CN104035476B - 基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法，首先采集光伏阵列输出电压；然后对逆变器输出电压频率f_s进行扰动，观察光伏阵列输出电压的变化趋势来确定最大功率点。本发明方法不用采集阵列输出功率值进行功率判断，只需对光伏阵列输出电压进行观察就可以实现最大功率点跟踪算法，所以该算法不会受到采样量化误差的影响，且控制量精度越高，给定步进频率增量越小，越能准确跟踪光伏阵列的最大输出功率点，另外该方法还可以根据系统输出频率值采用变步长法实现稳态条件下的快速跟踪。

Description

基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明属于太阳能分布式发电技术及其应用技术领域，具体涉及一种基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法。

背景技术

光伏水泵是利用太阳能电池板将太阳能转换为电能，所输出的直流电经逆变器变换为三相工频交流电后为水泵供电，通过对逆变器的控制就可以控制水泵的转速以及转矩，进而就可以调节水泵的扬程和流量。因此，在光照变化条件下，尽可能多的从光伏电池板汲取电能、提高光伏电池组件的电能利用率就显得尤为重要了。

光伏电池的输出功率特性具有很强的非线性，其最大输出功率及最大输出功率点的电压与电流随着温度、光照强度、光照的不均衡度等因素变化。只有采用有效的最大功率点跟踪算法，才能提高光伏电池组件的电能利用率。

目前，光伏发电系统实现最大功率点跟踪的方法有很多，如：定电压法、扰动观察法、增量电导法、短路电流法等等，但是这些方法各有其优缺点及适用范围。定电压法是利用光伏电池的最大功率点电压与其开路电压的比值为一常数(大约为0.78)这一特性，控制光伏阵列的输出电压满足0.78倍的开路电压即可。该方法控制简单，易于实现，跟踪速度快，但在外界环境变化导致开路电压发生变化时，光伏电池的输出功率会偏离最大功率点。扰动观察法是利用光伏阵列P-V特性曲线的单峰值特性，扰动光伏阵列的输出电压或电流，观察光伏阵列输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压或电流方向，使其工作在最大功率点处。该方法控制简单，对检测元件要求不高，但会造成震荡和误判。增量电导法也是利用其P-V曲线的单峰值特性，令dP/dV＝0，及因此将作为判断最大功率点的条件。该方法控制精确，响应速度快，但算法复杂，对检测元件要求较高，也会出现震荡和误判现象。

在数字化实现最大功率点跟踪算法时，部分算法的数字化会对最大功率点跟踪性能造成影响，在某些情况下甚至会使最大功率点跟踪算法失效。在不考虑噪声干扰的情况下，量化误差是造成数字化最大功率点跟踪算法失效的原因之一。因此，寻找一种最大功率点跟踪方法以便解决采样量化误差对最大功率点跟踪的影响是有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法，在光伏阵列电压稳定的前提下，对逆变器输出电压频率进行步进扰动，观察阵列电压是否在稳定工作区域。

本发明所采用的技术方案是，基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：采集光伏阵列输出电压；

步骤2：对逆变器输出电压频率f_s进行扰动，观察光伏阵列输出电压的变化趋势来确定最大功率点。

其中的步骤2具体按照以下步骤实施：

以逆变器输出电压频率f_s代替光伏阵列输出功率，首先对光伏阵列输出电压进行采样，采样结果存放在变量V_PV中，进而计算当前给定电压信号V_ref与V_PV的差值e_v；

若e_v值连续多次与其前一次计算值e_{v_1}相等，则认为光伏阵列输出电压稳定，此时将V_PV的值赋予给定电压信号V_ref，然后根据前一次给定输出电压频率的扰动增量df_s与e_v的比值大小确定新的给定输出电压频率的扰动增量df_s的大小，并重新计算输出电压频率f_s；

