CN111198592A - 一种光伏最大功率点跟踪方法及装置 - Google Patents

一种光伏最大功率点跟踪方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏最大功率点跟踪方法及装置，包括：采集光伏发电板第一输出电压Ua和第一输出电流Ia，计算第一输出电压Ua对应的功率Pa；在第一输出电压Ua的基础上增大电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第二输出电压Uc和第二输出电流Ic，计算第二输出电压Uc对应的功率Pc；在第一输出电压Ua的基础上减小电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第三输出电压Ub和第三输出电流Ib，计算第三输出电压Ub对应的功率Pb；若满足Pa<Pb且Pa<Pc，或满足Pa≥Pb且Pa≥Pc，判断是否满足(Pa+Pc)/2‑Pb>ε，其中ε为差值设定阈值；若满足(Pa+Pc)/2‑Pb>ε，则控制电压在第一输出电压的基础上增大第一设定值，并重复上述步骤。本发明可以消除光照变化的影响，取得较高的动态跟踪效率。

Description

一种光伏最大功率点跟踪方法及装置
技术领域
本发明涉及一种光伏最大功率点跟踪方法及装置，属于光伏发电技术领域。
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。光伏电池板的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，在不同光照强度下的光伏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。
扰动观察法是最常用的最大功率点跟踪方法，它采用逐点检测光伏阵列的当前输出电压U1与电流值I1，将计算出的当前功率P1与系统前一时刻存储的功率值P相比较，根据比较结果确定参考电压的调整方向。具体的调整方案为：令ΔP＝P1－P为当前输出功率与前一次功率之差，如果：(1)ΔP＞0，即输出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，如图2所示；(2)ΔP＜0，即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，如图3所示。
扰动观察法在日照强度发生快速变化时，参考电压的调整方向有可能发生错误，造成系统误判。如图4所示，假设初始时有云层遮挡，日照强度为200W/m2，系统工作点U2在U′m右侧，对应功率为P2′＜Pm′ax，系统判断电压应减小扰动量ΔU，此时有：U1＝U2-ΔU。就在此时云层离开，光照急剧增加到1000W/m2，而在该条件下，U1对应的输出功率P1>P2′，这就变成系统在向功率减少的方向调整，系统出现误判。由于扰动观察法在光照快速变化时会出现电压跟偏的情况，因此其动态跟踪效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏最大功率点跟踪方法及装置，用于解决现有的扰动观察法在光照快速变化时会出现电压跟偏导致其动态跟踪效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏最大功率点跟踪方法，步骤如下：
采集光伏发电板第一输出电压Ua和第一输出电流Ia，计算第一输出电压Ua对应的第一输出功率Pa；
在第一输出电压Ua的基础上增大电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第二输出电压Uc和第二输出电流Ic，计算第二输出电压Uc对应的第二输出功率Pc；
在第一输出电压Ua的基础上减小电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第三输出电压Ub和第三输出电流Ib，计算第三输出电压Ub对应的第三输出功率Pb；
若满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc，判断是否满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，其中ε为差值设定阈值；
若满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，则控制电压在第一输出电压的基础上增大第一设定值，并重复上述步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种光伏最大功率点跟踪装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：
采集光伏发电板第一输出电压Ua和第一输出电流Ia，计算第一输出电压Ua对应的第一输出功率Pa；
在第一输出电压Ua的基础上增大电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第二输出电压Uc和第二输出电流Ic，计算第二输出电压Uc对应的第二输出功率Pc；
