CN102403928A - 一种光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法及其系统。该方法包括：步骤一，对光伏电能优化的光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并计算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量；步骤二，基于输出电压、输出电流、电压变化量和电流变化量，计算输出功率-电压曲线的斜率；步骤三，判断斜率是否小于等于预设的误差阈值，若小于等于预设的误差阈值，则进入步骤四，否则进入步骤五；步骤四，判断预设时间段内的斜率的均值是否等于零，若等于零，则判断为工作在最大功率点处，返回步骤一；步骤五，通过判断斜率的正负符号来改变光伏电能优化的参考电压的值，返回步骤一。

Description

一种光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统，尤其涉及一种适用于光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法及其系统。

背景技术

随着当今世界能源危机和环境污染的日益严重，太阳能以其无噪声、无污染、能量随处可得等优点越来越受到重视。但由于太阳能发电成本较高，近年来，研究者主要致力于提高光伏系统稳定性和转化效率、降低成本的研究。

由于光伏模块的输出电压和输出电流随着日照强度和环境温度的变化具有强烈的非线性，因此在特定的工作环境下存在唯一的最大功率输出点(maximum power point，简称MPP)。其中最大功率点跟踪(maximum powerpoint tracking，简称MPPT)控制是光伏发电系统的关键控制技术。

因此，为了提高光伏系统的效率，研究者提出了多种MPPT控制算法。目前的控制方法分为间接近似控制法、直接采样控制法以及人工智能控制法3大类。近似控制法主要有曲线拟合法、查表法等；直接采样控制法主要有干扰观测法、电导增量法等；人工智能控制法主要有模糊控制法、神经网络控制法等。其中干扰观测法和电导增量法的应用最为广泛。在控制精度要求不是特别高的情况下，采用干扰观测法进行MPPT控制足以满足控制精度，又相对节约硬件投入，但在需要高性能控制场合，多采用电导增量法以及各种优化方法等。

电导增量法的优点是能减小跟踪的稳态振荡，提高跟踪精度。然而在噪声、测量误差和数字控制量化误差的影响下，此方法也无法避免最大功率点附近的振荡，而且在外界环境变化剧烈或突变以及光伏模块部分遮挡时，电导增量法也无法及时有效地跟踪到全局最大功率点。

因此，本发明针对外界光照强度或温度突变，以及光伏模块部分遮挡影响控制效率，提出了一种最大功率点跟踪控制方法。它能在外界环境剧烈变化时，有效地跟踪MPP，提高MPPT控制的稳态性能，并且避免最大功率点附近的振荡，可以广泛地应用于实际光伏发电系统中，本发明方法具有高适应性、鲁棒性和有效性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种针对外界光照强度或温度突变，以及光伏模块部分遮挡的最大功率点跟踪控制方法及其系统。

根据本发明一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，执行以下步骤：步骤一，对所述光伏电能优化的光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并计算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量；步骤二，基于所述步骤一所获得的输出电压、输出电流、电压变化量和电流变化量，计算输出功率-电压曲线的斜率；步骤三，判断所述斜率是否小于等于预设的误差阈值，若小于等于预设的误差阈值，则进入步骤四，否则进入步骤五；步骤四，判断所述预设时间段内的所述斜率的均值是否等于零，若等于零，则判断为所述光伏模块工作在最大功率点处，返回所述步骤一；以及步骤五，通过判断所述斜率的正负符号来改变所述光伏电能优化的参考电压的值，返回所述步骤一。

根据本发明另一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，在所述步骤一之后，当所述电流变化量不为零时，根据所述步骤一中所得的所述电压变化量和所述电流变化量算得电阻变化量；以及在所述电阻变化量小于等于预设值时，若所述预设时间段内的第一输出电阻和第二输出电阻相等，则进入所述步骤二，其中，所述第一输出电阻和所述第二输出电阻为所述预设时间段内预设的两个时刻的输出电阻。

根据本发明另一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，所述预设值为零或接近零的实数。

根据本发明另一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，在所述步骤一之后，当所述电流变化量为零时，则对光伏模块进行一次随机干扰。

根据本发明另一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，所述第一输出电阻为在所述预设时间段内中间时刻的输出电阻，以及所述第二输出电阻为在所述预设时间段内终点时刻的输出电阻。

根据本发明另一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，所述斜率的均值为

其中，T_S为所述预设时间段，k为整数，H为所述输出功率-电压曲线的斜率。

根据本发明另一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，所述步骤四还包括，当所述斜率的均值不等于零时：

