CN112198924B - 一种光伏电池最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏电池最大功率点跟踪方法，在开路电压比例系数法和变步长电导增量法基本原理的基础上，将开路电压比例系数法和改进的变步长电导增量法相结合，从而实现了光伏电池最大功率点的跟踪。本发明方法，包括：通过数据分析设置动态电压值V_set；当光伏电池工作点的电压小于设定的动态电压值V_set时，采用开路电压比例系数法改变占空比；当光伏电池工作点的电压大于设定的动态电压值V_set时，采用改进的变步长电导增量法追踪最大功率点MPP。本发明将开路电压比例系数法与改进的变步长电导增量法相结合，能够提高最大功率点的追踪速度，同时还能够解决传统变步长电导增量法在辐照度突变的情况下产生误判的情况，增加了系统的稳定性与效率。

Description

一种光伏电池最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及新能源应用技术领域，具体而言，尤其涉及一种光伏电池最大功率点跟踪方法。

背景技术

目前，常用的最大功率跟踪方法有爬山法，扰动观测法，电导增量法，模糊控制法等方法，其中，电导增量法跟踪准确性较高，在环境快速变化情况下具有良好的跟踪性能，因此被广泛使用。电导增量法是通过比较光伏电池阵列中瞬时导抗和导抗变化量来完成最大功率点的跟踪。

由于光伏发电系统的输出功率受温度、辐照度影响很大，传统的电导增量法很难既保证跟踪速度又减小在最大功率点(MPP)附近的振荡，如果将步长设置的比较大，那么系统跟踪MPP的速度会很快，但是在MPP附近的振荡会很大，造成不必要的功率损失；如果将步长设置的比较小，系统在MPP附近的振荡会很小但是追踪速度会比较慢，同样造成了功率损失。并且变步长电导增量法在使用时，无论辐照度变或不变都可能会产生误判，使工作点向远离最大功率点的方向移动造成资源浪费，严重时甚至会导致系统崩溃。

发明内容

本发明为了改善以

作为步长的变步长电导增量法的跟踪速度以及解决辐照度发生剧烈变化时，变步长电导增量法可能产生误判的情况，而提供一种光伏电池最大功率点跟踪方法。本发明在开路电压比例系数法和变步长电导增量法基本原理的基础上，将开路电压比例系数法和改进的变步长电导增量法相结合，从而实现了光伏电池最大功率点的跟踪。

本发明采用的技术手段如下：

一种光伏电池最大功率点跟踪方法，在开路电压比例系数法和变步长电导增量法基本原理的基础上，将开路电压比例系数法和改进的变步长电导增量法相结合，从而实现了光伏电池最大功率点的跟踪。

进一步地，光伏电池最大功率点跟踪方法包括如下步骤：

S1、通过数据分析设置动态电压值V_set；

S2、当光伏电池工作点的电压小于设定的动态电压值V_set时，采用开路电压比例系数法改变占空比；

S3、当光伏电池工作点的电压大于设定的动态电压值V_set时，采用改进的变步长电导增量法追踪最大功率点MPP。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

将

视为U-I曲线斜率明显变化，则A点电压V_A与开路电压V_oc在辐照度从600W/m²变化至1400W/m²的过程中，

的值维持在0.64-0.71之间，根据以上分析可以确定动态电压值V_set为：

V_set＝qV_oc

其中，q为系数，大小在0-1之间，平衡追踪速度与追踪精度后取值为0.6；V_oc为光伏电池的开路电压，随着温度和辐照度的变化而变化，因此，V_set也随着温度和辐照度的变化而进行动态变化。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

设Boost电路工作在稳态时，一个周期中电感积蓄的能量与释放的能量相等，则Boost电路的输入电压V_pv和输出电压V₀的关系为：

若电路中不存在功率损耗，即

则外电路的等效电阻R′_eq与负载电阻R_L的关系为:

由公式可知，只要改变Boost电路的占空比D就可以改变外电路等效电阻R′_eq；因此只要改变占空比D使R′_eq等于内阻，即可以使光伏电池工作在最大功率点。

进一步地，所述步骤S3中改进的变步长电导增量法，设定工作步长为

判断

与

的大小，同时判断V_oc与V_mpp的大小，若判断结果满足产生误判的条件，则工作点的移动方向将会与产生误判后工作点的移动方向相反，避免产生误判后工作点向远离MPP的方向移动而造成功率损失。

