CN104199507B - 基于p‑u曲率特性的光伏最大功率跟踪系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于P‑U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统及方法，该方法包括如下步骤：实时采样光伏电池板的输出电压和电流；实时计算该光伏电池板输出的P‑U曲线对应的曲率变化；根据曲率变化的方向和光伏电池板输出电压变化的方向确定下一步Boost升压电路的占空比变化方向；将经过调整的占空比被送至该Boost升压电路以控制该光伏电池板的输出电压向功率输出最大方向调整，本发明通过实时计算光伏电池输出P‑U曲线曲率增量的方法来决定跟踪方向，实现了光伏电池的最大功率点追踪，反应速度快，容易实现快速跟踪控制，适合于外界环境变化较快的区域使用，并且本发明在最大功率点附近震荡小，功率损失较少。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏最大功率跟踪系统及方法，特别是涉及一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统及方法。
背景技术
随着光伏发电系统在世界范围内的部署，光伏发电系统也渐渐暴露出了许多问题。比较突出的问题主要有：光伏电池板价格依然偏高，这使光伏发电系统的投资成本较高。(2)光伏电池工作效率偏低，光伏电池不能完全的发挥其效能。
现有条件下光伏电池的价格无法大幅的下降，只能尽可能的提高光伏电池的工作效率来充分利用太阳能，这需要良好的控制算法，特别是光伏最大功率跟踪控制算法。通过光伏最大功率跟踪控制算法能使光伏电池一直工作在最大功率点，实现功率的最大输出，提升整个系统的效率。
最先被人们应用来做光伏最大功率跟踪控制的算法是固定电压法(CVT)，即固定光伏阵列的输出电压不变，该电压是依据光伏电池的输出P-U曲线来确定的。固定电压法控制最为简单，容易实现，运行也稳定可靠，当前仍有一些系统采用该算法。但固定电压法动态特性不好，不能应对外界环境的变化，如环境温度、光照强度的变化等，这会使光伏阵列损失一定的能量。
为了应对外界环境的不断变化，做到真正的跟踪控制，人们又研究出了扰动观察法(P&O)，俗称爬山法。该算法基于光伏电池的输出P-U曲线，定时的给光伏阵列增加扰动，增加或减小输出电压，并观察扰动前后输出功率的变化，根据比较结果决定下一次扰动的方向，从而寻找到最大功率工作点。该算法真正实现了光伏阵列最大功率的动态跟踪，同时对检测电路的要求较低，是现在应用最为广泛的最大功率跟踪控制算法之一。但扰动观察法也有自身的不足，如跟踪到最大功率点后会在其附近来回振荡，损失掉部分能量。
在扰动观察法被不断应用的同时，为了适应更加快速的环境变化，实现光伏系统对最大功率点的快速跟踪，有学者提出了电导增量法(INC)。电导增量法通过分析光伏电池输出P-U曲线，提出通过计算输出电导增量的方法来决定跟踪方向。该算法通过计算的方法实现最大功率跟踪，其反应速度快，容易实现快速跟踪控制，比较适合于外界环境变化较快的区域使用。但同时电导增量法也有其缺点，如要求的检测电路精度高，控制器运算速度要求快等。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统及方法，其通过计算光伏电池输出P-U曲线曲率增量的方法来决定跟踪方向，反应速度快，容易实现快速跟踪控制，适合于外界环境变化较快的区域使用，并且本发明在最大功率点附近震荡小，功率损失较少。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统，该系统包括光伏电池、Boost升压电路、电压电流采样电路、曲率计算模块以及占空比调整模块，其中，该光伏电池连接至该Boost升压电路的输入端，该电压电流采样电路连接该Boost升压电路的输出端，对输出电压和电流进行实时采样和量化并传送给曲率计算模块计算P-U曲线的曲率，该占空比调整模块根据曲率变化和该光伏电池输出电压变化的方向对该Boost升压电路的占空比进行实时调整，经过调整的占空比被送至该Boost升压电路的控制端控制该光伏电池的输出电压向功率输出最大方向调整。
进一步地，该Boost升压电路包括一电感、一MOS管、一二极管以及一滤波电容，该光伏电池连接至该电感之一端，该电感连接该MOS管的漏极和该二极管的阳极，该MOS管的源极接地，该二极管的阴极接该滤波电容和负载，该MOS管的栅极接占空比可调的控制信号。
为达到上述面对，本发明还提供一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法，包括如下步骤：
步骤一，实时采样光伏电池板的输出电压和电流；
步骤二，实时计算该光伏电池板输出的P-U曲线对应的曲率变化；
步骤三，根据曲率变化的方向和光伏电池板输出电压变化的方向确定下一步Boost升压电路的占空比变化方向；
步骤四，将经过调整的占空比被送至该Boost升压电路以控制该光伏电池板的输出电压向功率输出最大方向调整。
