CN107589776A - 最大功率点跟踪方法、mppt控制器及光伏发电系统 - Google Patents

最大功率点跟踪方法、mppt控制器及光伏发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种最大功率点跟踪方法、MPPT控制器及光伏发电系统，涉及光伏发电技术领域，能够解决现有的最大功率点跟踪方法精度不高、速度慢的问题。其中所述方法包括：生成三维矩阵[Ti Sj Um]。实时采样当前时刻的T和S及U和I。计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)。计算|P(k)‑P(k‑1)|，比较|P(k)‑P(k‑1)|与阈值ε的大小；若|P(k)‑P(k‑1)|>ε，则根据三维矩阵通过查表获得当前时刻的外界温度和光照所对应的输出电压，该输出电压作为下一时刻的目标输出电压；若|P(k)‑P(k‑1)|≤ε，则通过电导增量法确定下一时刻的目标输出电压。控制下一时刻的输出电压改变为目标输出电压。上述最大功率点跟踪方法应用于对光伏发电系统的控制过程中。

Description

最大功率点跟踪方法、MPPT控制器及光伏发电系统
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种最大功率点跟踪方法、MPPT(英文全称：Maximum Power Point Tracking，中文名称：最大功率点跟踪)控制器及光伏发电系统。
背景技术
近年来，太阳能光伏发电产业得到了快速的发展。光伏电池可以将太阳能转化为电能从而对外输出功率，由于光伏电池输出P-U特性受外界温度和光照等工作条件影响为非线性关系，所以光伏电池输出功率与输出电压之间的关系也为非线性关系。通常情况下，需要采用最大功率点跟踪技术控制光伏电池阵列的输出电压，使其工作在最大功率点处。
目前根据最大功率点跟踪的算法的特征和具体实现过程，可将最大功率点跟踪方法分为三大类：(1)基于参数选择方式的间接控制法，主要有恒电压跟踪法、开路电压比例系数法等；(2)基于采样数据的直接控制法，如扰动观察法、电导增量法等；(3)基于现代控制理论的人工智能控制法，如模糊逻辑控制法、神经网络法等。以上三种方法中，第一种方法精度不高，第二、三种方法启动速度慢，外界环境剧烈变化时动态响应速度慢。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提供一种最大功率点跟踪方法、MPPT控制器及光伏发电系统，以使光伏发电系统在外界温度或光照条件发生变化时能够快速精确的运行在最大功率点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种最大功率点跟踪方法，所述最大功率点跟踪方法包括以下步骤：
S1：根据光伏电池的测试数据，生成三维矩阵[Ti Sj Um]，并储存所述三维矩阵中的元素；其中，T为外界温度，S为光照，U为在外界温度T和光照S下光伏电池的输出功率最大时的输出电压。
S2：实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，并根据当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)。
S3：计算当前时刻与上一时刻光伏电池的输出功率的差值的绝对值|P(k)-P(k-1)|，比较|P(k)-P(k-1)|与阈值ε的大小；若|P(k)-P(k-1)|>ε，则进入步骤S4；若|P(k)-P(k-1)|≤ε，则进入步骤S5；其中，阈值ε根据经验值而定。
S4：根据步骤S1中所储存的三维矩阵中的元素，通过查表获得当前时刻的外界温度和光照所对应的输出电压，将所获得输出电压作为下一时刻的目标输出电压U(k+1)。
S5：通过电导增量法确定下一时刻的目标输出电压U(k+1)。
S6：控制下一时刻光伏电池的输出电压改变为所述目标输出电压U(k+1)，返回步骤S2。
在本发明所提供的最大功率点跟踪方法中，预先根据光伏电池的测试数据生成三维矩阵[Ti Sj Um]，T为外界温度，S为光照，U为在外界温度T和光照S下光伏电池的输出功率最大时的输出电压。在对最大功率点进行跟踪的过程中，通过实时采样检测外界温度和光照的变化；当外界温度或光照发生剧烈变化导致光伏电池的输出功率偏离最大功率点较远时，根据预先生成的三维矩阵通过查表法快速确定下一时刻的目标输出电压；当光伏电池的输出功率偏离最大功率点较近时，通过电导增量法精确的确定下一时刻的目标输出电压。通过综合利用以上两种方式确定下一时刻的目标输出电压，实现了在较短的时间内、较精确的确定输出电压的值，从而使光伏电池在外界温度或光照条件发生变化时能够快速精确的运行在最大功率点。
