CN108536212A

CN108536212A - 一种基于功率预测的新型变步长光伏最大功率跟踪方法

Info

Publication number: CN108536212A
Application number: CN201710119223.3A
Authority: CN
Inventors: 盛四清; 陈玉良
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-09-14

Abstract

本发明公开了一种基于功率预测的新型变步长电导增量法的最大功率跟踪控制方法。针对常规定步长算法在选取步长时在响应速度和稳态精度之间无法兼顾、变步长算法在同一光照强度具有良好性能，但在光照突变时存在最大功率点跟踪死区的情况，提出了基于功率预测的新型变步长电导增量法。该方法采用一种新的步长调整系数，能够根据外界条件的变化调节步长，解决了跟踪速度与稳态精度之间的矛盾，并且当光照剧烈变化时，确保扰动前后的判断是基于同一功率曲线进行的，避免误判现象的发生。仿真验证了该算法的有效性，具有重要的理论价值和实际意义。

Description

一种基于功率预测的新型变步长光伏最大功率跟踪方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电领域，特别是涉及一种基于功率预测的最大功率跟踪方法。

背景技术

随着全球工业化进程快速发展，社会水平和人类的生活质量得到了极大的提高，同时全球能源消耗也在快速增长。大规模、无节制地开发化石燃料不仅加快了这些能源的枯竭速度，同时也造成了日益严重的环境问题。因此改变能源结构以及积极开发利用可再生能源已经成为当今社会发展的必然趋势。太阳能作为一种广泛存在的清洁能源具有巨大的潜力。

光伏发电是目前太阳能最重要的一种利用形式，但由于光照和温度等因素的影响使得光伏电池的输出电压和输出电流具有强烈的非线性特征。在特定的光照强度和温度下存在唯一的最大功率输出点，为了提高输出效率，使得光伏电池始终工作在最大功率点，最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制成为光伏发电系统一个必不可少的环节。

目前MPPT方法有很多种，根据控制对象以及控制算法的特征不同，MPPT技术可以分为基于优化数学模型的控制方法、基于扰动的自寻优的控制方法以及基于智能处理方法和其他非线性控制策略的控制方法等。扰动观测法和爬山法是目前应用最广泛的两种最大功率点跟踪方法，扰动观测法是通过周期性给光伏阵列的输出电压增加扰动，而爬山法是通过周期性给PWM变换器的占空比加以扰动，比较该时刻输出功率与前一时刻输出功率实现最大功率点跟踪。两种方法可以看作是同一理论的两种不同实现形式。对于上述两种方法来说，扰动步长的选取十分重要，若选取的步长较大，系统的动态响应速度较快，但是在MPP附近会出现明显的振荡现象，稳态时功率损失较大；若选取较小的步长，跟踪精度得到很大的保障，但跟踪速率较低。对于定步长的扰动观测法和电导增量法必须在响应速度和稳态精度之间取一个折中。

变步长电导增量法能够很好地解决固定步长方法带来的问题。但在光照剧烈变化时，光伏阵列输出曲线并非处于一条单峰值曲线上，因此会发生误判的现象。为了消除误判现象，本发明提出了一种基于功率预测的新型变步长电导增量法，确保扰动前后的判断是在同一条功率曲线上进行的。经仿真验证，该方法能够使光伏系统在光照剧烈变化时仍然具有较高稳态精度和较快响应速度。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有最大功率追踪控制方法的不足，提出了一种基于功率预测新型变步长电导增量法的最大功率追踪控制策略，能够在减少功率振荡的同时保证响应速度，提高追踪精度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：基于功率预测的新型变步长光伏最大功率跟踪方法，包括以下步骤：

1)将电流互感器和电压互感器的测量值输入到MPPT控制器中，通过I·U计算出当前时刻功率值P(k)。并且计算出当前时刻与前一时刻的电压差ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)、电流差ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)和功率差ΔP(k)＝P(k)-P(k-1)。扰动电压步长为step＝N·|dP/(dU-dI)|。电压扰动的方向与固定步长算法一致。N为采样周期内调整步长的缩放因子。缩放因子N必须满足N＜ΔU_max/|dP/(dU-dI)|，当算法满足上述公式时，最大功率跟踪系统工作于变步长模式；否则，系统以ΔU_max工作于定步长模式。

