CN114442724A - 基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，首先使光伏电池负载短路，测量一次短路电流，经过PI控制器设置光伏电池的初始稳态工作点Impp；系统周期性地测量光伏电池输出电压Vpv和Ipv，并计算当前输出功率Ppv；根据输出功率的变化ΔPpv决定使用不同方法估算短路电流；最后根据短路电流的变化程度来决定是否重新设置工作点或者是否进入扰动观察法，从而追踪到最大功率点；本发明仅需在开机时刻测量一次光伏电池的短路电流，通过模型估算短路电流，使得在光照强度快速变化时，仍能够对光伏电池进行快速、高效、高精度地最大功率点跟踪，系统更容易实现，可靠性也更高。

Description

基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪 方法
技术领域
本发明涉及光伏电池最大功率点追踪技术领域，主要涉及一种基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法。
背景技术
光伏电池可以将太阳能转换为电能，当光照强度和电池组件温度变化时，其输出电压和电流会随之变化，并且表现出非线性、电压波动较大的输出特性。最大功率点跟踪技术(MPPT)是通过控制策略使光伏组件始终工作在最大功率点上，从而提高太阳能到电能地转换效率。自提出以来，MPPT早已经成为光伏发电/储能系统的重要组成部分，但至今仍有诸多不足。
传统的MPPT方法包括恒压法，扰动观察法和电导增量法，上述方法受限于固定的扰动步长，但是无法兼顾追踪时间、追踪精度和响应速度，尤其是在光照强度发生突变时。为此2014年刊登在期刊IEEE Transactions on Sustainable Energy第五卷，第三期，第718-728页上的论文在扰动观察法基础上提出了一种变步长自适应扰动观察法，其中最关键的自适应算法部分使用光量传感器对光伏电池所处环境的光照强度进行测量和采集，进而将扰动步长和光照强度变化直接联系起来。这种MPPT方法兼顾了光照强度突变时系统的追踪时间、追踪精度以及响应速度，但是需要安装较多的光量传感器，因此系统的成本和可靠性降低。而2015年刊登在期刊IEEE Transactions on Sustainable Energy第六卷，第四期，第1426-1437页的论文提出了一种通过测量短路电流来衡量光照强度变化，因此同样具备短的追踪时间、快的响应速度以及高的响应精度。然而这种方法需要系统在运行过程中强行使光伏电池输出短路，不仅降低了太阳能到电能的转换效率，而且不利于后级电气负载的正常工作。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，只需要在开机时测量一次短路电流，就可以实现良好的追踪时间、追踪精度以及响应速度性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，包括以下步骤：
步骤S1、开机启动前，采样测量短路电流Isc0并保存至微控制器MCU；此时后级变换器不工作，光伏电池输出保持短路状态；采样完毕后，后级变换器启动工作；
步骤S2、启动阶段，设置初始工作点Impp并周期性地采样光伏电池输出电流Ipv；将光伏电池输出电流Ipv和Impp之间的误差Error输入至PI控制器构成的电流环，控制变换器进入稳态，光伏电池进入初始稳态工作点；
步骤S3、光伏电池系统从初始稳态工作点进入最大功率追踪阶段时，分别计算光伏电池当前输出功率Ppv(k-1)和施加扰动ΔV后的光伏电池输出功率Ppv(k)，计算差值ΔPpv；当ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用直接求解法估算短路电流；当不满足ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用差值法估算短路电流Isc；其中m3表示光照强度变化的程度；
步骤S4、当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)<m2时，执行步骤S2，重新设置光伏电池稳态工作点；当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)≥m2时，进入扰动观察追踪阶段；其中m2表示光照强度变化的程度，Isc(k)代表当前时刻光伏电池短路电流，Isc(k-1)代表前一时刻光伏电池的短路电流；所述扰动观察追踪阶段中，通过|ΔPpv|/Ppv(k-1)的值决定扰动步长|a|的大小，通过ΔPpv的正负决定扰动方向。
进一步地，所述步骤S2中设置初始工作点Impp＝n*Isc0；其中n表示光伏电池最大功率处对应电流Impp和短路电流Isc的系数关系；所述误差Error＝Impp-Ipv输入至PI控制器构成的电流环，输出信号为控制后级变换器的控制信号。
进一步地，所述步骤S3中通过采集光伏电池输出电压Vpv(k-1)和输出电流Ipv(k-1)计算当前输出功率Ppv(k-1)＝Vpv(k-1)*Ipv(k-1)；施加扰动ΔV后采集光伏电池输出电压Vpv(k)和输出电流Ipv(k)计算当前输出功率Ppv(k)＝Vpv(k)*Ipv(k)；差值ΔPpv＝Ppv(k)-Ppv(k-1)；
当ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用直接求解法估算短路电流；具体地，使用下式估计当前时刻的短路电流Isc(k)：
Figure BDA0003447484780000021
其中参数α和β由光伏电池在标准状况下的电气参数Isc,Voc,Im和Vm计算得出：
Figure BDA0003447484780000022
Figure BDA0003447484780000023
当不满足ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用差值法估算短路电流Isc；具体地，使用下式估计当前时刻的短路电流Isc(k)：
Figure BDA0003447484780000031
其中Ipv(k-1)表示前一时刻的光伏电池输出电流，Vpv(k-1)表示前一时刻光伏电池的输出电压；Ipv(k)表示当前时刻光伏电池的输出电流，Vpv(k)表示当前时刻光伏电池的输出电压；Isc(k-1)表示前一时刻光伏电池的短路电流，是由Isc0迭代计算得到。
进一步地，所述步骤S4中当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)≥m2时，进入扰动观察追踪阶段；在扰动观察追踪阶段，当|ΔPpv|/Ppv(k-1)≥m1时，扰动步长|a|＝0.02，当|ΔPpv|/Ppv(k-1)<m1时，扰动步长|a|＝0.005；其中m1表示扰动施加时光伏电池输出功率变化的程度；当ΔPpv>0时，扰动方向保持不变，a＝a；当ΔPpv＜0时，扰动方向为之前扰动方向的相反方向，a＝-a。
有益效果：
本发明提供的基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，仅需在开机时刻测量一次光伏电池的短路电流，然后后级变换器保持正常工作状态，使光伏电池负载短路次数大幅降低，测量短路电流产生的能量损失大幅降低，因此整个系统的太阳能到电能的转换效率提高。此外正常工作时不再测量短路电流而是通过模型估算短路电流，使得在光照强度快速变化时，仍能够对光伏电池进行快速、高效、高精度地最大功率点跟踪，使光伏电池稳定工作在最大功率点处，不影响光伏电池后级负载的正常工作，因此在实际使用时更易实现，整个系统的可靠性更高。
附图说明
图1是本发明提供的基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法包括以下步骤：
步骤S1、首先初始化流程中涉及到的变量。其中n＝0.9～0.95，表示光伏电池最大功率点处对应电流Impp和短路电流Isc的系数关系；a表示扰动步长；参数m1表示扰动施加时光伏电池输出功率变化的程度，m2、m3则用于表示光照强度变化的程度；Voc表示光伏电池在标准工况下的开路电压，由厂长提供。采样测量短路电流Isc0并保存至微控制器MCU；此时后级变换器不工作，光伏电池输出保持短路状态；采样完毕后，后级变换器启动工作，不再使光伏电池输出保持短路状态。
步骤S2、启动阶段，设置初始工作点Impp＝n*Isc0并周期性地采样光伏电池输出电流Ipv；将光伏电池输出电流Ipv和Impp之间的误差Error输入至PI控制器构成的电流环，输出信号设置为控制后级变换器的控制信号，如占空比、开关频率或者相位等控制量。当Error小于限值limit时，则变换器进入稳态，光伏电池进入初始稳态工作点；
步骤S3、光伏电池系统从初始稳态工作点进入最大功率追踪阶段时，分别计算光伏电池当前输出功率Ppv(k-1)和施加扰动ΔV后的光伏电池输出功率Ppv(k)，计算差值ΔPpv；其中ΔV＝a*Voc。当ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，表示光照强度快速增加，采用直接求解法估算短路电流；具体地，使用下式估计当前时刻的短路电流Isc(k)：
Figure BDA0003447484780000041
其中参数α和β由光伏电池在标准状况下的电气参数Isc,Voc,Im和Vm计算得出：
Figure BDA0003447484780000042
Figure BDA0003447484780000043
当不满足ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用差值法估算短路电流Isc；其中m3表示光照强度变化的程度；具体地，使用下式估计当前时刻的短路电流Isc(k)：
Figure BDA0003447484780000044
其中Ipv(k-1)表示前一时刻的光伏电池输出电流，Vpv(k-1)表示前一时刻光伏电池的输出电压；Ipv(k)表示当前时刻光伏电池的输出电流，Vpv(k)表示当前时刻光伏电池的输出电压；Isc(k-1)表示前一时刻光伏电池的短路电流，是由Isc0迭代计算得到。
步骤S4、进一步判断光照强度具体是增大还是减小。当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)<m2时，表示光照强度快速变化，此时重复执行步骤S2-S3，重新设置光伏电池稳态工作点。当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)≥m2时，表示光照强度变化缓慢，可以进入扰动观察法追踪阶段。其中m2表示光照强度变化的程度，Isc(k)代表当前时刻光伏电池短路电流，Isc(k-1)代表前一时刻光伏电池的短路电流。在扰动观察追踪阶段，当|ΔPpv|/Ppv(k-1)≥m1时，扰动步长|a|＝0.02，当|ΔPpv|/Ppv(k-1)<m1时，扰动步长|a|＝0.005；其中m1表示扰动施加时光伏电池输出功率变化的程度；当ΔPpv>0时，扰动方向保持不变，a＝a；当ΔPpv＜0时，扰动方向为之前扰动方向的相反方向，a＝-a。
