CN102130631B - 用于光伏并网发电的最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents
用于光伏并网发电的最大功率点跟踪控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于光伏并网发电的最大功率点跟踪控制方法，包括：对占空比D迭代初值取Dm＝0.2和Dn＝0.9；计算上线出发的迭代变量Dy，下线出发的迭代变量Dx；根据上线出发的迭代变量Dy及检测出该点的电压值Uy，Iy计算该点的最大功率值Py，同理，根据下线出发的迭代变量Dx及检测出该点的电压值Ux，Ix计算该点的最大功率值x；利用黄金分割法计算最大占空比Dmax。该方法能实现最大功率点的计算，尤其使用于在太阳能光伏设备启动或重启时对最大功率点进行有效跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏并网发电技术领域，尤其涉及一种用于太阳能光伏并网发电的最大功率点跟踪控制方法。
背景技术
太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池吸收阳光，将太阳的光能直接变成电能输出。光伏发电系统(以下简称光伏系统)的主流发展趋势是并网光伏发电系统。太阳能电池发电是直流电压，必须通过逆变装置变换成交流，再同电网的交流电合起来使用，这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。光伏并网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。
光伏发电系统中采用的光伏电池外特性呈现非线性，在一定的温度和光照强度下不一定能够达到输出功率的最大化。因此通常要求在任一瞬间能够输出光伏电池的输出最大功率，即系统要能跟踪光伏电池的最大功率点(Maximum Power Point Tracking以下简称MPPT)。
图1是现有技术中的MPPT跟踪控制设备的结构示意图。光伏电池1的输出直流电经一PWM变化器2(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制器)后接入负载4。MPPT控制装置3原理实质上是一个动态自寻优过程，通过对光伏电池1当前输出电压与电流的检测，得到当前电池输出功率，将其与前一时刻功率相比较，然后根据功率与占空比的关系，改变占空比，使其向最大功率点不断靠近，如此反复，直至达到最大点附近的一个极小区域内。当外界光照强度与温度发生明显改变时，系统会进行再次寻优。
现有技术中常用的MPPT控制方法包括以下几种：
定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking，CVT)是利用光伏器件输出最大功率时工作电压(MPPT)与开路电压Vo存在近似的比例关系这一特性进行控制的一种最大功率点跟踪控制方法。虽然该方法控制简单，但是对最大功率点的追踪精度差，特别是在系统启动或环境变化的情况下可能会导致系统不稳定。
扰动观察法(Perturbation and observation method，P&O)通过不断调节光伏器件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。该方法控制思路简单，实现方便，但是其稳态是只能在功率点附近震荡运行，存在着因P&O法自身算法不严谨，在日照强度变化时产生跟踪错误。
电导增量法是对扰动观察法的改进。该方法能够快速跟踪光照变化并且阵列电压摆动较扰动观察法小；缺点是算法较复杂，并且在用数字方法实现时，对最大功率点的判断容易出现误差。
实际上，在电池阵列被遮挡等光照情况发生很大变化以及人为重新启动系统等情况下，最大功率点处于完全未知的情况，而上述方法均未解决在太阳能光伏设备启动或重启时如何对最大功率点进行有效跟踪的技术问题。
发明内容
为克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于光伏并网发电的最大功率点跟踪控制方法，该方法能实现最大功率点的计算，尤其使用于在太阳能光伏设备启动或重启时对最大功率点进行有效跟踪。
未实现上述发明目的，本发明公开一种用于光伏并网发电的最大功率点跟踪控制方法，包括：步骤一，对占空比D迭代初值取Dm＝0.2和Dn＝0.9；
步骤二，计算上线出发的迭代变量Dy，下线出发的迭代变量Dx；
步骤三，根据上线出发的迭代变量Dy及检测出该点的电压值Uy，Iy计算该点的最大功率值Py，同理，根据下线出发的迭代变量Dx及检测出该点的电压值Ux，Ix计算该点的最大功率值Px；
步骤四，利用黄金分割法计算最大占空比Dmax。
更进一步地，Dy、Dx由以下公式获得：
Dx＝Dm+0.618(Dn-Dm)；
Dy＝Dn+0.382(Dn-Dm)。
步骤四进一步包括以下步骤：
S4.1判断Px＞Py？，若是则进入S4.2，若否则进入S4.4；
S4.2Dm＝Dm，Dn＝Dy；
