CN102111086A - 太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置，所述方法包括：(a)检测太阳能电池的当前输出电压V₁和当前输出电流I₁，并计算当前输出功率P₁，设置电压变化步长ΔV和取值小于电压变化步长ΔV的预定电压变化步长ε₁；(b)将输出电压分别改变为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)，分别检测电流I_a和I_c，并计算输出功率P_a和P_c；(c)比较P_a、P₁、P_c之间的大小关系，并根据P_a、P₁、P_c之间的大小关系分别执行不同的处理。本发明提供的太阳能电池最大功率点跟踪方法由于在搜索初期先采用一个较大步长，然后再不断缩小步长进行三点比较法方式的搜索，既可以加快搜索速度，同时还避免了振荡和误判的情况。

Description

太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，更特别地是涉及一种太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置。

背景技术

光伏发电技术是根据“光生伏特效应”原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能的一种技术。光伏发电系统与常用的火力发电系统相比具有无污染、无噪音、维护简单等优点，在各种需要电能的场合得到了越来越广泛的应用。

在光伏发电系统中的关键元件是太阳能电池。太阳能电池价格昂贵、转换效率低，因此如何提高太阳能电池的能量转换效率、如何使得系统以最高的效率对蓄电池充电是光伏发电系统中的重要研究课题。太阳能电池的输出功率受日照强度和工作温度等因素的影响，图1和图2分别示出了在相同温度不同光照条件下太阳能电池的I-V曲线和P-V曲线，图3和图4分别示出了在相同光照不同温度条件下太阳能电池的I-V曲线和P-V曲线，如图1-图4所示，在一定的日照强度和工作温度下，太阳能电池电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才能达到最大值，此时太阳能电池的工作点就达到了太阳能电池的输出功率曲线的最高点，该点即为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)就是要找到该最大功率点，并实时调整太阳能电池的工作点，使得系统始终工作在最大功率点附近区域，保证系统以最高的效率对蓄电池充电。

如图5所示，目前常用的光伏发电系统可包括太阳能电池1、蓄电池3、DC/DC装置2以及最大功率点跟踪控制装置4，太阳能电池1通过DC/DC装置2连接到蓄电池3，所述最大功率点跟踪(MPPT)控制装置4包括电压采集电路41、电流采集电路42、控制单元43以及PWM生成器44，控制单元43用于控制PWM生成器44生成不同占空比D的PWM信号来驱动DC/DC装置2。通过改变PWM信号的占空比D能够调节DC/DC装置2的输入电压Ui，该DC/DC装置2的输入电压Ui即为太阳能电池的输出电压，所以通过改变PWM信号的占空比D能够调节太阳能电池1的输出电压。由于DC/DC装置2的输出电压Uo固定，D＝Uo/Ui，所以若要增大太阳能电池的输出电压，则通过减小占空比D即可实现，相反，若要减小太阳能电池的输出电压，则通过增大占空比D即可实现。

太阳能电池最大功率点跟踪方法是采用实时监测光伏发电系统的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工作情况下的最大功率点，并通过调节PWM信号的占空比对太阳能电池的输出电压进行不断调节，从而使系统工作在最大功率点附近区域。目前常用的太阳能电池最大功率点跟踪方法主要有增量导纳法、爬山式扰动观测法和三点比较法等。

增量导纳法的思想是利用最大功率点处功率对电压导数为零的思想进行判断是否是最大功率点，即由太阳能电池的P-V曲线可以得出在最大功率点处的斜率为0，则有： $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V\·\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0,$ 根据导数的正负判断搜索方向。这种方法一定程度上解决了系统在最大功率点附近震荡的问题，但是由于导数的计算只能由差分形式来近似，所以其精确程度还是取决于步长的大小。由于步长固定，搜索速度有限，步长大的话还有可能产生振荡的问题。

爬山式扰动观测法是每隔一定的时间增加或减小太阳能电池的电压，每个周期的改变步长是一定的，观测其后的功率变化方向，若功率变大则继续此扰动方向，否则改变方向。这种方法的步长不易确定，步长大可以较快跟踪到最大功率，但在最大功率点附近的振荡较大，如果步长较小，虽然在最大功率点附近振荡较小，但跟踪的速度又太慢。

