CN111679713B - 一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法，属于太阳能光伏发电技术领域,采用包括光伏阵列、采样模块、MPPT计算模块、PWM驱动模块、Boost升压模块以及负载/逆变器模块的实现系统；方法包括：采样模块采集当前光伏阵列的输出电流和输出电压值，MPPT计算模块以及PWM驱动模块计算最大功率点电压值，并且控制Boost升压模块，使系统输出功率达到最大。本发明以理想的伏安特性公式作为计算的理论依据，通过电池板在标准状态下的参数值，推算出决定伏安特性曲线形状的变化参数；只需要两次采集电压和电流值，就可以得出当前的短路电流、开路电压和温度的值；通过建立计算最大功率点电压值的经典方程，结合二分法或遗传算法等数值算法，可以直接计算出当前最大功率点的电压值；解决了传统方法扰动过程中的误判、功率损失、以及系统的振荡等问题。

Description

一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法。

背景技术

目前，由于太阳能光伏产品转换效率低并且成本高，因此没有得到广泛的普及和应用。最大功率点跟踪(MPPT)技术是提高光伏发电效率的有效途径，常用的MPPT方法可以分为以下三类：扰动增量法、智能增量法、求导dp/de法。扰动增量法是指通过不断采样，逐步接近最大功率的方法，此方法的优点在于算法简单，缺点是初值以及步长的选取对跟踪精度和速度有较大的影响，不能适应日照量的急剧变化，且有可能在阵列最大功率点附近振荡，导致部分功率损失，有时还会发生程序控制在运行中的失序，出现误判现象；智能增量法包括模糊控制法神经网络控制法等，模糊控制法对日照变化和导通率之间建立了模糊规则，改善日照变化对系统的影响，优点在于当日照量急剧变化时，也能找到最大功率点，缺点是不断地采样过程仍然会引起系统的振荡现象，神经网络控制法需要提取大量的样本，还不能达到实际应用过程；求导dp/de法是目前比较常用的方法，通过计算功率与电压的导数以及管子在导通和关闭时的各个参数关系，调节导通率的大小，当功率对电压的导数为零时即可达到最大功率，此方法的优点是在最大功率点附近的波动较小，能达到较高的精度，缺点是算法复杂，需要确定的参数较多，参数值较难确定。如申请号201810962534.0、201811264386.1、201711114897.0、201811385329.9、201811275222.9等的专利技术申请所公开的内容。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法。

本发明的技术方案是：

1、一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法，其特征在于包括：光伏阵列、采样模块、MPPT计算模块、PWM驱动模块、Boost升压模块以及负载/逆变器模块；所述采样模块的输入端与所述光伏阵列输出端连接，所述采样模块的输出端与所述MPPT计算模块输入端连接，所述MPPT计算模块输出端与所述PWM驱动模块输入端连接，所述PWM驱动模块输出端与所述Boost升压模块输入端连接，所述Boost升压模块输出端与所述负载/逆变器模块输入端连接；

所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块和电流采样模块分别与所述光伏阵列输出端连接，用于实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流，并发送给MPPT计算模块；

所述Boost升压模块包括MOSFET开关管，所述MOSFET开关管的输入端与所述PWM驱动模块的输出端连接；

该方法具体包括如下步骤：

步骤1：计算理想的伏安特性方程中参数I₀、

的值

(1)根据理想的伏安曲线方程：

式中，I_sc为太阳能电池的短路电流，T是电池板的绝对温度，u为电池板电压值，i为电池板电流值，I₀和

为需要计算的参数；

(2)电池板的系统标定值：在标准日照和温度的条件下，最大输出功率P_max、最大工作电压U_pm0、最大工作电流I_pm0、开路电压U_oc0、短路电流I_sc0的值；

(3)将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I₀的一维方程，采用二分法或遗传算法求解出I₀的值，从而计算出参数

的值。

步骤2：计算当前短路电流、开路电压和温度值

(1)根据所述采样模块检测当前的电流和电压值，得出电压值u₁，电流值i₁；改变所述PWM驱动模块占空比的值，根据所述采样模块再次检测电流和电压值，得出电压值u₂，电流值i₂；上述检测过程需要在极短的时间内完成，将得出的电流和电压值送入所述MPPT计算模块；

(2)将(1)中得出的值代入到步骤1中的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I_sc的一维方程，采用二分法或遗传算法求解出I_sc的值，从而得出当前温度T以及开路电压U_oc的值。

