CN105652951A

CN105652951A - 一种变步长mppt控制方法

Info

Publication number: CN105652951A
Application number: CN201610148463.1A
Authority: CN
Inventors: 顾石磊; 孙玉坤; 张亮; 黄永红
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: CN105652951B

Abstract

本发明公开了一种变步长MPPT控制方法，包括建立光伏电池模型和升压电路模型，并在太阳能电池模型的基础上建立升压电路模型以实现最大功率点跟踪。获取光伏电池的输出电压、电流值，计算出ΔU_k、ΔI_k、ΔU_k+1、ΔI_k+1以及ΔP。计算并判断参数H是否大于0。若H＞0，依旧使用大步长电导增量法搜寻最大功率点；若H≤0时，系统的跟踪步长变小，使之快速收缩到最大功率点附近；若外部环境变化不明显，导致系统内部功率细微的变化，则输出H＝-1；若外部环境发生突变，而且变化较大，导致ΔP较大，超过了预设的极限值limΔP，则输出H＝1。该方法在离最大功率点较远时采用大步长电导增量法，跟踪能力得到提高；接近最大功率点后，切换为小步长跟踪方案，提高了光伏组件的平均输出功率。

Description

一种变步长MPPT控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体地，涉及一种变步长MPPT控制方法。

背景技术

太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源，太阳能的利用在当今世界范围内已受到高度重视。但是太阳能电池的功率输出是非线性的，而且环境变化对其电能的输出有很大的影响。最大功率点跟踪技术(MaximumPowerPointTracking)可以有效地解决传统光伏发电系统中的效率过低、成本过高的问题，充分发挥光伏组件的效能。

常见的MPPT控制方法包括固定电压法(CTV)、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)等。固定电压法算法简单、稳定性高，但是系统跟踪精度差。扰动观察法对传感器精度要求不高，但稳定性较差，易造成系统能量丢失，而且跟踪步长不好确定。智能算法虽然有很好的控制效果，但是控制算法复杂，依赖历史经验，控制器的设计成本较高。电导增量法通过检测光伏电池两端的电压和输出电流，并根据功率对电压的变化率与输出电流、电压之间的关系完成最大功率点跟踪。当时，此时工作点在最大功率点的左侧，需要增大参考电压；当时，此时工作点在最大功率点处，需要保持参考电压不变；当时，此时工作点在最大功率点的右侧，需要减小参考电压。电导增量法对最大功率点的判断准确，震荡小，但同样存在着步长选择和误判问题。固定步长影响到最大功率点跟踪的控制效果，无法兼顾快速性和稳定性。现有的变步长控制方法提升了系统的快速跟踪能力和稳态效果，但设计难度和成本较高，通用性较差。

发明内容

本发明提供了一种变步长MPPT控制方法，解决了电导增量法的步长选择和外部环境突变时的误判问题，实现简单。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

变步长MPPT控制方法特征是：建立光伏电池模型以及升压电路模型，采集光伏电池的输出电压和输出电流值，通过判定参数H是否大于0来选择合适的步长方案，使工作点能快速稳定地靠近最大功率点，并且通过功率的变化来判定外界环境是否发生突变，给H赋值以选择合适的步长方案。

一种变步长MPPT控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)：由MPPT控制电路建立光伏电池模型和升压电路模型，并在太阳能电池模型的基础上建立升压电路模型以实现最大功率点跟踪；

步骤(2)：获取光伏电池当前k-1时刻的输出电压U(k-1)和电流I(k-1)，然后在当前输出电压基础上增大一个电压分量ΔU，得出k时刻的电压U(k)和电流I(k)，计算出ΔU_k，ΔI_k；再增大一个电压分量ΔU，得出k+1时刻的电压U(k+1)和电流I(k+1)，以及计算得出ΔU_k+1，ΔI_k+1，ΔP；

步骤(3)：由传统的固定步长电导增量法建立并分析光伏电池板的P-U特性曲线，在最大功率点的斜率为0，有可知在最大功率点处，

当时，位于最大功率点左侧，需要增大参考电压保证系统向最大功率点靠近；

当时，位于最大功率点右侧，需要减小参考电压保证系统向最大功率点靠近；

在特性曲线左侧曲线右侧建立参数若H＞0，说明工作点运行在特性曲线单侧，仍未达到最大功率点，依旧使用大步长电导增量法搜寻最大功率点；反之，跟踪步长变小，计算并判断参数H是否大于0；