若H(t_k)≥0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}<0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=1-\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$ 若H(t_k＜0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}\&GreaterEqual;0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$ 其中，表示所述H曲线在所述预设时间段内的斜率绝对值，H表示所述输出功率-电压曲线的斜率，H(t_k)表示所述输出功率-电压曲线的在所述预设时间段内开始时刻的斜率值，T_S为所述预设时间段。

根据本发明的又一方面，还提供了一种光伏电能优化的最大功率点跟踪控制系统，包括光伏电源模块、转换模块、最大功率点跟踪控制器模块、储能模块，其特征在于，所述最大功率点跟踪控制器模块包括：采样单元，其对所述光伏电能优化的光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量；斜率计算单元，基于所述采样单元所获得的输出电压、输出电流、电压变化量和电流变化量，计算输出功率-电压曲线的斜率；第一判断单元，判断所述斜率是否小于等于预设的误差阈值；第二判断单元，在所述第一判断单元判断为所述斜率小于等于预设的误差阈值时，判断所述预设时间段内的所述斜率的均值是否等于零，若等于零，则判断为所述光伏模块工作在最大功率点处；参考电压控制单元，在所述第一判断单元判断为所述斜率大于预设的误差阈值时，通过判断所述斜率的正负符号来改变所述光伏电能优化的参考电压的值。

根据本发明又一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制系统，所述转换模块还包括：第三判断单元，当所述电流变化量不为零时，根据所述采样单元所得的所述电压变化量和所述电流变化量算得电阻变化量，以及在所述电阻变化量小于等于预设值时，若所述预设时间段内的第一输出电阻和第二输出电阻相等，则进入所述斜率计算单元，以及当所述电流变化量为零时，则对光伏模块进行一次随机干扰，其中，所述第一输出电阻和所述第二输出电阻为所述预设时间段内预设的两个时刻的输出电阻。

根据本发明又一方面的光伏电能优化的最大功率点跟踪控制系统，在所述第二判断单元中，当所述斜率的均值不等于零时：

若H(t_k)≥0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}<0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=1-\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$ 若H(t_k)＜0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}\&GreaterEqual;0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$ 其中，

表示所述H曲线在所述预设时间段内的斜率绝对值，H表示所述输出功率-电压曲线的斜率，H(t_k)表示输出功率-电压曲线的在所述预设时间段内开始时刻的斜率值，T_S为所述预设时间段。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：有效消除MPP附近的振荡，提高MPPT控制的稳态性能，以及所提出的方法不依赖系统的数学模型，对干扰具有强鲁棒性，可以广泛地应用于实际光伏发电系统中，具有高适应性、鲁棒性和有效性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是光伏模块输出功率-电压和输出电流-电压的曲线特性图；

图2是现有技术中电导增量法的流程示意图；

图3是根据本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法的原理示意图；

图4是根据本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法的流程示意图；

图5是根据本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法的流程示意图；

图6是根据本发明第三实施例的最大功率点跟踪控制方法的流程示意图；

图7是根据本发明第四实施例的最大功率点跟踪控制系统的结构示意图；

图8是根据本发明第四实施例的最大功率点跟踪控制器模块的结构示意图；

图9是采用电导增量法与本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法的对比仿真示意图；

图10是采用本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图；

图11是采用本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法在误差阈值为0.02时的测试结果示意图；

图12是在光照强度周期变化时，采用本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法的测试结果示意图；

图13是在光照强度剧烈变化时，采用现有电导增量算法与本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法的仿真示意图；

图14是采用本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图；

图15是采用本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法的控制效率示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1和图2分别是光伏模块输出功率-电压和输出电流-电压的曲线特性图和现有技术中电导增量法的流程示意图，首先根据图1和图2对电导增量法进行详细说明。

请参见图1，图1示出光伏模块输出功率-电压(简称P-V)和输出电流-电压(简称I-V)的曲线特性图，该特性曲线呈现明显的非单调性，并且在光强和温度一定的情况下仅存在一个最大功率点，其中，电流-电压输出模型可表示如下：

$I_{\mathrm{PV}}\left(V_{\mathrm{PV}}\right)=I_{\mathrm{ph}}-I_{\mathrm{sat}}\&CenterDot;(\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{K\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)-1)---\left(1\right)$

其中，I_PV和V_PV分别为光伏模块的输出电流和输出电压；

I_sat为光伏模块内部等效二极管的P-N结反向饱和电流；

I_ph为光生电流；A为P-N结的曲线系数，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷。

根据图1可知，当光伏模块工作在最大功率点处时，输出功率-电压曲线的斜率为零，其数学模型可如下所示：

$\frac{{\&PartialD;P}_{\mathrm{PV}}}{{\&PartialD;V}_{\mathrm{PV}}}=0\&DoubleRightArrow;\frac{\&PartialD;(V_{\mathrm{PV}}\&CenterDot;I_{\mathrm{PV}})}{{\&PartialD;V}_{\mathrm{PV}}}=0\&DoubleRightArrow;$

