CN103744468B - 一种基于切线角的变步长光伏mppt控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法，包括如下步骤：（1）获取光伏电池的功率-电压特性曲线；（2）由功率-电压特性曲线，得到速度因子N_L＝1-cosθ，其中，为功率-电压特性曲线的切线角，P为光伏电池的输出功率，u为光伏电池的输出电压；（3）由速度因子N_L得到步长D_i；（4）根据扰动观察法的基本原理，得到比例积分调节器的参考电压U_ref(i+1)=U_ref(i)±D_i，实现最大功率点跟踪。该方法有效解决了现有变步长控制方法中最大步长选择困难，以及容易因参数设计不当导致MPP右侧跟踪不收敛或产生死区的问题，能同时兼顾最大功率点跟踪的速度和精度，准确快速地跟踪到光伏阵列输出的最大功率点。

Description

一种基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，更具体地，涉及一种基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法。

背景技术

光伏发电作为一种可再生的清洁能源，在世界范围内受到高度重视且发展迅速。在光伏发电系统中，光伏电池利用光生伏特效应将光能转化为直流电能，然后通过电力电子变换器将直流电能转化为负载需要的各种形式的电能。然而光伏发电系统向电网输送的功率随着光照强度、环境温度、输出阻抗及负载的变化而变化，其输出特性表现出强烈的非线性。因此控制接口变换器使光伏发电系统能连续稳定地向电网输出最大功率是非常必要的。

目前，光伏最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)控制方法主要有定电压跟踪法、智能算法、电导微增率法(INC)、扰动观察法(P&O)等。其中，定电压跟踪法虽然可以快速地定位到最大功率点附近，但精度较差。智能算法能很好地处理非线性问题，但过于依赖操作人员的经验且需要长时间训练。电导微增率法精度较高，但速度慢。扰动观察法因其简单、易实现等优点已经得到广泛的运用，但由于其采用固定的扰动步长，步长的大小决定了它的跟踪速度，步长越大速度越快、但精度越差，反之亦然，难以同时获得较高的响应速度和跟踪精度。

为了能同时兼顾速度和精度，变步长算法应运而生。变步长算法通常包括两个重要参数：速度因子和最大步长。大多数变步长算法用P-u曲线的导数P′(u)作为决定步长的基础参数，然而，由于P′(u)在最大功率点两侧的数学特性差异较大，因此该算法中的最大步长及速度因子较难确定。如果设计不当，则容易产生死区，导致MPPT失败。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法，有效解决了现有变步长控制方法中最大步长选择困难，以及容易因参数设计不当导致MPP右侧跟踪不收敛或产生死区的问题，能同时兼顾最大功率点跟踪的速度和精度，准确快速地跟踪到光伏阵列输出的最大功率点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种变步长光伏MPPT控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取光伏电池的功率-电压特性曲线；

(2)由功率-电压特性曲线，得到速度因子N_L＝1-cosθ，其中，为功率-电压特性曲线的切线角，P为光伏电池的输出功率，u为光伏电池的输出电压；

(3)由速度因子N_L得到步长D_i为：

$D_i=D_{\max }-D_{\max }\·\cos \left[\arctan \left({\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{du}}|}_{u=u_{i-1}}\right)\right],$

其中，D_max为最大步长， $u_{i-1}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_m-\mathrm{\ξ},& i=1\\ U_m-\mathrm{\ξ}+D_1+...+D_{i-1},& i=2,...,n\end{array}\right.$ n为算法收敛所需的周期数，U_m为最大功率点对应的电压，ξ为U_m与恒流区边界点对应电压的差值；

所述恒流区满足如下条件：(A)u∈[0,U_m-ξ]；(B)1/[1+P'(u)²]<0.1，其中，P'(u)为输出功率对输出电压的导数；

(4)根据扰动观察法的基本原理，得到比例积分调节器的参考电压U_ref(i+1)＝U_ref(i)±D_i，实现最大功率点跟踪。

优选地，D_max满足如下条件：

$\frac{\mathrm{\&xi;}(1-Y_n/Y_0)}{Y_0+Y_1+Y_2...Y_{n-1}}<D_{\max }<\frac{\mathrm{\&xi;}}{Y_0+Y_1+...Y_{n-1}},$

其中，Y_i-1为输出电压为u_i-1时的速度因子，Y_n为输出电压为u_n时的速度因子，u_n＝U_m-ξ+D₁+…+D_n。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)将功率-电压特性曲线的切线角arctan[P'(u)]替代功率导数P′(u)作为决定步长的基础参数，由于切线角arctan[P'(u)]在最大功率点(MPP)两侧的数学特性相似，使速度因子和最大步长的设计更加简便，有效解决了现有变步长控制方法中最大步长选择困难，以及容易因参数设计不当导致MPP右侧跟踪不收敛或产生死区的问题。

