CN103186160B - 一种光伏发电最大功率点跟踪的自调节控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电最大功率点跟踪的自调节控制方法，在任一P-I特性上，当逆变器工作点在最大功率点左侧时，或自右侧越过最大功率点进入左侧后，功率电流的变化率为正值，由此测算得到的调节量使交流电流给定不断增加，光伏组件阵列输出工作点向最大功率点自调节移动。而当工作点在最大功率点右侧时，或自左侧越过最大功率点进入右侧后，功率电流的变化率为负值，则由此测算得到的调节量使交流电流给定不断减小，光伏组件阵列输出工作点仍然向最大功率点自调节移动。本发明方法不会对电网有大的扰动，无需复杂参数的设计。

Description

一种光伏发电最大功率点跟踪的自调节控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电系统技术，特别涉及一种适用于光伏逆变器最大功率点跟踪控制的自调节控制方法算法，适用于并网和离网型光伏发电系统。

背景技术

对于光伏发电系统，最大功率点的跟踪速度和精度非常重要，跟踪速度和精度影响最终的发电量。目前通用成熟的算法有固定步长扰动法、变步长扰动法和电导增量法，这些方法都是基于直流电压和直流功率的主动扰动方式，算法参数需要精心的设计，如果相关参数设计不合理，会影响最大功率点的跟踪效率，导致同样的光伏环境条件下发电量下降。

发明内容

本发明针对现有光伏发电系统中所存在的最大功率点的跟踪速度和精度低影响发电量的问题，而提供一种光伏发电最大功率点跟踪的自调节控制方法算法。该控制算法根据光伏电池组件阵列的功率电流变化率特性进行最大功率点测算和调节控制。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现的：

一种光伏发电最大功率点跟踪的自调节控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)逆变器正常启动后，测量光伏阵列在两个相邻时刻的直流电流和直流电压，并以此计算得到光伏阵列在这两个相邻时刻的功率；

(2)根据两个相邻时刻的功率计算得到功率增量和相应的电流增量；

(3)根据功率增量和电流增量计算获得功率电流变化率；

(3)根据光伏阵列固有P-I曲线特性：在最大功率点左侧的功率电流变化率始终为正值，而在最大功率点右侧的变化率始终为负值，以此来调节逆变器的电流，使得逆变器输入工作点运行在光伏阵列的最大功率点上。

在本发明的最优实施例中，所述步骤(3)中逆变器的电流调节具体通过如下步骤实现：

(31)根据功率电流变化率计算逆变器输出电流给定的调节增量；

(32)根据该调节增量计算出逆变开关式脉宽调制占空比，并将该占空比对逆变全桥电路进行控制；

(33)持续进行逆变电流的增减调节，使逆变器输入工作点运行在光伏阵列的最大功率点上。

根据上述方案得到的调节方法利用光伏阵列的P-I曲线上，在最大功率点左侧的功率电流变化率始终是正值，而在最大功率点右侧的变化率则始终是负值的特性，将功率电流变化率用于逆变器输出电流的增减调节量计算，使得逆变器输入即光伏阵列输出的工作点最大程度地与光伏阵列当前最大功率点重合。这种方法不需要像固定步长扰动法、变步长扰动法和电导增量法进行较复杂的程序判断控制与计算，能快速精确地紧紧跟踪当前最大功率点，不需要复杂参数的设计，减小了对电网的扰动，使逆变器运行更为稳定可靠，适用于光伏发电系统的最大功率点跟踪。

由此，本发明所提出光伏发电最大功率点跟踪控制的自调节控制方法，具有简便、稳定可靠和跟踪精度高、动态响应好等特点，适用于在光照变化缓慢和光照剧烈变化等不同情况下快速准确地寻找跟踪最大功率点的控制，避免出现程序误判，减小对电网的干扰，最大限度地提高发电量，可提高光伏系统的发电效率。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为最大功率点自然跟踪图。

图2为单级式并网逆变器最大功率点自调节跟踪算法流程图。

图3为单级式并网逆变器实现MPPT系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明提供的光伏发电最大功率点跟踪控制的自调节控制方法，其主要原理是在逆变器正常启动后，通过先进的ARM处理器测量光伏阵列的直流电流和直流功率，利用光伏阵列固有P-I曲线特性(如图1所示，由于PWM调制周期时间非常短，光照环境几乎没有变化，并且光伏阵列的P-I曲线具有一致的特定规律)，测算与逆变器输入端相连接的光伏阵列的输出功率，按最大功率点自调节原理进行逆变器输出端的电流控制，使所连接的光伏阵列最可能地运行在当前最大功率点。

