CN105573400B - 一种光伏发电系统最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，基于自适应变步长电阻增量法，综合考虑光伏系统动态性能和稳态性能，通过引入步长转换函数对光伏电池输出P‑U特性曲线进行分界。根据光伏电池生产厂家提供的光伏电池参数，选用系统工作在定步长模式下最大功率点左侧和右侧定步长区域两个不同的定步长，且二者满足一定的比例关系，并选取系统在变步长模式下的速度因子。在外界环境剧烈变换的条件下，自适应变步长电阻增量法相比于定步长电阻增量法，可以提高系统的响应速度和稳态精度；模拟自然条件下外界环境缓慢变换情形，自适应变步长算法依然具有较好的动态和稳态性能。因此，本发明方法有效地提高了最大功率点跟踪的速度和稳定的精度。

Description

一种光伏发电系统最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种基于自适应变步长电阻增量法的光伏发电系统最大功率跟踪控制方法。

背景技术

太阳能作为一种新型绿色能源，可解决因常规能源枯竭而引发的能源危机，受到国内外的广泛关注。而光伏发电则是当前利用太阳能的主要形式之一。光伏电池的输出特性具有较强非线性特征，它的输出功率不仅与光伏电池内部特性有关，还受到外界环境条件(光照、温度)的影响，采用最大功率点跟踪技术(Maximum power point track,MPPT)可有效提升光伏系统的能量转换效率。

常用MPPT方法中开路电压系数法和短路电流系数法，控制简单易于实现，但需要周期性的断开或短路光伏电池，导致较多功率损失，且其工作点并不是真正的最大功率点。扰动观察法通过对光伏板的输出电压施加扰动，检测输出功率的变化来跟踪最大功率。对定步长扰动观察法，大步长可提升跟踪速度，但最大功率点附近功率振荡大，能量损失严重；小步长可减少能量损失，提高稳态精度，但会降低跟踪速度。电导增量法通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变系统的控制信号。除此之外，还有基于智能控制的MPPT方法，文献Efficiency Optimization of a DSP-Based Standalone PV System UsingFuzzy Logic and Dual-MPPT Control(Al Nabulsi A,Dhaouadi R.IEEE Transactionson Industrial Informatics,2012,8(3):573-584.)提出基于模糊算法的最大功率点跟踪控制策略，具有稳态精度高，鲁棒性强的特点，但该算法有效性依赖于设计者的经验。文献Acost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking(ChenY,Smedley K M.Power Electronics,IEEE Transactions on,2004,19(5):1289-1294)采用神经网络算法进行最大功率跟踪，但需要对每块光伏板进行训练以获取其控制规则。文献Design of a Sliding-Mode-Controlled SEPIC for PV MPPT Applications(Mamarelis E,Petrone G,Spagnuolo G.IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2014,61(7):3387-3398)采用滑膜变结构控制提高系统的动态性能，但其参数设计较为复杂，实用性不高。

针对变步长控制策略检索相关技术文献，High-performance algorithms fordrift avoidance and fast tracking in solar MPPT system(Pandey A,N.Dasguptaand A.K.Mukerjee,High-performance algorithms for drift avoidance and fasttracking in solar MPPT system.IEEE Transactions on Energy Conversion,2008.23(2):p.681-689.)提出一种变步长扰动观察法，能较好的兼顾系统稳态性能和动态性能。但适用范围有限，并且变步长系数确定比较麻烦。A Variable Step Size INC MPPT Methodfor PV Systems(Fangrui L,Shanxu D,Fei L,et al.A Variable Step Size INC MPPTMethod for PV Systems.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008.55(7):p.2622-2628.)讨论了一种变步长电导增量法，给出了变步长的步长公式，但该方法在外界条件剧烈变化的情况下跟踪效果不是很好，变步长工作区域很小，系统一直工作在定步长状态，稳态功率损失较大；系统都工作在变步长状态，动态跟踪速度较慢，即存在“死区”问题。A Novel Improved Variable Step-Size Incremental-Resistance MPPT Method forPV Systems(Mei Q,Shan M,Liu L,et al.A Novel Improved Variable Step-SizeIncremental-Resistance MPPT Method for PV Systems.IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2011.58(6):p.2427-2434.)讨论了一种新型的变步长电导增量法，提出了一种步长分界方法和步长整定公式，但是该步长分界方法计算量较大(需要进行多次求导运算)，步长整定公式未能充分利用分界函数，同样增加了运算量，给该方法的实现带来一定难度。

