CN102185534A - 一种光伏电池最大功率跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电池最大功率跟踪方法及装置，在对光伏电池最大功率跟踪的同时，考虑了光伏电池输出功率过小和过大情况的处理，当输出功率小于等于第一参考功率时，将光伏电池输出电压维持在最低电压；当输出功率大于等于第二参考功率时，将输出电压给定值按一定步长上调。本发明光伏电池可以保证工作在输出功率最大的状态，同时避免了输出电压低于最低电压时无意义的最大功率跟踪，保证了光电池的运行稳定，并能防止光伏电池输出功率超出上限值以损坏设备。本发明光伏电池最大功率跟踪方法及装置可广泛应用于光伏发电装置及光伏并网发电领域。

Description

一种光伏电池最大功率跟踪方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光伏发电装置的应用，尤其是一种光伏电池最大功率跟踪方法及装置。

背景技术

光伏发电系指太阳光照射到光伏电池上，光伏电池将太阳能光的光能转换成电能再加以应用。通常，光伏电池输出的电能需要后接功率变换器进一步处理后方能供给负载使用。

由于光伏电池输出伏安特性呈特殊下降曲线，其输出功率存在最大值，输出功率最大值对应的输出电流和输出电压即是最大功率工作点，如图1所示，图1中，I、U、P分别为光伏电池的输出电流、输出电压和输出功率，P_max、I_MPPT、U_MPPT分别为光伏电池的最大输出功率、最大功率点对应的输出电流和输出电压。

由于光伏电池的光电转换效率太低（实验室条件下最高也未超过30%），为了使光伏电池输出的电能得到充分的利用，应当使光伏电池工作在最大功率输出状态。

为了使光伏电池工作在最大功率输出状态，一般系通过微处理器（DSP、单片机等）执行最大功率跟踪算法（以下简称MPPT，Maximum Power Point Tracking），控制功率变换器工作，使光伏电池输出电压等于最大功率点对应的电压来实现的，其基本原理框图如图2所示。

参照图2，光伏发电系统首先检测光伏电池的输出电压U和输出电流I，得到相应的检测信号U_s、I_s。MPPT环节根据检测到的U_s、I_s信号执行最大功率点跟踪算法，得到最大功率点电压的给定值U_g。电压检测信号U_s作为光伏电池电压控制环节的反馈信号与给定值U_g比较，其偏差送入电压控制器进行闭环控制运算，运算得到控制量U_c。U_c作为功率变换器的控制信号，通过控制功率变换器，使光伏电池电压工作在最大功率点工作电压，从而使光伏电池工作在最大功率输出状态。

2007年41卷第5期的《电力电子技术》刊登了一篇《几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进》的技术文章，公开了几种现有的MPPT技术方案：

技术方案1：

恒压控制法(Constant Voltage Tracking CVT)。恒压跟踪法的基本原理是：当温度一定时，不同光强下光伏电池的最大功率点电压几乎落在同一根垂直线的两侧附近，则该垂线对应的工作电压可近似认为是光伏电池最大功率点电压。使光伏电池工作在此电压点上，可近似认为光伏电池输出最大功率。如图3所示，图3中，P为光伏电池输出功率，U为光伏电池输出电压。由图3可见，光伏电池的恒压跟踪电压轨迹与实际最大功率点轨迹并不重合，只是一种近似跟踪。

技术方案2：

扰动观察法（Perturbation & Observation P&O法，也称爬山法）。扰动观察法的基本原理是：通过比较采样到的光伏电池本次输出功率和上次输出功率的大小来决定增加或减小光伏电池电压来实现MPPT。扰动观察法跟踪原理如图4所示。参照图4，若光伏电池本次输出功率与上次输出功率之差ΔP>0，表明当前电压调整方向代表了功率增大的方向，则下一次应沿着此方向调整光伏电池工作电压；若ΔP<0，表明当前电压调整方向代表功率减小的方向，则下一次应沿着此方向的反方向调整光伏电池工作电压。通过不断的比较调整，使光伏电池的输出功率最终趋近于最大输出功率。

技术方案3：

增量电导法。该方法的基本原理是：由图4可知，当dP/dU>0（即dI/dU>-I/U）时，当前光伏电池工作点在最大功率点的左侧，此时光伏电池工作电压U的调整方向应当是增加,当dP/dU<0（即dI/dU<-I/U）时，当前光伏电池工作点在最大功率点的右侧，此时光伏电池工作电压U的调整方向为减小。直到调整到dP/dU=0（即dI/dU=-I/U）。

