CN105425895B - 一种新型变步长光伏最大功率跟踪系统及方法 - Google Patents

一种新型变步长光伏最大功率跟踪系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型变步长光伏最大功率跟踪系统及方法。本发明以光伏发电系统为研究对象，针对传统最大功率跟踪方法无法兼顾动态、稳态性能和容易发生误判的不足，提出了一种新型变步长光伏最大功率跟踪系统及方法。本系统由光伏阵列、升压电路、DSP控制器、负载组成，本最大功率跟踪方法是基于电导增量法的新型变步长最大功率跟踪控制方法。经仿真验证，本方法在外界光照强度剧烈变化时，该方法能快速、准确地跟踪系统变化，快速到达新的稳态工作点，具有较好动态响应特性。在光伏发电系统的设计中，具有重要的理论意义和实用价值。

Description

一种新型变步长光伏最大功率跟踪系统及方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，特别是涉及一种大功率跟踪系统及方法。
背景技术
太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是采用太阳电池将光能转换成电能的发电方式，而且随着技术不断进步，光伏电池是最具发展前景的发电技术之一。太阳电池的基本原理为半导体的光伏效应，即在太阳光照射下产生光电压现象。1954年美国贝尔实验室首次发明了以PN结为基本结构的具有使用价值的晶体硅太阳电池，从此太阳能电池首先在太空技术中得到广泛应用，现在开始逐步在地面得到推广应用。太阳能光伏发电由于不受能源资源、原材料和应用环境的限制，具有最广阔的发展前景，是各国最着力发展的可再生能源技术之一，是未来世界和电力的主要来源。
在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境如光照强度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(Maximum Power Point，MPP)上。为了尽可能地提高光伏发电的能量转换效率，使光伏电池在应用环境不断变化的情况下，一直保持最大功率输出，光伏发电系统MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率跟踪)技术应运而生。通过最大功率跟踪，可以实现光伏电池输出功率最大化，极大提高光伏电池的利用效率。因此，针对于光伏最大功率跟踪控制技术的研究已成为光伏发电领域的热点之一。
寻找一种新型最大功率跟踪系统及方法，使其同时满足最大功率点跟踪时的快速性和准确性要求，并且满足光照或者温度条件剧烈变化时的跟踪要求，是现代光伏发展要求对最大功率跟踪控制方法的要求。经对现有技术文献的检索发现，(一种新型的最大功率跟踪算法及其硬件实现，中国专利号：CN201410504089.5)提出了一种最大功率跟踪方法，它通过采样测量当前太阳能电池板开路电压和蓄电池电压，在不同的情况下输出不同曲线，通过比较电流采样单元实时采样输出电流,获得太阳能电池板最大功率点，且不受光照、温度、阴影遮挡等环境因素限制。但是采样过程复杂，不便于应用于各种环境中。为了提高最大功率跟踪方法进行最大功率点跟踪时的快速性和准确性，本发明在传统定步长最大功率跟踪方法的基础上提出了变步长最大功率跟踪方法。同时，我们引入了确保最大功率跟踪方法收敛性的可变比例系数，能随着跟踪过程而改变，这个比例系数的选择确保了系统能取得良好的动态响应和稳定性能。本发明能快速、准确地跟踪系统变化，快速到达新的稳态工作点，具有较好动态响应特性。在光伏发电系统的设计中，具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是针对光伏发电系统，提出了一种基于电导增量法(IncrementalConductance，INC)的新型变步长最大功率跟踪系统及控制方法。
本发明的最大功率跟踪系统由光伏阵列、检测装置、升压电路、DSP控制器、负载组成，检测装置包括电流互感器和电压互感器。升压电路输入端与光伏阵列连接，输出端与负载连接，检测装置装载在光伏阵列的输出端，将电流电压检测结果传递给DSP控制器，DSP控制器根据检测结果和内置的最大功率跟踪控制算法，计算出占空比信号，控制升压电路的工作，实现光伏系统最大功率跟踪控制。
