CN102314190B

CN102314190B - 独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法

Info

Publication number: CN102314190B
Application number: CN2011101132409A
Authority: CN
Inventors: 徐登; 章彬宏; 庄小红
Original assignee: Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology
Current assignee: Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-05-04
Also published as: CN102314190A

Abstract

本发明涉及一种独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，进行光伏电池组件电压预定位，启动扰动观察算法；采集扰动启动输出电压和电流得扰动启动输出功率，改变扰动脉宽调制占空比，采集扰动输出电压和电流得扰动输出功率，判断扰动输出功率与扰动起点功率，相同即为最大功率点，停止扰动观察算法，记录、锁定并更新扰动起点电压和占空比；不相同改变占空比后重新跟踪新的最大功率点；按时间隔周期得到间隔输出功率及功率相对变化率和温度相对变化精度，确定是否继续锁定更新后的扰动起点输出电压。本发明启动迅速，运算方便可靠，具有间歇扰动特性，能够有效提高光伏发电系统的转换效率并降低系统控制的功耗和出错概率。

Description

独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，属于光伏发电系统的技术领域。

背景技术

太阳能作为一种可再生、无污染的绿色能源，在太阳能的有效利用当中，光伏发电是利用最灵活，也是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。由于太阳能电池的输出具有明显的非线性特性，并且其输出受到光照强度、环境温度和负载情况的影响，在一定的光照强度和环境温度下，太阳能电池可以工作在不同的的输出电压，但是只有在某一特定输出电压值时，太阳能电池的输出功率才能达到最大值，这一点就是输出功率电压曲线的顶点(Maximum Power Point，MPP)。为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，需要对光伏电池的输出最大功率点进行跟踪，以保证在环境不断变化的情况下，可以实时调整太阳能电池的工作点，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)。

目前针对MPPT的方法有很多，如恒定电压控制法，短路电流法，扰动观测法，导纳增量法，模糊控制法，基于预测数据的最大功率跟踪方法等等。恒定电压控制法(CVT)采用将光伏电池输出电压控制在最大功率电压处，以保证光伏电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处，目前最大功率跟踪算法中最常见的就是扰动观察(P&O)MPPT算法，该算法采用扰动光伏系统的输出电压的方式，判断扰动前后系统输出功率的变化情况，并按照使输出功率增加的原则来对系统进行控制。导纳增量法(IncCond)采用在最大功率点处有dP/dU＝0的特征，作为判定光伏电池是否工作在最大功率点的依据，并对系统进行相应的控制，其他跟踪算法介绍略。

这些算法基本上都通过改变DC-DC电路的开关管占空比来调节组件输出的等效负载大小，使得组件工作在最大功率点处，从而实现了最大功率点的实时跟踪，但是他们共同存在的一个缺陷就是，为了在任何温度和日照条件下都能准确跟踪太阳能电池的最大功率，实现较佳的追踪效果，在提高控制的精度的同时不断的增加算法的复杂度和硬件结构的复杂度从而也造成制作成本的上升，并且最关键的是，他们所采用的对最大功率点的追踪是实时的，实时追踪的过程实际上是一个功率寻优的过程。由于在寻优过程中不断地调整参考电压，因此，太阳电池的工作点始终在最大功率点附近振荡，无法稳定工作在最大功率点上，而且对系统的输出功率进行不断的振荡扰动势必会增加电压电流波动造成的额外的能量损耗，极大的增加了控制出错的概率。同时，当日照强度快速变化时，参考电压调整方向很有可能发生错误，产生控制算法的跑偏出错。这也是目前使用较多的扰动观察法在算法稳定性方面的致命缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，被测参数少，运算方便，能提高扰动观察法在算法的稳定性。

本发明为达到上述目的的技术方案是：一种独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，其特征在于：按以下步骤进行：

(1)、采集光伏电池组件的开路电压值Uoc及当前环境温度T1，设定启动扰动观察算法的指令电压值Uo，其中Uo＝(0.75～0.80)×Uoc，控制光伏电池组件的扰动起点输出电压值U(k)从开路电压值Uoc在0.001～10s内下降至指令电压值U₀，启动扰动观察算法；

