CN102759945B - 一种基于极值寻找法（esc）的光伏发电系统中光伏电池板最大功率点跟踪方法 - Google Patents

一种基于极值寻找法（esc）的光伏发电系统中光伏电池板最大功率点跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于传统极值寻找法（ESC）的光伏发电系统中光伏电池板的最大功率点跟踪方法，其特征在于将逆变器解耦产生的正弦纹波引入到光伏电池板输出电压中去，这一纹波会使光伏电池板的功率产生一个正弦的波动，根据引入的正弦纹波和功率的正弦波动的乘积的直流分量的正负，来判断光伏电池板实际工作点的位置；通过检测直流分量和光伏电池板输出电压的比值来实现传统极值寻找法（ESC）的电压环基准电压的变步长扰动，实现了在光伏电池板的最大功率点附近的电压环基准电压的小步长扰动，减小了系统在稳态时候的误差，提高效率，同时最大功率点跟踪的变步长的控制能够进一步减小逆变器解耦电容的体积，有利于提高光伏发电系统的寿命，降低光伏发电系统的成本。

Description

一种基于极值寻找法(ESC)的光伏发电系统中光伏电池板最大功率点跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种光伏发电系统中光伏电池板最大功率点跟踪的方法，尤其涉及一种根据传统的极值寻找法的变步长最大功率点跟踪方法，属于新能源技术领域，特别是光伏发电领域。
技术背景
光伏电池板是光伏发电系统的核心部件，根据光伏电池板的V-I曲线，在不同的光强度和温度情况下，光伏板都存在最大功率点。为了充分利用光伏板的输出能量，就要保证光伏电池板时刻工作在最大功率点，即需要采用最大功率点跟踪
目前常用的最大功率点跟踪的方法主要有扰动观察法（P&O）、导纳法（INC）、开路电压短路电流法和极值寻找法（ESC）。扰动观察即是对光伏电池板的输出电流或者是电压加入一个扰动，观察光伏电池板功率的变化，根据变化方向来确定下一次扰动的方向。扰动观察法实现简单，但是在最大功率点附近容易引起震荡。开路电压短路电流法是利用光伏电池板在最大功率点出的工作电压、电流和开路电压、短路电流存在一个比例关系。控制简单，没有跟踪功能，控制不精确。导纳法利用光伏电池板P-I或者值P-V曲线在最大功率点左侧斜率大于0，在最大功率点右侧斜率小于0来跟踪最大功率点。传统的ESC是利用逆变器解耦产生的纹波作为光伏电池板电压或者电流的扰动，在光伏电池板功率曲线上产生一个正弦波动，利用两者乘积的直流分量，作为跟踪最大功率点的依据。传统的ESC能够减小逆变器解耦电容的体积，但是在最大功率点附近会存在较大的震荡，影响系统的效率。
发明内容
本发明针对背景技术的最大功率点跟踪技术存在的缺陷而提出的一种高效率、高稳定性，快速的、适用于新能源发电场合的基于变步长极值寻找法的光伏发电系统中光伏电池板的最大功率点跟踪方法。
为此本发明采用以下技术方案：其特征在于将逆变器解耦产生的正弦纹波引入到光伏电池板输出电压中去，这一纹波会使光伏电池板的功率产生一个正弦的波动，根据引入的正弦纹波和功率的正弦波动的乘积的直流分量的正负，来判断实际工作点的位置；通过检测直流分量和光伏电池板输出电压的比值来实现传统极值寻找法（ESC）的电压环基准电压的变步长扰动，实现了在光伏电池板的最大功率点附近的电压环基准电压的小步长扰动，减小了系统在稳态时候的误差，提高效率，同时变步长的控制能够进一步减小逆变器解耦电容的体积，有利于提高光伏发电系统的寿命，降低光伏发电系统的成本。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：
它包括步骤如下：
步骤1：光伏发电系统中最大功率跟踪工作模块检测t0时刻的光伏电池板的输出电压Vout、引入逆变器解耦产生的纹波ΔVout、光伏电池板功率正弦波动ΔPout；所述t0时刻为最大功率点跟踪（MPPT）控制周期的初始时刻，所述ΔVout为引入到光伏电池板的输出电压的纹波，即逆变器解耦产生的纹波；
步骤2：在t0时刻对电压环的基准电压施加扰动，持续到t0+T，T为光伏发电系统中最大功率点跟踪（MPPT）的控制周期；
步骤3：计算ΔVout和ΔPout的乘积，并且经过低通滤波器滤波得到ΔVout和ΔPout的乘积的直流分量ζ(k)，同时计算直流分量ζ(k)和光伏电池板输出电压Vout的比值ζ(k)/Vout；
步骤4，根据步骤3中得到的ζ(k)和ζ(k)/Vout来判断下一个最大功率点跟踪（MPPT）控制周期的扰动方向和扰动方式，
如ξ(k)=0，说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板最大功率点处，维持电压环的基准电压不变；
如ξ(k)>0，
Figure BDA00001674520900031
