CN115826669B - 光伏发电系统的复合最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏发电系统的复合MPPT控制方法，属于光伏发电控制领域。现有技术中，光伏发电系统的MPPT控制多使用传统算法和智能算法，但是传统的扰动观察法和电导增量法存在跟踪速度与跟踪精度间耦合的问题，智能算法存在算法复杂且对硬件计算能力要求高的问题。本发明所述的方法通过在基准占空比上注入高频正弦纹波而使光伏输出功率产生正弦波动，根据占空比与光伏功率的函数关系为光伏发电系统的最大功率点跟踪提供依据，当外界环境发生变化时，该方法能够根据功率误差检测到环境状况的变化并重新更新最大功率点。采用本发明所述的方法，针对单一环境工况和复杂环境工况均具备良好的跟踪速度和跟踪精度，并且该方法具备一定的抗噪声干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电控制技术领域，具体涉及一种光伏发电系统的复合最大功率点跟踪控制方法。
背景技术
随着经济与科技的迅速发展，对能源的需求日益增加，当今世界已然面临能源危机与环境问题两大难题。因此更具有环境友好性的新型能源受到越来越广泛的关注，其中太阳能作为储量最丰富使用最便捷的能源一直处于各个领域研究的热点。光伏发电也已成为各种新能源发电中发展最迅速、规模最大的产业之一。
但是光伏电池的输出具有非线性特征，并且其输出能力受光照强度和温度等外界因素的影响较大，这使得维持光伏系统运行在最大功率点处成为制约太阳能利用的难点。为了解决这一问题，各种光伏最大功率点跟踪方法被提出而运用于光伏发电系统中以提高光伏系统的能源利用率。传统的MPPT控制策略以扰动观察法和电导增量法为代表，具有算法结构简单运算量小的优势，在工程实际中有着广泛应用。但是，这两种方法存在光伏发电系统最大功率点跟踪速度和稳态功率波动的耦合问题。虽然大步长能缩短跟踪时间，但会增大稳态的功率波动，而小步长稳态功率波动较小但动态响应很慢。专利[1]中使用改进的变步长扰动观察法，依据光伏电池P-V特性曲线的斜率分阶段调整步长，兼顾了跟踪速度和跟踪精度，但是其控制方法对采样精度依赖很高，仿真中或许有比较理想的效果，但实际中会存在噪声等干扰会严重影响控制效果。专利[2]使用模糊和声搜索算法，通过比较目标函数的大小对占空比进行迭代优化调整，能够追踪光伏阵列的全局最大功率点提高MPPT的跟踪速度和精度，减小功率震荡，但是迭代步长需要根据经验设置，具有一定的局限性。专利[3]使用GRU神经网络跟踪光伏最大功率点跟踪，相比于传统的神经网络控制提高了精准度和跟踪速度，但是针对不同的光伏电池需要重新采集数据进行训练，算法普适性较差。专利[4]使用静动态MPPT扰动观测识别方法，通过常规和非常规扰动状态对扰动方向进行调整，稳态时依然会存在功率波动，且非常规扰动状态会影响最大功率点的跟踪速度。
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[3]王冉冉,高慧敏.一种基于GRU神经网络的光伏MPPT方法[P].浙江省：CN115185334A,2022-10-14.
[4]王建春,黄榜福,方刚,黄敏.光伏静动态MPPT扰动观测识别方法及光伏阵列发电系统[P].安徽省：CN114879806A,2022-08-09.
