CN102902298A - 基于分段模型的光伏阵列 mppt 控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器，其与一光伏发电系统连接，以使光伏发电系统工作在最大功率输出状态，该光伏发电系统包括一光伏阵列、一电压电流测量电路以及一DC/DC转换电路，光伏阵列MPPT控制器包括：一DSP/MCU控制器，其与所述电压电流测量电路连接，并与所述DC/DC转换电路连接；一基于分段模型的控制模块，其运行于所述DSP/MCU控制器上。另外，本发明还提供了一种基于上述MPPT控制器的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制方法。本发明使得光伏阵列的工作点精确地收敛于全局最大值，从而实现了最优控制。

Description

基于分段模型的光伏阵列 MPPT 控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种MPPT控制器及控制方法，具体涉及光伏阵列MPPT控制器及控制方法。

背景技术

光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT,Maximum Power Point Tracking）控制器是光伏发电系统的重要组成部分，其作用是控制光伏阵列工作在最大功率输出状态，以保证光伏阵列的发电效率。实际运行的MPPT控制器一般多采用传统的爬山类控制方法，如扰动观察法、增量电导法等，也有一些MPPT控制器采用固定电压法，或者采用固定电压法和爬山类控制方法相结合的优化控制方法。其中，固定电压法的缺点在于不能将工作点非常精确地控制在最大功率点，而爬山类控制方法则是收敛速度不够快，两者结合后可以快速将工作点控制在最大功率点。但是这些传统的控制方法都有一个前提是光伏阵列输出的功率-电压（P-V）特性曲线只有一个极大值，而不考虑多个局部极值的状况，因此光伏阵列的工作点很可能收敛于某一个局部极值而不是全局最大值。

但是目前几乎所有的光伏阵列都是光伏模块串并联（SP）结构，在局部阴影条件下，光伏阵列输出P-V特性曲线呈现多个局部极值的特点，使得传统的MPPT控制器效果不能达到最优控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器及控制方法，以解决现有光伏阵列MPPT控制器及控制方法不能实现最优控制的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器及控制方法，其与一光伏发电系统连接，以使光伏发电系统工作在最大功率输出状态，该光伏发电系统包括一光伏阵列、一电压电流测量电路以及一DC/DC转换电路，本发明的光伏阵列MPPT控制器包括：

一DSP/MCU（Digital Signal Processing/Micro Control Unit，数字信号处理/微控制单元）控制器，其与所述电压电流测量电路连接，并与所述DC/DC转换电路连接；

一基于分段模型的控制模块，其运行于所述DSP/MCU控制器上；

其中，该基于分段模型的控制模块：

根据光伏阵列中光伏模块的串联个数K确定K个粗扫描工作点，使该K个粗扫描工作点的电压分别为

为光伏模块的开路电压；

在该K个粗扫描工作点测量与该K个粗扫描工作点对应的K个恒流段M₀段、M₁段、M₂段、M₃段......、M_K-1段的电流值；

估算各恒流段的功率的局部极值：

M₀段功率的局部极值

M₁段功率的局部极值

M₂段功率的局部极值

M₃段功率的局部极值

......

M_K-1段功率的局部极值 $P_{\mathrm{mpp}}^{M(K-1)}=(K-1)\·{\mathrm{\βV}}_{\mathrm{oc}}^M\·I^{M(K-1)}$

其中

V_mpp为最大功率点的电压，其为光伏阵列的固有属性，是已知值；

取所有局部极值中的最大值点，对应的恒流段为全局最大功率点所在段；采用爬山类算法以一步长设定值Δd在该全局最大功率点所在段内搜索全局最大功率点，直至当前工作点的功率P(n+1)小于上一工作点的功率P(n)，令Δd＝-Δd；

判断Δd是否小于一预设值ΔD_SET，如果为是，则进行下一步；如果为否，则令Δd＝Δd/2返回上一步；

基于分段模型的控制模块还在当前工作点和上一工作点的电流的变化满足下述关系时重新开始粗扫描：

$\left|\frac{I_{\mathrm{PV}}\left[n\right]-I_{\mathrm{PV}}[n-1]}{I_{\mathrm{PV}}[n-1]}\right|>{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{SET}}$

