CN108874017A - 一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，包括下列步骤：S1、构建光伏发电系统硬件模型；S2、采集光伏发电系统开路电压Uoc；S3、所述光伏发电系统的输入电压U(k)与输入电流I(k)进行采样；S4、计算光伏发电系统的电压变化量、电流变化量以及步长变化值；S5、对电压变化量、电流变化量的值进行判断，采用不同的方式调节电导增量法的步长变化值，进而调节光伏发电系统的输入电压，使光伏发电系统的实际功率工作点贴近最大功率点。通过上述方法使得MPPT控制模块进一步减少跟踪的响应时间，避免了输出功率的急剧衰减，减小输出功率的波动性，使得跟踪控制效果得到明显改善。

Description

一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法。
背景技术
新能源的开发和利用是当今世界的一大热点，而太阳能作为一种清洁高效的可再生绿色能源成为了发展新能源的首选。太阳能光伏发电也成为了近年来迅速发展的新兴能源产业。在太阳能并网发电技术领域，需要使用太阳能光伏并网逆变器将太阳能电池发出的直流电转化成与电网相同频率相同相位的输出交流电，同时还要对太阳能电池输出的电能进行优化。但是由于太阳能电池的非线性特性，在不同温度下与光照条件下，能够达到最大功率的大小和对应的电压值都是不同的，达到最大功率峰值后功率便会随之下降，所以光伏电池的输出功率是随时变化的。只有当工作在最大功率点处时，电能的利用率才能达到最高。否则就会降低整个太阳能光伏并网系统的效率。无论当外部环境怎样变化，只有当太阳能光伏阵列工作在最大功率点处时，才能最大效率的利用太阳能。
常用的最大功率点跟踪方法(MPPT)有：(1)固定电压法，固定电压法结构简单，但忽略环境温度的影响具有较大的局限性，实际运用中偏差较大，近年来较少单独使用；(2)扰动观察法，容易实现但在最大功率处附近出现震荡，造成功率损失，在环境变化较大时会使算法电压崩溃而失效；(3)电导增量法，控制精度较高，稳定性比较好，但是逻辑结构较复杂，固定的步长使系统的响应速度较慢。
当前有很多学者研究变步长的扰动观察法和电导增量法，可以根据环境条件变化在跟踪系统最大功率时不断调整步长的大小，一定程度上减小了因光照变化剧烈变化引起的响应速度慢的问题。也有一些学者将固定电压法分别与扰动观察法和电导增量法相结合，用固定电压法使系统在开始调节的时候可以尽快到达最大功率处附近的电压值，有效减少系统启动响应时间，再用扰动观察法或者电导增量法追踪在环境因素变化情况下的最大功率点，经过调节，使系统稳定，能量尽可能输出。当外界条件因素发生突变时，容易使系统功率发生急变，致使系统不稳定，严重时还会发生控制算法的崩溃，无法正常调节电压。单一的方法在使用过程中已经受到了局限，需要改进；单纯的方法组合也需要提高系统调节的响应时间。针对这两种情况都有相对应的变步长方法进行完善，但是使用过程中步长变化调节的灵活度还存在很大提升的空间。
目前，申请号为201210414400.8的中国专利公开了一种基于改进步长的双模式最大功率点跟踪方法，采用电导增量法与固定电压法相结合的方式对光伏发电系统的最大功率点进行跟踪，但还存在着下列问题，当实际工作点位于最大功率点的右侧时或外界条件发生突变时，光伏发电系统的输出功率会受到很大影响发生急剧衰减，造成系统的不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，包括下列步骤：
S1、构建光伏发电系统硬件模型；
S2、采集光伏发电系统开路电压Uoc，并设置参考电压Uset；
S3、通过固定电压法对所述光伏发电系统的输入电压U(k)与输入电流I(k)进行采样，并快速追踪到所述光伏发电系统的最大功率点附近；
S4、计算所述光伏发电系统的电压变化量dU、电流变化量dI以及步长变化值ΔU；