本发明的第二方面提供了一种MPPT控制器，所述MPPT控制器包括：
数据存储模块，所述数据存储模块用于根据光伏电池的测试数据，生成三维矩阵[Ti Sj Um]，并储存所述三维矩阵中的元素；其中，T为外界温度，S为光照，U为在外界温度T和光照S下光伏电池的输出功率最大时的输出电压。
与所述数据存储模块相连的数据获取模块，所述数据获取模块还与用于实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)的采样传感器相连，所述数据获取模块用于获取所述三维矩阵中的元素数据，所述当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)数据，及所述当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)数据。
与所述数据获取模块相连的计算比较模块，所述计算比较模块用于根据所述当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)，然后计算当前时刻与上一时刻光伏电池的输出功率的差值的绝对值|P(k)-P(k-1)|，比较|P(k)-P(k-1)|与阈值ε的大小。其中，阈值ε根据经验值而定。
与所述计算比较模块相连的输出电压确定模块，所述输出电压确定模块用于在|P(k)-P(k-1)|>ε时，根据所述三维矩阵中的元素数据，通过查表获得当前时刻的外界温度和光照所对应的输出电压，将所获得输出电压作为下一时刻的目标输出电压U(k+1)；所述输出电压确定模块还用于在|P(k)-P(k-1)|≤ε时，通过电导增量法确定下一时刻的目标输出电压U(k+1)。
与所述输出电压确定模块相连的输出电压控制模块，所述输出电压控制模块用于控制下一时刻光伏电池的输出电压改变为所述目标输出电压U(k+1)。
本发明的第二方面所提供的MPPT控制器的有益效果与本发明的第一方面所提供的最大功率点跟踪方法的有益效果相同，此处不再赘述。
本发明的第三方面提供了一种光伏发电系统，所述光伏发电系统包括：包括若干光伏电池的光伏电池阵列；与所述光伏电池阵列相连的采样传感器，所述采样传感器用于实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)；与所述光伏电池阵列和所述采样传感器相连的MPPT控制器，所述MPPT控制器为如本发明的第二方面所述的MPPT控制器。
本发明的第三方面所提供的光伏发电系统的有益效果与本发明的第一方面所提供的最大功率点跟踪方法的有益效果相同，此处不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所提供的最大功率点跟踪方法的流程图一；
图2为本发明实施例所提供的最大功率点跟踪方法的流程图二；
图3为本发明实施例所提供的光伏发电系统的结构示意图。
附图标记说明：
1-MPPT控制器； 11-数据存储模块；
12-数据获取模块； 13-计算比较模块；
14-输出电压确定模块； 15-输出电压控制模块；
2-光伏电池阵列； 3-采样传感器；
4-DC/AC变换器； 5-电网系统。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种最大功率点跟踪方法，该方法包括以下步骤：
S1：根据光伏电池的测试数据，生成三维矩阵[Ti Sj Um]，并储存该三维矩阵中的元素。其中，T为外界温度，S为光照，U为在外界温度T和光照S下光伏电池的输出功率最大时的输出电压。
在步骤S1中，三维矩阵[Ti Sj Um]能够反映光伏电池的输出功率最大时的输出电压与外界温度T、光照S的对应关系。
S2：实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，并根据当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)。
在步骤S2中，根据P＝UI计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)。
S3：计算当前时刻与上一时刻光伏电池的输出功率的差值的绝对值|P(k)-P(k-1)|，比较|P(k)-P(k-1)|与阈值ε的大小。若|P(k)-P(k-1)|>ε，则进入步骤S4。若|P(k)-P(k-1)|≤ε，则进入步骤S5。
