CN107992153A - 一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法 Download PDF

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李娜
王雪丽
宁青菊
李珏
魏浩
史禄培
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    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，包括选取太阳能光伏系统的一个输出点作为参考点，获取该点的电压U，电流I，在将其与前一时刻的电压电流值计算dU，dI，dP。根据计算得出的值来判断选取合适的步长，通过控制占空比来实时追踪最大功率点。本发明只需获取追踪点的电压电流值，就可以根据环境的变化自动调整步长，方法简单，易于控制，且精确度高。

Description

一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法。
背景技术
太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，随着全球经济的发展，能源问题日益严重，光伏发电技术得到了快速发展。光伏电池的输出特性会随着外界环境的变化而改变，为了能高效地利用光伏电池，需要对光伏阵列进行最大功率点跟踪(MPPT)控制，MPPT控制器设计亦成为光伏发电系统研究中的研究热点。
目前，最大功率点跟踪技术方法很多，有恒定电压法、功率反馈法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、人工神经网络法等，其中扰动观察法和电导增量法被普遍采用。扰动观察法相对简单，且硬件容易实现，但响应速度慢、稳定条件下仍有大幅度振荡。电导增量法以动态变化太阳能光伏电池输出电压来跟踪最大功率点，通过修改逻辑判断式来减少在最大功率点附近的振荡现象。但由于外界环境不稳定，一般为了较快跟踪到最大功率点，选取较大步长，加之测量误差和数字控制量化误差的影响，电导增量法也无法避免在最大功率点附近的振荡。
发明内容
本发明的目的在于解决在外界环境迅速变化时，传统算法性能低的问题，提供一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，该方法可根据外界环境变化自动调整步长，即使光照剧烈变化时，系统始终保持较大步长运行，克服了传统变步长算法启动速度和光照剧烈变化时动态响应速度慢的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，包括以下步骤：
步骤1：采用电导增量法判断太阳能光伏系统工作点的位置；
步骤2：获取所追踪电压下的光伏系统的输出功率曲线；
步骤3：根据外界环境变换实时调整步长，进而控制占空比的大小；若步长为零，则证明此时光伏系统已工作于最大功率点出；若步长不为零，则需调整步长，控制系统的占空比，进而控制系统的输出值。
本发明进一步的改进在于：
步骤1具体为：
光伏电池阵列在最大功率点Pm时，P-U曲线斜率为零，则
P＝UI (1)
其中，P为输出功率，U为输出电压，I为输出电流；式(1)两端对U求导，得到：
若当前光伏阵列工作在MPP的右侧时，变化值为负；若当前光伏阵列工作在MPP的左侧时，变化值为正；并且从一个稳态过渡到另一个稳态时，根据输出电流的变化判断，使其稳定在MPP的邻域内。
先采样光伏阵列的输出电压电流值，并将其与前一时刻的电压电流值进行比较：
a.如果dU＝0且dI＝0，则表示此时系统工作于最大功率点处，占空比保持不变；
b.如果dU＝0且dI＞0，则表示此时需要增大占空比，若相反，则需要减小占空比；
c.如果dU≠0且IdU+UdI＝0，则表示此时系统工作于最大功率点处，占空比保持不变；
d.如果dU≠0且IdU+UdI＞0，则表示此时需要增大占空比，若相反，则需要减小占空比。
步骤3中，根据外界环境变换实时调整步长，进而控制占空比的大小的方法具体为：通过追踪当前系统的输出电压和电流值，系统自动调整步长，控制占空比，改变系统的输出值。
利用最大功率两侧斜率绝对值的差异，步长为：
D(k)＝D(k-1)±N×|dP/(dV-dI)| (3)
其中，D(k)转换器在时刻瞬时k处的占空比，D(k-1)是转换器在前一时刻k-1的占空比；N是在采样周期调整的缩放因子以调节步长；dV、dI和dP分别是光伏阵列输出电流的导数、电压的导数和功率的导数，其由以下公式得到：
dI(k)＝I(k)-I(k-1)
dV(k)＝V(k)-V(k-1)
dP(k)＝P(k)-P(k-1)
其中：I(k)、V(k)和P(k)是光伏阵列在时刻k的输出电流、输出电压和输出功率；I(k-1)、V(k-1)和P(k-1)光伏阵列在时刻k-1的输出电流、输出电压和输出功率。