$I_{\mathrm{PV}}+\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{PV}}}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PV}}}\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}=0---\left(2\right)$

根据以上可知，光伏模块在MPPT控制下，一般工作在3种状态：

1)当式(2)满足时，亦即光伏模块的瞬时导抗与导抗变化量相等时，光伏模块工作在最大功率，给定的参考输出电压不变；

2)当

时，光伏模块如同电压源，则增加给定的参考输出电压，以达到最大功率；

3)当

时，光伏模块如同电流源，则减小给定的参考输出电压，以达到最大功率。

图2为现有技术中电导增量法流程示意图，电导增量法主要工作原理是通过比较光伏模块的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点跟踪控制功能的，电导增量法流程一般包括以下步骤：

步骤200：开始。

步骤210：对所述光伏电能优化的光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并计算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量。

具体地，将一个周期作为预设时间段，将第k周期采样所得光伏模块的输出电压与第k-1周期光伏模块的输出电压进行差值计算得到电压变化量dV_pv，将第k周期所得光伏模块的输出电流与第k-1周期所得光伏模块的输出电流进行差值计算得到电流变化量dI_pv，其中k为整数。

步骤230：通过判断电压变化量与电流变化量的正负符号来改变设置的参考电压值的大小，以使得光伏模块工作在最大功率点。

具体地，首先判断所得电压变化量dV_pv是否为零。

1)若判断出电压变化量dV_pv为零，则判断所得电流变化量dI_pv的符号：若电流变化量为零，则表示电阻没有变化，保持参考电压V_ref的值不变；若电流变化量大于零，则减小参考电压V_ref的值以使得光伏模板工作在最大功率点；若电流变化量小于零，则增加参考电压V_ref的值以使得光伏模板的功率接近工作在最大功率点。

2)若判断出电压变化量不为零，则判断输出电导变化量是否等于输出电导的负值：若输出电导变化量等于输出电导的负值，则表示光伏模块工作在最大功率点处，则保持参考电压V_ref的值不变；若输出电导变化量小于输出电导的负值，则减小参考电压V_ref的值以使得光伏模板工作在最大功率点；若输出电导变化量大于输出电导的负值则增加参考电压V_ref的值以使得光伏模板的功率接近最大功率点。

需要说明的是，通过控制参考电压值的大小来实现最大功率的跟踪，例如开始将参考电压值设置为0，经过不断改变以控制达到最终理想状态，理想的参考电压V_ref为光伏模块最大功率点相对应的期望电压值。

步骤240：将第k周期的光伏模块的输出电压值和输出电流值保存为第k-1周期的输出电压值和输出电流值，用于下一次的控制跟踪操作。

步骤250：返回步骤210。

第一实施例

图3和图4分别为本实施例的最大功率点跟踪控制方法的原理示意图和流程示意图，下面参考图1、图3和图4对本实施例进行详细说明。

本发明实施例应用于光伏电能优化系统的直流/直流(DC/DC)转换级，由于光伏电能优化系统的控制是开关控制，具体地，通过改变用于控制所述直流转换级开关的占空比来控制参考电压的大小以跟踪控制最大功率点，输出电压和输入电压与占空比的关系因直流转换级的结构不同而不同。例如图7的结构示意图，电压与占空比的关系为U_o/U_in＝1/(1-d)。转换级输出电压与输入电压的比值等于1除以1减去占空比。令开关控制信号为u(t_k)，其有开和关两个状态(分别由1和0表示)，可表示如下：

$u\left(t_k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{kT}}_S\&le;t<(k+d_k)T_S\\ 0& (k+d_k)T_S\&le;t<(k+1)T_S\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，T_S为开关周期；

d_k为第k周期内开关控制的占空比。

根据式(3)可知，MPPT控制亦即开关控制信号u(t_k)在一个T_S周期内的占空比d_k。根据式(2)，可定义如下：

$H=\frac{{\&PartialD;P}_{\mathrm{PV}}}{{\&PartialD;V}_{\mathrm{PV}}}=\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{PV}}}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PV}}}\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}+I_{\mathrm{PV}}---\left(4\right)$

将式(1)代入式(4)可得，

$H=I_{\mathrm{ph}}-I_{\mathrm{sat}}(\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{Pv}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)-1)-\frac{q\&CenterDot;I_{\mathrm{sat}}\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\&CenterDot;\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)$

$=(I_{\mathrm{ph}}+I_{\mathrm{sat}})-I_{\mathrm{sat}}(1+\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T})\&CenterDot;\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)---\left(5\right)$

