CN107678485A - 光伏发电系统最大功率点跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电系统最大功率点跟踪方法及装置，所述方法包括步骤：定义初始虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；循环执行上述两个步骤，直至构造的新的虚拟控制函数为控制目标的函数；且在定义新的虚拟误差变量e_n+1时，以前一个虚拟控制函数中的一个变量作为变量，构造新的子系统的李雅普诺夫函数为n为大于等于零的整数；按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。通过本发明反推法可以迅速跟踪光伏发电系统最大功率点，并且使光伏电池输出的光伏电压与光伏电流更加稳定。

Description

光伏发电系统最大功率点跟踪方法及装置

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光伏发电系统最大功率点跟踪方法及装置。

背景技术

近年来，环境污染越发严重，人们环保理念的提高，促进了清洁可再生能源的发展。太阳能是一种取之不竭的能源，它以清洁、几乎无污染的特性越来越受到人们的重视。而如何利用它，提高工作效率是需要攻克的难点。

为了使光伏发电系统输出最大功率，传统的控制方法有扰动法，但它控制精度比较低，无法得到准确的功率、电压与电流。现在随着技术的发展，新型的方法运用到了光伏系统中，常用的有模糊控制法、粒子群优化法和自适应三步长法，这三种方法虽然都可以得到较准确的最大功率，但各自也有缺点。模糊控制需要设计模糊控制规则，这无疑增加了设计的难度。而粒子群优化法对传统的粒子群速度更新进行了修改，单独限制了每一个粒子的速度，这是一个新型的方法，但它却增加了工作量。自适应三步长控制方法是在判断工作点的位置来决定采用何种步长，它涉及到判断工作点及步长的计算，这些问题也增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中存在的上述不足，提供一种新型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法及装置。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种光伏发电系统最大功率点跟踪方法，包括以下步骤：

定义初始虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

循环执行上述两个步骤，直至构造的新的虚拟控制函数为控制目标的函数；且在定义新的虚拟误差变量e_n+1时，以前一个虚拟控制函数中的一个变量作为变量，构造新的子系统的李雅普诺夫函数为n为大于等于零的整数；

按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

根据本发明实施例，所述光伏发电系统包括光伏电池、包含电感和升压电容的一个升压电路及MPPT控制电路。以光伏电池输出的光伏电流与光伏电压、升压电路的电感电流与升压电压作为输入变量，以占空比作为控制目标，所述方法具体包括步骤：

定义初始虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

以初始虚拟控制函数中的变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e₁，构成目标子系统；

构造目标子系统的李雅普诺夫函数基于满足目标子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造目标虚拟控制函数；

按照目标虚拟控制函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

同时，本发明实施例还提供了一种光伏发电系统最大功率点跟踪装置，包括：初始子系统建立单元，用于定义虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

初始虚拟控制函数构造单元，用于构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

新子系统建立单元，用于以前一个虚拟控制函数中的一个变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e_n+1，n为大于等于零的整数，构成新的子系统；

目标虚拟控制函数构造单元，用于构造新的子系统的李雅普诺夫函数基于满足新的子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造新的虚拟控制函数，直至新的虚拟控制函数为控制目标的函数；

控制单元，用于按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

与现有技术相比，本发明提供的方法及装置具有以下优势：

1)与扰动法相比，能更好的实现光伏系统最大功率点跟踪控制，有效提高了系统的跟踪速度，使光伏电池输出的电流与电压更加稳定。

2)与模糊控制法、粒子群优化法、自适应三步长等新型控制法相比，本发明方法算法更简单，控制更加精确。

3)本发明当达到最大功率点后基本没有波动，没有震荡，不仅提高了光伏转换效率，也节省了能量，提高了效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明光伏发电系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的光伏发电系统最大功率点跟踪方法的流程图。

图3为本发明实施例提供的光伏发电系统最大功率点跟踪装置的组成框图。

图4a、图4b分别为加入光照扰动后的光照变化波形图、加入温度扰动后温度的变化波形图。

图5a、图5b分别为传统扰动法和本发明方法控制下的光伏电池功率的仿真波形图。

图6a、图6b分别为传统扰动法和本发明方法控制下的光伏电池电压的仿真波形图。

图7a、图7b分别为传统扰动法和本发明方法控制下的光伏电池电流的仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种光伏发电系统最大功率点跟踪方法，包括步骤：

定义初始虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

循环执行上述两个步骤，直至构造的新的虚拟控制函数为控制目标的函数；且在定义新的虚拟误差变量e_n+1时，以前一个虚拟控制函数中的一个变量作为变量，构造新的子系统的李雅普诺夫函数为n为大于等于零的整数；

