CN102088256B - 光伏电池最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

光伏电池最大功率点跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏电池输出功率控制，具体为光伏电池最大功率点跟踪控制方法。解决现有干扰观测法采用固定跟踪步长对跟踪精度和速度无法兼顾的问题。本发明在干扰观测法的基础上，通过更合理的给定跟踪步长实现了跟踪精度和速度的兼顾。工作点在最大功率点左侧并离最大功率点较远时采用固定电流法，工作点在最大功率点右侧且离最大功率点较远时用固定电压法，以此实现在光伏电池工作点离最大功率点较远时的快速跟踪和调节；工作点在最大功率点附近采用变步长扰动法，以此保证在靠近最大功率点时对光伏电池工作点的精细调节，从而有效消除了系统在最大功率点附近的振荡，实现快速跟踪，有效提高电压利用率，大大降低了功率器件的开关损耗。

Description

光伏电池最大功率点跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及光伏电池输出功率控制，具体为光伏电池最大功率点跟踪控制方法。
背景技术
随着全球能源危机和环境污染的日益严重，开发和利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能是当前世界上最清洁、最现实、最具有大规模开发前景的可再生能源之一。太阳能的利用因此受到世界各国的普遍关注，其中光伏并网发电是太阳能利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展。
控制器是光伏并网发电系统的核心部件，一般由单片机或微处理器作为核心器件构成，控制器在基于特定控制方法编制的软件支持下控制光伏电池的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。
光伏电池的最大功率点的跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)控制是光伏并网发电涉及的主要技术之一。
光伏电池输出特性呈非线性(见图1所示的光伏电池的特性曲线)，其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压状态，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。因此在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。电池输出功率的最大点，称为最大功率点;该点对应的电压和电流分别称为最大功率点电压Vm和最大功率点电流Im;该点的功率，则称为最大功率Pm。
干扰观测法(perturb&observe algorithms，p&o)是目前实现MPPT常用的控制方法之一（其流程图如图2所示）。其原理是每隔一段时间增加或减少电压，观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。设测得光伏电池当前输出功率为PK，与扰动之前功率值PK-1相比，若PK> PK-1,即功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一(+△U)方向扰动;反之，若PK< PK-1，即扰动后的功率值小于扰动前，则往相反(一△U)方向扰动。如此可以实时搜索到光伏电池的最大输出功率点并动态地保持它。在进行寻优的过程中，引入了一个参考电压Uref，主要是为了让Uk不断地跟踪它，在寻优过程中不断地更新Uref，使它逐渐逼近相应的光伏电池最大功率点的电压Um。其具体的控制方法如图2所示，寄存器存放每一周期调整后的值。首先采集并计算光伏电池的当前输出功率PK，并与上一周期的输出功率PK-1比较，从而调整Uref的大小。在实际应用中，可以通过调节占空比来调节光伏电池输出电压。
干扰观测法虽然控制简单、容易实现，对参数检测的精度要求也不高，在日照变化不是很剧烈的情况下具有较好的MPPT控制效果。但目前, 干扰观测法跟踪的步长均是一恒定值,无论光伏电池实际工作点与最大功率点之间的误差是大还是小,控制系统均以相同的调节步长进行调节。由于跟踪步长(△U)的给定对跟踪精度和速度无法兼顾，光伏电池输出功率会在最大功率点两侧反复变化，严重时还会出现功率振荡现象，导致系统效率降低。