在第一输出电压Ua的基础上减小电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第三输出电压Ub和第三输出电流Ib，计算第三输出电压Ub对应的第三输出功率Pb；
若满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc，判断是否满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，其中ε为差值设定阈值；
若满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，则控制电压在第一输出电压的基础上增大第一设定值，并重复上述步骤。
本发明的有益效果是：通过采用三点功率对比，当光照发生变化时，会出现中间点功率大于两侧功率或中间点功率小于两侧功率的情况，当光照变化较大时，若满足两个较大电压对应的功率的平均值与较小电压对应的功率的差值大于设置定，则认为两个较大电压的均值对应的功率和较小电压对应的功率位于同一光照曲线上，控制电压往电压增大的方向跟踪，避免了电压跟偏的情况，有较高的动态跟踪效率。
作为方法和装置的进一步改进，为了提高电压跟踪的准确性，还包括：
在满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc的情况下，判断是否满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε；
若满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上减小第一设定值，并重复上述步骤。
作为方法和装置的进一步改进，为了提高电压跟踪的准确性，还包括：
在满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc的情况下，若不满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε且不满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε，则控制电压不变，并重复上述步骤。
作为方法和装置的进一步改进，为了提高电压跟踪的准确性，还包括：
若满足Pa<Pb且Pa≥Pc，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上减小第二设定值；若满足Pa≥Pb且Pa<Pc，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上增大第二设定值。
作为方法和装置的进一步改进，为了提高电压跟踪的准确性，所述第一设定值为第二设定值的1/3～1/2，第二设定值的取值范围为0.5～6V。
附图说明
图1是现有技术不同光照强度下光伏P-V特性曲线示意图；
图2是现有技术扰动观测法在参考电压调整方向正确时的示意图；
图3是现有技术扰动观测法在参考电压调整方向不正确时的示意图；
图4是现有技术扰动观测法出现误判的示意图；
图5是本发明光伏最大功率点跟踪方法的流程图；
图6是本发明光伏最大功率点跟踪方法的跟踪示意图；
图7是本发明测试动态效率使用的光照变化曲线；
图8是本发明动态效率测试得到的最大功率点电压跟踪图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
光伏最大功率点跟踪方法实施例：
本实施例提供了一种光伏最大功率点跟踪方法，通过对a、b、c三点进行比较，当光照不变时，电压参考值会向功率增大方向变化，最终找到最大功率点；当光照变化时，会出现中间点(a点)功率大于两侧功率或中间点(a点)功率小于两侧功率的情况，此时计算a点和c点的功率平均值对应的m点，并将m点功率与b点功率进行比较。当光照快速变化时，m点可以近似认为与b点落在同一光照曲线上，进而确定电压参考值的调整方向，可以消除光照变化的影响，取得较高的动态跟踪效率。
具体的，该光伏最大功率点跟踪方法的流程图如图5所示，包括以下步骤：
(1)初始化电压参考值、电压扰动量ΔU和参数M。
其中，电压参考值的初始取值范围为0.75～0.85倍开路电压，电压扰动量ΔU的初始取值范围为0.5～6V。在本实施例中，将电压参考值初始化为0.8倍开路电压，将电压扰动量ΔU初始化为4V，将参数M初始化为0。
(2)延时设定时间T，采样光伏发电板a点的第一输出电压Ua和第一输出电流Ia，计算第一输出功率Pa＝Ua*Ia，电压参考值给定为(Ua+ΔU)。
其中，设定时间的取值范围为0.1～2s，在本实施例中，设定时间T为0.4s。
(3)延时设定时间T，采样光伏发电板c点的第二输出电压Uc和第二输出电流Ic，计算第二输出功率Pc＝Uc*Ic，电压参考值给定为(Ua-ΔU)。
(4)延时设定时间T，采样光伏发电板b点的第三输出电压Ub和第三输出电流Ib，计算第三输出功率Pb＝Ub*Ib。
(5)根据Pa、Pb和Pc之间的大小关系，分情况求取电压参考值，具体包括以下步骤：
5.1)判断是否满足Pa≥Pb，若满足，则M减1；反之M加1；判断是否满足Pa≥Pc，若满足，则M加1，反之M减1。
5.2)根据参数M的大小，此时分为三种情况：
情况1：若M＝2，则电压扰动量ΔU＝dU1，电压参考值给定为Ub，跳转至步骤(2)。
