CN103488239B - 一种光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用在独立的以及并网型光伏发电系统中的最大功率点跟踪方法，其基于电导增量法，采用变步长的方式跟踪太阳能电池板的最大功率点，以解决传统电导增量法跟踪速度和精度矛盾的问题。该方法能根据太阳能电池板的特性自动调节到达工作点的步长：当工作点距离最大功率点较远时，步长较大，提高跟踪速度；当工作点距离最大功率较近时，减小步长，以改善在最大功率点附近的震荡现象，从而提高效率。本发明提出的修正变步长的MPPT算法可以解决这个两难的问题，能简单有效的提高MPPT的精度和速度，具有控制精确，响应速度快的特点，可适用于阳光和温度突然变化的快速反应场合，而且对于阳光持续变化的情况也可以稳定跟踪。

Description

一种光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种应用在独立的以及并网型光伏发电系统中的最大功率点跟踪方法，属于光伏发电系统控制技术领域。

背景技术

独立光伏发电系统自带储能环节，主要解决偏远无电地区的供电问题；并网光伏发电系统直接与电网相连，如同一个小型分布式发电站，将采集到的电能馈入电网。

光伏电池利用光电效应产生电流，太阳能电池板的电流-电压曲线如图1所示，太阳能电池板的功率-电压特性曲线如图2所示，由图中可知，在某一特定环境下，太阳能电池板存在一个最大功率点P_max，要想提高光伏系统的整体发电效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称之为最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。

目前，光伏发电系统的应用越来越多，然而光伏系统的造价依然不菲，发电系统的转换效率也偏低，因此，通过控制太阳能电池板的输出功率使之工作在最大功率点，提供系统效率，从某种意义上说，也就是相应的降低了系统的成本，从而促进光伏产业的发展。

传统的MPPT算法主要有恒定电压法，扰动观察法，电导增量法等。

恒定电压法（CVT）：在环境如温度、光强变化不大的情况下，太阳能电池板的输出最大功率点处对应的电压基本不变，因此，恒定电压法将太阳能电池板输出电压控制在某一电压值，使光伏电池输出最大功率。但是，从严格意义上来说，这种算法没有真正实现实时跟踪与控制，其控制误差相对较大，受外界环境和自身工作状态影响会产生明显的误差，会产生很大的功率损失。

扰动观察法（P&O）：其原理就是要引入一个小的变化即扰动，然后进行观测，同时与前一状态进行比较，根据比较结果来调节太阳能电池的输出电压值。在实际操作中，一般利用DSP间隔时间段计算太阳能电池的输出功率P_n，与上次采样的功率P_n-1相比较，如果P_n>P_n-1则继续同方向增大（或减小）输出电压，反之则减小（或增大）输出电压。扰动观察法实现方便，且与参数无关。但是在系统稳定时其工作在最大功率点附近震荡运行，同时扰动观察法需要对光伏电池输出电压、电流进行采样，并且需要将采样结果进行相乘，已得到功率，增加了控制器的运算负担。

电导增量法（IC）：由图2所示的的太阳能电池板的功率-电压曲线可知，太阳能电池在最大功率点处有则有电导增量法以该式为判断最大功率点的条件，通过改变boost电路功率管的占空比，达到最大功率点跟踪。电导增量法需要比较高强度的传感器对太阳能电池板的电压和电流进行采样，同时控制算法较复杂，系统成本高。电导增量法通常采用固定步长跟踪最大功率点，步长太大跟踪速度快但是跟踪精度不高，反之精度提高了却影响了跟踪速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，其基于电导增量法，采用变步长的方式跟踪太阳能电池板的最大功率点，以解决传统电导增量法跟踪速度和精度矛盾的问题。该方法能根据太阳能电池板的特性自动调节到达工作点的步长。当工作点距离最大功率点较远时，步长较大，提高跟踪速度。当工作点距离最大功率较近时，减小步长，以改善在最大功率点附近的震荡现象，从而提高效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供的光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，具体是：假设U_set＝0.8U_oc，U_set为太阳能电池板最大功率点电压，U_oc为太阳能电池板的开路电压，则使变换器的占空比线性增加到接近最大功率点；一旦太阳能电池板的输出电压低于U_set，则控制单元就切换到变步长电导增量法，使变换器的占空比线性增加到接近最大功率点；所述控制单元是DSP数字信号处理器。