发明内容
本发明解决现有干扰观测法采用固定跟踪步长(△U)对跟踪精度和速度无法兼顾的问题，提供一种光伏电池最大功率点跟踪控制方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：光伏电池最大功率点跟踪控制方法，由下列步骤实现：
(1)    采样t时刻的光伏电电池输出电压U(t)、输出电流I(t)；
(2)    计算在时刻t光伏电池的输出功率P(t)= U(t)* I(t),并和t-1时刻（即上一采样时刻）的输出功率P(t-1)、输出电压U(t-1)、输出电流I（t-1）进行比较, dP(t)=P(t)-P(t-1),dU(t)=U(t)-U(t-1),dI(t)=I(t)-I(t-1)；
(3)    当dP(t)/dU(t)>0 ，则光伏电池的工作点在最大功率点左侧；
（ⅰ）计算当前时刻光伏电池的短路电流和最大功率点电流（不同时刻，由于光伏电池的温度及所受的光照强度不同，光伏电池的电压－电流曲线会不同，因此不同时刻的短路电流会不同），令，当前时刻的短路电流Isc(t)= dP(t)/dU(t), 根据经验，当前时刻的最大功率点电流 Im(t)=0.92Isc(t)；
(ⅱ)    当Isc(t) -I(t) ≤ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1,认为此时的光伏电池工作点离最大功率点较远，输出电压的计算值采用固定电流法,输出电压的计算值U0(t)=U(t)+ K1Im(t); 其中K1为步长系数，α<K1<0.78US/0.92IS, α为步长系数，10-4<α<10-2，α取值越小，跟踪精度越高，稳定性越好；US、IS分别为光伏电池在参考温度下的开路电压和短路电流，为光伏电池出厂时的给定值；ε为选取的误差值，ε的大小选取决定跟踪速度与精度的平衡，ε值越大有利于提高跟踪速度, ε值越小有利于提高跟踪精度；K1为步长系数，K1选值越大跟踪速度越快；
 (ⅲ)    当Isc(t) -I(t) >ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1,认为此时的光伏电池工作点在最大功率点附近，此时用变步长扰动法实现，U0(t)=U(t)+αdP(t)/dU(t)，α为步长系数，10-4<α<10-2；α取值越小，跟踪精度越高，稳定性越好；
(4)             当dP(t)/dU(t)<0 ，则光伏电池的工作点在最大功率点右侧；
（ⅰ）计算当前时刻开路电压和最大功率点电压（不同时刻，由于光伏电池的温度及所受的光照强度不同，光伏电池的电压－电流曲线会不同，因此不同时刻的开路电压会不同），令，当前时刻的开路电压Uoc（t）=dP(t)/dI(t), 根据经验，当前时刻的最大功率点电压Um（t）=0.78Uoc（t）；
 (ⅱ)    当U(t)- Um（t）>ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1,认为此时的光伏电池工作点离最大功率点较远，输出电压的计算值U0(t)采用固定电压法，U0(t)=U(t)-K2Um，K2为步长系数，α<K2< 0.28 ，α为步长系数，10-4<α<10-2；α取值越大，跟踪速度越快；ε为选取的误差值，ε的大小选取决定跟踪速度与精度的平衡，ε值越小有利于提高跟踪速度, ε值越大有利于提高跟踪精度；K2选值越大跟踪速度越快；
 (ⅲ)   当U(t)- Um（t）≤ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1, 认为此时的光伏电池工作点在最大功率点附近，此时用变步长扰动法实现，输出电压的计算值U0(t)=U(t)-αdP(t)/dI(t)，α为步长系数，10-4<α<10-2；α取值越小，跟踪精度越高，稳定性越好；
 (5)    U(t-1)= Uo(t); I(t-1)= I (t)，P(t-1) = P(t)
(6)    返回（重复上述步骤）。
