CN108227818B - 基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，包括：S1：采集光伏电池的输出电流和输出电压，获取当前时段和上一时段光伏电池的输出功率、输出功率增量及电压增量；S2：判断输出功率增量和电压增量的比值的绝对值与设定的振荡阈值的关系，选取步长；S3：判断输出功率增量和电压增量乘积的正负，确定步长；S4：将获取的步长与参考占空比相加，生成控制Boost电路的导通和关断的控制信号；本发明还公开了一种实现基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法的系统，包括光伏电池、MPPT控制器、电流电压采集模块、振荡阈值设置模块、步长设置模块和PWM控制模块。与现有技术相比，本发明具有自适应选取步长、跟踪快速稳定等优点。

Description

基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法及系统

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其是涉及一种基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法及系统。

背景技术

太阳能光伏发电被认为是当前世界上最具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。但是光伏发电产业在发展中也遇到了许多问题：(1)光伏电池成本高昂；(2)光电转化效率较低；(3)局部遮挡的危害。最大功率点跟踪是降低发电成本、提高发电效率最直接有效的方法，现有的大部分最大功率点跟踪方法的应用前提都是光伏电池受到的光照均匀，而忽略了在现实生活中，光伏电池被遮挡的概率很大。当光伏电池被局部遮挡时，使得传统的最大功率点跟踪方法容易陷入局部最优难以搜寻到全局最优。

扰动观察法和电导增量法是较早应用在光伏发电系统中的最大功率跟踪方法，被称为传统最大功率跟踪方法。扰动观察法是目前研究比较成熟的一种最大功率跟踪方法，也是工程实践中应用最为广泛的一种最大功率跟踪方法。扰动观察法控制思路简单，实现较为方便，可实现对最大功率点的跟踪，提高系统的利用效率。但是扰动观察法仅以光伏电池前后两次的输出功率为对象进行研究，没有考虑外部环境条件变化对光伏电池前后两次输出功率的影响，在使用的过程中容易出现方法的“误判”，“误判”增加了跟踪时间，降低了光伏电池的输出效率，严重时导致跟踪的失效，使该方法不能准确地跟踪到最大输出功率。

电导增量法跟踪精度较高，控制效果好，不受功率时间曲线的影响。该方法对传感器有较高的要求，同时步长的选取也将影响算法的性能。

传统的最大功率点跟踪方法采用固定步长，当步长选取较大时，对外界环境变化条件下跟踪速度快，但振荡比较严重，导致稳态误差较大，无法满足系统的稳态要求；当步长选取较小时，振荡现象有所减弱，但对外界环境变化条件下跟踪速度变慢，无法满足系统的动态要求。即步长的选取难以兼顾稳态精度和动态性能要求且在外界环境变化较快时，传统最大功率点跟踪方法可能会失去跟踪功能。

近年来，随着智能算法的不断完善，遗传算法、模糊控制算法和神经网络算法等被引入到光伏发电系统的最大功率跟踪控制中。这些算法的使用，有效地提高了最大功率跟踪的精度，减少了能量损耗。但智能算法往往存在控制参数多，控制思想复杂，对硬件的要求高的缺点，这在一定程度上制约了这些算法的工程实践应用，并且随着光伏电池的运行环境变得越来越复杂，由于建筑物、树木的遮挡或灰尘等造成光伏电池表面受到的光照强度不均匀的情况时常发生，此时，光伏的功率-电压特性曲线将出现多个峰值。部分智能算法和传统最大功率点跟踪方法一样，缺乏全局寻优的能力，仅仅适用于单峰值最大功率跟踪系统，当对多峰值系统进行跟踪时，就会造成跟踪失效。因此，研究一种具有全局寻优特性的最大功率点跟踪方法对于提升光伏发电系统的效率十分关键。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：采集光伏电池的输出电流和输出电压，计算当前时段及上一时段光伏的输出功率，获取输出功率增量和电压增量；若输出功率增量和电压增量为零，则步长为零，若二者都不为零，则进入下一步；

步骤2：设置振荡阈值，若输出功率增量和电压增量的比值的绝对值为设置的振荡阈值，则采用固定步长；若输出功率增量和电压增量的比值的绝对值不是设置的振荡阈值，则进入下一步；

步骤3：判断输出功率增量和电压增量的乘积，若乘积为正，则计算步长a；若乘积为负，则步长为-4*a；步长a的计算公式为：

其中，dp为输出功率增量，du为电压增量。乘积的正号表示在最大功率点的左侧需要增大输出电压实现最大功率跟踪；乘积的负号表示在最大功率点的右侧需要减小输出电压从而实现最大功率跟踪。