按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

上述方法为反推法，先选定光伏发电系统的控制目标(即占空比)，定义虚拟跟踪误差，构成初始子系统；建立一个Lyapunov函数，通过满足Lyapunov函数稳定性的条件，设计初始虚拟控制函数；然后对于初始虚拟控制函数，设计新的虚拟误差变量，组成新的子系统，再构造新的子系统的Lyapunov函数，设计新的虚拟控制函数，使新的子系统稳定，如此循环，通过不断设计新的虚拟误差变量，构造新的虚拟控制函数，直到构造的新的虚拟控制函数为控制目标的函数，最后通过控制目标的函数进行控制，从而保证整个光伏发电系统稳定。

相应地，本发明还提供了一种光伏发电系统最大功率点跟踪装置，包括：

初始子系统建立单元，用于定义虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

初始虚拟控制函数构造单元，用于构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

新子系统建立单元，用于以前一个虚拟控制函数中的一个变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e_n+1，n为大于等于零的整数，构成新的子系统；

目标虚拟控制函数构造单元，用于构造新的子系统的李雅普诺夫函数基于满足新的子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造新的虚拟控制函数，直至新的虚拟控制函数为控制目标的函数；

控制单元，用于按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

对于不同结构的光伏发电系统，具有不同的状态方程，而状态方程的不同和定义虚拟误差变量的不同，决定了输入变量的不同，继而使得要构造出控制目标的函数的过程不同，即循环构造的新的虚拟控制函数的次数不同，一般地，输入变量越多，需要构造的新的虚拟控制函数越多。下面将以常见的一种结构的光伏发电系统为例对本发明方法进行更详细的说明。

请参阅图1，本实施例中所述的光伏发电系统包括光伏电池、boost电路和MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制器。具体地，如图1所示，电容(电容值为C_pv)并联于光伏电池的输出端，电感(电感值为l_pv)、三极管(占空比为D)串联于光伏电池的输出端，电感与三极管之间并联有MOSFET管，三极管的输出端并联有升压电容(电容值为C_dc)。通过采集光伏电池输出的光伏电流(i_pv)与光伏电压(V_pv)，boost电路的电感电流(i₁)与升压电压(V_dc)作为MPPT控制器的输入，根据控制策略输出PWM波驱动boost中的MOSFET管，从而得到最大功率。图1所示光伏发电系统具有的状态方程为：其中，x₁是实时光伏电压，x₂是实时电感电流，x₃是实时升压电压。

所述控制策略即为本发明提供的光伏发电系统最大功率点跟踪方法，如图2所示，所述光伏发电系统最大功率点跟踪方法包括以下步骤：

S101，定义初始虚拟误差变量e₀，构成初始子系统。

S102，构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数。

S103，以初始虚拟控制函数中的变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e₁，构成目标子系统。

S104，构造目标子系统的李雅普诺夫函数，基于满足目标子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造目标虚拟控制函数该目标虚拟控制函数即为控制目标的函数。

S105，按照目标虚拟控制函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

上述方法为反推法，先选定光伏发电系统的控制目标(即占空比)，定义跟踪误差，构成初始子系统；建立一个Lyapunov函数，通过满足Lyapunov函数稳定性的条件，设计初始虚拟控制函数；然后对于初始虚拟控制函数，设计虚拟误差变量，组成目标子系统，再构造目标子系统的Lyapunov函数，设计目标虚拟控制函数，使目标子系统稳定，最后通过控制目标虚拟控制函数从而保证整个光伏发电系统稳定。

作为一种实施方式的举例，步骤S101中，可以定义误差变量为x₁为实时光伏电压，为光伏发电系统达到最大功率时所对应的光伏电压。对误差变量求时间的导数有

作为一种实施方式的举例，步骤S102中，构造初始子系统的李雅普诺夫函数为对求时间的导数，有为使初始子系统的李雅普诺夫函数满足稳定性，需要初始子系统的李雅普诺夫函数对时间的导数小于零，即于是有即x₂＝i_pv+k₁e₀C_pv，因此，初始虚拟控制函数为x₂＝i_pv+k₁e₀C_pv，x₂为实时电感电流，k₁＞0，i_pv为光伏电流,C_pv为并联于光伏电池的电容的电容值。

作为一种实施方式的举例，基于步骤S102中所得到的初始虚拟控制函数中，变量为电感电流x₂，因此在步骤S103中，选择假定电流定义虚拟误差变量为 为光伏发电系统达到最大功率时所对应的电感电流。对虚拟误差变量求时间的导数，得到

作为一种实施方式，在步骤S104中，由于初始子系统的李雅普诺夫函数为因此可以构造目标子系统的李雅普诺夫函数为对求时间的导数，有为使目标子系统的李雅普诺夫函数满足稳定性，需要目标子系统的李雅普诺夫函数对时间的导数小于零，即因此有即因此目标虚拟控制函数为D为占空比，x₃为升压电压，k₂＞0，l_pv为电感值。