2)变步长电导增量法中的缩放因子N一旦确定无法再进行改变。曲线P₁、P₂分别为不同光照强度下光伏阵列的输出功率曲线。在功率曲线P₁的条件下，其缩放因子N₁以及干扰步长|dP₁/(dU-dI)|，在功率曲线P₁对应的光照强度下具有良好的精度和动态响应速度。由于最大功率跟踪控制的数学信号采样频率是有限的，当外界条件连续变化时，采样得到的电压和功率数值是在不同外界条件下的功率曲线上的信号。此时当光照强度突然变化时，系统功率曲线由P₁变为P₂，此时就会造成功率曲线P₂的干扰步长很大，出现振荡现象，稳态精度达不到要求。反之，在功率曲线P₂的条件下，当发生光照突变时，就会导致功率曲线P₁的干扰步长很小，造成系统启动以及动态响应速度变慢的现象。在光照突变时，光伏阵列输出曲线并非处于一条单峰值曲线上，因此无法找到一组缩放因子N和干扰步长|dP/(dU-dI)|同时满足不同光照条件下最大功率跟踪控制，导致MPPT跟踪失败。在此基础上加入功率预测算法，以此来保证扰动前后判断是在同一条功率曲线上进行的，从而消除误判现象。

3)假设光伏电池温度保持不变，在第k时刻的控制电压为U(k)，采样得到的光伏电池功率为P(k)。在k+1时刻加入扰动后控制电压为U(k+1)，由于光照强度发生变化，此时的功率采样值为P(k+1)。P(k)、P(k+1)分别为不同光照条件下的电压-功率曲线上的值，用该值进行跟踪控制就会导致发生误判。为了解决上述问题，在k和k+1采样时刻中间，控制电压保持不变，增加一次功率检测。得到该曲线功率记为P(k+1/2)，假设光照强度均匀变化，则光伏电池输出电流与光照强度成正比，得到下一周期的预测功率为P′(k)＝2P(k+1/2)-P(k)。在k+1时刻测得的功率值为P(k+1)，P′(k)和P(k+1)在理论上是同一光照强度下的功率值，因而不存在误判的情况。

4)为比较常规电导增量法与基于功率预测的变步长电导增量法的情况，在Simulink中建立光伏系统数学模型，设定环境温度为25℃，仿真时间为1s。仿真时间0～0.5s时，光照强度为1000W/m²；仿真时间为0.5s～1s时，光照强度变为800W/m²。为比较常规电导增量法与该算法性能的优劣，提出了三个能够反映算法暂态以及稳态性能的指标，分别为：光照强度由1000W/m²突变为800W/m²时追踪到MPP所用的时间t；光照强度为1000W/m²稳态功率振荡Δp；光照为正弦变化时在0～0.65s输出能量的大小W。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，基于功率预测算法基础上，通过对变步长电导增量法步长因子进行改进，使得该算法能够解决传统定步长算法中响应速度和稳态精度无法兼顾的问题，在保证响应速度的前提下减小稳态时功率振荡，减少功率损失。从而达到光伏系统在光照剧烈变化的条件下仍然具有较高稳态精度和较快响应速度的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为电导增量法原理图。

图2为新型变步长电导增量法控制流程图。

图3为光伏电池P-V特性曲线以及干扰步长曲线图。

图4为功率预测算法原理图。

图5a、图5b分别为光伏电池输出功率随光照强度变化曲线以及其局部放大图。

图6a为光照正弦变化时常规电导增量法功率输出曲线图。

图6b为光照正弦变化时加入功率预测算法功率输出曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

新型光伏阵列最大功率跟踪系统由光伏阵列、MPPT控制器、BOOST升压电路以及负载组成。光伏阵列的输出电流和输出电压经过测量装置作为MPPT控制器的输入信号，MPPT控制器的输出信号通过调整DC-DC电路中功率开关管控制信号的占空比，来获取光伏阵列输出的最大功率点，从而实现最大功率控制。

图1为电导增量法原理图。通过光伏系统P-U特性曲线可知该特性曲线存在唯一最大值，并且在该点处dP/dU＝0，在最大功率点的左侧dP/dU＞0、而在最大功率点的右侧dP/dU＜0。在实际应用中可以通过判断dP/dU的符号来判定光伏系统是否位于最大功率点。

图2为新型变步长电导增量法控制流程图。将电流互感器和电压互感器的测量值输入到MPPT控制器中，通过I·U计算出当前时刻功率值P(k)。并且计算出当前时刻与前一时刻的电压差ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)、电流差ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)和功率差ΔP(k)＝P(k)-P(k-1)。扰动电压步长为step＝N·|dP/(dU-dI)|。电压扰动的方向与固定步长算法一致。N为采样周期内调整步长的缩放因子。缩放因子N必须满足N＜ΔU_max/|dP/(dU-dI)|，当算法满足上述公式时，最大功率跟踪系统工作于变步长模式；否则，系统以ΔU_max工作于定步长模式。