S5、对所述电压变化量dU、电流变化量dI的值进行判断，采用不同的方式调节电导增量法的步长变化值ΔU，进而调节光伏发电系统的输入电压U(k)，使光伏发电系统的实际功率工作点贴近最大功率点。
优选的，所述光伏发电系统硬件模型包括光伏电池、电流采样电路、电压采样电路、MPPT模块、PWM控制模块和DC-DC变换器模块、驱动电路、负载模块，所述电流采样电路与光伏电池串联，所述电压采样电路与光伏电池并联，所述电流采样电路、电压采样电路、驱动电路分别与MPPT模块电相连，所述MPPT模块与PWM控制模块、DC-DC变换器模块、负载模块依次电相连。
优选的，所述MPPT模块为STC12C5608AD型单片机，通过所述STC12C5608AD型单片机分别接收电流采样电路、电压采样电路信号，对所述光伏电池的输入电压U(k)与输出电流I(k)进行采样，并计算电压变化量dU、电流变化量dI以及电导增量法的步长变化值ΔU。
优选的，DC-DC变换器模块内设有Boost电路，所述STC12C5608AD型单片机与PWM控制模块信号相连，所述PWM控制模块可调节Boost电路的占空比。
优选的，步骤S2中，所述参考电压Uset设置为等于0.76倍的Uoc。
优选的，步骤S3中，所述追踪到所述光伏发电系统的最大功率点附近的方法为：
S31、通过固定电压法比较输入电压U(k)与参考电压Uset的大小；
S32、不断调整输入电压U(k),最终使U(k)＝0.76Uoc，将U(k)与I(k)相乘得到工作在光伏发电系统的最大功率点附近的实际功率P(k)。
优选的，步骤S4中，电压变化量dU、电流变化量dI以及步长变化值ΔU的计算方法为：
dU＝U(k)-U(k-1)
dI＝I(k)-I(k-1)
dP＝P(k)-P(k-1)
式中，A为比例系数，所述dP为功率变化量,所述U(k-1)为前一次电压采样值，所述I(k-1)为前一次电流采样值，所述P(k-1)为前一次功率采样计算值。
优选的，步骤S5中，对所述电压变化量dU、电流变化量dI的值进行判断，采用不同的方式调节电导增量法的步长变化值ΔU，进而调节光伏发电系统的输入电压U(k)的方法为：
当和dU＝0∩dI>0时
U(k)＝U(k-1)+ΔU
当和dU＝0∩dI<0时
U(k)＝U(k-1)+ΔU
当和dU＝0，dI＝0时
U(k)＝U(k-1)
式中，K为比例系数。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：本发明提供的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，通过对光伏发电系统最大功率跟踪方法的改进，在开始跟踪最大功率时，可以用固定电压法很快地跟踪到最大功率点附近，再使用变步长电导增量法稳定快速调节到最大功率点处。当环境发生变化，实际功率工作点位于最大功率点右边时，用改进后的方法，进一步增大调节的变步长，使得MPPT控制模块进一步减少跟踪的响应时间，避免了输出功率的急剧衰减，减小输出功率的波动性，使得跟踪控制效果得到明显改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法的流程图；
图2为本发明实施例判定方法流程图；
图3为本发明实施例硬件结构电路图。
图中，1-光伏电池，2-电流采样电路，3-电压采样电路，4-MPPT模块，5为DC-DC变换器模块，6-负载模块，7-驱动电路。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1与图2，一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，包括下列步骤：
S1、构建光伏发电系统硬件模型；
S2、采集光伏发电系统开路电压Uoc，并设置参考电压Uset；
S3、通过固定电压法对所述光伏发电系统的输入电压U(k)与输入电流I(k)进行采样，并快速追踪到所述光伏发电系统的最大功率点附近；
S4、计算所述光伏发电系统的电压变化量dU、电流变化量dI以及步长变化值ΔU；