本发明提供的上述光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1：用DSP作为光伏系统最大功率点跟踪控制器，采样U(k)，保存太阳能电池板的开路电压U_oc，计算U_set＝0.8U_oc；

步骤2：启动系统后使变换器的占空比线性增加，直至U(k)＜U_set；

步骤3：检测光伏发电系统中太阳能电池板的输出电压U_k和输出电流I_k；

步骤4：用DSP计算U_k与前一控制周期输出电压采样值U_k-1之差ΔU，I_k与前一控制周期输出电流采样值I_k-1之差ΔI，当前输出功率P_k与前一控制周期输出功率采样值P_k-1之差ΔP＝U_k·I_k-U_k-1·I_k-1，以及当前步长step＝N·abs(dP/dV)，N为调整步长的比例因子，V为太阳能电池板的输出电压，并判断：

若，ΔV＝0，

则，判断ΔI是否等于0，

若，ΔV≠0，

则，判断是否成立；

步骤5：根据步骤（2）的判断结果：

若ΔI＝0，则D_k＝D_k-1，D_k和D_k-1分别为当前采样周期以及上一采样周期功率管的占空比，更新U_k、I_k，返回；

若成立，则，D_k＝D_k-1，更新U_k、I_k，返回；

步骤6：根据步骤（3）的判断结果：

若ΔI≠0，

则，判断ΔI＞0是否成立，

若 $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}\≠-\frac{I}{U},$

则，判断是否成立；

步骤7：根据步骤4的判断结果：

若ΔI＞0，

则，D_k＝D_k-1+step，返回；

若ΔI＜0，

则，D_k＝D_k-1-step，返回；

若， $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}>-\frac{I}{U},$

则，D_k＝D_k-1-step，返回；

若， $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}<-\frac{I}{U},$

则，D_k＝D_k-1+step，返回。

所述占空比的更新规则可以为：

$D\left(k\right)=D(k-1)\&PlusMinus;\left|\frac{P\left(k\right)-P(k-1)}{U\left(k\right)-U(k-1)}\right|.$

所述比例因子N可以采用以下公式确定：

$N<\mathrm{\&Delta;}{D}_{\max }/{\left|\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}\right|}_{\mathrm{fixed},\mathrm{step}={\mathrm{\&Delta;D}}_{\max }},$

如满足上式，相比于小的N值，大的N值具有更快的动态响应速度；如不能满足上式，变步长电导增量法将以先前设定的上限ΔD_max进行工作，ΔD_max为可变步长的上限值；在最大功率点处，|dP|/|dU|取得它的最小值。

本发明提供的上述光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，其用于独立光伏发电系统，或者用于并网式光伏发电系统。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

其一.传统定步长的MPPT只能在动态响应和减小稳态振荡之间取一个折中，不能同时实现两者的优化，本发明采用的修正变步长的MPPT算法可以解决这个两难的问题，能简单有效的提高MPPT的精度和速度。

其二.本发明采用的修正变步长的MPPT方法具有控制精确，响应速度快的特点。

其三.实用性强：可适用于阳光和温度突然变化的快速反应场合，而且对于阳光持续变化的情况也可以稳定跟踪。

附图说明

图1是太阳能电池板的I-U曲线。

图2是太阳能电池板的P-U曲线。

图3是变步长的电导增量法MPPT算法流程图。

图4是光伏并网逆变器最大功率点跟踪系统图。

图5是太阳能电池板输出功率及其斜率相对于电压的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供的光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，具体是：假设太阳能电池板最大功率点电压U_set为开路电压U_oc的78%左右，则电压U_set＝0.8U_oc，使变换器的占空比线性增加到接近最大功率点；一旦光伏电池输出电压低于U_set，控制程序就切换到变步长电导增量法。