当H＞0时，参考图1，可知光伏模块工作在P-V曲线MPP的左半部，因此MPPT控制会使得

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PV}}}{\mathrm{dt}}>0---\left(6\right)$

根据式(5)，可得下式，

$\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}=-\frac{q\&CenterDot;I_{\mathrm{sat}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\&CenterDot;\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)\&CenterDot;\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PV}}}{\mathrm{dt}}-$

$I_{\mathrm{sat}}(1+\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T})\&CenterDot;\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)\&CenterDot;\frac{q}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PV}}}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

$=-\{\frac{q\&CenterDot;I_{\mathrm{sat}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\&CenterDot;\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)+$

$I_{\mathrm{sat}}(1+\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T})\&CenterDot;\exp \left(\frac{q\&CenterDot;V_{\mathrm{PV}}}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\right)\&CenterDot;\frac{q}{k\&CenterDot;A\&CenterDot;T}\}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PV}}}{\mathrm{dt}}$

根据式(6)和式(7)，可以得到

$\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}<0$ 和 $H\&CenterDot;\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}<0---\left(8\right)$

当H＜0时，参考图1，可知光伏系统工作在P-V曲线MPP的右半部，因此MPPT控制会使得

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PV}}}{\mathrm{dt}}<0---\left(9\right)$

根据式(7)和式(9)，可以得到

$\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}>0$ 和 $H\&CenterDot;\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}<0---\left(10\right)$

根据李雅普诺夫稳定性原理以及式(8)和式(10)可得出，当光伏发电系统工作在光伏模块P-V曲线MPP的左半部或右半部时，MPPT控制使得光伏系统稳定在H＝0，但是因为控制的数字化，H＝0即dP_PV/dV_PV＝0的情况很少出现，所以即使在稳态环境下也会存在振荡。

请参考图3，图3是本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法的原理示意图，令光伏模块工作在MPP附近的很小范围内，H的值可近似线性化，则可通过稳态时开关控制信号u(t_k)使光伏发电系统在一个开关周期内H的动态均值为零，可如下所示：

$<H>=\frac{1}{T_S}\&CenterDot;{\&Integral;}_{{\mathrm{kT}}_S}^{(k+1)T_S}\mathrm{Hdt}=0---\left(11\right)$

根据式(11)可知，MPPT控制方法可不考虑H的瞬时值为零，而是基于一定周期内的H的动态均值为零。

定义H+和H-分别为H在一个周期内的正面积和负面积。如图3所示，其中t_k和t_k+1表示第k周期开始时间和结束时间，dTs表示开关具体导通时间，为占空比与周期的乘积，t_l为H的过零时刻，其中，H+和H-可分别表示如下，

$H+={\&Integral;}_{t_k}^{t_1}H\left(t\right)\&CenterDot;\mathrm{dt}---\left(12\right)$

$H-={\&Integral;}_{t_l}^{t_{k+1}}H\left(t\right)\&CenterDot;\mathrm{dt}---\left(13\right)$

在本实施例中，本发明的最大功率点跟踪控制方法在MPP附近可以分为以下两种情况：

1)当H(t_k)≥0且时，亦即，周期开始时H值大于零，并且H在半个周期(Ts/2)后过零点，则H+总是大于H-，其中，

表示曲线H曲线的斜率，

H(t_k)表示曲线H在这个周期开始时的初始值，则在第k周期内，公式(11)无法实现，则无开关动作，即开关控制信号u(t_k)保持不变，占空比d_k＝1，迫使H+减小。亦即，dk＝1表示整个周期内，开关闭合。根据电路结构，开关闭合后，Vpv减小，H＝dPpv/dVpv也会减小，所以H+会减小。

2)当H(t_k)≥0且时，则H-总是大于H+，其中，

表示H曲线的斜率，

H(t_k)表示H曲线在这个周期开始时的初始值，则在第k周期内，可以实现式(11)，亦即H+＞H-时，只能让u＝1使得H+不断减小；而当初始值大于零，而H+＜H-时，可以通过控制开关u＝0，使H+增大，满足式(11)，则开关将在d_kT_S时刻动作，占空比d_k可如下式(14a)所得，

$d_k=1-\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}}---\left(14a\right)$

其中，表示H曲线的斜率绝对值，H表示所述输出功率-电压曲线的斜率，H(t_k)表示H曲线在这个周期开始时刻的初始值，

则相当于曲线H在半周期过零点时的斜率。

相应地，得到H(t_k)＜0时的两种情况如下：

1)当

时，无开关动作，即开关控制信号u(t_k)，保持不变，占空比d_k＝0；

2)当

时，则开关将在d_kT_S时刻动作，占空比d_k可如下式(14b)所得，

$d_k=\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}}---\left(14b\right)$

