CN103236803A - 光伏逆变器的mppt控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光伏逆变器的MPPT控制方法，其特征在于，包括步骤：记录光伏逆变器工作在当前最大功率点时光伏电池的输出电压U_k、输出电流I_k和输出功率P_k；采样确定U_k-1＝U_k-ΔU、I_k-1＝I_k-ΔI、U_k-2＝U_k-1-ΔU、I_k-2＝I_k-1-ΔI，并计算P_k-1＝U_k-1*I_k-1及P_k-2＝U_k-2*I_k-2；依据迭代计算公式计算出下一次最大功率点处对应的电压U_k+1；采样光伏电池的输出电压U_k+1时对应的输出电流I_k+1，计算P_k+1＝U_k+1*I_k+1；判断|P_k+1-P_k|≥ΔP是否成立，若是，以计算出的电压U_k+1作为当前最大功率点的电压进行下一次迭代运算，否则以计算出的电压U_k+1作为当前最大功率点的电压控制光伏逆变器的工作稳定此最大功率点上。本发明可获得跟踪速度快、精度高和工作稳定的最大功率点，具有良好的稳态性能和动态性能，且实现简单。

Description

光伏逆变器的MPPT控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏逆变器的控制技术，尤其是涉及一种光伏逆变器的MPPT控制方法。

背景技术

在传统的石化能源日益短缺的情况下太阳能在未来的能源系统中所起到的作用越来越受到关注，但目前光伏电池转换效率的偏低是太阳能大规模推广应用的瓶颈。如何最大限度的利用太阳电池所产生的能量是光伏研究的一个重要方向。

光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出电压、电流受太阳光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳光照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

传统的MPPT控制方法，难以同时兼顾MPPT的稳态性能、动态性能以及实现成本，比如由于采样精度及控制算法的影响，可能会发生母线电压崩溃现象，或者MPP跟踪失败的现象，光伏系统不能以最大效率运行，对光伏系统的高效可靠运行产生影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种光伏逆变器的MPPT控制方法，解决了在不增加光照和温度传感器的条件下，通过比较简单的MPPT算法达到良好的稳态性能和动态性能。

本发明采用如下技术方案实现：一种光伏逆变器的MPPT控制方法，其包括步骤：

记录光伏逆变器工作在当前最大功率点时光伏电池的输出电压U_k、输出电流I_k和输出功率P_k；

采样确定U_k-1＝U_k-ΔU、I_k-1＝I_k-ΔI、U_k-2＝U_k-1-ΔU、I_k-2＝I_k-1-ΔI，并计算P_k-1＝U_k-1*I_k-1及P_k-2＝U_k-2*I_k-2；

依据迭代计算公式

计算出下一次最大功率点处对应的电压U_k+1；

采样光伏电池的输出电压Uk+1时对应的输出电流I_k+1，计算P_k+1＝U_k+1*I_k+1；

判断|P_k+1一P_k|≥ΔP是否成立，若是，以计算出的电压U_k+1作为当前最大功率点的电压进行下一次迭代运算，否则以计算出的电压U_k+1作为当前最大功率点的电压控制光伏逆变器的工作稳定此最大功率点上；

其中，ΔU和ΔI为分别依据光伏逆变器给定的最小电压变化量和最小电流变化量分别预设的阈值，而ΔP为预设的功率阈值。

其中，在光伏逆变器启动时，光伏逆变器当前最大功率点时的光伏电池的输出电压U_k＝U_oc*80％、输出电流I_k＝I_oc、输出功率P_k＝0.8*U_oc*I_oc，其中，U_oc和I_oc为光伏电池的开路电压和开路电流。

其中，ΔP取光伏逆变器最大功率的0.1％～0.2％。

如果光伏逆变器的稳定工作在最大功率点后，经过设定的扰动间隔时间重新确定最大功率点。

其中，扰动间隔时间为5～10分钟。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过变步长的迭代方式迅速达到最大功率点附近，再经过微调稳定在所限定的工作点范围内，进而求得跟踪速度快、精度高和工作稳定的最大功率点，具有良好的稳态性能和动态性能，且实现简单。