进一步地，所述产生误判的条件包括：

当前工作点B的电压大于V_mpp且

(即

)，将会产生的误判动作是向右移动工作点；

当前工作点B的电压小于V_mpp且

(即

)，将会产生的误判动作是向左移动工作点。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的光伏电池最大功率点跟踪方法，在开路电压比例系数法和变步长电导增量法基本原理的基础上，将开路电压比例系数法和改进的变步长电导增量法相结合，从而实现了光伏电池最大功率点的跟踪。既可以避免由于dI过小导致跟踪延迟或停滞的问题，又可以提高追踪最大功率点的速度。

2、本发明提供的光伏电池最大功率点跟踪方法，对原有的变步长电导增量法进行改进，不仅要对

与

的大小进行判断，同时还要对当前工作点的电压V_oc与V_mpp的大小关系进行判断，避免了产生误判后工作点向远离MPP的方向移动而造成功率损失。

3、本发明提供的光伏电池最大功率点跟踪方法，开路电压比例系数法与经过改进的变步长电导增量法相结合，能够提高最大功率点的追踪速度，同时还能够解决传统变步长电导增量法在辐照度突变的情况下产生误判的情况，增加了系统的稳定性与效率。

基于上述理由本发明可在新能源应用等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光伏电池等效电路图。

图2为本发明实施例提供的T＝25℃时，不同辐照度下的U-P特性曲线

图3为本发明实施例提供的S＝1000W/m²时，不同温度下的U-P特性曲线。

图4为本发明实施例提供的S＝1000W/m²时，不同温度下的U-I特性曲线。

图5为本发明实施例提供的T＝25℃时，不同辐照度下的U-I特性曲线。

图6为本发明实施例提供的MPPT控制原理图。

图7为本发明实施例提供的光伏电池带不同外电路等效电阻R_e'_q的工作点示意图

图8为本发明实施例提供的传统变步长电导增量法流程图。

图9为本发明实施例提供的光伏电池U-I特性曲线。

图10为本发明实施例提供的工作点移动导致误判的典型形式。

图11为本发明实施例提供的变步长电导增量法在发生误判时的功率、电压变化曲线。

图12为本发明实施例提供的光伏电池的U-I和U-P曲线。

图13为本发明实施例提供的改进的MPPT方法原理图。

图14为本发明实施例提供的改进方法的功率、电压曲线变化图。

图15为本发明实施例提供的改进方法与变步长电导增量法追踪速度比较。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在实际生活中，光伏电池的运行特性会随着温度以及辐照度的变化而变化。因此在工程上通常使用如下公式作为太阳能电池的数学模型：

上式中，C₁和C₂是系数，其值分别为：

其中，I_sc表示光伏电池标准工作状态下的短路电流，U_oc表示光伏电池标准工作状态下的开路电压，I_m表示光伏电池标准工作状态下的最大功率点处的电流，U_m表示光伏电池标准工作状态最大功率点处的电压，I_s′_c表示光伏电池非标准工作状态下的短路电流，U_o′_c表示光伏电池非标准工作状态下的开路电压，I′_m表示光伏电池非标准工作状态下最大功率点处的电流，U′_m表示光伏电池非标准工作状态下最大功率点处的电压，其中，非标准条件下的短路电流、开路电压、最大功率点处的电流、最大功率点处的电压。其值可以通过以下公式确定：

ΔT＝T-T_ref

ΔS＝S-S_ref

U′_oc＝U_oc(1-cΔT)ln(e+bΔS)

U′_m＝U_m(1-cΔT)ln(e+bΔS)

其中，a、b、c是补偿系数，值分别为0.0025、0.0005、0.00288。

光伏电池的性能与辐照度S、温度T有着密切的联系，经过仿真测试得到光伏电池在不同辐照度和不同温度下的U-P特性曲线、U-I特性曲线。由图2和图3中可知，在给定条件下光伏电池有且只有一个最大功率点。由图4和图5可知，当辐照度一定时，光伏电池的短路电流随着温度的上升而略微增加，开路电压随着温度的上升而略微减小。当温度一定时，光伏电池的短路电流随着辐照度的上升而增加且与辐照度成正比，开路电压随着辐照度的上升也略微增加。

光伏电池的输出功率受温度和辐照度影响很大，实际上，光伏电池的温度不会突变，而辐照度通常会由于云的遮挡迅速变化，系统工作点也随之处于剧烈的动态变化中。为了尽可能充分地利用太阳能，在光伏系统中使用最大功率点跟踪控制是非常关键且有必要的。图6是MPPT的等效电路图，将光伏阵列与Boost电路相连，负载电阻为R_L，通过改变Boost电路的占空比，使工作点向最大功率点靠近。