其中I_PV[n]表示当前工作点的电流值，I_PV[n-1]表示上一工作点的电流值；ΔI_SET表示电流变化设定值。

本发明的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制方法包括下列步骤：

（1）根据光伏阵列中光伏模块的串联个数K确定K个粗扫描工作点，使该K个粗扫描工作点的电压分别为

为光伏模块的开路电压；

（2）在该K个粗扫描工作点测量与该K个粗扫描工作点对应的K个恒流段M₀段、M₁段、M₂段、M₃段......、M_K-1段的电流值

（3）估算各恒流段的功率的局部极值：

M₀段功率的局部极值

M₁段功率的局部极值

M₂段功率的局部极值

M₃段功率的局部极值

......

M_K-1段功率的局部极值 $P_{\mathrm{mpp}}^{M(K-1)}=(K-1)\·\mathrm{\β}{V}_{\mathrm{oc}}^M\·I^{M(K-1)}$

其中

V_mpp为最大功率点的电压；

（4）取所有局部极值中的最大值点，对应的恒流段为全局最大功率点所在段；

（5）采用爬山类算法以一步长设定值Δd在该全局最大功率点所在段内搜索全局最大功率点，直至当前工作点的功率P(n+1)小于上一工作点的功率P(n)，则令Δd＝-Δd；

（6）判断Δd是否小于一预设值ΔD_SET，如果为是，则进入步骤（7）；如果为否，则令Δd＝Δd/2返回步骤（5）；

（7）判断当前工作点和上一工作点的电流的变化是否满足下述关系：

$\left|\frac{I_{\mathrm{PV}}\left[n\right]-I_{\mathrm{PV}}[n-1]}{I_{\mathrm{PV}}[n-1]}\right|>\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{SET}}$

若为否，则返回步骤（5）；若为是，则返回步骤（2）；其中I_PV[n]表示当前工作点的电流值，I_PV[n-1]表示上一工作点的电流值；ΔI_SET表示电流变化设定值。

优选地，所述步骤（5）中的爬山类算法为扰动观察法或增量电导法。

本发明的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器及控制方法依据光伏阵列输出的电流-电压（I-V）特性曲线在局部阴影下具有分段恒流的特点，通过扫描各段电流值以估算各局部极值的相对大小,从而跟踪到全局最大功率点。

由于采用了上述技术方案，本发明的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器及控制方法具有以下优点：

1）在均匀光照或局部阴影下都可以将光伏阵列的工作点准确收敛于全局最大功率点，尤其是在局部阴影引起光伏阵列P-V特性曲线出现多峰值时可以快速确定全局最大值所在的恒流段；

2）优化了传统爬山类算法的步长设置方式，使得系统在不损失收敛速度的情况下工作于最大功率点（MPP，Maximum Power Point）附近时的振荡幅度明显减小，从而提高了MPPT控制的整体效率；

3）所采用的光照条件变化的判断条件使得MPPT控制器对光伏阵列全局最大功率点位置的变动能及时做出反应。

附图说明

图1是本发明的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器在一种实施方式下的结构示意图。

图2是本发明的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制方法在一种实施方式下的工作流程图。

附图标记：

1.光伏阵列  2.DC/DC转换电路  3.并网逆变及其控制或蓄电池及其充放电管理电路  4.电流电压测量电路  5.数字信号处理/微控制单元（DSP/MCU,Digital Signal Processing/Micro Control Unit）控制器

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及其附图对本发明所述的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器及控制方法作进一步详细描述。

