CN105116958B - 光伏阵列自适应步长扰动观察法mppt控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明为光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，主要步骤如下：对光伏阵列PV的输出电压和电流采样，得到P-U特性曲线，其不完全微分和理想微分对应的PV端电压为U_a和U_b，分为三个区间Ⅰ为0～U_a、Ⅱ为U_a～U_b、Ⅲ为大于U_b。区间I内以步长d1正向扰动；区间Ⅱ内以步长(2η-1)d1反向扰动；区间Ⅲ内以步长d1反向扰动本系统电压电流传感器信号采样接入微处理器，程序存储器中存储有执行本法的各处理模块，微处理器的输出接入脉宽调制模块PWM，PWM输出驱动信号控制光伏阵列的直流转换电路，实现最大功率点跟踪。本发明MPP附近小步长跟踪，较远区间大步长跟踪，步长的自适应调整，提高抗干扰能力，有效减小PV功率损失和能量利用率。

Description

光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法与系统

技术领域

本发明涉及光伏阵列系统的控制技术领域，具体为光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT(MaximumPowerPointTracking)控制方法与系统，通过引入不完全微分的扰动观察法，自适应调整步长，达到的有效控制跟踪最大功率点。

背景技术

光伏发电产业作为解决人类日益凸显的能源问题和环境问题的战略产业正在飞速发展。但目前光伏阵列的光电转换效率低，仅约18％，且其输出功率不稳定，阻碍光伏产业的发展。

光伏电池阵列的电流-电压(I-U)特性受光照强度S、电池温度T及负载R的影响，具有很强的输出非线性。

当光伏电池的外界环境和负载一定时，光伏电池输出功率存在唯一最大功率点(MPP，MaximumPowerPoint，)。图1所示是光伏电池阵列功率-电压(P-U)特性曲线(图1中的实线)及电流-电压I-U特性曲线(图1中的占划线)。由图1的光伏电池阵列的P-U输出曲线特性可知：

光伏(PV，Photovoltaic)阵列输出功率P_pv＝u_pvi_pvu_pv、i_pv分别为光伏阵列端电压及其输出电流。

1)在最大功率点MPP左侧：

2)在最大功率点MPP右侧：

3)在最大功率点MPP点上：

光伏阵列系统最大功率点跟踪控制，即MPPT控制，的目的是控制光伏阵列的端电压，使光伏阵列输出功率始终跟踪MPP、即保持与MPP的距离尽可能小。

光伏发电系统主要由光伏阵列PV、直流-直流(DC-DC)变换电路、MPPT控制器和负载或蓄电池R_L组成。

光伏发电系统的MPPT控制器监测光伏阵列PV的输出电压u_pv和电流i_pv，根据光伏阵列实时电压和电流，产生对应的脉宽调制PWM信号，送入DC-DC变换电路中开关管(MOSFET或IGBT)控制端、调节开关管通断的占空比，以调节光伏阵列等效负载阻抗与光伏阵列阻抗的匹配(相等)，实现光伏发电系统的最大功率输出。

扰动观察法(Perturb&Observemethod,P&O)控制实现简单，是实际工程应用中实现最大功率点跟踪(MPPT)控制的首选方法。

扰动观察法每隔一定的时间，增加或减少扰动变量，即通过控制脉宽调信号PWM，增加或减少DC-DC变换电路中开关管的占空比，调节光伏阵列端电压，观察光伏阵列功率变化方向来判断下一步控制信号的扰动方向，若输出功率增加，则控制信号按前一周期的方向扰动；若输出功率减少，则反方向扰动。

扰动观察法跟踪到的最大功率值会在最大功率点附近频繁地摆动或振荡。采用大步长跟踪时，光伏阵列输出功率在最大功率点附近的振荡较大，会造成大量的能量损失；采用小步长跟踪，则在外界环境变化时，MPPT控制系统不能以较快的速度跟踪到新的最大功率点，也造成较大的功率损失。

