CN102495945A - 光伏发电系统多峰值最大功率点跟踪的谷值定界搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种光伏发电系统多峰值最大功率点跟踪的谷值定界搜索方法。该方法为避免在搜索中陷入局部最大值，采用谷值定界的方法，搜索到谷值后对区域进行划分；为保证得到全局最大值，对划分后的区域进行分区域搜索，而后确定最大功率点所在区域；最后，在确定的区域内，通过变步长搜索方法，找到全区最大功率点作为系统的工作点。通过以上的算法设计，可以增强实际光伏系统应对复杂环境变化的能力，弥补单峰值搜索方法的不足，达到更好的最大功率跟踪效果。

Description

光伏发电系统多峰值最大功率点跟踪的谷值定界搜索方法

技术领域

本发明专利是一种用于光伏发电系统中，解决多峰值情况下最大功率点跟踪问题的搜索方法，属于最优控制和最优化方法研究领域。

背景技术

在光伏发电系统中，为了实现光伏发电系统的输出功率最大化，需要对光伏电池的输出功率进行最大功率点跟踪，即保持系统工作在功率曲线的峰值点，最大效率地将太阳能转变为电能。当前采用的优化算法主要针对输出特性曲线为“单峰”的情况，主要包括：恒定电压法、扰动观测法、导纳增量法。这些最大功率跟踪方法的共同思想是不断地调整电流或电压的采集点，并随时计算采集点上的功率，然后将当前时刻的功率与前一时刻的功率进行比较，决定后续采集点的运动方向，最后找到唯一的峰值点。实际光伏发电系统在应用中，为了防止“热斑”的产生，通常在光伏组件电池内部或电池间的串联电路上并联一个旁路二极管。当阵列中的部分组件被遮挡时（如云挡住部分光照或周围的建筑树木产生的阴影），“旁路二极管”被激活，组件或阵列的输出特性将发生较大变化，反映在P-V特性曲线上则是出现“多峰”情况。对应不同的光照强度，会产生相应的波峰，光照强度的数目和波峰的数目是对应的。这时，原来针对单峰值寻优的算法只能让系统工作在某一个的峰值附近，但无法确保系统工作在全局最大功率点上，从而无法最大效率地转化太阳能。

发明内容

技术问题：为解决原有最大功率点跟踪算法仅对单峰值P-V输出特性曲线有效，无法保证多峰值情况搜索到全局最大功率点的问题。本发明提出一种谷值定界搜索的算法，该算法能够在多峰值情况下，避免陷入局部最小值的“陷阱”，找到光伏系统的全局最大功率点。

技术方案：本发明算法解决多峰值最大功率点的搜索问题，所需条件：已知P-V输出特性曲线中的峰值个数。当前光伏电站内，不同位置的光伏阵列都安装了测量光照强度的传感器，当阵列中的部分组件被遮挡时，通过不同位置的传感器可知道有多少不同的光强，从而知道输出特性曲线中的峰值个数。所以，这个条件在实际系统中是完全能够满足的。在已知峰值个数的情况下，谷值定界搜索的技术方案按照以下步骤展开：

第一步，搜索谷值：选取一定数量的初始值（一般取谷值个数的两倍左右），按照等距离分布。根据这些电压初始值，通过计算得到相应的功率值。而后选取合适的步长（可选为每段搜索区域的1/30-1/20），利用定步长扰动观测法，沿着功率变小的方向进行搜索，直到功率值不再变小为止，即往两个方向搜索的功率值结果都变大。此时，可以确定这里存在一个最低点（谷值）。该过程中如果出现搜索到其它初始值，即搜索越界的情况，则可以停止这一初始值的搜索过程，因为该初始值与另一初始值同处于一个峰值的区域范围内。

第二步，谷值定界：根据第一步所得到的多个谷值进行定界，因为已知的峰值个数，可确定搜索过程可有遗漏，如果有遗漏，则进入弥补程序；如果没有遗漏，则可以对搜索的整个区域进行定界，划分波峰区域，从而确定各个峰值所在的范围。

弥补程序：如果发现所得谷值的数目不够，这时可能遗漏了峰值，需要进行弥补。在未经搜索的局部区域插入初始值，进行重新搜索，找到所缺的谷值。

这里选择谷值定界的原因在于：（1）谷值的数目少于峰值数目，例如特性曲线中有4个峰值，只有3个谷值，这样可以减少工作量；（2）运用谷值进行定界时，对谷值的准确度要求较低，知道大概的数值即可，因此步长可以选取较大的值，加快搜索速度。

