CN105892552A - 基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件mppt算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件MPPT算法，首先，利用可编程直流电子负载定位光伏组件的全局最大功率点；其次，通过准梯度式扰动观测法实现光伏组件的最大功率输出；最后，针对环境突变情况，可采取定功率差切换扫描的控制策略。根据本发明建立上述光伏组件MPPT算法的实施例，仿真结果表明在任意工况下，该方法均具有较好的动态性能和稳态性能。

Description

基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件MPPT算法

技术领域

本发明涉及光伏组件的最大功率点算法，属于新能源发电领域。

背景技术

日益凸显的能源危机和环境污染，使得各国都加大了可再生能源的实施与推广，其中，光伏发电技术以其独特的发电特性取得了广泛地发展与应用。实际应用中，光伏组件作为最小发电单元受光照强度、环境温度和外接负载的影响，其输出特性曲线呈现非线性。在光伏发电应用过程中，首要问题是提高光伏发电的效率，即如何使光伏发电系统在任意工况下都输出最大功率，因此迫切需要实现光伏组件的MPPT问题。

根据光伏组件输出特性曲线峰值数目不同，将目前MPPT方法分为：单峰值MPPT法和多峰值MPPT法。在传统单峰值MPPT法中，基于采样数据的直接控制法目标明确、易于实现，已得到广泛应用，如恒定电压法、扰动观测法、电导增量法以及开路电压/短路电流系数法等。实际中，由于外界环境复杂多变，因受到周围建筑物、树木以及乌云等产生局部阴影的影响，光伏组件输出呈现多峰值特性，传统单峰值MPPT法易失效；因此研究适用于局部阴影条件下光伏组件多峰值MPPT法，如粒子群优化算法、模糊免疫控制算法、两步法和Fibonacci序列搜索算法等。多峰值MPPT算法可避免陷入局部MPP，当外界工况发生突变或存在阴影遮挡时，能快速将系统工作点调整至新MPP处；然而上述方法设计过程较为复杂，硬件实现相对困难。

发明内容

本发明的发明目的是建立一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的MPPT算法，能够使光伏组件在任意工况下均能输出最大功率。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法相结合的MPPT算法，包括如下步骤：

步骤10：利用可编程直流电子负载定位光伏组件的全局最大功率点；

步骤20：通过准梯度式扰动观测法实现光伏组件的最大功率输出，所述准梯度式扰动观测法过程如下：

首先，依据步骤10定位的全局最大功率点调节光伏组件的输出值，将光伏组件调节后当下工作点的电压和电流分别记为V_-2和I_-2，之后进行扰动观测，每扰动一次采集一次当下工作点的电压和电流，将后续工作点的电压和电流值依次记为V_-1和I_-1，V₀和I₀，……,V_n和I_n，n为自然数；

先进行定步长扰动，k为-1时的工作点是以k为-2时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，k为0的工作点是以k为-1时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，α为常数，恒正；

之后开始进行变步长扰动，设扰动电压步长ΔV为αg_k，即k值≥0后，

V_k+1＝V_k+αg_k (1)

g_k为准梯度值，其计算公式为：

$g_k=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_k}{{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}}=\frac{V_k{I}_k-V_{k-1}{I}_{k-1}}{V_{k-1}{I}_{k-1}-V_{k-2}{I}_{k-2}}---\left(2\right)$

V_k为当前工作点电压，V_k+1为下一工作点电压,V_k-1为上个工作点的电压， V_k-2为上上个工作点的电压，ΔP_k为当前工作点与上个工作点的功率差，ΔP_k＝1为上个工作点与上上个工作点的功率差；

参考公式(1)计算出的V_k+1设定下一工作点，实施扰动，调整光伏组件的输出，并采集光伏电阻在最后两个工作点输出功率的变化，当功率差为0或小于预设额度值时，最后一个工作点即视为光伏组件的最优MPP，若功率差不为0或大于预设额度值时，将最后一个工作点转换为当前工作点带入公式(1)、公式(2)设定接下来的工作点，继续实施扰动，直至找到最优MPP或因其它预设条件终止进程。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的技术方案还包括：

所述步骤10中全局最大功率点的获取过程如下：

将可编程直流电子负载作为光伏组件的负载，可编程电子负载的等效阻值受控制电路输出信号的控制，该等效阻值变化范围由零逐步变化到无穷大，光伏组件工作点也由短路点逐步变化到开路点，在此过程中，对光伏组件的连续工作点上输出电压、电流进行采样，便得到光伏组件在当前工况下的I-V特性曲线，进而获得光伏组件的全局最大功率点。