当光伏阵列PV的k时刻输出电压u_pv(k)和电流i_pv(k)，功率P_PV(k)＝u_pv(k)×i_pv(k)，扰动观察法根据对功率的理想微分、判断ΔP_PV(k)的正负，再根据u_pv(k)相对前一时刻u_pv(k-1)增或减，决定下一时刻u_pv(k+1)＝u_pv(k)+Δu或者u_pv(k+1)＝u_pv(k)-Δu。由于外界环境(光照、温度)的变化及采样电压、电流中测量干扰的影响，干扰造成对ΔP_pv＝0、ΔP_pv＞0及u_pv(k)-u_pv(k-1)＞0是否成立的判断失误，进而导致u_pv(k+1)＝u_pv(k)±△u的扰动失误，即扰动观察法跟踪最大功率时出现误判，将造成跟踪最大功率点需要的时间加长。

扰动观察法实现MPPT控制的过程中，扰动步长判断失误会影响DC-DC变换电路中开关管控制信号PWM占空比的调节，降低最大功率点的跟踪精度。

发明内容

本发明的目的是设计一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，针对光伏阵列系统的传统定步长对扰动观察法步长判断函数中电压、电流微分值，易受测量干扰、环境变化带来的影响，导致最大功率点附近的扰动步长误判，且不能兼顾跟踪速度与跟踪精度问题，引入不完全微分代替理想微分，对应得到不完全微分代替理想微分，避免扰动步长误判，通过自适应变步长地调整，实现了光伏阵列最大功率点的有效跟踪，运算简洁，易于工程实现。

本发明的另一目的是设计一种实现上述光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法的光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统。

不完全微分(IncompleteDifferential，ID)来自于不完全微分比例-积分(PID)控制算法，所述微分在数学上是求导的概念。ID等价于理想求导与一阶惯性环节串联。一阶惯性环节属于相位滞后环节，具有积分功能。因此不完全微分在实现微分功能的同时，其积分功能还具有对高频干扰的滤波作用。

不完全微分的传递函数：

$G\left(s\right)=\frac{s}{1+Ts}---\left(1\right)$

其中，s是拉普拉斯(Laplace)算子，T是时间常数。

其后向差分的离散方程：

$y\left(k\right)=\frac{T}{\mathrm{\Δ}t+T}y(k-1)+\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\Δ}t+T}\frac{\left(x\right(k)-x(k-1)}{\mathrm{\Δ}t})---\left(2\right)$

式中，x是输入信号；y是x的不完全微分；T是时间常数；△t是采样周期，单位为秒。

其等价式：

$y\left(k\right)=\mathrm{\α}y(k-1)+(1-\mathrm{\α})\frac{\left(x\right(k)-x(k-1\left)\right)}{\mathrm{\Δ}t}---\left(3\right)$

式中，α＝T/(T+Δt)，y是x的不完全微分。

即得到：y(k)是当前k时刻x理想微分:(x(k)-x(k-1))/△t的不完全微分，y(k-1)是y(k)前一时刻值。

在光伏阵列中功率对电压不完全微分

根据(3)式，的不完全微分△PP_pv：

${\mathrm{\ΔPP}}_{pv}\left(k\right)=a\·{\mathrm{\ΔPP}}_{pv}(k-1)+(1-a)\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{pv}}{{\mathrm{\Δu}}_{pv}}---\left(4\right)$

