CN113687684B - 引入改进步长因子的光伏mppt控制方法、系统、介质及设备 - Google Patents

引入改进步长因子的光伏mppt控制方法、系统、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法、系统、介质及设备，包括：步骤S1：在光伏电池MPPT控制中，根据扰动观察法原理和光伏电池的功率‑电压特性，引入步长因子；步骤S2：基于引入的步长因子，并根据扰动前后功率差值和扰动前后的电压差值确定继续扰动的方向，得到改进后的光伏电池MPPT控制，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度。本发明引入步长因子，利用它来调节扰动的步长，从而可以动态地调节MPPT的步长，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度。

Description

引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法、系统、介质及设备
技术领域
本发明涉及工业技术领域，具体地，涉及引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法及系统，更为具体地，涉及引入改进步长因子的光伏MPPT控制策略。
背景技术
目前，光伏发电单元的MPPT控制使用最广泛的是扰动观察法，该方法又称为爬山搜索法，分为电压型、电流型，其中电压型较为常见。在使用扰动观察法时，给电压一个正的扰动量ΔU，计算光伏电池输出功率P，如果输出功率增加，则说明扰动方向正确；反之，扰动方向相反。但传统的方法采用固定步长，步长的选择对扰动效果的影响较大。当扰动步长过大时，虽然跟踪速度快，但是不够精准，而且系统容易发生振荡；而扰动步长选的过小时，虽然会比较精准，但是跟踪速度较慢，一旦外界环境变化较快时达不到很好的跟踪效果，如何能够确定合适的步长既能快速跟踪，也能达到较好的跟踪效果，是一个重要的课题。
现有技术当扰动步长过大时，虽然跟踪速度快，但是不够精准，而且系统容易发生振荡；而扰动步长选的过小时，虽然会比较精准，但是跟踪速度较慢。
本发明将目前MPPT控制方法需要确定合适的步长，从而能够取得合适的跟踪速度和跟踪精度。
专利文献CN110362146A(申请号：201910614450.2)公开了一种基于变步长扰动观察法的自适应MPPT控制策略，属于光伏发电领域。本发明基于传统扰动观察法的研究基础上，在引入自适应变步长因子，进而自适应地改变扰动步长的大小，使扰动步长可根据光伏发电系统的工作点距离最大功率点的远近自适应的调节大小，从而提高了传统扰动观察法的动态性能，且避免了系统出现误判现象。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法、系统、介质及设备。
根据本发明提供的一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在光伏电池MPPT控制中，根据扰动观察法原理和光伏电池的功率-电压特性，引入步长因子；
步骤S2：基于引入的步长因子，并根据扰动前后功率差值和扰动前后的电压差值确定继续扰动的方向，得到改进后的光伏电池MPPT控制，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度。
优选地，所述步骤S1包括：
Figure BDA0003159077630000021
其中，△p表示扰动前后功率差值；e表示自然常数。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：检测当前电压u(i)和电流i(i)；
步骤S2.2：根据检测到的当前电压u(i)电流i(i)计算当前功率，并与上一个时间点的电压和功率做差，得到电压差值和功率差值；
步骤S2.3：判断电压差值和功率差值的乘积是否为正，当为正时，则扰动方向正确；当为负时，则扰动方向错误，取相反方向。
优选地，所述步骤S2.3包括：
△U＝Ui-Ui-1 (2)
△p＝pi-pi-1 (3)
其中，Ui表示当前电压值；Ui+1表示上一个时间点电压值；△U表示电压差值；pi表示当前功率值；pi-1表示上一个时间点功率值；△p表示功率差值；
当△U*△p为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref+λΔU；
当△U*△p不为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref-λΔU。
根据本发明提供得到一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统，包括：
模块M1：在光伏电池MPPT控制中，根据扰动观察法原理和光伏电池的功率-电压特性，引入步长因子；
模块M2：基于引入的步长因子，并根据扰动前后功率差值和扰动前后的电压差值确定继续扰动的方向，得到改进后的光伏电池MPPT控制，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度。
优选地，所述模块M1包括：
Figure BDA0003159077630000031
其中，△p表示扰动前后功率差值；e表示自然常数。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：检测当前电压u(i)和电流i(i)；