在步骤S105中，MPPT控制器按照目标虚拟控制函数进行控制，可以跟踪最大功率点，且使光伏发电系统稳定，如图5所示。

如图4所示，在0.2s时，加入了光照扰动，光照由1000W/m²升高到1500W/m²，而在0.4s时加入了温度扰动，温度由25℃升高到50℃。从图5-7可以看出，在外部环境变化(例如图4所示变化)的情况下，使用扰动法使光伏电池得到最大功率时，所输出的光伏电压与光伏电流不稳定，有很多谐波，而本发明反推法可以迅速跟踪光伏发电系统最大功率点，并且使光伏电池输出的光伏电压与光伏电流更加稳定，几乎没有谐波，没有震荡，结果更加准确。即本发明反推法作为一种新型的最大功率点跟踪方法，它可以使光伏发电系统更稳定，使光伏发电系统得到更精确的结论。

请参阅图3，本实施例中同时提供了一种光伏发电系统最大功率点跟踪装置，可应用于图1所示光伏发电系统中的MPPT控制器中，实现迅速跟踪光伏发电系统最大功率点，并且使光伏电池输出的光伏电压与光伏电流更加稳定。具体地，所述光伏发电系统最大功率点跟踪装置包括：

初始子系统建立单元，用于定义虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

初始虚拟控制函数构造单元，用于构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

新子系统建立单元，用于以初始虚拟控制函数中的变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e₁，构成目标子系统；

目标虚拟控制函数构造单元，用于构造目标子系统的李雅普诺夫函数基于满足目标子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造目标虚拟控制函数，所述目标虚拟控制函数即为所述控制目标的函数；

控制单元，用于按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

各个单元的具体执行过程可以参见上述方法描述中的相关描述，此处不再赘述。

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 (8)

1.一种光伏发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

定义初始虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

循环执行上述两个步骤，直至构造的新的虚拟控制函数为控制目标的函数；且在定义新的虚拟误差变量e_n+1时，以前一个虚拟控制函数中的一个变量作为变量，构造新的子系统的李雅普诺夫函数为n为大于等于零的整数；

按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光伏发电系统包括光伏电池、包含电感和升压电容的一个升压电路，以光伏电池输出的光伏电流与光伏电压、升压电路的电感电流与升压电压作为输入变量，以占空比作为控制目标，所述方法具体包括步骤：

定义初始虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

以初始虚拟控制函数中的变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e₁，构成目标子系统；

构造目标子系统的李雅普诺夫函数基于满足目标子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造目标虚拟控制函数；

按照目标虚拟控制函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，定义初始虚拟误差变量x₁为实时光伏电压，为光伏发电系统达到最大功率时所对应的光伏电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述光伏发电系统存在状态方程：则有初始虚拟控制函数为x₂＝i_pv+k₁e₀C_pv；

定义虚拟误差变量则有目标虚拟控制函数为

其中，x₁是实时光伏电压，x₂是实时电感电流，x₃是实时升压电压，D为占空比，k₁＞0，k₂＞0，i_pv为光伏电流,C_pv为并联于光伏电池的电容的电容值，l_pv为串联于光伏电池的电感的电感值，为光伏发电系统达到最大功率时所对应的电感电流。

5.一种光伏发电系统最大功率点跟踪装置，其特征在于，包括：

初始子系统建立单元，用于定义虚拟误差变量e₀，构成初始子系统；

初始虚拟控制函数构造单元，用于构造初始子系统的李雅普诺夫函数基于满足初始子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造初始虚拟控制函数；

新子系统建立单元，用于以前一个虚拟控制函数中的一个变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e_n+1，n为大于等于零的整数，构成新的子系统；

目标虚拟控制函数构造单元，用于构造新的子系统的李雅普诺夫函数基于满足新的子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造新的虚拟控制函数，直至新的虚拟控制函数为控制目标的函数；

控制单元，用于按照所述控制目标的函数进行控制，以跟踪最大功率点，并使光伏发电系统稳定。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光伏发电系统包括光伏电池、包含电感和升压电容的一个升压电路，以光伏电池输出的光伏电流与光伏电压、升压电路的电感电流与升压电压作为输入变量，以占空比作为控制目标；

所述新子系统建立单元，具体用于以初始虚拟控制函数中的变量作为变量，定义新的虚拟误差变量e₁，构成目标子系统；

所述目标虚拟控制函数构造单元，具体用于构造目标子系统的李雅普诺夫函数基于满足目标子系统的李雅普诺夫函数稳定性的条件，构造目标虚拟控制函数，所述目标虚拟控制函数即为所述控制目标的函数。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，初始子系统建立单元定义的误差变量为x₁为实时光伏电压，为光伏发电系统达到最大功率时所对应的光伏电压。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光伏发电系统存在状态方程：则有初始虚拟控制函数为x₂＝i_pv+k₁e₀C_pv；所述新子系统建立单元建立的新的虚拟误差变量为则有目标虚拟控制函数为

其中，x₁是实时光伏电压，x₂是实时电感电流，x₃是实时升压电压，D为占空比，k₁＞0，k₂＞0，i_pv为光伏电流,C_pv为并联于光伏电池的电容的电容值，l_pv为串联于光伏电池的电感的电感值，为光伏发电系统达到最大功率时所对应的电感电流。