CN110018709A - 基于功率预测的动态最大功率点跟踪技术 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于新能源开发以及电力系统优化领域，涉及基于功率预测的动态最大功率点跟踪技术，采用功率预测的方法在相同电压条件下，对光伏电池输出功率进行预测；采用步长随光伏发电系统输出功率和最大功率点的差额变化的方法，实时动态的调整扰动观察法的扰动步长。本发明可以改善扰动观察法存在的误判问题，解决扰动观察法在最大功率点处的震荡问题，提高光伏电池发电效率以及工作的稳定性。

Description

基于功率预测的动态最大功率点跟踪技术

技术领域

本发明专利涉及基于功率预测的动态最大功率点跟踪技术，具体而言，涉及光伏发电系统的输出功率最大化研究，属于新能源开发以及电力系统优化领域。

背景技术

随着化石燃料燃烧带来的环境污染日趋严重以及人类对于能源的需求日益增多，世界各国对于可再生能源的发展和利用达成共识。太阳能是人类生活中最常见并被利用的能源，在所有新能源中太阳能凭借其独特的优势备受科学家瞩目。丰富的太阳能通过光伏发电被人类利用，世界各地都在大力推进光伏发电产业的发展，但是仍有部分原因导致发电效率偏低。在光伏系统工作点方面，由于不同光照强度和环境温度导致光伏电池的输出特性不同，但都存在一个最大功率输出，通过一定的控制算法改善光伏系统的工作点，可使光伏系统实时保持在最大功率输出的状态，对光伏系统输出效率的提升是显而易见的。因此，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术是提升光伏发电效率的重要途径措施。

在MPPT领域使用最为广泛的一种控制方法为扰动观察法(Perturb and Observealgorithms，P&Q)。该算法容易实现，设置的参数也较少，但是在实际应用中，它只是通过功率大小的简单比较进行跟踪，如果系统己经运行在最大功率点处，它仍然要通过改变工作点位置来判断下一步的跟踪方向，容易使得系统产生误判现象；如果系统工作在最大功率点附近，在它继续跟踪的时候可能会错过最大功率点，这样就会导致系统一直在最大功率点附近震荡，两种情况都会导致光伏电池发电效率的降低。

发明内容

本发明专利针对上述存在的问题，提出基于功率预测的动态最大功率点跟踪技术，采用功率预测的方法在相同电压条件下，对光伏电池输出功率进行预测；采用步长随光伏电池与最大功率点的差额变化的方法，改善扰动观察法存在的误判问题，解决扰动观察法在最大功率点处的震荡问题，提高光伏电池发电效率以及工作的稳定性。

本发明专利为实现上述目的，采取以下技术方案予以实现：

光伏发电系统DC/DC环节采用升压(Boost)电路，通过调整DC/DC变换器中功率开关管控制信号(PWM)的占空比D，调节外接负载与光伏电池内阻匹配，进而控制光伏电池工作在最大功率点处。

扰动观察法通过反复不断对输出电压进行扰动，改变占空比D的大小，根据公式P＝U×I，计算扰动前后的输出功率，如果扰动后输出功率上升，说明此前扰动能够提高光伏电池的输出功率，则继续向同一方向増加扰动；若输出功率通过对比发现变小，说明此前扰动不利于提高光伏电池输出功率，则往相反方向进行扰动。

当采样周期足够小时，可以假定一个采样周期内光照强度的变化率恒定。kT测得的功率为P(k)，之后不对电压进行扰动，而是在半个周期后(即(k+1/2)T时刻)增加一次功率采样，测得功率P(k+1/2)，利用这两个功率得到基于一个采样周期的预测功率P′(k)。之后，对电压进行扰动测得(K+1)T时刻的功率P(k+1)。P′(k)和P(k+1)可认为在同一辐照度下扰动前后的功率，因此，利用P′(k)和P(k+1)进行MPPT可以有效的改善误判的问题。

对于震荡问题，根据光伏电池的实时功率与最大功率点的差值建立函数，实时的改变ΔD的值，从而实时动态的调整扰动观察法的步长D，使得光伏电池的工作点可以稳定在最大功率点处，解决了最大功率点附近的工作点震荡问题，减小能量损失，提高光伏电池的发电效率以及运行的稳定性。

本发明专利相对于现有技术具有如下有益效果：

·采用功率预测的方法，改善扰动观察法存在的误判问题

·采用动态的最大功率跟踪的方法，解决了扰动观察法在最大功率点处的震荡问题

·有效的提高光伏电池的发电效率以及运行的稳定性

附图说明

图1为本发明专利Boost电路结构图

图2为本发明专利功率预测的扰动观察法示意图

图3为本发明专利基于功率预测的动态最大功率跟踪技术流程图

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利的实施进行详细描述。

如图1所示，通过调节DC/DC变换器中功率开关信号(PWM)的占空比，调节与光伏电池内阻匹配，进而控制光伏电池工作在最大功率点处。通过调节占空比D就可以调节Boost电路的等效输入阻抗的值，当其与光伏输出阻抗相匹配时，可以实现光伏电池的最大功率输出。