图1显示了本发明的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器在一种实施方式下的结构。

如图1所示，本实施例中，基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器与光伏发电系统连接，以使光伏发电系统工作在最大功率输出状态，该光伏发电系统包括光伏阵列1、电压电流测量电路4以及DC/DC转换电路2，进一步地，该光伏阵列MPPT控制器还包括：DSP/MCU控制器5，其与电压电流测量电路4连接，并与DC/DC转换电路2连接；基于分段模型的控制模块，其运行于DSP/MCU控制器5上；该基于分段模型的控制模块根据光伏阵列中光伏模块的串联个数K(本实施例中K=30)确定30个粗扫描工作点，使该30个粗扫描工作点的电压分别为其中，

为光伏模块的开路电压，其为固有属性，因此为一已知数值；在该30个粗扫描工作点测量与该30个粗扫描工作点对应的30个恒流段M₀段、M₁段、M₂段、M₃段......、M₂₉段的电流值I^M0、I^M1、......、I^M29；估算各恒流段的功率的局部极值：

M₀段功率的局部极值

M₁段功率的局部极值

M₂段功率的局部极值

M₃段功率的局部极值

......

M₂₉段功率的局部极值

其中

V_mpp为最大功率点的电压；取所有局部极值中的最大值点，对应的恒流段为全局最大功率点所在段；采用爬山类算法以一步长设定值Δd(本实施例中其值为0.1)在该全局最大功率点所在段内搜索全局最大功率点，直至当前工作点的功率P(n+1)小于上一工作点的功率P(n)，令Δd＝-Δd；判断Δd是否小于一预设值ΔD_SET(本实施例中其值为0.01)，如果为是，则进行下一步；如果为否，则令Δd＝Δd/2返回上一步；

其中，基于分段模型的控制模块还在当前工作点和上一工作点的电流的变化满足下述关系时重新开始粗扫描：

$\left|\frac{I_{\mathrm{PV}}\left[n\right]-I_{\mathrm{PV}}[n-1]}{I_{\mathrm{PV}}[n-1]}\right|>\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{SET}}$

图2是本发明的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制方法在一种实施方式下的工作流程图。

如图2所示，本实施例中的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制方法包括下列步骤：

（1）根据光伏阵列中光伏模块的串联个数K(本实施例中光伏模块的串联个数K=30)确定30个粗扫描工作点，使该30个粗扫描工作点的电压分别为

为光伏模块的开路电压；

（2）在该30个粗扫描工作点测量与该30个粗扫描工作点对应的30个恒流段M₀段、M₁段、M₂段、M₃段......、M₂₉段的电流值I^M0、I^M1、I^M2、I^M3......I^M30；

（3）估算各恒流段的功率的局部极值：

M₀段功率的局部极值

M₁段功率的局部极值

M₂段功率的局部极值

M₃段功率的局部极值

......

M₂₉段功率的局部极值

其中V_mpp为最大功率点的电压；

（4）取所有局部极值中的最大值点，对应的恒流段为全局最大功率点所在段；

（5）采用爬山类算法以一步长设定值Δd(本实施例中取值为0.1)在该全局最大功率点所在段内搜索全局最大功率点，直至当前工作点的功率P(n+1)小于上一工作点的功率P(n)，则令Δd＝-Δd，其中，爬山类算法可以为扰动观察法或增量电导法；

（6）判断Δd是否小于一预设值ΔD_SET(本实施例中取值为0.01)，如果为是，则进入步骤（7）；如果为否，则令Δd＝Δd/2返回步骤（5）；

（7）判断当前工作点和上一工作点的电流的变化是否满足下述关系：

$\left|\frac{I_{\mathrm{PV}}\left[n\right]-I_{\mathrm{PV}}[n-1]}{I_{\mathrm{PV}}[n-1]}\right|>\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{SET}}$

若为否，则返回步骤（5）；若为是，则返回步骤（2）；其中I_PV[n]表示当前工作点的电流值，I_PV[n-1]表示上一工作点的电流值；ΔI_SET表示电流变化设定值。

Claims (3)

1.一种基于分段模型的光伏阵列MPPT控制器，其与一光伏发电系统连接，以使光伏发电系统工作在最大功率输出状态，所述光伏发电系统包括一光伏阵列、一电压电流测量电路以及一DC/DC转换电路，其特征在于，所述光伏阵列MPPT控制器包括：