由图2的U-P特性曲线可知，光伏电池的U与P呈非线性关系，最大功率点处是曲线上斜率为0的点，即

由此可知：

因此，只要测得当前工作点的I、U，并判断出

与

的大小关系，就可以知道工作点在最大功率点的左侧还是右侧，从而减小或增大占空比D，使工作点向着靠近最大功率点的方向移动。传统变步长电导增量法，其中步长大小设置为

(N为常数)，可以在远离MPP时使用大步长跟踪，接近MPP时使用小步长跟踪。但是实际上，以

为步长的变步长电导增量法仍存在两个问题：

(1)在部分电压区域内dI过小，不适合用变步长电导增量法。如图9所示，在A点左侧区域的dI非常小，在这一电压范围内，光伏电池可以近似等效为一个恒流源，若在这部分区域内使用电导增量法并不会得到满意的效果，可能会导致跟踪延迟或停滞。

(2)变步长电导增量法在工作时可能产生误判。图10显示了使用变步长电导增量法时，工作点发生移动产生误判的典型情况。其中图(a)、图(b)是辐照度稳定时发生误判的形式，图(c)、图(d)则是辐照度发生突变时发生误判的形式。以上情况若按图8所展示的方法进行判断则会产生误判：

图(a)：工作点移动方向为A→B,可知

(即

)，系统将会减小占空比D，外电路等效电阻R′_eq将会增大，工作点会往右移，远离了最大功率点。

图(b)：工作点移动方向为A→B，可知

(即

)，系统将会增大占空比D，外电路等效电阻R′_eq将会减小，工作点会往左移，远离了最大功率点。

图(c)：工作点移动方向为A→B，可知

(即

)，系统将会减小占空比D，外电路等效电阻R′_eq将会增大，工作点会往右移，远离了最大功率点。

图(d)：工作点移动方向为A→B，可知

(即

)，系统将会减小占空比D，可知外电路等效电阻R′_eq将会增大，工作点会往右移，远离了最大功率点。

若误判动作过大，即

过大会导致功率和电压波动幅度较大难以快速收敛，严重时甚至会导致电压与功率崩溃。图11分别是变步长电导增量法在辐照度发生突变时产生误判时的功率与电压变化曲线，t＝1.2s时，辐照度从1000W/m²突降至600W/m²，电压与功率均不能够快速收敛，造成了功率损失(

中N取0.005)。

针对避免dI过小影响判断问题：图12的U-I曲线中dI很小的区域同时也是U-P曲线中U与P成线性关系的部分。而开路电压系数法可以线性地改变占空比，快速地到达最大功率点附近，因此将U-I曲线中斜率有明显变化处设为A点，在A点左侧使用开路电压比例系数法，这样既可以避免由于dI过小导致跟踪延迟或停滞的问题，又可以提高追踪最大功率点的速度。

为了解决dI过小影响系统判断的问题，考虑使用开路电压比例系数法在dI过小的区域进行最大功率点跟踪。光伏系统最大功率点处的电压U_mpp与光伏系统的开路电压U_oc有着如下的关系

V_mpp≈kV_oc

其中，k是比例系数，其值一般在0.71-0.86之间，因此只要确定k的值，就可以确定V_mpp的值。只要让输出电压维持在V_mpp附近，就近似实现了最大功率跟踪。开路电压比例系数法结构简单，控制的变量较少，追踪速度比较快。但开路电压比例系数法并不是真正意义上地追踪最大功率点，它不仅忽略了温度、辐照度的改变对光伏板工作性能的影响，也忽略了光伏电池板老化后开路电压会改变的问题。因此单独使用这种方法会造成大量的功率损耗，追踪效果并不好，所以很少单独使用开路电压比例系数法进行最大功率跟踪。

基于上述缺陷，本发明提供了一种光伏电池最大功率点跟踪方法，在开路电压比例系数法和变步长电导增量法基本原理的基础上，将开路电压比例系数法和改进的变步长电导增量法相结合，从而实现了光伏电池最大功率点的跟踪。如图13所示，为改进的MPPT方法原理图。

本发明方法包括如下步骤：

S1、通过数据分析设置动态电压值V_set；

具体实施时，将

视为U-I曲线斜率明显变化，则A点电压V_A与开路电压V_oc在辐照度从600W/m²变化至1400W/m²的过程中，

的值维持在0.64-0.71之间，根据以上分析可以确定动态电压值V_set为：

V_set＝qV_oc

其中，q为系数，大小在0-1之间，平衡追踪速度与追踪精度后取值为0.6；V_oc为光伏电池的开路电压，随着温度和辐照度的变化而变化，因此，V_set也随着温度和辐照度的变化而进行动态变化。