由所得结果可知，占空比d_k可由H(t_k)和

以及开关周期T_S得到。同时，如果系统成线性变化，可得到下一周期的占空比，如下式所示：

$d_{k+1}\&cong;1-\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_{k+1}\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}}---\left(14\right)$

因此可以在每一周期开始时刻得到开关控制量u(t_k)。通过上述的说明，可知本实施例是通过控制开关在一个T_S周期内的占空比d_k来进行最大功率点跟踪控制。

图4是根据本发明第一实施例的流程示意图，下面参考图4来说明本实施例的各步骤。

为了便于说明，不再对与前述现有电导增量法相同的步骤进行详细展开，而仅重点说明与前述电导增量法的不同之处。在图4中，对与前述电导增量法相同或相似的步骤，采用了相同的附图标记。

步骤200，开始。

步骤210，对光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并计算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量。

步骤420，基于步骤210所获得的输出电压、输出电流、电压变化量和电流变化量，计算输出功率-电压曲线的斜率。具体地，将步骤210所得的电压变化量、电流变化量、输出电压和输出电流代入式(5)中以得到H的值，根据H的值得到|H|。

步骤430，判断|H|的值是否小于预设的误差阈值e，若小于等于预设的误差阈值，则进入步骤440，否则进入步骤230。

需要说明的是，为了提高MPPT控制的稳态性能，预设的误差阈值e可以解决振荡问题，此时，将最大功率点定义为|H|≤e时的工作点。当H在误差阈值e之外时，最大功率点跟踪控制按照传统的电导增量法进行控制，则进入步骤230，通过改变电压参考值V_ref得到在MPP处相应的电压V_MPP。当H在误差阈值e之内时，则进入步骤440，根据本实施例的最大功率点控制方法来控制开关占空比d_k以跟踪最大功率P_MPP。

步骤440，判断预设时间段内的斜率的均值是否等于零，若等于零，则判断为光伏模块工作在最大功率点处，返回步骤210，若斜率H的均值不等于零，则判断公式 $\left[H\left(t_k\right)\right]\&CenterDot;[H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}]\&GreaterEqual;0$ 是否满足。

若

满足，则开关在预设时间段内无任何动作，亦即开关控制信号u(t_k)保持不变，H(t_k)≥0时，占空比d_k＝1；H(t_k)＜0时，占空比d_k＝0。

若

则开关在预设时间段内的d_kT_S时刻动作，H(t_k)≥0时，占空比d_k可根据公式(14a)进行计算；H(t_k)＜0时，占空比d_k可根据公式(14b)进行计算。

将所得的开关占空比d_k基于公式(3)可得到在DC/DC转换级中的开关控制信号u(t_k)，通过所得到的开关控制信号u(t_k)使得电能优化系统在一个开关周期内H的动态均值为零，亦即满足公式(11)。

步骤230与前述电导增量法相似，本实施例中的步骤230是电导增量法的概括步骤。

步骤230，通过判断斜率H的正负符号来改变所述光伏电能优化系统的参考电压的值。

具体地，若判断出斜率H为零，则光伏模块工作在最大功率点处，则保持参考电压V_ref的值不变；若判断出满足H＜0，则光伏模块如同电压源，则增加参考电压V_ref的值，以达到最大功率点；若判断出满足H＞0，光伏模块如同电流源，则减小参考电压的值，以达到最大功率点。

完成步骤230或步骤440后，进入步骤240和步骤250，步骤240和步骤250与前述电导增量法相同，在此不再详细展开。

本实施例通过控制开关占空比d_k来进行最大功率点控制，既可以较容易地在实际应用中实现，又能快速跟踪并且稳定精确地得到最大功率点，以及本实施例所提出的方法不依赖于系统模型，对干扰具有强鲁棒性。

第二实施例

图5是根据本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法的流程示意图，下面参考附图对本实施例进行详细说明。

为了便于说明，不再对与前述实施例相同的步骤进行详细展开，而仅重点说明与前述实施例的不同之处。在图5中，对与前述实施例相同或相似的步骤，采用了相同的附图标记。

需要说明的是，当外界光照强度或环境变化时，光伏模块的输出功率和输出电压的变化一般成正比，即在光照强度增强或减弱的变化边缘，dP_PV/dV_PV总是大于零，则根据式(2)，可得在光照强度突变时，dV_PV/dI_PV＞0总是成立。但是根据光伏模块的实际测量发现(图1所示的I-V特性)，可得dV_PV/dI_PV＜0。在电导增量法中，dP_PV/dV_PV(亦即H)的符号是判断控制流程(图2流程图中步骤230)的重要标准，因此，本实施例通过增加对dV_PV/dI_PV的符号判断，以确定dP_PV/dV_PV的变化是否因为外界环境变化而引起。如果是外界环境突变导致dP_PV/dV_PV变化，此时可以视dV_PV/dI_PV为无用的“电阻”，然后根据前一次(第k-1次)MPP的输出电压，确定下一步参考电压的变化方向。具体细节将在下述步骤中进行说明。