传统的INC方法通常采用一个固定的迭代步长来进行最大功率点跟踪。然而这种定步长的电导增量法存在明显缺陷：若步长较小，会使光伏电池较长时间滞留在低功率输出区域；若步长过大，又会加剧系统震荡。传统的INC方法只能兼顾二者要求，在动态响应性能和最大功率跟踪稳态震荡中取得一个折中效果。为了提高电导增量法进行最大功率点跟踪时的快速性和准确性，在INC方法的基础上提出了变步长的INC方法。
变步长INC方法的基本思想：由光伏电池的P-V特性曲线特征可以看出：在整个电压范围内功率曲线为一单峰函数，在最大功率点电压Umpp处dP/dU＝0，而在Umpp两侧dP/dU均不为0。如果采用变步长的电导增量法，则要求：在远离最大功率点区域，跟踪的步长适度变大，以提高最大功率跟踪速度；而在最大功率点附近区域，系统跟踪的步长适当变小，以提高最大功率跟踪精度。显然，可以考虑将步长设计为dP/dU的函数，即令步长ΔU＝A×dP/dU，通过设置合适的A，就可以实现基于变步长电导增量法的最大功率跟踪控制，式中U为电压，P为功率。下面在传统的变步长INC方法的基础上，提出一种新型变步长INC方法。
本发明所提出的最大功率跟踪方法是一种新型变步长INC方法。该改进后的最大功率跟踪方法与传统变步长INC方法最主要的区别在于其提出了一种特殊的阈值函数(N)，它是输出电压(V)和光伏阵列功率微分的绝对值(|dP/dI|)的乘积。
N＝V*|dP/dV|
从光伏系统发电曲线图2可以看出，INC方法运行模式根据左分割点(LDP，LeftDivided Point)和右分割点(RDP，Right Divided Point)而改变。如图1所示，该阈值函数曲线的左分隔点对应于最大功率点左侧电压值(V1)，右分割点对应于最大功率点右侧电压值(V2)。当光伏阵列工作在LDP和RDP之间时，INC运行在变步长模式。否则，它工作在定步长模式。这个过程可被表示为：
其中，ΔN/ΔV为阈值函数的增量；P(k)为k时刻光伏输出功率值；N(k)为k时刻阈值函数值。
传统的变步长INC方法采用固定的比例因子，易导致方法无法满足光照或者温度条件剧烈变化时的跟踪要求。本发明提出新型变步长INC方法采用可变比例因子从而确定可变步长的大小。
由均值不等式
可以推导出：
令b＝1，则：
由图2可知，光伏电池P-V特性曲线关于MPP点呈非对称，因此在MPP左右两侧可采用不同跟踪步长。采用d1和d2作为固定的步长大小，d1适用于最大功率点左侧，d2适用于最大功率点右侧，d1和d2是系统根据具体情况而定的固定值，可变步长大小由下述等式来确定：
令ΔDmax＝min{d1,d2}，可得：ΔD(k)<ΔDmax。
变步长规则满足上式，因此该新型变步长INC方法能按照更新规则收敛，确保最大功率跟踪方法的收敛性。新型变步长INC方法控制流程图如图3所示。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：在远离最大功率点区域，跟踪的步长适度变大，以提高最大功率跟踪速度；而在最大功率点附近区域，系统跟踪的步长适当变小，以提高最大功率跟踪精度。本发明能快速、准确地跟踪系统变化，快速到达新的稳态工作点，具有较好动态响应特性。
附图说明
图1是新型光伏最大功率跟踪系统框图。
图2是光伏系统P-V特性曲线以及阈值函数(C)曲线图。
图3是新型变步长INC方法控制流程图。
图4是新型变步长INC方法的步长大小变化图。
图5是光伏输出电压变化图。
图6是光伏输出功率变化图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细的说明，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
图1是新型光伏最大功率跟踪系统框图，由光伏列阵、升压电路、DSP(digitalsignal processing)控制器、负载组成，该系统模型由光伏电池模型、升压电路模型、最大功率跟踪控制模块组成。通过采样光伏电池输出电压、输出电流进入最大功率跟踪控制模块，方法实现和脉宽调制，最大功率跟踪控制模块输出点空比信号，从而实现光伏系统最大功率跟踪控制。