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板最大功率点左边，增加电压环的基准电压，定步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为ΔVmax，其中，α是用来确定最大功率点跟踪算法变步长区域大小的参数值；
如ξ(k)>0，
Figure BDA00001674520900032
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点左边，增加电压环的基准电压，变步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为
Figure BDA00001674520900033
β为最大功率点算法光伏电池板开始进入变步长区域的时候，在这一时刻的ζ(k)值，β值随着α值的变化而改变；如ξ(k)<0，
Figure BDA00001674520900034
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点右边，减小电压环的基准电压，定步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为ΔVmax；
如ξ(k)>0，
Figure BDA00001674520900035
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点右边，增加电压环的基准电压，变步长扰动电压环基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为
Figure BDA00001674520900036
在上述步骤4中，用
Figure BDA00001674520900037
和α的比较作为判断是否进入变步长区域的依据，实现变步长区域的可控制性；α的值是可变的，变步长的区域是可变的。α值越大，变步长的区域越大，通常α值是大于0，并且小于1的。使用者可以根据实际的情况来确定。
当判断开始进入变步长区域的时候，将这一时刻的ζ(k)的值记录下来，记为β，作为改变电压环的基准电压扰动步长的参数，β值随着α值的变化而改变。
由于采用本发明的技术方案，本发明提供了一种变步长机制寻找法的最大功率点跟踪方法，该方法将逆变器解耦的纹波引入到光伏电池板的输出电压，检测光伏板上功率的正弦波动，通过计算得到两者乘积的直流分量，来判断实际工作点的位置；通过直流分量和光伏电池板电压的比值来确定是否进入变步长区域。当比值的绝对值小于或者是等于α的时候，进入变步长区域；当绝对值大于某一个设定值，进入定步长扰动区域。
本发明中，α值是一个可以设定的值，根据不同的设计者，α是可变的，不同的α值对应着不同的变步长区域，通过控制α可以实现变步长区域的可控制性，用来适应不同的工作条件。α的值是可变的，变步长的区域是可变的。，α值越大，变步长的区域越大，通常α值是大于0，并且是小于1的，使用者可以根据实际的情况来确定。
本发明中，在定步长区域，基准电压的扰动步长是ΔVmax；在变步长区域，基准电压的扰动步长是
Figure BDA00001674520900041
在变步长区域，越靠近最大功率点，扰动步长会越小，因此，本发明方法和传统的极值寻找法相比，减小了在最大功率点的震荡，提高了效率；进一步减小了逆变器就电容的体积，提高了系统的可靠性，有利于提高系统寿命，具有实用价值；在新能源发电特别是太阳能发电中有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述的基于传统ESC的变步长ESC最大功率点跟踪方法流程图。
图2是本发明所示的跟踪方法的控制结构图。
图3是本发明所述的最大功率点跟踪方法在两级式光伏发电系统中的应用示意图。
在附图中：VPV(k)是k时刻的光伏板输出电压值；VPV(k-1)是k-1时刻的光伏板输出电压值；Vref(k)是k时刻的基准电压值；Vref(k-1)是k-1时刻的基准电压值；α值是一个可变的值；DC/DC是直流变直流变换器；DC/AC是直流变交流变换器；MPPT是光伏发电系统中实现最大功率点跟踪的控制模块；PWM是产生开关器件驱动的模块；PI是传统的比例积分控制器；GRID是电网。
具体实施方式
步骤1：光伏发电系统中最大功率跟踪工作模块检测t0时刻的光伏电池板的输出电压Vout、引入逆变器解耦产生的纹波ΔVout、光伏电池板功率正弦波动ΔPout；所述t0时刻为最大功率点跟踪（MPPT）控制周期的初始时刻，所述ΔVout为引入到光伏电池板的输出电压的纹波，即逆变器解耦产生的纹波；
步骤2：在t0时刻对电压环的基准电压施加扰动，持续到t0+T，T为光伏发电系统中最大功率点跟踪（MPPT）的控制周期；