步骤200和步骤210，与前述实施例步骤相同，在此不再详细展开。完成步骤210后，进入步骤520。

步骤520，在预设时间段内的两个时刻对光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以得到两个时刻的输出电流和输出电压。

优选地，在预设时间段内中间时刻T_S/2和终点时刻T_S进行采样，其中T_S为开关周期。

步骤530，当所述电流变化量不为零时，根据步骤210所得的电压变化量和电流变化量算得电阻变化量，判断电阻变化量是否大于预设值。

较佳地，将预设值设置为零或接近零的实数，此处设置为零，即判断dVPv/dIpv＞0是否成立，若成立则不进行任何操作，保持参考电压的值不变，否则进入步骤540。

需要说明的是，当dVpv/dIpv＞0表示dVpv/dIpv的变化为外界环境突变造成的，因此将dVpv/dIpv的变化视为无效，不进行任何操作，保持参考电压的值不变。

步骤540，根据步骤520中在预设时间段内的两个时刻所得的两个时刻的输出电流和输出电压以算得第一输出电阻和第二输出电阻，判断第一输出电阻与第二输出电阻是否相等。

若第一输出电阻与第二输出电阻不相等，则继续保持上一次输出的参考电压V_ref值，否则进入步骤230，步骤230与前述实施例相同，在此不再详细展开。

具体地，根据步骤520中在T_S/2时刻和T_S时刻所测量的输出电压和输出电流，计算在T_S/2时刻和T_S时刻的电阻值，进而判断在T_S/2时刻和T_S时刻的电阻值是否有变化，亦即电阻变化量是否小于等于预设值ε，优选地ε＝0，根据电阻变化量的值判断是否改变了输出电阻值，如果没有变化，则保持上一次的输出的参考电压V_ref。

此外，步骤540中的另外一种情况是当电流变化量为零时，则输出电阻不存在，因此进行一次随机干扰，以引起输出电流的变化，产生输出电阻，保持上一次参考电压值。

完成步骤230或步骤540后，进入步骤240和步骤250，步骤240和步骤250与前述实施例步骤相同，在此不再详细展开。

本实施例通过加入dVpv/dIpv的符号(无用“电阻”)作为判据，当外界光照强度剧烈变化时，可以分析出环境的变化影响，有效的控制光伏系统；当外界环境变化恢复正常后，也能继续跟踪光伏模块的最大功率点。

第三实施例

图6是根据本发明第三实施例的最大功率点跟踪控制方法的流程示意图，本实施例是第一实施例与第二实施例的一种变形，将第一实施例与第二实施例进行结合。如图6所示，在完成本实施例步骤540的操作内容(判断是否为环境突变)后不执行第二实施例中的步骤230的操作内容，而是执行与第一实施例相同的步骤420的操作内容，通过判定斜率H是否处于预设的误差阈值e来控制最大功率的输出。

本实施例先根据第二实施例的对外界环境变化情况的判断，然后根据第一实施例的最大功率点跟踪控制方法进行最大功率点跟踪控制，既减少了外界环境剧烈变化时对最大功率点跟踪控制的干扰，又减小了最大功率点附近的振荡，提高了精确度，具有强鲁棒性。结合前述各实施例，本领域技术人员可以根据图6明白本实施例的具体操作，在此不再详细展开。

第四实施例

图7是本发明第四实施例的最大功率点跟踪控制系统的结构示意图，下面参考图7来说明本实施例的各部分组成。

如图7所示，本实施例的最大功率点跟踪控制系统包括光伏模块701，其用于将太阳能转化为直流电能，其中，光伏模块701包括单个太阳能光伏板或者多个太阳能光伏板的串并联结构。

根据本实施例的系统还包括与经由电容C_pv与光伏模块701相并联的转换模块702，其用于实时根据环境的变化，通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种(固定或可调的)直流电压，跟踪光伏模块701的最大功率输出。转换模块702是以集成开关元件为核心，并由电容器、电感器、续流二极管等基本元器件构成的升压式(Boost)电路，其中，二极管用来续流，电容器和电感器组成LC电路用于滤波，通过开关控制实现光伏模块最大功率输出。