附图说明

图1是本发明一个实施例的流程示意图；

图2是光伏电池P-V曲线示意图。

具体实施方式

本发明提出一种光伏逆变器的MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制方法，将MPPT控制器确定最大功率点的过程看成一个寻求最大值的优化过程，通过变步长的迭代方式迅速达到最大功率点附近，再经过微调稳定在所限定的工作点范围内，进而求得跟踪速度快、精度高和工作稳定的最大功率点。

结合图1所示，本发明一个优选实施例包括如下实现步骤：

步骤S1、在光伏逆变器启动时，采集光伏电池的开路电压U_oc和开路电流I_oc，计算U_k＝U_oc*80％，根据光伏电池的特性可知当前状态的最大功率P_k＝0.8*U_oc*I_oc。

步骤S2、确定光伏逆变器当前最大功率点时的光伏电池的输出电压U_k＝U_oc*80％、输出电流I_k＝I_oc、输出功率P_k＝0.8*U_oc*I_oc，以当前最大功率点(U_k，I_k，P_k)作为参与后续迭代计算的第1个工作点。

步骤S3、采样确定参与迭代计算的另外2个工作点的(U_k-1，I_k-1，P_k-1)和(U_k-2，I_k-2，P_k-2)。

如图2中功率-电压曲线(P-V曲线)图中的向下箭头所示，沿1、2、3点向下排序，而MPPT迭代计算的结果会将电压向最大工作点的方向变化，如图1中向上箭头所示。此时如果不做特殊处理，则在下一次计算中的工作点将使用1’(＝2)、2’(＝3)和3’点。其中1’点与3’点可能很接近，会导致算法失效。在这种情况下，应抛弃1、2点，而以3点为初始点，重新找2个工作点进行计算，或者清空程序中的全部工作点队列，重新开始迭代。

考虑到MPPT控制器在采样过程中所存在的随机误差影响，参与计算的3个工作点不要距离太近，可以用一个阀值来约束。

因此，可以初始化：U_k-1＝U_k-ΔU、I_k-1＝I_k-ΔI，并依据U_k-1和I_k-1计算出P_k-1＝U_k-1*I_k-1，以及U_k-2＝U_k-1-ΔU、I_k-2=I_k-1-ΔI，并依据U_k-2和I_k-2计算出P_k-2。

其中，ΔU和ΔI为光伏逆变器给定的最小电压和电流变化量，它们可根据MPPT控制器的随机误差和精度要求来设置。这样，本申请公开的MPPT控制方法既不是采用固定的步长进行迭代运算，也不是采用固定的周期进行迭代运算，而是认为最“及时”的方式进行迭代运算。

步骤S4、对3个工作点按照预定算法进行迭代计算，按下述式(4)计算出下一次最大功率点处对应的电压U_k+1。

单个光伏电池的P-V曲线具有无限次可微特性，对于这样一个单峰值、初值易确定的一维优化问题，有许多经典算法(如牛顿法、割线法、二次插值法等)来求解：

$P=I_{\mathrm{ph}}{U}_{\mathrm{oc}}-I_o[\exp \left(\frac{q{U}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{AkT}}\right)-1]U_{\mathrm{oc}}---\left(1\right)$

其中，I_o为光伏电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流，I_ph为等效恒流源，U_oc为光伏电池的开路电压，А为光伏电池内P-N结的曲线常数，k为玻耳兹曼常数＝0.86×10^-4eV/K，T为光伏电池所处环境的绝对温度，q为电子电荷＝1.6×10^-19C。

由前述可知，在最大功率点附近，二次函数可以较好地近似光伏电池的P-V曲线。因此，在最大功率点附近，采用牛顿法可得出比其他方法更简单的迭代公式，即：

X_k+1=x_k-f`(x)/f``(x)    (2)

其中，x_k为当前最大功率点对应的电压，x_k-1为上一次最大功率点对应的电压，f′(x)为当前最大功率点处功率对电压的一阶微分，f″(x)为当前最大功率点处功率对电压的二阶微分。

对于MPPT控制算法，以电压U为自变量，以功率P为函数值。由式(2)可得到迭代公式：

$U_{k+1}=U_k-\frac{{\mathrm{dP}}_k/{\mathrm{dU}}_k}{d^2{P}_k/{\mathrm{dU}}_k^2}---\left(3\right)$