步骤3：计算ΔVout和ΔPout的乘积，并且经过低通滤波器滤波得到ΔVout和ΔPout的乘积的直流分量ζ(k)，同时计算直流分量ζ(k)和光伏电池板输出电压Vout的比值ζ(k)/Vout；
步骤4，根据步骤3中得到的ζ(k)和ζ(k)/Vout来判断下一个最大功率点跟踪（MPPT）控制周期的扰动方向和扰动方式，
如ξ(k)=0，说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板最大功率点处，维持电压环的基准电压不变；
如ξ(k)>0，
Figure BDA00001674520900051
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板最大功率点左边，增加电压环的基准电压，定步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为ΔVmax，其中，α是用来确定最大功率点跟踪算法变步长区域大小的参数值；
如ξ(k)>0，
Figure BDA00001674520900052
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点左边，增加电压环的基准电压，变步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为
Figure BDA00001674520900061
β为最大功率点算法光伏电池板开始进入变步长区域的时候，在这一时刻的ζ(k)值，β值随着α值的变化而改变；
如ξ(k)<0，
Figure BDA00001674520900062
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点右边，减小电压环的基准电压，定步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为ΔVmax；
如ξ(k)>0，
Figure BDA00001674520900063
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点右边，增加电压环的基准电压，变步长扰动电压环基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为
Figure BDA00001674520900064
步骤5，记录采样得到的光伏板电压VPV(k)的值和直流分量ζ(k)（ΔVout和ΔPout的乘积的直流分量）的值，返回主程序，准备进入下一个控制周期。
图2所示的是本发明的控制流程图，经过高通滤波器将逆变器解耦产生的纹波引入到光伏板的输出电压中，在光伏板的输出功率上会有一个正弦的纹波，通过高通滤波器检测光伏板功率的正弦纹波，将引入逆变器解耦产生的纹波ΔVout和光伏板功率正弦波动ΔPout的乘积的直流分量作为判断实际工作点位置的依据；同时利用直流分量和光伏板电压的比值ζ(k)/Vout来作为判断是否进入变步长区域的依据。与传统的方法相比，该方法实现高效的同时，可以进一步减小逆变器解耦电容的体积，有利于提高系统的寿命，降低成本；在稳态波动较小，效率较高；载光照迅速变化同时，跟踪速度较快。
图3所示是本发明所述的最大功率点跟踪方法在两级式光伏发电系统中的应用示意图。这里采用电压环控制。通过高通滤波器将逆变器解耦产生的纹波提取出来，并引入到光伏板的输出电压中，在光伏板的输出功率上会有一个正弦的纹波，通过高通滤波器检测并得到光伏板功率的正弦纹波，将引入逆变器解耦产生的纹波ΔVout和光伏板功率正弦波动ΔPout的乘积的直流分量作为判断实际工作点位置的依据，在最大功率点跟踪工作模块里面计算两者的乘积及其直流分量值，当得到的直流分量大于0时，最大功率点跟踪工作模块会判断实际工作点在最大功率点左边，当得到的直流分量小于0时，最大功率点跟踪工作模块会判断实际工作点在最大功率点右边；同时利用直流分量和光伏板电压的比值ζ(k)/Vout来作为判断是否进入变步长区域的依据，
Figure BDA00001674520900071
定步长扰动基准电压，扰动步长为ΔVmax，
Figure BDA00001674520900072
变步长扰动基准电压，扰动步长为
Figure BDA00001674520900073
定步长扰动基准电压，扰动步长是ΔVmax，
Figure BDA00001674520900075
变步长扰动基准电压，扰动步长为最大功率点跟踪工作模块计算出的基准电压是检测到的光伏板的实际输出电压的误差信号，经过一个控制模块（如PI）和PWM产生模块，产生DC/DC中开关管的驱动信号，从而来跟踪最大功率点。与传统的方法相比，该方法实现高效的同时，可以进一步减小逆变器解耦电容的体积，有利于提高系统的寿命，降低成本；在稳态误差较小，效率较高；在光照迅速变化同时，跟踪速度较快。

Claims (4)