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是在保证光伏最大功率跟踪动态响应性能的同时，兼顾稳态时的跟踪精度，并能够根据环境变化自适应调整工作点，同时提高光伏发电系统抗噪声干扰的能力，从而提高光伏能量的利用效率。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种光伏发电系统的复合最大功率点跟踪控制方法方法，在包含光伏模块，DC-DC变换器，负载以及上位机控制器的光伏发电系统中，通过控制光伏模块和负载间所接DC-DC变换器的占空比进行最大功率点跟踪，包括以下步骤：
(1)采用快速启动控制，判断基准占空比是否大于最大功率点占空比dmpp；
(2)采用纹波注入控制方法，基准占空比大于最大功率点占空比后，在占空比上注入幅值为Am，频率为f的正弦纹波，获取光伏功率波动情况，根据占空比与光伏功率的函数关系判断最大功率点跟踪方向，进行最大功率点跟踪控制；
(3)检测追踪到最大功率点，撤除纹波注入控制，并记录此时的光伏输出功率Pmax，否则返回步骤(2)继续进行纹波注入控制。
(4)检测到环境状态发生变化，返回步骤(2)重新进行纹波注入控制，否则继续稳定运行。
所述光伏发电系统包括光伏模块，DC-DC变换器，负载以及上位机控制器，并通过上位机控制系统的运行与停机。
步骤(1)中，基准占空比表示注入纹波之前的占空比，系统由基准占空比为0启动，启动后占空比以步长dstep增加，并不断比较光伏输出功率，识别到功率降低时结束快速启动控制。
步骤(2)中，纹波幅值Am依据噪声干扰的大小选择，纹波频率f依据变换器开关频率和DC-DC变换器输入侧LC滤波器的截止频率选择，计算公式如下：
Am·Vout-min≥Vpv-noise
式中，Vout-min表示电压的最小值，Vpv-noise表示光伏电压的噪声峰峰值的一半，L表示DC-DC变换器的电感，C表示DC-DC变换器的输入电容。
进一步，步骤(2)中，所述的占空比与光伏功率的函数关系如下：
式中，Ppv表示光伏电池的输出功率，Vpv表示光伏电池的输出电压，Rload表示负载电阻，d表示占空比，r表示光伏电池等效内阻。
进一步，步骤(2)中，所述的判断最大功率点跟踪方向的依据如下：
在一个复合占空比周期即一个正弦纹波周期中，间隔1/4周期采集A-D四个采样点的光伏输出功率可以识别到光伏发电系统以下五个运行状态：
当PB>PD，且|PAB|＝|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比左侧，且距离较远。
当PB>PD，且|PAB|<|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比左侧，且非常接近。
当PB＝PD时，基准占空比恰好位于光伏输出最大功率点占空比。
当PB<PD，且|PAB|>|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比右侧，且非常接近。
当PB<PD，且|PAB|＝|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比右侧，且距离较远。
其中，PA，PB，PC，PD分别表示A-D四个采样点的光伏输出功率|PAB|表示AB两点光伏输出功率差值的绝对值，|PCD|表示CD两点光伏输出功率差值的绝对值。
步骤(3)中，所述的检测追踪到最大功率点的依据为PB＝PD，满足这一条件时，注入的纹波将被撤除，系统以基准占空比稳定运行并记录此时的功率为Pmax，为环境状态检测提供依据。
步骤(4)中，所述的检测到环境状态发生变化的方式如下：
撤除注入的纹波后记录此时的最大功率Pmax，光伏发电系统将稳定运行在最大功率点处。当出现环境或负载等条件变化有可能导致光伏发电系统偏离最大功率点时，光伏输出功率与Pmax会产生一个差值，当这一差值超过Pmax的1％(该系数可以根据光伏的功率等级以及能够承受的功率损失机动调整)时，系统重新注入纹波寻找光伏输出功率新的最大功率点。
本发明的效果在于：
本发明面向由光伏模块，DC-DC变换器以及负载组成的光伏发电系统，通过在基准占空比上注入高频正弦纹波而使光伏输出功率产生正弦波动，根据占空比与光伏功率的函数关系为光伏发电系统的最大功率点跟踪提供依据，当外界环境发生变化时，该方法能够根据功率误差检测到环境状况的变化并重新更新最大功率点。采用本发明所述的方法，针对单一环境工况和复杂环境工况均具备良好的跟踪速度和跟踪精度，并且该方法具备一定的抗噪声干扰能力。
附图说明
图1光伏发电系统结构图；
图2本发明的控制方法流程图；
图3输入侧LC频率响应曲线；
图4光伏输出功率随占空比变化曲线；
图5本发明的控制方法工作波形；
图6抗噪性分析示意图；
图7单一环境下实验结果；
图8复杂环境下实验结果；
具体实施方式
下面基于图1所示的光伏发电系统，结合图2所示的控制方法流程图，使用复合MPPT控制方法，对本发明实施的步骤进行具体说明。
