CN109270982A - 一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法 Download PDF

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王延庆
李晓南
刘杰
殷宁
李彤
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Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1：采用变步长扰动观测法，进行最大功率跟踪；步骤2：在进入抛物线拟合区域R之后，按照抛物线逼近法进行最大功率点的跟踪确定；步骤3：根据外界环境的改变实时调整步长，进而动态的改变步长的大小，进行最大功率跟踪控制。本发明基本采用扰动观测法判断太阳能光伏系统工作点的位置；首先判断拟合电压是否进入拟合区域R，进而判断是否满足拟合条件，最终得到抛物线曲线方程，求出最大功率点电压和最大功率，这种方法消除了传统算法在最大功率点附近的振荡和误判现象的发生，使得系统能准确的跟踪到最大功率，响应时间短，振荡跟小，动态误差也更小。

Description

一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体地说，涉及一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法。
背景技术
太阳能光伏发电系统是指无需通过热过程直接将光能转换为电能的发电系统。随着能源问题的日渐严重，光伏发电技术得到了很快的发展。
太阳能电池输出功率与光照强度、温度大小、负载情况有关，在一定光强，温度，负载情况下存在唯一的最大功率点(MPP)。为提高其发电效率，高效地利用光伏电池，需要对光伏阵列进行最大功率跟踪。目前，常用的最大功率跟踪技术方法很多，有恒定电压法(CVT)，短路电流法，开路电压法，扰动观察法(P&O)，电导增量法(INC)，模糊控制法，人工神经网络法等，其中扰动观察法和电导增量法被普遍采用。扰动观察法原理是通过此次采集到的太阳能输出功率和上次的比较来改变跟踪方向；电导增量法原理是太阳能电池输出的动态电导值(dI/dV)与静态电导负数(-I/V)比较，以此来判断电压调整方向来进行最大功率跟踪控制的方法。如果环境不稳定，例如发生突变，步长的选择过大，加之测量误差的影响，使得上述两种方法无法避免会存在误判和最大功率点附近的振荡，使其发电效率降低，经济效益降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提出了一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法。该方法可根据外界环境的变化时自动调整步长，系统始终保持在最大功率点运行，克服了传统变步长算法启动慢和光照剧烈变化时动态响应慢等问题。
其技术方案如下：
一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法，太阳能电池输出功率-电压曲线在最大功率点附近为左右对称的单峰曲线，可近似最大功率点为顶点，最大功率点处电压为对称轴抛物线曲线，通过检测到达抛物线拟合的区域的三组功率-电压数据，求解抛物线方程，抛物线方程的极值点即为太阳能电池的最大功率点，具体步骤如下：
步骤1：采用变步长扰动观测法，进行最大功率跟踪；
步骤2：在进入抛物线拟合区域R之后，按照抛物线逼近法进行最大功率点的跟踪确定；
步骤3：根据外界环境的改变实时调整步长，进而动态的改变步长的大小，进行最大功率跟踪控制。
进一步，步骤1具体为：
假定辐照度、温度等环境条件不变，并设Vk、Ik为第K次检测的光伏电池电压、电流值，Pk为对应的输出功率，ΔV为电压调整步长，ΔP＝P(k)-P(k-1)为电压调整前后的输出功率差。
a.当增大参考电压Vref(Vref+ΔV)时，若P(k)＞P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时应增大参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref+ΔV
b.当增大参考电压Vref(Vref+ΔV)时，若P(k)＜P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时应减小参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref-ΔV
c.当减小参考电压Vref(Vref-ΔV)时，若P(k)＞P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时应减小参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref-ΔV
d.当减小参考电压Vref(Vref-ΔV)时，若P(k)＜P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时应增大参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref+ΔV
进一步，步骤2中，根据检测得到的电压值，判断是否满足插值区域R，插值区域的确定为实验条件下得到的，R＝(0.95Vm,1.06Vm)，在此区域内拟合的最大值点与最大功率点误差较小；
