CN102841628A

CN102841628A - 一种快速高精度光伏阵列最大功率点跟踪控制方法

Info

Publication number: CN102841628A
Application number: CN2012102662638A
Authority: CN
Inventors: 林明耀; 吴威; 林克曼; 骆皓
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: CN102841628B

Abstract

本发明是一种快速高精度光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，将短路电流法与电导增量法结合起来，实现两种方法的优势互补。采用光伏电池的输出电压、输出电流，判断系统是否运行在最大功率点左侧，如果不是，通过调节占空比，使得系统在最大功率点左侧运行；求取dP/dU的值，取其近似等于短路电流值Is，求出对应的最大功率点电流Im（Im=0.92Is），应用于短路电流法的控制；采样输出电流，并比较相邻时刻采样电流的差值，当差值大于设定范围时，说明系统运行在最大功率点附近，此时系统切换到电导增量法运行，直至搜索到最大功率点。本发明动态响应快，跟踪精度高，同时大大减少了传统短路电流法对系统运行产生的干扰，提高了光伏电池的输出效率。

Description

一种快速高精度光伏阵列最大功率点跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及的是光伏阵列MPPT（最大功率点跟踪）控制方法，属于太阳能光伏发电技术领域。

背景技术

当今社会，不可再生能源的日益紧缺以及环境污染的日益加剧，使得太阳能等可再生能源的利用受到了政府和社会各界的重视，光伏发电技术也因此得到了快速的发展。光伏阵列最大功率点跟踪技术是光伏发电涉及的主要技术之一。

目前常用的最大功率点跟踪控制方法包括：恒定电压法，短路电流法，扰动观测法，电导增量法，模糊控制法等，还有一些基于上述方法的改进方法。恒定电压法和短路电流法，是利用开路电压（短路电流）与最大功率点电压（最大功率点电流）之间存在的近似关系，将光伏电池的工作电压（电流）锁定，实现最大功率点跟踪。这两种方法实现简单，运行稳定，但跟踪精度较差，仅适合于中小功率场合，并且使用传统方法测量开路电压（短路电流），会给系统运行带来干扰。扰动观测法是最为常用的一种方法。该方法算法简单，容易实现，但无法消除稳态振荡，同时扰动步长设置的过大或过小，都会对系统产生影响。电导增量法是对扰动观测法的一种改进，其控制效果较好，稳态精度高，但是控制算法复杂，对系统硬件要求高。模糊控制法全面，灵活，兼容性较好，但控制精度较低，动态性能差。

发明内容

技术问题：针对传统最大功率点跟踪方法存在的不足，本发明提出一种快速高精度光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，将短路电流法与电导增量法有机结合起来，并且考虑到传统短路电流法中，检测短路电流会使系统暂停运行，造成系统的不稳定以及能源的浪费，本发明采用在线检测短路电流的方法，消除了对系统运行的影响，提高了稳定性和效率。将这两种方法结合起来，其优势在于不仅能够快速地跟踪到最大功率点，还能降低稳态时系统振荡所带来的能量损失。

技术方案：本发明的技术方案是：

将短路电流法与电导增量法结合起来，实现了两种方法的有机结合和优势互补，其具体方案包括以下步骤：

1）定义系统某一工作时刻为t，采样光伏电池在t时刻的输出电压和输出电流，计算出输出功率；

2）将t时刻功率、电压与t-1时刻功率、电压各自分别进行比较，根据dP/dU的正负，判断系统是否工作在最大功率点的左侧；其中dP是相邻采样时刻的功率差值，dU是相邻采样时刻的电压差值，最大功率点左侧是指：系统工作点电压小于最大功率点电压之处；

3）如果系统工作点不在最大功率点左侧，则调节占空比，使得系统工作在最大功率点左侧；

4）如果系统工作在最大功率点左侧，则将光伏阵列输出功率近似公式P＝I_SU对电压U求导，得到公式I_S(t)=dP(t)/dU(t)，计算I_S(t)和I_S(t-1)，比较两者大小，如果差值在误差范围内，则认为I_S(t)为短路电流值Isc，使用最大功率点电流公式Im=0.92Isc，得到最大功率点电流Im，该电流则为短路电流法控制的参考电流值；