为解决常用扰动观察法和电导增量法，因步长选取而引起的跟踪速度和稳态性能之间的矛盾，本发明提出一种基于自适应变步长电阻增量法的光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，综合考虑光伏系统动态性能和稳态性能，通过引入步长转换函数对光伏电池输出P-U特性曲线进行分界。根据光伏电池生产厂家提供的光伏电池参数，选用系统工作在定步长模式下最大功率点左侧和右侧定步长区域两个不同的定步长，且二者满足一定的比例关系，并选取系统在变步长模式下的速度因子。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基于自适应变步长电阻增量法的光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，能同时减少光伏系统稳态功率损失和提高动态跟踪速度，优化光伏发电系统最大功率跟踪算法的设计步骤。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，包括以下步骤：

1)根据光伏电池生产厂家提供的光伏电池参数：给定条件下光伏电池最大功率点电压U_m和开路电压U_oc，计算系统工作在最大功率点左侧和右侧时初始步长的关系，二者之比等于U_m/(U_oc-U_m)；参考计算结果确定初始步长ΔV_ref1和ΔV_ref2；

2)通过电压传感器、霍尔传感器采集光伏电池板电压和电流，将采集到的电压和电流经过电压、电流调理电路，送至数字信号处理器DSP中，通过U×I计算出当前时刻的功率P，并分别计算出前后两时刻功率偏差ΔP(k)、前后两时刻电压偏差ΔV(k)、前后两时刻电流偏差ΔI(k)及计算出当前时刻功率对电流的导数，其中功率对电压的导数采用前后两时刻功率偏差ΔP(k)除以前后两时刻电压偏差ΔV(k)来近似求解功率对电压的导数；

3)判断前后两时刻电压偏差ΔV(k)绝对值是否小于设定精度ε1，设定精度ε1大小决定系统最大功率跟踪的稳定性；

4)如果前后两时刻电压偏差ΔV(k)小于设定精度ε1，判断前后两时刻电流偏差ΔI(k)绝对值是否小于设定精度ε2，如果同样满足，则不改变占空比D的值；如果不满足，判断ΔI(k)是否大于零，如果大于零，说明系统工作在最大功率点左侧ΔV_ref1，则以设定步长对占空比D施加正向扰动；否则，说明系统工作在最大功率点右侧ΔV_ref2，以设定步长对占空比D施加负向扰动；

5)如果前后两时刻电压偏差ΔV(k)绝对值大于设定精度ε1，计算函数G＝ΔI(k)/ΔV(k)+I(k)/V(k)的值，若G等于0，则不改变占空比D的值；

6)若G>0，说明系统当前工作在最大功率点左侧，计算F(k)＝I(k)×abs(ΔP(k)/ΔV(k))；判断若P(k)>F(k)，则取扰动步长为ΔV_ref1×F(k)/P(k)，对占空比D施加正向扰动；若P(k)<F(k)，取扰动步长为ΔV_ref1，同样对占空比D施加正向扰动；

7)若G<0，说明系统当前工作点在最大功率点右侧，计算F(k)＝I(k)×abs(ΔP(k)/ΔV(k))判断若ΔF(k)/ΔI(k)>0，则取扰动步长为ΔV_ref2，对占空比D施加负向扰动；若ΔF(k)/ΔI(k)<0，则取扰动步长为ΔV_ref2×F(k)/P(k)，同样对占空比D施加负向扰动；

8)将所得占空比值与载波信号比较输出占空比为D的PWM信号，控制Boost变化器中开关管的通断，以达到最大功率跟踪的目的。

在步骤1)中，设定初始扰动步长ΔV_ref1和ΔV_ref2，分别作用于最大功率点左侧和右侧；并满足数学关系式ΔV_ref11/ΔV_ref2＝U_m/(U_oc-U_m)，其中U_m和U_oc分别表示给定条件下光伏电池最大功率点电压和开路电压。