当e_v值大于e_{v_1}值时，说明光伏阵列输出电压正在下降，若电压连续下降无法稳定时，则根据光伏阵列输出电压的运动特性可知，此时采用比例控制器减小逆变器输出电压频率可以遏制光伏阵列输出电压下降趋势，并且可使光伏阵列输出电压运动至稳定工作点，当光伏阵列输出电压稳定后，再次增大逆变器输出电压频率，重复进行阵列输出电压的观测与处理；

当e_v值小于e_{v_1}值时，说明在逆变器输出电压频率一定的情况下，阵列输出电压正在上升的过程中，此时阵列输出电压以稳定轨迹运行并且最终会收敛于稳定点，所以在阵列输出电压上升阶段不改变逆变器输出电压频率，待其稳定工作后，再逐渐增加逆变器输出电压频率，最终实现最大功率点跟踪功能，光伏阵列稳定工作的点就是最大功率点。

本发明的有益效果是：不用采集阵列输出功率值进行功率判断，只需对光伏阵列输出电压进行观察就可以实现最大功率点跟踪算法，所以该算法不会受到采样量化误差的影响，且控制量精度越高，给定步进频率增量越小，越能准确跟踪光伏阵列的最大输出功率点，另外该方法还可以根据系统输出频率值采用变步长法实现稳态条件下的快速跟踪。

附图说明

图1是逆变器输出电压频率和光伏阵列输出功率的关系；

图2是光伏阵列带电机负载的模型；

图3是频率步进最大功率点跟踪算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的原理是：

1.频率与功率的关系

由电机学可知，异步电动机的同步转速可表示为：

$n_s=\frac{60f_s}{n_p}---\left(1\right)$

其中n_p为电机的极对数，f_s为电源频率。

而电机的电磁转矩与电磁功率的关系可表示为：

$T_e=\frac{P_M}{\frac{2{\mathrm{\πn}}_s}{60}}---\left(2\right)$

其中P_M为电机的电磁功率。

由(2)式可推导出电机同步转速和电磁功率的关系：

$n_s=\frac{60P_M}{2{\mathrm{\πT}}_e}---\left(3\right)$

结合(1)和(3)式可以得出电机的供电频率和电磁功率之间的关系：

$f_s=\frac{n_p}{2{\mathrm{\πT}}_e}{P}_M---\left(4\right)$

在忽略电机铜损、铁损、附加损耗等损耗的情况下，逆变器输出的有功功率可近似的看作与电动机的电磁功率相等，即：

P_P≈P_M(5)

在稳态情况下，负载转矩T_L和电磁转矩T_e相等，则T_e在稳态下是一个定值，即：

T_e＝T_L(6)

又逆变器输出功率与光伏阵列输出功率存在如下比例关系：

P_p＝ηP_pv(7)其中η表示光伏逆变器的工作效率。

由(4)～(7)式可得出逆变器输出电压频率与光伏阵列输出功率成正比关系，即：

f_s∝P_pv(8)因此，在稳态情况下，把f_s作为输入变量、P_pv作为输出变量，对于同一转矩可以得到逆变器输出电压频率和光伏阵列输出功率的关系曲线如图1所示。

2.频率的扰动对PV工作点的影响

由频率与功率的关系可知，控制逆变器输出电压频率就可以控制光伏阵列输出功率，从而实现最大功率点跟踪。为此，还需建立光伏阵列的动态数学模型进行分析。

以逆变器输出电压频率为控制量可以等效为以输出功率为控制量，所以可以建立如图2所示的光伏阵列带电流源模型，忽略防反充二极管的压降，电容C两端的电压与光伏阵列电压相等，以i_PV、i_C、i_out分别表示光伏阵列输出瞬时电流、直流滤波电容瞬时充电电流以及滤波电容后面部分电路的瞬时电流，v_PV表示光伏阵列输出瞬时电压，p_out为光伏阵列瞬时输出功率，则存在：

$i_{pv}=i_c+i_{out}=C\frac{{\mathrm{dv}}_{pv}}{dt}+\frac{p_{out}}{v_{pv}}---\left(9\right)$