步骤3：计算最大功率点电压值的经典方程：

如果令功率对电压的导数值等于零，以及令

则可以得出计算最大功率点电压值的经典方程：

步骤4：采用二分法或遗传算法求出经典方程中y的值：

(1)采用二分法计算y的值

根据上述的经典方程得出模型：

上述模型可以通过二分法计算出y的值。

(2)采用遗传算法计算y的值

建立优化模型：

将其作为遗传运算的目标函数，采用遗传算法求解此优化模型，从而计算出y的值。

最后通过步骤3中的公式

可以从y值求解出电压u的值，即为最大功率点电压u_pm的值。

步骤5：将计算得出的最大功率点电压值u_pm赋值给所述PWM驱动模块。

有益效果：

本发明的一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法以现有技术相比，具有如下优势：

(1)只需要检测两次电流和电压值，不需要检测温度和照度值，就可以通过计算得出系统当前的所有参数值，以及最大功率点电压值；而各种扰动法则需要多次检测电流和电压值，寻找最大功率点。

(2)推导出了计算最大功率点的经典方程y·e^y＝K，形式简单，易于计算，只要计算出参数y的值即可以得出最大功率点的电压值。

(3)系统稳定性好，避免了扰动过程中的误判、功率损失、以及系统的振荡等问题，计算速度快，计算精度高。

附图说明

图1为本发明一种直接计算的光伏最大功率点跟踪系统结构示意图；

图2为本发明一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

实施实例1

如图1所示，一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法，包括：光伏阵列、采样模块、MPPT计算模块、PWM驱动模块、Boost升压模块以及负载/逆变器模块；所述采样模块的输入端与所述光伏阵列输出端连接，所述采样模块的输出端与所述MPPT计算模块输入端连接，所述MPPT计算模块输出端与所述PWM驱动模块输入端连接，所述PWM驱动模块输出端与所述Boost升压模块输入端连接，所述Boost升压模块输出端与所述负载/逆变器模块输入端连接。

所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块和电流采样模块分别与所述光伏阵列输出端连接，用于实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流，并发送给MPPT计算模块。

所述Boost升压模块包括MOSFET开关管，所述MOSFET开关管的输入端与所述PWM驱动模块的输出端连接。

如图2所示，采用直接计算的光伏最大功率点跟踪系统的一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法，采用以伏安特性公式作为计算的理论依据，通过电池板在标准状态下的参数值，推算出决定伏安特性曲线形状的变化参数；在同一个最大功率点计算周期内，只需要两次采样电压和电流值，就可以得出当前的短路电流、开路电压和温度的值；通过建立计算最大功率点电压值的计算方程，结合二分法，可以直接计算出当前最大功率点的电压值；具体包括如下步骤：

步骤1：计算伏安特性简化方程中参数I₀、

的值

(1)根据简化的伏安曲线方程：

式中，I_sc为太阳能电池的短路电流，T是电池板的绝对温度，u为电池板电压值，i为电池板电流值。

(2)电池板的系统标定值：在标准日照和温度的条件下，最大输出功率P_max、最大工作电压U_pm、最大工作电流I_pm、开路电压U_oc、短路电流I_sc的值，

(3)将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I₀的一维方程，采用二分法求解出I₀的值，从而计算出参数

的值。

步骤2：计算当前短路电流、开路电压和温度值

(1)根据所述采样模块检测当前的电流和电压值，得出电压值u₁，电流值i₁；改变所述PWM驱动模块占空比的值，根据所述采样模块再次检测电流和电压值，得出电压值u₂，电流值i₂；上述检测过程需要在极短的时间内完成，将得出的电流和电压值送入所述MPPT计算模块；

(2)将(1)中得出的值代入到步骤1中的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I_sc的一维方程，采用二分法求解出I_sc的值，从而得出当前温度T以及开路电压U_oc的值。

步骤3：计算最大功率点电压值的经典方程

如果令功率对电压的导数值等于零，以及令

则可以得出计算最大功率点电压值的经典方程：

步骤4：采用二分法求出经典方程中y的值

采用二分法计算y的值

根据上述的经典方程得出模型：

上述模型通过二分法计算出y的值。

最后通过步骤3中的公式

可以从y值求解出电压u的值，即为最大功率点电压u_pm的值。

步骤5：将计算得出的最大功率点电压值u_pm转换成相应占空比的值，赋值给所述PWM驱动模块。

实施实例2

如图1、图2所示，从具体实现步骤开始与实施实例1不同，其它同实施实例1，具体如下：

步骤1：计算伏安特性简化方程中参数I₀、

的值

(1)根据简化的伏安曲线方程：

式中，I_sc为太阳能电池的短路电流，T是电池板的绝对温度，u为电池板电压值，i为电池板电流值。

(2)电池板的系统标定值：在标准日照和温度的条件下，最大输出功率P_max、最大工作电压U_pm、最大工作电流I_pm、开路电压U_oc、短路电流I_sc的值，

(3)将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I₀的一维方程，采用遗传算法求解出I₀的值，从而计算出参数

