CN108491027A - 一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法 - Google Patents

一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法 Download PDF

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Abstract

一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，所述跟踪方法是以占空比扰动法为基础，加入了三点迭代法，通过对P‑U曲线的三个工作点进行几何分析，得到下一迭代周期的最佳工作点，并快速定位到系统的最佳工作点，实现了最大功率点位置的自我预测，提高系统的控制精度与寻优效率；同时采用变步长扰动法，实现扰动步长的自适应选择，提高跟踪速度，增强系统的快速性与在最大功率点处的稳定性。

Description

一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种光伏系统最大功率点跟踪方法，特别是一种基于三点迭代法的光伏系统最大功率点跟踪方法。
背景技术
随着新能源的不断开发与利用，太阳能作为一种可再生能源，得到了广泛的利用，进入21世纪后，我国大力发展光伏产业，为了响应国家“十三五”的规划，国家能源局、国家电网等制定了一系列针对光伏产业的新规定，如增加上网补贴、降低并网要求与光伏综合利用等，全面推进分布式光伏和“光伏+”综合利用工程，优先支持光伏发电项目。由于光伏电池的输出特性曲线呈现非线性特性，当外界环境稳定时，其输出的P-U曲线为单峰值的凸函数，因此有且只存在一个工作点使输出功率达到最大值，当外界温度、太阳辐照度发生变化时，其最大功率点也随之变化，为了最大限度的提高光伏电池的发电效率，MPPT算法成为了光伏发电系统中最为重要的研究问题之一。
常用的最大功率点跟踪算法有扰动观察法、导纳增量法、模糊控制法、神经网络法和蚁群算法，这些算法各有优缺点，不能同时具有动态响应快、稳态精度高、算法易于实现的优点；基于数学分析的最大功率点跟踪算法采用迭代法，利用迭代法分析太阳能电池模型并计算出最大功率点处的电压，如公开文献基于高斯-赛德尔迭代法的光伏电池参数辨识与最大功率点基准曲线的研究(胡庆燚，王冰，张鹏飞.可再生能源,2015,33(12):1803-1808)采用高斯-赛德尔迭代法对太阳能电池进行建模，通过模型计算出任意时刻的最大功率值，实现了最大功率值的自我预测，但由于建模过程中计算复杂，迭代次数过多，导致动态响应较慢。
为解决迭代次数多，动态性能慢的问题，公开号为：CN106773780A公开了一种基于外推追赶迭代法的MPPT算法，该方法虽然能有效地减少迭代次数，提高了系统的动态性能，但由于每个迭代周期要计算最大功率点区间面积，并进行四次求导，增加了算法在数学计算上的难度，算法实现困难。因此需要一种新的迭代法来解决目前技术中所存在的问题，来减少MPPT算法中的迭代次数与数学运算量，提高算法的跟踪速度。
发明内容
为了改进上述现有控制方法所存在的不足，本发明提出一种光伏系统最大功率点跟踪方法。
上述对现有控制方法的不足所采取的具体技术方案如下。
一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法是基于三点迭代法和变步长扰动法，通过通过三点迭代法确定出本次迭代周期的最优区间，并快速定位到系统的最佳工作点，经过连续迭代运行，使系统达到最大功率点，并采用变步长扰动法，自适应的调整扰动步长值；所述三点迭代法的光伏系统最大功率点跟踪方法包括以下步骤：
（1）根据太阳能电池的基本参数，求得迭代角度(φ)和迭代因子(λ)；
（2）初始化占空比(D 0)、扰动步长值(ΔD 0)、迭代次数(k)和扰动次数(i)，记录系统初始运行时的三个工作点的电压和功率值，并作为初始迭代点；
（3）根据记录的三个工作点的信息，确定本次迭代的最优区间，并在P-U曲线上连接最优区间的两个边界点，使用迭代法来确定下一时刻的最佳工作点；
（4）使用变步长扰动法，改变占空比，使系统工作点移动到最佳工作点；
（5）重复步骤3与4。
在上述的跟踪方法中，由开路电压U oc、最大功率点处的电压U mpp、在标况下的最大功率P mpp代入公式可求得迭代角度φ，迭代因子λ，具体公式如下：
在上述的跟踪方法中，由三个初始工作点的电压，功率值确定本次迭代的最优区间，具体方法如下：