在步骤2)中，采样k时刻光伏电池输出端电压V(k)、电流I(k)，求出k时刻的功率P(k)，计算k时刻的电压变化量ΔV(k)＝V(k)-V(k-1)、电流变化量ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)和功率变化量ΔP(k)＝P(k)-P(k-1)；其中V(k-1)、I(k-1)、P(k-1)为k-1时刻的电压、电流和功率；

在步骤4)中，判断ΔV(k)是否为0；若为0，则判断ΔI(k)是否为0；若ΔI(k)＝0，不改变占空比D，返回继续采样；若ΔI(k)<0，说明系统当前工作在最大功率点处右侧，选取步长为ΔV_ref2，对占空比D施加负向扰动；若ΔI(k)>0，说明系统当前工作在最大功率点处左侧，取步长为ΔV_ref1，对占空比D施加正向扰动；

在步骤5)中，若判断ΔV(k)≠0，计算G＝ΔI(k)/ΔV(k)+I(k)/V(k)；若G＝0，不改变占空比，返回继续采样；

在步骤8)中，将所得占空比值与载波信号比较输出占空比为D的PWM信号，控制Boost变化器中开关管的通断来实现最大功率跟踪，直到k+1时刻系统工作在最大功率点上为止。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

步长选取是所有MPPT控制算法的核心问题，传统定步长算法无法解决跟踪速度和稳态精度矛盾的问题。本发明提出一种基于自适应变步长电阻增量法的光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，引入一个步长转换函数，并提出了利用光伏P-U特性曲线和步长转换函数曲线划分出定步长和变步长区域，解决定步长算法稳态性能和动态性能相互矛盾的问题。在外界环境(光照)剧烈变换的条件下，自适应变步长电阻增量法相比于定步长电阻增量法，可以提高系统的响应速度和稳态精度；模拟自然条件下外界环境(光照)缓慢变换情形，自适应变步长算法依然具有较好的动态和稳态性能。因此，本发明方法有效地提高了最大功率点跟踪的速度和稳定的精度，降低了系统震荡，可以快速稳定地跟踪光伏电池的最大输出功率，满足系统最大功率的跟踪要求。

此外，本发明方法具有相对简洁的控制逻辑和计算复杂度，可较为方便的利用DSP实现，在光伏发电系统中有较好的应用前景。

附图说明

图1为光伏发电系统框图。

图2为基于自适应变步长电阻增量法的光伏发电系统最大功率跟踪控制方法的流程图。

图3为光伏电池输出P-U特性曲线图。

图4a为光照增加时传统定步长电导增量法的仿真效果示意图，其中时间t(0.5s/格)。

图4b为光照增加时自适应变步长电导增量法的仿真效果示意图，其中时间t(0.5s/格)。

图5a为光照减少时传统定步长电导增量法的仿真效果示意图，其中时间t(1s/格)。

图5b为光照减少时自适应变步长电导增量法的仿真效果示意图，其中时间t(1s/格)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例所述的光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，基于自适应变步长电阻增量法，综合考虑光伏系统动态性能和稳态性能，通过引入步长转换函数对光伏电池输出P-U特性曲线(如图3所示)进行分界。其包括以下步骤：

1)根据光伏电池生产厂家提供的光伏电池参数：给定条件下光伏电池最大功率点电压U_m和开路电压U_oc，计算系统工作在最大功率点左侧和右侧时初始步长的关系，二者之比等于U_m/(U_oc-U_m)；参考计算结果确定初始步长ΔV_ref1和ΔV_ref2。

2)通过电压传感器、霍尔传感器采集光伏电池板电压和电流，将采集到的电压和电流经过电压、电流调理电路，送至数字信号处理器DSP中，通过U×I计算出当前时刻的功率P，并分别计算出前后两时刻功率偏差ΔP(k)、前后两时刻电压偏差ΔV(k)、前后两时刻电流偏差ΔI(k)及计算出当前时刻功率对电流的导数，其中功率对电压的导数采用前后两时刻功率偏差ΔP(k)除以前后两时刻电压偏差ΔV(k)来近似求解功率对电压的导数。