5）如果I(t)与I(t-1)两者之间的差值超出误差范围，则认为系统工作在最大功率点附近，采用电导增量法来实现最大功率点跟踪控制，直至实现在最大功率点运行，之后，每隔一段时间，重新返回到步骤2）执行程序。

所述的短路电流法，采用在线检测技术，使系统运行在最大功率点左侧，通过求取输出功率对输出电压的导数，取该导数近似等于短路电流，应用到短路电流的控制中。

在最大功率点运行时，每隔一段时间，重新测量短路电流值。间隔时间的确定，应根据当地的气候变化情况，系统供电稳定性要求综合考虑，达到跟踪时效性，运行稳定性，能源高效性的平衡。本发明结合这些因素，将间隔时间设定为30秒。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下有益之处：（1）跟踪快速。由于系统采用了短路电流法控制，将运行点迅速锁定在最大功率点附近，省去了单独的电导增量法或者扰动观测法从零功率到最大功率点附近的寻优过程，时间大幅度减少。（2）跟踪精度高。由于采用短路电流法将工作点迅速锁定到最大功率点附近，因此采用电导增量法时，步长可以设置的较小，这样减少了稳态情况下系统的振荡，具有较高的跟踪精度。（3）系统效率高。传统的短路电流检测需要通过短接光伏电池来实现，这样不仅影响了系统的连续运行，还对光伏电池的输出功率造成了浪费。本发明采用短路电流间接在线检测方法，保证了系统运行的连续性，提高了光伏电池输出功率的利用率。（4）可靠性高。本发明所采用的短路电流法和电导增量法，都是传统的MPPT控制方法，技术已经非常成熟，开发方便，经济可靠。

附图说明

图1为光伏阵列P-U曲线图，

图2为光伏阵列I-U曲线图，

图3为本发明的方法流程图，

图4为电导增量法光伏电池输出功率仿真波形，

图5为采用本发明方法得到的光伏电池输出功率仿真波形。

具体实施方式

1）定义系统某一工作时刻为t，在t时刻采样光伏电池的输出电压、输出电流，计算出输出功率；

2）将t时刻的功率、电压与t-1时刻的功率、电压分别进行比较，根据dP/dU的正负，判断系统是否工作在最大功率点的左侧，其中dP是指相邻采样时刻的功率差值，dU是指相邻采样时刻的电压差值，最大功率点左侧是指：系统工作点电压小于最大功率点电压之处；

4）确定系统工作在最大功率点左侧，则通过公式I(t)=dP(t)/dU(t)得到I(t)和I(t-1)，比较两者大小。当差值在误差范围内，则认为I(t)为短路电流值Isc，再根据近似公式Im=0.92Isc（公式中0.92为经验系数），得到最大功率点电流Im，该电流则为短路电流法控制的参考电流值；

5）如果I(t)和I(t-1)两者之间的差值超出误差范围，则认为系统工作在最大功率点附近，采用电导增量法来实现最大功率点跟踪控制，直至实现在最大功率点运行。之后，每隔一段时间，重新返回到2）执行程序。

步骤2）中所述根据dP/dU的正负，判断系统是否工作在最大功率点左侧的理论依据是：根据图1所示的光伏阵列P-U曲线可知，当dP/dU＞0，说明系统工作在最大功率点左侧；当dP/dU＜0，说明系统工作在最大功率点右侧；当dP/dU=0，说明系统工作在最大功率点。

步骤4）中所述将I(t)作为短路电流值Isc的理论依据是：根据图2所示的光伏阵列I-U曲线可知，在A-B区间内，光伏阵列输出电流与短路电流基本相同，而光伏阵列的输出功率为：

P = I_{S} U - I_{O} U {\exp [\frac{q}{AKT} U] - 1} - - - (1)

式中，I、I_S和I₀分别为光伏电池输出电流、短路电流和反向饱和电流；q为电荷常数；A为光伏电池中半导体器件的P-N结系数；U为光伏电池输出电压。

则输出功率与电压的导数关系为：

dP / dU = I_{S} - I_{O} \exp [\frac{q}{AKT} U] \cdot [1 + \frac{q}{AKT} U] + I_{O} - - - (2)

