3)；

ΔP＝|P_pv(i)-P_pv(i-1)|≤1          (5)

8)如果k＝1，则k＝k+1，设置初始跟踪电压U_ref(1)＝95％U_oc，回到步骤(3)，从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线的右侧开始搜索该曲线右侧可能存在的局部最大功率点；

9)如果k＝2，则继续判断是否同时满足式(6)和式(7)，若同时满足式(6)和(7)，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)，P(k-1))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤；若不同时满足式(6)和(7)，则设置初始跟踪电压U_ref(1)＝(U(k)+U(k-1))/2，k＝k+1，回到步骤(3)，从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线的中部开始搜索该曲线中部可能存在的局部最大功率点；

ΔP＝|P(k)-P(k-1)|≤1              (6)

ΔU＝|U(k)-U(k-1)|≤1              (7)

10)如果k＝3，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)、P(k-1)、P(k-2))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤。

下面参照附图并结合Matlab对不同阴影遮挡情况下光伏阵列的仿真实例，对本发明方法作进一步的详细阐述。但是本发明不限于所给出的例子。

一、实施例1——光伏阵列输出功率-电压特性曲线只有一个峰值

如图2所示，无阴影遮挡情况下，即太阳光照强度均等时光伏阵列输出功率-电压特性曲线有1个峰值，且标准环境条件，即光照强度为1kW/m²和温度为25℃下该光伏阵列开路电压U_oc＝320V，由图可见：本发明方法首先从初始点A1(16.0V，159.3W)，即从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线左侧开始跟踪，由于A1点离峰顶较远，光伏阵列输出功率对电压的微分，即光伏阵列输出功率-电压特性曲线的斜率较大，系数C也取较大值，迭代步长C×k(i)较大，每次最大功率收敛点较疏，跟踪收敛速度较快；当最大功率收敛点逐渐由点A1收敛到接近峰顶时，光伏阵列输出功率-电压特性曲线的斜率较小，系数C也取较小值，则迭代步长C×k(i)较小，每次最大功率收敛点较密，跟踪收敛速度较慢，跟踪精度逐渐提高，直至到达局部最大功率点，即峰值点C1(155.7V，999.98W)；为寻求光伏阵列全局最大功率点，再从另一路峰底的初始值B1(304.0V，101.4W)，即从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线右侧开始迭代搜索局部最大功率点，直至再次到达另一峰值点D1(158.5V，999.93W)，由于判断C1和D1点满足式(6)和式(7)，即C1和D1在误差范围内为同一点，为进一步保证最大功率点的精度，取所搜索到的C1和D1两个峰值点中功率更大的点C1(155.7V，999.98W)为所求最大功率点。

二、实施例2——光伏阵列输出功率-电压特性曲线有2个峰值

如图3所示，阴影遮挡情况下光伏阵列输出功率-电压特性曲线有2个峰值，且标准环境条件，即光照强度为1kW/m²和温度为25℃下该光伏阵列开路电压U_oc＝620V，由图可见：本发明方法首先从初始点A2(31.0V，305.1W)，即从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线左侧开始跟踪，由于A2点离峰顶较远，光伏阵列输出功率对电压的微分，即光伏阵列输出功率-电压特性曲线的斜率较大，由式(3)知C增大，迭代步长C×k(i)较大，每次最大功率收敛点较疏，跟踪收敛速度较快；当最大功率收敛点逐渐由点A2收敛到接近峰顶时，光伏阵列输出功率-电压特性曲线的斜率较小，由式(3)知系数C也取较小值，则迭代步长C×k(i)较小，每次最大功率收敛点较密，跟踪收敛速度较慢，跟踪精度逐渐提高，直至到达局部最大功率点，即峰值点C2(155.8V，999.9W)；为寻求光伏阵列全局最大功率点，再从光伏阵列输出功率-电压特性曲线右侧峰底的初始值B2(589.0V，239.5W)开始迭代搜索局部最大功率点，直至再次到达另一峰值点F2(358.4V，1900.03W)，由于判断C2和F2点不同时满足式(6)和式(7)，即C2和F2不为同一点，为进一步搜索到全局最大功率点，特取初始跟踪电压U_ref(1)＝峰值点C2和F2的电压的均值，即初始点D2(257.1V，1440.4W)，再次从点D2，即从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线中部开始上山搜索峰值点，直到再次搜索到局域最大值点E2(358.5V，1900.08W)，取所搜索到的C2、E2和F2三个峰值点中功率更大的点E2(358.5V，1900.08W)为所求最大功率点。