S4.判断该MPPT的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝Dm，结束；若不是，则返回步骤二；
S4.4则判断Px＜Py？；如果Px＜Py？成立，则进入S4.5，如果Px＜Px？不成立，则进入S4.7；
S4.5Dm＝下线出发的迭代变量Dx，且Dn＝上线出发的迭代变量Dy；
S4.6判断该MPPT的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝Dm，结束；若不是，则返回步骤二；
S4.7则Dm＝下线出发的迭代变量Dx，且Dn＝上线出发的迭代变量Dy；
S4.8判断该MPPT的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝(Dm+Dn)/2，结束；若不是，则返回步骤二。
与现有技术中已有的多种最大功率点跟踪方法相比较，本发明提供的技术方案能有效使用在太阳能光伏设备启动或重启的环境下，而且使太阳能光伏设备跟踪最大功率点的用时大大缩小，提高了太阳能光伏设备的跟踪速度。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是现有技术中的MPPT跟踪控制设备的结构示意图；
图2是光伏逆变器的P-D关系式；
图3是光伏电池输出特性曲线；
图4是本发明所涉及的MPPT跟踪控制方法的流程图；
图5a到图5d是本发明所涉及的MPPT跟踪控制方法从启动到光照亮400W/m2的仿真波形图；
图6a到图6d是本发明所涉及的MPPT跟踪控制方法在1秒内从400W/m2的到光照亮800W/m2的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
MPPT控制原理实质上是一个动态自寻优过程，通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测，得到当前电池输出功率，将其与前一时刻功率相比较，然后根据功率与占空比的关系，改变占空比，使其向最大功率点不断靠近，如此反复，直至达到最大点附近的一个极小区域内。当外界光照强度与温度发生明显改变时，系统会进行再次寻优。光伏电池的负载RL与负载R和占空比D的关系式为：RL＝R/D。因此MPPT控制通过调整占空比D来来改变光伏电池的负载，从而实现阻抗匹配的功能。占空比D的大小决定了光伏电池输出功率P的大小，一般光伏逆变器的P-D关系式如图2中所示。
在太阳能光伏系统首次启动或重启时，最大功率点是完全未知的。在本发明中利用黄金分割算法来获得最大功率点。
以下先介绍黄金分割算法。黄金分割算法是用于一元函数f(x)在给定的初始区间[a，b]内搜索极小点的一种方法。它是优化计算中的经典算法，以算法简单、收敛速度均匀、效果较好而著称，是许多优化算法的基础，但它只适用于一维区间上的凸函数，即只在单峰区间内才能进行一维寻优，其收敛效率较低。其基本原理是：依照“去劣存优”原则、对称原则、以及等比收缩原则来逐步缩小搜索区间。
黄金分割算法的具体步骤是：在区间[a，b]内取点：x1＝a+0.382(b-a)，x2＝a+0.618(b-a)，x1，x2把[a，b]分为三段。如果f(x1)＞f(x2)令a＝x1；如果f(x1)≤f(x2)令b＝x2，重新开始。因为[a，b]为单峰区间，这样每次可将搜索区间缩小0.382倍或0.618倍，处理后的区间都将包含极小点的区间缩小，然后在保留下来的区间上作同样的处理，如此迭代下去，将使搜索区[a，b]逐步缩小，直到满足预先给定的精度时，即获得一维优化问题的近似最优解。
在太阳能光伏系统首次启动或重启时，首先采用黄金分割法进行全局寻优，找到当前的功率最大点。初始时采样开路电压UOC，在全局范围内迅速找到最大功率点的电压UMPP，确定初始的起点占空比，并以此作为以后跟踪的起点。可以预先设定逆变器的效率恒定，在负载电压恒定的情况下，电池阵列的输出功率即正比于逆变器的输出电流。因此，确定起点后，检测逆变器的输出电流I1，并存储，然后实时检测电流I2，若I2＞I1，改变占空比，调节电池阵列输出电压为U+ΔU，且把I2存储，替换I1；若I2＜I1，改变占空比，调节电池阵列输出电压为U-ΔU，且把I2存储，替换I1；如此周而复始。如果在检测中获得I2＞I1或I2＜I1，则自动默认为太阳能光伏系统重启，按照黄金分割法重新计算起始点。
图4是本发明所涉及的MPPT跟踪控制方法的流程图，以下将借助图4说明如何利用黄金分割法获得MPPT。
光伏电池功率可表示为：Ps＝IU＝{IPH-I1(expqu/AKT-1)}U
其中，I和U为光伏输出电流和电压；I1为光伏电池板内部反向饱和电流，一般为常数；IPH为光生电流，正比于光伏电池的面积和入射光的幅照度；q为电子电荷，1.6×10-19C；K为玻尔滋曼常量，0.86×10-4eV/K；T为绝对温度；A为PN结的曲线常数。