步骤(4)：若H＞0，依旧使用大步长电导增量法搜寻最大功率点，返回步骤(2)；若H≤0时，减小系统的跟踪步长，使之快速收缩到最大功率点附近，执行步骤(5)；

步骤(5)：若外部环境变化不明显，导致系统内部功率细微的变化，则输出H＝-1，返回步骤(2)；若外部环境发生突变，而且变化较大，导致ΔP较大，超过了预设的极限值limΔP，则输出H＝1，返回步骤(2)。

进一步，所述步骤(1)中，升压电路模型得到的方程为：U＝(1-D)U_dc；式中，D为升压电路中晶体管的占空比；U为太阳能电池输出电压；U_dc为升压电路瞬时输出电压。

进一步，所述步骤(2)中，ΔU_k＝U(k)-U(k-1)，ΔI_k＝I(k)-I(k-1)；ΔU_k+1＝U(k+1)-U(k)，ΔI_k+1＝I(k+1)-I(k)，ΔP＝U(k+1)I(k+1)-U(k)I(k)，均通过检测到的电流电压值计算得到。

上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：1.相比MPPT定步长控制方法，在离最大功率点较远时H＞0，说明工作点运行在特性曲线单侧，采用大步长电导增量法，跟踪能力得到提高；接近最大功率点后，H＜0，切换为小步长跟踪方案，使工作点在最大功率点附近工作，提高了光伏组件的平均输出功率。因此，系统可以快速且稳定地追踪到最大功率点。2.相比智能变步长MPPT控制方法，该方法设计简单、系统成本较低，不依赖于历史经验。3.当外部环境发生变化时，功率变化超过了一定的阈值，通过给参数H赋值的方法来进行步长选择，同时跟踪步长变为正常，以使系统快速跟踪外部环境变化，有效地解决了电导增量法在外界环境发生突变时引起的误判问题。

附图说明

图1是本发明实施的变步长MPPT控制方法流程图。

图2是MPPT控制电路。

图3是光伏电池的伏安特性I-V曲线。

图4是光伏电池的输出特性P-V曲线。

图5是电导增量法的控制流程图。

图6是电导增量法的原理图。

图7是该MPPT控制方法的工作过程示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明做进一步解释。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明通过建立光伏电池模型以及升压电路模型，采集光伏电池的输出电压和输出电流值，判定参数H是否大于0来选择合适的步长方案，当H＞0时，使用大步长电导增量法搜寻最大功率点，H≤0时使用小步长电导增量法进行追踪，使工作点能快速稳定地靠近最大功率点，并且利用了功率的变化来判定外界环境是否发生突变，给H赋值以选择合适的步长方案。包括以下步骤：

步骤(1)：建立光伏电池模型和升压电路模型。，并在太阳能电池模型的基础上建立升压电路模型以实现最大功率点跟踪；

步骤(2)：获取光伏电池当前k-1时刻的输出电压U(k-1)和电流I(k-1)，然后在当前输出电压基础上增大一个电压分量ΔU，得出k时刻的电压U(k)和电流I(k)，计算出ΔU_k，ΔI_k；再增大一个电压分量ΔU，得出k+1时刻的电压U(k+1)和电流I(k+1)，以及计算得出ΔU_k+1，ΔI_k+1，ΔP；得出k+1时刻的电压U(k+1)和电流I(k+1)，ΔU_k+1＝U(k+1)-U(k)，ΔI_k+1＝I(k+1)-I(k)，ΔP＝U(k+1)I(k+1)-U(k)I(k)。

步骤(3)：通过分析光伏电池板的P-U特性曲线可知，存最大功率点的斜率为0，因此，有可知在最大功率点处，当时，位于最大功率点左侧，需要增大参考电压保证系统向最大功率点靠近；当时，位于最大功率点右侧，需要减小参考电压保证系统向最大功率点靠近；所以，在特性曲线左侧曲线右侧建立参数若H＞0，说明工作点运行在特性曲线单侧，仍未达到最大功率点，依旧使用大步长电导增量法搜寻最大功率点；反之，步长变小，计算并判断参数H是否大于0；