进一步地，于步骤三中，该Boost升压电路占空比变化的方向分为以下几种情况：
(1)当V(k)＞V(k-1)且K(k)＞K(k-1)，
(2)当V(k)＞V(k-1)且K(k)＜K(k-1)，
(3)当V(k)＜V(k-1)且K(k)＞K(k-1)，
(4)当V(k)＜V(k-1)且K(k)＜K(k-1)，
(5)当|K(k)-K(k-1)|＜ε，Δd＝0，
其中，V(k)为k时刻该光伏电池板的输出电压，A是一个固定的系数，K(k)是曲线的k时刻的实时曲率，Δd为该Boost升压电路的占空比扰动量。
进一步地，于步骤二中，首先检测该光伏电池板k-3时刻的开路电压Upv(k-3)和电流Ipv(k-3)，再给该Boost升压电路一个小的占空比信号d；然后检测该光伏电池板k-2时刻的电压Upv(k-2)和电流Ipv(k-2)，在此之后再给Boost升压电路增加占空比使得d＝d+Δd，再检测该光伏电池板k-1时刻的电压Upv(k-1)，电流Ipv(k-1)，通过k-3、k-2、k-1三点的电压电流，确定k-1点处的曲率。
进一步地，首先利用下式计算k-2点处的斜率P'(k-2)
再利用下式计算k-1点处的斜率P'(k-1)
由k-1,k-2两点的斜率可以确定k-1点处的二阶导数P”(k-1)如下式
将k-2点的斜率、k-1点的斜率以及k-1点的二阶导数利用下式计算出当前P-U曲线的k-1点的曲率值K(k-1)
进一步地，再给该Boost电路占空比一个占空比扰动量Δd，即d＝d+2Δd，然后再测量该光伏电池板的输出电压Upv(k)和电流Ipv(k)，然后计算k-1点处的斜率P'(k-1)、k点处的斜率P'(k)以及k点处的二阶导数P”(k)，并确定最终曲率K(k)。
与现有技术相比，本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统及方法，其通过实时计算光伏电池输出P-U曲线曲率增量的方法来决定跟踪方向，以实现光伏电池的最大功率点追踪，反应速度快，容易实现快速跟踪控制，适合于外界环境变化较快的区域使用，并且本发明在最大功率点附近震荡小，功率损失较少。
附图说明
图1为光伏电池等效电路图；
图2为光伏电池特性曲线图；
图3为本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统的系统架构图；
图4为本发明较佳实施例中光伏电池10与Boost升压电路20的基本电路图；
图5为本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法的步骤流程图；
图6为本发明较佳实施例的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
在介绍本发明之前，先介绍本发明的理论基础：光伏电池的等效模型，根据电子学理论,光伏电池的等效电路如图1所示。根据图1，忽略结电容Cj，可以得到光伏电池的I-U特性曲线方程为：
式中IL—光电流(A)；I0—反向饱和电流(A)；q—电子电荷(1.6×10-19C)；K—玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T—绝对温度(K)；A—二极管因子；RS—串联电阻(Ω)；Rsh—并联电阻(Ω)。式(1)由于能较大程度还原光伏电池单元的基本原理，已被广泛应用于太阳电池的理论分析中,但由于表达式中的5个参数,包括式中IL、I0、Rsh、RS和A，它们不仅与电池温度和日射强度有关，而且确定十分困难，因此不便于工程应用，也不是太阳电池供应商向用户提供的技术参数。对电路模型简化处理，推导得出一个比较实用的工程用数学模型，即式(2)，该模型仅需要太阳能电池供应商提供的四个重要技术参数Isc、Uoc、Im、Um(短路电流，开路电压，最大工作点电流，最大工作点电压)。就能在一定的精度下复现太阳能电池的特性，图2是根据式(2)得出的光伏电池I-U曲线，P-U曲线。
在工程技术中，有时需要研究曲线的弯曲程度，数学当中用曲率来定量研究曲线的弯曲程度。
曲率的概念如下：
通常用比值即单位弧段上切线转过的角度的大小来表达弧段的平均弯曲程度，弯曲程度越大，比值越大，反之越小。把这比值叫做弧段的平均曲率，并记作类似于从平均速度引进瞬时速度的方法，当Δs→0时(即M'→M时)，上述平均曲率的极限叫做曲线C在点M处的曲率，记作K，即K也可以表示为一般情况导出便于实际计算曲率的公式，设曲线的直角坐标系方程是y＝f(x)
由光伏电池简化模型，光伏电池输出电流：
光伏电池输出功率：
光伏电池P-U曲线对应的曲率：
分析当U∈(0,Uoc)时P-U曲线的曲率变化趋势，分析公式(8)可知，分子是随着U单调增加的，再分析分母可以明显看出 是随着U单调减小的，在U临界处有H(U临界)＝0可以解得由于所以在工程应用中这里可以近似取U临界≈Um，其带来的误差在工程应用中是允许的。