在步骤S3中，阈值ε根据经验值而定，比如ε可取值为5％P(k-1)。若|P(k)-P(k-1)|>ε，说明光伏电池的输出功率已经偏离最大功率点较远。若|P(k)-P(k-1)|≤ε，说明光伏电池的输出功率偏离最大功率点较近。在后续步骤中，针对光伏电池的输出功率偏离最大功率点的远近情况，分情况采取不同的方式确定下一时刻光伏电池的目标输出电压U(k+1)。
S4：根据步骤S1中所储存的三维矩阵中的元素，通过查表获得当前时刻的外界温度和光照所对应的输出电压，将所获得输出电压作为下一时刻的目标输出电压U(k+1)。
针对光伏电池的输出功率已经偏离最大功率点较远的情况，如果采用电导增量法对输出电压进行调节，由于调节的幅度较小，因此将输出电压调节至目标输出电压，以使光伏电池工作在最大功率点的过程需要较长时间。针对这种情况，在步骤S4中，采用查表法获得目标输出电压，由于预先已经存储了三维矩阵中的元素，相当于预先已经知道不同外界温度T和光照S与光伏电池输出功率最大时的输出电压的对应关系，因此根据当前时刻的外界温度T和光照S，通过查表，即查找该对应关系，就能够直接快速得到当前时刻的外界温度T和光照S所对应的输出电压值，该输出电压值可作为下一时刻的目标输出电压U(k+1)的值，以将光伏电池的输出功率快速控制在最大功率点。
S5：通过电导增量法确定下一时刻的目标输出电压U(k+1)。
针对光伏电池的输出功率已经偏离最大功率点较近的情况，采用电导增量法能够实现对输出电压的微调，因此能够获得更加精确的目标输出电压的值，以将光伏电池的输出功率精确控制在最大功率点。
S6：控制下一时刻光伏电池的输出电压改变为目标输出电压U(k+1)，返回步骤S2。
在本实施例所提供的最大功率点跟踪方法中，预先存储光伏电池的输出功率最大时的输出电压与外界温度T、光照S的对应关系。在对最大功率点进行跟踪的过程中，实时采样检测外界温度和光照的变化。当外界温度或光照发生剧烈变化导致光伏电池的输出功率偏离最大功率点较远时，根据预先存储的对应关系通过查表法快速确定下一时刻的目标输出电压。当光伏电池的输出功率偏离最大功率点较近时，通过电导增量法精确的确定下一时刻的目标输出电压。通过综合利用以上两种方式确定下一时刻的目标输出电压，实现了在较短的时间内、较精确的确定输出电压的值，从而使光伏电池在外界温度或光照条件发生变化时能够快速精确的运行在最大功率点。
如图2所示，在上述各步骤中，步骤S1具体包括以下步骤：
S11：获取若干当外界温度T和光照S变化时对应的光伏电池的P-U曲线。其中，P为光伏电池的输出功率，U为光伏电池的输出电压。
需要说明的是，针对特定型号的光伏电池，厂家均会进行测试，在步骤S11中，可根据厂家提供的已有的测试结果，得到一系列当外界气温T、光照S变化时对应的P-U曲线。在每条P-U曲线中，光伏电池只有工作在某一输出电压时，其输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点达到了P-U曲线的最高点，称之为最大功率点。当光伏电池的工作电压小于最大功率点电压时，光伏电池的输出功率随其输出电压的上升而增加；当光伏电池的工作电压大于最大功率点电压时，光伏电池的输出功率随其输出电压的上升而减小。
S12：根据所获取的若干P-U曲线，获取输出功率P最大时对应的输出电压U。
S13：根据输出功率P最大时对应的输出电压U，及其对应的外界温度T和光照S，生成三维矩阵[Ti Sj Um]，并储存该三维矩阵中的元素。
请再次参见图2，在上述各步骤中，步骤S5具体包括以下过程：
比较当前时刻光伏电池的输出功率P(k)与上一时刻光伏电池的输出功率P(k-1)的大小，当前时刻光伏电池的输出电压U(k)与上一时刻光伏电池的输出电压U(k-1)的大小。
若P(k)>P(k-1)，且U(k)>U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)+ΔU。
若P(k)>P(k-1)，且U(k)<U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)-ΔU。
若P(k)<P(k-1)，且U(k)>U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)-ΔU。
若P(k)<P(k-1)，且U(k)<U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)+ΔU。
若P(k)＝P(k-1)和/或U(k)＝U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)。
其中，ΔU为一个很小的电压值，根据经验值而定，可取值为5％U(k-1)。