(2)、采集扰动起点时光伏电池组件的扰动起点输出电压U(k)和扰动起点输出电流I(k)，得光伏电池组件的扰动起点输出功率P(k)，其中P(k)＝U(k)×I(k)，并按设定的扰动步长STEP2改变扰动脉宽调制占空比D2，再采集下一时刻光伏电池组件的扰动输出电压U(k+1)和扰动输出电流I(k+1)，得到光伏电池组件的扰动输出功率P(k+1)，其中P(k+1)＝U(k+1)×I(k+1)，判断扰动输出功率P(k+1)与扰动起点输出功率P(k)的关系：

a、当扰动输出功率P(k+1)与扰动起点输出功率P(k)相同，扰动输出功率P(k+1)即为光伏电池组件的最大功率点Pmax，维持扰动脉宽调制占空比D2，停止扰动观察算法，并记录光伏电池组件对应的扰动输出电压U(k+1)和扰动脉宽调制占空比D2，将光伏电池组件的扰动起点输出电压U(k)更新为扰动输出电压U(k+1)后并锁定，将初始脉宽调制占空比D1更新为扰动脉宽调制占空比D2；

b、在扰动输出功率P(k+1)大于扰动起点输出功率P(k)，按扰动起点同向的扰动方向调节扰动脉宽调制占空比D2，或扰动输出功率P(k+1)小于扰动起点输出功率P(k)，按扰动起点反向的扰动方向调节扰动脉宽调制占空比D2；重新采集更新后扰动起点的光伏电池组件的扰动起点输出电压U(k)和扰动起点输出电流I(k)，得到更新后的扰动起点输出功率P(k)，并采集更新后下一时刻的光伏电池组件的扰动输出电压U(k+1)和扰动输出电流I(k+1)，得到光伏电池组件更新后下一时刻的扰动输出功率P(k+1)，判断更新后的下一时刻扰动输出功率P(k+1)与更新后的扰动起点输出功率P(k)的关系，当更新后的扰动输出功率P(k+1)与更新后的扰动起点输出功率P(k)相同，重复步骤a，否则重复本步骤；

(3)、按设定的时间隔周期Δt采样环境温度T2以及光伏电池组件的间隔输出电压U2和间隔输出电流I2，得到光伏电池组件的间隔输出功率P2＝U2×I2，计算功率相对变化率精度E_P＝|P2-Pmax|/Pmax以及温度相对变化精度E_T＝|T2-T1|，当功率相对变化率精度E_P小于10％、且温度相对变化精度E_T小于2℃时，继续锁定更新后的扰动起点输出电压U(k)，否则重复重复步骤2。

本发明的独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，在上电启动后能通过电压预定位和扰动观察法迅速找到最大功率工作点，通过检测光伏电池组件扰动起点的下一刻输出功率，再将它与光伏电池组件的扰动起点输出功率相比较，将这种功率相对变化作为是否重新启动扰动观察算法跟踪新的最大功率点的依据，启动迅速，跟踪算法能迅速找到并锁定最大功率点。本发明在锁定扰动起点下一时刻的最大功率点后，再通过设定的间隔周期进行间歇扰动方式，通过可调可变的时间隔周期Δt去采样环境温度和光伏电池组件的间隔功率的变化是否超出所限定的功率相对变化率精度和温度相对变化精度范围进行判断，是否再次启动扰动算法去追踪新的最大功率点，由于采样间隔Δt相对于扰动观察算法时间周期要大得多，这就使得扰动算法在整个控制算法的周期中占据的比例相对传统的扰动观察算法(100％)要大大降低，避免反复扰动改变开关管占空比而带来的输出电压、电流波动引起的能量损耗，有效降低了系统控制算法出错的概率，大大增加了控制算法的稳定性。本发明通过设定的间歇扰动的时间隔周期Δt得到采样环境温度T2和间隔功率P2，合理控制功率相对变化率精度和温度相对变化精度范围，在保证精度的前提下简化控制算法，加快控制系统运行速度。本发明的独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法被测参数少，运算方便，硬件结构简单，降低了发电系统的成本。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