3)判断前后两时刻电压偏差ΔV(k)绝对值是否小于设定精度ε1，设定精度ε1大小决定系统最大功率跟踪的稳定性，设定精度ε1选择太大将增加系统在最大功率点波动，一般是越小越好。

4)如果前后两时刻电压偏差ΔV(k)小于设定精度ε1，判断前后两时刻电流偏差ΔI(k)绝对值是否小于设定精度ε2，如果同样满足，则不改变占空比D的值；如果不满足，判断ΔI(k)是否大于零，如果大于零，说明系统工作在最大功率点左侧ΔV_ref1，则以设定步长对占空比D施加正向扰动；否则，说明系统工作在最大功率点右侧ΔV_ref2，以设定步长对占空比D施加负向扰动。

5)如果前后两时刻电压偏差ΔV(k)绝对值大于设定精度ε1，计算函数G＝ΔI(k)/ΔV(k)+I(k)/V(k)的值，若G等于0，则不改变占空比D的值。

6)若G>0，说明系统当前工作在最大功率点左侧，计算F(k)＝I(k)×abs(ΔP(k)/ΔV(k))；判断若P(k)>F(k)，则取扰动步长为ΔV_ref1×F(k)/P(k)，对占空比D施加正向扰动；若P(k)<F(k)，取扰动步长为ΔV_ref1，同样对占空比D施加正向扰动。

7)若G<0，说明系统当前工作点在最大功率点右侧，计算F(k)＝I(k)×abs(ΔP(k)/ΔV(k))判断若ΔF(k)/ΔI(k)>0，则取扰动步长为ΔV_ref2，对占空比D施加负向扰动；若ΔF(k)/ΔI(k)<0，则取扰动步长为ΔV_ref2×F(k)/P(k)，同样对占空比D施加负向扰动。

8)将所得占空比值与载波信号比较输出占空比为D的PWM信号，控制Boost变化器中开关管的通断，以达到最大功率跟踪的目的。

在步骤1)中，设定初始扰动步长ΔV_ref1和ΔV_ref2，分别作用于最大功率点左侧和右侧；并满足数学关系式ΔV_ref11/ΔV_ref2＝U_m/(U_oc-U_m)，其中U_m和U_oc分别表示给定条件下光伏电池最大功率点电压和开路电压。

在步骤2)中，采样k时刻光伏电池输出端电压V(k)、电流I(k)，求出k时刻的功率P(k)，计算k时刻的电压变化量ΔV(k)＝V(k)-V(k-1)、电流变化量ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)和功率变化量ΔP(k)＝P(k)-P(k-1)；其中V(k-1)、I(k-1)、P(k-1)为k-1时刻的电压、电流和功率；

在步骤4)中，判断ΔV(k)是否为0；若为0，则判断ΔI(k)是否为0；若ΔI(k)＝0，不改变占空比D，返回继续采样；若ΔI(k)<0，说明系统当前工作在最大功率点处右侧，选取步长为ΔV_ref2，对占空比D施加负向扰动；若ΔI(k)>0，说明系统当前工作在最大功率点处左侧，取步长为ΔV_ref1，对占空比D施加正向扰动；

在步骤5)中，若判断ΔV(k)≠0，计算G＝ΔI(k)/ΔV(k)+I(k)/V(k)；若G＝0，不改变占空比，返回继续采样；

在步骤8)中，将所得占空比值与载波信号比较输出占空比为D的PWM信号，控制Boost变化器中开关管的通断来实现最大功率跟踪，直到k+1时刻系统工作在最大功率点上为止。

参见图4a、4b、5a、5b所示，仿真结果证实本发明方法相对于传统定步长电导增量算法，提高了最大功率点跟踪的速度和稳定性，降低了系统震荡，可以快速稳定地跟踪光伏电池的最大输出功率，满足系统最大功率的跟踪要求。此外，本发明方法具有相对简洁的控制逻辑和计算复杂度，可较为方便的利用DSP实现，在光伏发电系统中有较好的应用前景，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据光伏电池生产厂家提供的光伏电池参数：给定条件下光伏电池最大功率点电压U_m和开路电压U_oc，计算系统工作在最大功率点左侧和右侧时初始步长的关系，二者之比等于U_m/(U_oc-U_m)；参考计算结果确定初始步长ΔV_ref1和ΔV_ref2；