第三步，多域比较：根据第二步定界的多个区域，分别进行最大值搜索。在每个波峰区域内，由（搜索谷值中的）初始值开始，运用定步长扰动观测法，进行反向搜索。如果一个波峰内有两个以上的初始值，选其中功率最大的点作为初始值。为提高效率，选取合适的步长值（搜索谷值中步长的1/2左右），搜索到该区域内局部最大值（峰值）的粗略值；最后，将不同区域内搜索得到的局部最大值进行比较，确定全局最大值所在的波峰范围，而后进入确定区域进行精确搜索。

第四步，定域寻优：在确定的区域进行搜索时，使用第三步的搜索结果作为初始点沿着功率变大的方向进行搜索。这时需要进一步减小步长（开始可为多域比较中步长的1/5左右），采用变步长扰动观测法，保证在较短时间内，准确地得到功率点的全局最大值。

另外，该搜索方法还可以与单峰值搜索方法加以组合，通过判断光照情况，决定所采用的控制算法。

有益效果: 本发明的有益效果是，通过谷值定界搜索方法，实现对全局最大功率点的追踪，从而保证在光伏阵列局部被遮挡情况下，仍然能够有效地找到多峰值情况下的最大功率点。具体表现在以下方面：①通过搜索谷值的过程，对多峰曲线进行分区，避免了以往搜索方法陷入局部最大值的情况，克服了单峰值控制算法的缺陷；②将分区域搜索得到的局部最大值进行比较，确定全局最大值所在区域，保证得到全局的最大功率点；③由于该方法在确定峰值区域后采用变步长的搜索策略，可以与单峰值搜索方法相结合，应对复杂光照情况的变化。综上，本发明的谷值定界搜索控制算法的设计具有以下优点：

1、   克服单峰值搜索算法的缺陷，通过谷值定界，防止陷入局部最大值的“陷阱”；

2、   针对实际光伏系统可能出现的多峰值情况，通过分区域搜索比较，增强了控制算法了对外界环境变化的适应能力；

3、    采用变步长的设计思路，可以与原有单峰值搜索方法相组合，得到更为完善的光伏发电系统控制算法。

附图说明

图1是MPPT硬件结构图。

图2是光伏电站并网系统的结构框图。

图3是谷值定界搜索法的结构和功能图。

图4是谷值定界搜索算法运行流程图。

具体实施方式

在图1中，给出了MPPT硬件结构图，其中包括以下功能模块：光伏阵列，主回路DC/DC变换器，蓄电池或DC/AC逆变器，电压、电流信号提取模块和主控制模块。

在图2中，给出了光伏系统MPPT的结构图，其中包括：光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、微控制器和蓄电池等。太阳光通过光伏阵列转变为电能后，既可由逆变器并入电网，又可对铅酸蓄电池进行充电，在微控制器中实现MPPT控制、充放电控制、驱动等各项功能。运用谷值定界搜索方法可实现其中的MPPT控制部分，该系统是一个具体应用实例。

在图3中，给出了谷值定界搜索方法的结构与相关功能。通过对外界环境的观测，当发现光伏系统出现多峰值输出特性时，进入谷值定界搜索算法，具体分为四个步骤：搜索谷值、谷值定界、多域比较、定域寻优。搜索谷值时，通过越界合并方法避免同一波峰范围重复搜索；谷值定界时，如果发现谷值数目不够，就通过弥补程序加以补足；在多域定界和定域寻优中，需要调整步长，提高算法的搜索速度。最后得到系统在多峰值情况下的全局最大值，驱动外围硬件电路，实现跟踪功能。

在图4中，给出了谷值定界搜索法运行流程。算法开始后，选取初始值和搜索步长，进入谷值搜索环节，通过最小值循环搜索，得到谷值。如果搜索越界，则停止该初始值的搜索过程。得到谷值后，进入谷值定界环节：首先，判断谷值是否遗漏。如果遗漏，则进入弥补程序，添加初始值，重新搜索；否则，根据就谷值进行搜索区域划分。而后进入多域搜索环节，调整搜索步长，根据上一环节划分的区域进行局部最大值搜索，得到多个局部最大值后通过比较确定全局最大值所在区域。最后，进入定域寻优环节，在确定的区域内，再次调整搜索步长，在较短时间内，准确地得到功率点的全局最大值。

