CN114035644A - 一种改进p&o法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法 - Google Patents

一种改进p&o法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，具体包括如下步骤：步骤1，启动MPPT控制系统；步骤2，分别采集MPPT控制系统起动后当前k时刻光伏板的输出电流和输出电压，并通过A/D转换模块输入控制器，进行相关计算；步骤3，根据dV判断是否判断dI，根据判断结果输出占空比至存储空间；步骤4，判断dV，根据判断结果输出占空比至存储空间；步骤5，判断存储空间数值是否存在与当前占空比数值相等值，根据判断结果来判定MPPT控制系统是否达到稳定状态，决定是否定占空比输出。本发明解决了在光照强度连续变化时，扰动观察法在稳态时持续振荡，导致能量损耗，系统输出电压不稳定、纹波较大的问题。

Description

一种改进P＆O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，涉及一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法。
背景技术
能源是社会发展的物质基础，与人们的生活息息相关，能源问题直接影响着世界的工业化进程。一方面，能源的过度消耗必然会导致生产力水平的不断下降，制约着人类的社会经济发展，使人类社会的发展陷入停滞不前的局面；另一方面，传统化石能源的大量使用所带来负面影响也是不可估量的，例如温室效应、酸雨形成、臭氧层空洞和光热污染等严重阻碍了人类的生存与发展，给人类社会的可持续发展埋下了隐患。因此，光伏发电产业在全球范围内获得了快速发展。太阳能成为新能源研究的热点之一。然而，太阳能光伏组件电源稳定性不高，温度、光照和负载的变化均会引起太阳能光伏电池输出功率的变化。为提高太阳能利用效率，需要对其进行人为的调控。目前常用的提高光伏电池利用率的方法，有利用最大功率点跟踪算法、提高光伏材料效率、优化光伏阵列结构及位置等。
其中最大功率点跟踪(MPPT)技术广泛应用于光伏(PV)系统中，以光伏阵列的峰值功率运行，峰值功率取决于太阳能和环境温度，传统的MPPT方法依据判断方法和准则的不同被分为开环和闭环MPPT方法。实际上，外界温度、光照和负载的变化对光伏电池输出特性的影响呈现出一些基本的规律，比如光伏电池的最大功率点电压与光伏电池的开路电压之间存在近似的线性关系，基于这些规律，可提出一些开环的MPPT控制方法，如定电压跟踪法，短路电流比例系数法和插值计算法等。闭环MPPT方法则通过对光伏电池输出电压和电流值的实时测量与闭环控制来实现MPPT，使用最广泛的自寻优类算法即属于这一类。典型的自寻优MPPT算法有扰动观察法和电导增量法两种。
在所有MPPT方法中，扰动与观测(P&O)和增量电导(InC) 算法应用最为广泛，主要是因为它们简单且易于实现。然而，这两种算法都存在连续稳态振荡的缺点，并且在辐射快速变化的情况下跟踪速度慢，效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，解决了在光照强度连续变化时，扰动观察法在稳态时持续振荡，导致能量损耗，系统输出电压不稳定、纹波较大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1，启动MPPT控制系统；
步骤2，通过电压传感器和电流传感器，分别采集MPPT控制系统起动后当前k时刻光伏板的输出电流Ipv(k)和输出电压Vpv(k)，并通过A/D转换模块输入控制器，进行相关计算；
步骤3，根据dV判断是否判断dI，根据判断结果输出占空比至存储空间；
步骤4，判断dV，根据判断结果输出占空比至存储空间；
步骤5，由小到大进行排列，并判断存储空间数值是否存在与当前占空比数值相等值，根据判断结果来判定MPPT控制系统是否达到稳定状态，决定是否定占空比输出。
本发明的特点还在于：
步骤2的具体过程为：
步骤2.1，采用如下公式(1)计算当前k时刻的光伏板输出功率 Ppv(k)：
Ppv(k)＝Ipv(k)·Vpv(k) (1)；
采用如下公式(2)计算上一时刻k-1时刻的输出功率Ppv(k-1)：
Ppv(k-1)＝Ipv(k-1)·Vpv(k-1) (2)；
采用如下公式(3)计算当前k时刻功率值与上一时刻k-1时刻功率值的差值dP：
dP＝Ppv(k)-Ppv(k-1) (3)；
采用如下公式(4)计算当前电压值与上一时刻电压值差值dV；
dV＝Vpv(k)-Vpv(k-1) (4)；
步骤2.2，判断dP是否大于0；若大于0，则进入步骤3；若小于0，则进入步骤4。
步骤3的具体过程为：
步骤3.1，若dV大于0，则进行dI判断；若dV小于0，则输出占空比D+△D，其中：
dV＝Vpv(k)-Vpv(k-1) (5)；
步骤3.2，若dI大于0，则输出占空比D+△D；若dI小于0，则输出占空比D-△D，其中：
dI＝Ipv(k)-Ipv(k-1) (6)；
其中，Ipv(k-1)为上一时刻k-1时刻的光伏板输出电流。
步骤4中，若dV大于0，则输出占空比D+△D；若dV小于0，则输出占空比D-△D。
步骤5的具体过程为：
步骤5.1，若存储空间中不存在与当前占空比数值相等的值，证明MPPT控制系统还没有达到稳定状态，此时返回步骤2，继续更新占空比数值，若存储空间中存在与当前占空比数值相等的值，证明此时已经达到稳定状态，输出占空比D(k+1)；
步骤5.2，采集MPPT控制系统光伏板的输出电流Ipv(k)和输出电压Vpv(k)，进行电流差值dI＝Ipv(k+2)-Ipv(k+1)判断；
步骤5.3，若dI＝0，则输出D(k+1)，返回步骤5.2；若dI不等于 0，则清空存储空间，返回步骤2。
本发明的有益效果是：本发明在传统扰动观察(P&O)法的基础上，在最终输出占空比，调节功率的步骤前，加入了占空比储存及其排序程序，由此来判断系统输出的占空比是否使太阳能板在最大功率点运行；若在最大功率点运行，则使用提出的新算法可以有效避免传统算法的三阶段扰动。本控制方法，没有添加额外的传感器，最终可以避免最大功率点的振荡损耗，并且减小输出电压纹波，使输出电压稳定可靠，同时减小输出滤波器体积。
