CN108983864B - 一种光伏最大功率点的跟踪方法及其跟踪装置 - Google Patents
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Abstract
一种光伏最大功率点的跟踪方法及其跟踪装置，跟踪方法包括：a)采集光伏阵列输出电压pv_v及输出电流pv_i，计算输出功率pv_p；b)根据控制标志量M、M0的值，更新Ua、Ub、Uc和Pa、Pb、Pc的值；c)根据Pa、Pb、Pc值的大小计算M的取值；d)根据本周期M或M0的值确定扰动步长Deltu及扰动电压参考值Upv_ref；再根据扰动步长deltu及扰动电压参考值Upv_ref生成驱动信号，控制光伏阵列的输出电压。跟踪装置包括模拟量采集单元、运算单元及执行单元。本发明的等效控制周期是现有三点法的三分之一，动态响应速度快，在稳态时采用小步长扰动，稳态功率波动更小，具有稳态功率损耗小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，具体涉及一种光伏最大功率点的跟踪方法及其跟踪装置。
背景技术
光伏发电的原理是“光生伏特效应”，光伏电池板经太阳光照射后将太阳能转换为直流电，直流电经光伏逆变器变换为交流电后送至电网或给负荷供电。光伏电池板输出电压和功率的关系被称为光伏P-V特性曲线，该曲线为凸函数，存在一个最大值点，该点对应的电压为最大功率点电压，该点对应的功率为最大功率。同一块光伏电池板的最大功率点电压也不是固定不变的，光伏电池板的开路电压受光照的影响较大，光照越强开路电压越大，最大功率点电压也会受到影响，不同光照强度下P-V特性曲线如图1所示。
为了使发电量最大，光伏电池板的工作点应在最大功率点上，而追踪最大功率点的方法即为最大功率点跟踪方法，简称MPPT算法。最大功率点跟踪方法在光伏发电中占有很重要的地位，MPPT效率是决定光伏逆变器发电量最关键的因素，其重要性大大超过光伏逆变器转换效率。目前国内外光伏逆变器在相同的条件下对比发电量，相差可能高达20％，导致这个差异的主要原因在于MPPT效率，MPPT效率主要分为两大类，即静态MPPT效率和动态MPPT效率，静态MPPT效率描述了在稳定环境因素情况下，系统找到和保持最大功率点运行的性能，而动态MPPT效率则描述了在辐照度和温度等环境因素下，系统跟踪最大功率点的能力。目前光伏逆变器行业中各大厂商对于静态MPPT追踪算法的处理基本都展现出了很高的水准，MPPT跟踪效率可达99％以上，为后端直流转交流的过程提供了良好的基础。而在逆变器实际的工作环境中，日照、温度等外部条件是处于实时动态变化的过程中，逆变器在这样的条件下工作，其动态效能也就成为了衡量其实际性能的不可忽视的重要指标。
扰动观测法为最常见的最大功率点跟踪方法，其原理为将计算出的当前功率与系统前一时刻存储的功率值相比较，如果功率比上一次有所增大，说明参考电压的调整方向正确，继续按原来的方向调整；如果输出功率比上一次小，说明参考电压的调整方向错误，需要改变原来的调整方向。扰动观测法由于实现简单，得到了广泛的应用。
但是扰动观察法在日照强度发生快速变化时，参考电压调整方向有可能发生错误造成系统误判，导致其动态跟踪效率较低。为了克服该缺点，有学者提出了三点法，三点法原理如图2所示，c、a、b代表光伏阵列PV特性曲线上电压由小到大的三个点，第一个控制周期，采集a点的电压和电流，将a点电压加1作为下一周期的电压参考值；第二个控制周期，采集b点的电压、电流，将a点电压减1作为下一周期的电压参考值；第三个控制周期，采集c点的电压、电流，计算三个点的功率值Pa、Pb、Pc。当Pb≥Pa成立，则M＝M-1，反之，则M＝M+1；当Pa>Pc成立，则M＝M+1，反之，则M＝M-1。若M＝2，则电压向右侧扰动；若M＝-2，则电压向左侧扰动；若M＝0，则电压保持不变。三点法的优点是当光照发生变化时，出现Pa<Pc且Pa<Pb的情况，此时依照算法计算出来的M为0，电压保持不变，当光照稳定时再进行判断，可以抵消光照突变对算法的影响。但是由于三点法要采集三个周期的电压电流值，其等效控制周期为扰动观测法的三倍，动态响应速度会受到影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种光伏最大功率点的跟踪方法及其跟踪装置，等效控制周期是现有三点法的三分之一，具有更快的动态响应速度，并且在稳态时采用小步长扰动，稳态功率波动更小，具有稳态功率损耗小的优点。