本发明MPPT算法还包括：

步骤30：针对环境突变情况，采取定功率差切换扫描的控制策略，其过程如下：当检测到光伏组件的输出功率变化值超过设定阈值时，即工况变化超过阈值时，即重启扫描电路，重复步骤10、步骤20。

有益效果：本发明建立了一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法相结合的光伏组件MPPT算法，与现有技术相比，能够更好的实现光伏组件的 最大功率输出，且能够应对环境工况发生突变的情况。

附图说明

图1：为本发明基于Boost电路的光伏发电系统及光伏组件I-V特性曲线扫描电路构成的MPPT控制系统的结构原理图；

图2：为本发明的基于可编程直流电子负载的MPP定位流程图；

图3：为本发明的光伏组件MPPT控制流程图；

图4：为本发明的单峰值下光伏组件全局MPPT仿真波形图；

图5：为本发明的双峰值下光伏组件全局MPPT仿真波形图；

图6：为本发明的多峰值下光伏组件全局MPPT仿真波形图；

图7：为本发明的不同切换扫描控制下光伏组件MPPT仿真波形图。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的技术方案，下面结合附图与实施例，对本发明进行详细说明。

以基于Boost电路的光伏发电系统为例，其结构如图1所示，电容C₁及电感L、电容C₂、开关S₃等后续部分构成Boost电路。主电路中S₁和S₂为测量控制开关，通过控制S₁和S₂的通断，使MPPT控制系统运行在不同的工作状态下。

本实施例MPPT控制系统工作原理如下：控制电路发出指令信号驱动开关S₁断开、开关S₂闭合，将光伏组件与Boost电路及负载R1分离，后级电路通过电容C₁和电感L中储存的能量继续向负载R1供电，此时MPPT控制系统工作在对光伏组件I-V曲线的扫描过程中，利用设有可编程直流电子 负载的扫描电路对光伏组件的输出进行全局扫描。扫描时间由采样点个数决定，采样点越多，扫描时间越长；在扫描过程中，控制电路根据实时采样电压、电流值计算功率P，以实现对MPP定位，其具体过程如图2所示。

本实施例中可编程直流电子负载选用MOSFET，为使光伏组件I-V特性曲线中恒流源区扫描更加准确，常采取多个MOSFET并联，以减小其完全导通时的等效电阻。通过对MOSFET驱动电压的控制即可实现对直流电子负载的控制，基于可编程直流电子负载对I-V特性曲线进行扫描可实现扫描过程可控化，为硬件电路实现简单化，对于整条光伏组件I-V特性曲线由短路电流点开始，本发明设定电子负载处于恒压工作模式，以固定步长控制光伏组件输出电压，并同步采样组件输出电流和电压，直至光伏组件处于开路状态，完成整条I-V特性曲线扫描。

当可编程直流电子负载对光伏组件I-V特性曲线扫描结束，根据实时检测出的P值，完成MPP初步定位，给出该曲线上的全局MPP对应的V_m后，控制电路则根据定位结果来设定参考值调节Boost电路开关S₃的占空比。

基于此，上述MPPT调节过程详细如下：关断开关S₁、闭合开关S₂，控制电路进行光伏组件I-V特性曲线扫描；闭合开关S₁、关断开关S₂，结合常规MPPT算法控制开关S₃的占空比，使光伏组件输出为曲线扫描电路所定位的输出值，控制其稳定在MPP附近，至此完成一次MPPT动态调节过程。

考虑到可编程直流电子负载定位电路及扫描步长过大引起的误差，可视该扫描电路定位的最大功率点P_m在实际最大功率点的较小邻域内，进而需要与扰动观测法相结合，在P_m邻域内找到最终MPP(实际MPP)，并将光 伏组件的输出稳定在其附近。扰动观察法主要是对光伏阵列输出电压在固定时间施加扰动，再根据输出功率的变化决定下一步的动作以实现最大功率跟踪。但传统定步长扰动观测法由于存在振荡和误判问题，使系统不能准确地跟踪到MPP，易造成能量损失，因此需对定步长扰动观测法进行改进。