附图说明
图1为本发明一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法实施例中MPPT控制系统结构图；
图2为本发明一种改进P&O消除光伏发电系统稳态振荡控制方法的流程示意图；
图3为光伏板P-V曲线系统在稳态时三级变换的示意图；
图4为本发明改进前后P&O法，占空比变化示意图(光照增大)；
图5为本发明改进前后P&O法，占空比变化示意图(光照减小)；
图6为本发明改进前后光伏板输出电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种改进P&O消除稳态振荡的控制方法，是针对传统传统扰动观察(P&O)法，在到达最大功率点出存在振荡，有着振荡损耗的问题，增加了一段占空比存数与排序程序，来判断是否达到最大功率点处的稳态振荡，选出最大功率点时的占空比，来消除振荡，减小光伏板的功率损耗，提升输出电压的稳定性，其系统结构如图1所示，图1中PV为光伏板，Vpv是光伏板电压，Ipv是光伏板输出电流，V为开关管，L1、L2为电感，C1、C2、C3为电容，VD为二极管，R为负载，从电路中可以看出，PV输出端有电容存在，在通电瞬间，由：
Figure BDA0003314513590000061
可得，电容电压变化率很大，此时ic的值会非常大，会对电路中其它器件成损坏，所以在启动时应该软启动。
本发明是一种改进P&O消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，参照图2，包括以下步骤：
步骤1，整个系统进行软起动，防止因启动瞬间电流过大，导致器件损坏；
步骤1.1，对整个系统进行软起动，包括控制电路与主电路的供电；
步骤1.2，控制系统初始化；
步骤1.2.1，在程序中给定光伏板输出电流、输出电压和转换电路控制占空比三个变量初始值，设定初始值Ipv0＝0，Vpv0＝0， D0＝0.3(0<D<1)；
步骤1.2.2，给定步长变化量△D＝0.01，设置占空比数值储存空间变量；
步骤2，通过电压传感器和电流传感器，采集MPPT控制系统起动后光伏板的输出电流Ipv(k)，Vpv(k)，通过A/D转换模块输入控制器，进行相关计算；
步骤2.1，计算Ppv(k)＝Ipv(k)·Vpv(k)，Ppv(k-1)＝Ipv(k-1)·Vpv(k-1)，计算当前功率值与上一时刻功率值差值dP＝Ppv(k)-Ppv(k-1)；
步骤2.2，判断dP＝Ppv(k)-Ppv(k-1)是否大于0；若大于0，则进入步骤3；若小于0，则进入步骤4；
步骤3，根据dV判断是否判断dI，根据判断结果输出占空比至存储空间；
步骤3.1，若dV大于0，则进行dI＝Ipv(k)-Ipv(k-1)判断；若dV小于0则输出占空比D+△D；
步骤3.2，若dI大于0，则输出占空比D+△D；若dI小于0，则输出占空比D-△D；
步骤4，判断dV，根据判断结果输出占空比至存储空间；
步骤5，若dV大于0，则输出占空比D+△D；若dV小于0，则输出占空比D-△D；
步骤6，由小到大进行排列，并判断存储空间数值是否存在与当前占空比数值相等值，根据判断结果来判定MPPT控制系统是否达到稳定状态，决定是否定占空比输出。
步骤6.1，若无相等数值，证明还没有达到稳定状态，此时执行传统扰动观察法，返回步骤2，继续更新占空比数值，若存在相等数值，证明此时已经达到稳定状态，输出占空比D(k+1)；
步骤6.2，采集MPPT控制系统光伏板的输出电流Ipv(k)，Vpv(k)，进行电流差值dI＝Ipv(k+2)-Ipv(k+1)判断，此时做此判断是为了判断光照是否变化，进而改变占空比，使系统以最大功率输出；
步骤6.3，若dI＝0，证明此时光照未改变，则输出D(k+1)，返回步骤6.2；若dI不等于0，证明此时光照改变，则清空存储空间，返回步骤2，继续执行传统扰动观察法；
最终确定输出占空比数值(结合图1)，MPPT控制系统输出PWM 波，通过驱动电路，输出给开关管V，调节输PV板输出功率；
其中，图3为光伏板P-V曲线，系统在稳态时三级变换的示意图，系统在追寻最大功率点的过程中，不断调整占空比。当 V1-V2<0,P1-P2<0,即dV>0,dP>0,此时占空比D减小，到达3点；到3 点后V3-V2>0,P3-P2<0,即dV>0,dP<0,此时占空比D增大，最终在1 到2，2到3，3到2，2到1，进行变化，形成三级扰动。假设1点功率为P1，2点功率为P2，3点功率为P3则P2>P3>P1；改进后 P2＝P3＝P1，且此时P1值于传统扰动观察法功率值相等。
三点扰动的平均功率为:
Figure BDA0003314513590000081
改进后三点的平均功率为:
PIMP＝P1 (3)
此时
PP&O＜PIMP (4)
改进后消除了振荡损耗，提高了系统的效率。
图4、图5分别为本发明改进前后P&O法，占空比变化示意图，其中实线为改进前，虚线为未改进时占空比变化，A点之后为改进方法的占空比示意图，参照图4，图5包括以下步骤：
步骤1，系统初始化给定初始占空比；
步骤2，此时功率在最大功率点右侧(结合图3)。通过控制方法流程图，此时无Dn＝D(K+1)，通过判据，此时占空比不断增加，靠近最大功率点，当由3点到2点时，由于系统已经储存2点占空比数值，此时系统判定已经到达稳态的三级跳动；
步骤3，系统继续输出占空比数值D(K+1)；
步骤4，当某一时刻光照变化，通过dI＝Ipv(k+2)-Ipv(k+1)判断，无论光照增加还是减小，此时dI不等于0，系统重新调整占空比数值，寻找最大功率点占空比数值；
图6为本发明改进前后光伏板电压输出波形示意图。从图中可以看出，在未改进前，在寻找到到最大功率点后，由于稳态后的三级扰动，形成纹波，电压以锯齿波的形式输出，输出电压不稳定，最终造成系统输出电压纹波较大。改进后，在到达最大功率点后，不再进行三级扰动，而是一条平稳的电压曲线，进而可以得到稳定的输出电压，减小输出滤波器体积C3。

