CN107491137B - 一种变步长定速降额限功率mppt扰动方法 - Google Patents
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Abstract
一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法，通过比较前一次扰动产生的功率变化量与根据上位机下发的功率降额速率计算得到的功率变化量，计算得到功率降额系数α，并借由光伏组件功率‑电压关系，实时计算下一次扰动电压步长与功率降额系数和上一次实际电压变化步长间的关系；结合当前电压测量值，给出下一次电压扰动参考值；在实际功率与期望功率差值小于某一设定值时，采用定步长扰动，降低扰动引起的功率振荡，提高扰动精度；本发明方法可以简单地实现实时步长的计算，从而达到快速而精确地功率变化要求。
Description
技术领域
本发明涉及最大功率跟踪(MPPT)技术领域，具体涉及一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法。
背景技术
一般情况，考虑到光照强度及温度的影响，为了令光伏阵列输出功率最大化，在逆变器系统中需要采用最大功率跟踪(MPPT)控制。但在实际应用中，受负载及电网容量的限制，分布式光伏电站往往会出现限功率运行情况，此时，电站需要按照上级调度的要求令有功输出下降到某一期望值。此外，随着微网系统的逐渐应用和普及，孤岛模式运行的微网系统往往也会根据实际负载的需求对系统中的分布式发电单元下达限功率运行指令。
为此，逆变器需要在MPPT控制中将光伏阵列输出电压向开路电压方向扰动，与MPPT控制类似，此时电压的扰动步长对限功率速度与精度影响很大，需要选取合适的扰动方法来保证限功率运行的速度与精度要求。
逆变器限功率运行意味着需要将光伏阵列输出电压向开路电压方向扰动，与MPPT控制中电压扰动方向相反。但在实现方法上，其与MPPT控制是相似的，通过在当前电压加上扰动电压达到改变功率的目的。
现有的MPPT控制主要分为定步长与变步长两种，常见的观察扰动法、电导法等均属于定步长方法。定步长算法的优点是简单、成本低及易于实现，但其缺点也很明显，固定步长的调节灵活性较差，较小的步长可以保证足够的精度，但会造成调节时间过长，而较大的步长又会造成功率调整精度差，常会导致功率在目标值附近波动较大。为此，在对调整速度及精度有较高要求的场合，常会采用变步长算法。该方法的主要思路即为：当工作点远离目标功率点时，采用较大的步长进行扰动，当功率接近目标值时，采用较小的步长进行扰动。该方法较好地解决了扰动速度与精度之间的矛盾，但其缺点在于确定步长的方法较为复杂，通常需要采集大量的数据比进行复杂的处理。
发明内容
为了解决现有定步长扰动中速度与精度的矛盾，以及当前变步长算法中算法复杂的问题，本发明的目的在于提供一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法，可以简单地实现实时步长的计算，从而达到快速而精确地功率变化要求。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法，当逆变器运行在限功率模式，记当前功率值为Pcurrent，限功率目标值为Paim；若逆变器启机初始运行在MPPT模式下，则限功率模式意味着功率下降，也即Paim<Pcurrent，此时通常会令电压扰向开路电压方向来降低功率达成目标，因此，限功率模式通常运行在功率电压曲线的最大功率点右侧；
若希望功率在某个规定时间内达到目标值，最简单的方法即采用匀速下降方法，设功率变化速率为υp，单位为W/s，MPPT扰动周期为Tm，则在单个扰动周期内期望的功率降额值即限值为
Δps＝υpTm (1)
如果能够保证在每次扰动后的功率下降额度与期望值Δps近似相等，那功率就在规定时间内达到目标值，故以此作为选取扰动步长的依据对每次扰动的步长进行更新；
具体迭代规则如下：
在每次扰动时刻到来时，通过将当前时刻的功率与上一扰动周期的功率做差得到在上一电压扰动步长下的功率变化Δp，令其与Δps进行做商，有
此处，α视作上一步扰动的功率降额系数；若α>1，表明上一次的扰动没有产生足够的功率下降额度，故在下一次扰动时需加大扰动步长；相反，若α<1，表明上一次扰动产生了过大的功率下降额度，下一次扰动步长需减小；而在α＝1时，表明扰动产生的功率下降额度恰好满足期望，故下一次扰动步长不变；
若MPPT已经扰动到最大功率点右侧，周期足够小，且每次扰动后，电压、功率均能快速达到稳态，则前后两次扰动产生的功率降额认为近似相等，也即在功率电压曲线上的斜率近似相等
故在上述假设成立的情况下，有
若要令该步扰动达到期望功率下降值，即Δpk+1＝Δps，则有
因此，利用功率降额系数α能够实现对扰动步长的迭代更新；在实际应用中，可以利用之前MPPT扰动的步长作为限功率模式下的步长初值。在此处，电压扰动步长为实际测量值。