为解决定步长扰动观测法中MPPT的快速性和稳定性问题，本实施例对现有的变步长扰动观测法进行改进，采用准梯度式变步长扰动观测法，其基本思想为：

首先，控制开关S₃的占空比，使光伏组件输出为曲线扫描电路所定位的最大功率点输出值后，每扰动一次增加采集一个工作点，将光伏组件当下工作点(初步定位作为参考的MPP)的电压和电流分别记为V_-2和I_-2，第二个工作点(k＝-1)的电压电流值记为V_-1和I_-1，第三个工作点(k＝0)的电压电流值即为V₀和I₀，以此类推，再后工作点的电压电流值分别记为V₁和I₁，……V_n和I_n，n为自然数。

设V_k和I_k为当前工作点的电压和电流。

上述的第二个工作点(V_-1、I_-1)和第三个工作点(V_-2、I_-2)都是按照设定的扰动电压步长α获得，即k为-1时的工作点是以k为-2时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，k为0的工作点是以k为-1时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，α为常数，恒正。

之后开始进行变步长扰动，设扰动电压步长ΔV为αg_k，即k值≥0后，

V_k+1＝V_k+αg_k (1)

上式中，g_k为准梯度值，其计算公式为：

$g_k=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_k}{{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}}=\frac{V_k{I}_k-V_{k-1}{I}_{k-1}}{V_{k-1}{I}_{k-1}-V_{k-2}{I}_{k-2}}---\left(2\right)$

上式中，V_k为当前工作点电压，V_k+1为下一工作点电压,V_k-1为上个工作点的电压，V_k-2为上上个工作点的电压，ΔP_k为当前工作点与上个工作点的功率差，ΔP_k＝1为上个工作点与上上个工作点的功率差。

举例说明，变步长扰动的具体过程如下：

利用公式(1)、公式(2)设定变步长扰动的第一个工作点(k＝1时)，此时k＝0时的工作点为当前工作点：

V₁＝V₀+αg₀；

$g_0=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_0}{{\mathrm{\ΔP}}_{-1}}=\frac{V_0{I}_0-V_{-1}{I}_{-1}}{V_{-1}{I}_{-1}-V_{-2}{I}_{-2}};$

采集扰动实施后光伏组件当下输出功率的变化，当功率差为0或小于预设额度值时，该工作点即视为寻优过程的最终MPP，若功率差不为0或大于预设额度值，则继续利用公式(1)、公式(2)设定变步长扰动的第二个工作点(k＝2)，此时k＝1时的工作点为当前工作点，将V₁带入公式(1)、公式(2)，得到下一个工作点的电压值：

V₂＝V₁+αg₁；

$g_1=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_1}{{\mathrm{\ΔP}}_0}=\frac{V_1{I}_1-V_0{I}_0}{V_0{I}_0-V_{-1}{I}_{-1}};$

同理，采集扰动实施后光伏组件输出功率的变化，当前后工作点功率差为0或小于预设额度值时，该工作点即视为寻优过程的最终MPP，若功率差不为0或大于预设额度值，则继续利用公式(1)、公式(2)设定变步长扰动的后续工作点，直至找到最优MPP或因其它预设条件终止进程。

区别于传统梯度式扰动观测法中由梯度值来确定下一步的搜索方向，本实施例所提方法中电压扰动方向与传统扰动观测法一致，直接由功率变化趋势来决定。在进行MPP寻优过程中，伴随着离MPP越来越接近，扰动功率ΔP值不断减小，使得式(1)中准梯度值g_k也不断减小，进而扰动电压步长ΔV也随之减小。在MPP处时，ΔV近似为0，从而实现MPPT的目的。

对于光伏组件MPPT扫描控制方式常分为两种：一种是定周期全局扫描；另一种是当输出功率变化较大时进行全局扫描。前者适用于外界环境变化缓慢时，无需频繁动作，但对外界环境的应对能力差；后者适用于外界环境变化较剧烈时，可迅速对环境变化作出反应，但需频繁动作。

综合考虑全局扫描的耗时及扫描切换过程对后级Boost电路的影响，本发明拟采用后一种工作方式，当检测光伏组件的功率变化值超过设定阈值时(工况变化超过阈值)，即可重启扫描电路，流程如图3所示，当检测到光伏组件相邻时刻输出功率变化值超过预设值时，通过控制电路控制开关管S₁和S₂重新进行MPP初步定位；接着Boost电路快速将光伏组件的输出调整到最近一次扫描电路定位的MPP附近，进而采用准梯度式扰动观测法在P_m邻域内追踪，且实时监测输出功率的变化。