S5、对所述电压变化量dU、电流变化量dI的值进行判断，采用不同的方式调节电导增量法的步长变化值ΔU，进而调节光伏发电系统的输入电压U(k)，使光伏发电系统的实际功率工作点贴近最大功率点。
最大功率点跟踪是指能够实时的检测太阳能光伏阵列的发电电压，并追踪最高电压电流值使系统以最高效率对蓄电池充电。MPPT控制系统是一种通节电气模块的工作状态，使光伏阵列输出最大功率的电气系统。最大功率点主要受到外部环境的影响，如温度和光照强度等。当光照强度不变时，随着温度的升高，光伏电池1的开路电压降低，最大输出功率随之降低。当温度不变时，光照强度增强，光伏电池1的开路电压基本不变化，短路电流明显增加，最大输出功率增加。由于光伏阵列的输出电压，输出电流以及内阻都是随时变化着的，所以必须使用DC/DC控制电路实现负载的动态变化，保证光伏电池1始终输出最大功率。
最大功率点跟踪需要及时准确地采样到光伏阵列当前的输出电压和输出电流，然后再算出当前的输出功率，再与前一时刻的输出功率做比较，通过调节开关管的占空比来改变通过电阻的平均电流使其光伏阵列一直工作在最大功率点处。
参见图3，具体的，所构建的光伏发电系统硬件模型包括光伏电池1、电流采样电路2、电压采样电路3、MPPT模块4、PWM控制模块和DC-DC变换器模块5、驱动电路7、负载模块6，所述电流采样电路2与光伏电池1串联，所述电压采样电路3与光伏电池1并联，可分别对光伏电池1的输出电压与输出电流在单位时间内进行采样，可获得光伏电池1的后次采样输出电压U(k)、前一次采样输出电压U(k-1)、后次采样输出电流I(k)、前一次采样输出电流I(k-1)，所述电流采样电路2、电压采样电路3、驱动电路7分别与MPPT模块4电相连，所述驱动电路7用于驱动PWM控制模块，所述MPPT模块4为STC12C5608AD型单片机，具有是高速/低功耗/超强抗干扰的优点，所述单片机通过内置的A/D模块将所获得的后次采样输出电压U(k)、前一次采样输出电压U(k-1)、后次采样输出电流I(k)、前一次采样输出电流I(k-1)信号转变为数字信号，并计算出电压变化量dU、电流变化量dI以及电导增量法的步长变化值ΔU，同时调制生成PWM信号至PWM控制模块，PWM控制模块根据PWM信号改变DC-DC变换器模块5内Boost电路的占空比来控制电路通断，不断调节负载参数，实现对负载模块6的最大功率追踪。
在本发明的一个实施例中，可将步骤S2中所述参考电压Uset设置为等于0.76倍的Uoc，便于进行比较。
具体的，在步骤S3中，所述追踪到所述光伏发电系统的最大功率点附近的方法为：
S31、通过固定电压法比较输入电压U(k)与参考电压Uset的大小；
S32、不断调整输入电压U(k),最终使U(k)＝0.76Uoc，将U(k)与I(k)相乘得到工作在光伏发电系统的最大功率点附近的实际功率P(k)。
具体的，根据光伏电池1的输出的非线性特性，本实施例将电导增量法的步长设置为变步长调节方式，在步骤S4中，电压变化量dU、电流变化量dI以及步长变化值ΔU的计算方法为：
dU＝U(k)-U(k-1)
dI＝I(k)-I(k-1)
dP＝P(k)-P(k-1)
式中，A为比例系数，在本实施例中，A取0.001，所述dP为功率变化量,所述U(k-1)为前一次电压采样值，所述I(k-1)为前一次电流采样值，所述P(k-1)为前一次功率采样计算值。
具体的，步骤S5中，对所述电压变化量dU、电流变化量dI的值进行判断，采用不同的方式调节电导增量法的步长变化值ΔU，进而调节光伏发电系统的输入电压U(k)的方法为：
当和dU＝0∩dI>0，即针对实际功率工作点位于最大功率点左边时，采用如下步长调节比例系数：
U(k)＝U(k-1)+ΔU
当和dU＝0∩dI<0，即针对实际功率工作点位于最大功率点右边时，采用如下步长调节比例系数：
U(k)＝U(k-1)+ΔU
当和dU＝0，dI＝0时
U(k)＝U(k-1)