由上式可知，在曲线A点处，光伏电池处于短路状态，此时的dP/dU大小等于短路电流；随着输出电压的增加，其值缓慢下降，因此可以通过在最大功率点左侧得到的dP和dU值，计算出近似短路电流。

步骤5）中所述，如果I(t)和I(t-1)两者之间的差值超出误差范围，则认为系统工作在最大功率点附近的理论依据是：在最大功率点附近，光伏电池输出电流变化很大，因此，通过设置一个阀值，来判断系统是否运行在最大功率点附近，是完全可行的。

下面将结合附图对本发明提出的方法做进一步的说明。

图3为本发明方法的流程图。由图可知，通过如下几个步骤可以实现MPPT控制：

步骤一：定义系统某一工作时刻为t，采样光伏电池t时刻的输出电压、输出电流，计算出输出功率；

步骤二：将t时刻功率、电压与t-1时刻功率、电压分别进行比较，通过判断dP/dU的正负，判断系统是否工作在最大功率点的左侧，其中dP是相邻采样时刻的功率差值，dU是相邻采样时刻的电压差值，最大功率点左侧是指：系统工作点电压小于最大功率点电压之处；

步骤三：如果系统工作点不在最大功率点左侧，则调节占空比，使得系统工作在最大功率点左侧；

步骤四：如果系统工作在最大功率点左侧，则通过公式I(t)=dP(t)/dU(t)；得到I(t)和I(t-1)，比较两者大小，如果差值在误差范围内，则认为I(t)为短路电流值Isc，再根据近似公式Im=0.92Isc，得到最大功率点电流Im，该电流则为短路电流法控制的参考电流值；

步骤五：如果I(t)和I(t-1)两者之间的差值超出误差范围，则认为系统工作在最大功率点附近，采用电导增量法来进行最大功率点跟踪控制，直至实现在最大功率点运行。之后，每隔一段时间，重新返回到步骤二执行程序。

下面将结合具体实例说明本发明的优越性。

单独采用电导增量法得到的输出功率如图4所示，光伏电池在0.2S时刻，实现最大功率点跟踪运行，在1S时刻，光照强度由初始的1000W/M²降到500W/M²，系统经过0.01S才实现在新的最大功率点运行。图5为采用本发明方法得到的光伏电池输出功率波形，由波形可以看出，光伏电池在0.08S时刻，已实现最大功率点运行。在1S时刻，光照强度由初始的1000W/M²降到500W/M²，由图可知，系统只需要0.005S就实现新的最大功率点运行。因此，本发明方法具有很明显的优势。

以上实施实例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆在本发明的范围之内。

Claims

1.一种快速高精度光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，其特征在于将短路电流法与电导增量法结合起来，实现了两种方法的有机结合和优势互补，其具体方案包括以下步骤：

1）定义系统某一工作时刻为t，采样光伏电池t时刻的输出电压和输出电流，计算出输出功率；

2）将t时刻功率、电压与t-1时刻功率、电压分别进行比较，根据dP/dU的正负，判断系统是否工作在最大功率点的左侧；其中dP是相邻采样时刻的功率差值，dU是相邻采样时刻的电压差值，最大功率点左侧是指：系统工作点电压小于最大功率点电压之处；

4）如果系统工作在最大功率点左侧，则将光伏阵列输出功率按公式对电压U求导，得到公式短路电流I_S(t)=dP(t)/dU(t)，计算I_S(t)和I_S(t-1)，比较两者大小，如果差值在误差范围内，则认为I_S(t)为短路电流值Isc，使用公式Im=0.92Isc，得到最大功率点电流Im，该电流则为短路电流法控制的参考电流值；

5）如果I(t)与I(t-1)两者之间的差值超出误差范围，则认为系统工作在最大功率点附近，采用电导增量法来实现最大功率点跟踪控制，直至实现在最大功率点运行，之后，每隔一段时间，重新返回到步骤2）执行程序；

2.如权利1所述的快速高精度光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，其特征在于所述的短路电流法，采用在线检测技术，使系统运行在最大功率点左侧，通过求取输出功率对输出电压的导数，取该导数近似等于短路电流，应用到短路电流的控制中。

3.如权利1所述的快速高精度光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，其特征在于在最大功率点运行时，每隔一段时间，重新测量短路电流值。