整个光伏组件MPPT控制过程中，仅通过控制电路对开关管S₁和S₂进行控制，完成I-V特性曲线扫描并进行MPP定位，输出调节也仅针对常规MPPT算法进行改进，因此，算法本身复杂度并未明显增加。

运用MATLAB软件验证基于可编程直流电子负载全局扫描与准梯度式扰动观测法相结合的MPPT控制算法有效性，其中Boost型DC/DC变换电路中 C1＝470μF、L＝90mH、C2＝3300μF、R1＝10Ω；特定步长α＝0.1V。

设定在t₁＝[0,0.03s]内，光伏组件与后级电路及负载脱离，可编程直流电子负载工作，进行光伏组件输出曲线全局扫描，并输出MPP对应的电压、电流基准值，此时后级Boost电路尚未启动；在t₂＝[0.03s,0.1s]内，整个光伏发电系统进行工作，可编程直流电子负载停止运行，以基准电压为参考，快速调整开关管占空比使系统稳定运行在参考工作点处；在t₂＝[0.1s,0.4s]内，光伏组件MPPT方式迅速切换至准梯度式扰动观测法运行，并进行局部微调，使系统稳定工作在MPP处，避免因可编程电子负载扫描步长选取不当所引起的误差。

图4～图6所示为在不同工况下，本发明基于可编程直流电子负载全局扫描法与准梯度式扰动观测法相结合的光伏组件最大功率输出的仿真波形图，具体分析如下：

仿真工况一：设T₁＝T₂＝T₃＝25℃；S₁＝S₂＝S₃＝800W/m²，仿真曲线如图4所示。

仿真工况二：设T₁＝T₂＝25℃、T₃＝20℃；S₁＝S₂＝800W/m²、S₃＝400W/m²，仿真曲线如图5所示。

仿真工况三：设T₁＝15℃、T₂＝20℃、T₃＝25℃；S₁＝200W/m²、S₂＝600W/m²、S₃＝1000W/m²，仿真曲线如图6所示。

由图4～图6可知，针对不同工况下运行的光伏发电系统，本发明基于可编程直流电子负载扫描法与准梯度式扰动观测法相结合的MPPT算法均能够快速且准确运行在MPP处。一方面，基于可编程直流电子负载扫描法能够使光伏系统快速地搜索光伏组件的各个局部MPP，可初步定位到该工况下对应 的全局MPP处；另一方面，准梯度式扰动观测法在到达光伏组件的全局MPP时，功率输出可实现基本无振荡，消除光伏组件在MPP附近的功率振荡问题。

表1所示为三种不同工况下MPPT运行结果的对比，相比于前两种方法，本发明所提方法的MPPT结果更准确。

表1为不同工况下MPPT运行结果对比：

因此，相较于传统光伏组件MPPT算法，本发明所提方法既能够快速扫描到MPP，防止出现误判，具有较快的跟踪响应速度；同时也具有更好地停留在光伏组件全局MPP处的稳定性能。此外，该方法能够适用于光伏发电系统工作在任意工况中。

为进一步研究不同MPPT扫描方式对光伏组件输出功率的影响，在MATLAB中建立三种常用切换扫描控制方式，并进行仿真实验研究。

设环境温度T₁＝T₂＝T₃＝25℃，在t₁＝[0,0.3s]内，S₁＝700W/m²、S₂＝S₃＝1000W/m²；在t₂＝[0.3,0.6s]内，S₁＝S₂＝S₃＝700W/m²；在t₃＝[0.6,1.0s]内，S₁＝400W/m²、S₂＝S₃＝800W/m²。此外，可编程直流电子负载扫描时间设为0.01s，不同切换扫描控制方式下仿真曲线如图7所示。

图7(a)、(b)所示为基于开机扫描下光伏组件的功率扫描曲线图和输出 功率P_m曲线图，在电路启动时可编程直流电子负载进行全局扫描对MPP进行定位，后续以准梯度式扰动观测法实现光伏组件MPPT功能。在0.3s时刻，光伏组件输出功率变化较小，准梯度式扰动观测法能够准确实现MPPT；但在0.6s时刻，光伏组件输出功率变化较大，准梯度式观测法陷入局部MPP，并长期稳定工作在该点，造成功率损失。

