CN107918437A - 渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法，所述方法为：首先检测光伏系统电压值及电流值，并计算光伏系统的当前输出功率，比较当前输出功率与上一时刻输出功率大小，如果干扰后的光伏输出功率更高，则扰动方向正确，继续施加扰动，反之，则向相反方向施加扰动，其扰动值为上一时刻扰动值的1/n(n＞1)，并判断所跟踪的功率点是否为最大功率点，本发明操作简单、硬件成本低、便于实现，可以适用于外界环境变化剧烈的情况，且光伏系统的动态及稳态性能优于传统的光伏发电最大功率点跟踪方法。

Description

渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法及其系统

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电领域，尤其是涉及渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法及其系统。

背景技术

随着传统能源的日趋枯竭，环境污染的不断加重，新能源的开发与利用越来越受到大家的关注。清洁、可再生的新能源的应用已成为必然的趋势。太阳能作为新能源的一种，凭着其储量丰富、经济、清洁无污染等优势,使其顺利成为最具发展潜力的新型可再生绿色能源。太阳能在电力方面的应用主要是利用热能和光能，一种是利用太阳的热能来进行发电，这种方法是通过聚光得到高温热能，然后将热能转换成电能的发电方式；另一种是利用太阳的光能来进行发电，这种方法就是利用太阳能电池板将光能转换成电能的发电方式，现如今光伏发电站大多数都是直接收集光能然后转化为电能，最后传输到电网用户侧或进行储能。

光伏阵列是光伏发电设备中不可缺少的一部分，其输出功率与环境温度及光照强度呈非线性关系。其输出效率大小是制约光伏发电系统快速发展的重要问题之一。目前，通过最大功率点跟踪(MPPT)技术，利用电力电子装置对光伏阵列的输出电压电流进行实时调节，可以使其运行在最大功率点上，从而提高光伏阵列转换的转换效率。

MPPT方法种类很多，都是建立在恒定电压法、扰动观察法、电导增量法这三种方法的基础上。这三种方法是目前研究最广泛并且应用最普遍的控制方法,其中扰动观察法通过变换器对光伏电池的输出电压施加扰动，每次干扰后，控制方法会比较干扰前后光伏源输出的功率值，如果功率增加则扰动方向相同，反之方向则相反,扰动观察法的优点是结构简单、容易实现，但是其缺点是不能判断何时能够达到最大功率点，存在震荡。电导增量法的控制思想与扰动观察法类似,通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号,实现最大功率点跟踪。

现如今国内外许多学者所提出关于MPPT的方法多种多样，方法越复杂，其精确度虽然相对于以上三种基础算法要更高，但是无一例外，这些改进方法响应速度较慢，并且对硬件设备要求也非常高，增大了光伏系统的成本，无法在实际系统中进行推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种响应速度快、硬件成本低，并且控制精度高的渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法。

本发明所采用的技术方案是，渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法，所述方法包括下列步骤：

(1)、通过电压传感器检测光伏系统在当前时刻的输出电压值U_k,通过电流传感器检测光伏系统在当前时刻的输出电流值I_k；

(2)、根据检测得到的当前输出电压值U_k和当前输出电流值I_k，计算出光伏系统当前的输出功率值P_k；

(3)、将当前时刻的输出功率值P_k与上一时刻的输出功率值P_k-1进行比较，如果P_k>P_k-1,则表示扰动方向s没发生改变，令扰动方向s＝1，进入步骤(4)；如果P_k<P_k-1，则表示扰动方向s发生了改变，令扰动方向s＝-1，进入步骤(4)；如果P_k＝P_k-1，就锁定此时的功率点为最大功率点；

(4)、令当前时刻的扰动值为ΔU_k＝ΔU_k-1/n，其中ΔU_k-1为上一时刻的扰动值，n为扰动步长渐进率，且n>1,并将该扰动值施加到光伏系统中，光伏系统根据扰动值ΔU_k得到一个施加电压值，所述施加电压值为：U_k'＝U_k+s·ΔU_k，并返回步骤(1)继续检测光伏系统的输出电压值和输出电流值，直到锁定到最大功率点。

本发明的有益效果是：采用所述一种渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法，当外界环境发生剧烈变化时，可以使系统具备良好的动态性能和稳态性能，并且该跟踪方法的控制方式简单，控制精度高，有效消除误判，对硬件要求低，可以减少在最大功率点附近功率波动的情况发生，提高工作效率，硬件要求低，工作效果好。

渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪系统，所述系统包括：

最大功率点自寻优控制装置，所述装置通过上述算法找到最大功率点所对应的电压值及电流值；

中间能量转换平台，让输入电压值及输入电流值满足瞬时的光伏最大功率点的值，同时保持输出电压和电流符合负载要求，即令光伏阵列能适应时间变化对发电的影响；

能量转换装置，通过离网或并网型装置，将所产生能量存储或直接接入电网。

附图说明

图1为本发明渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法的流程图；

图2为本发明实施方式中的现有技术的光伏阵列电流—电压输出特性随光照强度变化曲线图。

图3为本发明实施方式中的现有技术的光伏阵列功率—电压输出特性随光照强度变化曲线图。

图4为本发明渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪系统的电气结构图；

图5为本发明渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪系统的结构示意图；

图6为本发明实施方式中光伏发电系统boost电路的输入电流、输入电压和输入功率；

图7为本发明实施方式中光伏发电系统boost电路的输出电流、输出电压和输出功率；

图8为现有技术中光伏发电系统boost电路的输出电流、输出电压和输出功率。

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。

当保持环境温度为固定值时，不同光照强度下光伏电池的输出电流与输出电压的变化曲线图用图2来表示，输出功率与输出电压的变化曲线用图3来表示，在图2与图3中，曲线1表示日照强度为1000w/m²时的输出曲线；曲线2表示日照强度为800w/m²时的输出曲线；曲线3表示日照强度为500w/m²时的输出曲线。从图2中可以看出，随光照强度的增加，最大功率点就向上偏移，短路电流会随着光照强度的升高而增大，而开路电压则变化不大；从图3中可以看出，离最大功率点越远，输出功率越小，同时曲线的斜率越大，而且最大功率点左侧的斜率普遍低于右侧的斜率，而在最大功率点附近，光伏电池输出功率最大但曲线的斜率最小，因此为了使光伏电池输出功率快速到达最大功率点，同时还要满足最大功率点时的光伏电池输出功率稳定，所以应该使扰动步长随光伏电池输出功率的增加而减小，其为本发明基于现有的最大功率点跟踪系统方法的根本出发点。

定步长扰动观察法是如今最常用的最大功率点跟踪(MPPT)方法，因为它相对来说操作简单易于实现。在外界环境(如温度、光照)变化不过于剧烈的情况下，都可在自寻优过程中寻到最大功率点，但是其中扰动步长的选取非常关键，当扰动步长选取较大时，跟踪速度较快，但精度不高，跟踪最大功率点时，电压很难准确定位到最大功率点对应的输出电压值，当初始参考电压值的选择与扰动步长选取不适当时，则扰动会在最大功率点两侧来回震荡，无法跟踪到最大功率点对应的输出电压值，并且扰动步长越大纹波越大；当步长选取较小时，精度虽有提高，但最大功率点跟踪过程中消耗时间会更长，不实用。

建立于定步长扰动观察法的基础上，发明出了一种渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法，其算法流程图如图1所示，此发明中扰动步长的大小随电压传感器以及电流传感器的检测时刻不断缩小，其缩小比例由步长渐进率n的取值来决定，其中n大于1，若n的取值越大，相邻两个采样时刻扰动大小的差距也就越大，其具体包括如下步骤：

(1)、通过电压传感器检测光伏系统在当前时刻的输出电压值U_k,通过电流传感器检测光伏系统在当前时刻的输出电流值I_k；

(2)、根据检测得到的当前输出电压值U_k和当前输出电流值I_k，计算出光伏系统当前的输出功率值P_k；

(3)、将当前时刻的输出功率值P_k与上一时刻的输出功率值P_k-1进行比较，如果P_k>P_k-1,则表示扰动方向s没发生改变，令扰动方向s＝1，进入步骤(4)；如果P_k<P_k-1，则表示扰动方向s发生了改变，令扰动方向s＝-1，进入步骤(4)；如果P_k＝P_k-1，就锁定此时的功率点为最大功率点；