为了实现上述目的，本发明光伏最大功率点的跟踪方法，包括以下步骤：
a)采集光伏阵列输出电压pv_v及输出电流pv_i，计算输出功率pv_p，pv_p＝pv_v*pv_i；
b)根据MPPT算法上一控制周期中控制标志量M、M0的值，更新Ua、Ub、Uc和Pa、Pb、Pc的值，Ua、Ub、Uc与Pa、Pb、Pc分别为三点法各采集点的电压和功率；
c)根据步骤b)中Pa、Pb、Pc值的大小，计算控制标志量M的取值；
d)根据本周期控制标志量M或M0的值确定扰动步长Deltu及扰动电压参考值Upv_ref；再根据扰动步长deltu及扰动电压参考值Upv_ref生成驱动信号，控制光伏阵列的输出电压。
所述的步骤b)中：
当M＝2时，Uc＝pv_v，Pb＝Pa，Pa＝Pc，Pc＝pv_p；
当M＝-2时，Ub＝pv_v，Pc＝Pa，Pa＝Pb，Pb＝pv_p；
当M＝0时：
若M0＝0，Ua＝pv_v，Pa＝pv_p；
若M0＝1，Uc＝pv_v，Pc＝pv_p；
若M0＝2，Ub＝pv_v，Pb＝pv_p。
所述的控制标志量M0经过每个控制周期自加1，当控制标志量M0大于2时，将其清零。
所述的步骤c)中：
如果Pa≥Pb成立，则M＝M+1，反之，M＝M-1；
如果Pa≥Pc成立，则M＝M-1，反之，M＝M+1；
其中M的初值为0。
所述的步骤d)中：当M＝2时，扰动步长Deltu取初始步长值，Ub＝Ua，Ua＝Uc，Upv_ref＝Ua-Deltu；当M＝-2时，扰动步长Deltu取初始步长值，Uc＝Ua，Ua＝Ub，Upv_ref＝Ua+Deltu；当M＝0时，Deltu取上个周期值的一半，其最小值为1，此时通过判断M0的值来确定扰动电压参考值，当M0＝0时，Upv_ref＝Ua；当M0＝1时，Upv_ref＝Ua-Deltu；当M0＝2时，Upv_ref＝Ua+Deltu。
本发明光伏最大功率点的跟踪装置包括：
用于采集光伏阵列输出电压pv_v和输出电流pv_i的模拟量采集单元；用于计算输出功率pv_p，控制标志量M、M0，以及扰动步长Deltu和扰动电压参考值Upv_ref的运算单元；以及，用于生成驱动信号，继而控制光伏阵列输出电压的执行单元。
所述的模拟量采集单元包括电压霍尔传感器和电流霍尔传感器。所述的运算单元包括MCU及其电路。所述的执行单元包括PWM信号生成电路、驱动电路以及功率开关器件。
与现有技术相比，本发明通过在每个控制周期将本周期的采样点与前两个周期进行比较，进行三点法运算，相比于现有每三个周期运算一次的三点法，本发明的等效控制周期减小至现有方法的三分之一，具有更快的动态响应速度。并且，本发明采用变步长扰动进行光伏最大功率点跟踪，实现在算法执行初期进行大步长扰动，有较快的响应速度，当算法运行到稳态时，步长逐周期减小，保证了较好的稳态精度，减小了稳态功率损耗。
附图说明
图1不同光照强度下的光伏P-V特性曲线；
图2现有三点法的原理流程图；
图3本发明跟踪方法的流程图；
图4本发明跟踪装置的结构示意图；
图5现有三点法的仿真波形图；
图6本发明跟踪方法的仿真波形图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
参见图3，本发明光伏最大功率点的跟踪方法包括以下步骤：
(1)在每个控制周期的初始时刻，采集光伏阵列输出电压pv_v及输出电流pv_i，计算输出功率pv_p，pv_p的计算公式为pv_p＝pv_v*pv_i；
(2)根据上一控制周期中控制标志量M或M0的值，更新Ua、Ub、Uc和Pa、Pb、Pc的值：当M＝2时，Uc＝pv_v，Pb＝Pa，Pa＝Pc，Pc＝pv_p；当M＝-2时，Ub＝pv_v，Pc＝Pa，Pa＝Pb，Pb＝pv_p；当M＝0时，需要判断M0的值，当M0＝0时，Ua＝pv_v，Pa＝pv_p；当M0＝1时，Uc＝pv_v，Pc＝pv_p；当M0＝2时，Ub＝pv_v，Pb＝pv_p；
(3)根据Pa、Pb、Pc值的大小，计算控制标志量M的取值：每个控制周期M0自加1，当M0大于2时，将M0清零。如果Pa≥Pb成立，则M＝M+1，反之，M＝M-1；如果Pa≥Pc成立，则M＝M-1，反之，M＝M+1，其中M的初值为0；
(4)根据本周期M或M0的值确定扰动步长deltu及扰动电压参考值Upv_ref：当M＝2时，扰动步长Deltu取初始步长值，Ub＝Ua，Ua＝Uc，Upv_ref＝Ua-Deltu；当M＝-2时，扰动步长Deltu取初始步长值，Uc＝Ua，Ua＝Ub，Upv_ref＝Ua+Deltu；当M＝0时，Deltu取上个周期值的一半，其最小值为1，此时通过判断M0的值来确定扰动电压参考值，当M0＝0时，Upv_ref＝Ua；当M0＝1时，Upv_ref＝Ua-Deltu；当M0＝2时，Upv_ref＝Ua+Deltu。