三点比较法是爬山式扰动观测法的改进方法，其改进了爬山式扰动观测法易产生误判的问题，但是其电压变化步长也是一定的，而步长的大小也不易确定，因而目前的三步比较法还是无法克服爬山式扰动观测法所存在的步长大时在最大功率点附近的振荡较大，而步长较小时跟踪的速度太慢的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的太阳能电池最大功率点跟踪方法精确程度不高、收敛速度慢、易产生振荡等问题，提出了一种精确度高、不易产生振荡且收敛速度更快的太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置。

本发明提供了一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，该方法包括：

(a)检测太阳能电池的当前输出电压V₁和当前输出电流I₁，并计算当前输出功率P₁，设置电压变化步长ΔV和取值小于电压变化步长ΔV的预定电压变化步长ε₁；

(b)将输出电压分别改变为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)，分别检测电压为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)下的电流I_a和I_c，并分别计算输出功率P_a和P_c；

(c)比较P_a、P₁、P_c之间的大小关系，并根据P_a、P₁、P_c之间的大小关系执行以下处理：

当P_a≥P₁＞P_c时，则将V₁更新为V₁-ΔV，将P₁更新为P_a，并返回执行步骤(b)；

当P_a＜P₁≤P_c时，则将V₁更新为V₁+ΔV，将P₁更新为P_c，并返回执行步骤(b)；

当P_a＜P₁且P₁＞P_c或者P_a≥P₁且P₁≤P_c时，则比较ΔV与ε₁的大小关系，若ΔV＞ε₁，则将ΔV的取值减小，并返回执行步骤(b)，若ΔV≤ε₁，则将P_a至P_c作为最大功率点的取值范围。

本发明还提供了一种太阳能电池最大功率点跟踪装置，该装置包括：

当前工况检测单元，用于检测太阳能电池的当前输出电压V₁和当前输出电流I₁，并计算当前输出功率P₁；

电压步长预设单元，用于设置电压变化步长ΔV和取值小于电压变化步长ΔV的预定电压变化步长ε₁；

工况改变单元，用于将输出电压分别改变为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)，分别检测电压为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)下的电流I_a和I_c，并分别计算输出功率P_a和P_c；

功率比较单元，用于比较P_a、P₁、P_c之间的大小关系，并根据P_a、P₁、P_c之间的大小关系执行以下处理：

当P_a≥P₁＞P_c时，则将V₁更新为V₁-ΔV，将P₁更新为P_a，并再次运行工况改变单元；

当P_a＜P₁≤P_c时，则将V₁更新为V₁+ΔV，将P₁更新为P_c，并再次运行工况改变单元；

当P_a＜P₁且P₁＞P_c或者P_a≥P₁且P₁≤P_c时，则比较ΔV与ε₁的大小关系，若ΔV＞ε₁，则将ΔV的取值减小，并再次运行工况改变单元，若ΔV≤ε₁，则将P_a至P_c作为最大功率点的取值范围。

本发明提供的太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置，由于在搜索初期，先采用一个较大的电压变化步长ΔV，然后再不断缩小电压变化步长进行三点比较法式搜索，则相比于现有的采用较小步长的三点比较方法搜索速度更快，而相比于采用较大步长的三点比较法不易产生振荡，因而本发明提供的太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置总体而言具有精确度高、不易产生振荡且收敛速度更快的优点。并且本发明提供的最大功率点跟踪方法和装置，还在获取当前输出电压V₁和当前输出电流I₁之后、搜索开始之前先基于在最大功率点处 $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V\·\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0$ 的原理，将输出电压改变为(V₁-ε₁)、检测此时的电流I₀，通过判断