的值。

步骤2：计算当前短路电流、开路电压和温度值

(1)根据所述采样模块检测当前的电流和电压值，得出电压值u₁，电流值i₁；改变所述PWM驱动模块占空比的值，根据所述采样模块再次检测电流和电压值，得出电压值u₂，电流值i₂；上述检测过程需要在极短的时间内完成，将得出的电流和电压值送入所述MPPT计算模块；

(2)将(1)中得出的值代入到步骤1中的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I_sc的一维方程，采用遗传算法求解出I_sc的值，从而得出当前温度T以及开路电压U_oc的值。

步骤3：计算最大功率点电压值的经典方程

如果令功率对电压的导数值等于零，以及令

则可以得出计算最大功率点电压值的经典方程：

步骤4：采用遗传算法求出经典方程中y的值

采用遗传算法计算y的值

建立优化模型：

将其作为遗传运算的目标函数，采用遗传算法求解此优化模型，从而计算出y的值。

最后通过步骤3中的公式

可以从y值求解出电压u的值，即为最大功率点电压u_pm的值。

步骤5：将计算得出的最大功率点电压值u_pm转换成相应占空比的值，赋值给所述PWM驱动模块。

Claims (1)

1.一种直接计算的光伏最大功率点跟踪方法，其特征在于包括：光伏阵列、采样模块、MPPT计算模块、PWM驱动模块、Boost升压模块以及负载/逆变器模块；所述采样模块的输入端与所述光伏阵列输出端连接，所述采样模块的输出端与所述MPPT计算模块输入端连接，所述MPPT计算模块输出端与所述PWM驱动模块输入端连接，所述PWM驱动模块输出端与所述Boost升压模块输入端连接，所述Boost升压模块输出端与所述负载/逆变器模块输入端连接；

所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块和电流采样模块分别与所述光伏阵列输出端连接，用于实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流，并发送给MPPT计算模块；

所述Boost升压模块包括MOSFET开关管，所述MOSFET开关管的输入端与所述PWM驱动模块的输出端连接；

该方法具体包括如下步骤：

步骤1：计算理想的伏安特性方程中参数I₀、

的值

(1)根据理想的伏安曲线方程：

式中，I_sc为太阳能电池的短路电流，T是电池板的绝对温度，u为电池板电压值，i为电池板电流值，I₀和

为需要计算的参数；

(2)电池板的系统标定值：在标准日照和温度的条件下，最大输出功率P_max、最大工作电压U_pm0、最大工作电流I_pm0、开路电压U_oc0、短路电流I_sc0的值；

(3)将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I₀的一维方程，采用二分法或遗传算法求解出I₀的值，从而计算出参数

的值；

步骤2：计算当前短路电流、开路电压和温度值

(1)根据所述采样模块检测当前的电流和电压值，得出电压值u₁，电流值i₁；改变所述PWM驱动模块占空比的值，根据所述采样模块再次检测电流和电压值，得出电压值u₂，电流值i₂；上述检测过程需要在极短的时间内完成，将得出的电流和电压值送入所述MPPT计算模块；

(2)将(1)中得出的值代入到步骤1中的伏安曲线方程中，推导出只有一个未知数I_sc的一维方程，采用二分法或遗传算法求解出I_sc的值，从而得出当前温度T以及开路电压U_oc的值；

步骤3：计算最大功率点电压值的经典方程：

如果令功率对电压的导数值等于零，以及令

则可以得出计算最大功率点电压值的经典方程：

步骤4：采用二分法或遗传算法求出经典方程中y的值：

(1)采用二分法计算y的值

根据上述的经典方程得出模型：

上述模型可以通过二分法计算出y的值；

(2)采用遗传算法计算y的值

建立优化模型：

将其作为遗传运算的目标函数，采用遗传算法求解此优化模型，从而计算出y的值；

最后通过步骤3中的公式

可以从y值求解出电压u的值，即为最大功率点电压u_pm的值；

步骤5：将计算得出的最大功率点电压值u_pm赋值给所述PWM驱动模块。

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