图3为光伏电池P-V特性曲线以及干扰步长曲线图。变步长电导增量法中的缩放因子N一旦确定无法再进行改变。曲线P₁、P₂分别为不同光照强度下光伏阵列的输出功率曲线。在功率曲线P₁的条件下，其缩放因子N₁以及干扰步长|dP₁/(dU-dI)|，在功率曲线P₁对应的光照强度下具有良好的精度和动态响应速度。由于最大功率跟踪控制的数学信号采样频率是有限的，当外界条件连续变化时，采样得到的电压和功率数值是在不同外界条件下的功率曲线上的信号。此时当光照强度突然变化时，系统功率曲线由P₁变为P₂，此时就会造成功率曲线P₂的干扰步长很大，出现振荡现象，稳态精度达不到要求。反之，在功率曲线P₂的条件下，当发生光照突变时，就会导致功率曲线P₁的干扰步长很小，造成系统启动以及动态响应速度变慢的现象。在光照突变时，光伏阵列输出曲线并非处于一条单峰值曲线上，因此无法找到一组缩放因子N和干扰步长|dP/(dU-dI)|同时满足不同光照条件下最大功率跟踪控制，导致MPPT跟踪失败。在此基础上加入功率预测算法，以此来保证扰动前后判断是在同一条功率曲线上进行的，从而消除误判现象。

图4为功率预测原理图。假设光伏电池温度保持不变，在第k时刻的控制电压为U(k)，采样得到的光伏电池功率为P(k)。在k+1时刻加入扰动后控制电压为U(k+1)，由于光照强度发生变化，此时的功率采样值为P(k+1)。P(k)、P(k+1)分别为不同光照条件下的电压-功率曲线上的值，用该值进行跟踪控制就会导致发生误判。为了解决上述问题，在k和k+1采样时刻中间，控制电压保持不变，增加一次功率检测。得到该曲线功率记为P(k+1/2)，假设光照强度均匀变化，则光伏电池输出电流与光照强度成正比，得到下一周期的预测功率为P′(k)＝2P(k+1/2)-P(k)。在k+1时刻测得的功率值为P(k+1)，P′(k)和P(k+1)在理论上是同一光照强度下的功率值，因而不存在误判的情况。

为验证本发明所提最大功率追踪控制方法的有效性和先进性，在Matlab/Simulink仿真环境中建立光伏电池最大功率跟踪控制方法验证模型。该模型由光伏电池模块、测量模块、MPPT模块、PWM模块以及DC-DC变换模块组成。

为比较常规电导增量法与基于功率预测的变步长电导增量法的情况，在Simulink中建立光伏系统数学模型，设定环境温度为25℃，仿真时间为1s。仿真时间0～0.5s时，光照强度为1000W/m²；仿真时间为0.5s～1s时，光照强度变为800W/m²。为比较常规电导增量法与该算法性能的优劣，提出了三个能够反映算法暂态以及稳态性能的指标，分别为：光照强度由1000W/m²突变为800W/m²时追踪到MPP所用的时间t；光照强度为1000W/m²稳态功率振荡Δp；光照为正弦变化时在0～0.65s输出能量的大小W。

图5a为光伏电池输出功率在光照突变时变化曲线。光伏电池初始时刻光照强度为1000W/m²，新型变步长电导增量法在较短的时间内达到稳定状态，而传统电导增量法到达稳定状态的时间要长于本发明所提方法，并且可以看出传统变步长电导增量法在稳态时存在明显的振荡现象；在0.5s光照强度发生突变，可以看出，新型变步长电导增量法在很短的时间内达到新的稳定状态，而传统电导增量法则会发生短暂时间的误判现象，经过一段时间才会达到新的稳定状态，并且存在一定的功率损失。

图6为施加正弦变化的光照两种方法的跟踪情况。当所加光照为正弦变化的光照时，单纯采用电导增量法，当光照强度达到最大值附近时，光伏电池输出功率出现明显的振荡现象，并且存在一定的功率损失；当采用基于功率预测的变步长电导增量法时，在整个自动寻优的过程中曲线比较光滑，不存在明显的振荡现象。性能对比分析表如表1所示。

表1性能对比分析表

仿真结果表明，本发明所提出的基于功率预测的变步长电导增量法能够解决定步长方法在稳态精度和动态响应速度之间的矛盾，在保证稳态精度的同时具有较快的响应速度，并且在外界环境突然发生变化时，该方法能够快速、准确达到新的稳定状态，并且能够有效解决误判现象的发生。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于功率预测的新型变步长光伏最大功率跟踪方法，包含以下步骤：

