CN108336758A - 一种基于纹波关联法的光伏组件mppt算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，其主要技术特点是：建立光伏电池模型和Boost电路模型；通过二阶广义积分‑正交信号发生器得到与开关频率相同的纹波信号；更新参考电压值，将参考电压值与实际电压值之间的误差信号作为PI控制器的输入，将PI控制器的输出作为占空比调制信号，并经PWM电路得到的控制信号作用于Boost电路的开关管；构建瞬态检测器与触发阈值，当太阳辐射强度突变时，瞬态检测器动作，将采样保持器的输出作为下一时刻的参考电压值。本发明设计合理、易于实现，能够使光伏并网系统在不同的光照、温度及负载情况下快速地跟踪到最大功率点，并使系统稳定的工作在最大功率点附近，提高光伏电池的转换效率。

Description

一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，尤其是一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法。

背景技术

目前环境问题日益凸显，开发新能源以实现人类社会的可持续发展成为当前世界的重要议题。太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源,太阳能的利用在当今世界范围内已受到高度重视。光伏发电具有诸多优势,但传统光伏发电系统效率较低,很大程度上制约了其大规模推广和应用,而采用最大功率点跟踪技术(MPPT)可以解决上述问题。

光伏电池的输出特性随着环境温度、辐射强度的改变而改变，但对于特定的光照和温度，光伏电池存在一个最大功率点，为保证光伏电池的转换效率，要求光伏发电系统能够实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近。根据电路最大功率传输定理，当外接电阻与光伏电池的等效内阻相匹配时，光伏电池输出功率最大，一般通过调节BOOST变换电路中开关器件的占空比来调节外接负载的大小，实现最大功率点跟踪。常用的MPPT算法如恒定电压法、扰动观察法、爬山法等，存在跟踪速度较慢、最大功率点附近不稳定、外界环境突变情况下易发生误判、算法复杂而实用性差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理且能够快速准确地找到最大功率点的基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，包括以下步骤：

步骤1、建立光伏电池模型和Boost电路模型；

步骤2、通过电压电流检测电路测量光伏电池的输出电压、输出电流及输出功率，经二阶广义积分-正交信号发生器得到与开关频率相同的纹波信号；

步骤3、计算出电压纹波和功率纹波的乘积，根据其符号的正负判断下一时刻电压参考值的变化方向，并更新参考电压值；设置PI控制器参数，将参考电压值与实际电压值之间的误差信号作为PI控制器的输入，将PI控制器的输出作为占空比调制信号，并经PWM电路得到的控制信号作用于Boost电路的开关管，调整开关管的工作状态；

步骤4、构建瞬态检测器与触发阈值，当太阳辐射强度突变时，瞬态检测器动作，将采样保持器的输出作为下一时刻的参考电压值，然后返回步骤3继续处理。

所述光伏电池模型如下：

式中，i_PV为光伏输出电流，u_PV为光伏输出电压，C₁、C₂均为中间变量；I_sc为短路电流、开路电压V_oc为开路电压、最大功率点电流I_m为最大功率点电流、最大功率点电压V_m为最大功率点电压；

所述Boost电路模型为：

u_pv＝(1-D)U_dc

式中，D为Boost电路中开关管的占空比；U_dc为Boost电路瞬时输出电压。

所述光伏电池的输出电压u_pv、输出电流i_pv及输出功率P_pv分别为：

式中，V_pv、I_pv分别为光伏输出电压和电流的直流分量，为相应的纹波分量；

上述纹波分量通过二阶广义积分-正交信号发生器估计得到，二阶广义积分-正交信号发生器的闭环传递函数为：

w_n＝2pi f_d

式中，w_n为角频率,V_cpfilt(s)和V_cp(s)分别为频域中的二阶广义积分-正交信号发生器输出电压和输入电压，f_d为Boost电路的开关频率，s域到z域的变换采用如下改进的欧拉积分器：