图7(c)、(d)所示为定周期扫描法光伏组件的功率扫描曲线图和输出功率P_m曲线图，为防止光伏组件工作在局部MPP，采用定周期(0.4s)进行全局扫描。在0.4s时刻，光伏组件通过准梯度式扰动观测法已稳定在全局MPP，此时进行全局扫描易造成光伏组件输出功率损失；在0.8s时刻，采用全局扫描可将光伏组件输出由局部MPP重新稳定在全局MPP处，但在[0.6s,0.8s]内，光伏组件仍工作正在局部MPP处，亦有功率损失。

图7(e)、(f)所示为基于定功率变化扫描法光伏组件的功率扫描曲线图和输出功率P_m曲线图，当且仅当外界环境发生突变时才进行全局扫描，尽量避免因切换扫描而造成光伏组件输出功率的损失，此处设定功率差ΔP＝25W。在0.3s时刻，由于光伏组件输出功率变化较小，仅需采用准梯度式扰动观测法即可实现MPPT；但在0.6s时刻，由于光伏组件输出功率变化较大，重启扫描过程，实现全局MPPT过程。

综上所述，光伏组件整个运行过程采用定功率扫描方式，不会陷入局部MPP；仅在切换扫描瞬间，会出现一定的功率损失。选择适当的功率差ΔP值，可减少扫描电路工作频繁度；合适的扫描步长，可减少扫描周期。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本 行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件MPPT算法，其特征在于，包括：

步骤10：利用可编程直流电子负载定位光伏组件的全局最大功率点；

步骤20：通过准梯度式扰动观测法实现光伏组件的最大功率输出，所述准梯度式扰动观测法过程如下：

首先，依据步骤10定位的全局最大功率点调节光伏组件的输出值，将光伏组件调节后当下工作点的电压和电流记为V_-2和I_-2，之后进行扰动观测，每扰动一次采集一次当下工作点的电压和电流,将后续采集工作点的电压和电流值依次记为V_-1和I_-1，V₀和I₀，……,V_n和I_n，n为自然数；

设V_k和I_k为当前工作点的电压和电流；

先进行定步长扰动，k为-1时的工作点是以k为-2时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，k为0的工作点是以k为-1时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，α为常数，恒正；

之后开始进行变步长扰动，设扰动电压步长ΔV为αg_k，即k值≥0后，

V_k+1＝V_k+αg_k (1)

g_k为准梯度值，其计算公式为：

$g_k=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_k}{{\mathrm{\ΔP}}_{k-1}}=\frac{V_k{I}_k-V_{k-1}{I}_{k-1}}{V_{k-1}{I}_{k-1}-V_{k-2}{I}_{k-2}}---\left(2\right)$

上式中，V_k为当前工作点电压，V_k+1为下一工作点电压,V_k-1为上个工作点的电压，V_k-2为上上个工作点的电压，ΔP_k为当前工作点与上个工作点的功率差，ΔP_k＝1为上个工作点与上上个工作点的功率差；

参考公式(1)计算出的V_k+1设定下一工作点，实施扰动，调整光伏组件的输出，并采集光伏电阻最后两个工作点输出功率的变化，当功率差为0或小于预设额度值时，最后一个工作点即视为光伏组件的最优MPP，若功率差不为0或大于预设额度值时，将最后一个工作点转换为当前工作点带入公式(1)、公式(2)设定接下来的工作点，继续实施扰动，直至找到最优MPP或因其它预设条件终止进程。

2.根据权利要求1所述的一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件MPPT算法，其特征在于，所述步骤10中全局最大功率点的获取过程如下：

将可编程直流电子负载作为光伏组件的负载，可编程电子负载的等效阻值受控制电路输出信号的控制，该等效阻值变化范围由零逐步变化到无穷大，光伏组件工作点也由短路点逐步变化到开路点，在此过程中，对光伏组件的连续工作点上输出电压、电流进行采样，便得到光伏组件在当前工况下的I-V特性曲线，进而获得光伏组件的全局最大功率点。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件MPPT算法，其特征在于，包括：

步骤30：针对环境突变情况，采取定功率差切换扫描的控制策略，其过程如下：当检测到光伏组件的输出功率变化值超过设定阈值时，重启扫描电路，重复步骤10、步骤20。