CN103488238B - 应对光照强度快速变化的自适应变步长mppt控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，本发明基于扰动观察法，采用光伏并网逆变器现有硬件结构，无需增加任何硬件检测装置，对采样得到的直流电压和直流电流进行检测、判断，相应的选择大步长扰动、小步长扰动、零步长扰动（固定电压法），使跟踪速度、稳态精度、跟踪效率都同时保证满足要求，克服了现有的MPPT跟踪方法的缺点，从而避免了功率波动及跟踪效率低导致的能量损失。

Description

应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法

技术领域

本发明涉及一种自适应变步长MPPT控制方法。

背景技术

目前光伏并网逆变器最大功率跟踪方案一般采用固定步长的功率扰动观察法，该方法步长越短，光伏系统在最大功率点附近振荡的幅度越窄，能量损失越小，但达到最大功率点需要扰动的次数就越多，所用的跟踪时间也越长，反之当步长较长时跟踪速度快，但在最大功率点附近波动幅度较大。跟踪时间较长及在最大功率点附近波动幅度较大导致能量损失严重，使跟踪效率降低。因此采用这种方法时光伏系统最大功率点跟踪的速度和稳态精度及跟踪效率难以同时保证；为了解决常规定步长扰动观察法的跟踪速度与稳态精度之间的矛盾，改进方案采用了自适应变步长的扰动观察法。现在光伏并网逆变器常用的MPPT跟踪方法流程图如图1所示。该MPPT跟踪方法的具体内容如下描述：

1）当本次功率值Pv_p等于上次功率值Pv_p1时，对直流参考电压Vdc_ref不做处理，保持上次Vdc_ref不变。

2）当本次功率值Pv_p大于上次功率值Pv_p1时，对以下两种情况进行判断：

a)当本次直流电压Pv_v大于上次直流电压Pv_v1时，则认为光伏逆变器工作在最大功率点左侧，电压参考值Vdc_ref=Vdc_ref+MPPT_Step，MPPT_Step为固定电压扰动步长。

b)当本次直流电压Pv_v小于上次直流电压Pv_v1时，则认为光伏逆变器工作在最大功率点右侧，电压参考值Vdc_ref=Vdc_ref-MPPT_Step，MPPT_Step为固定电压扰动步长。

3）当本次功率值Pv_p小于上次功率值Pv_p1时，对以下两种情况进行判断：

a)当本次直流电压Pv_v大于上次直流电压Pv_v1时，则认为光伏逆变器工作在最大功率点右侧，电压参考值Vdc_ref=Vdc_ref-MPPT_Step，MPPT_Step为固定电压扰动步长。

b)当本次直流电压Pv_v小于上次直流电压Pv_v1时，则认为光伏逆变器工作在最大功率点左侧，电压参考值Vdc_ref=Vdc_ref+MPPT_Step，MPPT_Step为固定电压扰动步长。

通过以上描述，采用功率观察法对直流电压进行固定步长扰动，光伏逆变器最终工作在最大功率点后，直流电压以固定扰动步长波动，导致光伏逆变器输出功率在最大功率点附近往复振荡，长时间后会造成能量损失严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，用以解决现有控制方法造成输出功率振荡的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：

一种应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，其特征在于，步骤如下：

1)采样光伏并网逆变器直流侧的当前电压和电流；

2)计算功率值和连续两次采样值的差值，所述差值包括功率差值、电压差值和电流差值；

3)判断第一判据是否成立，所述第一判据为电压差值、电流差值分别小于第一阈值k1和第三阈值k3；若不满足第一判据，则进入大步长控制模式；

4)若满足第一判据，则判断第二判据是否成立，所述第二判据为电压差值、电流差值分别小于第五阈值k5和第七阈值k6；若不满足第二判据，则进入小步长控制模式；若满足第二判据，则进入定电压控制模式。