若所追踪的光伏系统工作点位于MPP的左边，在远离MPP点时，选取较大的步长，在靠近MPP点时，选取较小的步长；若所追踪的光伏系统工作点位于MPP的右边，在远离MPP点时，选取较大的步长，在靠近MPP点时，选取较小的步长；若在MPP点上，则步长为零。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用基本的电导增量法判断太阳能光伏系统工作点的位置；获取所追踪电压下的光伏系统的输出功率曲线；根据外界环境变换实时调整步长，进而控制占空比的大小；若步长为零，则证明此时光伏系统已工作于最大功率点出；若步长不为零，则需调整步长，控制系统的占空比，进而控制系统的输出值；改进型变步长电导增量法根据最大功率点两侧斜率绝对值的差异，采用一种变步长的思想来实现最大功率点的追踪，本发明中对于步长的计算采用了一种新的计算方式，其特点是更简单，响应时间更短，振荡更小。
附图说明
图1为太阳能光伏系统的输出特性曲线；
图2所示为本发明的变步长电导增量法应用框图；
图3所示为本发明控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1
本发明的原理：
如图2所示，太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏板和负载，太阳能光伏板与负载之间通过控制器连接。其中控制器包括DC/DC变换器和MPPT控制器。太阳能光伏板通过DC/DC变换器提供合适的能量给负载；MPPT控制器用于控制DC/DC变换器并实时追踪太阳能光伏的最大功率点。
如图2所示，在光伏发电系统中，光伏阵列输出特性具有非线性特性，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况等因素的影响。在一定的光照强度和环境温度等条件下，光伏电池可工作在不同的输出电压。然而，只有在某一输出电压值时，光伏电池输出的功率才能达到最大。作为有限的功率源，为提高光伏电池的利用率，提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，而调整光伏电池工作点的任务就是由光伏发电系统中的电能变换系统来具体完成的。因此，一个性能优良的光伏发电系统，其电能变换电路必须具备最大功率点跟踪(MPPT)功能。
如图2所示，DC/DC变换器采用BOOST升压电路，BOOST电路主要实现为负载提供合适的电压。为实现MPPT，需要实时跟踪控制BOOST变换器的占空比，通过控制变换器的占空比来实现系统的输出控制。
如图2所示，本发明提供的太阳能光伏系统MPPT控制方法包括：太阳能光伏阵列、DC/DC变换器、MPPT及负载。具体过程如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：采用电导增量法判断太阳能光伏系统工作点的位置，采集太阳能光伏阵列的某一时刻的输出电压U和输出电流I，获取所追踪电压下的光伏系统的输出功率曲线；
具体的：光伏电池阵列在最大功率点Pm时，P-U曲线斜率为零。有：P＝UI，将其两端对U求导，有：dP/dU＝I+UdI/dU。电导增量法是通过设定一个变化值，来判断当前光伏阵列工作在MPP的哪一侧。在MPP右侧时，变化值为负；在MPP左侧时，变化值为正。并且从一个稳态过渡到另一个稳态时，根据输出电流的变化就能作出正确判断，最终稳定在MPP的邻域内。
步骤2：然后计算dU和dI，如果dU＝0，再判断dI是否等于零；如果dU≠0，再进行判断IdU+UdI是否等于零；
本发明先采样光伏阵列的输出电压电流值，并将其与前一时刻的电压电流值进行比较：
a.如果dU＝0且dI＝0，则表示此时系统工作于最大功率点处，占空比保持不变；
b.如果dU＝0且dI＞0，则表示此时需要增大占空比，若相反，则需要减小占空比。
c.如果dU≠0且IdU+UdI＝0，则表示此时系统工作于最大功率点处，占空比保持不变；
d.如果dU≠0且IdU+UdI＞0，则表示此时需要增大占空比，若相反，则需要减小占空比。
本发明利用最大功率两侧斜率绝对值的差异，步长采用：
D(k)＝D(k-1)±N×|dP/(dV-dI)|
通过变系数变步长来实现快速跟踪。同时为了减小稳定条件下的振荡范围，通过设置振荡阈值N，在最大功率点附近选取更小步长以免在最大功率点右侧由于步长过大而直接跳到最大功率点的左侧，从而有效地缩小了在最大功率点附近的振荡。由于改进的变步长电导增量法更能反应其动态特性，且易于实现，因此，本发明可以快速跟踪并且稳定精确地达到MPP附近。
本发明中所提出的变步长方法如下：
D(k)＝D(k-1)±N×|dP/(dV-dI)|
其中，D(k)转换器在时刻瞬时k处的占空比，D(k-1)是转换器在前一时刻k-1的占空比。N是在采样周期调整的缩放因子以调节步长，这是手动调整的。dV、dI和dP分别是光伏阵列输出电流的导数、电压的导数和功率的导数，其可以由以下公式得到：
dI(k)＝I(k)-I(k-1)
dV(k)＝V(k)-V(k-1)
dP(k)＝P(k)-P(k-1)
其中：I(k)、V(k)和P(k)是光伏阵列在时刻k的输出电流、输出电压和输出功率；I(k-1)、V(k-1)和P(k-1)光伏阵列在时刻k-1的输出电流、输出电压和输出功率。
