CN1731651A - 独立光伏发电系统用的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及独立光伏发电系统用的最大功率点跟踪方法，属于光伏发电技术领域。本发明所述的应用该最大功率点跟踪技术的独立光伏发电系统包括：(1)太阳能电池；(2)蓄电池；(3)BUCK电路。其中太阳能电池输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响，蓄电池则具有一定的负载特性。本发明所述的最大功率点跟踪方法即MPPT，通过调节作为电能变换环节的BUCK电路驱动占空比，达到调整光伏阵列输出端负载特性的目的，从而实现MPPT控制。这种控制算法最大的优点，是在光照强度发生快速变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也较小。

Description

独立光伏发电系统用的最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种应用在独立光伏发电系统中的最大功率点跟踪方法，属于光伏发电技术领域。

背景技术

独立光伏发电系统自带储能环节，不需与电网相连就可以提供持续电能输出，因此在偏远无电地区等场合得到逐渐应用。

太阳能阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，太阳能电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才能达到最大值，这时太阳能电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，我们称之为最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。单个光伏电池的输出特性曲线，如图1、图2所示。

在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整太阳能电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

最大功率点跟踪控制(MPPT)策略采用实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样既使光伏电池的结温升高使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。

为便于说明，现将光伏阵列的输出特性重新绘制如图3所示。假定图中曲线1和曲线2为两不同光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。当光照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。此时如果保持负载1不变，系统将运行在A’点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果光照强度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线1，则相应的工作点由B点变化到B’点，应当相应的减小负载2至负载1以保证系统在光照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点A。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用在独立光伏发电系统，具有高可靠性、高效和控制简单等特点的最大功率点跟踪技术。

本发明的特征在于：该方法依次含有以下步骤：

步骤1：用微处理器作为该最大功率点跟踪控制器，检测太阳能电池光伏阵列的输出电压V_n，电流I_n；

步骤2：微处理器判断当前输出电压Vn和上一控制周期的输出电压采样值Vb之差dV：若：dV＝0，

则：判断当前输出电流In和上一控制周期的输出电流采样值Ib之差dI；

若：dV≠0，

则：判断dI/dV是否等于-I/V；

步骤3：根据步骤2的判断结果：

若：dI＝0，

则：V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI/dV＝-I/V，

则：V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

步骤4：根据步骤3的判断结果：

若：dI≠0，

则：判断dI＞0否；

若：dI/dV≠-I/V，

则：判断dI/dV＞-I/V否；

步骤5：根据步骤4的判断结果：

若：dI＞0，

则：微处理器控制方波发生电路和与该电路串接的脉宽调制脉冲形成电路，产生脉宽调制脉冲去减小连接在太阳能电池光伏阵列输出端的BUCK电路的占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI/dV＞-I/V，

则：微处理器按所述步骤5的方法减小占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI＜0，

则：微处理器按所述步骤5的方法增大占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI/dV＜-I/V，

则：微处理器按所述步骤5的方法增大占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；所述BUCK电路含有：

输入电容：该电容通过接入开关并接于所述太阳能电池光伏阵列输出端；

MOS管：该MOS管的控制端与所述脉宽调制脉冲形成电路的输出端相连，其余两端分别对地并接了一个上述输入电容和一个反接的二极管；

输出滤波电容：该电容并接着一个储能用的铅酸蓄电池，该电容同时又经过一个滤波电感接所述的二极管的负极。

本发明所述的独立光伏发电系统中的MPPT控制流程图如图5所示。图5中，Vn、In为检测到光伏阵列当前电压、电流值，Vb、Ib为上一控制周期的采样值。这种MPPT控制算法最大的优点，是在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也较小。

附图说明

图1.光伏电池功率电压曲线

图2.光伏电池电压电流曲线

图3.MPPT算法分析示意图

图4.独立光伏发电系统构成示意图

图5.本发明所述最大功率点跟踪技术的控制流程图

具体实施方式

如图4所示，本发明所述的应用该最大功率点跟踪技术的独立光伏发电系统包括：

1)太阳能电池：太阳能电池是独立光伏发电系统的输入，为整个系统提供供电和控制所需电能。在白天光照条件下，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，输出端开路。

2)蓄电池：作为独立光伏发电系统的储能环节，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到负载。智能控制器的电源由蓄电池供给。

3)BUCK电路：作为电能变换环节，通过调整驱动占空比改变光伏阵列输出端负载特性，达到跟踪其最大功率点的目的。

通过太阳电池阵列P-V曲线可知最大值点Pmax处的斜率为零，所以有：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=I+V*\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=0$

$-\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dV}}=\frac{I}{V}$

上式即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量的负值等于输出电导时，光伏阵列工作在最大功率点。这里前者称为电导增量，后者称为瞬间电导。

这种方法通过比较光伏阵列的和来改变控制信号。适用于大气条件变化较快的场合。要求传感器的精度比较高，系统各个部分响应速度比较快。

根据以上的算法分析，当电导增量和瞬间电导值相等时，可以认为外部状态没有改变，系统仍然工作在最大功率点；当电导增量小于瞬间电导时，说明当前的光照强度有所减弱或者由于温度升高导致阵列的输出功率下降，应该相应的降低系统输出有功以满足阵列最大功率输出的要求。当电导增量大于瞬间电导时，说明当前的光照强度有所增强，应该相应的增加系统输出有功使得光伏阵列总能以最大的功率输出。而增加或降低系统输出有功则通过调节上述BUCK电路驱动占空比进行。

Claims (1)

1、独立光伏发电系统用的最大功率点跟踪方法，其特征在于，该方法依次含有以下步骤：

步骤1：用微处理器作为该最大功率点跟踪控制器，检测太阳能电池光伏阵列的输出电压V_n，电流I_n；

步骤2：微处理器判断当前输出电压V_n和上一控制周期的输出电压采样值V_b之差dV：

若：dV＝0，

则：判断当前输出电流I_n和上一控制周期的输出电流采样值I_b之差dI；

若：dV≠0，

则：判断dI/dV是否等于-I/V；

步骤3：根据步骤2的判断结果：

若：dI＝0，

则：V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI/dV＝-I/V，

则：V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

步骤4：根据步骤3的判断结果：

若：dI≠0，

则：判断dI＞0否；

若：dI/dV≠-I/V，

则：判断dI/dV＞-I/V否；

步骤5：根据步骤4的判断结果：

若：dI＞0，

则：微处理器控制方波发生电路和与该电路串接的脉宽调制脉冲形成电路，产生脉宽调制脉冲去减小连接在太阳能电池光伏阵列输出端的BUCK电路的占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI/dV＞-I/V，

则：微处理器按所述步骤5的方法减小占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI＜0，

则：微处理器按所述步骤5的方法增大占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；

若：dI/dV＜-I/V，

则：微处理器按所述步骤5的方法增大占空比，并使V_b＝V_n，I_b＝I_n，结束；所述BUCK电路含有：

输入电容：该电容通过接入开关并接于所述太阳能电池光伏阵列输出端；

MOS管：该MOS管的控制端与所述脉宽调制脉冲形成电路的输出端相连，其余两端分别对地并接了一个上述输入电容和一个反接的二极管；

输出滤波电容：该电容并接着一个储能用的铅酸蓄电池，该电容同时又经过一个滤波电感接所述的二极管的负极。

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