由于光伏电池P-V曲线的一阶微分和二阶微分分解表达式无法直接获得，需要用数值计算的方法求得。为减少计算量，本发明中采用最简单的差商近似微商的方法，即：

$U_{k+1}\≈U_k-\frac{P_k-P_{k-1}}{\frac{P_k-P_{k-1}}{U_k-U_{k-1}}-\frac{P_{k-1}-P_{k-2}}{U_{k-1}-U_{k-2}}}---\left(4\right)$

其中，U_k为当前最大功率点对应的电压，U_k+1为下一次最大功率点处对应的电压，P_k为当前最大功率点处对应的电压与电流的乘积。

可以从前面3个工作点计算下一步工作点电压的指令值，从而逼近最大功率点。

实际中，光伏发电系统不可能从一个工作点突变到另一个工作点，而是存在一个过渡过程。因为这个过渡过程，在实现算法时与纯数学上的迭代有所不同。当计算出下一步的电压指令值时，不用等到实际系统稳定到该工作点再进行下一次迭代。

在实际的电压调节过程中，通过检测光伏电池输出的电压和电流信号，提取最新的3个工作点进行计算，实时修正下一步的电压指令值。这样就避免了在最大功率点两侧反复迭代，一旦达到最大功率点后立即停止，从而提高了跟踪速度，稳定了工作点。

步骤S5、判断|P_k+1-P_k|≥ΔP是否成立，若是，转入步骤S2以步骤S4中计算出的电压U_k+1作为当前最大功率点的电压进行下一次迭代运算，若否，则MPPT迭代计算过程停止，此时认为达到了最大功率点，光伏逆变器的工作稳定在此功率点上。

其中，P_k+1＝U_k+1*I_k+1；I_k+1是由MPPT控制器对光伏电池的输出电流采样获取的，ΔP取大会造成MPPT控制器长时间不扰动，取小会造成母线电压波动，ΔP一般应根据整个系统的最大功率而定，比如对于3KW的系统取3～5W最合适，即ΔP一般取光伏逆变器整个系统最大功率的0.1％～0.2％。

步骤S6、如果光伏逆变器的稳定工作在最大功率点后，可以设定一扰动间隔时间，比如5～10分钟，使MPPT控制器按照上述方法扰动后重新确定最大功率点。

因此该方法不会像扰动观察法那样在最大功率点两侧不停摇摆，工作不稳定，而是找到最大功率点后立即稳定在该点运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光伏逆变器的MPPT控制方法，其特征在于，包括步骤：

记录光伏逆变器工作在当前最大功率点时光伏电池的输出电压U_k、输出电流I_k和输出功率P_k；

采样确定U_k-1＝U_k-ΔU、I_k-1＝I_k-ΔI、U_k-2＝U_k-1-ΔU、I_k-2＝I_k-1-ΔI，并计算P_k-1＝U_k-1*I_k-1及P_k-2＝U_k-2*I_k-2；

依据迭代计算公式

计算出下一次最大功率点处对应的电压U_k+1；

采样光伏电池的输出电压U_k+1时对应的输出电流I_k+1，计算P_k+1＝U_k+1*I_k+1；

判断|P_k+1-P_k|≥ΔP是否成立，若是，以计算出的电压U_k+1作为当前最大功率点的电压进行下一次迭代运算，否则以计算出的电压U_k+1作为当前最大功率点的电压控制光伏逆变器的工作稳定此最大功率点上；

其中，ΔU和ΔI为分别依据光伏逆变器给定的最小电压变化量和最小电流变化量分别预设的阈值，而ΔP为预设的功率阈值。

2.根据权利要求1所述光伏逆变器的MPPT控制方法，其特征在于，在光伏逆变器启动时，光伏逆变器当前最大功率点时的光伏电池的输出电压U_k＝U_oc*80％、输出电流I_k＝I_oc、输出功率P_k＝0.8*U_oc*I_oc，其中，U_oc和I_oc为光伏电池的开路电压和开路电流。

3.根据权利要求1所述光伏逆变器的MPPT控制方法，其特征在于，ΔP取光伏逆变器最大功率的0.1％～0.2％。

4.根据权利要求1所述光伏逆变器的MPPT控制方法，其特征在于，还包括步骤：

如果光伏逆变器的稳定工作在最大功率点后，经过设定的扰动间隔时间重新确定最大功率点。

5.根据权利要求4所述光伏逆变器的MPPT控制方法，其特征在于，扰动间隔时间为5～10分钟。

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