式中，T_sp为控制系统的采样时间。

所述二阶广义积分-正交信号发生器为四阶数字带通滤波器。

所述PI控制器参数设置为：K_p＝0.07138，K_i＝0.001；其中K_p、K_i分别为比例系数和积分系数。

所述步骤4的实现方法为：

以光伏输出电流的变化程度为基准构建一瞬态检测器，其表达式为：

其中，H为瞬态检测器的输出，T₁为瞬态检测器采样时间间隔，且T₁为系统开关周期的整数倍；

根据实际环境及系统设置瞬态检测器阈值ε，并定义如下：

式中，D为Boost电路中开关管的占空比，当瞬态检测器没有检测到瞬态变化时，h＝0，MPPT输出的参考电压值由纹波关联法决定；当瞬态检测器检测到瞬态变化时，h＝1，参考电压值切换为采样保持器的输出。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用具有实时自寻优功能的纹波关联技术，通过使用纹波信息，无需人为加入扰动变量，即可准确、快速地追踪到最大功率点，实现真正意义上的最大功率点跟踪功能，有效地克服了现有技术存在跟踪速度慢、最大功率点附近不稳定、外界环境突变情况下易发生误判、算法复杂而实用性差等缺点。

2、本发明采用二阶广义积分-正交信号发生器(SOGI-QSG)估计光伏输出的电压和功率纹波分量，并且针对太阳辐射强度突变时存在误判的缺点，通过增加瞬态检测器并设定相应的触发阈值，将控制策略切换为固定电压控制，相应的参考电压值由采样保持器输出，其输入为瞬态检测器动作前一时刻的参考电压值。

3、本发明设计合理、易于实现，能够使光伏并网系统在不同的光照、温度及负载情况下快速地跟踪到最大功率点，并使系统稳定的工作在最大功率点附近，提高光伏电池的转换效率。

附图说明

图1为本发明使用的纹波关联MPPT控制装置原理图；

图2为光伏电池伏安特性曲线；

图3为光伏电池输出特性曲线；

图4为功率纹波和电压纹波的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

本发明是在如图1所示的纹波关联MPPT控制装置上实现的。该控制装置包括光伏电池板PV、Boost电路、负载电阻R、电压电流检测电路以及MPPT控制模块。其中光伏电池板PV通过Boost电路与负载电阻R连接,该Boost电路由开关管Q、电感L、二极管D和电容C构成,Boost电路中的开关管占空比D的变化会直接影响到光伏电池的输出电压、输出电流及输出功率。电压电流检测电路将检测到的光伏输出电压值与输出电流值送入MPPT控制模块，由MPPT控制模块的RCC算法计算出参考电压值或瞬态检测器被触发后输出前一时刻的参考电压值，将其与实际电压值相比较后得到误差信号，经PI控制器产生占空比调制信号，通过PWM电路调整开关管Q的开关状态，进而改变外接电路的负载特性，以使光伏电池输出最大功率。

本发明基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，包括以下步骤：

步骤1、建立光伏电池模型和Boost电路模型。

光伏电池标准测试条件为：参考太阳辐射强度S_ref＝1000W/m²，参考电池温度T_ref＝25℃，以该标准下的电气参数：短路电流I_sc、开路电压V_oc、最大功率点电流I_m、最大功率点电压V_m，建立如下光伏电池模型，其I-V方程为：

式中，i_PV为光伏输出电流，u_PV为光伏输出电压，C₁、C₂均为中间变量。光伏电池的伏安特性曲线如图2所示，

任意辐射强度和温度下的光伏电池温度T的方程为：

T＝T_a+KS

式中，T_a为环境温度；K为辐射强度变化时太阳能电池温度系数；S为太阳能辐射强度。

在实际光照和温度条件下，对应的电气参数为：

ΔT＝T-T_ref

V_o'_c＝V_oc(1-γΔT)ln(e+βΔS)

V_m'＝V_m(1-γΔT)ln(e+βΔS)