所述扰动方法的具体步骤如下：
步骤1:逆变器在开启MPPT功能后，按照系统设定的扰动周期Tm计数器进行递减计数，在设定的扰动周期Tm到来之前，系统一直处于等待状态，直到扰动周期Tm到；
步骤2:在扰动周期Tm到来后，根据当前采集到的电压值Uk、电流值Ik计算当前功率值Pcurrent，然后将系统存储的前一次功率值Pk-1、前一次电压值Uk-1与当前功率值Pcurrent、当前电压值Uk分别做差，从而得到前一次扰动所导致的功率变化量Δpk、电压变化量Δuk；
步骤3:根据上位机对逆变器运行模式的选择，若逆变器运行选择的是非限功率模式，系统将根据当前功率值Pcurrent、当前电压值Uk按照正常MPPT模式计算确定下一次电压扰动步长；
步骤4:若逆变器运行选择的是限功率模式，则判断当前功率值Pcurrent与限功率目标值Paim的差是否超过系统设定的功率降额值即限值Δps，若两者差值未超过限值Δps，则表明当前功率Pcurrent非常接近限功率目标值Paim，此时为保证扰动精度，采用恒定电压扰动步长；
步骤5:若当前功率值Pcurrent与限功率目标值Paim的差超过限值Δps，则根据设定功率降额速率计算的功率降额值，并利用步骤2中计算得到的前一次功率变化量Δpk与该功率降额值Δps根据公式(2)计算功率降额系数α，进而利用公式(5)及步骤2中得到的前一次扰动所导致的电压变化量Δuk计算出电压变化扰动步长；
步骤6:根据当前电压值Uk与步骤3或4或5中计算得到的电压变化扰动步长，将两者相加确定下一次电压给定值，作为电压扰动参考，至此，一次扰动周期的算法流程结束。
该算法在应用中需要注意的几点：
第一，在限功率模式下，若系统运行在目标功率点附近左右变化时，将导致式(5)中α的符号发生变化，可能会令扰动方向发生错误。该算法中α的计算采用绝对值，通过判断Paim与Pcurrent的大小关系，即可做出扰动方向的正确判断；
第二，当功率变化到目标值附近时，为避免变化扰动步长过大造成的功率振荡，单独将其分离，在当前功率与目标功率差值小于设定速率下单个周期功率降额值Δps时，以某个固定步长Sd进行扰动。
第三，为了防止过大的扰动步长可能导致的系统问题，在实际应用中还需要为扰动步长设置限值，具体限值需根据降额速率取值等来决定。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)该变步长扰动方法与期望运行功率及降额速率指标关系明确，可以按照设定降额速率不断调整扰动步长，保证逆变器实际降额速率跟随设定值变化，从而在规定时间内达到指定功率的降额运行。
2)该变步长扰动方法的步长确定方法与逻辑简单，仅需通过判断最近两次采样的功率与电压差，并结合降额速率及MPPT扰动周期，即可获取每次扰动步长的具体值。
3)该变步长扰动方法并非采用固定的有限步长，而是根据人为设定的期望值来不断的调整步长，而该步长调整思路不限于仅在限功率运行模式下MPPT的扰动，在正常的MPPT控制中同样的步长确定思路和方法同样适用。
附图说明
图1为本发明扰动方法流程图。
图2为逆变器分别在不同降额速率下电压扰动步长变化及相应功率变化情况，其中，图2(a)为50kW/s降额速率下分段电压扰动，图2(b)为50kW/s降额速率下功率、电压扰动差值，图2(c)为100kW/s降额速率下分段电压扰动，图2(d)为100kW/s降额速率下功率、电压扰动差值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法的具体步骤如下：
步骤1:逆变器在开启MPPT功能后，按照系统设定的扰动周期Tm计数器进行递减计数，在设定的扰动周期Tm到来之前，系统一直处于等待状态，直到扰动周期Tm到；
步骤2:在扰动周期Tm到来后，根据当前采集到的电压值Uk、电流值Ik计算当前功率值Pcurrent，然后将系统存储的前一次功率值Pk-1、前一次电压值Uk-1与当前功率值Pcurrent、当前电压值Uk分别做差，从而得到前一次扰动所导致的功率变化量Δpk、电压变化量Δuk；
步骤3:根据上位机对逆变器运行模式的选择，若逆变器运行选择的是非限功率模式，系统将根据当前功率值Pcurrent、当前电压值Uk按照正常MPPT模式计算确定下一次电压扰动步长；
步骤4:若逆变器运行选择的是限功率模式，则判断当前功率值Pcurrent与限功率目标值Paim的差是否超过系统设定的功率降额值即限值Δps，若两者差值未超过限值Δps，则表明当前功率Pcurrent非常接近限功率目标值Paim，此时为保证扰动精度，采用恒定电压扰动步长；
步骤5:若当前功率值Pcurrent与限功率目标值Paim的差超过限值Δps，则根据设定功率降额速率计算的功率降额值，并利用步骤2中计算得到的前一次功率变化量Δpk与该功率降额值Δps根据公式(2)计算功率降额系数α，进而利用公式(5)及步骤2中得到的前一次扰动所导致的电压变化量Δuk计算出电压变化扰动步长；