记三个初始工作点的电压、功率分别为(U a,P a)、(U b,P b)和(U c(0)，P c(0))，当前工作点记为C(i)点，其坐标为U c(i),P c(i))；判断k≠0，则最优区间为(U b,P b)~(U c(k),P c(k))；判断k=0且|U b-U c(0)|-|U b-U a|>0，则最优区间为(U b,P b)~(U c(0),P c(0))；判断k=0且|U b-U c(0)|-|U b-U a|<0，则最优区间为(U a,P a)~(U b,P b)；其中，i为扰动次数(i∈0,1,2…n)，k为迭代次数(k∈0,1,2…n)。
在上述的跟踪方法中，所述迭代法是根据最优区间边界点的位置，通过迭代角度φ、迭代因子λ、偏移角度θ和旋转角度ψ，来实现最佳工作点的选取；最佳工作点横坐标为：
其中ψ为旋转角度，χ为旋转半径可由以下式子确定：
其中θ、L可由以下式子确定：
在上述的跟踪方法中，所述变步长扰动法，是根据当前工作点与最佳工作点的位置关系，自适应调整占空比扰动步长，具体方法如下：
以初始步长为基础，根据当前工作点与最佳工作点的电压差值为调整依据，可得扰动步长：
其中ΔD(i+1)为下一扰动周期的扰动步长；U(i)为当前工作点电压值；U Q(k+1)为下一迭代周期的最佳工作点电压值；f s为采样频率；ΔD 0为占空比扰动初始值。
本发明所提供的一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，与现有技术相比，具有以下优点。
本发明通过三点迭代法，根据本次迭代周期内的电压功率值，可以预测出下一迭代周期的最佳工作点，提前对光伏电池电压扰动方向做出判断，快速定位出下一迭代周期光伏电池的最佳工作点，具有自我预测性，避免了扰动方向误判，提高了跟踪的准确性。
本发明通过变步长扰动法，根据当前工作点与最佳工作点之间的距离，实现自适应的调整步长，提高了跟踪速度与在稳定时的稳态性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本方法的控制流程图。
图3是本方法太阳能电池的P-U曲线。
图4是本方法的最大功率点最优区间选择图。
图5是本方法的三点迭代法的原理图。
图6是本方法的外推追赶迭代法功率输出波形图。
图7是本方法的变步长三点迭代法功率输出波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
具体实施方式1
如附图1所示，实施一种光伏系统最大功率点跟踪系统，该跟踪系统包括光伏阵列1、Boost升压电路2、负载/逆变电路3、测量模块4和控制模块5；其中的光伏阵列1、Boost升压电路2和负载/逆变电路3依次电连接；测量模块4的输入端与光伏阵列1的输出端电连接，测量模块4的输出端与控制模块5的输入端电连接；控制模块5的输出端与Boost升压电路2电连接。
实施一种Boost升压电路2，包括IGBT开关管S、输入滤波电容C pv、储能电感L、二极管D和解耦电容C link，其中的输入滤波电容C pv与光伏阵列1并联连接，输入滤波电容C pv的正极连接储能电感L的一端，电感L的另一端连接IGBT开关管S的集电极与二极管D的正极，二极管D的负极连接解耦电容C link的正极，IGBT开关管S的发射极连接输入滤波电容C pv与解耦电容C link的负极。
实施一种测量模块4，包括电压霍尔传感器4a和电流霍尔传感器4b，电压霍尔传感器4a和电流霍尔传感器4b分别与光伏阵列1电连接，用于实时集采光伏阵列1的输出电压和电流。
实施一种控制模块5，包括计算模块5a、MPPT模块5b、步长选择模块5c和PWM驱动模块5d；其中的计算模块5a的输入端连接电压霍尔传感器4a和电流霍尔传感器4b的输出端，MPPT控制模块5b的输入端连接计算模块5a和电压霍尔传感器4a的输出端，步长选择模块5c的输入端连接MPPT模块5b和电压霍尔传感器4a的输出端，步长选择模块5c的输出端连接PWM驱动模块5d的输入端，PWM驱动模块5d的输出端连接IGBT开关管S的栅极。
实施一种计算模块5a，是用于根据所述电压霍尔传感器4a和电流霍尔传感器4b实时采集到的光伏阵列1输出的电压电流值计算迭代角度(φ)、迭代因子(λ)、电压差和功率差。
实施一种MPPT模块5b，是用于根据计算模块5a的输出结果和基于三点迭代法的光伏系统最大功率点跟踪算法，对光伏阵列进行最大功率点跟踪，并输出下次迭代的最佳工作点。
实施一种步长选择选择模块5c，是用于根据MPPT模块5b输出结果与当前光伏阵列的输出电压自适应选择占空比扰动步长。