△PP_pv(k)为当前k时刻的功率对电压的不完全微分，△PP_pv(k-1)为前一时刻的功率对电压的不完全微分，与功率对电压的理想微分即对应。

本发明设计的一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，主要步骤如下：

步骤1、电压电流采样

对光伏阵列PV的输出电压u_pv和电流i_pv采样，P_PV＝u_pv×i_pv，得到光伏阵列功率-电压特性曲线，即P-U特性曲线；

步骤2、求不完全微分和理想微分

对光伏阵列P-U特性曲线分别求P_pv对u_pv的不完全微分△PP_pv和理想微分dP_pv/du_pv；

步骤3、区间划分

dP_pv/du_pv＝0对应的光伏阵列端电压为U_a，△PP_pv＝0对应的光伏阵列端电压为U_b。则U_a、U_b将光伏阵列端电压U分为三个区间：区间Ⅰ为0～U_a、区间Ⅱ为U_a～U_b、区间Ⅲ为U大于U_b；

步骤4、自适应步长扰动

扰动方向判断条件如下式：

d＝(ηsgn(dP_pv/du_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv))d1

式中，sgn是符号函数，d1为步长，取值为0.1～0.3，η为调整系数，设定初始扰动方向为正，

$\mathrm{sgn}\left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)>0\\ 0,& \left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)=0\\ -1,& \left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)<0\end{array}\right.;$

$\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}>0\\ 0,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}=0\\ -1,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}<0\end{array}\right.;$

d>0时，表示扰动方向为正；d<0时，表示扰动方向为负；d＝0时，表示不扰动；

取-1＜1-2η＜0；

①在区间Ⅰ内：

ηsgn(dP_pv/dU_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv)＝1

在区间Ⅰ内扰动方向为正，以设定步长d1正向扰动；

②在区间Ⅱ内：

$\mathrm{\&eta;}\mathrm{sgn}\left(\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{du}}_{PV}}\right)+(1-\mathrm{\&eta;})\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\&Delta;PP}}_{PV}\right)=1-2\mathrm{\&eta;}$

如前所设，-1＜1-2η＜0，

在区间Ⅱ内扰动方向为负，以步长(2η-1)d1反向扰动；

③在区间Ⅲ内：

ηsgn(dP_pv/du_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv)＝-1

在区间Ⅲ内扰动方向为负，以设定步长d1反向扰动。

本方法主要以两种步长进行最大功率点跟踪，设定步长d1，则最大功率值附近的步长为(2η-1)d1。

较佳方案取0.55≤η≤0.65，则0.1d1≤(2η-1)d1≤0.3d1。

本发明设计的一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统，用以实现上述光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法。本发明的MPPT控制系统包括：微处理器、电压传感器和电流传感器，微处理器配有通用接口。

与光伏阵列输出端连接的电压传感器和电流传感器采样信号接入模数转换器，再经通用接口连接微处理器。微处理器连接有程序存储器和数据存储器，程序存储器含有电压、电流数据采集模块、功率对电压不完全微分的计算模块；功率对电压理想微分的计算模块；光伏阵列电压区间判断及自适应步长选择模块。数据存储器存储有设定步长、η的值以及采样数据。

微处理器的输出接入脉宽调制模块PWM，脉宽调制模块的输出的驱动信号接入光伏阵列直流转换电路中的开关管，调节光伏阵列的负载与光伏阵列内阻相匹配，实现最大功率点跟踪。开关管为MOS场效应管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管IGBT。

微处理器还连接CAN接口，以与其它设备通信。

微处理器及所连接的程序存储器、数据存储器和通用接口构成嵌入式处理系统。

与现有技术相比，本发明光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法与系统的优点为：1、在扰动步长判断条件中加入不完全微分，有效减小了传统扰动观察法扰动步长判断函数中理想微分带来的高频干扰，避免了最大功率点附近扰动误判，提高了扰动观察法的抗干扰能力；2、采用步长的自适应调整，最大功率点附近的小步长跟踪，距最大功率点较远区间大步长跟踪，在不影响光伏系统最大功率跟踪速度的前提下，有效减小跟踪最大功率过程中的功率损失、提高光伏发电系统能量利用率；同时不影响跟踪速度，提高了MPPT控制的跟踪精度；3、不完全微分不仅解决了理想微分存在的问题，且因不完全微分本质上在微分过程中增加了积分作用，故有良好的滤波功能，将功率对电压的不完全微分与功率对电压的理想微分结合，作为扰动步长判断条件，无需设定阈值即可实现扰动观察法的变步长扰动；4、结构简洁、易于工程实现。