根据本实施例的系统还包括最大功率点跟踪控制器模块703，用于检测外界环境，采用本发明的最大功率点跟踪控制方法来进行跟踪控制最大功率的输出，最大功率点跟踪控制器模块703是以微控制器为核心，通过检测电路来采集外部条件，并采用微控制器内部的基于本发明的最大功率点控制方法的微控制系统，控制电路中的电子开关器件。

图8是根据本发明第四实施例的最大功率点跟踪控制器模块703的结构示意图，请参考图8，对最大功率点跟踪控制器模块703的结构进行说明。最大功率点跟踪控制器模块703包括采样单元、斜率计算单元、第一判断单元、第二判断单元和参考电压控制单元，它们分别执行第一实施例中的步骤210、步骤420、步骤430、步骤440和步骤230的操作内容。

最大功率点跟踪控制器模块703还可包括第三判断单元执行第二实施例中的步骤520、步骤530和步骤540的操作内容。

需要说明的是，最大功率点跟踪控制模块703可以是独立的模块，亦可以为转换模块702内部的模块。

根据本实施例的最大功率点跟踪控制系统还包括储能模块704，其与电容C_DC相并联，用于储藏光伏电能。

仿真实验效果

图9是分别采用电导增量法与本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法的仿真示意图。由图可以看出，光照强度随时间变化，在3秒至7秒时高光照强度为1000W/m²，其余低光照强度大约为60W/m²；而光伏模块的输出电压、输出电流以及产生的功率随着光照强度的变化而变化。在电导增量法中，光伏模块输出电压、输出电流以及产生的功率呈周期性振荡。而本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法大大地减小了振荡，因此可以更加精确稳定地跟踪光伏模块的MPP。

图10是采用本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图。本光伏发电系统实验室样机为两级光伏并网发电系统，由光伏模块HIP-200BA3提供电能，经升压转换器和全桥逆变器将直流光伏电能转换为交流电能提供给电网。其硬件电路主要分为两部分：基于微控制器的控制电路和功率电路。所有的控制算法，包括本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法在单片微控制器dsPIC30F3011中完成，通过微控制器的10位A/D转换器对光伏模块的输出电压和输出电流进行采样。输出电压和输出电流的控制周期为100μs，最大功率点跟踪控制周期为50ms。升压直流转换器开关频率为20kHz，输出结果如图10所示。图中，通道1为系统输出电压；通道2为系统输出电流；Math通道为系统输出功率。

图11是采用本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法在误差阈值为0.02时的测试结果示意图。可以得到，MPPT效率约为99.1％。

图12是在光照强度周期为0.8Hz变化时，采用本发明第一实施例的最大功率点跟踪控制方法的测试结果示意图。同样可以看出，本发明第一实施例的最大功率跟踪方法具有高跟踪精度。

图13是在光照强度剧烈变化时，采用现有电导增量算法与本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法的仿真示意图。在Matlab中建立一个稳态最大输出功率5W，开路电压为25V的光伏模块，采用如图7所示的电路进行MPPT控制，其中储能模块为蓄电池，其内电阻为20Ω。开始时，系统稳态运行，在100ms时，外界光照强度剧烈变化，直到400ms时恢复正常。采用电导增量法和本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法进行仿真，由仿真结果可以清楚地看到，电导增量法在外界光照强度剧烈变化时，无法跟踪到光伏模块的最大功率点输出，在输出负载小时，将很快地使输出功率降低到零；而当光照强度恢复正常后，dP_PV/dV_PV始终保持为零，电导增量法无法继续跟踪光伏模块的MPP。而本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法，由于加入了无用“电阻”的判据，当外界光照强度剧烈变化时，可以分析出环境的变化影响，继续有效的进行控制；当外界环境变化恢复正常后，也能继续跟踪光伏模块的最大功率点。

图14是采用本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法在200W光伏发电系统实验室样机中的测试结果示意图。实验室样机由光伏模块HIP-200BA3提供电能，经升压转换器进行最大功率点跟踪，并将电能存储在蓄电池中。其中，所有的控制算法，包括本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法均在单片微控制器dsPIC30F3011中完成，通过微控制器的10位A/D转换器对光伏电压和电流进行采样。电压和电流控制周期为100μs，最大功率点跟踪控制周期为50ms。升压直流转换器开关频率为20kHz，外界光照强度在2s-8s剧烈变化时，光伏模块在本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法控制下的输出电压和输出电流实验结果如图所示。可以看出，本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法的实验结果与仿真结果一致。

图15是采用本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法的控制效率示意图。建立了一台200W光伏发电系统实验样机，通过一系列实验再次证明，在变化的环境下，本发明第二实施例的最大功率点跟踪控制方法具有高鲁棒性，其控制精度约为98.3％。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种光伏电能优化的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，包括：

步骤一，对所述光伏电能优化的光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并计算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量；