在上述过程中，当P(k)>P(k-1)且U(k)>U(k-1)时，当P(k)<P(k-1)且U(k)<U(k-1)，表示P-U曲线的斜率为正，需要适当增加输出电压来达到最大功率点电压，即令U(k+1)＝U(k)+ΔU。当P(k)>P(k-1)且U(k)<U(k-1)时，当P(k)<P(k-1)且U(k)>U(k-1)时，表示P-U曲线的斜率为负，需要适当减小输出电压来达到最大功率点电压，即令U(k+1)＝U(k)+ΔU。当P(k)＝P(k-1)和/或U(k)＝U(k-1)，表示P-U曲线的斜率为零，此时输出电压正处于最大功率点电压，因此可令U(k+1)＝U(k)。
实施例二
基于实施例一，本实施例提供了一种MPPT控制器，如图3所示，该MPPT控制器1包括：依次相连的数据存储模块11、数据获取模块12、计算比较模块13、输出电压确定模块14和输出电压控制模块15。
其中，数据存储模块11用于根据光伏电池的测试数据，生成三维矩阵[Ti Sj Um]，并储存该三维矩阵中的元素。其中，T为外界温度，S为光照，U为在外界温度T和光照S下光伏电池的输出功率最大时的输出电压。
数据获取模块12还与用于实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)的采样传感器3相连。数据获取模块12用于获取三维矩阵中的元素数据，当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)数据，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)数据。
计算比较模块13用于根据当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)，然后计算当前时刻与上一时刻光伏电池的输出功率的差值的绝对值|P(k)-P(k-1)|，比较|P(k)-P(k-1)|与阈值ε的大小。其中，阈值ε根据经验值而定，比如ε可取值为5％P(k-1)。
输出电压确定模块14用于在|P(k)-P(k-1)|>ε时，根据三维矩阵中的元素数据，通过查表获得当前时刻的外界温度和光照所对应的输出电压，将所获得输出电压作为下一时刻的目标输出电压U(k+1)。输出电压确定模块14还用于在|P(k)-P(k-1)|≤ε时，通过电导增量法确定下一时刻的目标输出电压U(k+1)。
输出电压控制模块15用于控制下一时刻光伏电池的输出电压改变为目标输出电压U(k+1)。
通过本实施例所提供的MPPT控制器，当光伏电池的输出功率偏离最大功率点较远时，通过查表法快速确定下一时刻的目标输出电压。当光伏电池的输出功率偏离最大功率点较近时，通过电导增量法精确的确定下一时刻的目标输出电压。从而综合利用了以上两种方式，能够快速、精确的确定输出电压，使光伏电池在外界温度或光照条件发生变化时能够快速精确的运行在最大功率点。
实施例三
基于实施例一和实施例二，本实施例提供了一种光伏发电系统，如图3所示，该光伏发电系统包括：光伏电池阵列2、采样传感器3和MPPT控制器1。
其中，光伏电池阵列2包括若干光伏电池，用于将光能转化为电能。
采样传感器3与光伏电池阵列2相连，用于实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)。采样传感器3为了采样前述不同类型的数据，采样传感器3可以包括如温度传感器、光强传感器、电流传感器、电压传感器等不同类型的传感器。
MPPT控制器1与光伏电池阵列2和采样传感器3相连，MPPT控制器为如实施例二所述的MPPT控制器，快速、精确的控制光伏电池阵列2的输出电压，使光伏电池阵列2在外界温度或光照条件发生变化时能够快速精确的运行在最大功率点。
此外，请再次参见图3，本实施例中的光伏发电系统还包括：与光伏电池阵列2相连的DC/AC变换器4(直流-交流变换器)，用于将光伏电池阵列2输出的直流电流转换为交流电流，提供给电网系统5。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述最大功率点跟踪方法包括以下步骤：
S1：根据光伏电池的测试数据，生成三维矩阵[Ti Sj Um]，并储存所述三维矩阵中的元素；其中，T为外界温度，S为光照，U为在外界温度T和光照S下光伏电池的输出功率最大时的输出电压；
S2：实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，并根据当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)；
S3：计算当前时刻与上一时刻光伏电池的输出功率的差值的绝对值|P(k)-P(k-1)|，比较|P(k)-P(k-1)|与阈值ε的大小；若|P(k)-P(k-1)|>ε，则进入步骤S4；若|P(k)-P(k-1)|≤ε，则进入步骤S5；其中，阈值ε根据经验值而定；