步骤(4)：若H＞0，说明工作点运行在特性曲线单侧，仍未达到最大功率点，依旧使用大步长电导增量法搜寻最大功率点，返回步骤(2)；若H≤0时，工作点经过了最大功率点，此时系统的跟踪步长变小，使之快速收缩到最大功率点附近，执行步骤(5)。

步骤(5)：若外部环境变化不明显，导致系统内部功率细微的变化，此时仍旧可以使用小步长进行搜索，则输出H＝-1，返回步骤(2)；若外部环境发生突变，而且变化较大，导致ΔP较大，超过了预设的极限值limΔP，则输出H＝1，返回步骤(2)。

下面进一步详细说明本方法的具体实施步骤。

为了验证本发明所述的方法，变步长MPPT控制方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤(1)：按照图2所示的MPPT控制电路，建立光伏电池模型和升压电路模型。该电路中，开关S的占空比D的变化会影响光伏器件的输出电压、输出电流以及输出功率，因此我们就可以根据某一时刻的信号来调整S的工作，使P_PV增大直至最后输出最大功率。光伏电池的伏安特性I-V曲线如图3所示，输出特性P-V曲线如图4所示。

该模型采用太阳能电池提供的四个标准测试条件下的电气参数(I_sc、V_oc、I_m、V_m)。其中I-V方程为：

I = I_{s c} (1 - C_{1} {\exp [\frac{U}{C_{2} U_{o c}}]} - 1)

式中：I为太阳能电池输出电流；U为太阳能电池输出电压此时，S_ref＝1000W/m²、T_ref＝25℃为参考太阳辐射强度及参考电池温度。

任意辐射强度和温度下的太阳能电池温度方程为：

T＝T_a+K×S

式中T_a为环境温度；K为辐射强度变化时太阳能电池温度系数；S为太阳能辐射强度。

在实际光强和温度条件下，对应的电气参数如下：

\{\begin{matrix} Δ T = T - T_{r e f} \\ Δ S = \frac{S}{S_{r e f}} - 1 \\ I_{s c}^{,} = I_{s c} \cdot \frac{S}{S_{r e f}} (1 + α Δ T) \\ U_{o c}^{,} = U_{o c} (1 - γ Δ T) \ln (e + β Δ S) \\ I_{m}^{,} = I_{m} \cdot \frac{S}{S_{r e f}} (1 + α Δ T) \\ U_{m}^{,} = U_{m} (1 - γ Δ T) \ln (e + β Δ S) \end{matrix}

式中：

ΔT为实际电池温度与参考电池温度的差值；

ΔS为相对辐照度差；

S为太阳能辐射强度；

I’_sc为短路电流，U’_oc为开路电压、I’_m为最大功率点电流、U’_m为最大功率点电压；

α、β、γ为常数，取值α＝0.0025/℃，β＝0.5/℃，γ＝0.00288/℃。

在太阳能电池模型的基础上建立升压电路模型以实现最大功率点跟踪。升压电路模型得到的方程为：

U＝(1-D)U_dc

式中：D为升压电路中晶体管的占空比；U为太阳能电池输出电压；U_dc为升压电路瞬时输出电压。

步骤(2)：获取光伏电池当前k-1时刻的输出电压U(k-1)和电流I(k-1)，然后通过调节晶体管占空比D，使其在当前输出电压基础上增大一个电压分量ΔU，得出k时刻的电压U(k)和电流I(k)，计算出ΔU_k＝U(k)-U(k-1)，ΔI_k＝I(k)-I(k-1)；