参见图1-图3，该方法包括以下步骤：

步骤1：用DSP（数字信号处理器）作为光伏系统最大功率点跟踪控制器，采样电压U(k)，保存太阳能电池板的开路电压U_oc，计算U_set＝0.8U_oc；

步骤2：启动光伏发电系统后使变换器的占空比线性增加，直至U(k)＜U_set；

步骤3：检测光伏发电系统中太阳能电池板的输出电压采样值U_k和输出电流I_k；

步骤4：用DSP计算U_k与前一控制周期输出电压采样值U_k-1之差ΔU，I_k与前一控制周期输出电流采样值I_k-1之差ΔI，当前输出功率P_k与前一控制周期输出功率采样值P_k-1之差ΔP＝U_k·I_k-U_k-1·I_k-1，以及当前步长step＝N·abs(dP/dV)，N为调整步长的比例因子，V为太阳能电池板的输出电压，并判断：

若，ΔV＝0，

则，判断ΔI是否等于0，

若，ΔV≠0，

则，判断是否成立；

步骤5：根据步骤（2）的判断结果：

若ΔI＝0，则D_k＝D_k-1，D_k和D_k-1分别为当前采样周期以及上一采样周期功率管的占空比，即功率变换器的占空比保持不变，更新U_k、I_k，返回；

若成立，则D_k＝D_k-1，即功率变换器的占空比保持不变，更新U_k、I_k，返回；

步骤6：根据步骤（3）的判断结果：

若ΔI≠0，

则，判断ΔI＞0是否成立，

若 $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}\&NotEqual;-\frac{I}{U},$

则，判断是否成立；

步骤7：根据步骤4的判断结果：

若ΔI＞0，

则，D_k＝D_k-1+ste_p，即增加占空比调节PWM驱动信号，返回；

若ΔI＜0，

则，D_k＝D_k-1-step，即减小占空比调节PWM驱动信号，返回；

若， $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}>-\frac{I}{U},$

则，D_k＝D_k-1-step，即减小占空比调节PWM驱动信号，返回；

若， $\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}<-\frac{I}{U},$

则，D_k＝D_k-1+step，即增加占空比调节PWM驱动信号，返回；

从图5可以看出，输出功率相对于电压的微分（dP/dU）非常平滑，很适合于确定电导增量法中的步长的变化量。因此，占空比的更新规则为：

$D\left(k\right)=D(k-1)\&PlusMinus;\left|\frac{P\left(k\right)-P(k-1)}{U\left(k\right)-U(k-1)}\right|---\left(1\right)$

比例因子N实质上决定了MPPT算法的性能。本发明给出一个确定比例因子的方法。在定步长MPPT算法中，最大步长ΔD_max在初始时刻就被选定了。在步长为ΔD_max的定步长条件下，可估算得到一个稳态值，用来代替起动过程中光伏电池输出功率相对于电压微分的稳态值。而在此变步长电导增量法中，取ΔD_max为可变步长的上限值。在最大功率点处，|dP|/|dU|取得它的最小值。为了保证最大功率点跟踪方法能按照更新规则收敛，步长规则必须满足：

$N{\left|\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}\right|}_{\mathrm{fixed},\mathrm{step}=\mathrm{\&Delta;}{D}_{\max }}<\mathrm{\&Delta;}{D}_{\max }---\left(2\right)$

式中，为系统以步长ΔD_max，定步长工作时的|dP|/|dU|。因此，可得到满足比例因子的关系式：

$N<\mathrm{\&Delta;}{D}_{\max }/{\left|\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}\right|}_{\mathrm{fixed},\mathrm{step}={\mathrm{\&Delta;D}}_{\max }}---\left(3\right)$

式（3）提供了确定修正变步长电导增量法中比例因子N的简单方法，如满足式（3），相比于小的N值，大的N值具有更快的动态响应速度；如不能满足式（3），变步长电导增量法将以先前设定的上限ΔD_max进行工作。