在实际的控制系统中,通过进一步研究光伏电池的P-V特性曲线可以看出，整个电压范围内光伏电池的功率电压曲线为一个单峰曲线.在最大功率点的左侧,dp/du的值由大慢慢变小,到达最大跟踪点处dp/du的值为0,最大跟踪点右侧,dp/du的值由零继续减小,达到开路时达到最小。光伏电池电压－电流曲线在电压较小时输出电流基本不变，考虑到一般情况下(经验数值),光伏电池的最大跟踪点电压Vm为光伏电池开路电压Voc的0.78倍,即:Vm=0.78Voc,系统的最大跟踪点电流Im=0.92Isc, Im为光伏电池的最大跟踪点时电流,Isc为光伏电池的短路电流。光伏电池输出电压在最大跟踪点左侧时并且离最大跟踪点Vm较远,采用固定电流法, 步长为定值step= K1Im(t);若在最大跟踪点附近,并且在左侧，采用变步长扰动法，步长是个变值,step=αdP(t)/dU(t)。光伏电池输出电压在最大跟踪点右侧时并且离最大跟踪点Vm较远,采用固定电压法, 步长为定值step= K2Um;若在最大跟踪点附近,并且在右侧，采用变步长扰动法，步长是个变值,step=αdP(t)/dI(t)。
本发明在干扰观测法的基础上，通过更合理的给定跟踪步长(△U)实现了跟踪精度和速度的兼顾。工作点在最大功率点左侧并离最大功率点较远时采用固定电流法，工作点在最大功率点右侧且离最大功率点较远时用固定电压法，以此实现在光伏电池工作点离最大功率点较远时的快速跟踪和调节；工作点在最大功率点附近采用变步长扰动法，以此保证在靠近最大功率点时对光伏电池工作点的精细调节，从而有效消除了系统在最大功率点附近的振荡，实现快速跟踪，有效提高电压利用率，大大降低了功率器件的开关损耗。
附图说明
图1为光伏电池的特性曲线；
图2为现有干扰观测法的控制流程图；
图3为本发明所述光伏电池最大功率点跟踪控制方法的流程图。
具体实施方式
光伏电池最大功率点跟踪控制方法，由下列步骤实现：
(1)    采样t时刻的光伏电电池输出电压U(t)、输出电流I(t)；
(2)    计算在时刻t光伏电池的输出功率P(t)= U(t)* I(t),并和t-1时刻（即上一采样时刻）的输出功率P(t-1)、输出电压U(t-1)、输出电流I（t-1）进行比较, dP(t)=P(t)-P(t-1),dU(t)=U(t)-U(t-1),dI(t)=I(t)-I(t-1)；
(3)    当dP(t)/dU(t)>0 ，则光伏电池的工作点在最大功率点左侧；
（ⅰ）计算当前时刻光伏电池的短路电流和最大功率点电流（不同时刻，由于光伏电池的温度及所受的光照强度不同，光伏电池的电压－电流曲线会不同，因此不同时刻的短路电流会不同），令，当前时刻的短路电流Isc(t)= dP(t)/dU(t),根据经验，当前时刻的最大功率点电流 Im(t)=0.92Isc(t)；
(ⅱ)    当Isc(t) -I(t) ≤ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1（具体实施时ε可选10-3.5、10-3、10-2、10-1.5……）,认为此时的光伏电池工作点离最大功率点较远，输出电压的计算值采用固定电流法,输出电压的计算值U0(t)=U(t)+ K1Im(t); 其中K1为步长系数，α<K1<0.78US/0.92IS, 10-4<α<10-2（具体实施时α可选10-3.5、10-3、10-2.5……），α取值越小，跟踪精度越高，稳定性越好；US、IS分别为光伏电池在参考温度下的开路电压和短路电流，为光伏电池出厂时的给定值；ε为选取的误差值，ε的大小选取决定跟踪速度与精度的平衡，ε值越大有利于提高跟踪速度, ε值越小有利于提高跟踪精度；K1选值越大跟踪速度越快；
 (ⅲ)    当Isc(t) -I(t) >ε，认为此时的光伏电池工作点在最大功率点附近，此时用变步长扰动法实现，U0(t)=U(t)+αdP(t)/dU(t)，10-4<α<10-2；α取值越小，跟踪精度越高，稳定性越好；
（4） 当dP(t)/dU(t)<0 ，则光伏电池的工作点在最大功率点右侧；
（ⅰ）计算当前时刻开路电压和最大功率点电压（不同时刻，由于光伏电池的温度及所受的光照强度不同，光伏电池的电压－电流曲线会不同，因此不同时刻的开路电压会不同），令，当前时刻的开路电压Uoc（t）=dP(t)/dI(t),根据经验，当前时刻的最大功率点电压Um（t）=0.78Uoc（t）；