步骤3：根据外界环境变换实时调整步长，进而控制占空比的大小；若步长为零，则证明此时光伏系统已工作于最大功率点出；若步长不为零，则需调整步长，控制系统的占空比，进而控制系统的输出值；实现实时追踪太阳能光伏阵列的最大功率点。
通过追踪当前系统的输出电压和电流值，系统自动调整步长，控制占空比，改变系统的输出值；
通过设置合适系数N，使其兼具较高的跟踪精度和可变的步长。结合图1的P-U曲线，当dP/dU>0时，曲线上升越慢斜率的绝对值越小；但当dP/dU<0时，曲线下降斜率的绝对值较上升时大的多，即所得步长是上升时的几倍。所以此时应比在dP/dU大于0时进一步减小步长。
若所追踪的光伏系统工作点位于MPP的左边，在远离MPP点时，选取较大的步长，在靠近MPP点时，选取较小的步长；若所追踪的光伏系统工作点位于MPP的右边，在远离MPP点时，选取较大的步长，在靠近MPP点时，选取较小的步长；若在MPP点上，则步长为零。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用电导增量法判断太阳能光伏系统工作点的位置；
步骤2：获取所追踪电压下的光伏系统的输出功率曲线；
步骤3：根据外界环境变换实时调整步长，进而控制占空比的大小；若步长为零，则证明此时光伏系统已工作于最大功率点出；若步长不为零，则需调整步长，控制系统的占空比，进而控制系统的输出值。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，步骤1具体为：
光伏电池阵列在最大功率点Pm时，P-U曲线斜率为零，则
P＝UI (1)
其中，P为输出功率，U为输出电压，I为输出电流；式(1)两端对U求导，得到：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>P</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>U</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>I</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>U</mi> <mi>d</mi> <mi>I</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>U</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
若当前光伏阵列工作在MPP的右侧时，变化值为负；若当前光伏阵列工作在MPP的左侧时，变化值为正；并且从一个稳态过渡到另一个稳态时，根据输出电流的变化判断，使其稳定在MPP的邻域内。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，先采样光伏阵列的输出电压电流值，并将其与前一时刻的电压电流值进行比较：
a.如果dU＝0且dI＝0，则表示此时系统工作于最大功率点处，占空比保持不变；
b.如果dU＝0且dI＞0，则表示此时需要增大占空比，若相反，则需要减小占空比；
c.如果dU≠0且IdU+UdI＝0，则表示此时系统工作于最大功率点处，占空比保持不变；
d.如果dU≠0且IdU+UdI＞0，则表示此时需要增大占空比，若相反，则需要减小占空比。
4.根据权利要求1或2所述的太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，步骤3中，根据外界环境变换实时调整步长，进而控制占空比的大小的方法具体为：通过追踪当前系统的输出电压和电流值，系统自动调整步长，控制占空比，改变系统的输出值。
5.根据权利要求4所述的太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，利用最大功率两侧斜率绝对值的差异，步长为：
D(k)＝D(k-1)±N×|dP/(dV-dI)| (3)
其中，D(k)转换器在时刻瞬时k处的占空比，D(k-1)是转换器在前一时刻k-1的占空比；N是在采样周期调整的缩放因子以调节步长；dV、dI和dP分别是光伏阵列输出电流的导数、电压的导数和功率的导数，其由以下公式得到：
dI(k)＝I(k)-I(k-1)
dV(k)＝V(k)-V(k-1)
dP(k)＝P(k)-P(k-1)
其中：I(k)、V(k)和P(k)是光伏阵列在时刻k的输出电流、输出电压和输出功率；I(k-1)、V(k-1)和P(k-1)光伏阵列在时刻k-1的输出电流、输出电压和输出功率。
6.根据权利要求5所述的太阳能光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，若所追踪的光伏系统工作点位于MPP的左边，在远离MPP点时，选取较大的步长，在靠近MPP点时，选取较小的步长；若所追踪的光伏系统工作点位于MPP的右边，在远离MPP点时，选取较大的步长，在靠近MPP点时，选取较小的步长；若在MPP点上，则步长为零。
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