结合光伏电池组件数学模型(I_z＝f(I_ph,V)＝I_ph-ε[exp(ξV_z)-1])与式(9)可以得到如式(10)表示的光伏发电系统动态模型。式中，

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{v}}_{pv}=\frac{I_{ph}}{C}-\frac{\mathrm{\ϵ}}{C}\[\exp \left({\mathrm{\ξv}}_{pv}\right)-1\]-\frac{p_{out}}{{\mathrm{Cv}}_{pv}}\\ v_{pv}=v_{pv}\left(0\right)+\∫{\stackrel{\·}{v}}_{pv}dt\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，I_z为光伏组件输出电流，I_ph为电池组件的等效光生电流，V_z为光伏组件输出电压，ε＝n_pI₀(n_p为并联电池单元数目，I₀为光伏电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流)，ξ＝q/n_ck_cTn_s(q为电子电荷量，n_c为二极管特性因子，k_c为波尔兹曼常数，T为光伏电池绝对温度，n_s为串联电池单元数目)。

对于三相系统，理想情况下其输出功率中仅含有直流成分，用式(11)表示：

$p_{out}=\stackrel{\‾}{p}---\left(11\right)$

直流滤波电容中储存一定的能量，且存在：

p_pv＝p_out+i_cv_pv(12)针对图2所示的模型对不同给定输出功率情况下与V_PV关系进行分析，分析系统在输出功率发生变化时运动轨迹并得出系统稳定性规律。

对于理想三相单级式光伏系统，当光伏阵列初始工作点在最大功率点电压右侧时：若给定功率值P_out小于光伏板的最大输出功率，则V_pv会逐渐稳定工作在相应的电压值；若给定功率值P_out继续减小到一个值，则V_pv仍旧会逐渐稳定工作在相应的电压值；当继续把当前给定功率值P_out增大时，则V_pv会回归并且稳定工作在对应的一个较大的电压值。当给定功率值P_out大于光伏板的最大输出功率时，连续增大给定功率时阵列电压均不断下降，并且V_pv下降到小于最大功率点电压时下降速度逐渐加快。因此说明光伏阵列的初始工作点在最大功率点右侧。

当光伏阵列初始工作点在最大功率点电压左侧时：若给定输出功率P_out小于初始工作点功率，则V_pv逐渐稳定工作在相应电压值；若给定输出功率P_out大于初始工作点功率，则V_pv逐渐减小并且减小速度不断增加。由此得出，光伏阵列初始工作点在最大功率点电压左侧情况下，若给定输出功率小于初始工作点功率，则阵列电压将逐渐稳定收敛至最大功率点电压右侧；若给定输出功率大于初始工作点功率则阵列电压逐渐下降并且下降速度增大。

由以上分析可知，对于三相光伏发电系统而言，光伏阵列的稳定工作区在最大功率点右侧区域，而其左侧区域是非稳定工作区。在非稳定区域时可以通过控制逆变器输出电压频率来改变光伏阵列输出电压的运动轨迹，从而使其进入稳定工作区。

3.总结

在以上分析基础上，本发明提出频率步进法实现最大功率点跟踪，具体描述如下：单级式光伏发电系统工作时，可在光伏阵列电压稳定工作时以一定步长增大逆变器输出电压频率进，若光伏阵列电压下降速率逐渐减小并再次趋于稳定，则证明光伏阵列输出电压位于最大输出功率点电压右侧，此时可继续增大逆变器输出电压频率；若阵列电压下降速率逐渐增大，电压值无法稳定，此时证明光伏阵列工作在最大功率点左侧，所以应减小频率使光伏阵列工作电压恢复至最大功率点电压右侧，稳定后继续以一定步长增大输出频率使光伏阵列工作电压点趋于最大功率点电压。在光伏阵列输出电压变化过程中，可不对输出频率进行改变。