通过将电压参考值给定为Ub，可以使电压向电压减小的方向跟踪。
情况2：若M＝-2，则电压扰动量ΔU＝dU1，电压参考值给定为Uc，跳转至步骤(2)。
通过将电压参考值给定为Uc，可以使电压向电压增大的方向跟踪。
情况3：若M＝0，则计算Pm＝(Pa+Pc)/2；若满足Pm-Pb>ε，则电压扰动量ΔU＝dU2，电压参考值给定为Uc，使得电压向Uc的方向追踪，跳转至步骤(2)；若满足Pm-Pb<-ε，则电压扰动量ΔU＝dU2，电压参考值给定为Ub，使得电压向Ub的方向追踪，跳转至步骤(2)；否则，电压扰动量ΔU＝dU2，电压参考值给定为Ua，即控制电压不变，跳转至步骤(2)。
其中，ε为差值设定阈值，ε的取值范围为0.01～0.1，dU1为第二设置值，dU1的取值范围为0.5～6V，dU2为第一设置值，dU2的取值范围为k*dU1，k＝1/3～1/2。在本实施例中，ε取值为0.02，dU1的值为3V，dU2取值为1.5V。
也就是，在满足M＝0且Pm-Pb>ε的情况下，通过将电压参考值给定设置为Uc，此时在第一输出电压Ua的基础上增大了电压扰动量ΔU＝dU2，使得电压向第二输出电压Uc的方向追踪；在满足M＝0且Pm-Pb<-ε的情况下，通过将电压参考值给定设置为Ub，此时在第一输出电压Ua的基础上减小了电压扰动量ΔU＝dU2，使得电压向第三输出电压Ub的方向追踪；在满足M＝0、不满足Pm-Pb>ε且不满足Pm-Pb<-ε的情况下，通过将电压参考值设定为第一输出电压Ua，控制电压保持为当前的第一输出电压Ua。
如图6所示，由下往上分别给出了日照强度为600W/m2、700W/m2、800W/m2和1000W/m2的光伏P-V特性曲线图。其中，假设日照强度恒等于1000W/m2，此时系统电压位于A(1)点，根据本发明提出的方法分别将参考电压给定为(Ua+ΔU)和(Ua-ΔU)，分别采样得到A(1)、B(1)、C(1)三点的功率PA(1)、PB(1)、PC(1)，由图中关系可知PA(1)>PB(1)，且PA(1)<PC(1)，根据本发明提出的方法可知此时M＝-2，电压参考值为Uc，电压参考值向右移，向图中日照强度为1000W/m2的最大功率点移动，移动后系统电压位于B(′1)点。考虑光照突变的情况，假设初始日照强度等于800W/m2，此时系统电压位于A(2)点，下一时刻日照强度变化为700W/m2，此时系统电压位于B(2)点，再下一时刻日照强度变化为600W/m2，此时电压位于C(2)点，由图中关系可知PA(2)>PB(2)，且PA(2)>PC(2)，根据本发明提出的方法可知此时M＝0，此时需要计算Pm的值，由图中可知Pm的值与B′(2)对应的功率值相同，显然(Pm-Pb)<-ε，此时电压参考值应为Ub，电压参考值向左移，向图中最大功率点移动。
上述的光伏最大功率点跟踪方法通过采集a、b、c三点的输出电压和电流，计算出三点的功率，通过判断三点功率之间的大小关系来计算参数M。当参数M＝2时，向电压减小的方向跟踪；当M＝-2时，向电压增大的方向跟踪；若M既不等于2也不等于-2，也就是M＝0时，则计算a点和c点的中心点m的功率值，通过比较m点和b点的功率大小来判断跟踪方向。当光照快速变化时，可以认为m点与b点落在同一光照曲线上，因此该光伏最大功率点跟踪方法可以消除光照变化的影响，避免了电压跟偏的情况，有较高的动态跟踪效率。
为了验证上述光伏最大功率点跟踪方法的动态跟踪效果，使用图7中的光照曲线进行动态效率测试。其中，如图7所示，光照强度变化范围为100W/m2到500W/m2，光照连续变化，上升段变化斜率为1W/m2s，上升时间为400s，到达500W/m2时停留10s；下降段变化斜率为-1W/m2s，下降时间为400s，到达100W/m2时停留10s。使用上述光伏最大功率点跟踪方法进行动态效率实验，对最大功率点电压的追踪效果如图8所示，其中，光滑曲线表示的是最大功率点电压理论值，不光滑曲线表示的是最大功率点电压实际值。由图8可知，最大功率点电压实际值能紧密跟踪理论值，实测动态效率达到99％以上。由上述的实验结果证明，上述光伏最大功率点跟踪方法具有很好的动态跟踪效果，有效解决了在光照快速变化时电压容易跟偏、动态跟踪效率较低的问题。
光伏最大功率点跟踪装置实施例：
本实施例提供了一种光伏最大功率点跟踪装置，包括处理器和存储器，处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述的光伏最大功率点跟踪方法。对于本领域的技术人员来讲，可以根据上述的光伏最大功率点跟踪方法，生成对应的指令，以得到光伏最大功率点跟踪装置，此处不再赘述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏最大功率点跟踪方法，其特征在于，步骤如下：
采集光伏发电板第一输出电压Ua和第一输出电流Ia，计算第一输出电压Ua对应的第一输出功率Pa；
在第一输出电压Ua的基础上增大电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第二输出电压Uc和第二输出电流Ic，计算第二输出电压Uc对应的第二输出功率Pc；