(4)、令当前时刻的扰动值为ΔU_k＝ΔU_k-1/n，即此时刻的扰动值是上一时刻扰动值的1/_n，其中ΔU_k-1为上一时刻的扰动值，n为扰动步长渐进率，且n>1,并将该扰动值施加到光伏系统中，根据扰动值ΔU_k光伏系统得到一个施加电压值，所述施加电压值为：U_k'＝U_k+s·ΔU_k，并返回步骤(1)继续检测光伏系统的输出电压值和输出电流值，直到锁定到最大功率点。

需要说明的是，每个检测周期内检测的U_k以及I_k，计算得到的P_k以及ΔU_k都会进行储存，以供下个检测周期使用，随着工作点向最大功率点靠近，每次扰动均按照一定比例稳定缩小。

下列为对上述渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法进行验证，并对比现有技术在稳定外界环境下的跟踪效果以及在外界环境条件剧烈变化时的跟踪效果。

如图4所示，渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪系统的主要包括以下部分：1、光伏模块：光伏电池将光能直接转化成电能输出电压及电流；2、MPPT模块：根据本申请所描述的最大功率点跟踪方法为核心，输出占空比控制信号，输送至PWM模块；3、PWM模块：产生PWM波控制系统的升压电路中的开关管占空比；4、系统升压斩波电路模块：电源端连接光伏模块，输出端连接用户端，IGBT晶体管根据PWM模块调节占空比控制充放电从而改变输出端电压及电流，达到控制输出功率的目的。

根据本发明所描述的渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法，然后通过选取典型的电气参数来作说明，所选取的电气参数分别为：短路电流I_sc＝8.58A，最大功率点电流I_mpp＝7.84A，最大功率点电压V_mpp＝17.4A，开路电压V_oc＝22A，并且令温度T＝25℃(恒定不变)，当时间t＝0s时，光照幅度w＝600w/m²，t＝1s时，w＝1000w/m²，t＝0.2s时，w＝600w/m²，t＝0.3s时，w＝1000w/m²。在步长ΔU_k＝0.001，步长渐进率n＝10的条件下对本申请的渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法进行分析，实验结果如图6、图7所示，本发明中，扰动步长值ΔU_k以及步长渐进率n可以依据实际应用中的各项参数的不同而选取不同值，当n越大，则精度越高，跟踪效果越好。

于此同时，利用传统的定步长扰动观察法来做分析，同样选取上面的电气参数，同样令传统定步长扰动观察法步长ΔU_k＝0.001，得出的实验结果如图8所示，通过图7和图8，可以看出，本发明中一种渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法比传统定步长扰动观察法具有良好的动态、稳态性能，并且精度高，有效消除误判，提高整个光伏系统的效率。

Claims (2)

1.渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪方法，所述方法包括下列步骤：

(1)、通过电压传感器检测光伏系统在当前时刻的输出电压值U_k,通过电流传感器检测光伏系统在当前时刻的输出电流值I_k；

(2)、根据检测得到的当前输出电压值U_k和当前输出电流值I_k，计算出光伏系统当前的输出功率值P_k；

(3)、将当前时刻的输出功率值P_k与上一时刻的输出功率值P_k-1进行比较，如果P_k>P_k-1,则表示扰动方向s没发生改变，令扰动方向s＝1，进入步骤(4)；如果P_k<P_k-1，则表示扰动方向s发生了改变，令扰动方向s＝-1，进入步骤(4)；如果P_k＝P_k-1，就锁定此时的功率点为最大功率点；

(4)、令当前时刻的扰动值为ΔU_k＝ΔU_k-1/n，其中ΔU_k-1为上一时刻的扰动值，n为扰动步长渐进率，且n>1,并将该扰动值施加到光伏系统中，根据扰动值ΔU_k光伏系统得到一个施加电压值，所述施加电压值为：U_k'＝U_k+s·ΔU_k，并返回步骤(1)继续检测光伏系统的输出电压值和输出电流值，直到锁定到最大功率点。

2.渐进型变步长光伏阵列最大功率点跟踪系统，所述系统包括：

最大功率点自寻优控制装置，所述装置通过上述算法找到最大功率点所对应的电压值及电流值；

中间能量转换平台，让输入电压值及输入电流值满足瞬时的光伏最大功率点的值，同时保持输出电压和电流符合负载要求，即令光伏阵列能适应时间变化对发电的影响；

能量转换装置，通过离网或并网型装置，将所产生能量存储或直接接入电网。