但是，现有的三种技术方案都存在着难以克服的缺陷：

技术方案1，该方案的缺点是只能跟踪光伏电池的固定电压，而在不同光照不同温度时，光伏电池最大功率点的电压实际是变化的。因此该方法并不能真正跟踪光伏电池最大功率，存在功率损失。

技术方案2：理论上，该方案是真正的最大功率跟踪方案，当处于稳定状态时，光伏电池的输出功率将在最大功率点附近来回震荡，震荡幅度与电池电压调整幅度有关。电压调整幅度越小，则功率震荡幅度越小，但跟踪速度越慢；电压调整幅度越大，则跟踪速度越快，当功率震荡幅度越大，造成功率损失越大。

技术方案3：该方案理论上均有较高的跟踪精度和稳定度，但是该方案涉及到微分（差分）运算和除法运算，由于检测光伏电池电压和电流的传感器精度有限，该方法实际上也存在一定的最大功率跟踪误差，且算法较复杂。

现有技术的光伏电池最大功率跟踪方法，均只考虑了如何搜索到光伏电池的最大功率点，未考虑光伏电池在特殊情况下，如输出功率过小或者过大时，如何让光伏发电系统正常可靠工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种适用于光伏发电装置的光伏电池的最大功率跟踪方法，该方法在光伏电池输出功率不足的情况下，使光伏电池工作在规定的某一工作电压，该工作电压系光伏发电装置允许的最低工作电压；当光伏电池输出功率足够时的情况下，光伏发电装置进入最大功率跟踪状态，使光伏电池输出最大功率；若光伏电池输出功率过大，超出光伏发电装置正常工作允许的范围，则将光伏电池的输出功率限制在输出功率上限值，防止损坏光伏发电装置；

本发明还提供了一种适用于光伏发电装置的光伏电池的最大功率跟踪装置，所述装置光伏电池输出功率不足的情况下，使光伏电池工作在规定的某一工作电压，该工作电压系光伏发电装置允许的最低工作电压；当光伏电池输出功率足够时的情况下，光伏发电装置进入最大功率跟踪状态，使光伏电池输出最大功率；若光伏电池输出功率过大，超出光伏发电装置正常工作允许的范围，则将光伏电池的输出功率限制在输出功率上限值，防止损坏光伏发电装置。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种光伏电池最大功率跟踪方法，包括以下步骤：

S1.检测光伏电池的输出电压和输出电流，并计算光伏电池的输出功率；

S2.将光伏电池的输出功率与第一参考功率比较，若输出功率小于等于第一参考功率，则执行步骤S3,否则跳转至步骤S4；

S3.将光伏电池的输出电压给定值维持在正常工作的最低电压；

S4.将光伏电池的输出功率与第二参考功率比较，若输出功率大于等于第二参考功率，则执行步骤S5,否则跳转至步骤S6；

S5.对光伏电池的输出电压给定值按一定步长上调，然后进入步骤S7；

S6.对光伏电池的输出电压进行扰动观察法控制，然后进入步骤S7；

S7.保存本次计算所得的光伏电池的输出功率并赋值为反馈功率。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3的具体流程为：

S31.判断光伏电池的输出电压给定值是否小于等于正常工作的最低电压，若是则执行步骤S32,若否则执行步骤S33；

S32.将正常工作的最低电压赋值给光伏电池的输出电压给定值, 然后执行步骤S7；

S33.将光伏电池的输出电压给定值按一定步长下调, 然后执行步骤S7。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S6扰动观察法的具体流程为：

S61.将本次计算所得光伏电池的输出功率与上次计算所得光伏电池的输出功率即反馈功率比较，若本次的输出功率大于等于反馈功率，则执行步骤S63,否则执行步骤S62；

S62.改变光伏电池输出电压给定值的调整方向,然后执行S63；

S63.按确定的光伏电池输出电压给定值的调整方向和步长调整输出电压给定值。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S6采用增量电导法对光伏电池输出电压进行最大功率跟踪。

一种光伏电池最大功率跟踪装置，包括光伏电池，所述光伏电池的输出端依次连接有功率变换器及滤波电路，还包括一控制光伏电池最大功率跟踪的微处理器，所述微处理器的输入端连接有分别检测光伏电池输出端电压和电流的电压传感器和电流传感器，所述微处理器的控制端连接有检测滤波电路输出端电压和输出电流的输出电压检测器和输出电流检测器，所述微处理器的输出端连接有一功率驱动器，所述功率驱动器的输出端与功率变换器的控制端连接。