模块M2.2：根据检测到的当前电压u(i)电流i(i)计算当前功率，并与上一个时间点的电压和功率做差，得到电压差值和功率差值；
模块M2.3：判断电压差值和功率差值的乘积是否为正，当为正时，则扰动方向正确；当为负时，则扰动方向错误，取相反方向。
优选地，所述模块M2.3包括：
△U＝Ui-Ui-1 (2)
△p＝pi-pi-1 (3)
其中，Ui表示当前电压值；Ui+1表示上一个时间点电压值；△U表示电压差值；pi表示当前功率值；pi-1表示上一个时间点功率值；△p表示功率差值；
当△U*△p为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref+λΔU；
当△U*△p不为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref-λΔU。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法的步骤。
根据本发明提供的一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制设备，包括：控制器；
所述控制器包括上述所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法的步骤；或者，所述控制器包括上述所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明引入步长因子，利用它来调节扰动的步长，从而可以动态地调节MPPT的步长，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度。
2、本发明可以快速的对温度、光照强度变化进行快速的反应，并且能够快速稳定在新的输出电压、输出功率附近。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为λ数值变化示意图；
图2为改进变步长MPPT控制流程图；
图3为改进步长因子λ模型；
图4为改进步长MPPT控制器模型；
图5为光伏电池模型原理图；
图6为光伏电池模型输出曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明主要针对MPPT控制策略中扰动步长不能动态调节问题，根据扰动观察法和光伏电池的功率-电压特性进行改进，引入步长因子，利用它来调节扰动的步长，从而可以动态地调节MPPT的步长，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度。
本发明提供的一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法，包括：
普通光伏电池MPPT控制，所采用的步长为定步长，会存在振荡或者追踪较慢的问题，因此引入步长因子，可改变MPPT步长，可解决振荡和追踪速度问题。
Figure BDA0003159077630000041
其中，△p表示扰动前后功率差值，e表示自然常数
利用它来调节扰动时的步长。λ与距离Pm的距离有关，距离越远λ值越大，这样可以保证在特性曲线两端的收敛速度，即改进为扰动方向正确时Ui+1＝Ui+λΔU或者扰动方向错误时Ui+1＝Ui+λΔU。λ数值与电压功率图线如图1所示：
其中，Ui+1表示下一个时间点电压；Ui表示当前电压；△U表示扰动电压的幅值
变步长因子λ的数值范围为(0,1)，在跟踪过程中，距离Pm越近，即功率差值ΔP越大，λ数值越大，功率差值ΔP越小，λ数值越小，具体改进变步长扰动观察法流程如图2所示：
步骤S1：检测此时的电压电流u(i)、i(i)；
步骤S2：通过上一个时间点的ΔP计算此时的λ；
步骤S3：根据第一步的数值，计算此时功率，与上一个时间点的电压和功率作差，得出电压差值和功率差值；
步骤S4：:判断电压差值和功率差值是否为正，若为正，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref+λΔU,若不为正，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref-λΔU；
改进变步长扰动观察法与传统扰动观察法的区别在于引入了一个变步长因子λ，它的值与扰动前后的输出功率差值ΔP相关。通过测量光伏点出输出电压U(i)和输出电流I(i)，可以计算输出功率P(i)，并利用上一个工作点的电压U(i-1)和功率P(i-1)，计算出ΔU和ΔP。根据ΔU*ΔP的正负情况确定继续扰动的方向，当为正时，则为正确的扰动方向；当为负时，则说明方向错误，取相反方向。
根据前面所述改进变步长MPPT控制流程图，在Simulink中搭建看控制电路，如图3所示，为改进步长因子λ模型，如图4所示，为改进步长MPPT控制电路。
整个光伏模块分为三个部分，分别为光伏电池输出电路、升压电路和负载电路，具体电路原理图如图5所示：
其中，变换器左侧是包含C1、L为输出电路，变换器包含变换器、VD、C2、R1为升压电路，R2、开关为负载点路
电路参数如表1所示
表1光伏电池模型参数
Figure BDA0003159077630000051
Figure BDA0003159077630000061
则对应的光伏电池参数变化、输出电压、输出电流、输出功率，如图6所示：
在温度和光照强度不变的情况下，即使加入负载，功率也几乎不变，维持在最大功率点。在温度降低后，光伏电池输出功率有所降低，但幅度不大。在光照强度降低后，功率大幅度降低。在光照强度、温度、功率发生变化后，功率、电流和电压都能较快地恢复到一个稳定值。