1.一种基于传统极值寻找法(ESC)的光伏发电系统中光伏电池板的最大功率点跟踪方法，其特征在于它将逆变器解耦产生的正弦纹波引入到光伏电池板输出电压中去，这一纹波会使光伏电池板的功率产生一个正弦的波动，根据引入的正弦纹波和光伏电池板的功率的正弦波动的乘积的直流分量的正负，来判断实际工作点的位置；通过检测所述直流分量和光伏电池板输出电压的比值来实现传统极值寻找法(ESC)的电压环基准电压的变步长扰动，实现了在光伏电池板的最大功率点附近的电压环基准电压的小步长扰动。
2.如权利要求1所述的光伏发电系统中光伏电池板最大功率点跟踪方法，特征在于它包括步骤如下：
步骤1：光伏发电系统中最大功率跟踪工作模块检测t0时刻的光伏电池板的输出电压Vout、引入逆变器解耦产生的纹波ΔVout、光伏电池板功率正弦波动ΔPout；所述t0时刻为最大功率点跟踪(MPPT)控制周期的初始时刻，所述ΔVout为引入到光伏电池板的输出电压的纹波，即逆变器解耦产生的纹波；
步骤2：在t0时刻对电压环的基准电压施加扰动，持续到t0+T，T为光伏发电系统中最大功率点跟踪(MPPT)的控制周期；
步骤3：计算ΔVout和ΔPout的乘积，并且经过低通滤波器滤波得到ΔVout和ΔPout的乘积的直流分量ζ(k)，同时计算直流分量ζ(k)和光伏电池板输出电压Vout的比值ζ(k)/Vout；
步骤4，根据步骤3中得到的ζ(k)和ζ(k)/Vout来判断下一个最大功率点跟踪(MPPT)控制周期的扰动方向和扰动方式，
如ζ(k)＝0，说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板最大功率点处，维持电压环的基准电压不变；
如ζ(k)＞0，
Figure FDA0000464525730000011
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板最大功率点左边，增加电压环的基准电压，定步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为ΔVmax，其中，α是用来确定最大功率点跟踪算法变步长区域大小的参数值；
如ζ(k)＞0，
Figure FDA0000464525730000021
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点左边，增加电压环的基准电压，变步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为
Figure FDA0000464525730000022
β为最大功率点算法判断电压环的扰动开始进入变步长区域的时候，在这一时刻的ζ(k)值，β值随着α值的变化而改变；
如ζ(k)＜0，
Figure FDA0000464525730000023
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点右边，减小电压环的基准电压，定步长扰动电压环的基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为ΔVmax；
如ζ(k)＞0，
Figure FDA0000464525730000024
说明光伏电池板的实际工作点在光伏电池板的最大功率点右边，增加电压环的基准电压，变步长扰动电压环基准电压，电压环的基准电压的扰动步长为
3.如权利要求2所述的光伏发电系统中光伏电池板最大功率点跟踪方法，特征在于，在权利要求2的步骤4中，用和α的比较作为判断是否进入变步长区域的依据，实现变步长区域的可控制性。
4.如权利要求2所述的光伏发电系统中光伏电池板最大功率点跟踪方法，特征在于，当最大功率点跟踪算法判断电压环的扰动开始进入变步长区域的时候，将这一时刻的ζ(k)的值记录下来，记为β，作为改变基准电压扰动步长的参数；在定步长区域，基准电压的扰动步长是ΔVmax；在变步长区域，基准电压的扰动步长是
Figure FDA0000464525730000027
在靠近最大功率点的时候，电压环的基准电压的扰动步长会越小，实现小步长扰动。
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光伏系统最大功率点追踪的一种改进方法及其仿真;赵磊;《电工电气》;20090930(第9期);30-33 *
赵磊.光伏系统最大功率点追踪的一种改进方法及其仿真.《电工电气》.2009,(第9期),30-33.

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CN107923947A (zh) * 2015-07-17 2018-04-17 百拉得动力系统公司 用于储能系统诊断的降低的堆电压电路
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