实施一种PWM驱动模块5d，是用于根据步长选择模块5c输出的占空比扰动步长生成PWM控制信号，进而通过调节Boost升压电路中IGBT开关管S的开通与关断来实现光伏阵列的输出电压达到最佳工作点。
具体实施方式2
如附图2所示，实施一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，该跟踪方法是基于三点迭代法和变步长占空比扰动法的最大功率点跟踪算法，下面以270W的太阳能电池来验证该算法的有效性，太阳能电池的参数：P mpp=270W，U mpp=30.7V,U oc=37.9V，I sc=9.27A，I m=8.8A，根据流程图实现跟踪方法的具体步骤如下：
步骤一、确定迭代角度(φ)和迭代因子(λ)
在计算模块中输入太阳能电池的基本参数：开路电压(U oc)、标况下的最大功率(P mpp)与在最大功率点处的电压(U mpp)，代入公式，可求得迭代角度(φ)和迭代因子(λ)，具体公式如下：
如附图3所示，迭代角度(φ)的取值范围为(0,π/2)，迭代因子(λ)的取值范围为(0,1)；φ，λ的取值只取决于太阳能电池自身特性，反映了最大功率点的角度与距离。
步骤二、确定初始迭代点
在计算模块中初始化占空比、占空比扰动值、迭代次数(k)和扰动次数(i)，并将测量模块实时采样的光伏阵列输出电压电流发送给计算模块，采用占空比扰动法得到初始运行的三个工作点，并记为初始迭代点，具体步骤如下：
在D=D 0时，此时系统工作点记为a点，坐标为(U a,P a)；
在D=D 0-ΔD 0时，此时系统工作点记为b点，坐标为(U b,P b)；
在D=D 0-2ΔD 0时，此时系统工作点记为c点，坐标为(U c(0),P c(0))，如果P c(0)>P b，则继续扰动，直到得到P c(0)<P b，将a，b和c(0)点作为迭代初始点，当前工作点记为C(i)点，其坐标为(U c(i),P c(i))。
步骤三、确定最大功率点最优区间
控制模块判断k≠0，则最优区间为(U b,P b)~(U c(k),P c(k))；控制模块判断k=0且|U b-U c(0)|-|U b-U a|>0，则最优区间为(U b,P b)~(U c(0),P c(0))；控制模块判断k=0且|U b-U c(0)|-|U b-U a|<0，则最优区间为(U a,P a)~(U b,P b)，其中，i为扰动次数(i∈0,1,2…n)，k为迭代次数(k∈0,1,2…n)，如附图4所示，列举了最优区间为(U b,P b)~(U c(0),P c(0))的情况。
步骤四、确定最佳工作点
以最优区间(U b,P b)~(U c(0),P c(0))为例，如附图5所示，连接最优区间的b,c两点，线段bc记为Lbc，距离为L，记Lbc的中点为N，以N点为起点，χ为旋转半径，ψ为旋转角度，逆时针做弧，弧线的终点所对应的电压值，则为本次迭代所求出的最佳工作点，记为Q点，距离L、中点(N)坐标、旋转半径(χ)、旋转角度(ψ)，Q点横坐标可由下式求出：
其中θ为Lbc与水平线的夹角，记为偏移角度；
步骤五、变步长扰动法
变步长模块将MPPT模块输出的最佳工作点的电压坐标进行占空比扰动步长计算，使用变步长扰动法，根据当前工作点与最佳工作点的位置关系，求出下一周期的扰动步长，具体方法如下：
以初始步长为基础，根据当前工作点与最佳工作点的电压差值为调整依据，可得占空比扰动步长，PWM驱动模块根据占空比生成PWM控制信号，进行调节Boost升压电路中IGBT开关S管的开通与关断，使光伏阵列输出的电压维持在所求得的最佳工作点处；
其中ΔD(i+1)为下一扰动周期的扰动步长；U(i)为当前工作点电压值；U Q(k+1)为下一迭代周期的最佳工作点电压值；f s为采样频率；ΔD 0为占空比扰动初始值。
步骤六、循环迭代
当工作点移动到最佳工作点时，最优区间由原来的(U b,P b)~(U c(0),P c(0))缩小到(U b,P b)~(U Q,P Q)，此时重复步骤四和步骤五。
为了证明上述方法的有效性，在Matlab平台上分别对外推追赶迭代法与变步长三点迭代法进行功率输出对比，仿真波形如附图6和附图7所示。
对比附图6和附图7功率跟踪曲线可以看出，对于外推追赶迭代法的最大功率点跟踪算法需要0.35s系统才达到最大功率点，在最大功率点处存在3W的功率振荡；而变步长三点迭代法仅需要0.2s就搜索到了最大功率点，在最大功率点处仅有0.1W的功率振荡；验证了该方法使光伏系统具有更快的动态响应、更高的稳定精度。