本发明提供的上述最大功率点跟踪方法既可以应用于独立光伏发电系统，也可以应用于并网式光伏发电系统。

所述并网的光伏发电系统，参见图4，该系统包括太阳能电池板、直流端电容C1、推挽变换器、输出滤波电容C2和电网。

太阳能电池板：作为整个系统的输入，为包括控制电路、检测电路在内的整个系统提供电能。在有光照的情况下，太阳能电池板将所接受的光能转换为电能；无光照时，其停止工作，输出端开路。可采用功率为120W，开路电压21.6V，最大功率点电压17.3V的太阳能电池板，开关管的开关频率为20kHz。

直流端电容C1为470μF。

推挽变换器：推挽变换器作为光伏阵列与电网间的接口电路，用来追踪最大功率点。其由两个开关管T1、T2、变压器、整流桥滤波电感组成。变压器电压比8/38（一次侧到二次侧）。滤波电感L为0.35μH。

输出滤波电容C2为47μF。

电网：作为光伏并网逆变器的能量传输线路，将光伏电池采集的电能输送给负载。

Claims (3)

1.一种光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，其特征是假设U_set＝0.8U_oc，U_set为太阳能电池板最大功率点电压，U_oc为太阳能电池板的开路电压，启动系统后使变换器的占空比线性增加到接近最大功率点；一旦太阳能电池板的输出电压低于U_set，则控制单元就切换到变步长电导增量法，使变换器的占空比增加到接近最大功率点；所述控制单元是DSP数字信号处理器；

该光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法包括以下步骤：

步骤1：用DSP作为光伏系统最大功率点跟踪控制器，采样U_k，U_k为当前周期输出电压采样值，保存太阳能电池板的开路电压U_oc，计算U_set＝0.8U_oc；

步骤2：启动系统后使变换器的占空比线性增加，直至U_k<U_set；

步骤3：检测光伏发电系统中太阳能电池板的输出电压U_k和输出电流I_k；

步骤4：用DSP计算U_k与前一控制周期输出电压采样值U_k-1之差ΔU，I_k与前一控制周期输出电流采样值I_k-1之差ΔI，当前输出功率P_k与前一控制周期输出功率采样值P_k-1之差ΔP＝U_k·I_k-U_k-1·I_k-1，以及当前步长setp＝N·abs(dP/dU)，N为调整步长的比例因子，U为太阳能电池板的输出电压，并判断△U＝0是否成立：

(1)若，△U＝0，

则，判断ΔI是否等于0：

(1.1)若ΔI＝0，则D_k＝D_k-1，D_k和D_k-1分别为当前采样周期以及上一采样周期功率管的占空比，更新U_k、I_k，返回；

(1.2)若ΔI≠0，

则，判断ΔI＞0是否成立，

若ΔI＞0，

则，D_k＝D_k-1+step，返回；

若ΔI＜0，

则，D_k＝D_k-1-step，返回；

(2)若，△U≠0，

则，判断是否成立；

(2.1)若成立，则，D_k＝D_k-1，更新U_k、I_k，返回，

(2.2)若

则，判断是否成立，

若，

则，D_k＝D_k-1-step，返回；

若，

则，D_k＝D_k-1+step，返回。

2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，其特征在于采用以下公式确定比例因子N：

$N<{\mathrm{\&Delta;D}}_{\max }/{\left|\frac{dP}{dU}\right|}_{fixed,step={\mathrm{\&Delta;D}}_{\max }},$

如满足上式，相比于小的N值，大的N值具有更快的动态响应速度；如不能满足上式，变步长电导增量法将以先前设定的上限ΔD_max进行工作，ΔD_max为可变步长的上限值；在最大功率点处，|dP|/|dU|取得它的最小值；

所述为系统以步长ΔD_max，定步长工作时的|dP|/|dU|，其中ΔD_max为可变步长的上限值。

3.权利要求1至2中任一权利要求所述的光伏并网逆变器中的最大功率点跟踪方法，其特征在于该方法用于独立光伏发电系统，或者用于并网式光伏发电系统。