CN111694395A - 一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种基于伏安特性方程和二分法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。本发明采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值等实现方法，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；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

一种基于伏安特性方程和二分法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，具体涉及一种基于伏安特性方程和二分法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，本发明提供一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪方法。

本发明的技术方案是：

一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪系统，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。

一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪方法，采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值等实现方法，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；具体包括如下步骤：

步骤1：计算系统不变参数R_s、k₀

(1)根据包括串联电阻R_s的伏安特性曲线方程：

式中：U为电池板电压值，I为电池板电流值，T是电池板的绝对温度，I_ph为光生电流，R_s为串联电阻。

(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_max0、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)根据在最大功率点处，

令I_pv＝I_ph+I₀，

则：

其中参数

T₀为标准状态下的温度值。

(4)在标准状态下，将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，令：

联立公式(2)，推导出只有一个未知数I_pv的一维方程：

(5)上述方程中只有一个未知数I_pv＝I_ph+I₀，根据I_ph和I₀的取值范围，确定出I_pv的最大值和最小值，采用二分法求解此方程，可以得出I_pv的值。

(6)令

则可以求出：

(7)则可以求出：

步骤2：计算当前短路电流I_sc、开路电压U_oc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)代入到上述的伏安曲线方程(1)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U_pm和电流值I_pm

(1)可以推导出只有一个未知数I_pm的一维方程：

(2)根据I_sc/2<I_pm<I_sc，采用二分法求解此方程，则可以得出最大功率点电流I_pm的值，再根据公式：

则可以计算出最大功率点电压值U_pm。

步骤4：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。

有益效果：

本发明的一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪方法与现有技术相比，具有如下优势：

(1)采用的伏安特性方程中，包含了串联电阻R_s，并且计算出了串联电阻R_s的值。数值算法都采用了易于实现的二分法进行运算。

(2)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。

(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为本发明一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪系统结构示意图；

图2为本发明一种基于伏安特性方程和二分法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，一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪系统，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，一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪方法，

采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值等实现方法，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；具体包括如下步骤：

步骤1：计算不变参数R_s、k₀

(1)根据包括串联电阻R_s的伏安特性曲线方程：

式中：U为电池板电压值，I为电池板电流值，T是电池板的绝对温度，I_ph为光生电流，R_s为串联电阻。

(7)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_max0、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。

(8)根据在最大功率点处，

令I_pv＝I_ph+I₀，

则：

其中参数

T₀为标准状态下的温度值。

(9)在标准状态下，将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，令：

联立公式(2)，推导出只有一个未知数I_pv的一维方程：

(10)上述方程中只有一个未知数I_pv＝I_ph+I₀，根据I_ph和I₀的取值范围，确定出I_pv的最大值和最小值，采用二分法求解此方程，可以得出I_pv的值。

(11)令

则可以求出：

(7)则可以求出：

步骤2：计算当前短路电流I_sc、开路电压U_oc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)代入到上述的伏安曲线方程(1)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U_pm和电流值I_pm

(1)可以推导出只有一个未知数I_pm的一维方程：

(2)根据I_sc/2<I_pm<I_sc，采用二分法求解此方程，则可以得出最大功率点电流I_pm的值，再根据公式：

则可以计算出最大功率点电压值U_pm。

步骤4：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)

1.一种基于伏安特性方程和二分法的光伏最大功率点跟踪方法，利用伏安特性方程、二分法等实现，其特征在于：所述基于伏安特性方程的光伏最大功率点跟踪系统包括：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；

该方法采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值等实现方法，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；步骤如下：

步骤1：计算不变参数R_s、k₀

(1)根据包括串联电阻R_s的伏安特性曲线方程：

式中：U为电池板电压值，I为电池板电流值，T是电池板的绝对温度，I_ph为光生电流，R_s为串联电阻；

(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_max0、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)根据在最大功率点处，

令I_pv＝I_ph+I₀，

则：

其中参数

T₀为标准状态下的温度值；

(4)在标准状态下，将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，令：

联立公式(2)，推导出只有一个未知数I_pv的一维方程：

(5)上述方程中只有一个未知数I_pv＝I_ph+I₀，根据I_ph和I₀的取值范围，确定出I_pv的最大值和最小值，采用二分法求解此方程，可以得出I_pv的值，

(6)令

则可以求出：

(7)则可以求出：

步骤2：计算当前短路电流I_sc、开路电压U_oc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)代入到上述的伏安曲线方程(1)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U_pm和电流值I_pm，

(1)可以推导出只有一个未知数I_pm的一维方程：

(2)根据I_sc/2<I_pm<I_sc，采用二分法求解此方程，则可以得出最大功率点电流I_pm的值，再根据公式：

则可以计算出最大功率点电压值U_pm；

步骤4：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。

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