步骤4）中，通过判断dP/dU的正负对应确定MPPT_Step的正负，dP/dU为功率差值与电压差值的比值，MPPT_Step为调整步长值。

还包括步骤：判断第三判据是否成立，所述第三判据为当前电流等于零；若第三判据成立，则通过设置MPPT_Step使逆变器直流侧电压降低。

步骤3）中，通过设置MPPT_Step=k4*dP/dU使逆变器进入大步长控制模式，k4为第四阈值。

设置MPPT_Step后，进行步长限幅处理。

第一判据中，还包括判断功率差值小于第二阈值k2。第二判据中，还包括功率差值小于第六阈值k6。

对于变步长控制，以光伏阵列的开路电压和短路电流作为参考，定标之后的I-V、P-V和|dP/dV|-V特性曲线如图2所示；由图可知光伏阵列的dP/dV曲线有以下特点：

当dP/dV>0时：|dP/dV|-V特性曲线在最大功率点左侧；

当dP/dV=0时：|dP/dV|-V特性曲线在最大功率点；

当dP/dV<0时：|dP/dV|-V特性曲线在最大功率点右侧；

且无论|dP/dV|-V特性曲线在最大功率点左侧还是右侧，随着逐渐接近最大功率点，dP/dV的绝对值均单调递减，当达到最大功率点时，dP/dV的绝对值为零；根据光伏阵列这一内在特性，可构造变化步长的电压扰动表达式：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{ref}}+\mathrm{\&alpha;}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=\mathrm{\&alpha;}\frac{P\left(k\right)-P(k-1)}{V\left(k\right)-V(k-1)}---\left(1\right)$

式中α为正数，即变步长速度因子，用于调整跟踪速度，由式（1）可以看出，当光伏阵列运行点远离最大功率点时dP/dV较大，则跟踪步长大，反之跟踪步长小，接近于最大功率点时dP/dV趋近于零，则跟踪步长也就趋近于零，刚好能够满足光照强度剧烈变化时的特性；

图2I-V、P-V和|dP/dV|-V特性曲线

变步长速度因子α是决定变步长扰动观察法性能的关键参数，其取值可由下式估算：

$\mathrm{\&alpha;}\&le;\frac{V_{\mathrm{step}\_\max }}{{|\mathrm{dP}/\mathrm{dV}|}_{\max }}---\left(2\right)$

式（2）中V_{step_max}为定步长扰动观察法允许的最大步长，|dP/dV|_max可根据下式估算：

式（3）中m为一接近于1的正数，如取0.98，Voc为光伏阵列的开路电压。

以上述论证为理论依据，本发明基于扰动观察法，采用光伏并网逆变器现有硬件结构，无需增加任何硬件检测装置，对采样得到的直流电压和直流电流进行检测、判断，相应的选择大步长扰动、小步长扰动、零步长扰动（固定电压法），使跟踪速度、稳态精度、跟踪效率都同时保证满足要求，克服了现有的MPPT跟踪方法的缺点，从而避免了功率波动及跟踪效率低导致的能量损失。

附图说明

图1是现有光伏并网逆变器常用的MPPT跟踪方法；

图2是I-V、P-V和|dP/dV|-V特性曲线；

图3是本发明一种实施方式的自适应步长流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图3是本发明的一种实施方式的步长调整程序流程图。

检测光伏并网逆变器直流部分输出电压U（k）和电流I（k）；（此处k为采样序号，与下文中各第一至第七阈值k1…k7等不同）

计算：功率P（k）=U（k）*I（k）以及各种差值：dU=U（k）-U（k-1）；dI=I（k）-I（k-1）；dP=P（k）-P（k-1）；

判断第一判据是否成立，第一判据为(|dU|<=k1)&&(|dP|<=k2)&&(|dI|<=k3)，该第一判据至少应包括电压差值和电流差值判断，功率差值判断使判断更准确，下文第二判据类似。之所以在此采用直接比较差值，而不采用比较dP/dU是由于采样误差和随机的干扰使dP/dU判断的稳定性较差。

若不满足第一判据，则开始设置MPPT_Step，MPPT_Step=k4*dP/dU，k4对应发明内容部分的变步长速度因子α，采用上述乘法类型的步长设置公式，能够适应距最大功率点不同距离的情况；设置MPPT_Step之后进行步长限幅处理，步长不会超过+150或者-150。