当U∈(0,U临界)时，H(u)＞0，当U∈(U临界，Uoc)时，H(u)＜0，而对于在U∈(0,Uoc)上的单调性就需要分区间来讨论了，当U∈(0,U临界)，H2(u)是单调减小的，而当U∈(U临界，Uoc)时，H2(u)是单调增加的。再回到公式(8)来，H2(u)的单调性和分母的单调性是一致的，为了简化模型，便于分析将常数项省略，这对分析P-U曲线的曲率变化趋势是没有影响的。简化的曲率公式如下
式9中分子f(u)在U∈(0,Uoc)是单调增加的，而g(u)在U∈(0,U临界)是单调减小的，在U∈(U临界，Uoc)是单调增加的，根据数学知识我们很容易判断出K0(u)在U∈(0,U临界)是单调增加的，但是在U∈(U临界，Uoc)，K0(u)的单调性就不确定，因为分子，分母都是随着U单调增加的。
因此需要判断在U∈(U临界，Uoc)的正负情况，而直接计算f'(u)g(u)-g'(u)f(u)涉及到指数的多次乘法运算比较复杂，f(u),g(u),f'(u),g'(u)都是大于零的，把f'(u)g(u)-g'(u)f(u)与0的大小关系问题转换成分析与1的大小问题。
由于C1比较小，所以1+C1≈1将式(10)、(11)带入得到
因为当U∈(U临界，Uoc)时，所以对式(13)进行简化处理得：
又由于：
可以得到：
即f'(u)g(u)-f(u)g'(u)＜0
即当U∈(U临界，Uoc)时K0'(u)＜0立，即光伏电池输出P-U曲线曲率K(u)在U∈(U临界，Uoc)是单调减的。
综上所述，光伏电池输出P-U曲线的曲率K在U∈(0,U临界)是单调增加的，在U∈(U临界，Uoc)是单调减小的，因此在U＝U临界处有曲率最大值，而由前面计算可以知道U临界≈Um，因此可以通过找P-U曲线的曲率最大点来确定光伏电池的最大功率点。
图3为本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统的系统架构图。如图3所示，本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统通过光伏电池P-U曲线的最大曲率点来锁定最大功率点的基本原理是：通过调整Boost电路的占空比来调节太阳能光伏阵列两端的输出电压值，从而使其工作在最大功率点。该光伏最大功率跟踪系统包括光伏电池10、Boost升压电路20、电压电流采样电路30、曲率计算模块40以及占空比调整模块50，其中，光伏电池10连接至Boost升压电路20之输入端，Boost升压电路20的输出端连接电压电流采样电路30对输出电压和电流进行实时采样和量化并传送给曲率计算模块40计算P-U曲线的曲率，占空比调整模块50根据曲率变化和光伏电池板输出电压变化的方向对占空比进行实时调整，经过调整的占空比被送至Boost升压电路20的控制端控制输出电压向功率输出最大方向调整。图4为本发明较佳实施例中光伏电池10与Boost升压电路20的基本电路图，左边是光伏电池10，电感L、MOS管S、二极管D以及滤波电容C组成Boost升压电路20，光伏电池连接至电感L之一端，电感L连接MOS管S之漏极和二极管D之阳极，MOS管S之源极接地，二极管D之阴极结滤波电容C和负载，MOS管S之栅极接占空比可调的控制信号。
图5为本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法，包括如下步骤：
步骤501，实时采样光伏电池板的输出电压和电流；
步骤502，实时计算该光伏电池板输出的P-U曲线对应的曲率变化；
步骤503，根据曲率变化的方向和光伏电池板输出电压变化的方向确定下一步boost升压电路的占空比变化方向。在本发明中，boost电路占空比每次变化的步长是根据接近最大功率点的程度在发生变化的，其中boost电路占空比变化的步长取决于P-U特性曲线曲率绝对值的倒数，也就是说当工作点远离最大功率点时，曲率较小，步长变化较大，加快跟踪速度，快速找到最大功率点；当工作点在最大功率点附近时，曲率较大，步长变化较小，可以保证在最大功率点附近不会有太大的振荡，导致能量损失。
步骤504，将经过调整的占空比被送至Boost升压电路以控制光伏电池的输出电压向功率输出最大方向调整。
在步骤503中，Boost电路占空比变化的方向分为以下几种情况：
(1)当V(k)＞V(k-1)且K(k)＞K(k-1)
说明当前跟踪的方向是正确的，而且此时工作点在最大点Um的左侧，需要进一步减小boost电路的占空比以使光伏电池板的输出电压进一步升高，更加接近最大功率点。
上式中A是一个固定的系数，K(k)是曲线的实时曲率。
(2)当V(k)＞V(k-1)且K(k)＜K(k-1)
说明当前跟踪的方向是错误的，而且此时电池板工作在最大功率点的右侧，需要增加boost电路的占空比以减小光伏电池的输出电压，进一步接近最大功率点。
(3)V(k)＜V(k-1)且K(k)＞K(k-1)
说明当前跟踪的方向是正确的，而且此时电池板工作在最大功率点的右侧，进一步增加boost电路的占空比以减小光伏电池的输出电压，进一步接近最大功率点。
(4)当V(k)＜V(k-1)且K(k)＜K(k-1)