Claims (5)

1.一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，其特征在于：所述跟踪方法是基于三点迭代法和变步长扰动法，通过三点迭代法确定出本次迭代周期的最优区间，并快速定位到系统的最佳工作点，经过连续迭代运行，使系统达到最大功率点，并采用变步长扰动法，自适应的调整扰动步长值；所述三点迭代法的光伏系统最大功率点跟踪方法如下：
（1）根据太阳能电池的基本参数，求得迭代角度(φ)和迭代因子(λ)；
（2）初始化占空比(D 0)、扰动步长值(ΔD 0)、迭代次数(k)和扰动次数(i)，记录系统初始运行时的三个工作点的电压和功率值，并作为初始迭代点；
（3）根据记录的三个工作点的信息，确定本次迭代的最优区间，并在P-U曲线上连接最优区间的两个边界点，使用迭代法来确定下一时刻的最佳工作点；
（4）使用变步长扰动法，改变占空比，使系统工作点移动到最佳工作点；
（5）重复步骤（3）与步骤（4）。
2.根据权利要求1所述的一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，
其特征在于：由开路电压U oc、最大功率点处的电压U mpp、在标况下的最大功率P mpp代入公式可求得迭代角度φ，迭代因子λ，具体公式如下：
。
3.根据权利要求1所述的一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，其特征在于：由三个初始工作点的电压，功率值确定本次迭代的最优区间，具体方法如下：
记三个初始工作点的电压、功率分别为(U a,P a)、(U b,P b)和(U c(0),P c(0))，当前工作点记为C(i)点，其坐标为(U c(i),P c(i))；判断k≠0，则最优区间为(U b,P b)~(U c(k),P c(k))；判断k=0且|U b-U c(0)|-|U b-U a|>0，则最优区间为(U b,P b)~(U c(0),P c(0))；判断k=0且|U b-U c(0)|-|U b-U a|<0，则最优区间为(U a,P a)~(U b,P b)；其中，i为扰动次数(i∈0,1,2…n)，k为迭代次数(k∈0,1,2…n) 。
4.根据权利要求1所述的一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，其特征在于：所述迭代法是根据最优区间边界点的位置，通过迭代角度φ、迭代因子λ、偏移角度θ和旋转角度ψ，来实现最佳工作点的选取，最佳工作点横坐标为：
其中ψ为旋转角度，χ为旋转半径可由以下式子确定：
其中θ、L可由以下式子确定：
。
5.根据权利要求1所述的一种快速定位的光伏系统最大功率点跟踪方法，其特征在于：所述变步长扰动法是根据当前工作点与最佳工作点的位置关系，自适应调整占空比扰动步长，具体方法如下：
以初始步长为基础，根据当前工作点与最佳工作点的电压差值作为调整依据，得扰动步长：
其中ΔD(i+1)为下一扰动周期的扰动步长；U(i)为当前工作点电压值；U Q(k+1)为下一迭代周期的最佳工作点电压值；f s为采样频率；ΔD 0为占空比扰动初始值。
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