若满足第一判据，则判断第二判据是否成立，第二判据为(|dU|<=k5)&&(|dP|<=k6)&&(|dI|<=k7)，图3中k5、k6、k7给出了具体值，分别为0.15、10、0.01，它们是一些接近与零的值，用于判断光照强度是否没有较大变化，这些值可以根据工程实际进行选取。若不满足第二判据，则进入小步长控制模式MPPT_Step=1；若满足第二判据，说明光照强度较恒定，则进入定电压控制模式，MPPT_Step=0。

可以通过判断dP/dU的正负对应确定笑步长控制模式MPPT_Step的正负，如图所示。

在实际情况中，如果满足第二判据，还可能出现光照强度突然降低的情况，此时直流母线电压，即逆变器直流侧电压较高，光伏阵列无法正常输出。为了克服该问题，本发明加入了第三判据是否成立，第三判据为当前电流I（k）等于零，实际工程中判断其是否接近零，可以选择足够小的值替代0；若第三判据成立，则通过设置MPPT_Step使逆变器直流侧电压降低。

以上实施例所涉及的具体步长值，包括+1、-1、+150、-150、-180，本领域技术人员可以根据实际情况自行设计。

MPPT_Step确定后，设置电压参考值Vdc_ref，再进行直流母线电压限幅，保存当前采样数据为下一次采样做准备，结束进程。

本发明在MPPT算法中，通过判断dU、dP、dI的大小范围，将自适应变步长扰动法、固定电压步长扰动法（小步长扰动）、固定电压法结合在一起，使跟踪速度、稳态精度、跟踪效率都同时保证满足要求。从图3所示的流程图中可看出该MPPT算法是当光照快速变化时，通过自适应变步长算法很快跟踪到最大功率点附近（粗调过程），然后根据判断条件切换到固定电压步长扰动法（较小步长）微调到最大功率点，再根据判断dU、dP、dI的大小范围，使电压扰动步长变为0，即切换至固定电压法控制，这样避免了功率波动和能量损耗；当下一次光照快速变化时，程序重复进行以上过程即可。

此项专利受国家高技术研究发展计划（863计划）课题资助，课题编号：2012AA050206。

Claims (6)

1.一种应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，其特征在于，步骤如下：

1)采样光伏并网逆变器直流侧的当前电压和电流；

2)计算功率值和连续两次采样值的差值，所述差值包括功率差值、电压差值和电流差值；

3)判断第一判据是否成立，所述第一判据为电压差值、电流差值分别小于第一阈值k1和第三阈值k3；若不满足第一判据，则进入大步长控制模式；

4)若满足第一判据，则判断第二判据是否成立，所述第二判据为电压差值、电流差值分别小于第五阈值k5和第七阈值k6；若不满足第二判据，则进入小步长控制模式；若满足第二判据，则进入定电压控制模式；

还包括步骤：第三判据是否成立，所述第三判据为当前电流等于零；若第三判据成立，则通过设置MPPT_Step使逆变器直流侧电压降低，MPPT_Step为调整步长值。

2.根据权利要求1所述的应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，其特征在于，步骤4)中，通过判断dP/dU的正负对应确定MPPT_Step的正负，dP/dU为功率差值与电压差值的比值，MPPT_Step为调整步长值。

3.根据权利要求1所述的应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，其特征在于，步骤3)中，通过设置MPPT_Step＝k4*dP/dU使逆变器进入大步长控制模式，k4为第四阈值。

4.根据权利要求3所述的应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，其特征在于，设置MPPT_Step后，进行步长限幅处理。

5.根据权利要求1-4任一项所述的应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，其特征在于，第一判据中，还包括判断功率差值小于第二阈值k2。

6.根据权利要求1-4任一项所述的应对光照强度快速变化的自适应变步长MPPT控制方法，其特征在于，第二判据中，还包括功率差值小于第六阈值k6。