说明当前跟踪的方向是错误的，而且此时电池板工作在最大功率点的左侧，需要减小boost电路的占空比以增加光伏电池的输出电压，进一步接近最大功率点。
(5)当|K(k)-K(k-1)|＜ε
说明此时已经在最大功率点附近极小的范围变化，不需要再给boost电路占空比以扰动信号，即此时
Δd＝0 (23)
在步骤502中，要实时的计算光伏电池P-U曲线的曲率，因此涉及到求曲线二阶导数的问题，因而需要采样三个点才可以确定一个点的曲率。以下通过一具体实施例来进一步说明本发明的流程。图6为本发明较佳实施例的步骤流程图。
在开机启动的时候检测光伏电池板的开路电压Upv(k-3)，再给boost升压电路一个小的占空比信号d；检测光伏电池板电压，电流Upv(k-2),Ipv(k-2)，在此之后再给boost升压电路增加一占空比扰动量Δd使得d＝d+Δd，再检测光伏电池板的电压，电流Upv(k-1),Ipv(k-1)。有以上三点的电压电流，可以确定k-1点处的曲率。
由于P＝UI
首先计算k-2点处的斜率
再计算k-1点处的斜率：
由k-1，k-2两点的斜率可以确定k-1点处的二阶导数
将式(25)、(26)、(27)带入式(28)即可算出当前P-U曲线的曲率值
定下此点的曲率之后，再给boost升压电路占空比一个占空比扰动量Δd，即d＝d+2Δd，之后再测量光伏电池板的输出电压和电流Upv(k),Ipv(k)。
同上述计算过程，再计算P'(k-1),P'(k),P”(k)确定最终曲率K(k)，将计算当前时刻的曲率K(k)与前一时刻的曲率K(k-1)进行比较，并且根据步骤503执行下一步的boost升压电路的占空比变化方向，即判断|dR|＝|K(k)-K(k-1)|是否小于误差精度ε，若是，说明此时已经在最大功率点附近极小的范围变化，则Boost升压电路的控制端占空比D(k)＝D(k-1)，否则，进一步判断dR大于还是小于ε，若dR大于ε，则判断是否V(k)＞V(k-1)，若是，则D(k)＝D(k-1)-A/K(k-1)，若否，则D(k)＝D(k-1)+A/K(k)；若dR小于-ε，则判断是否V(k)＞V(k-1)，若是，则D(k)＝D(k-1)+A/K(k)，若否，则D(k)＝D(k-1)-A/K(k-1)。
可见，本发明一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统及方法，其通过实时计算光伏电池输出P-U曲线曲率增量的方法来决定跟踪方向，以实现光伏电池的最大功率点追踪，反应速度快，容易实现快速跟踪控制，适合于外界环境变化较快的区域使用，并且本发明在最大功率点附近震荡小，功率损失较少。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (7)
1.一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统，其特征在于：该系统包括光伏电池、Boost升压电路、电压电流采样电路、曲率计算模块以及占空比调整模块，其中，该光伏电池连接至该Boost升压电路的输入端，该电压电流采样电路连接该Boost升压电路的输出端，对输出电压和电流进行实时采样和量化并传送给曲率计算模块计算P-U曲线的曲率，该占空比调整模块根据曲率变化和该光伏电池输出电压变化的方向对该Boost升压电路的占空比进行实时调整，经过调整的占空比被送至该Boost升压电路的控制端控制该光伏电池的输出电压向功率输出最大方向调整。
2.如权利要求1所述的一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪系统，其特征在于：该Boost升压电路包括一电感、一MOS管、一二极管以及一滤波电容，该光伏电池连接至该电感之一端，该电感连接该MOS管的漏极和该二极管的阳极，该MOS管的源极接地，该二极管的阴极接该滤波电容和负载，该MOS管的栅极接占空比可调的控制信号。
3.一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法，包括如下步骤：
步骤一，实时采样光伏电池板的输出电压和电流；
步骤二，实时计算该光伏电池板输出的P-U曲线对应的曲率变化；
步骤三，根据曲率变化的方向和光伏电池板输出电压变化的方向确定下一步Boost升压电路的占空比变化方向；
步骤四，将经过调整的占空比被送至该Boost升压电路以控制该光伏电池板的输出电压向功率输出最大方向调整。
4.如权利要求3所述的一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，于步骤三中，该Boost升压电路占空比变化的方向分为以下几种情况：
(1)当V(k)＞V(k-1)且K(k)＞K(k-1)，
(2)当V(k)＞V(k-1)且K(k)＜K(k-1)，
(3)当V(k)＜V(k-1)且K(k)＞K(k-1)，
(4)当V(k)＜V(k-1)且K(k)＜K(k-1)，
(5)当|K(k)-K(k-1)|＜ε，Δd＝0，