扰动观察法基本原理：反复不断对输出电压进行扰动，通过公式P＝U×I，计算扰动前后的输出功率，如果扰动后输出功率上升，说明此前扰动能够提高光伏电池的输出功率，则继续向同一方向増加扰动；若输出功率通过对比发现变小，说明此前扰动不利于提高光伏电池输出功率，则往相反方向进行扰动。

如图2所示为功率预测的扰动观察法示意图。当采样周期足够小时，可以假定一个采样周期内光照强度的变化率恒定。kT测得的功率为P(k)，之后不对电压进行扰动，而是在半个周期后(即(k+1/2)T时刻)增加一次功率采样，测得功率P(k+1/2)，利用这两个功率得到基于一个采样周期的预测功率P′(k)。之后，对电压进行扰动测得(K+1)T时刻的功率P(k+1)。P′(k)和P(k+1)可认为在同一辐照度下扰动前后的功率，因此，利用P′(k)和P(k+1)进行MPPT可以有效的改善误判的问题。

对于扰动观察法，快速性和稳定点附近震荡是一对矛盾，因此选择合适的步长很重要。基于功率预测的扰动观察法只能解决误判问题，因此算法需要结合变步长。根据光伏电池的实时功率与最大功率点的差值建立函数ΔD＝|k(P_max-P)|，实时的改变ΔD的值，从而实时动态的调整扰动观察法的步长D，使得光伏电池的工作点可以稳定在最大功率点处，解决了最大功率点附近的工作点震荡问题，减小能量损失，提高光伏电池的发电效率以及运行的稳定性。

图3为基于功率预测的动态最大功率跟踪技术流程图，具体步骤如下：

步骤一：采样U(k)、I(k)。

步骤二：计算此时光伏系统输出功率P(k)。

步骤三：不对电压进行扰动，而是在半个周期后(即(k+1/2)T时刻)增加一次功率采样，测得功率P(k+1/2)，利用这两个功率得到基于一个采样周期的预测功率P′(k)。

步骤四：按照公式ΔD＝|k(P_max-P)|计算ΔD。

步骤五：判断k+1时刻与k时刻光伏系统输出功率大小关系，以及这两个时刻输出电压的关系

步骤六：若P(k+1)>P(k)并且U_n+1-U_n>0；P(k+1)<P(k)并且U_n+1-U_n<0，那么D＝D+ΔD。若P(k+1)>P(k)并且U_n+1-U_n<0；P(k+1)<P(k)并且U_n+1-U_n>0，那么D＝D-ΔD。输出D。

惟以上所述者，仅为本发明专利之较佳实施例而已，当不能以此限定本实用发明专利之范围，即但凡依本发明专利权利要求及发明专利说明书所记载的内容所作出简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利权利要求所涵盖范围之内。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明专利之权利范围。

Claims (5)

1.基于功率预测的动态最大功率点跟踪技术，涉及光伏发电系统的输出功率最大化研究，应用于新能源系统，其特征在于所述光伏发电系统DC/DC环节，所述方法包括：

通过调整DC/DC变换器中功率开关管控制信号(PWM)的占空比D，调节外接负载与光伏电池内阻匹配，进而控制光伏电池工作在最大功率点处。

2.根据权利要求1所述的技术，其特征在于，光伏发电系统DC/DC环节采用升压(Boost)电路。

3.根据权利要求1所述技术，其特征在于，选择基于功率预测的动态扰动观察法对光伏发电系统最大功率点进行跟踪。

4.根据权利要求3所述技术，其特征在于，采用功率预测的方法对光伏发电系统输出功率变化方向进行判断，所述方法包括：

当采样周期足够小时，可以假定一个采样周期内光照强度的变化率恒定。kT测得的功率为P(k)，之后不对电压进行扰动，而是在半个周期后(即(k+1/2)T时刻)增加一次功率采样，测得功率P(k+1/2)，利用这两个功率得到基于一个采样周期的预测功率P′(k)。之后，对电压进行扰动测得(K+1)T时刻的功率P(k+1)。P′(k)和P(k+1)可认为在同一辐照度下扰动前后的功率。

5.根据权利要求3所述技术，其特征在于，采用步长随光伏电池与最大功率点的差额变化的方法来动态的改变D，所述方法包括：

根据光伏电池的实时功率与最大功率点的差值建立函数DD＝|k(P_max-P)|，实时的改变ΔD的值，从而实时动态的调整扰动观察法的扰动步长D。