(2)从理论上推导出速度因子及最大步长这两个关键参数，并且确定了收敛的最大步长取值范围。

(3)步长是关于|u-U_m|的单调增函数，步长变化率(α＝P″(u))是关于|u-U_m|的单调减函数，能同时兼顾最大功率点跟踪的速度和精度，准确快速地跟踪到光伏阵列输出的最大功率点。

附图说明

图1是变步长光伏最大功率点跟踪系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法流程图；

图3是速度因子与输出电压的关系曲线；

图4是采用扰动观察法时Buck电路的输出电压U_PV、电流I_PV和功率P_PV波形；

图5是采用本发明实施例的基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法时Buck电路的输出电压U_PV、电流I_PV和功率P_PV波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，变步长光伏最大功率点跟踪系统主要由光伏电池、Buck电路和控制电路组成。控制电路包括A/D转换器，MPPT控制器，比例积分(PI)调节器和脉冲宽度调制器(PWM)。首先通过传感器对电压和电流进行采样，然后通过A/D转换器将数据传送给MPPT控制器，通过MPPT控制器、PI调节器和PWM产生控制信号，实现最大功率点跟踪。

如图2所示，本发明实施例的基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法包括如下步骤：

(1)获取光伏电池的功率-电压特性曲线。

在实际的工程应用中，光伏Bishop模型可简化表示为：

$i=I_{\mathrm{SC}}\{1-C_1[\exp \left(\frac{u}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}}\right)-1\left]\right\}---\left(1\right)$

其中，i为输出电流，I_SC为光生电流，与光强和温度有关，U_OC为开路电压，u为输出电压。C₁和C₂具体表示为：

$C_1=(I-\frac{I_m}{I_{\mathrm{SC}}})\exp (-\frac{U_m}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}})---\left(2\right)$

$C_2=(\frac{U_m}{U_{\mathrm{OC}}}-1)/\ln (1-\frac{I_m}{I_{\mathrm{SC}}})---\left(3\right)$

其中，I_m和U_m分别为最大功率点对应的电流及电压。

因此得到光伏电池的输出功率P为：

$P=u\&CenterDot;I_{\mathrm{SC}}\{1-C_1[\exp \left(\frac{u}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}}\right)-1\left]\right\}---\left(4\right)$

(2)由功率-电压特性曲线，得到速度因子N_L＝1-cosθ，其中，为功率-电压特性曲线的切线角。

对输出功率P求导，得到功率-电压特性曲线上不同点的切线斜率P′(u)为：

$P^{\&prime;}\left(u\right)=\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{du}}=I_{\mathrm{SC}}(1+C_1-C_1\exp \left(\frac{u}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}}\right))-\frac{C_1{I}_{\mathrm{SC}}u}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}}\exp \left(\frac{u}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}}\right)---\left(5\right)$

切线角θ可表示为 $\mathrm{\&theta;}=\arctan \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{du}}=\arctan [i-\frac{C_1{I}_{\mathrm{SC}}u}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}}\exp \left(\frac{u}{C_2{U}_{\mathrm{OC}}}\right)].$ 由光伏电池的功率-电压特性曲线可知，虽然P′(u)的变化较大，但对θ而言，存在恒流区u∈[0,U_m-ξ]和恒压区u∈[U_m+ρ,U_OC]，使得1/[1+P'(u)²]<0.1，电流相对电压或电压相对电流的变化率较低，θ基本恒定，其中，ξ为U_m与恒流区边界点对应电压的差值，ρ为恒压区边界点对应电压与U_m的差值。当u∈[U_m-ξ,U_m+ρ]时，θ剧烈变化，因此，如果以θ为速度因子则能满足变步长算法对步长及步长变化率的要求。本实施例对θ求余弦将其转化为正数，并进行归一化处理，得到速度因子N_L。

速度因子N_L与输出电压u的关系曲线如图3所示。

(3)由速度因子N_L得到步长的表达式如下：

$D_i=D_{\max }-D_{\max }\&CenterDot;\cos \left[\arctan \left({\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{du}}|}_{u=u_{i-1}}\right)\right]$

其中，D_max为最大步长， $u_{i-1}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_m-\mathrm{\&xi;},& i=1\\ U_m-\mathrm{\&xi;}+D_1+...+D_{i-1},& i=2,...,n\end{array}\right.,$ n为算法收敛所需的周期数。

最大步长D_max满足如下条件，使方法收敛：

$\frac{\mathrm{\&xi;}(1-Y_n/Y_0)}{Y_0+Y_1+Y_2...Y_{n-1}}<D_{\max }<\frac{\mathrm{\&xi;}}{Y_0+Y_1+...Y_{n-1}}$

其中，Y_i-1为输出电压为u_i-1时的速度因子，Y_n为输出电压为u_n时的速度因子，u_n＝U_m-ξ+D₁+…+D_n。

具体计算过程如下：

为保证算法收敛，最大步长D_max必须满足：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_1=D_{\max }\&CenterDot;Y_0<\mathrm{\&xi;}\\ D_2=D_{\max }\&CenterDot;Y_1<\mathrm{\&xi;}-D_1\\ D_3=D_{\max }\&CenterDot;Y_2<\mathrm{\&xi;}-D_1-D_2\\ .\\ .\\ .\\ D_n=D_{\max }\&CenterDot;Y_{n-1}<\mathrm{\&xi;}-D_1-D_2...D_{n-1}\end{array}\right.---\left(6\right)$