本发明的实施方案包括搭建MPPT的硬件平台，在主芯片中根据谷值定界搜索方法编写最大功率点跟踪程序，提取电流、电压信号进行简单计算后输入主芯片，通过主程序运行产生输出驱动PWM电路，改变电压值，实现对最大功率点的跟踪。

具体实施分为以下几步：

1       根据图1和图2所示结构，搭建硬件回路，包括光伏阵列、DC/DC变换器、主控制系统和蓄电池（或DC/AC逆变器）。由光伏阵列将太阳能转化为电能，通过DC/DC变换器将产生的电能转化为蓄电池（或DC/AC逆变器）所需的电压值，对其进行充电（或供电）。

2       在硬件回路（图1和图2）的基础上，需要调整变换器的输出电压，以跟踪最大功率点。提取光伏阵列输出端的电压和电流值，并计算得到功率值，作为控制系统的输入，以PWM驱动电路作为控制系统的输出，形成一个闭环回路，可实现对系统功率的调整。

3       完成硬件搭接后，在主控制系统芯片中进行软件编程，通过算法实现谷值定界搜索功能，如图3所示，具体包括搜索谷值、谷值定界、多域比较、定域寻优等环节。

谷值定界搜索算法开始后，如图4所示，首先进行谷值搜索，通过PWM驱动电路实现占空比调整，获得输出特定曲线的谷值，作为定界的基准；而后，在定界所划分的区域内，依据调整后的步长，进行局部最大值搜索，读取电压和功率值，通过扰动观测法比较功率大小，调整占空比的变化方向，实现对局部最大功率点的跟踪；最后，通过比较得到局部最大功率点，确定全局最大功率点所在波峰范围，调整步长大小，在选定区域进行最大功率点搜索，从而得到多峰值情况下系统的全局最大功率点。

Claims (4)

1.一种光伏发电系统多峰值最大功率点跟踪的谷值定界搜索方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，搜索谷值：选取一定数量的电压初始值，电压初始值按照等距离分布，通过PWM驱动电路进行大步长的占空比调整改变输出电压，然后提取太阳能电池板输出端的电压和电流，计算得到相应的功率值；而后选取搜索步长，利用定步长扰动观测法，沿着功率值变小的方向进行搜索，直到功率值不再变小为止，即往两个方向搜索的功率值结果都变大；此时，可以确定这里存在一个最低点即谷值；如果出现搜索到其它初始值，即搜索越界的情况，则停止这一初始值的搜索过程；

第二步，谷值定界：根据第一步所得到的多个谷值进行定界，根据已知的峰值个数，确定搜索过程可有遗漏，如果有遗漏，则进入弥补；如果没有遗漏，则对搜索的整个区域进行定界，划分波峰区域，从而确定各个峰值所在的范围；

弥补：如果发现所得谷值的数目不够，在未经搜索的局部区域插入初始值，进行重新搜索，找到所缺的谷值；

第三步，多域比较：根据第二步定界的多个区域，分别进行最大值搜索，在每个波峰区域内，由电压初始值开始，运用定步长扰动观测法，进行反向搜索；如果一个波峰内有两个以上的初始值，选其中功率最大的点作为初始值；最后，将不同区域内搜索得到的局部最大值进行比较，确定全局最大值所在的波峰范围，而后进入确定区域进行精确搜索；

第四步，定域寻优：在确定的区域进行搜索时，使用第三步的搜索结果作为初始点沿着功率变大的方向进行搜索；采用变步长扰动观测法得到功率点的全局最大值。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统多峰值最大功率点跟踪的谷值定界搜索方法，其特征在于：第一步中电压初始值取谷值个数的两倍，搜索步长选为每段搜索区域的1/30-1/20。

3.根据权利要求1所述的光伏发电系统多峰值最大功率点跟踪的谷值定界搜索方法，其特征在于：第三步中搜索步长为第一步搜索谷值中搜索步长的1/2。

4.根据权利要求1所述的光伏发电系统多峰值最大功率点跟踪的谷值定界搜索方法，其特征在于：第四步中搜索步长为第三步多域比较中搜索步长的1/5。

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