表1光伏发电系统复合MPPT控制实验参数
表2不同环境条件下的光伏电池参数
由步骤(1)，系统由占空比为0启动，启动后占空比以dstep＝0.03的步长增加，并不断比较光伏输出功率，如果当前光伏功率大于步长增加前的功率，则占空比继续以步长dstep增加，如果当前功率小于步长增加前的功率，表示占空比已经超过最大功率点占空比，则退出快速启动过程。
由步骤(2)，纹波幅值Am依据噪声干扰的大小选择，纹波频率f依据变换器开关频率和DC-DC变换器输入侧LC滤波器的截止频率选择，计算公式如下：
Am·Vout-min≥Vpv-noise
式中，Vout-min表示输出电压的最小值，Vpv-noise表示光伏电压的噪声峰峰值的一半，fcut表示输入侧LC滤波器的截止频率。本发明所使用的光伏发电系统中，Vpv-noise为2.5V，Vout-min为100V，由此计算得到注入的占空比纹波幅值△d≥0.025，考虑一定的裕量最终使用幅值为0.03的占空比纹波。参照图3，本发明中的输入侧LC滤波器的截止频率为3511Hz，由此计算得到纹波频率为700Hz。
由步骤(2)，所述的占空比与光伏功率的函数关系如下：
式中，Ppv表示光伏电池的输出功率，Vpv表示光伏电池的输出电压，Rload表示负载电阻，d表示占空比，r表示光伏电池等效内阻。
参照图4，可以看到占空比d3对应的点3为最大功率点，在占空比d3左侧(占空比小于d3)，光伏输出功率的变化与占空比的变化呈正相关系，在占空比d3右侧(占空比大于d3)，光伏功率的变化与占空比的变化呈反相关系。参照图5(a)，假设系统工作的基准占空比为d1，且d1<d3，此时在d1上注入正弦纹波，光伏输出功率将呈现一致的正弦波动；参照图5(e)，假设系统工作的基准占空比为d5，且d5>d3，此时在d5上注入正弦纹波，光伏输出功率将呈现滞后复合占空比180°的正弦波动。
由步骤(2)，所述的判断最大功率点跟踪方向的依据如下：
在一个复合占空比周期即一个正弦纹波周期中，间隔1/4周期采集A-D四个采样点的光伏输出功率可以识别到光伏发电系统以下五个运行状态：
如果PB>PD，且|PAB|＝|PCD|，表示基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比左侧，且距离较远，下一正弦纹波周期中基准占空比增加△d。
如果PB>PD，且|PAB|<|PCD|，表示基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比左侧，且非常接近，下一正弦纹波周期中基准占空比增加△d/2。
如果PB＝PD，表示基准占空比恰好位于光伏输出最大功率点占空比，基准占空比保持不变并撤除注入的正弦纹波。
如果PB<PD，且|PAB|>|PCD|，表示基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比右侧，且非常接近，下一正弦纹波周期中基准占空比减小△d/2。
如果PB<PD，且|PAB|＝|PCD|，表示基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比右侧，且距离较远，下一正弦纹波周期中基准占空比减小△d。
其中，PA，PB，PC，PD分别表示A-D四个采样点的光伏输出功率|PAB|表示AB两点光伏输出功率差值的绝对值，|PCD|表示CD两点光伏输出功率差值的绝对值，△d表示基准占空比步长。
由步骤(3)，所述的检测追踪到最大功率点的依据为PB＝PD。如果检测到PB＝PD，则停止注入的正弦纹波，系统将在最大功率点稳定运行，并记录下此时的功率作为Pmax。否则继续根据步骤(2)中的情况继续调整基准占空比。
步骤(4)中，所述的检测到环境状态发生变化的方式如下：
撤除注入的纹波后记录此时的最大功率Pmax，光伏发电系统将稳定运行在最大功率点处。当出现环境或负载等条件变化有可能导致光伏发电系统偏离最大功率点时，光伏输出功率与Pmax会产生一个差值，如果△P≥1％*Pmax，系统回到步骤(2)重新注入纹波调整基准占空比。如果△P＜1％*Pmax，则维持当前基准占空比继续运行。
本发明所使用的的方法具有一定的抗噪声干扰能力，通过一个正弦周期中采集的四个功率点进行光伏输出最大功率点的寻优，采样频率为四倍的注入纹波频率。根据步骤(2)中选择的纹波频率700Hz，则采样频率为2.8kHz。本发明中DC-DC变换器开关频率为300kHz，采样频率与开关频率不存在整数倍关系，采样点能够避开噪声出现的位置。参照图6，采样频率为2.8kHz，则第二个采样点采样的时刻为357.2μs，噪声频率为300kHz，则距离采样点最近的噪声分别出现在356.4μs和359.7μs，均不与采样点重合，因此能够有效避免噪声导致的功率误判。
最后本发明所使用的的方法实验效果参照图7和图8，图7的工况数据对应表1，图8①-④工况的数据对应表2，实验结果证明本发明所使用的方法针对单一环境工况和复杂环境工况均具备良好的跟踪速度和跟踪精度。