一DSP/MCU控制器，其与所述电压电流测量电路连接，并与所述DC/DC转换电路连接；

一基于分段模型的控制模块，其运行于所述DSP/MCU控制器上；

其中，所述基于分段模型的控制模块：

根据光伏阵列中光伏模块的串联个数K确定K个粗扫描工作点，使该K个粗扫描工作点的电压分别为

为光伏模块的开路电压；

在该K个粗扫描工作点测量与该K个粗扫描工作点对应的K个恒流段M₀段、M₁段、M₂段、M₃段......、M_K-1段的电流值；

估算各恒流段的功率的局部极值：

M₀段功率的局部极值

M₁段功率的局部极值

M₂段功率的局部极值

M₃段功率的局部极值

.....

M_K-1段功率的局部极值 $P_{\mathrm{mpp}}^{M(K-1)}=(K-1)\·{\mathrm{\βV}}_{\mathrm{oc}}^M\·I^{M(K-1)}$

其中

V_mpp为最大功率点的电压；

取所有局部极值中的最大值点，对应的恒流段为全局最大功率点所在段；

采用爬山类算法以一步长设定值Δd在该全局最大功率点所在段内搜索全局最大功率点，直至当前工作点的功率P(n+1)小于上一工作点的功率P(n)，令Δd＝-Δd；

判断Δd是否小于一预设值ΔD_SET，如果为是，则进行下一步；如果为否，则令Δd＝Δd/2返回上一步；

所述基于分段模型的控制模块还在当前工作点和上一工作点的电流的变化满足下述关系时重新开始粗扫描：

$\left|\frac{I_{\mathrm{PV}}\left[n\right]-I_{\mathrm{PV}}[n-1]}{I_{\mathrm{PV}}[n-1]}\right|>{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{SET}}$

其中I_PV[n]表示当前工作点的电流值，I_PV[n-1]表示上一工作点的电流值；ΔI_SET表示电流变化设定值。

2.一种基于分段模型的光伏阵列MPPT控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）根据光伏阵列中光伏模块的串联个数K确定K个粗扫描工作点，使该K个粗扫描工作点的电压分别为

为光伏模块的开路电压；

（2）在该K个粗扫描工作点测量与该K个粗扫描工作点对应的K个恒流段M₀段、M₁段、M₂段、M₃段......、M_K-1段的电流值

（3）估算各恒流段的功率的局部极值：

M₀段功率的局部极值

M₁段功率的局部极值

M₂段功率的局部极值

M₃段功率的局部极值

.....

M_K-1段功率的局部极值 $P_{\mathrm{mpp}}^{M(K-1)}=(K-1)\·\mathrm{\β}{V}_{\mathrm{oc}}^M\·I^{M(K-1)}$

其中

V_mpp为最大功率点的电压；

（4）取所有局部极值中的最大值点，对应的恒流段为全局最大功率点所在段；

（5）采用爬山类算法以一步长设定值Δd在该全局最大功率点所在段内搜索全局最大功率点，直至当前工作点的功率P(n+1)小于上一工作点的功率P(n)，则令Δd＝-Δd；

（6）判断Δd是否小于一预设值ΔD_SET，如果为是，则进入步骤（7）；如果为否，则令Δd＝Δd/2返回步骤（5）；

（7）判断当前工作点和上一工作点的电流的变化是否满足下述关系：

$\left|\frac{I_{\mathrm{PV}}\left[n\right]-I_{\mathrm{PV}}[n-1]}{I_{\mathrm{PV}}[n-1]}\right|>\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{SET}}$

若为否，则返回步骤（5）；若为是，则返回步骤（2）；其中I_PV[n]表示当前工作点的电流值，I_PV[n-1]表示上一工作点的电流值；ΔI_SET表示电流变化设定值。

3.如权利要求2所述的基于分段模型的光伏阵列MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤（5）中的爬山类算法为扰动观察法或增量电导法。

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