由上式可知，光伏阵列输出功率与输出电压的关系为单峰的函数关系，而根据占空比与光伏组件输出负载的关系，可以达到系统中功率与占空比也为单峰关系，因此最大功率点跟踪问题即变为单峰函数的极值寻找问题。因此可以用黄金分隔法来追踪最大功率点。
在使用黄金分割法追踪最大功率点时一个技术难题为，如何不断的找出区间内的两个对称的点，保证极小点不会去掉，且收敛快。设[Dn，Dm]为迭代区间Dn-Dm为迭代长度，Dx为有下线出发的迭代变量，Dy为由上线出发的迭代变量，Px为Dx对应的功率，Py为Dy对应的功率迭代公式如下：
Dx＝Dm+0.618(Dn-Dm)
Dy＝Dn+0.382(Dn-Dm)
当Dn-Dm时，找到最大功率点Pm＝Pn＝PMAX但是由于步长最小值的限制，迭代不可能做到无限逼近，故迭代判断的条件为：当g＞Dn-Dm认为找到最终占空比DMAX迭代结束；若g＜Dn-Dm，则迭代继续进行，知道满足条件。g为迭代绝对误差。迭代流程图如下图所示；D迭代初值取Dm＝0和Dn＝1，迭代初始区间为[0，1]，经过实际计算在现实中式不存的。在本申请文件中，提供一个优化的迭代初始区间取值范围[0.2，0.9]。
本发明提供的MPPT跟踪控制方法为：
第一步，对D迭代初值取Dm＝0.2和Dn＝0.9；
第二步，计算上线出发的迭代变量Dy，下线出发的迭代变量Dx；
第三步，根据上线出发的迭代变量Dy及检测出该点的电压值Uy，Iy计算该点的最大功率值Py，同理，根据下线出发的迭代变量Dx及检测出该点的电压值Ux，Ix计算该点的最大功率值Px；
第四步，利用黄金分割法计算最大占空比Dmax。
具体而言，利用黄金分割法计算最大占空比包括：
S4.1判断Px＞Py？，若是则进入S4.2，若否则进入S4.4；
S4.2Dm＝Dm，Dn＝Dy；
S4.判断该MPPT的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝Dm，结束；若不是，则返回第二步重新计算；
S4.4则判断Px＜Py？；如果Px＜Py？成立，则进入S4.5，如果Px＜Py？不成立，则进入S4.7；
S4.5Dm＝下线出发的迭代变量Dx，且Dn＝上线出发的迭代变量Dy；
S4.6判断该MPPT的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝Dm，结束；若不是，则返回第二步重新计算；
S4.7则Dm＝下线出发的迭代变量Dx，且Dn＝上线出发的迭代变量Dy；
S4.8判断该MPPT的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝(Dm+Dn)/2，结束；若不是，则返回第二步重新计算。
图5a到图5d分别为当系统从启动到光照量为400W/m2时的，输入电流，输入电压，输入功率，输出功率的仿真波形。从波形图中可以看出，采用了本技术方案的系统从零到跟踪到最大功率点用时0.05秒。
图6a到图6d为从启动到光照量为400W/m2并在0.1秒时光照量变为800W/m2的输入电流，输入电压，输入功率，输出功率的仿真波形。从波形上可以看出在0.1秒光照量变为800W/m2后，改变占空比光伏阵列端电压重新建立系统很快稳定于新的最大功率点，实现最大功率点快速准确跟踪。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (1)
1.一种用于光伏并网发电的最大功率点跟踪控制方法，包括：
步骤一，对占空比D迭代初值取Dm＝0.2和Dn＝0.9；
步骤二，计算上线出发的迭代变量Dy，下线出发的迭代变量Dx，所述Dy、Dx由以下公式获得：
Dx＝Dm+0.618(Dn-Dm)，
Dy＝Dn+0.382(Dn-Dm)；
步骤三，根据上线出发的迭代变量Dy及检测出该点的电压值Uy，Iy计算该点的最大功率值Py，同理，根据下线出发的迭代变量Dx及检测出该点的电压值Ux，Ix计算该点的最大功率值Px；
步骤四，利用黄金分割法计算最大占空比Dmax；所述步骤四进一步包括以下步骤：
S4.1判断Px＞Py是否成立，若是则进入S4.2，若否则进入S4.4；
S4.2设置Dm＝Dm，Dn＝Dy；
S4.3判断迭代绝对误差g的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝Dm，结束；若不是，则返回步骤二；
S4.4判断Px＜Py是否成立；如果Px＜Py成立，则进入S4.5，如果Px＜Py不成立，则进入S4.7；
S4.5设置Dm＝下线出发的迭代变量Dx，且Dn＝上线出发的迭代变量Dy；
S4.6判断迭代绝对误差g的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝Dm，结束；若不是，则返回步骤二；
S4.7设置Dm＝下线出发的迭代变量Dx，且Dn＝上线出发的迭代变量Dy；
S4.8判断迭代绝对误差g的取值区间是否大于Dn-Dm，若是则找到最终占空比DMAX＝(Dm+Dn)/2，结束；若不是，则返回步骤二。
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