由式(6)可得：

$D_{\max }<\frac{\mathrm{\&xi;}}{Y_0+Y_1+...Y_{n-1}}---\left(7\right)$

如图3所示，直线(2)过点(u₀,Y₀)和(U_m,0)，由于直线(2)是线性的，只要D_max<ξ/Y₀就能满足变步长算法的收敛条件。然而当u∈[0,U_m]时，N_L为凸函数，其最大步长必须小于直线(2)的最大步长才能有效收敛。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\&xi;}-D_1}{\mathrm{\&xi;}}<\frac{Y_1}{Y_0}\\ \frac{\mathrm{\&xi;}-D_1-D_2}{\mathrm{\&xi;}}<\frac{Y_2}{Y_0}\\ \frac{\mathrm{\&xi;}-D_1-D_2-D_3}{\mathrm{\&xi;}}<\frac{Y_3}{Y_0}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\mathrm{\&xi;}-D_1-D_2-...-D_n}{\mathrm{\&xi;}}<\frac{Y_n}{Y_0}\end{array}\right.\&DoubleRightArrow;\left\{\begin{array}{c}(1-\frac{Y_1}{Y_0})\&CenterDot;\mathrm{\&xi;}<D_1\\ (1-\frac{Y_2}{Y_0})\&CenterDot;\mathrm{\&xi;}<D_1+D_2\\ (1-\frac{Y_2}{Y_0})\&CenterDot;\mathrm{\&xi;}<D_1+D_2+D_3\\ .\\ .\\ .\\ (1-\frac{Y_n}{Y_0})\&CenterDot;\mathrm{\&xi;}<D_1+D_2+...+D_n\end{array}\right.---\left(8\right)$

将上式化简可得：

$\frac{\mathrm{\&xi;}(1-Y_n/Y_0)}{Y_0+Y_1+Y_2...Y_{n-1}}<D_{\max }---\left(9\right)$

由于(1-Y_n/Y₀)<1，上述两个不等式有交集。因此，存在D_max使得本方法收敛，从而得到最大步长的取值范围。

(4)根据扰动观察法的基本原理，得到比例积分(PI)调节器的参考电压U_ref(i+1)＝U_ref(i)±D_i，实现最大功率点跟踪。

图4和图5分别为采用扰动观察法和本发明实施例的方法时Buck电路的输出电压U_PV、电流I_PV和功率P_PV波形。如图4所示，扰动观察法收敛速度较慢，全过程花费约11s。由于步长恒定，电压波形上升斜率基本不变。稳态时，因为扰动步长始终大于误差阈值δ，导致电压静态波形不稳定。如图5所示，在系统启动5s后，本发明实施例的方法成功稳定在最大功率点，其动态特性较好。此外，受系统检测及控制精度的限制，通常当步长D(u)小于误差阈值δ时，系统便停止扰动，其稳态特性较好，电压输出没有纹波。因此，本发明的基于切线角的变步长光伏MPPT控制方法能够准确快速地跟踪到光伏阵列输出的最大功率点。

本领域的技术人员容易理解，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 (1)

1.一种变步长光伏MPPT控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取光伏电池的功率-电压特性曲线；

(2)由功率-电压特性曲线，得到速度因子N_L＝1-cosθ，其中，为功率-电压特性曲线的切线角，P为光伏电池的输出功率，u为光伏电池的输出电压；

(3)由速度因子N_L得到步长D_i为：

$D_i=D_{\max }-D_{\max }\&CenterDot;\cos \left[\arctan \left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{du}}{|}_{{u=u}_{i-1}}\right)\right],$

其中，D_max为最大步长， $\frac{\mathrm{\&xi;}(1-Y_n/Y_0)}{Y_0+Y_1+Y_2\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;Y_{n-1}}<D_{\max }<\frac{\mathrm{\&xi;}}{Y_0+Y_1+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;Y_{n-1}},$ $u_{i-1}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_m-\mathrm{\&xi;},& i=1\\ U_m-\mathrm{\&xi;}+D_1+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+D_{i-1},& i=2,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n\end{array}\right.,$ Y_i-1为输出电压为u_i-1时的速度因子，Y_n为输出电压为u_n时的速度因子，u_n＝U_m-ξ+D₁+…+D_n，n为算法收敛所需的周期数，U_m为最大功率点对应的电压，ξ为U_m与恒流区边界点对应电压的差值；

所述恒流区满足如下条件：(A)u∈[0,U_m-ξ]；(B)1/[1+P'(u)²]<0.1，其中，P'(u)为输出功率对输出电压的导数；

(4)根据扰动观察法的基本原理，得到比例积分调节器的参考电压U_ref(i+1)＝U_ref(i)±D_i，实现最大功率点跟踪。