Claims (5)

1.一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，启动MPPT控制系统；
步骤2，通过电压传感器和电流传感器，分别采集MPPT控制系统起动后当前k时刻光伏板的输出电流Ipv(k)和输出电压Vpv(k)，并通过A/D转换模块输入控制器，进行相关计算；
步骤3，根据dV判断是否判断dI，根据判断结果输出占空比至存储空间；
步骤4，判断dV，根据判断结果输出占空比至存储空间；
步骤5，由小到大进行排列，并判断存储空间数值是否存在与当前占空比数值相等值，根据判断结果来判定MPPT控制系统是否达到稳定状态，决定是否定占空比输出。
2.根据权利要求1所述的一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，采用如下公式(1)计算当前k时刻的光伏板输出功率Ppv(k)：
Ppv(k)＝Ipv(k)·Vpv(k) (1)；
采用如下公式(2)计算上一时刻k-1时刻的输出功率Ppv(k-1)：
Ppv(k-1)＝Ipv(k-1)·Vpv(k-1) (2)；
采用如下公式(3)计算当前k时刻功率值与上一时刻k-1时刻功率值的差值dP：
dP＝Ppv(k)-Ppv(k-1) (3)；
采用如下公式(4)计算当前电压值与上一时刻电压值差值dV；
dV＝Vpv(k)-Vpv(k-1) (4)；
步骤2.2，判断dP是否大于0；若大于0，则进入步骤3；若小于0，则进入步骤4。
3.根据权利要求2所述的一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1，若dV大于0，则进行dI判断；若dV小于0，则输出占空比D+△D，其中：
dV＝Vpv(k)-Vpv(k-1) (5)；
步骤3.2，若dI大于0，则输出占空比D+△D；若dI小于0，则输出占空比D-△D，其中：
dI＝Ipv(k)-Ipv(k-1) (6)；
其中，Ipv(k-1)为上一时刻k-1时刻的光伏板输出电流。
4.根据权利要求2所述的一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，若dV大于0，则输出占空比D+△D；若dV小于0，则输出占空比D-△D。
5.根据权利要求1所述的一种改进P&O法消除光伏发电系统稳态振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：
步骤5.1，若存储空间中不存在与当前占空比数值相等的值，证明MPPT控制系统还没有达到稳定状态，此时返回步骤2，继续更新占空比数值，若存储空间中存在与当前占空比数值相等的值，证明此时已经达到稳定状态，输出占空比D(k+1)；
步骤5.2，采集MPPT控制系统光伏板的输出电流Ipv(k)和输出电压Vpv(k)，进行电流差值dI＝Ipv(k+2)-Ipv(k+1)判断；
步骤5.3，若dI＝0，则输出D(k+1)，返回步骤5.2；若dI不等于0，则清空存储空间，返回步骤2。
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