其中，V(k)为k时刻该光伏电池板的输出电压，A是一个固定的系数，K(k)是曲线的k时刻的实时曲率，Δd为该Boost升压电路的占空比扰动量，ε为误差精度。
5.如权利要求4所述的一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于：于步骤二中，首先检测该光伏电池板k-3时刻的开路电压Upv(k-3)和电流Ipv(k-3)，再给该Boost升压电路一个小的占空比信号d；然后检测该光伏电池板k-2时刻的电压Upv(k-2)和电流Ipv(k-2)，在此之后再给Boost升压电路增加占空比使得d＝d+Δd，再检测该光伏电池板k-1时刻的电压Upv(k-1)，电流Ipv(k-1)，通过k-3、k-2、k-1三点的电压电流，确定k-1点处的曲率。
6.如权利要求5所述的一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于：
首先利用下式计算k-2点处的斜率P'(k-2)
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<mi>k</mi>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
由k-1,k-2两点的斜率可以确定k-1点处的二阶导数P”(k-1)如下式
<mrow>
<msup>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
</mrow>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
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<mn>1</mn>
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<mi>k</mi>
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<mi>k</mi>
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<mrow>
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<mi>P</mi>
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<mo>(</mo>
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<mi>P</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
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<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
将k-2点的斜率、k-1点的斜率以及k-1点的二阶导数利用下式计算出当前P-U曲线的k-1点的曲率值K(k-1)
<mrow>
<mi>K</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
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<mo>=</mo>
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<mi>P</mi>
<mrow>
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<mi>P</mi>
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<mi>k</mi>
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<mn>1</mn>
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<mn>2</mn>
</mrow>
</msup>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
7.如权利要求6所述的一种基于P-U曲率特性的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于：再给该Boost升压电路占空比一个占空比扰动量Δd，即d＝d+2Δd，然后再测量该光伏电池板的输出电压Upv(k)和电流Ipv(k)，然后计算k-1点处的斜率P'(k-1)、k点处的斜率P'(k)以及k点处的二阶导数P”(k)，并确定最终曲率K(k)。
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