附图说明

图1为光伏电池阵列功率-电压(P-U)特性曲线及电流-电压I-U特性曲线图；

图2为本光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法实施例扰动区间划分示意图；

图3为本光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法实施例流程图；

图4为本光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统实施例结构示意图。

具体实施方式

光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法实施例

本光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法实施例流程图如图3所示，主要步骤如下：

步骤1、电压电流采样

对光伏阵列PV的输出电压u_pv和电流i_pv采样，P_PV＝u_pv×i_pv，得到光伏阵列功率-电压特性曲线，即P-U特性曲线；

步骤2、求不完全微分和理想微分

对光伏阵列P-U特性曲线分别求P_pv对u_pv的不完全微分△PP_pv和理想微分dP_pv/du_pv；

步骤3、区间划分

如图2所示，dP_pv/du_pv＝0对应的光伏阵列端电压为U_a，△PP_pv＝0对应的光伏阵列端电压为U_b。则U_a、U_b将光伏阵列端电压U分为三个区间：区间Ⅰ为0～U_a、区间Ⅱ为U_a～U_b、区间Ⅲ为U大于U_b；

步骤4、自适应步长扰动

扰动方向判断条件如下式：

d＝(ηsgn(dP_pv/du_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv))d1

式中，sgn是符号函数，d1为步长，本例取0.1，η为调整系数，设定初始扰动方向为正，

$\mathrm{sgn}\left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)>0\\ 0,& \left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)=0\\ -1,& \left({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv}\right)<0\end{array}\right.;$

$\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}>0\\ 0,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}=0\\ -1,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}<0\end{array}\right.;$

d>0时，表示扰动方向为正；d<0时，表示扰动方向为负；d＝0时，表示不扰动；

本例η＝0.6,1-2η＝-0.2；

①在区间Ⅰ内：

ηsgn(dP_pv/dU_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv)＝1

在区间Ⅰ内扰动方向为正，以设定步长d1正向扰动；

②在区间Ⅱ内：

$\mathrm{\&eta;sgn}\left(\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{PV}}}{{\mathrm{du}}_{\mathrm{PV}}}\right)+(1-\mathrm{\&eta;})\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\&Delta;PP}}_{\mathrm{PV}}\right)=1-2\mathrm{\&eta;}=-0.2$

在区间Ⅱ内扰动方向为负，以步长0.2dl反向扰动；

③在区间Ⅲ内：

ηsgn(dP_pv/du_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv)＝-1

在区间Ⅲ内扰动方向为负，以设定步长d1反向扰动。

本方法主要以两种步长进行最大功率点跟踪，设定步长d1，则最大功率值附近的步长为0.2dl。

光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统实施例

本光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统实施例如图4所示，用以实现上述光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法实施例。本例MPPT控制系统包括：微处理器、电压传感器和电流传感器，微处理器配有通用接口。与光伏阵列输出端连接的电压传感器和电流传感器采样信号接入模数转换器，再经通用接口连接微处理器。微处理器连接有程序存储器和数据存储器，程序存储器含有电压、电流数据采集模块、功率对电压不完全微分的计算模块；功率对电压理想微分的计算模块；光伏阵列电压区间判断及自适应步长选择模块。数据存储器存储有设定步长、η的值以及采样数据。

微处理器的输出接入脉宽调制模块PWM，脉宽调制模块的输出的驱动信号接入光伏阵列直流转换电路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT，调节光伏阵列的负载与光伏阵列内阻相匹配，实现最大功率点跟踪。