进一步作为优选的实施方式，所述微处理器包括一个最大功率跟踪单元，所述最大功率跟踪单元的输出端连接有一个比较器，所述比较器的输入端还连接有电压传感器的输出，所述比较器的输出依次连接有一光伏电池电压控制单元和内环控制单元，所述内环控制单元的控制端连接有输出电压检测器和输出电流检测器的输出信号，所述内环控制单元的输出端与功率驱动器连接。

优选的，所述微处理器为单片机或者DSP。

本发明的有益效果是：本发明在实现光伏电池最大功率跟踪的同时，考虑了光伏电池输出功率过小或过大情况的处理。在光伏电池输出功率过小的情况下，将光伏电池输出电压维持在最低工作电压，避免无意义的最大功率搜索导致的光伏电池电压不稳定；在光伏电池输出功率过大，超出功率上限值时，将光伏电池输出功率稳定在输出功率上限值，实现限功率功能，避免将光伏电池过大的输出功率注入光伏发电装置造成设备损坏。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是典型光伏电池伏安特性曲线及输出功率曲线；

图2是现有技术MPPT控制基本原理框图；

图3是恒压跟踪法原理示意图；

图4是本发明扰动观察法跟踪原理图；

图5是本发明装置MPPT方案的控制框图；

图6是本发明MPPT实施原理示意图；

图7是本发明最大功率跟踪方法的主流程图；

图8是本发明步骤S3的子流程图；

图9是本发明步骤S6的子流程图；

图10是本发明最大功率跟踪方法一实施例的具体流程图。

具体实施方式

本发明方法适用于以微处理器（如单片机、DSP）为控制核心的光伏发电装置，如光伏离网逆变器、光伏并网逆变器或光伏充电器等，参照图5，所述光伏发电装置的结构及控制原理如下：

微处理器4通过电压传感器2和电流传感器3检测光伏电池1的输出电压和输出电流，得到检测信号U_dc、I_dc。微处理器4中的最大功率跟踪单元5根据读取的U_dc、I_dc计算光伏电池1的输出功率P_dc，并判断光伏电池1的工作状态，执行MPPT控制运算，进而得到光伏电池的输出电压给定值U_refdc。输出电压给定值U_refdc与U_dc信号通过比较器6求差，得到偏差e_dc。偏差e_dc作为光伏电池电压控制单元7的输入信号，经过电压控制单元7的运算，得到内环控制单元8的给定值信号u_g（如果光伏发电装置系逆变器），则给定值信号u_g应为正弦给定值的幅值信号）。内环控制单元8可以是根据输出电压检测器10的反馈信号u_of 来调控的输出电压控制环节，也可以是根据输出电流检测器11的反馈信号i_of 来调控的输出电流控制环节，应当视光伏发电装置的类型而定。给定值信号u_g与反馈信号u_of或i_of在内环控制单元8比较运算后（如果光伏发电装置为逆变器，则给定值信号u_g与正弦信号相乘后作为给定值再与反馈信号u_of或i_of在内环控制单元8比较运算），得到功率变换器12的PWM驱动信号，PWM驱动信号经过功率驱动器9将功率放大，使功率变换器12的开关器件工作。功率变换器12将光伏电池1输出的直流电能变换成另一种电能，在经滤波电路13滤波后，供给负载14使用（当光伏发电装置为并网逆变器时，负载是电网）。

参照图7，本发明一种光伏电池最大功率跟踪方法，包括以下步骤：

S1.检测光伏电池的输出电压U_dc和输出电流I_dc，并计算光伏电池的输出功率P_dc；

S2.将光伏电池的输出功率P_dc与第一参考功率P_dcmin比较，所述第一参考功率P_dcmin 为光伏发电装置执行正常MPPT控制所能识别的最小功率，若输出功率P_dc小于等于第一参考功率P_dcmin，则执行步骤S3,否则跳转至步骤S4；

S3.将光伏电池的输出电压给定值U_refdc维持在正常工作的最低电压U_dcmin；

S4.将光伏电池的输出功率与第二参考功率P_dcmax比较，所述第二参考功率P_dcmax为光伏电池最大允许输出功率，若输出功率P_dc大于等于第二参考功率P_dcmax，则执行步骤S5,否则跳转至步骤S6；