进入抛物线拟合区域R后，在P-V特性曲线上，选取满足此式的拟合点(V1,P1)、(V2,P2)、(V3,P3)进行拟合计算：
光伏电池板的近似抛物线方程如下：
其中α＜0，顶点处Vm＝-β/(2α)，功率最大值Pm＝γ-β2/(4α)γ
如果P-V曲线满足拟合条件，则系数α、β、γ可以通过求解下面(3)式的方程组来确定：
由上述方程可以计算出未知量α、β、γ，其中
γ＝P1-aV1 2-bV1
由三个未知量可得到抛物线方程P＝αV2+βV+γ,求出抛物线的极大值Vm＝-β/(2α)，进而得出功率最大值Pm；
进一步，步骤3中，由P-V特性曲线，当V远离最大功率点电压Vm时，可以设置较大的跟踪步长；当V靠近拟合区域R时，减小步长，使得满足拟合条件的三个点能准确进入拟合区域，进行抛物线逼近，由此可知，步长大小的选择应该根据功率变化率成正比的变化。
变步长因子式中n为衰减系数，取值为(0～1)；k为初始步长系数,取值为0.4。因此当满足拟合点进行曲线拟合条件时，抛物线曲线的最大值即为最大功率点。
进一步，如当光照和温度发生改变时，系统的输出电压和输出电流发生改变，则采集到的电压电流不满足插值区域Q的条件，则返回至步骤1进行新一轮的检测，最终实现最大功率点的跟踪控制。
本发明的有益效果为：
本发明基本采用扰动观测法判断太阳能光伏系统工作点的位置；首先判断拟合电压是否进入拟合区域R，进而判断是否满足拟合条件，最终得到抛物线曲线方程，求出最大功率点电压和最大功率，这种方法消除了传统算法在最大功率点附近的振荡和误判现象的发生，使得系统能准确的跟踪到最大功率，响应时间短，振荡跟小，动态误差也更小。
附图说明
图1为本发明的光伏电池的P-U特性曲线图。
图2为通过抛物线拟合估算最大功率点。
图3为本发明的控制方法流程图；
图4为本发明的应用框图。
附图标记说明:1-太阳能电池输出P-U曲线；2-抛物线拟合曲线；3-检测点(V1,P1)；4-检测点(V2,P2)；5-检测点(V3,P3)；6-抛物线方程极值点；7-最大功率点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
本发明对的原理:
如图4所示：太阳能光伏系统包括太阳能电池板和外接负载，太阳能电池板与负载之间通过MPPT控制器与DC-DC变换器连接。太阳能电池板通过DC-DC变换器与负载进行连接给负载提供能量；MPPT控制器控制DC-DC变换器的开关占空比并实时的追踪太阳能光伏的最大功率点。
如图4所示：光伏阵列的输出具有非线性的性质，而且会随着外界条件而改变，选取有效的最大功率点跟踪技术可以让系统工作在最大功率点，这样可以有效的提高系统的发电量，为实现此目的，需要实时检测光伏系统的工作状态，而调整光伏系统的工作状态的关键部分是发电系统中的电能变换系统来具体实现。因此光伏系统需具备DC-DC变换电路来完成此操作。实现MPPT一般采用Buck类型和Boost类型的基本电路，但是Buck电路存在输入电流不连续的现象；由于Boost斩波电路具有升压特性，输入电流就是它的主电感电流，通过较小的纹波电流系数选取电感，有利于对输入电流进行滤波。而且Boost电路拓扑中自带的二极管可起到防止母线电流回流的作用。所以本发明采用的控制电路是基于Boost斩波电路设计的。
如图4所示，本发明提供的太阳能光伏发电系统的MPPT控制方法包括：太阳能光伏电池阵列、DC-DC变换器(Boost变换器)、MPPT模块和负载。具体的实现过程如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：采用变步长扰动观测法，进行最大功率跟踪；
步骤2：在进入抛物线拟合区域R之后，按照抛物线逼近法进行最大功率点的跟踪确定；
步骤3：根据外界环境的改变实时调整步长，进而动态的改变步长的大小，进行最大功率跟踪控制。
进一步，步骤1具体为：
假定辐照度、温度等环境条件不变，并设Vk、Ik为第K次检测的光伏电池电压、电流值，Pk为对应的输出功率，ΔV为电压调整步长，ΔP＝P(k)-P(k-1)为电压调整前后的输出功率差。
a.当增大参考电压Vref(Vref+ΔV)时，若P(k)＞P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时应增大参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref+ΔV
b.当增大参考电压Vref(Vref+ΔV)时，若P(k)＜P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时应减小参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref-ΔV
c.当减小参考电压Vref(Vref-ΔV)时，若P(k)＞P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时应减小参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref-ΔV
d.当减小参考电压Vref(Vref-ΔV)时，若P(k)＜P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时应增大参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref+ΔV