是否小于预定阈值来判断当前工作点是否是最大功率点，若是最大功率点，则停止搜索，这样便避免了盲目搜索，减小了功率损耗。

附图说明

图1显示了在相同温度不同光照条件下太阳能电池的I-V曲线；

图2显示了在相同温度不同光照条件下太阳能电池的P-V曲线；

图3显示了在相同光照不同温度条件下太阳能电池的I-V曲线；

图4显示了在相同光照不同温度条件下太阳能电池的P-V曲线；

图5是光伏发电系统的示意图；

图6是本发明提供的太阳能电池最大功率点跟踪方法的流程图；以及

图7(a)-图7(c)示出了在本发明提供的太阳能电池最大功率点跟踪方法中的用于比较的三点在P-V曲线上的位置分布情况。

具体实施方式

如图6所示，本发明提供了一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，该方法包括：

(a)检测太阳能电池的当前输出电压V₁和当前输出电流I₁，并计算当前输出功率P₁，设置电压变化步长ΔV和取值小于电压变化步长ΔV的预定电压变化步长ε₁；

(b)将输出电压分别改变为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)，分别检测电压为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)下的电流I_a和I_c，并分别计算输出功率P_a和P_c；

(c)比较P_a、P₁、P_c之间的大小关系，并根据P_a、P₁、P_c之间的大小关系执行以下处理：

当P_a≥P₁＞P_c时，则将V₁更新为V₁-ΔV，将P₁更新为P_a，并返回执行步骤(b)；

当P_a＜P₁≤P_c时，则将V₁更新为V₁+ΔV，将P₁更新为P_c，并返回执行步骤(b)；

当P_a＜P₁且P₁＞P_c或者P_a≥P₁且P₁≤P_c时，则比较ΔV与ε₁的大小关系，若ΔV＞ε₁，则将ΔV的取值减小，并返回执行步骤(b)，若ΔV≤ε₁，则将P_a至P_c作为最大功率点的取值范围。

在图5中示出的光伏发电系统中，太阳能电池1是光伏发电系统的核心部分，在有太阳光照的时候，太阳能电池1将太阳能转换为电能，经过DC/DC装置传送到蓄电池中进行存储，DC/DC装置2由PWM信号进行驱动来对其中的电路进行调节，从而调节太阳能电池1的输出电压，MPPT控制装置4用于使用本发明提供的最大功率点跟踪方法来追踪太阳能电池1的最大功率点，以使系统工作在最大功率点处。在光伏发电系统一定的情况下，PWM信号的占空比与太阳能电池的输出电压是相对应的，这样通过调节PWM信号的占空比来使得太阳能电池的输出电压发生改变。

图7(a)-图7(c)示出了三点在P-V曲线上的位置分布情况，图7(a)、图7(b)和图7(c)分别对应步骤(c)中的P_a≥P₁＞P_c、P_a＜P₁≤P_c和P_a＜P₁且P₁＞P_c的三种情况，另外，需要说明的是，P_a≥P₁且P₁≤P_c这种情况在光照和温度均一定的特定P-V曲线中一般是不会出现的，若是光照或温度发生了变化造成了这种情况，则三点比较法会将搜索区间仍保持在这一区域内，而避免了爬山式扰动观测法中在光照突变时引起的误判。

另外，电压变化步长ΔV的初值大于预定电压变化步长ε₁，电压变化步长ΔV的选取会对搜索速度及系统反应速度等产生影响，优选地，电压变化步长ΔV的取值范围可以为0.1V～1V之间，预定电压变化步长的取值范围可以为10^-6V～0.01V之间。优选地，在步骤(c)中，其中将电压变化步长的取值减小可以是将电压变化步长的取值减小为ΔV/2。这样，本发明提供的上述最大功率点跟踪方法可以称为变步长的三点比较法，在搜索初期给定一个较大的电压变化步长，然后电压变化步长不断缩小，这种方法既可以加快搜索速度，同时还避免了系统的振荡和误判情况。