本实施例中基于光伏电池短路电流估计和扰动观察法的最大功率点跟踪方法能够在只采集一次光伏电池短路电流的条件下，快速、高效地追踪到最大功率点，且在稳态时具备高的稳态精度。从实例中可以看出本MPPT方法具备更低的实现难度以及更高的太阳能转换效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、开机启动前，采样测量短路电流Isc0并保存至微控制器MCU；此时后级变换器不工作，光伏电池输出保持短路状态；采样完毕后，后级变换器启动工作；
步骤S2、启动阶段，设置初始工作点Impp并周期性地采样光伏电池输出电流Ipv；将光伏电池输出电流Ipv和Impp之间的误差Error输入至PI控制器构成的电流环，控制变换器进入稳态，光伏电池进入初始稳态工作点；
步骤S3、光伏电池系统从初始稳态工作点进入最大功率追踪阶段时，分别计算光伏电池当前输出功率Ppv(k-1)和施加扰动ΔV后的光伏电池输出功率Ppv(k)，计算差值ΔPpv；当ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用直接求解法估算短路电流；当不满足ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用差值法估算短路电流Isc；其中m3表示光照强度变化的程度；
步骤S4、当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)<m2时，重复步骤S2-S3，重新设置光伏电池稳态工作点；当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)≥m2时，进入扰动观察追踪阶段；其中m2表示光照强度变化的程度，Isc(k)代表当前时刻光伏电池短路电流，Isc(k-1)代表前一时刻光伏电池的短路电流；所述扰动观察追踪阶段中，通过|ΔPpv|/Ppv(k-1)的值决定扰动步长|a|的大小，通过ΔPpv的正负决定扰动方向。
2.根据权利要求1所述的基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述步骤S2中设置初始工作点Impp＝n*Isc0；其中n表示光伏电池最大功率处对应电流Impp和短路电流Isc的系数关系；所述误差Error＝Impp-Ipv输入至PI控制器构成的电流环，输出信号为控制后级变换器的控制信号，当Error小于限值limit时，则变换器进入稳态，光伏电池进入初始稳态工作点。
3.根据权利要求1所述的基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述步骤S3中通过采集光伏电池输出电压Vpv(k-1)和输出电流Ipv(k-1)计算当前输出功率Ppv(k-1)＝Vpv(k-1)*Ipv(k-1)；施加扰动ΔV后采集光伏电池输出电压Vpv(k)和输出电流Ipv(k)计算当前输出功率Ppv(k)＝Vpv(k)*Ipv(k)；差值ΔPpv＝Ppv(k)-Ppv(k-1)；
当ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用直接求解法估算短路电流；具体地，使用下式估计当前时刻的短路电流Isc(k)：
Figure FDA0003447484770000021
其中参数α和β由光伏电池在标准状况下的电气参数Isc,Voc,Im和Vm计算得出：
Figure FDA0003447484770000022
Figure FDA0003447484770000023
当不满足ΔPpv>0且|ΔPpv|>m3时，采用差值法估算短路电流Isc；具体地，使用下式估计当前时刻的短路电流Isc(k)：
Figure FDA0003447484770000024
其中Ipv(k-1)表示前一时刻的光伏电池输出电流，Vpv(k-1)表示前一时刻光伏电池的输出电压；Ipv(k)表示当前时刻光伏电池的输出电流，Vpv(k)表示当前时刻光伏电池的输出电压；Isc(k-1)表示前一时刻光伏电池的短路电流，是由Isc0迭代计算得到。
4.根据权利要求3所述的基于光伏电池短路电流估计和扰动观察的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述步骤S4中当|Isc(k)-Isc(k-1)|/Isc(k-1)≥m2时，进入扰动观察追踪阶段；在扰动观察追踪阶段，当|ΔPpv|/Ppv(k-1)≥m1时，扰动步长|a|＝0.02，当|ΔPpv|/Ppv(k-1)<m1时，扰动步长|a|＝0.005；其中m1表示扰动施加时光伏电池输出功率变化的程度；当ΔPpv>0时，扰动方向保持不变，a＝a；当ΔPpv＜0时，扰动方向为之前扰动方向的相反方向，a＝-a。
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