2)通过电压传感器、霍尔传感器采集光伏电池板电压和电流，将采集到的电压和电流经过电压、电流调理电路，送至数字信号处理器DSP中，通过U×I计算出当前时刻的功率P，并分别计算出前后两时刻功率偏差ΔP(k)、前后两时刻电压偏差ΔV(k)、前后两时刻电流偏差ΔI(k)及计算出当前时刻功率对电流的导数，其中功率对电压的导数采用前后两时刻功率偏差ΔP(k)除以前后两时刻电压偏差ΔV(k)来近似求解功率对电压的导数；

3)判断前后两时刻电压偏差ΔV(k)绝对值是否小于设定精度ε1，设定精度ε1大小决定系统最大功率跟踪的稳定性；

4)如果前后两时刻电压偏差ΔV(k)小于设定精度ε1，判断前后两时刻电流偏差ΔI(k)绝对值是否小于设定精度ε2，如果同样满足，则不改变占空比D的值；如果不满足，判断ΔI(k)是否大于零，如果大于零，说明系统工作在最大功率点左侧ΔV_ref1，则以设定步长对占空比D施加正向扰动；否则，说明系统工作在最大功率点右侧ΔV_ref2，以设定步长对占空比D施加负向扰动；

5)如果前后两时刻电压偏差ΔV(k)绝对值大于设定精度ε1，计算函数G＝ΔI(k)/ΔV(k)+I(k)/V(k)的值，若G等于0，则不改变占空比D的值；

6)若G>0，说明系统当前工作在最大功率点左侧，计算F(k)＝I(k)×abs(ΔP(k)/ΔV(k))；判断若P(k)>F(k)，则取扰动步长为ΔV_ref1×F(k)/P(k)，对占空比D施加正向扰动；若P(k)<F(k)，取扰动步长为ΔV_ref1，同样对占空比D施加正向扰动；

7)若G<0，说明系统当前工作点在最大功率点右侧，计算F(k)＝I(k)×abs(ΔP(k)/ΔV(k))判断若ΔF(k)/ΔI(k)>0，则取扰动步长为ΔV_ref2，对占空比D施加负向扰动；若ΔF(k)/ΔI(k)<0，则取扰动步长为ΔV_ref2×F(k)/P(k)，同样对占空比D施加负向扰动；

8)将所得占空比值与载波信号比较输出占空比为D的PWM信号，控制Boost变化器中开关管的通断，以达到最大功率跟踪的目的。

2.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，其特征在于：在步骤1)中，设定初始扰动步长ΔV_ref1和ΔV_ref2，分别作用于最大功率点左侧和右侧；并满足数学关系式ΔV_ref11/ΔV_ref2＝U_m/(U_oc-U_m)，其中U_m和U_oc分别表示给定条件下光伏电池最大功率点电压和开路电压。

3.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统最大功率跟踪控制方法，其特征在于：在步骤2)中，采样k时刻光伏电池输出端电压V(k)、电流I(k)，求出k时刻的功率P(k)，计算k时刻的电压变化量ΔV(k)＝V(k)-V(k-1)、电流变化量ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)和功率变化量ΔP(k)＝P(k)-P(k-1)；其中V(k-1)、I(k-1)、P(k-1)为k-1时刻的电压、电流和功率；

在步骤4)中，判断ΔV(k)是否为0；若为0，则判断ΔI(k)是否为0；若ΔI(k)＝0，不改变占空比D，返回继续采样；若ΔI(k)<0，说明系统当前工作在最大功率点处右侧，选取步长为ΔV_ref2，对占空比D施加负向扰动；若ΔI(k)>0，说明系统当前工作在最大功率点处左侧，取步长为ΔV_ref1，对占空比D施加正向扰动；

在步骤5)中，若判断ΔV(k)≠0，计算G＝ΔI(k)/ΔV(k)+I(k)/V(k)；若G＝0，不改变占空比，返回继续采样；

在步骤8)中，将所得占空比值与载波信号比较输出占空比为D的PWM信号，控制Boost变化器中开关管的通断来实现最大功率跟踪，直到k+1时刻系统工作在最大功率点上为止。