本发明可以用其它具体形式来实施，而不脱离其精神或本质特征。所描述的实施在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的,例如：
1)所选用的光伏模块参数；
2)所选择的光伏电压的噪声峰峰值、输出电压最小值等变量；
3)各种参数的选择等。
因此，本发明的范围由所附权利要求书而非上述描述来指示。落入权利要求的等效技术方案的意义和范围中的所有变化都包含在其范围之中。
Claims (4)
1.一种光伏发电系统的复合最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：
所述光伏发电系统包括光伏模块，DC-DC变换器，负载以及上位机控制器，复合MPPT控制方法通过控制光伏模块和负载间所接DC-DC变换器的占空比进行最大功率点跟踪，包括以下步骤：
(1)将注入纹波之前的占空比定义为基准占空比，系统由基准占空比为0启动，启动后占空比以大步长dstep增加，以光伏功率降低为依据判断基准占空比大于最大功率点占空比dmpp，从而完成快速启动；
(2)在基准占空比上注入幅值为Am，频率为f的正弦纹波，纹波幅值Am依据噪声干扰的大小选择，纹波频率f依据变换器开关频率和DC-DC变换器输入侧LC滤波器的截止频率选择，计算公式如下：
Am·Vout-min≥Vpv-noise
式中，Vout-min表示电压的最小值，Vpv-noise表示光伏电压的噪声峰峰值的一半，L表示DC-DC变换器的电感，C表示DC-DC变换器的输入电容；
占空比与光伏功率存在如下函数关系：
式中，Ppv表示光伏电池的输出功率，Vpv表示光伏电池的输出电压，Rload表示负载电阻，d表示占空比，r表示光伏电池等效内阻；
根据占空比与光伏功率的函数关系判断最大功率点跟踪方向，判断依据如下：
在一个复合占空比周期即一个正弦纹波周期中，间隔1/4周期采集A-D四个采样点的光伏输出功率可以识别到光伏发电系统以下五个运行状态：
当PB>PD，且|PAB|＝|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比左侧，且距离较远；
当PB>PD，且|PAB|<|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比左侧，且非常接近；
当PB＝PD时，基准占空比恰好位于光伏输出最大功率点占空比；
当PB<PD，且|PAB|>|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比右侧，且非常接近；
当PB<PD，且|PAB|＝|PCD|时，基准占空比位于光伏输出最大功率点占空比右侧，且距离较远；
其中，PA，PB，PC，PD分别表示A-D四个采样点的光伏输出功率|PAB|表示AB两点光伏输出功率差值的绝对值，|PCD|表示CD两点光伏输出功率差值的绝对值；
(3)检测追踪到最大功率点，则撤除纹波注入控制，并记录此时的光伏输出功率Pmax，否则返回步骤(2)继续进行纹波注入控制；
(4)检测到环境状态发生变化，返回步骤(2)重新进行纹波注入控制，否则继续稳定运行。
2.如权利要求1所述的一种光伏发电系统的复合最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：所述光伏发电系统包括光伏模块，DC-DC变换器，负载以及上位机控制器，并通过上位机控制系统的运行与停机。
3.如权利要求1所述的一种光伏发电系统的复合最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤(3)所述的检测追踪到最大功率点的依据为PB＝PD，满足这一条件时，注入的纹波将被撤除，系统以基准占空比稳定运行并记录此时的功率为Pmax，为环境状态检测提供依据。
4.如权利要求1所述的一种光伏发电系统的复合最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤(4)所述的检测到环境状态发生变化的方式如下：
撤除注入的纹波后记录此时的最大功率Pmax，光伏发电系统将稳定运行在最大功率点处，当出现环境或负载等条件变化有可能导致光伏发电系统偏离最大功率点时，光伏输出功率与Pmax会产生一个差值，当这一差值超过Pmax的1％时，系统重新注入纹波寻找光伏输出功率新的最大功率点。
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Also Published As
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|---|---|
| CN115826669A (zh) | 2023-03-21 |
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