本发明提供的引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统，可以通过本发明提供的引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法中的步骤流程实现。本领域技术人员，可以将所述引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法理解为引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统的一个优选例。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在光伏电池MPPT控制中，根据扰动观察法原理和光伏电池的功率-电压特性，引入步长因子；
步骤S2：基于引入的步长因子，并根据扰动前后功率差值和扰动前后的电压差值确定继续扰动的方向，得到改进后的光伏电池MPPT控制，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度；
所述步骤S1包括：
Figure FDA0003663788080000011
其中，Δp表示扰动前后功率差值；e表示自然常数；λ表示步长因子。
2.根据权利要求1所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：检测当前电压u(i)和电流i(i)；
步骤S2.2：根据检测到的当前电压u(i)电流i(i)计算当前功率，并与上一个时间点的电压和功率做差，得到电压差值和功率差值；
步骤S2.3：判断电压差值和功率差值的乘积是否为正，当为正时，则扰动方向正确；当为负时，则扰动方向错误，取相反方向。
3.根据权利要求2所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤S2.3包括：
ΔU＝Ui-Ui-1 (2)
Δp＝pi-pi-1 (3)
其中，Ui表示当前电压值；Ui-1表示上一个时间点电压值；ΔU表示电压差值；pi表示当前功率值；pi-1表示上一个时间点功率值；Δp表示功率差值；
当ΔU*Δp为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref+λΔU；
当ΔU*Δp不为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref-λΔU。
4.一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统，其特征在于，包括：
模块M1：在光伏电池MPPT控制中，根据扰动观察法原理和光伏电池的功率-电压特性，引入步长因子；
模块M2：基于引入的步长因子，并根据扰动前后功率差值和扰动前后的电压差值确定继续扰动的方向，得到改进后的光伏电池MPPT控制，从而保证在特性曲线两端的收敛速度和精度；
所述模块M1包括：
Figure FDA0003663788080000021
其中，Δp表示扰动前后功率差值；e表示自然常数；λ表示步长因子。
5.根据权利要求4所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：检测当前电压u(i)和电流i(i)；
模块M2.2：根据检测到的当前电压u(i)电流i(i)计算当前功率，并与上一个时间点的电压和功率做差，得到电压差值和功率差值；
模块M2.3：判断电压差值和功率差值的乘积是否为正，当为正时，则扰动方向正确；当为负时，则扰动方向错误，取相反方向。
6.根据权利要求5所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统，其特征在于，所述模块M2.3包括：
ΔU＝Ui-Ui-1 (2)
Δp＝pi-pi-1 (3)
其中，Ui表示当前电压值；Ui-1表示上一个时间点电压值；ΔU表示电压差值；pi表示当前功率值；pi-1表示上一个时间点功率值；Δp表示功率差值；
当ΔU*Δp为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref+λΔU；
当ΔU*Δp不为正时，则此时的工作电压修改为Uref＝Uref-λΔU。
7.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。
8.一种引入改进步长因子的光伏MPPT控制设备，其特征在于，包括：控制器；
所述控制器包括权利要求7所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制方法的步骤；或者，所述控制器包括权利要求4至6中任一项所述的引入改进步长因子的光伏MPPT控制系统。
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Denomination of invention: Introduction of improved step factor for photovoltaic MPPT control methods, systems, media, and equipment

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Pledgor: SHANGHAI ZHIJIANG INTELLIGENT TECHNOLOGY CO.,LTD.

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