图2是光伏系统P-V特性曲线以及阈值函数(C)曲线图，如图所示，INC算法运行模式根据左分割点(LDP)和右分割点(RDP)而改变。该阈值函数曲线的左分隔点对应于最大功率点左侧电压值(V1)，右分割点对应于最大功率点右侧电压值(V2)。当光伏阵列工作在LDP和RDP之间时，INC运行在变步长模式。否则，它工作在定步长模式。这个过程可被表示为：
其中，ΔN/ΔV为阈值函数的增量；P(k)为k时刻光伏输出功率值；N(k)为k时刻阈值函数值。
传统的变步长INC方法采用固定的比例因子，易导致方法无法满足光照或者温度条件剧烈变化时的跟踪要求。本发明提出新型变步长INC方法采用可变比例因子从而确定可变步长的大小。
由均值不等式
可以推导出：
令b＝1，则：
由图2可知，光伏电池P-V特性曲线关于MPP点呈非对称，因此在MPP左右两侧可采用不同跟踪步长。采用d1和d2作为固定的步长大小(d1适用于最大功率点左侧，d2适用于最大功率点右侧)，因此可变步长大小可以由下述等式来确定：
令ΔDmax＝min{d1,d2}，可得：ΔD(k)<ΔDmax
变步长规则满足上式，因此该新型变步长INC方法能按照更新规则收敛，确保最大功率跟踪方法的收敛性。新型变步长INC方法控制流程图如图3所示，新型变步长变化图如图4所示。
为说明本发明所提出的新型变步长INC方法的正确性与优越性，本发明建立光伏最大功率跟踪方法验证模型，并对比定步长INC方法、传统变步长INC方法、新型的INC方法三者在稳定外界环境下跟踪效果和外界环境条件剧烈变化时跟踪效果。
根据本发明所提出的一种新型变步长INC方法，基于Simulink仿真环境下建立光伏最大功率跟踪方法验证仿真模型。该模型由光伏阵列模型、升压电路模型、最大功率跟踪控制模块组成。通过采样光伏电池输出电压、输出电流进入最大功率跟踪控制模块，最大功率跟踪控制模块输出点空比信号，从而实现光伏系统最大功率跟踪控制。仿真中使用定步长Fix-Step模式，discrete方法，仿真时间为1s，最小时间间隔为1e-6。
仿真模型中通过设置光照强度的变化来模拟外界环境条件的剧烈变化。在0.8s时，光照强度从1000W/m2突降到600W/m2，在2s时又从600W/m2升至1000W/m2，通过比较三种方法在外界环境稳定时跟踪动态响应以及稳态震荡幅度，在外界环境条件突变瞬间是否发生误判以及是否能够重新回到稳定状态及所需时间，从而对比三种方法的优缺点。下面以方法一指代新型变步长INC方法，方法二指代传统变步长方法，方法三指代固定步长INC方法。
图5和图6分别为光伏输出电压、光伏输出功率在光照强度变化下的变化情况。系统在初始时刻光照强度为1000W/m2，方法一经过Δt5时间到达稳态，其稳态电压震荡幅度约为19.1548V，稳态功率震荡幅度约为117.5W，0.8s内输出平均功率为4922.7W；方法二经过Δt4时间到达稳态，其稳态电压震荡幅度约为31.4121V，稳态功率震荡幅度约为239.6W，0.8s内输出平均功率为4833.3W；方法三经过Δt3时间到达稳态，其稳态电压震荡幅度约为24.5481V，稳态功率震荡幅度约为131.5W，0.8s内输出平均功率为4336.8W；结果分析如表1所示。同理可分析光照强度在600W/m2时，三种方法的跟踪效果。综合比较可得，在稳定外界环境条件下，三种方法的跟踪动态响应性能依次递减，方法一最优，方法二次之，方法三效果最差。
表1 三类最大功率跟踪方法效果统计
系统在0.8s时光照强度从1000W/m2突降到600W/m2，方法一可立即进入新稳态，方法二发生短暂误判，经过Δt1时间到达稳态；方法三同样发生短暂误判，经过Δt2时间到达稳态。三种效果在到达新稳态后稳态震荡均很小。同理可分析系统光照强度在2s时又从600W/m2突然升至1000W/m2时三者的跟踪效果。综合比较可得，在外界环境发生剧烈变化时，方法一能快速应对变化，不发生过误判，较快进入新的稳态；方法二和方法三都发生短暂误判，均能经过一段时间后进入新的稳态，但方法二因发生误判而损失的功率为265.5W，方法三因发生误判而损失的功率为605.1W。
仿真结果表明，所提出的新型变步长INC方法能够同时兼顾光伏系统动态响应性能和稳态振荡要求，具有跟踪速度快，精度高的优势；同时在外界光照强度剧烈变化时，该方法能快速、准确地跟踪系统变化，不发生误判，快速到达新的稳态工作点，具有较好动态响应特性。

