CN108268083A - 一种自适应的增量电导mppt算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应的增量电导MPPT算法，该算法基于增量电导算法，采用多种步长模型结合允许的误差，精确地控制转换电路占空比D，以提高追踪效率和准确应对快速变化的光照条件。本发明的自适应增量电导MPPT追踪速度快，并在光照突然变化时响应准确，仅有少量波动，无稳态振荡。相比较于已有的MPPT具有更好的追踪性能，响应精确，无振荡，追踪效率高，易于实现，减少了能量损失，解决了已有算法常有的振荡、响应不精确、追踪效率低和实现难度高的问题，本发明算法中改进的步长模型和精确的方向控制是有效的。

Description

一种自适应的增量电导MPPT算法

技术领域

本发明涉及光伏系统的最大功率点跟踪技术领域，具体涉及一种自适应的增量电导MPPT算法。

背景技术

为了提高光伏系统的最大功率点追踪效率，许多MPPT算法被提出并改进，增量电导算法是使用最广泛的算法之一，比较经典的有变步长和定步长的增量电导MPPT，但是这些算法具有稳态振荡、响应不精确、追踪效率低以及能量损失的缺点，特别是在光照强度快速变化的情况下无法精确追踪。

在一个光伏系统中，由于光伏面板的非线性特征，以及外界环境的变化，如温度、光照强度等，和负载的变动，系统的输出功率会低于理想输出功率，因此，为了让光伏系统的输出功率最大，许多最大功率点追踪（MPPT）算法被提出，并结合转换电路，MPPT算法用于控制转换电路的占空比来实现整个系统的阻抗匹配，以达到最大功率输出，MPPT主要有：

（1）开路电压算法和短路电流算法：主要根据光伏板的开路电压和短路电流输出对应的控制电压信号或电流信号；

（2）扰动观察算法：通过不断比较当前功率和前一个时间点的功率，输出一个参考电压来控制追踪；

（3）增量电导算法：增量电导法是MPPT控制常用的算法，也是一种以扰动太阳电池的输出电压来进行太阳电池最大功率点追踪的一种策略，它是根据在最大功率点时太阳电池的输出功率对电压的微分为0而被提出来的。它能够判断出工作点电压与最大功率点电压的关系。对于功率P有：P=IV 。

同时对上式两端对V求导，可得：dP/dV=d(IV)/dV=I+V(dI/dV)，当dP/dV＞0时，V小于最大功率点电压Vmax；当dP/dV＜0时，V小于最大功率点电压Vmax；当dP/dV=0，V等于最大功率点电压Vmax；将上述三种情况代入上式可得： 当 V<Vmax时, dI／dV>-I/V；当 V>Vmax时, dI／dV<-I/V；当 V=Vmax时, dI／dV=-I/V； 这样可以根据dI／dV与-I/V之间的关系来调整工作点电压,从而实现最大功率跟踪。V(k),I(k)为第k时刻的电压、电流。由于dV是分母,首先判断dV是否为0。如果dV=0, dI=0,则认为找到最大功率点,不需要调整。如果dV=0,电流变化量不为0,依据dI的正负调整参考电压。若dV不为0,则根据上式对参考电压进行调整。增量电导算法通过对增量电导dI/dV和瞬时电导I/V的比较来直接控制占空比；