优选地，本发明在利用上述变步长的三点比较法之前，先利用最大功率点处P-V曲线的斜率为零的思想判断当前工作点是否是最大功率点，如果是，则停止搜索，以避免盲目搜索造成的功率损耗，如果不是最大功率点才继续进行上述变步长的三点比较法。由于最大功率点处P-V曲线的斜率为零，即 $\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V\·\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0,$ 则可以通过检测当前工作点和具有与当前电压有较小偏移的电压的另一工作点两者各自的电压、电流且利用上式的原理来判断所处的当前工作点是否是最大功率点。这样本发明提供的太阳能电池最大功率点跟踪方法还可以包括：在步骤(a)之后执行以下步骤：将输出电压改变为V₀＝V₁-ε₁，检测此时的电流I₀，并计算功率P₀，判断

是否小于预定阈值，仅当小于预定阈值时才继续执行步骤(b)，否则，不继续执行步骤(b)且将P₀至P₁作为最大功率点的取值范围。所述预定阈值的取值范围可以为0～0.1之间。

本发明还提供了一种太阳能电池最大功率点跟踪装置，该装置包括：

当前工况检测单元，用于检测太阳能电池的当前输出电压V₁和当前输出电流I₁，并计算当前输出功率P₁；

电压步长预设单元，用于设置电压变化步长ΔV和取值小于电压变化步长ΔV的预定电压变化步长ε₁；

工况改变单元，用于将输出电压分别改变为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)，分别检测电压为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)下的电流I_a和I_c，并分别计算输出功率P_a和P_c；

功率比较单元，用于比较P_a、P₁、P_c之间的大小关系，并根据P_a、P₁、P_c之间的大小关系执行以下处理：

当P_a≥P₁＞P_c时，则将V₁更新为V₁-ΔV，将P₁更新为P_a，并再次运行工况改变单元；

当P_a＜P₁≤P_c时，则将V₁更新为V₁+ΔV，将P₁更新为P_c，并再次运行工况改变单元；

当P_a＜P₁且P₁＞P_c或者P_a≥P₁且P₁≤P_c时，则比较ΔV与ε₁的大小关系，若ΔV＞ε₁，则将ΔV的取值减小，并再次运行工况改变单元，若ΔV≤ε₁，则将P_a至P_c作为最大功率点的取值范围。

所述最大功率点跟踪装置还可以包括最大功率点预判单元，该最大功率点预判单元用于在运行当前工况检测单元和电压步长预设单元之后：将输出电压改变为(V₁-ε₁)，检测此时的电流I₀，并计算功率P₀，判断

是否小于预定阈值，仅当不小于预定阈值时才运行工况改变单元和功率比较单元，否则，不运行工况改变单元和功率比较单元且将P₀至P₁作为最大功率点的取值范围。优选地，所述预定阈值的取值范围可以为0～0.1之间。

优选地，所述电压步长预设单元中设置的所述电压变化步长ΔV的取值范围可以为0.1V～1V之间，预定电压变化步长ε₁的取值范围可以为10^-6V～0.01V之间。在运行功率比较单元过程中，其中将ΔV的取值减小可以是将ΔV的取值减小为ΔV/2，这样既可以加快最大功率点跟踪过程中的搜索速度，又可以尽量避免振荡和误判现象。

在本发明的优选实施方式中，在搜索初期，先给定一个很小的预定步长，利用在最大功率点处P-V曲线斜率为零的思想判断当前输出电压是否是最大功率点对应的电压，如果是，则不进行搜索，这样就避免了盲目搜索造成的功率损耗；如果发现当前输出电压并不是最大功率点对应的电压，则给定一个比较大的步长，再利用步长逐渐变小的三点比较法的思想进行搜索，这样既可以加快搜索速度，同时还避免了振荡和误判的情况。由此，本发明提供的太阳能电池最大功率点跟踪方法和装置总体而言具有精确度高、不易产生振荡且跟踪搜索速度快的优点。

Claims (10)

1.一种太阳能电池最大功率点跟踪方法，该方法包括：

(a)检测太阳能电池的当前输出电压V₁和当前输出电流I₁，并计算当前输出功率P₁，设置电压变化步长ΔV和取值小于电压变化步长ΔV的预定电压变化步长ε₁；

(b)将输出电压分别改变为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)，分别检测电压为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)下的电流I_a和I_c，并分别计算输出功率P_a和P_c；