1)将电流互感器和电压互感器的测量值输入到MPPT控制器中，计算出当前时刻功率值P(k)，并且计算出当前时刻与前一时刻的电压差ΔU(k)、电流差ΔI(k)和功率差ΔP(k)，扰动电压步长为step，电压扰动的方向与固定步长算法一致，N为采样周期内调整步长的缩放因子，缩放因子N必须满足N＜ΔU_max/|dP/(dU-dI)|，当算法满足上述公式时，最大功率跟踪系统工作于变步长模式；否则，系统以ΔU_max工作于定步长模式。

2)变步长电导增量法中的缩放因子N一旦确定无法再进行改变，曲线P₁、P₂分别为不同光照强度下光伏阵列的输出功率曲线，在功率曲线P₁的条件下，其缩放因子N₁以及干扰步长|dP₁/(dU-dI)|，在功率曲线P₁对应的光照强度下具有良好的精度和动态响应速度，由于最大功率跟踪控制的数学信号采样频率是有限的，当外界条件连续变化时，采样得到的电压和功率数值是在不同外界条件下的功率曲线上的信号，此时当光照强度突然变化时，系统功率曲线由P₁变为P₂，此时就会造成功率曲线P₂的干扰步长很大，出现振荡现象，稳态精度达不到要求；反之，在功率曲线P₂的条件下，当发生光照突变时，就会导致功率曲线P₁的干扰步长很小，造成系统启动以及动态响应速度变慢的现象；在光照突变时，光伏阵列输出曲线并非处于一条单峰值曲线上，因此无法找到一组缩放因子N和干扰步长|dP/(dU-dI)|同时满足不同光照条件下最大功率跟踪控制，导致MPPT跟踪失败，在此基础上加入功率预测算法，以此来保证扰动前后判断是在同一条功率曲线上进行的，从而消除误判现象。

3)假设光伏电池温度保持不变，在第k时刻的控制电压为U(k)，采样得到的光伏电池功率为P(k)，在k+1时刻加入扰动后控制电压为U(k+1)，由于光照强度发生变化，此时的功率采样值为P(k+1)，P(k)、P(k+1)分别为不同光照条件下的电压-功率曲线上的值，用该值进行跟踪控制就会导致发生误判；为了解决上述问题，在k和k+1采样时刻中间，控制电压保持不变，增加一次功率检测，得到该曲线功率记为P(k+1/2)，假设光照强度均匀变化，则光伏电池输出电流与光照强度成正比，得到下一周期的预测功率为P′(k)＝2P(k+1/2)-P(k)，在k+1时刻测得的功率值为P(k+1)，P′(k)和P(k+1)在理论上是同一光照强度下的功率值，因而不存在误判的情况。

4)为比较常规电导增量法与基于功率预测的变步长电导增量法的情况，在Simulink中建立光伏系统数学模型，设定环境温度为25℃，仿真时间为1s；仿真时间0～0.5s时，光照强度为1000W/m²；仿真时间为0.5s～1s时，光照强度变为800W/m²，为比较常规电导增量法与该算法性能的优劣，提出了三个能够反映算法暂态以及稳态性能的指标，分别为：光照强度由1000W/m²突变为800W/m²时追踪到MPP所用的时间t；光照强度为1000W/m²稳态功率振荡Δp；光照为正弦变化时在0～0.65s输出能量的大小W。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率预测的新型变步长光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，步骤1)中当前时刻功率值P(k)＝I(k).U(k)；电压差ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)、电流差ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)和功率差ΔP(k)＝P(k)-P(k-1)；扰动电压步长设计为step＝N·|dP/(dU-dI)|。

3.根据权利要求1所述的一种基于功率预测的新型变步长光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，步骤2)中在新型变步长电导增量法的基础上加入功率预测算法，以此来保证扰动前后判断是在同一条功率曲线上进行的，从而消除误判现象。

4.根据权利要求1所述的一种基于功率预测的新型变步长光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，步骤3)中在k和k+1采样时刻中间，控制电压保持不变，增加一次功率检测，得到该曲线功率记为P(k+1/2)，假设光照强度均匀变化，则光伏电池输出电流与光照强度成正比，得到下一周期的预测功率为P′(k)＝2P(k+1/2)-P(k)，在k+1时刻测得的功率值为P(k+1)，P′(k)和P(k+1)在理论上是同一光照强度下的功率值，因而不存在误判的情况。