（4）神经网络算法：根据光伏板的特性设计出经过良好训练的神经网络，用以追踪最大功率点；

（5）模糊逻辑算法：通过精确设计的模糊推理系统、模糊推理表和合适的追踪误差来控制追踪最大功率点。

上述算法虽然能够实现最大功率点追踪，但也存在着各自的不足之处，主要有：

（1）开路电压算法和短路电流算法由于环境的变化，需要不断地去测试光伏板的当前的开路电压或短路电流，这不仅难以全部实现，同时也导致了能量损失；

（2）扰动观察算法：在追踪了一个最大功率点后，其后的追踪由于会向两个方向进行扰动，因此会产生振荡，导致能量损失；

（3）增量电导算法的性能受步长控制模型的影响较大，过小的步长导致追踪速度慢，过大的步长会引起振荡，并且在光照突然增大的时候无法准确响应；

（4）神经网络算法在温度和太阳光照度等改变时光伏板的特性也会随之改变，导致神经网络需要不断地被变化的光伏特性所训练，才能准确追踪，但这个实现难度大；

（5）模糊逻辑算法的性能主要依赖于设计者的经验、知识和能力，因此对设计者准确设计模型具有很高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出了一种自适应的增量电导变步长MPPT算法。MPPT算法用于控制转换电路的占空比来实现整个系统的阻抗匹配，以达到最大功率输出。本发明算法采用改进的步长模型和精确的方向控制来精确地控制转换电路占空比，以提高追踪效率和准确应对快速变化的光照条件，并与已有的传统增量电导定步长MPPT和改进增量电导变步长MPPT进行对比，实验验证了本算法的追踪没有振荡，响应准确，追踪效率更高，能应对快速变化的光照条件，因此具有更好的追踪性能。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种自适应的增量电导MPPT算法，该方法基于增量电导算法，采用多种步长模型结合允许的误差，精确地控制转换电路占空比D，以提高追踪效率和准确应对快速变化的光照条件。

进一步地，令V、I分别表示光伏系统输出电压、电流，P为输出功率，V(k),I(k)为第k时刻的电压、电流，Flag是一个稳态标记，为1则是稳态，占空比D只在非稳态时改变，所述采用多种步长模型结合允许的误差，精确地控制转换电路占空比，具体包括如下步骤：

（1）Flag初始化为0，计算dV=V(k)-V(k-1)，dI=I(k)-I(k-1)，dP=V(k)*I(k)-V(k-1)*I(k-1)，步长Step1=N1*abs(dI/dV+I/V)(dV≠0& V≠0)，Step2=N2*abs(dP/dV)(dV≠0)，设定N1、N2和FStep；

（2）当Flag为0时，如果V和I都不变，则D不变；

（3）Flag为0，V不变，若I增大则D减小4倍Fstep，否则增加Fstep；

（4）Flag为0，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02成立，则Flag设为1，D不变；

（5）Flag为0，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02不成立，若dI/dV>-I/V成立则D减小4倍Step1，否则D增加Step2;

（6）当Flag为1，且V不变，若I不变则D不变，否则返回（3）；

（7）当Flag为1，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02成立，则D不变；

（8）当Flag为1，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02不成立，则Flag设为0，若V和I同时增大，则D增加Step2，否则回到（2）。

进一步地，所述FStep=0.01。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明的自适应增量电导MPPT追踪速度快，并在光照突然变化时响应准确，仅有少量波动，无稳态振荡。因此，实验结果证明本发明的自适应增量电导MPPT相比较于已有的MPPT具有更好的追踪性能，响应精确，无振荡，追踪效率高，易于实现，减少了能量损失，解决了已有算法常有的振荡、响应不精确、追踪效率低和实现难度高的问题，说明算法中改进的步长模型和精确的方向控制是有效的。

附图说明

图1是自适应增量电导MPPT算法流程图。

图2a是传统定步长MPPT功率图。

图2b是改进变步长MPPT功率图。

图2c是本发明的自适应增量电导MPPT功率图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或符号，均是本领技术人员可根据现有技术实现或理解的。

本实例算法的流程图如图1所示，其中相关的符号可以参照现有增量电导算法，V、I分别表示电压、电流，V(k),I(k)为第k时刻的电压、电流，Flag是一个稳态标记，为1则是稳态，占空比D只在非稳态时改变，主要过程如下：

（1）Flag初始化为0，计算dV=V(k)-V(k-1)，dI=I(k)-I(k-1)，dP=V(k)*I(k)-V(k-1)*I(k-1)，步长Step1=N1*abs(dI/dV+I/V)(dV≠0& V≠0)，步长Step2=N2*abs(dP/dV)(dV≠0)，FStep=0.01，N1、N2可以根据实际电路设定或根据实验设定，如0.1~1；

（2）当Flag为0时，如果V和I都不变，则D不变；

（3）Flag为0，V不变，若I增大则D减小4倍Fstep，否则增加Fstep；

（4）Flag为0，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02成立，则Flag设为1，D不变；

（5）Flag为0，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02不成立，若dI/dV>-I/V成立则D减小4倍Step1，否则D增加Step2;