三、实施例3——光伏阵列输出功率-电压特性曲线有3个峰值

如图4所示，阴影遮挡情况下某光伏阵列功率电压特性曲线有3个峰值，且标准环境条件，即光照强度为1kW/m²和温度为25℃下该光伏阵列开路电压U_oc＝740V，由图可见：本发明方法首先从初始点A3(37.0V，361.6W)，即从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线左侧开始跟踪，由于A3点离峰顶较远，光伏阵列输出功率对电压的微分，即光伏阵列输出功率-电压特性曲线的斜率较大，由式(4)知C增大，迭代步长C×k(i)较大，每次最大功率收敛点较疏，跟踪收敛速度较快；当最大功率收敛点逐渐由点A3收敛到接近峰顶时，光伏阵列输出功率-电压特性曲线的斜率较小，系数C也取较小值，则迭代步长C×k(i)较小，每次最大功率收敛点较密，跟踪收敛速度较慢，跟踪精度逐渐提高，直至到达局部最大功率点，即峰值点C3(156.1V，1000.0W)；为寻求光伏阵列全局最大功率点，再从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线右侧峰底的初始值B3(703.0V，491.4W)开始迭代搜索局部最大功率点，直至再次到达另—峰值点D3(558.1V，1350.0W)，由于判断C3和D3点不同时满足式(6)和式(7)，即C3和D3不为同一点，为进一步搜索到全局最大功率点，特取初始跟踪电压U_ref(1)＝峰值点C3和D3的电压的均值，即初始点E3(357.1V，1591.1W)，再次从点E3，即从该光伏阵列输出功率-电压特性曲线中部开始上山搜索峰值点，直到再次搜索到局域最大值点F3(396.1V，1670.0W)，取搜索到的C3、D3和F3三个峰值点中功率最大的点F3(396.1V，1670.0W)为所求最大功率点。

Claims (1)

1.一种单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法，其特征在于按以下步骤对单级光伏系统进行最大功率跟踪控制：

1)检测光伏阵列输出电压U_pv、电流I_pv；

2)设k为1、2或3，初始化k＝1，设置初始跟踪电压U_ref(1)＝5％U_oc，其中U_oc为标准环境条件，即光照强度为1kW/m²和温度为25℃下光伏阵列开路电压；

3)设置i＝2，i为当前采样时刻，i为自然数且i≥2；

4)由式(1)求得当前采样时刻i及前一时刻i-1的光伏阵列输出功率P_pv(i)、P_pv(i-1)，由式(1)和(2)求得当前i时刻光伏阵列输出功率P_pv对电压U_pv的微分k；

P_pv(i)＝U_pv(i)I_pv(i)                  (1)

$k\left(i\right)=\frac{P_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-P_{\mathrm{pv}}(i-1)}{U_{\mathrm{pv}}\left(i\right)-U_{\mathrm{pv}}(i-1)}---\left(2\right)$

5)由式(3)确定系数C；

6)按照式(4)计算当前i时刻的光伏阵列最大功率点参考电压U_ref(i)；

U_ref(i)＝U_ref(i-1)+C·k(i)                (4)

7)如果满足条件(5)，则得到第k个局域最大值点(U(k)，P(k))，其中U(k)＝U_ref(i)，P(k)＝P_PV(i)，继续执行下一步；否则，i＝i+1，回到步骤(3)；

ΔP＝|P_pv(i)-P_pv(i-1)|≤1                 (5)

8)如果k＝1，则k＝k+1，设置初始跟踪电压U_ref(1)＝95％U_oc，回到步骤(3)；

9)如果k＝2，则继续判断是否同时满足式(6)和式(7)，若同时满足式(6)和(7)，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)，P(k-1))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤；若不同时满足式(6)和(7)，则设置初始跟踪电压U_ref(1)＝(U(k)+U(k-1))/2，k＝k+1，回到步骤(3)；

ΔP＝|P(k)-P(k-1)|≤1                 (6)

ΔU＝|U(k)-U(k-1)|≤1                 (7)

10)如果k＝3，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)、P(k-1)、P(k-2))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤。

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