步骤4：将参考占空比和步长相加，得到的结果与三角波对比，生成控制信号，控制Boost电路的导通和关断，从而使外部电路的等效电阻实时等于光伏电池的内阻，在任意条件下做到光伏发电系统的内外阻抗匹配，实现光伏电池最大输出功率的实时控制。

优选地，所述的设定的振荡阈值A为0.1。

优选地，所述的固定步长为0.1*A。

优选地，所述的参考占空比为0.5。

基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪系统，可实现基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，该系统包括光伏电池、最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)控制器、电流电压采集模块、振荡阈值设置模块、步长设置模块和PWM控制模块。

所述的MPPT控制器的一端与光伏电池连接，另一端与PWM控制模块连接；

所述的电流电压采集模块与光伏电池连接，用于采集光伏电池的输出电压和输出电流，获取输出功率增量和电压增量；

所述的振荡阈值设置模块与电流电压采集模块连接，用于设置振荡阈值，并与实际输出功率增量和电压增量之间比值的绝对值进行对比，选取步长；

所述的步长设置模块与振荡阈值设置模块连接，用于根据实际输出功率增量和电压增量的乘积确定步长；

所述的PWM控制模块与步长设置模块连接，用于根据确定的步长，结合参考占空比生成控制Boost电路的导通和关断的控制信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明可根据不同外部环境选取不同的步长，解决了步长的选取难以兼顾稳态精度和动态性能要求的问题，且能够快速地实现稳定的稳态功率输出，进而提高光伏发电效率，具有光伏最大功率跟踪的快速性、稳定性和准确性；

二、本发明方法设置了用于减小稳定条件下光伏输出功率的振荡范围的振荡阈值，且在最大功率点附近选取固定步长，用于减小在最大功率点附近的振荡，实现稳定的稳态功率输出。

附图说明

图1为基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法的流程图；

图2为基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪仿真模型图；

图3为本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在在固定阴影条件下的对比图，其中，图3(a)为阴影条件1下的三种方法的光伏输出功率对比图，图3(b)为阴影条件2下的三种方法的光伏输出功率对比图，图3(c)为阴影条件3下的三种方法的光伏输出功率对比图，图3(d)为阴影条件4下的三种方法的光伏输出功率对比图，图3(e)为阴影条件5下的三种方法的光伏输出功率对比图；

图4是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度突然变弱条件下的对比图；

图5是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度突然变强条件下的对比图；

图6是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度突然降低条件下的对比图；

图7是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度突然升高条件下的对比图；

图8是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度逐渐变弱条件下的对比图；

图9是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度逐渐变强条件下的对比图；

图10是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度逐渐降低条件下的对比图；

图11是本发明实施例中本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度逐渐升高条件下的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1：采集光伏电池的输出电流和输出电压，通过公式P＝UI计算当前时段和上一时段光伏的输出功率、当前时段和上一时段光伏的输出功率增量以及电压增量。如果电压增量或输出功率增量为零时，则步长为零；如果输出功率增量和电压增量都不为零，则进入步骤2。

步骤2：设置振荡阈值A，用于减小稳定条件下光伏输出功率的振荡范围，本实施例中设置的振荡阈值A取0.1。在最大功率点附近选取取值更小的固定步长，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，本实施例选取的固定步长为0.1*A。

如果输出功率增量和电压增量的比值的绝对值为设置的振荡阈值A，则采用0.1*A的固定步长；否则，进入步骤3。

步骤3：判断输出功率增量和电压增量乘积的正负，若乘积为正，则计算步长a后，进入下一步；步长a的计算公式为：

其中，dp为输出功率增量，du为电压增量。

若乘积为负，则步长取-4*a，进入下一步。

乘积的正号表示在最大功率点的左侧需要增大输出电压实现最大功率跟踪；乘积的负号表示在最大功率点的右侧需要减小输出电压从而实现最大功率跟踪。

步骤4：对获取的步长与参考占空比求和，并将得到的结果与三角波进行比较，用于生成控制信号，控制Boost电路的导通和关断，从而使外部电路的等效电阻实时等于光伏电池的内阻，在任意条件下做到光伏发电系统的内外阻抗匹配，实现光伏电池最大输出功率的实时控制。本实施例选取的参考占空比为0.5。

基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪系统，可实现基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，该系统包括光伏电池、MPPT控制器、电流电压采集模块、振荡阈值设置模块、步长设置模块和PWM控制模块。MPPT控制器的一端与光伏电池连接，另一端与PWM控制模块连接。