（6）当Flag为1，且V不变，若I不变则D不变，否则返回（3）；

（7）当Flag为1，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02成立，则D不变；

（8）当Flag为1，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02不成立，则Flag设为0，若V和I同时增大，则D增加Step2，否则回到（2）。

在其他条件相同的情况下，图2显示了在光照快速变化的情况下，3种算法下追踪最大功率点时的功率变化图。在t = 0 s时，光照度为600 W/m²，t = 0.19 s时增大到1000W/m²，然后t = 0.4 s时减少为600 W/m²。

如图2a，为传统定步长MPPT的功率图，t = 0.1 s ，追踪到最大最大功率点功率为35.1 W，t = 0.248 s，追踪到第二个点，但功率在59.0 W和59.5 W之间振荡，t = 0.448 s，追踪到第三个点功率为35.1 W。

如图2b，是改进变步长MPPT的功率图，t = 0.025 s ，追踪到最大最大功率点功率为35.1 W，但随后有振荡持续到t = 0.048 s，t = 0.205 s，追踪到第二个点功率为59.5W，前后发生大幅度振荡，振荡持续到t = 0.262 s，并分别于t = 0.195 s功率低至6.2 W，t= 0.405 s功率降为4.7 W，t = 0.442 s，追踪到第三个点功率为35.1 W。

如图2c，为本发明的自适应增量电导MPPT的功率图，t = 0.031 s，追踪到最大功率点功率为35.1 W，随后有小幅度波动，直到t = 0.049 s，t = 0.217 s，追踪到第二个点功率为59.5 W，t = 0.413 s，追踪到第三个点功率为35.1 W。

由以上对比可知：传统定步长MPPT追踪速度较慢，没有追踪振荡，但具有持续的稳态振荡，导致能量损失，追踪效率低；改进变步长MPPT追踪速度快，但追踪振荡较大，无稳态振荡，在光照剧增时响应不精确导致能量损失；本发明的自适应增量电导MPPT追踪速度快，并在光照突然变化时响应准确，仅有少量波动，无稳态振荡。因此，实验结果证明本发明的自适应增量电导MPPT相比较于前两个已有的MPPT具有更好的追踪性能，响应精确，无振荡，追踪效率高，易于实现，减少了能量损失，解决了已有算法常有的振荡、响应不精确、追踪效率低和实现难度高的问题，说明算法中改进的步长模型和精确的方向控制是有效的。

Claims (3)

1.一种自适应的增量电导MPPT算法，其特征在于基于增量电导算法，采用多种步长模型结合允许的误差，精确地控制转换电路占空比D，以提高追踪效率和准确应对快速变化的光照条件。

2.根据权利要求1所述的一种自适应的增量电导MPPT算法，其特征在于，令V、I分别表示光伏系统输出电压、电流，P为输出功率，V(k),I(k)为第k时刻的电压、电流，Flag是一个稳态标记，为1则是稳态，占空比D只在非稳态时改变，所述采用多种步长模型结合允许的误差，精确地控制转换电路占空比，具体包括如下步骤：

（1）Flag初始化为0，计算dV=V(k)-V(k-1)，dI=I(k)-I(k-1)，dP=V(k)*I(k)-V(k-1)*I(k-1)，步长Step1=N1*abs(dI/dV+I/V)(dV≠0& V≠0)，Step2=N2*abs(dP/dV)(dV≠0)，设定N1、N2和FStep；

（2）当Flag为0时，如果V和I都不变，则D不变；

（3）Flag为0，V不变，若I增大则D减小4倍Fstep，否则增加Fstep；

（4）Flag为0，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02成立，则Flag设为1，D不变；

（5）Flag为0，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02不成立，若dI/dV>-I/V成立则D减小4倍Step1，否则D增加Step2;

（6）当Flag为1，且V不变，若I不变则D不变，否则返回（3）；

（7）当Flag为1，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02成立，则D不变；

（8）当Flag为1，V变化，且|dI/dV+I/V|<0.02不成立，则Flag设为0，若V和I同时增大，则D增加Step2，否则回到（2）。

3.根据权利要求1所述的一种自适应的增量电导MPPT算法，其特征在于，所述FStep=0.01。