CN103529900B - 一种mppt计算策略及控制方法以及光伏阵列发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种MPPT计算策略及控制方法以及光伏阵列发电系统。该MPPT控制方法通过变步长扰动观察法，实现光伏阵列的最大功率输出，兼顾了系统的静态、动态性能，具有自适应性。

Description

一种MPPT计算策略及控制方法以及光伏阵列发电系统
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电系统最大功率跟踪控制方法。属于高精度的最大功率跟踪方法在光伏发电系统中的应用。
背景技术
随着能源枯竭和环境污染日益严重，可再生能源成为人类能源可持续发展战略的重要组成部分。在可利用的可再生能源中，太阳能被认为最具有潜力的绿色能源。光伏阵列输出的功率与输出电压是非线性关系，受气象条件的影响（如辐照和温度等）。为提高光伏发电系统的效率，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）是光伏发电系统不可缺少的一部分。目前，最常用最大功率跟踪方法是扰动观察法（perturbation and observation,P＆ O）,其算法简单，易于模块化实现，被测参数少，对传感器精度要求不高。对于定步长的扰动观察法，其稳态精度和扰动步长成比例，过大的扰动步长导致稳态功率振荡比较大；而过小的扰动步长一旦外部条件变化较快时，无法快速跟踪。因此，对于定步长的扰动观察法，系统的稳态精度与扰动步长是一对矛盾体，扰动步长的选择与系统的要求有关。文献（Liu Fangrui,DuanShanxu,Liu Fei,et al.A variable step size INC MPPT method for PVsystems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(7):2622-2628.）提出用电导增量法来实现最大功率点跟踪，但电导增量法要求高速的A/D采样，对硬件要求比较高。文献（Alajmi B N,Ahmed K H,FinneyS J,et al.Fuzzylogic-control approach of a modified hill-climbing method formaximum power point in microgrid standalone photovoltaic system[J].IEEETransactions on on Power Electronics，2011，26(4)：1022-1030.）提出用模糊自适应方法来实现最大功率点跟踪，最大功率跟踪的效果与模糊表相关，而模糊表的制定与设计者经验相关。
对于扰动观察法，不管是传统方法还是改进方法，如果扰动步长固定，很难达到理想效果。因此，变步长是提高扰动观察法性能的唯一出路。。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于变步长扰动观察法的MPPT控制方法，以克服定步长扰动法中精度和速度的矛盾问题，并利用该MPPT控制方法实现的光伏阵列发电系统。
为了实现上述目的，本发明提出了一种MPPT计算策略，用于获得光伏阵列的输出参考电压，包括步骤：
在一统计时间内对光伏阵列的输出电压和输出电流进行周期性采样，根据该输出电压和输出电流计算获得光伏阵列的输出功率；
与上个统计时间内的输出功率进行比较获得功率变化情况△P；
将该功率变化情况△P输入功率PI控制器获得扰动步长△Vref，同时判断该变化情况△P的趋势：
当所述△P>0时，判断本次光伏阵列输出电压和上次光伏阵列输出电压的大小，若本次输出电压大于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的和；若本次输出电压小于于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的差；
当所述△P<0时，判断本次光伏阵列输出电压和上次光伏阵列输出电压的大小，若本次输出电压大于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的和；若本次输出电压小于于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的差。
优选的，所述统计时间为10ms-50ms。
优选的，所述周期性采样的周期为0.1ms-0.5ms。
同时，根据本发明的目的提出了一种利用上述的MPPT计算策略的MPPT控制方法，用于实现光伏阵列最大功率输出，将获得的参考电压和光伏阵列的实际输出电压之间的偏差信号输入电压PI控制器获得电流给定信号Iref，将所述电流给定信号Iref和光伏阵列实际的输出电流之间的的偏差信号输入电流PI控制器，该电流PI控制器的输出结果与一三角波载波比较产生PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号用于驱动位于光伏阵列输出端的变换器开关，实现光伏阵列的最大功率输出。