本发明基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：采集光伏阵列输出电压；

步骤2：对逆变器输出电压频率f_s进行扰动，观察光伏阵列输出电压的变化趋势来确定最大功率点。

具体算法为：以逆变器输出电压频率f_s代替光伏阵列输出功率。图3是频率步进法实现最大功率点跟踪的软件流程图。图3中，首先对光伏阵列输出电压进行采样，采样结果存放在变量V_PV中，进而计算当前给定电压信号V_ref与V_PV的差值e_v。

若e_v值连续多次与其前一次计算值e_{v_1}相等(例如计数器j1≥5)，则认为光伏阵列输出电压稳定，此时将V_PV的值赋予给定电压信号V_ref，然后根据前一次给定输出电压频率的扰动增量df_s与e_v的比值大小确定新的给定输出电压频率的扰动增量df_s的大小，并重新计算输出电压频率f_s。

当e_v值大于e_{v_1}值时，说明光伏阵列输出电压正在下降，若电压连续下降无法稳定时(例如计数器j2≥10)，则根据光伏阵列输出电压的运动特性可知，此时采用比例控制器减小逆变器输出电压频率可以遏制光伏阵列输出电压下降趋势，并且可使光伏阵列输出电压运动至稳定工作点，图中kp为比例控制器的比例系数，当光伏阵列输出电压稳定后，可再次增大逆变器输出电压频率，重复进行阵列输出电压的观测与处理。

当e_v值小于e_{v_1}值时，说明在逆变器输出电压频率一定的情况下，阵列输出电压正在上升的过程中，此时阵列输出电压以稳定轨迹运行并且最终会收敛于稳定点，所以在阵列输出电压上升阶段不改变逆变器输出电压频率，待其稳定工作后，再逐渐增加逆变器输出电压频率，最终实现最大功率点跟踪功能。

本发明虽然不具有动态跟踪性能，但其稳态条件下能够快速准确地实现最大功率点跟踪，仅需对阵列输出电压进行监测，并且实现成本低、算法简单可靠、能有效避免母线电压崩溃现象，另外该算法不受光照强弱的影响，可以实现全功率段的有效稳态跟踪，所以该方法适用于光照较弱以及光照相对较稳定的场合。

Claims (1)

1.基于输出电压频率步进扰动的最大功率点跟踪方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：采集光伏阵列输出电压；

步骤2：对逆变器输出电压频率f_s进行扰动，观察光伏阵列输出电压的变化趋势来确定最大功率点。

其中，步骤2具体按照以下步骤实施：

以逆变器输出电压频率f_s代替光伏阵列输出功率，首先对光伏阵列输出电压进行采样，采样结果存放在变量V_PV中，进而计算当前给定电压信号V_ref与V_PV的差值e_v；

若e_v值连续多次与其前一次计算值e_{v_1}相等，则认为光伏阵列输出电压稳定，此时将V_PV的值赋予给定电压信号V_ref，然后根据前一次给定输出电压频率的扰动增量df_s与e_v的比值大小确定新的给定输出电压频率的扰动增量df_s的大小，并重新计算输出电压频率f_s；

当e_v值大于e_{v_1}值时，说明光伏阵列输出电压正在下降，若电压连续下降无法稳定时，则根据光伏阵列输出电压的运动特性可知，此时采用比例控制器减小逆变器输出电压频率可以遏制光伏阵列输出电压下降趋势，并且可使光伏阵列输出电压运动至稳定工作点，当光伏阵列输出电压稳定后，再次增大逆变器输出电压频率，重复进行阵列输出电压的观测与处理；

当e_v值小于e_{v_1}值时，说明在逆变器输出电压频率一定的情况下，阵列输出电压正在上升的过程中，此时阵列输出电压以稳定轨迹运行并且最终会收敛于稳定点，所以在阵列输出电压上升阶段不改变逆变器输出电压频率，待其稳定工作后，再逐渐增加逆变器输出电压频率，最终实现最大功率点跟踪功能，光伏阵列稳定工作的点就是最大功率点。