电流电压采集模块的输入端与光伏电池的输出端连接，用于采集伏电池阵列的输出电压和输出电流，获取输出功率增量和电压增量。

振荡阈值设置模块与电流电压采集模块连接，用于设置振荡阈值，并与输出功率增量和电压增量之间比值的绝对值进行比较，判断步长。

步长设置模块与振荡阈值设置模块连接，用于根据实际输出功率增量和电压增量的乘积确定步长。

PWM控制模块与步长设置模块连接，用于将获取的步长与参考占空比相加，并将结果与三角波对比后，生成控制Boost电路的导通和关断的控制信号。

为验证本发明方法的有效性，本实施例通过搭建光伏最大功率跟踪仿真模型进行了仿真验证，由于光伏电池在实际运行过程中受到的遮挡可能是固定的、突变的或是逐渐变化的，为了对本发明的有效性进行全面的评价，本实施例针对九种情况进行仿真，并将本发明方法的仿真结果与扰动观察法、电导增量法进行了对比，具体验证过程如下：

图3为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在固定阴影条件下的对比图。为了更加全面地对外部环境进行模拟，本发明在固定阴影条件下考虑了五种阴影条件，通过对图3的分析发现：扰动观察法收敛速度慢且在最大功率点附近振荡严重；电导增量法收敛速度快于扰动观察法，但是其在最大功率点附近振荡严重；同时扰动观察法和电导增量法可能会陷入局部最优，使光伏发电的效率得不到提高。本发明方法在由光照强度和由温度引起的固定阴影条件下都能够快速高效地实现最大功率跟踪，从而可以得出：本发明方法在固定阴影条件下可以解决稳态精度和动态性能要求之间的问题，显著地提高光伏发电效率。固定阴影条件下的光照强度和温度参数如表1所示：

表1固定阴影条件下光照强度和温度参数

图4为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度突然变弱条件下的对比图。通过对图4分析发现：扰动观察法在光照强度变弱时收敛速度变慢且在光照强度变化的转折点处和最大功率点附近振荡严重；电导增量法在光照强度变弱时收敛速度快于扰动观察法，但是在光照变化的转折点处和最大功率点附近振荡严重；同时扰动观察法和电导增量法在光照强度变弱的条件下还会陷入局部最优，使光伏发电效率得不到提高。本发明方法在光照强度变弱的情况下能够快速高效地实现最大功率跟踪，显著地提高光伏发电效率。光照强度突然变弱条件下的光照强度和温度参数如表2所示：

表2光照强度突然变弱条件下光照强度和温度参数

图5为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度突然变强条件下的对比图。通过对图5分析发现：扰动观察法在光照强度较弱时收敛速度慢且在光照变化的转折点处和最大功率点附近振荡严重；电导增量法在光照强度较弱时收敛速度快于扰动观察法，但是在光照变化的转折点处和最大功率点附近振荡严重；同时扰动观察法和电导增量法在光照强度较弱的条件下还会陷入局部最优，使光伏发电效率得不到提高。本发明方法在光照强度变强的情况下能够快速高效地实现最大功率跟踪，显著地提高光伏发电效率。光照强度突然变强条件下的光照强度和温度参数如表3所示：

表3光照强度突然变强条件下光照强度和温度参数

图6为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度突然降低条件下的对比图。从图6中可以看出：温度的变化对光伏电池的最大功率点有很大的影响，扰动观察法和电导增量法在温度降低时会陷入局部最优；本发明方法在温度降低的条件下能够快速高效地实现全局最大功率点的跟踪，显著地提高光伏发电效率。温度突然降低条件下的光照强度和温度参数如表4所示：

表4温度突然降低条件下光照强度和温度参数

图7为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度突然升高条件下的对比图。从图7中可以看出：温度的变化对光伏的最大功率点有很大的影响，扰动观察法和电导增量法在温度较低时会陷入局部最优；本发明方法在温度升高的条件下能够快速高效地实现全局最大功率点的跟踪，显著地提高光伏发电效率。温度突然升高条件下的光照强度和温度参数如表5所示：

表5温度突然升高条件下光照强度和温度参数

图8为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度逐渐减弱条件下的对比图。光照强度渐变弱时(0.2S时从1000变成0.4S的600)模拟光伏电池逐渐受到遮挡。对图8分析发现：扰动观察法和电导增量法在光照逐渐变弱时收敛速度逐渐变慢且会陷入局部最大功率点并在其附近振荡严重；本发明方法在光照强度逐渐变弱时能够快速稳定地收敛到全局最大功率点，显著地提高光伏发电效率。光照强度逐渐变弱条件下的光照强度和温度参数如表6所示：