再增大一个电压分量ΔU，得出在k+1时刻的电压U(k+1)和电流I(k+1)，

ΔU_k+1＝U(k+1)-U(k)，ΔI_k+1＝I(k+1)-I(k)，

ΔP＝U(k+1)I(k+1)-U(k)I(k)。

步骤(3)：计算参数判断H是否大于0。ΔU表示跟踪步长。

电导增量法属于MPPT控制比较常用的算法，其控制流程图如图5所示。通过分析光伏电池板的P-U特性曲线可知，在最大功率点的斜率为0，因此，有

\frac{d P}{d U} = 1 + U \frac{d I}{d U} = 0

\frac{d I}{d U} = - \frac{I}{U}

在最大功率点处，当时，位于最大功率点左侧，需要增大参考电压保证系统向最大功率点靠近；当时，位于最大功率点右侧，需要减小参考电压保证系统向最大功率点靠近。电导增量法原理图如图6所示。

由上述分析可知，在特性曲线左侧曲线右侧若H＞0，说明工作点运行在特性曲线单侧，仍未达到最大功率点，依旧使用大步长电导增量法搜寻最大功率点；反之，步长变小。

图7为该控制方法工作过程示意图，具体步骤如下：(一)以A点为初始点，采用大步长电导增量法搜索最大功率点，经过了B、C点，知k_BA＞0，k_CB＞0，即H＞0。这里看出在第一次通过最大功率点与在在单侧工作时的H的值是一致的；(二)下一步依旧采用大步长电导增量法进行跟踪，但是因为电导增量法检测到该点在右侧，所以需要减小参考电压保证系统向最大功率点靠近。则得到D点，且k_CD＜0，则H＜0；(三)因为H＜0，跟踪方法改为小步长电导增量法，直到最终逼近最大功率点；(四)如若外部环境发生突变，而且变化较大，再通过赋值H为1的方法改为大步长方案。

在控制过程中，有两种不同的跟踪步长值ΔU用于MPPT控制。在初始时刻或者日照突变时使用较大值，在光伏器件工作在最大功率点附近时使用较小值，能起到降低功率振荡的效果。

步骤(4)：若H＞0，说明工作点运行在特性曲线单侧，仍未达到最大功率点，依旧使用大步长电导增量法搜寻最大功率点，效率优先，返回步骤(2)；若H≤0时，工作点经过了最大功率点，此时跟踪步长变小，使之快速收缩到最大功率点附近，相比定步长MPPT控制方法，提高了光伏器件的平均输出功率，之后执行步骤(5)。

综上所述，在离最大功率点较远时采用大步长电导增量法，跟踪能力得到提高；接近最大功率点后，切换为小步长跟踪方案，使工作点在最大功率点附近工作，提高了光伏组件的平均输出功率。因此，系统可以快速且稳定地追踪到最大功率点。该方法设计简单、系统成本较低，不依赖于历史经验。当外部环境发生变化时，功率变化超过了一定的阈值，通过给参数H赋值的方法来进行步长选择，同时跟踪步长变为正常，以使系统快速跟踪外部环境变化，有效地解决了电导增量法在外界环境发生突变时引起的误判问题。

该变步长MPPT控制方法具有较高的效率和稳定性，而且设计简单，成本较低，易于实现。而微型逆变器受到体积和成本的制约，该方法高效率、低成本、易实现的特点表现出与微逆系统较高的契合度，因此该方法能成功地应用在微逆光伏发电系统中，具有很好的实用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种变步长MPPT控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(2)：获取光伏电池当前k-1时刻的输出电压U(k-1)和电流I(k-1)，然后在当前输出电压基础上增大一个电压分量ΔU，得出k时刻的电压U(k)和电流I(k)，计算出ΔU_k，ΔU_k；再增大一个电压分量ΔU，得出k+1时刻的电压U(k+1)和电流I(k+1)，以及计算得出ΔU_k+1，ΔI_k+1，ΔP；

\frac{dI}{dU} = - \frac{I}{U};

2.根据权利要求1所述的一种变步长MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，升压电路模型得到的方程为：U＝(1-D)U_dc；式中，D为升压电路中晶体管的占空比；U为太阳能电池输出电压；U_de为升压电路瞬时输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种变步长MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，ΔU_k＝U(k)-U(k-1)，ΔI_k＝I(k)-I(k-1)；ΔU_k+1＝U(k+1)-U(k)，ΔI_k+1＝I(k+1)-I(k)，ΔP＝U(k+1)I(k+1)-U(k)I(k)，均通过检测到的电流电压值计算得到。