在第一输出电压Ua的基础上减小电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第三输出电压Ub和第三输出电流Ib，计算第三输出电压Ub对应的第三输出功率Pb；
若满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc，判断是否满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，其中ε为差值设定阈值；
若满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，则控制电压在第一输出电压的基础上增大第一设定值，并重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的光伏最大功率点跟踪方法，其特征在于，还包括：
在满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc的情况下，判断是否满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε；
若满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上减小第一设定值，并重复上述步骤。
3.根据权利要求2所述的光伏最大功率点跟踪方法，其特征在于，还包括：
在满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc的情况下，若不满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε且不满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε，则控制电压不变，并重复上述步骤。
4.根据权利要求3所述的光伏最大功率点跟踪方法，其特征在于，还包括：
若满足Pa<Pb且Pa≥Pc，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上减小第二设定值；若满足Pa≥Pb且Pa<Pc，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上增大第二设定值。
5.根据权利要求4所述的光伏最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述第一设定值为第二设定值的1/3～1/2，第二设定值的取值范围为0.5～6V。
6.一种光伏最大功率点跟踪装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：
采集光伏发电板第一输出电压Ua和第一输出电流Ia，计算第一输出电压Ua对应的第一输出功率Pa；
在第一输出电压Ua的基础上增大电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第二输出电压Uc和第二输出电流Ic，计算第二输出电压Uc对应的第二输出功率Pc；
在第一输出电压Ua的基础上减小电压扰动ΔU，延时设定时间T，采集光伏发电板第三输出电压Ub和第三输出电流Ib，计算第三输出电压Ub对应的第三输出功率Pb；
若满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc，判断是否满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，其中ε为差值设定阈值；
若满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε，则控制电压在第一输出电压的基础上增大第一设定值，并重复上述步骤。
7.根据权利要求6所述的光伏最大功率点跟踪装置，其特征在于，还包括：
在满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc的情况下，判断是否满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε；
若满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上减小第一设定值，并重复上述步骤。
8.根据权利要求7所述的光伏最大功率点跟踪装置，其特征在于，还包括：
在满足Pa<Pb且Pa<Pc，或者满足Pa≥Pb且Pa≥Pc的情况下，若不满足(Pa+Pc)/2-Pb>ε且不满足(Pa+Pc)/2-Pb<-ε，则控制电压不变，并重复上述步骤。
9.根据权利要求8所述的光伏最大功率点跟踪装置，其特征在于，还包括：
若满足Pa<Pb且Pa≥Pc，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上减小第二设定值；若满足Pa≥Pb且Pa<Pc，则控制电压在第一输出电压Ua的基础上增大第二设定值。
10.根据权利要求9所述的光伏最大功率点跟踪装置，其特征在于，所述第一设定值为第二设定值的1/3～1/2，第二设定值的取值范围为0.5～6V。
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