进一步，步骤2中，根据检测得到的电压值，判断是否满足插值区域R，插值区域的确定为实验条件下得到的，R＝(0.95Vm,1.08Vm)，在此区域内拟合的最大值点与最大功率点误差较小；
进入抛物线拟合区域R后，在P-V特性曲线上，选取满足此式的拟合点(V1,P1)、(V2,P2)、(V3,P3)进行拟合计算：
光伏电池板的近似抛物线方程如下：
其中α＜0，顶点处Vm＝-β/(2α)，功率最大值Pm＝γ-β2/(4α)γ
如果P-V曲线满足拟合条件，则系数α、β、γ可以通过求解下面(3)式的方程组来确定：
由上述方程可以计算出未知量α、β、γ，其中
γ＝P1-aV1 2-bV1
由三个未知量可得到抛物线方程P＝αV2+βV+γ,求出抛物线的极大值Vm＝-β/(2α)，进而得出功率最大值Pm；
进一步，步骤3中，由P-V特性曲线，当V远离最大功率点电压Vm时，可以设置较大的跟踪步长；当V靠近拟合区域R时，减小步长，使得满足拟合条件的三个点能准确进入拟合区域，进行抛物线逼近，由此可知，步长大小的选择应该根据功率变化率成正比的变化。
变步长因子式中n为衰减系数，取值为(0～1)；k为初始步长系数,取值为0.4。因此当满足拟合点进行曲线拟合条件时，抛物线曲线的最大值即为最大功率点。
进一步，如当光照和温度发生改变时，系统的输出电压和输出电流发生改变，则采集到的电压电流不满足插值区域Q的条件，则返回至步骤1进行新一轮的检测，最终实现最大功率点的跟踪控制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种太阳能光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用变步长扰动观测法，进行最大功率跟踪；
步骤2：在进入抛物线拟合区域R之后，按照抛物线逼近法进行最大功率点的跟踪确定；
步骤3：根据外界环境的改变实时调整步长，进而动态的改变步长的大小，进行最大功率跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤1具体为：
假定辐照度、温度的环境条件不变，并设Vk、Ik为第K次检测的光伏电池电压、电流值，Pk为对应的输出功率，ΔV为电压调整步长，ΔP＝P(k)-P(k-1)为电压调整前后的输出功率差；
a.当增大参考电压Vref(Vref+ΔV)时，若P(k)＞P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时应增大参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref+ΔV
b.当增大参考电压Vref(Vref+ΔV)时，若P(k)＜P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时应减小参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref-ΔV
c.当减小参考电压Vref(Vref-ΔV)时，若P(k)＞P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时应减小参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref-ΔV
d.当减小参考电压Vref(Vref-ΔV)时，若P(k)＜P(k-1)，表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时应增大参考电压的扰动方式，即Vref＝Vref+ΔV。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤2中，根据检测得到的电压值，判断是否满足插值区域R，插值区域的确定为实验条件下得到的，R＝(0.95Vm,1.06Vm)，在此区域内拟合的最大值点与最大功率点误差较小；
进入抛物线拟合区域R后，在P-V特性曲线上，选取满足此式的拟合点(V1,P1)、(V2,P2)、(V3,P3)进行拟合计算：
光伏电池板的近似抛物线方程如下：
其中α＜0，顶点处Vm＝-β/(2α)，功率最大值Pm＝γ-β2/(4α)γ
如果P-V曲线满足拟合条件，则系数α、β、γ通过求解下面(3)式的方程组来确定：
由上述方程计算出未知量α、β、γ，其中
γ＝P1-aV1 2-bV1
由三个未知量得到抛物线方程P＝αV2+βV+γ,求出抛物线的极大值Vm＝-β/(2α)，进而得出功率最大值Pm。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤3中，由P-V特性曲线，当V远离最大功率点电压Vm时，设置较大的跟踪步长；当V靠近拟合区域R时，减小步长，使得满足拟合条件的三个点能准确进入拟合区域，进行抛物线逼近，由此得知，步长大小的选择应该根据功率变化率成正比的变化；
变步长因子式中n为衰减系数，取值为(0～1)；k为初始步长系数,取值为0.4；因此当满足拟合点进行曲线拟合条件时，抛物线曲线的最大值即为最大功率点。
5.根据权利要求1所述的太阳能光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，如当光照和温度发生改变时，系统的输出电压和输出电流发生改变，则采集到的电压电流不满足插值区域Q的条件，则返回至步骤1进行新一轮的检测，最终实现最大功率点的跟踪控制。
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