 (ⅱ)    当U(t)- Um（t）>ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1（具体实施时ε可选10-3.5、10-3、10-2、10-1.5……）,认为此时的光伏电池工作点离最大功率点较远，输出电压的计算值U0(t)采用固定电压法，U0(t)=U(t)-K2Um，α<K2< 0.28 ，10-4<α<10-2（具体实施时α可选10-3.5、10-3、10-2.5……）；α取值越大，跟踪速度越快；ε为选取的误差值，ε的大小选取决定跟踪速度与精度的平衡，ε值越小有利于提高跟踪速度, ε值越大有利于提高跟踪精度；K2选值越大跟踪速度越快；
 (ⅲ)   当U(t)- Um（t）≤ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1, 认为此时的光伏电池工作点在最大功率点附近，此时用变步长扰动法实现，输出电压的计算值U0(t)=U(t)-αdP(t)/dI(t)，10-4<α<10-2；α取值越小，跟踪精度越高，稳定性越好；
 (5)    U(t-1)= Uo(t); I(t-1)= I (t)，P(t-1) = P(t)
（6） 返回。

Claims (1)

1.一种光伏电池最大功率点跟踪控制方法，其特征为：由下列步骤实现：
(1)    采样t时刻的光伏电电池输出电压U(t)、输出电流I(t)；
(2)    计算在时刻t光伏电池的输出功率P(t)= U(t)* I(t),并和t-1时刻的输出功率P(t-1)、输出电压U(t-1)、输出电流I（t-1）进行比较, dP(t)=P(t)-P(t-1),dU(t)=U(t)-U(t-1),dI(t)=I(t)-I(t-1)；
(3)    当dP(t)/dU(t)>0 ，则光伏电池的工作点在最大功率点左侧；
（3-ⅰ）计算当前时刻光伏电池的短路电流和最大功率点电流，令，当前时刻的短路电流Isc(t)= dP(t)/dU(t),当前时刻的最大功率点电流 Im(t)=0.92Isc(t)；
(3-ⅱ)    当Isc(t) -I(t) ≤ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1,此时的光伏电池工作点离最大功率点较远，输出电压的计算值U0(t)=U(t)+ K1Im(t); 其中K1为步长系数，α<K1<0.78US/0.92IS, α为步长系数，10-4<α<10-2；US、IS分别为光伏电池在参考温度下的开路电压和短路电流，为光伏电池出厂时的给定值；
 (3-ⅲ)    当Isc(t) -I(t) >ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1,此时的光伏电池工作点在最大功率点附近，输出电压的计算值U0(t)=U(t)+αdP(t)/dU(t)，α为步长系数，10-4<α<10-2；
（4）当dP(t)/dU(t)<0；光伏电池的工作点在最大功率点右侧；
（4-ⅰ）计算当前时刻开路电压和最大功率点电压，令，当前时刻的开路电压Uoc（t）=dP(t)/dI(t),当前时刻的最大功率点电压Um（t）=0.78Uoc（t）；
 (4-ⅱ)    当U(t)- Um（t）>ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1,此时的光伏电池工作点离最大功率点较远，输出电压的计算值U0(t)=U(t)-K2Um，K2为步长系数，α<K2< 0.28 ，α为步长系数，10-4<α<10-2；
 (4-ⅲ)   当U(t)- Um（t）≤ε，ε为选取的误差值，10-4<ε<10-1, 此时的光伏电池工作点在最大功率点附近，输出电压的计算值U0(t)=U(t)-αdP(t)/dI(t)，α为步长系数，10-4<α<10-2；
（5）U(t-1)= Uo(t); I(t-1)= I (t)，P(t-1) = P(t)
（6）返回。
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