基于上述原理，本发明的具体方案包括以下步骤(参见图2)：

(1)在工频周期中分别测量第K-1、第K时刻的光伏阵列直流电压V(K-1)、V(K)和直流电流I(K-1)、I(K)，根据公式P(K-1)＝V(K-1)*I(K-1)和P(K)＝V(K)*I(K)分别计算第K-1、第K时刻所对应的直流功率P(K-1)和P(K)；

(2)计算K时刻光伏阵列同一P-I曲线上的功率增量dP＝P(K)-P(K-1)和K时刻光伏阵列同一P-I曲线上的电流增量dI＝I(K)-I(K-1)，并进而计算得到功率电流变化率dP/dI；

(3)根据光伏阵列固有P-I曲线特性，如图1所示，在最大功率点左侧的功率电流变化率dP/dI始终为正值，而在最大功率点右侧的变化率dP/dI始终为负值。

由此将上述结果用于逆变器输出电流调节时，可先计算逆变器在第K+1时刻输出电流给定的调节增量为dI₀(K+1)＝N*dP/dI，其中N为调节系数；

再根据该调节增量可算出第(K+1)时刻的逆变开关式脉宽调制占空比D(K+1)，并将该占空比对逆变全桥电路进行控制。如此不断地进行逆变电流的增减调节，使逆变器输入工作点运行在光伏阵列的最大功率点上。

基于上述方案，本发明的具体实施如下：

参见图3，单级式并网逆变器系统100主要由光伏阵列101、滤波器102、逆变桥103、电抗器104、变压器105以及负载或电网106依次连接组成，在光伏阵列101和逆变桥103之间进行相应的MPPT控制。

如图可知，每个PWM调制周期采样光伏阵列的直流电压和直流电流，其测算周期为电网的交流正弦波周期。

首先，算出第K-1个交流正弦波周期上的最大直流功率P(K-1)及该周期对应的直流电流值I(K-1)，同样计算第K个交流正弦波周期上的最大直流功率P(K)及该周期对应的直流电流I(K)。

接着，根据公式MPPT电流给定的调节增量为dI₀＝N*dP/dI，在ARM处理器执行算法dP/dI＝{P(K)-P(K-1)}/{I(K)-I(K-1)}，则在K+1个交流正弦波周期上MPPT控制的电流给定为I₀＝I₀(K)+dI₀，以此系统的工作电流不断增加，直流功率朝最大功率点方向移动，如图1左侧调节方向所示。

当系统的工作点到达最大功率点附近时，dI₀越来越小，并趋向于零，这时最大功率跟踪波动非常小，除非光照环境发生剧烈变化。

当系统的工作点移动到最大功率点的右侧时，dP/dI为负值，即dI₀自动取负值，这时MPPT控制的电流给定自调节减小，使工作点自动从右到左向最大功率点移动，重新回到最大功率点，如图1右侧调节方向所示。

根据以上描述，在系统跟踪最大功率点时，未加扰动和程序判断而采用P-I曲线固有规律以自调节方式自动进行最大功率点跟踪。

由上可知，本发明提供的最大功率点跟踪控制的自调节控制方法算法，利用光伏电池P-I曲线的物理特性，与固定步长扰动法、变步长扰动法和电导增量法的不同之处就是不需要设计多个算法参数和程序判别处理，在快速性、精准性和稳定可靠性方面有很大的提高。当外界光伏环境发生剧烈变化时，也可以快速跟踪到最大功率点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种光伏发电最大功率点跟踪的自调节控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)逆变器正常启动后，在工频周期中分别测量第K-1、第K时刻的光伏阵列直流电压V(K-1)、V(K)和直流电流I(K-1)、I(K)，根据公式P(K-1)＝V(K-1)*I(K-1)和P(K)＝V(K)*I(K)分别计算第K-1、第K时刻所对应的直流功率P(K-1)和P(K)；

(2)计算K时刻光伏阵列同一P-I曲线上的功率增量dP＝P(K)-P(K-1)和K时刻光伏阵列同一P-I曲线上的电流增量dI＝I(K)-I(K-1)，并进而计算得到功率电流变化率dP/dI；

(3)根据光伏阵列固有P-I曲线特性，在最大功率点左侧的功率电流变化率dP/dI始终为正值，而在最大功率点右侧的变化率dP/dI始终为负值；

由此将步骤(1)和(2)的结果用于逆变器输出电流调节时，先计算逆变器在第K+1时刻输出电流给定的调节增量为dI₀(K+1)＝N*dP/dI，其中N为调节系数；

再根据该调节增量可算出第(K+1)时刻的逆变开关式脉宽调制占空比D(K+1)，并将该占空比对逆变全桥电路进行控制；如此不断地进行逆变电流的增减调节，使逆变器输入工作点运行在光伏阵列的最大功率点上。