式中，K为比例系数，在本实施例中A取0.001，K取2，当实际功率工作点位于最大功率点右边时，根据电压和功率变化情况，进一步增大调节的变步长，使得MPPT控制模块进一步减小跟踪的响应时间，减小输出功率的波动性，得到良好的跟踪控制效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1、构建光伏发电系统硬件模型；
S2、采集光伏发电系统开路电压Uoc，并设置参考电压Uset；
S3、通过固定电压法对所述光伏发电系统的输入电压U(k)与输入电流I(k)进行采样，并快速追踪到所述光伏发电系统的最大功率点附近；
S4、计算所述光伏发电系统的电压变化量dU、电流变化量dI以及步长变化值ΔU；
S5、对所述电压变化量dU、电流变化量dI的值进行判断，采用不同的方式调节电导增量法的步长变化值ΔU，进而调节光伏发电系统的输入电压U(k)，使光伏发电系统的实际功率工作点贴近最大功率点。
2.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述光伏发电系统硬件模型包括光伏电池、电流采样电路、电压采样电路、MPPT模块、PWM控制模块和DC-DC变换器模块、驱动电路、负载模块，所述电流采样电路与光伏电池串联，所述电压采样电路与光伏电池并联，所述电流采样电路、电压采样电路、驱动电路分别与MPPT模块电相连，所述MPPT模块与PWM控制模块、DC-DC变换器模块、负载模块依次电相连。
3.根据权利要求2所述的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述MPPT模块为STC12C5608AD型单片机，通过所述STC12C5608AD型单片机分别接收电流采样电路、电压采样电路信号，对所述光伏电池的输入电压U(k)与输出电流I(k)进行采样，并计算电压变化量dU、电流变化量dI以及电导增量法的步长变化值ΔU。
4.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，DC-DC变换器模块内设有Boost电路，所述STC12C5608AD型单片机与PWM控制模块信号相连，所述PWM控制模块可调节Boost电路的占空比。
5.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，步骤S2中，所述参考电压Uset设置为等于0.76倍的Uoc。
6.根据权利要求5所述的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，步骤S3中，所述追踪到所述光伏发电系统的最大功率点附近的方法为：
S31、通过固定电压法比较输入电压U(k)与参考电压Uset的大小；
S32、不断调整输入电压U(k)，最终使U(k)＝0.76Uoc，将U(k)与I(k)相乘得到工作在光伏发电系统的最大功率点附近的实际功率P(k)。
7.根据权利要求6所述的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，步骤S4中，电压变化量dU、电流变化量dI以及步长变化值ΔU的计算方法为：
dU＝U(k)-U(k-1)
dI＝I(k)-I(k-1)
dP＝P(k)-P(k-1)
式中，A为比例系数，所述dP为功率变化量，所述U(k-1)为前一次电压采样值，所述I(k-1)为前一次电流采样值，所述P(k-1)为前一次功率采样计算值。
8.根据权利要求7所述的一种光伏发电系统的最大功率点跟踪方法，其特征在于，步骤S5中，对所述电压变化量dU、电流变化量dI的值进行判断，采用不同的方式调节电导增量法的步长变化值ΔU，进而调节光伏发电系统的输入电压U(k)的方法为：
当和dU＝0∩dI＞0时
U(k)＝U(k-1)+ΔU
当和dU＝0∩dI<0时
U(k)＝U(k-1)+ΔU
当和dU＝0，dI＝0时
U(k)＝U(k-1)
式中，K为比例系数。
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