(c)比较P_a、P₁、P_c之间的大小关系，并根据P_a、P₁、P_c之间的大小关系执行以下处理：

当P_a≥P₁＞P_c时，则将V₁更新为V₁-ΔV，将P₁更新为P_a，并返回执行步骤(b)；

当P_a＜P₁≤P_c时，则将V₁更新为V₁+ΔV，将P₁更新为P_c，并返回执行步骤(b)；

当P_a＜P₁且P₁＞P_c或者P_a≥P₁且P₁≤P_c时，则比较ΔV与ε₁的大小关系，若ΔV＞ε₁，则将ΔV的取值减小，并返回执行步骤(b)，若ΔV≤ε₁，则将P_a至P_c作为最大功率点的取值范围。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池最大功率点跟踪方法，该方法还包括：在步骤(a)之后执行以下步骤：

将输出电压改变为(V₁-ε₁)，检测此时的电流I₀，并计算功率P₀，判断

是否小于预定阈值，仅当不小于预定阈值时才继续执行步骤(b)，否则，不继续执行步骤(b)且将P₀至P₁作为最大功率点的取值范围。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池最大功率点跟踪方法，其中所述预定阈值的取值范围为0～0.1之间。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池最大功率点跟踪方法，其中，电压变化步长ΔV的取值范围为0.1V～1V之间，预定电压变化步长ε₁的取值范围为10^-6V～0.01V之间。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的太阳能电池最大功率点跟踪方法，其中，所述将ΔV的取值减小是将ΔV的取值减小为ΔV/2。

6.一种太阳能电池最大功率点跟踪装置，该装置包括：

当前工况检测单元，用于检测太阳能电池的当前输出电压V₁和当前输出电流I₁，并计算当前输出功率P₁；

电压步长预设单元，用于设置电压变化步长ΔV和取值小于电压变化步长ΔV的预定电压变化步长ε₁；

工况改变单元，用于将输出电压分别改变为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)，分别检测电压为(V₁-ΔV)和(V₁+ΔV)下的电流I_a和I_c，并分别计算输出功率P_a和P_c；

功率比较单元，用于比较P_a、P₁、P_c之间的大小关系，并根据P_a、P₁、P_c之间的大小关系执行以下处理：

当P_a≥P₁＞P_c时，则将V₁更新为V₁-ΔV，将P₁更新为P_a，并再次运行工况改变单元；

当P_a＜P₁≤P_c时，则将V₁更新为V₁+ΔV，将P₁更新为P_c，并再次运行工况改变单元；

当P_a＜P₁且P₁＞P_c或者P_a≥P₁且P₁≤P_c时，则比较ΔV与ε₁的大小关系，若ΔV＞ε₁，则将ΔV的取值减小，并再次运行工况改变单元，若ΔV≤ε₁，则将P_a至P_c作为最大功率点的取值范围。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池最大功率点跟踪装置，该最大功率点跟踪装置还包括最大功率点预判单元，该最大功率点预判单元用于在运行当前工况检测单元和电压步长预设单元之后：

将输出电压改变为(V₁-ε₁)，检测此时的电流I₀，并计算功率P₀，判断

是否小于预定阈值，仅当不小于预定阈值时才运行工况改变单元和功率比较单元，否则，不运行工况改变单元和功率比较单元且将P₀至P₁作为最大功率点的取值范围。

8.根据权利要求6所述的太阳能电池最大功率点跟踪装置，其中所述预定阈值的取值范围为0～0.1之间。

9.根据权利要求6所述的太阳能电池最大功率点跟踪装置，其中，电压变化步长ΔV的取值范围为0.1V～1V之间，预定电压变化步长ε₁的取值范围为10^-6V～0.01V之间。

10.根据权利要求6-9中任一权利要求所述的太阳能电池最大功率点跟踪装置，其中，所述将ΔV的取值减小是将ΔV的取值减小为ΔV/2。

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