Claims (1)

1.一种新型变步长最大功率跟踪方法，其特征在于采用的跟踪系统包括光伏阵列、检测装置、升压电路、DSP控制器和负载，检测装置包括电流互感器和电压互感器；升压电路输入端与光伏阵列连接，输出端与负载连接，检测装置装载在光伏阵列的输出端，将电流电压检测结果传递给DSP控制器，DSP控制器根据检测结果和内置的最大功率跟踪控制算法，计算出占空比信号，控制升压电路的工作，实现光伏系统最大功率跟踪控制；具体包括如下步骤：
(1)获取检测装置在k时刻的检测到的检测电流、检测电压，记为V(k)、I(k)，并记k-1时刻的检测电流、检测电压为V(k-1)、I(k-1)；
(2)根据获取的检测量，采用电导增量法，将光伏系统P-V特性曲线分为4个区域；所述的电导增量法，在远离最大功率点区域，跟踪的步长变大，以提高最大功率跟踪跟踪速度；而在最大功率点附近区域，跟踪的步长变小，以提高最大功率跟踪跟踪精度；将步长设计为dP/dU的函数，即令步长ΔU＝A×dP/dU，通过设置参数A，就能实现基于变步长电导增量法的最大功率跟踪控制，式中U为电压，P为功率；
所述的将光伏系统P-V特性曲线分为4个区域，提出了一种特殊的阈值函数N，它是输出电压(V)和光伏阵列功率微分的绝对值(|dP/dV|)的乘积；
N＝V*|dP/dV|，
将光伏系统P-V特性曲线分为4个区域，在区域1、4工作在传统的定步长模式，在区域2、3工作在变步长模式，该过程表示为：
式中，ΔN/ΔV为阈值函数的增量；P(k)为k时刻光伏输出功率值；N(k)为k时刻阈值函数值；
(3)在所划分的4个区域使用不同的步长，利用可变比例因子从而确定可变步长的大小，最终逼近最大功率点；所述的不同步长确定方法，采用可变比例因子从而确定可变步长的大小；
由均值不等式
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推导出：
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令b＝1，则：
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由于光伏电池P-V特性曲线关于最大功率点呈非对称，因此在最大功率点左右两侧可采用不同跟踪步长；采用d1和d2作为固定的步长大小，d1适用于最大功率点左侧，d2适用于最大功率点右侧，d1和d2是系统根据具体情况而设定的固定值，可变步长大小由下述等式来确定：
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令ΔDmax＝min{d1,d2}，所以ΔD(k)<ΔDmax，式中Vmpp为最大功率点电压，VOC为光伏系统最大电压，k为正整数；
(4)使k加1，返回步骤(1)。
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Assignee: Guangzhou Development Zone Yuedian new energy Co.,Ltd.

Assignor: SOUTH CHINA University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980036273

Denomination of invention: A Novel Variable Step Photovoltaic Maximum Power Tracking System and Method

Granted publication date: 20170825

License type: Common License

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