同时，还提出了一种采用上述的MPPT控制方法进行最大功率输出的光伏阵列发电系统，包括光伏阵列，连接于该光伏阵列输出端的变换器，同样连接在该光伏阵列输出端且用于驱动所述变换器开关的MPPT控制器，以及连接在该变换器输出端的负载，所述MPPT控制器实现所述MPPT计算策略。
优选的，所述DC-DC变换器为升压型Boost变换器。
优选的，所述负载为二极管钳位型三电平三相并网逆变器。
与现有技术相比，本发明的变步长自适应的最大功率跟踪方法采用跟随太阳光变化情况的步长计算方法，如果太阳光变化大，△P变化大，扰动步长△Vref变化大，能快速达到最大功率点，提高系统快速MPPT的效率；反之，如果太阳光变化大，△P变化小，扰动步长△Vref变化小，系统MPPT的稳态精度高，兼顾了系统的静态、动态性能，具有自适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是在本发明主旨下的光伏阵列发电系统的整体结构图；
图2是本发明变步长自适应MPPT控制原理图；
图3是本发明变步长自适应MPPT控制流程图；
图4是本发明光伏阵列发电系统一具体实施方式下的结构示意图；
图5A为该实施方式中电网电压定向的空间矢量图；
图5B为二极管钳位型三相三电平并网逆变器电网电压定向矢量控制策略图；
图6为实验中不同的光伏阵列曲线；
图7A为所发明方法在光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图7B为所发明方法在光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图7C为所发明方法在光伏阵列从曲线2突变到光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图7D为所发明方法在光伏阵列从曲线1突变到光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图8A为3V定步长扰动最大功率跟踪方法在光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图8B为所发明方法在光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图8C为所发明方法在光伏阵列从曲线2突变到光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图8D为所发明方法在光伏阵列从曲线1突变到光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图9A为0.5V定步长扰动最大功率跟踪方法在光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图9B为所发明方法在光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图9C为所发明方法在光伏阵列从曲线2突变到光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；
图9D为所发明方法在光伏阵列从曲线1突变到光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形。
具体实施方式
下面，将本发明的技术方案结合附图做具体介绍。
请先看图1，图1是在本发明主旨下的光伏阵列发电系统的整体结构图。如图所示，该光伏阵列发电系统包括：光伏阵列10，将太阳能转化为电能；连接于该光伏阵列10输出端的DC-DC变换器20，在本发明中，使用升压型Boost变换器作为该级DC-DC变换器，升压型（Boost）变换器具有效率高、控制能力强、结构简单等优点，本系统采用升压型变换器来实现光伏发电系统的最大功率跟踪；同样连接在该光伏阵列10输出端且用于驱动所述变换器开关21的MPPT模块30，通过数字控制器实现本发明的的MPPT控制方法，产生PWM脉冲，该PWM脉冲信号作用在变换器20的开关21上，通过控制开关时间达到控制Boost变换器输出的目的；以及连接在该变换器20输出端的负载40，用来消化或吸收光伏阵列所产生的能量，在本系统采用二极管钳位型三相三电平的直流/交流（DC/AC）逆变器将电能回馈给电网。
光伏阵列10的输出电压VPV和电流IPV输入到MPPT模块30中的变步长自适应MPPT计算芯片31，变步长自适应MPPT计算芯片31运用本发明的计算策略计算产生光伏阵列输出的参考电压Vref。该参考电压Vref和实际光伏阵列的输出电压的偏差信号送入模块中的电压比例积分（Proportional Integral,PI）控制器32，电压PI控制器32的输出作为光伏阵列电流内环的给定电流信号Iref，给定电流信号Iref与光伏阵列实际电流IPV的偏差送入模块中的电流PI控制器33，电流PI控制器33的输出信号与三角波载波比较产生PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经过驱动送给Boost变换器开关管21。