S5.对光伏电池的输出电压给定值U_refdc按一定步长U_step上调，然后进入步骤S7；

S6.对光伏电池的输出电压U_dc进行扰动观察法控制，然后进入步骤S7；

S7.保存本次计算所得的光伏电池的输出功率P_dc并赋值为反馈功率P_dco。

进一步作为优选的实施方式，参照图8，所述步骤S3的具体流程为：

S31.判断光伏电池的输出电压给定值U_refdc是否小于等于正常工作的最低电压U_dcmin，若是则执行步骤S32,若否则执行步骤S33；

S32.将正常工作的最低电压U_dcmin赋值给光伏电池的输出电压给定值U_refdc , 然后执行步骤S7；

S33.将光伏电池的输出电压给定值U_refdc按一定步长U_step下调, 然后执行步骤S7。

进一步作为优选的实施方式，参照图9，所述步骤S6扰动观察法的具体流程为：

S61.将本次计算所得光伏电池的输出功率P_dc与上次计算所得光伏电池的输出功率即反馈功率P_dco比较，若本次的输出功率P_dc大于等于反馈功率P_dco，则执行步骤S63,否则执行步骤S62；

S62.改变光伏电池输出电压给定值U_refdc的调整方向,然后执行S63；

S63.按确定的光伏电池输出电压给定值U_refdc的调整方向和步长U_step调整输出电压给定值U_refdc。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S6采用增量电导法对光伏电池输出电压U_dc进行最大功率跟踪。

参照图6，MPPT的实施过程如下：

光伏发电装置在运行时，不断检测光伏电池的输出电压U_dc和输出电流I_dc，并计算输出功率P_dc。（1）如果输出功率P_dc小于第一参考功率P_dcmin，通过图5所示之光伏电池电压控制环节7，使光伏电池输出电压给定值U_refdc按一定的调整步长下降。若光伏电池输出电压给定值U_refdc下降过程中，光伏电池输出功率P_dc始终小于第一参考功率P_dcmin，如图6之曲线1，则将光伏电池输出电压U_dc调整到光伏发电装置正常工作的最低电压U_dcmin并维持该电压，如图6之A点。（2）若输出功率P_dc大于第一参考功率P_dcmin，如图6之曲线2，则光伏发电装置采用扰动观察法实施MPPT跟踪，并最终达到最大功率点B（或该点附近），此时光伏电池输出最大功率P_mppt。（3）若光伏发电装置在最大功率跟踪过程中，检测到输出功率P_dc大于光伏电池最大允许输出功率上限第二参考功率P_dcmax（必须将光伏电池输出功率P_dc限制在一定范围内，如果不加限制，则过大的光伏电池输出功率P_dc通过光伏发电装置时有可能损坏该装置），如图6之曲线3，则应通过图5所示之光伏电池电压控制环节7，将光伏电池输出电压U_dc控制在第二参考功率P_dcmax对应的电压点U_limit上。（4）光伏电池在最大功率跟踪过程中，光伏电池电压控制环节的给定值均不应小于最小电压U_dcmin，如图6所示之工作点E、D，以保证光伏发电系统的正常工作。当光伏电池电压小于等于最小电压U_dcmin时，应当增加输出电压给定值U_refdc，使输出电压U_dc大于最小电压U_dcmin，以免出现母线电压崩溃。

参照图10，本发明的一个具体实施例的工作流程，MPPT控制通过微处理器软件来实施，微处理器软件定时执行MPPT控制，具体步骤如下：

步骤1：微处理器软件进入MPPT控制流程，检测光伏电池输出电压U_dc和输出电流I_dc，并计算光伏电池输出功率P_dc。

步骤2：比较输出功率P_dc与第一参考功率P_dcmin（P_dcmin为光伏发电装置执行正常MPPT控制所能识别最小功率），若输出功率P_dc小于第一参考功率P_dcmin，则流程跳转到步骤3，否则跳转到步骤6。

步骤3：比较输出电压给定值U_refdc和光伏发电装置正常工作允许的最低电压U_dcmin。若参考电压给定值U_refdc≤最低电压U_dcmin，则进入步骤4，否则进入步骤5。

步骤4：将最低电压U_dcmin赋给输出电压给定值U_refdc，即令输出电压给定值U_refdc=最低电压U_dcmin，通过直流电压闭环控制，使光伏电池输出电压U_dc维持在最低U_dcmin。步骤4完成后，进入步骤11。