微处理器还连接CAN接口，以与其它设备通信。

微处理器及所连接的程序存储器、数据存储器及通用接口构成嵌入式处理系统。

在本光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统实施例实现本光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，跟踪0.6m×0.5m光伏阵列的最大功率点，MTTP结果平均最大功率达到约85.29W，光伏阵列的能量利用率约为97.31％，比传统扰动观察法MTTP的结果提高了约3.89％。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，主要步骤如下：

步骤1、电压电流采样

对光伏阵列的输出电压u_pv和电流i_pv采样，P_PV＝u_pv×i_pv，得到光伏阵列功率-电压特性曲线，即P-U特性曲线；

步骤2、求不完全微分和理想微分

对光伏阵列P-U特性曲线分别求P_pv对u_pv的不完全微分△PP_pv和理想微分dP_pv/du_pv；

步骤3、区间划分

dP_pv/du_pv＝0对应的光伏阵列端电压为U_a，△PP_pv＝0对应的光伏阵列端电压为U_b；则U_a、U_b将光伏阵列端电压U分为三个区间：区间Ⅰ为0～U_a、区间Ⅱ为U_a～U_b、区间Ⅲ为U大于U_b；

步骤4、自适应步长扰动

扰动方向判断条件如下式：

d＝(ηsgn(dP_pv/du_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv))d1

式中，sgn是符号函数，d1为设定步长，取值为0.1～0.3；η为调整系数，设定初始扰动方向为正，

$\mathrm{sgn}({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv})=\left\{\begin{array}{cc}1,& ({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv})>0\\ 0,& ({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv})=0\\ -1,& ({\mathrm{dP}}_{pv}/{\mathrm{du}}_{pv})<0\end{array}\right.;$

$\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}>0\\ 0,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}=0\\ -1,& {\mathrm{\&Delta;PP}}_{pv}<0\end{array}\right.;$

d>0时，表示扰动方向为正；d<0时，表示扰动方向为负；d＝0时，表示不扰动；

取-1＜1-2η＜0；

①在区间I内：

ηsgn(dP_pv/du_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv)＝1

在区间Ⅰ内扰动方向为正，以设定步长d1正向扰动；

②在区间Ⅱ内：

$\mathrm{\&eta;}\mathrm{sgn}\left(\frac{{\mathrm{dP}}_{PV}}{{\mathrm{du}}_{PV}}\right)+(1-\mathrm{\&eta;})\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\&Delta;PP}}_{PV}\right)=1-2\mathrm{\&eta;}$

如前所设，-1＜1-2η＜0；

在区间Ⅱ内扰动方向为负，以步长(2η-1)d1反向扰动；

③在区间Ⅲ内：

ηsgn(dP_pv/du_pv)+(1-η)sgn(△PP_pv)＝-1

在区间Ⅲ内扰动方向为负，以设定步长d1反向扰动。

2.根据权利要求1所述的光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，其特征在于：

所述步骤4中取0.55≤η≤0.65，则0.1d1≤(2η-1)d1≤0.3d1。

3.根据权利要求1或2所述的光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法设计的一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统，包括微处理器、电压传感器和电流传感器，微处理器配有通用接口，与光伏阵列输出端连接的电压传感器和电流传感器采样信号接入模数转换器，再经通用接口连接微处理器；其特征在于：

所述微处理器连接有程序存储器和数据存储器，所述程序存储器含有电压、电流数据采集模块；功率对电压不完全微分的计算模块；功率对电压理想微分的计算模块；光伏阵列电压区间判断及自适应步长选择模块；所述数据存储器存储有设定步长、η的值以及采样数据；

所述微处理器的输出接入脉宽调制模块，脉宽调制模块输出的驱动信号接入光伏阵列直流转换电路中的开关管。

4.根据权利要求3所述的光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统，其特征在于：

所述开关管为MOS场效应管或绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求3所述的光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统，其特征在于：

所述微处理器还连接CAN接口。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统，其特征在于：

所述微处理器及所连接的程序存储器、数据存储器和通用接口构成嵌入式处理系统。