在不同的MPPT算法中，扰动观察法由于简单，容易实现以及低成本等优点，得到了广泛的应用。对于扰动观察法，不管是传统方法还是改进方法，如果扰动步长固定，很难达到理想效果。因此，变步长是提高扰动观察法性能的唯一出路。
本发明中，实现MPPT变步长计算策略的整体思路如图2和图3所示：
在一统计时间内对光伏阵列的输出电压和输出电流进行周期性采样，根据该输出电压和输出电流计算获得光伏阵列的输出功率，其中光伏阵列输出电压和输出电流的A/D采样周期为0.1ms-0.5ms，统计时间间隔10ms-50ms；
与上个统计时间内的输出功率进行比较获得功率变化情况△P，功率变化情况ΔP＝P(k)-P(k-ΔT)，k表示第k次采样；
将该功率变化情况△P输入功率PI控制器获得扰动步长△Vref，同时判断该变化情况△P的趋势：
当所述△P>0时，判断本次光伏阵列输出电压和上次光伏阵列输出电压的大小，若本次输出电压大于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的和；若本次输出电压小于于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的差；
当所述△P<0时，判断本次光伏阵列输出电压和上次光伏阵列输出电压的大小，若本次输出电压大于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的和；若本次输出电压小于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长△Vref的差。
这样一来，在ΔT＝20ms时间内，如果功率变化ΔP变化比较小，则PI控制器输出的扰动观察法的扰动步长ΔVref就小，功率的稳态波动比较小；反之，当太阳光发生突变，功率变化ΔP变化比较大，则PI控制器输出的扰动观察法的扰动步长ΔVref就大，输出功率快速地达到光伏阵列的最大值，提高MPPT的动态跟踪性能。
下面，再以一个具体实施方式来说明本发明的技术方案。
请参见图4，图4是本发明光伏阵列发电系统一具体实施方式下的结构示意图，该实施方式通过两级的变换器来实现，前级采用直流-直流（DC-DC）变换器，后级采用直流-交流（DC-AC）变换器。在系统的结构图中，DC-DC变换器采用效率比较高的Boost变换器，而DC-AC变换器采用二极管钳位型三电平三相并网逆变器（即负载）。对于前级的Boost变换器来说，根据当前光伏阵列输出的电压和电流，经过所发明的MPPT控制算法来控制Boost变换器的占空比，实现最大功率跟踪；而对于后级的极管钳位型三电平三相并网逆变器来说，采用电网电压定向的矢量控制，将电网电压合成矢量定在dq旋转坐标系的d轴上，采用空间矢量调制（SVPWM）对三电平进行控制，采用PI控制，实现对d轴和q轴电流给定的快速、精确跟踪，dq旋转坐标系的PI控制，二极管钳位型三相三电平并网逆变器电网电压定向矢量控制策略如图5A和5B所示。采用电网电压定向，光伏并网逆变器输出的有功功率和无功功率分别与有功电流id和无功电流iq成正比。电网电压定向矢量控制策略采用电压和电流双闭环控制策略，电网电压外环的主要目的稳定直流母线电压。为实现所发明方法最大功率点跟踪。以数字信号处理器TMS320F2808为核心，利用片内16路12位AD模块对信号采集电路信号进行采样。所有控制算法通过C语言写入32位数字化处理芯片TMS320F2808的程序存储器中。
为了验证本发明方法的可行性和正确性，对最大功率点跟踪算法进行稳态和动态实验。在本系统中，光伏阵列的模拟采用专用可编程光伏阵列直流模拟电源TopCon Quadro，该模拟电源可以设置不同的光伏阵列曲线（如不同的开路电压、短路电流等）。在本实验系统中，设置两个不同的光伏阵列曲线：（1）光伏阵列曲线1，开路电路Voc1=550V，短路电流Isc1=13.5A，最大功率点电压VocMP1=435V，最大功率点电流IscMP1=12.1A；（2）光伏阵列曲线2，开路电路Voc2=555V，短路电流Isc2=6.7A，最大功率点电压VocMP2=439V，最大功率点电流IscMP2=6A。光伏阵列曲线1和光伏阵列曲线2的功率和电压的关系如图6所示。电网采用PACIFIC可编程交流电源来模拟，以方便修改电网电压的幅值和频率等。图7A为所发明方法在光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图7B为所发明方法在光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形，其中线1是电网电压a相电压，线2是三厢并网逆变器输出a相电流，线3是光伏阵列输出的电流，线4是光伏阵列输出的电压（下面所有图的线标号及含义同图7A，故不再示出）；图7C为所发明方法在光伏阵列从曲线2突变到光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图7D为所发明方法在光伏阵列从曲线1突变到光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形。