步骤5：将当前输出电压给定值U_refdc按一定的步长U_step下调。由于闭环控制的作用，光伏电池输出电压U_dc相应下降。步骤5完成后，进入步骤11。

步骤6：比较输出功率P_dc与第二参考功率P_dcmax，若输出功率P_dc大于等于第二参考功率P_dcmax，则进入步骤7，否则进入步骤8。

步骤7：输出电压给定值U_refdc按一定的步长U_step上调，由于直流电压的闭环控制，使光伏电池输出电压U_dc相应上调。完成后进入步骤11。

步骤8：比较本次计算所得光伏电池输出功率P_dc与上次计算所得光伏电池输出功率即反馈功率P_dc0。若输出功率P_dc大于等于反馈功率P_dc0，表明当前电压调整方向代表功率增加方向，应维持当前光伏电池电压调整步长的方向，并进入步骤10，否则进入步骤9。

步骤9：进入本步骤，表明当前电压调整方向系使光伏电池输出功率减小的方向，因此应改变光伏光伏电池电压调整方向。令光伏电池电压调整步长值ΔU取反方向，即下一次按反方向调整光伏电池电压。完成后进入步骤10。

步骤10：按确定的光伏电池电压调整方向和步长ΔU调整输出电压给定值U_refdc，通过闭环控制，使光伏电池电压U_dc发生相应的变化。完成后进入步骤11。

步骤11：保存本次计算所得的光伏电池输出功率P_dc，将输出功率P_dc存放到反馈功率P_dc0，作为下一次MPPT计算之用。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种光伏电池最大功率跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.检测光伏电池的输出电压和输出电流，并计算光伏电池的输出功率；

S2.将光伏电池的输出功率与第一参考功率比较，若输出功率小于等于第一参考功率，则执行步骤S3,否则跳转至步骤S4；

S3.将光伏电池的输出电压给定值维持在正常工作的最低电压；

S4.将光伏电池的输出功率与第二参考功率比较，若输出功率大于等于第二参考功率，则执行步骤S5,否则跳转至步骤S6；

S5.对光伏电池的输出电压给定值按一定步长上调，然后进入步骤S7；

S6.对光伏电池的输出电压进行扰动观察法控制，然后进入步骤S7；

S7.保存本次计算所得的光伏电池的输出功率并赋值为反馈功率。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电池最大功率跟踪方法，其特征在于：所述步骤S3的具体流程为：

S31.判断光伏电池的输出电压给定值是否小于等于正常工作的最低电压，若是则执行步骤S32,若否则执行步骤S33；

S32.将正常工作的最低电压赋值给光伏电池的输出电压给定值,然后执行步骤S7；

S33.将光伏电池的输出电压给定值按一定步长下调,然后执行步骤S7。

3.根据权利要求1所述的一种光伏电池最大功率跟踪方法，其特征在于：所述步骤S6扰动观察法的具体流程为：

S61.将本次计算所得光伏电池的输出功率与上次计算所得光伏电池的输出功率即反馈功率比较，若本次的输出功率大于等于反馈功率，则执行步骤S63,否则执行步骤S62；

S62.改变光伏电池输出电压给定值的调整方向,然后执行S63；

S63.按确定的光伏电池输出电压给定值的调整方向和步长调整输出电压给定值。

4.根据权利要求1所述的一种光伏电池最大功率跟踪方法，其特征在于：所述步骤S6采用增量电导法对光伏电池输出电压进行最大功率跟踪。

5.一种光伏电池最大功率跟踪装置，包括光伏电池（1），所述光伏电池（1）的输出端依次连接有功率变换器（12）及滤波电路（13），其特征在于：还包括一控制光伏电池（1）最大功率跟踪的微处理器（4），所述微处理器（4）的输入端连接有分别检测光伏电池（1）输出端电压和电流的电压传感器（2）和电流传感器（3），所述微处理器（4）的控制端连接有检测滤波电路（13）输出端电压和输出电流的输出电压检测器（10）和输出电流检测器（11），所述微处理器（4）的输出端连接有一功率驱动器（9），所述功率驱动器（9）的输出端与功率变换器（12）的控制端连接。

6.根据权利要求5所述的一种光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于：所述微处理器（4）包括一个最大功率跟踪单元（5），所述最大功率跟踪单元（5）的输出端连接有一个比较器（6），所述比较器（6）的输入端还连接有电压传感器（2）的输出，所述比较器（6）的输出依次连接有一光伏电池电压控制单元（7）和内环控制单元（8），所述内环控制单元（8）的控制端连接有输出电压检测器（10）和输出电流检测器（11）的输出信号，所述内环控制单元（8）的输出端与功率驱动器（9）连接。

7.根据权利要求6所述的一种光伏电池最大功率跟踪装置，其特征在于：所述微处理器（4）为单片机或者DSP。

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