S2、当光伏电池工作点的电压小于设定的动态电压值V_set时，采用开路电压比例系数法改变占空比；

具体实施时，若将光伏阵列看作电源，则根据直流电路最大功率传输定理可知，当外电路负载等效电阻R′_eq与光伏阵列内阻R_eq大小相等时，负载可获得最大的功率。设Boost电路工作在稳态时，一个周期中电感积蓄的能量与释放的能量相等，则Boost电路的输入电压V_pv和输出电压V₀的关系为：

若电路中不存在功率损耗，即

则外电路的等效电阻R′_eq与负载电阻R_L的关系为:

由公式可知，只要改变Boost电路的占空比D就可以改变外电路等效电阻R′_eq；因此只要改变占空比D使R′_eq等于内阻，即可以使光伏电池工作在最大功率点。

S3、当光伏电池工作点的电压大于设定的动态电压值V_set时，采用改进的变步长电导增量法追踪最大功率点MPP。

具体实施时，设定工作步长为

判断

与

的大小，同时判断V_oc与V_mpp的大小，若判断结果满足产生误判的条件，则工作点的移动方向将会与产生误判后工作点的移动方向相反，避免产生误判后工作点向远离MPP的方向移动而造成功率损失。

针对避免误判问题：变步长电导增量法产生误判时，工作点电压V与最大功率点处电压V_mpp与产生的误判动作有着如下关系：

当前工作点B的电压大于V_mpp且

(即

)，将会产生的误判动作是向右移动工作点；

当前工作点B的电压小于V_mpp且

(即

)，将会产生的误判动作是向左移动工作点。

因此，为了避免误判的产生，需要对原有的变步长电导增量法进行改进，不仅要对

与

的大小进行判断，同时还要对当前工作点的电压V与V_mpp的大小关系进行判断，若判断结果满足产生误判的条件，则接下来的工作点的移动方向将会与产生误判后工作点的移动方向相反。这样避免了产生误判后工作点向远离MPP的方向移动而造成功率损失。如图14所示，在同样的工作条件下，改进的变步长电导增量法能够避免误判的发生，功率和电压很快就能够收敛。图15是本发明提出的混合方法与传统变步长电导增量法的追踪速度比较示意图。可以看到由于使用了开路电压法，跟踪速度明显加快了。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种光伏电池最大功率点跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过数据分析设置动态电压值V_set；

S2、当光伏电池工作点的电压小于设定的动态电压值V_set时，采用开路电压比例系数法改变占空比；

所述步骤S2具体包括：

设Boost电路工作在稳态时，一个周期中电感积蓄的能量与释放的能量相等，则Boost电路的输入电压V_pv和输出电压V₀的关系为：

若电路中不存在功率损耗，即

则外电路的等效电阻R′_eq与负载电阻R_L的关系为:

由公式可知，只要改变Boost电路的占空比D就可以改变外电路等效电阻R′_eq；因此只要改变占空比D使R′_eq等于内阻，即可以使光伏电池工作在最大功率点；

S3、当光伏电池工作点的电压大于设定的动态电压值V_set时，采用改进的变步长电导增量法追踪最大功率点；

所述步骤S3中改进的变步长电导增量法，设定工作步长为

(N＝0.005)，判断

与

的大小，同时判断V_oc与V_mpp的大小，若判断结果满足产生误判的条件，则工作点的移动方向将会与产生误判后工作点的移动方向相反，避免产生误判后工作点向远离MPP的方向移动而造成功率损失；

所述产生误判的条件包括：

当前工作点B的电压大于V_mpp且

(即

将会产生的误判动作是向右移动工作点；

当前工作点B的电压小于V_mpp且

(即

将会产生的误判动作是向左移动工作点。

2.根据权利要求1所述的光伏电池最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

将

视为U-I曲线斜率明显变化，则A点电压V_A与开路电压V_oc在辐照度从600W/m²变化至1400W/m²的过程中，

的值维持在0.64-0.71之间，根据以上分析可以确定动态电压值V_set为：

V_set＝qV_oc

其中，q为系数，大小在0-1之间，平衡追踪速度与追踪精度后取值为0.6；V_oc为光伏电池的开路电压，随着温度和辐照度的变化而变化，因此，V_set也随着温度和辐照度的变化而进行动态变化。

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