图8A为3V定步长扰动最大功率跟踪方法在光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图8B为所发明方法在光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图8C为所发明方法在光伏阵列从曲线2突变到光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图8D为所发明方法在光伏阵列从曲线1突变到光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形。图9A为0.5V定步长扰动最大功率跟踪方法在光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图9B为所发明方法在光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图9C为所发明方法在光伏阵列从曲线2突变到光伏阵列曲线1时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形；图9D为所发明方法在光伏阵列从曲线1突变到光伏阵列曲线2时光伏阵列输出的电压、电流、电网电压a相电压以及三相逆变器输出的a相电流实验波形。
从上面对比实验波形看出：定步长0.5V扰动的最大功率跟踪方法的稳态性能比定步长3V扰动的最大功率跟踪方法稳态性能好，而定步长0.5V扰动的最大功率跟踪方法的动态性能比定步长0.3V扰动的最大功率跟踪方法动态性能差。而所发明的变步长自适应的最大功率跟踪方法采用跟随太阳光变化情况的步长计算方法，如果太阳光变化大，△P变化大，扰动步长△Vref变化大，能快速达到最大功率点，提高系统快速MPPT的效率；反之，如果太阳光变化大，△P变化小，扰动步长△Vref变化小，系统MPPT的稳态精度高，兼顾了系统的静态、动态性能，具有自适应性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种MPPT控制方法，该MPPT控制方法利用一MPPT计算策略，用于实现光伏阵列最大功率输出，其特征在于：所述MPPT策略包括：在一统计时间内对光伏阵列的输出电压和输出电流进行周期性采样，根据该输出电压和输出电流计算获得光伏阵列的输出功率；
与上个统计时间内的输出功率进行比较获得功率变化情况ΔP；
将该功率变化情况ΔP输入功率PI控制器获得扰动步长ΔVref，同时判断该变化情况ΔP的趋势：
当所述ΔP>0时，判断本次光伏阵列输出电压和上次光伏阵列输出电压的大小，若本次输出电压大于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长ΔVref的和；若本次输出电压小于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长ΔVref的差；
当所述ΔP<0时，判断本次光伏阵列输出电压和上次光伏阵列输出电压的大小，若本次输出电压大于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长ΔVref的差；若本次输出电压小于上次输出电压，则计算产生本次光伏阵列输出的参考电压为上次输出电压与扰动步长ΔVref的和，
将获得的参考电压和光伏阵列的实际输出电压之间的偏差信号输入电压PI控制器获得电流给定信号Iref，将所述电流给定信号Iref和光伏阵列实际的输出电流之间的的偏差信号输入电流PI控制器，该电流PI控制器的输出结果与一三角波载波比较产生PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号用于驱动位于光伏阵列输出端的变换器开关，实现光伏阵列的最大功率输出。
2.如权利要求1所述的MPPT控制方法，其特征在于：所述统计时间为10ms-50ms。
3.如权利要求1所述的MPPT控制方法，其特征在于：所述周期性采样的周期为0.1ms-0.5ms。
4.一种采用权利要求1所述的MPPT控制方法进行最大功率输出的光伏阵列发电系统，其特征在于：包括光伏阵列，连接于该光伏阵列输出端的DC-DC变换器，同样连接在该光伏阵列输出端且用于驱动所述DC-DC变换器开关的MPPT控制器，以及连接在该变换器输出端的负载，所述MPPT控制器实现所述MPPT计算策略。
5.如权利要求4所述的光伏阵列发电系统，其特征在于：所述DC-DC变换器为升压型Boost变换器。
6.如权利要求4所述的光伏阵列发电系统，其特征在于：所述负载为二极管钳位型三电平三相并网逆变器。
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