S4：根据步骤S1中所储存的三维矩阵中的元素，通过查表获得当前时刻的外界温度和光照所对应的输出电压，将所获得输出电压作为下一时刻的目标输出电压U(k+1)；
S5：通过电导增量法确定下一时刻的目标输出电压U(k+1)；
S6：控制下一时刻光伏电池的输出电压改变为所述目标输出电压U(k+1)，返回步骤S2。
2.根据权利要求1所述的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11：获取若干当外界温度T和光照S变化时对应的光伏电池的P-U曲线；其中，P为光伏电池的输出功率，U为光伏电池的输出电压；
S12：根据若干所述P-U曲线，获取输出功率P最大时对应的输出电压U；
S13：根据输出功率P最大时对应的输出电压U，及其对应的外界温度T和光照S，生成三维矩阵[Ti Sj Um]，并储存所述三维矩阵中的元素。
3.根据权利要求1所述的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述步骤S5包括：比较当前时刻光伏电池的输出功率P(k)与上一时刻光伏电池的输出功率P(k-1)的大小，当前时刻光伏电池的输出电压U(k)与上一时刻光伏电池的输出电压U(k-1)的大小；
若P(k)>P(k-1)，且U(k)>U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)+ΔU；
若P(k)>P(k-1)，且U(k)<U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)-ΔU；
若P(k)<P(k-1)，且U(k)>U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)-ΔU；
若P(k)<P(k-1)，且U(k)<U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)+ΔU；
若P(k)＝P(k-1)或U(k)＝U(k-1)，则令U(k+1)＝U(k)；
其中，ΔU根据经验值而定。
4.一种MPPT控制器，其特征在于，所述MPPT控制器包括：
数据存储模块，所述数据存储模块用于根据光伏电池的测试数据，生成三维矩阵[Ti SjUm]，并储存所述三维矩阵中的元素；其中，T为外界温度，S为光照，U为在外界温度T和光照S下光伏电池的输出功率最大时的输出电压；
与所述数据存储模块相连的数据获取模块，所述数据获取模块还与用于实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)的采样传感器相连，所述数据获取模块用于获取所述三维矩阵中的元素数据，所述当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)数据，及所述当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)数据；
与所述数据获取模块相连的计算比较模块，所述计算比较模块用于根据所述当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k)，然后计算当前时刻与上一时刻光伏电池的输出功率的差值的绝对值|P(k)-P(k-1)|，比较|P(k)-P(k-1)|与阈值ε的大小；其中，阈值ε根据经验值而定；
与所述计算比较模块相连的输出电压确定模块，所述输出电压确定模块用于在|P(k)-P(k-1)|>ε时，根据所述三维矩阵中的元素数据，通过查表获得当前时刻的外界温度和光照所对应的输出电压，将所获得输出电压作为下一时刻的目标输出电压U(k+1)；所述输出电压确定模块还用于在|P(k)-P(k-1)|≤ε时，通过电导增量法确定下一时刻的目标输出电压U(k+1)；
与所述输出电压确定模块相连的输出电压控制模块，所述输出电压控制模块用于控制下一时刻光伏电池的输出电压改变为所述目标输出电压U(k+1)。
5.一种光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括：
包括若干光伏电池的光伏电池阵列；
与所述光伏电池阵列相连的采样传感器，所述采样传感器用于实时采样当前时刻的外界温度T(k)和光照S(k)，及当前时刻光伏电池的输出电压U(k)和输出电流I(k)；
与所述光伏电池阵列和所述采样传感器相连的MPPT控制器，所述MPPT控制器为如权利要求4所述的MPPT控制器。
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