图1是本发明的独立光伏发电系统用的最大功率快速跟踪方法的流程示意图。

图2是太阳能光伏电池伏案特性曲线示意图。

图3是太阳能光伏电池功率特性曲线示意图。

图4是太阳能光伏电池P-U特性曲线示意图。

图5是本发明控制原理的框图。

具体实施方式

见图1所示，本发明的独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，按以下步骤进行：

(1)、采集光伏电池组件的开路电压值Uoc及当前环境温度T1并输入单片机内，设定启动扰动观察算法的指令电压值Uo，其中Uo＝(0.75～0.80)×Uoc，单片机内具有初始脉宽调制占空比D1和步长STEP1，控制光伏电池组件的扰动起点输出电压值U(k)从开路电压值Uoc在0.001～10s内下降至指令电压值U₀，电压预定位过程结束，该开路电压值Uoc下降至指令电压值U₀可控制在0.1～5s内，启动扰动观察算法，初始时的扰动起点输出电压值U(k)即为指令电压值U₀，完成光伏电池组件的电压预定位。

(2)、采集扰动起点时光伏电池组件的扰动起点输出电压U(k)和扰动起点输出电流I(k)，得到光伏电池组件的扰动起点输出功率P(k)，其中P(k)＝U(k)×I(k)，并按设定的扰动步长STEP2来改变扰动脉宽调制占空比D2，再采集下一时刻光伏电池组件的扰动输出电压U(k+1)、扰动输出电流I(k+1)，得到光伏电池组件的扰动输出功率P(k+1)，其中P(k+1)＝U(k+1)×I(k+1)，判断扰动输出功率P(k+1)与扰动起点输出功率P(k)的关系：

b、在扰动输出功率P(k+1)大于扰动起点输出功率P(k)，按扰动起点同向的扰动方向调节扰动脉宽调制占空比D2，或扰动输出功率P(k+1)小于扰动起点输出功率P(k)，按扰动起点反向的扰动方向调节扰动脉宽调制占空比D2，在扰动脉宽调制占空比D2改变后，重新采集更新后扰动起点的光伏电池组件的扰动起点输出电压U(k)和扰动起点输出电流I(k)，得到更新后的扰动起点输出功率P(k)，再采集更新后下一时刻的光伏电池组件的扰动输出电压U(k+1)和扰动输出电流I(k+1)，得到光伏电池组件更新后下一时刻的扰动输出功率P(k+1)，判断更新后的下一时刻扰动输出功率P(k+1)与更新后的扰动起点输出功率P(k)的关系，当更新后的扰动输出功率P(k+1)与更新后的扰动起点输出功率P(k)相同，重复步骤a，否则重复本步骤，改变扰动脉宽调制占空比D2后，更新数据。

(3)、按设定的时间隔周期Δt采样环境温度T2以及光伏电池组件的间隔输出电压U2和间隔输出电流I2，该时间间隔周期Δt可控制在0.1～60s之间，在环境变化较频繁的时候，可控制在0.1～1.99s之间，而在相对稳定的环境中，采样间隔时间Δt可控制在2～1s之间，这就使得在整个控制周期中，绝大部分时间系统都不处于扰动振荡处理过程中，避免反复扰动改变开关管占空比而带来的输出电压、电流波动引起的能量损耗，有效降低了系统控制算法出错的概率，通过间隔输出电压U2和间隔输出电流I2得到光伏电池组件的间隔输出功率P2＝U2×I2，计算功率相对变化率精度E_P＝|P2-Pmax|/Pmax以及温度相对变化精度E_T＝|T2-T1|，当功率相对变化率精度E_P小于10％、且温度相对变化精度E_T小于2℃时，继续锁定更新后的扰动起点输出电压U(k)，否则重复重复步骤2，以此进行间歇扰动，去追踪光伏电池组件更新后的最大功率点，本发明的功率相对变化率精度E_P小于8％，温度相对变化精度E_T小于1℃，能更进一步提高精度。见图2-4所示，光伏电池组件在温度一定时，在一定的光照变化范围内，光伏电池的输出P-U曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧作微小变化，太阳能光伏电池组件的输出始终在最大功率点附近，而且组件输出开路电压值也几乎恒定。