式中，ΔT为实际电池温度与参考电池温度的差值；ΔS为相对辐照度差；S为太阳能辐射强度；T为光伏电池温度；I'_sc为实际短路电流；V'_oc为实际开路电压；I'_m为实际最大功率点电流；V'_m实际最大功率点电压；α、β、γ为常数，取值为α＝0.0025℃，β＝0.5℃，γ＝0.00288℃。

对Boost电路建模，其方程为：

u_pv＝(1-D)U_dc

式中：D为Boost电路中开关管的占空比；U_dc为Boost电路瞬时输出电压。

步骤2、由电压电流检测电路测量光伏电池的输出电压、输出电流值及输出功率，经二阶广义积分-正交信号发生器(SOGI-QSG)得到与开关频率相同的纹波信号。具体方法如下：

由于Boost电路中开关管的存在，在开关管开通与关断时会有一个上升时间和下降时间，会在电路中引起同频率的纹波，使得u_pv和i_pv上叠加一个与开关频率相同的纹波分量，即：

式中，V_pv、I_pv分别为光伏输出电压和电流的直流分量，为相应的纹波分量，则光伏输出功率P_pv可以表示为：

进一步可得：

式中，为光伏输出功率的纹波分量。光伏电池输出特性曲线如图3所示。

由香农采样定理可知，要获得完整的复现纹波信号，Boost电路的开关频率和系统采样频率需满足下式：

f_sp≥2f_d

式中f_d为开关频率，f_sp为采样频率。

纹波分量可由二阶广义积分-正交信号发生器(SOGI-QSG)估计得到，其闭环传递函数为：

w_n＝2pi f_d

式中，w_n为角频率,V_cpfilt(s)和V_cp(s)分别为频域中的SOGI-QSG输出电压和输入电压。

对于SOGI-QSG的数字实现，采用一个离散化的二阶积分器，它是改进的欧拉积分器，即：

式中，T_sp为控制系统的采样时间。上述选择让离散积分器的精度高于传统的前向欧拉积分器。SOGI-QSG在离散z域的传递函数变为：

因此，该SOGI-QSG是一个四阶数字带通滤波器。

步骤3、计算出电压纹波和功率纹波的乘积，根据其符号的正负判断下一时刻电压参考值的变化方向，更新参考电压值；设置PI控制器参数，将参考电压值与实际电压值之间的误差信号作为PI控制器的输入，其输出为占空比调制信号。经PWM电路得到的控制信号作用于开关管，调整开关管的工作状态。具体方法如下：

考虑到光伏输出功率波动主要由电压波动引起，可得：

式中，i_pv为光伏电池等效内阻，R_pv为外接电路等效电阻。由光伏电池的伏安特性I-V曲线的特征可将其分为三个区域，最大功率点左侧的恒定电流区CCR，最大功率点右侧的恒定电压区CVR以及最大功率点附近的恒功率区CPR，如图4所示。

在CCR处，r_pv>>R_PV可得：

在CVR处，r_pv<<R_PV，可得：

综上可得在CCR区域和同相，在CVR区域内和反相，在最大功率点附近近似为零，即因此，当时，位于最大功率点左侧，需增大参考电压保证系统向最大功率点移动；当时，位于最大功率点右侧，需减小参考电压保证系统向最大功率点移动；当时，位于最大功率点处，需保持参考电压不变使系统维持在最大功率处。电压变化步长可取为ΔU＝0.001

由RCC算法决定的参考电压值与实际检测到的电压值之间的误差经过PI控制器输出产生占空比控制信号，作用于BOOST电路。PI控制器的比例系数和积分系数可取为K_p＝0.07138,K_i＝0.001。