表6光照强度逐渐变弱条件下光照强度和温度参数

图9为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在光照强度逐渐变强条件下的对比图。光照强度逐渐变强时(0.2S时600变成0.4S的1000)模拟光伏受到的遮挡逐渐消失。对图9进行分析发现：扰动观察法和电导增量法在光照强度较弱时收敛速度慢且会陷入局部最大功率点并在其附近振荡严重，随着光照强度逐渐变强收敛速度变快但是在最大功率点附近仍然存在振荡，使得光伏发电效率得不到提高；本发明方法在光照强度逐渐变强时能够快速稳定地收敛到全局最大功率点，显著地提高光伏发电效率。光照强度逐渐变强条件下的光照强度和温度参数如表7所示：

表7光照强度逐渐变强条件下光照强度和温度参数

图10为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度逐渐降低条件下的对比图。温度逐渐降低时(0.2S时50℃变成0.4S的25℃)。通过对图10进行分析发现：扰动观察法和电导增量法在温度较低时会陷入局部最优并在其附近振荡严重，使得光伏发电效率得不到提高；本发明方法在温度逐渐降低时能够快速稳定地收敛到全局最大功率点，显著地提高光伏发电效率。温度逐渐降低条件下的光照强度和温度参数如表8所示：

表8温度逐渐降低条件下光照强度和温度参数

图11为本发明方法、扰动观察法和电导增量法在温度逐渐升高条件下的对比图。温度逐渐升高时(0.2S时25℃变成0.4S的50℃)。通过对图11进行分析发现：扰动观察法和电导增量法在温度较低时会陷入局部最优并在其附近振荡严重，使得光伏发电效率得不到提高；本发明方法在温度逐渐升高时能够快速稳定地收敛到全局最大功率点，显著地提高光伏发电效率。温度逐渐升高条件下的光照强度和温度参数如表9所示：

表9温度逐渐升高条件下光照强度和温度参数

综上所述，本发明的基于电导增量法的自适应步长光伏最大功率点跟踪方法，在外部环境相对稳定的情况下，具有良好的稳定性；在外部环境变化时，系统能快速跟踪到最大功率点，具有良好的动态性，能解决步长的选取难以兼顾稳态精度和动态性能要求且能够在固定阴影和可变阴影条件下快速地实现稳定的稳态功率输出，显著地提高光伏发电效率，具有跟踪快速性、稳定性和准确性。

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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：采集光伏电池的输出电流和输出电压，获取当前时段和上一时段光伏电池的输出功率、输出功率增量及电压增量后进行判断，若输出功率增量或电压增量为零，则步长为零，若输出功率增量和电压增量都不为零，则进行步骤S2；

S2：设置振荡阈值，若输出功率增量和电压增量的比值的绝对值为设定的振荡阈值，则采用设定的固定步长，进入步骤S4，否则，进行步骤S3；

S3：判断输出功率增量和电压增量的乘积，若乘积为正，则计算步长a，进入下一步，若乘积为负，则步长为-4*a，进入下一步；步长a的计算公式为：

其中，dp为输出功率增量，du为电压增量；

输出功率增量和电压增量的乘积为正时，最大功率点的左侧通过增大输出电压实现最大功率跟踪；输出功率增量和电压增量的乘积为负时，最大功率点的右侧通过减小输出电压实现最大功率跟踪；

S4：将获取的步长与参考占空比相加，生成控制Boost电路的导通和关断的控制信号，实现光伏电池最大输出功率的实时控制。

2.根据权利要求1所述的基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，所述的设定的振荡阈值A为0.1。

3.根据权利要求2所述的基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，所述的固定步长为0.1*A。

4.根据权利要求1所述的基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，所述的参考占空比为0.5。

5.一种实现如权利要求1-4任一项所述的基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪方法的基于电导增量的自适应步长光伏最大功率跟踪系统，包括光伏电池及与光伏电池连接的MPPT控制器，其特征在于，所述的跟踪系统还包括：

电流电压采集模块，与光伏电池连接，用于采集光伏电池的输出电压和输出电流，获取输出功率增量和电压增量；

振荡阈值设置模块，与电流电压采集模块连接，用于设定振荡阈值，并与实际输出功率增量和电压增量之间比值的绝对值进行对比，选取步长；

步长设置模块，与振荡阈值设置模块连接，用于根据实际输出功率增量和电压增量的乘积确定步长；

PWM控制模块，与MPPT控制器和步长设置模块分别连接，用于将获取的步长与参考占空比相加，并将结果与三角波对比后，生成控制Boost电路的导通和关断的控制信号。

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