见图5所示，本发明的独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法以单片机为控制核心，包括光伏电池组件、单片机、DC-DC变换器以及外围电路及蓄电池负载。该单片机如采用STC12C5412AD单片机，通过温度传感器将光伏电池组件的输出电压和电流分别由电压采样电路和电流采样电路采样，并将采集到的环境温度、电压以及电流信号送入单片机的ADC采样端口，再经过单片机中控制算法软件的运算后，从单片机的PWM输出端口送出控制信号并通过其驱动电路的输出信号将完成对DC-DC变换器的开关功率器件IGBT的开通与关断的控制，可采用EXB841模块作为功率开关元件IGBT的驱动器，可采用目前一些市售的测试仪。

本发明通过对光伏电池组件对输出电压、电流的检测，得到光伏电池组件扰动输出功率，再将它与前一时刻所记忆的扰动起功率相比较，从而确定扰动PWM方波占空比调整的方向。若扰动输出功率P(k+1)大于扰动起点输出功率P(k)，说明扰动方向正确，可以维持原来的扰动方向进行调节；若当扰动输出功率P(k+1)小于扰动起点输出功率P(k)，说明扰动方向错误，需要改变扰动方向。从图4中可以看出，当扰动脉宽调制占空比D2增大时，若扰动起点输出功率P(k)也增大，则工作点位于图4中最大功率点p_max左侧，需要继续增大扰动脉宽调制占空比D2；若扰动起点输出功率P(k)减小，则工作点位于最大功率点P_max右侧，需要减小扰动脉宽调制占空比D2；当扰动脉宽调制占空比D2减小时，若扰动起点输出功率P(k)输出功率也减小，则工作点位于最大功率点Pmax的左侧，需增大扰动脉宽调制占空比D2；若扰动起点输出功率P(k)增大，则工作点位于最大功率点Pmax的右侧，需继续减小占空比。

本发明扰动占空比和扰动输出功率的关系：在最大功率点左边，扰动占空比随扰动功率增大而增大；在最大功率点右边，扰动占空比随扰动功率增大而减小。故在停止振荡扰动后，在某一环境波动范围内，太阳能光伏电池组件输出功率可以很好的跟踪到理论输出最大功率，系统就大大简化了控制算法，避免了传统扰动算法始终在最大功率点附近做振荡扰动而带来的稳定性差的缺点，将系统扰动观察算法在系统控制算法中所占据的时间比例尽量降低，提高了控制算法的可靠性。

Claims

1.一种独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，其特征在于：按以下步骤进行：

⑴、采集光伏电池组件的开路电压值Uoc及当前环境温度T1，设定启动扰动观察算法的指令电压值Uo，其中Uo=（0.75～0.80）×Uoc，控制光伏电池组件的扰动起点输出电压值U(k)从开路电压值Uoc在0.001～10s内下降至指令电压值Uo，启动扰动观察算法；

⑵、采集扰动起点时光伏电池组件的扰动起点输出电压U(k)和扰动起点输出电流I(k)，得光伏电池组件的扰动起点输出功率P(k)，其中P(k)=U(k)×I(k)，并按设定的扰动步长STEP2改变扰动脉宽调制占空比D2，再采集下一时刻光伏电池组件的扰动输出电压U(k+1)和扰动输出电流I(k+1)，得到光伏电池组件的扰动输出功率P(k+1)，其中P(k+1)=U(k+1)×I(k+1)，判断扰动输出功率P(k+1)与扰动起点输出功率P(k)的关系：

⑶、按设定时的间隔周期Δt采样环境温度T2以及光伏电池组件的间隔输出电压U2和间隔输出电流I2，得到光伏电池组件的间隔输出功率P2=U2×I2，计算功率相对变化率精度E_P=|P2-Pmax|/Pmax以及温度相对变化精度E_T=|T2-T1|，当功率相对变化率精度E_P小于10%、且温度相对变化精度E_T小于2℃时，继续锁定更新后的扰动起点输出电压U(k)，否则重复重复步骤2。

2.根据权利要求1所述的独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，其特征在于：所述间隔周期Δt在0.1～60s之间。

3.根据权利要求1所述的独立光伏发电系统用的最大功率点快速跟踪方法，其特征在于：所述的功率相对变化率精度E_P小于8%，且温度相对变化精度E_T小于1℃。