步骤4、构建瞬态检测器与触发阈值，当太阳辐射强度突变时，瞬态检测器动作，将采样保持器的输出作为下一时刻的参考电压值，然后返回步骤3继续处理。具体方法如下：

考虑到太阳光照突变时，RCC算法中dp/dv的估计误差，在原有算法基础上增加一个瞬态检测器。由所建立的光伏电池模型可以看出，光照快速变化时短路电流值发生较大变化，而开路电压值变化幅度较小，因此，在光照快速变化时，采用固定电压控制代替MPPT控制，可使系统追踪过程更加快速和平稳。具体分析如下：

以光伏输出电流的变化程度为基准设计一个瞬态检测器，避免了增加传感器的数量，其表达式为：

其中，H为瞬态检测器的输出，T₁为瞬态检测器采样时间间隔，且T₁应为系统开关周期的整数倍。

可根据实际环境及系统设计阈值ε，例如ε＝0.1。定义：

当瞬态检测器没有检测到瞬态变化时，h＝0，MPPT输出的参考电压值由步骤2所述的纹波关联法决定；当瞬态检测器检测到瞬态变化时，h＝1，参考电压值切换为采样保持器的输出。由h的反逻辑值h驱动采样保持器动作。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、建立光伏电池模型和Boost电路模型；

步骤2、通过电压电流检测电路测量光伏电池的输出电压、输出电流及输出功率，经二阶广义积分-正交信号发生器得到与开关频率相同的纹波信号；

步骤3、计算出电压纹波和功率纹波的乘积，根据其符号的正负判断下一时刻电压参考值的变化方向，并更新参考电压值；设置PI控制器参数，将参考电压值与实际电压值之间的误差信号作为PI控制器的输入，将PI控制器的输出作为占空比调制信号，并经PWM电路得到的控制信号作用于Boost电路的开关管，调整开关管的工作状态；

步骤4、构建瞬态检测器与触发阈值，当太阳辐射强度突变时，瞬态检测器动作，将采样保持器的输出作为下一时刻的参考电压值，然后返回步骤3继续处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，其特征在于：所述光伏电池模型如下：

式中，i_PV为光伏输出电流，u_PV为光伏输出电压，C₁、C₂均为中间变量；I_sc为短路电流、开路电压V_oc为开路电压、最大功率点电流I_m为最大功率点电流、最大功率点电压V_m为最大功率点电压；

所述Boost电路模型为：

u_pv＝(1-D)U_dc

式中，D为Boost电路中开关管的占空比；U_dc为Boost电路瞬时输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，其特征在于：所述光伏电池的输出电压u_pv、输出电流i_pv及输出功率P_pv分别为：

式中，V_pv、I_pv分别为光伏输出电压和电流的直流分量，为相应的纹波分量；

上述纹波分量通过二阶广义积分-正交信号发生器估计得到，二阶广义积分-正交信号发生器的闭环传递函数为：

w_n＝2pi f_d

式中，w_n为角频率,V_cpfilt(s)和V_cp(s)分别为频域中的二阶广义积分-正交信号发生器输出电压和输入电压，f_d为Boost电路的开关频率，s域到z域的变换采用如下改进的欧拉积分器：

式中，T_sp为控制系统的采样时间。

4.根据权利要求3所述的一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，其特征在于：所述二阶广义积分-正交信号发生器为四阶数字带通滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，其特征在于：所述PI控制器参数设置为：K_p＝0.07138，K_i＝0.001；其中K_p、K_i分别为比例系数和积分系数。

6.根据权利要求1所述的一种基于纹波关联法的光伏组件MPPT算法，其特征在于：所述步骤4的实现方法为：

以光伏输出电流的变化程度为基准构建一瞬态检测器，其表达式为：

其中，H为瞬态检测器的输出，T₁为瞬态检测器采样时间间隔，且T₁为系统开关周期的整数倍；

根据实际环境及系统设置瞬态检测器阈值ε，并定义如下：

式中，D为Boost电路中开关管的占空比，当瞬态检测器没有检测到瞬态变化时，h＝0，MPPT输出的参考电压值由纹波关联法决定；当瞬态检测器检测到瞬态变化时，h＝1，参考电压值切换为采样保持器的输出。