步骤6:根据当前电压值Uk与步骤3或4或5中计算得到的电压变化扰动步长，将两者相加确定下一次电压给定值，作为电压扰动参考，至此，一次扰动周期的算法流程结束。
如图2中图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)所示，为采用本发明扰动方法下，逆变器分别在不同降额速率下电压扰动步长变化及相应功率变化情况。可以看到，不同降额速率下，逆变器电压扰动步长及功率下降幅度明显不同。
应当注意，本发明以匀速降额为例对该扰动方法进行了分析。但该算法不仅限于匀速降额，其核心扰动步长计算思路与方法同样适用于其他不同降额给定方式的限功率运行扰动，以及正常的MPPT控制中的步长确定。
Claims (3)
1.一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法，其特征在于：当逆变器运行在限功率模式，记当前功率值为Pcurrent，限功率目标值为Paim；若逆变器启机初始运行在MPPT模式下，则限功率模式意味着功率下降，也即Paim<Pcurrent，此时通常会令电压扰向开路电压方向来降低功率达成目标，因此，限功率模式通常运行在功率电压曲线的最大功率点右侧；
若希望功率在某个规定时间内达到目标值，最简单的方法即采用匀速下降方法，设功率变化速率为υp，单位为W/s，MPPT扰动周期为Tm，则在单个扰动周期内期望的功率降额值即限值为
Δps＝υpTm (1)
如果能够保证在每次扰动后的功率下降额度与期望值Δps近似相等，那功率就在规定时间内达到目标值，故以此作为选取扰动步长的依据对每次扰动的步长进行更新；
具体迭代规则如下：
在每次扰动时刻到来时，通过将当前时刻的功率与上一扰动周期的功率做差得到在上一电压扰动步长下的功率变化Δp，令其与Δps进行做商，有
此处，α视作上一步扰动的功率降额系数；若α>1，表明上一次的扰动没有产生足够的功率下降额度，故在下一次扰动时需加大扰动步长；相反，若α<1，表明上一次扰动产生了过大的功率下降额度，下一次扰动步长需减小；而在α＝1时，表明扰动产生的功率下降额度恰好满足期望，故下一次扰动步长不变；
若MPPT已经扰动到最大功率点右侧，周期足够小，且每次扰动后，电压、功率均能快速达到稳态，则前后两次扰动产生的功率降额认为近似相等，也即在功率电压曲线上的斜率近似相等
故在上述假设成立的情况下，有
若要令该步扰动达到期望功率下降值，即Δpk+1＝Δps，则有
因此，利用功率降额系数α能够实现对扰动步长的迭代更新；
所述扰动方法的具体步骤如下：
步骤1:逆变器在开启MPPT功能后，按照系统设定的扰动周期Tm计数器进行递减计数，在设定的扰动周期Tm到来之前，系统一直处于等待状态，直到扰动周期Tm到；
步骤2:在扰动周期Tm到来后，根据当前采集到的电压值Uk、电流值Ik计算当前功率值Pcurrent，然后将系统存储的前一次功率值Pk-1、前一次电压值Uk-1与当前功率值Pcurrent、当前电压值Uk分别做差，从而得到前一次扰动所导致的功率变化量Δpk、电压变化量Δuk；
步骤3:根据上位机对逆变器运行模式的选择，若逆变器运行选择的是非限功率模式，系统将根据当前功率值Pcurrent、当前电压值Uk按照正常MPPT模式计算确定下一次电压扰动步长；
步骤4:若逆变器运行选择的是限功率模式，则判断当前功率值Pcurrent与限功率目标值Paim的差是否超过系统设定的功率降额值即限值Δps，若两者差值未超过限值Δps，则表明当前功率Pcurrent非常接近限功率目标值Paim，此时为保证扰动精度，采用恒定电压扰动步长；
步骤5:若当前功率值Pcurrent与限功率目标值Paim的差超过限值Δps，则根据设定功率降额速率计算的功率降额值，并利用步骤2中计算得到的前一次功率变化量Δpk与该功率降额值Δps根据公式(2)计算功率降额系数α，进而利用公式(5)及步骤2中得到的前一次扰动所导致的电压变化量Δuk计算出电压变化扰动步长；
步骤6:根据当前电压值Uk与步骤3或4或5中计算得到的电压变化扰动步长，将两者相加确定下一次电压给定值，作为电压扰动参考，至此，一次扰动周期的算法流程结束。
2.根据权利要求1所述的一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法，其特征在于：所述上一步扰动的功率降额系数α的计算采用绝对值，由于在限功率模式下，若系统运行在目标功率点附近左右变化时，将导致α的符号发生变化，可能会令扰动方向发生错误；α的计算采用绝对值，通过判断Paim与Pcurrent的大小关系，即能做出扰动方向的正确判断。
3.根据权利要求1所述的一种变步长定速降额限功率MPPT扰动方法，其特征在于：当功率变化到目标值附近时，为避免扰动步长过大造成的功率振荡，单独将其分离，以某个固定步长Sd进行扰动。
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