本实施例中，初始步长值取3V。
参见图4，本发明光伏最大功率点跟踪装置，包括模拟量采集单元、运算单元以及执行单元。模拟量采集单元负责采集光伏阵列的输出电压pv_v和输出电流pv_i。本实施例中，模拟量采集单元，包含电压霍尔传感器和电流霍尔传感器，以及采样调理电路。运算单元负责计算输出功率pv_p，控制标志量M、M0，以及扰动步长Deltu和扰动电压参考值Upv_ref。本实施例中，运算单元采用一块TI公司的32位浮点型DSP，型号为TMS320F28335。执行单元负责生成驱动信号，控制光伏阵列的输出电压。本实施例中，PWM驱动信号由FPGA芯片生成，通过驱动逆变器的IGBT来实现对光伏阵列电压的调节。
为了验证本实施例中最大功率点跟踪方法的跟踪效果，在Simulink仿真平台搭建了仿真模型，图5为采用扰现有三点法的光伏阵列电压和功率的仿真波形，图6为采用本实施例中光伏最大功率点跟踪方法的光伏阵列电压和功率的仿真波形。对比可以看出，采用现有三点法时，电压需要4s才能达到稳态值附近，并且稳态时功率波动较大；而采用本实施例中光伏最大功率点跟踪方法时，电压只要2s就能达到稳态值附近，并且稳态功率波动很小。因此本发明的光伏最大功率点跟踪方法具有动态响应快，稳态功率损耗小的优点。
Claims (7)
1.一种光伏最大功率点的跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)采集光伏阵列输出电压pv_v及输出电流pv_i，计算输出功率pv_p，pv_p＝pv_v*pv_i；
b)根据MPPT算法上一控制周期中控制标志量M、M0的值，更新Ua、Ub、Uc和Pa、Pb、Pc的值，Ua、Ub、Uc与Pa、Pb、Pc分别为三点法各采集点的电压和功率；
当M＝2时，Uc＝pv_v，Pb＝Pa，Pa＝Pc，Pc＝pv_p；
当M＝-2时，Ub＝pv_v，Pc＝Pa，Pa＝Pb，Pb＝pv_p；
当M＝0时：
若M0＝0，Ua＝pv_v，Pa＝pv_p；
若M0＝1，Uc＝pv_v，Pc＝pv_p；
若M0＝2，Ub＝pv_v，Pb＝pv_p；
c)根据步骤b)中Pa、Pb、Pc值的大小，计算控制标志量M的取值；
d)根据本周期控制标志量M或M0的值确定扰动步长Deltu及扰动电压参考值Upv_ref；再根据扰动步长deltu及扰动电压参考值Upv_ref生成驱动信号，控制光伏阵列的输出电压；
当M＝2时，扰动步长Deltu取初始步长值，Ub＝Ua，Ua＝Uc，Upv_ref＝Ua-Deltu；当M＝-2时，扰动步长Deltu取初始步长值，Uc＝Ua，Ua＝Ub，Upv_ref＝Ua+Deltu；当M＝0时，Deltu取上个周期值的一半，其最小值为1，此时通过判断M0的值来确定扰动电压参考值，当M0＝0时，Upv_ref＝Ua；当M0＝1时，Upv_ref＝Ua-Deltu；当M0＝2时，Upv_ref＝Ua+Deltu。
2.根据权利要求1所述光伏最大功率点的跟踪方法，其特征在于，所述的控制标志量M0经过每个控制周期自加1，当控制标志量M0大于2时，将其清零。
3.根据权利要求1所述光伏最大功率点的跟踪方法，其特征在于，所述的步骤c)中：
如果Pa≥Pb成立，则M＝M+1，反之，M＝M-1；
如果Pa≥Pc成立，则M＝M-1，反之，M＝M+1；
其中M的初值为0。
4.一种实现权利要求1所述光伏最大功率点的跟踪方法的跟踪装置，其特征在于，包括：
用于采集光伏阵列输出电压pv_v和输出电流pv_i的模拟量采集单元；用于计算输出功率pv_p，控制标志量M、M0，以及扰动步长Deltu和扰动电压参考值Upv_ref的运算单元；以及，用于生成驱动信号，继而控制光伏阵列输出电压的执行单元。
5.根据权利要求4所述的跟踪装置，其特征在于：所述的模拟量采集单元包括电压霍尔传感器和电流霍尔传感器。
6.根据权利要求4所述的跟踪装置，其特征在于：所述的运算单元包括MCU及其电路。
7.根据权利要求4所述的跟踪装置，其特征在于：所述的执行单元包括PWM信号生成电路、驱动电路以及功率开关器件。
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