步骤二，基于所述步骤一所获得的输出电压、输出电流、电压变化量和电流变化量，计算输出功率-电压曲线的斜率；

步骤三，判断所述斜率是否小于等于预设的误差阈值，若小于等于预设的误差阈值，则进入步骤四，否则进入步骤五；

步骤四，判断所述预设时间段内的所述斜率的均值是否等于零，若等于零，则判断为所述光伏模块工作在最大功率点处，返回所述步骤一；以及

步骤五，通过判断所述斜率的正负符号来改变所述光伏电能优化的参考电压的值，返回所述步骤一。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括

在所述步骤一之后，当所述电流变化量不为零时，根据所述步骤一中所得的所述电压变化量和所述电流变化量算得电阻变化量；以及

在所述电阻变化量小于等于预设值时，若所述预设时间段内的第一输出电阻和第二输出电阻相等，则进入所述步骤二，

其中，所述第一输出电阻和所述第二输出电阻为所述预设时间段内预设的两个时刻的输出电阻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述预设值为零或接近零的实数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括

在所述步骤一之后，当所述电流变化量为零时，则对光伏模块进行一次随机干扰。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述第一输出电阻为在所述预设时间段内中间时刻的输出电阻，以及所述第二输出电阻为在所述预设时间段内终点时刻的输出电阻。

6.根据权利要求1至5所述的方法，其特征在于，

所述斜率的均值为 $<H>=\frac{1}{T_S}\&CenterDot;{\&Integral;}_{{\mathrm{kT}}_S}^{(k+1)T_S}\mathrm{Hdt},$

其中，T_S为所述预设时间段，k为整数，H为所述输出功率-电压曲线的斜率。

7.根据权利要求1至5所述的方法，其特征在于，所述步骤四还包括，

当所述斜率的均值不等于零时：

若H(t_k)≥0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}<0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=1-\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$ 若H(t_k)＜0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}\&GreaterEqual;0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$

其中，

表示所述H曲线在所述预设时间段内的斜率绝对值，H表示所述输出功率-电压曲线的斜率，H(t_k)表示所述输出功率-电压曲线的在所述预设时间段内开始时刻的斜率值，T_S为所述预设时间段。

8.一种光伏电能优化的最大功率点跟踪控制系统，包括光伏模块、转换模块、最大功率点跟踪控制器模块、储能模块，其特征在于，所述最大功率点跟踪控制器模块包括：

采样单元，其对所述光伏电能优化的光伏模块的输出电压和输出电流进行采样，以获得输出电压和输出电流，并算得到预设时间段内的电压变化量和电流变化量；

斜率计算单元，基于所述采样单元所获得的输出电压、输出电流、电压变化量和电流变化量，计算输出功率-电压曲线的斜率；

第一判断单元，判断所述斜率是否小于等于预设的误差阈值；

第二判断单元，在所述第一判断单元判断为所述斜率小于等于预设的误差阈值时，判断所述预设时间段内的所述斜率的均值是否等于零，若等于零，则判断为所述光伏模块工作在最大功率点处；

参考电压控制单元，在所述第一判断单元判断为所述斜率大于预设的误差阈值时，通过判断所述斜率的正负符号来改变所述光伏电能优化的参考电压的值。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述最大功率点跟踪控制器模块还包括：

第三判断单元，当所述电流变化量不为零时，根据所述采样单元所得的所述电压变化量和所述电流变化量算得电阻变化量，以及

在所述电阻变化量小于等于预设值时，若所述预设时间段内的第一输出电阻和第二输出电阻相等，则进入所述斜率计算单元，以及

当所述电流变化量为零时，则对光伏模块进行一次随机干扰，

其中，所述第一输出电阻和所述第二输出电阻为所述预设时间段内预设的两个时刻的输出电阻。

10.根据权利要求8和权利要求9所述的系统，其特征在于，

在所述第二判断单元中，当所述斜率的均值不等于零时：

若H(t_k)≥0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}<0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=1-\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$ 若H(t_k)＜0且 $H\left(t_k\right)+(T_S/2)\stackrel{\&CenterDot;}{H}\&GreaterEqual;0,$ 则将用于控制所述光伏模块的开关的占空比设置为 $d_k=\sqrt{\frac{\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|-2\&CenterDot;\frac{\left|H\left(t_k\right)\right|}{T_S}}{2\&CenterDot;\left|\stackrel{\&CenterDot;}{H}\right|}},$

其中，

表示所述H曲线在所述预设时间段内的斜率绝对值，H表示所述输出功率-电压曲线的斜率，H(t_k)表示输出功率-电压曲线的在所述预设时间段内开始时刻的斜率值，T_S为所述预设时间段。

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