CN1862942A - dP/dV－I近线性的光伏发电系统最大功率点跟踪法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光伏发电系统控制技术领域，基于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；(4)光伏并网系统。由于光伏电池阵列工作在最大功率工作点以及稳定工作区域内时具有dP/dV与I的近似线性特性关系。本发明以调节光伏阵列输出电流为目的，通过控制作为电能变换环节的BUCK电路占空比或并网型逆变器的PWM驱动信号，从而实现光伏阵列的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，光伏阵列输出电流仍能以近似线性的、快速的、平滑的方式跟踪其变化，能够很好地实现光伏电池阵列最大功率点跟踪控制。

Description

dP/dV-I近线性的光伏发电系统最大功率点跟踪法

技术领域

本发明涉及一种应用在独立的以及并网型光伏发电系统中的最大功率点跟踪方法，属于光伏发电系统控制技术领域。

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；并网型光伏发电系统可带或不带储能环节，其输出端与市电相连，向电网输出电能，如同一个小型的分布式发电站，传统的控制方式较复杂，通常需要双环控制电路，其中内环为电流环实现并网型光伏逆变器输出电流与市电电压同步输出，外环为电压环通过调节光伏阵列的输出电压实现光伏阵列的最大功率输出。

人们普遍认为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。目前，市场上常见的由36块光伏电池构成的光伏模块其典型的I-V，P-V随着光照强度、温度变化的特性曲线如图1、图2所示。图1清楚表明了光伏模块从清晨到傍晚其输出功率随着日照强度而变化，曲线的光照强度从上到下依次为1000、800、600、400、200W/M²，根据该组曲线可知光伏电池在一天内输出功率变化范围相当宽广。图2显示了光伏电池阵列I-V，P-V曲线在标准照度下随着温度不同而变化的曲线，曲线从右到左的参考温度依次为0、25、50、75℃。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(MaximumPower Point，MPP)。因为光伏电池阵列P-V曲线是高度非线性，因此根据P-V曲线特性，通过直接调节光伏阵列输出电压，实现光伏电池阵列最大功率点跟踪控制的许多策略，都难以做到快速、平滑地跟踪光伏电池阵列最大功率工作点(MPP)。

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(MaximumPower 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，使负载曲线与光伏发电曲线相匹配，从而满足光伏阵列输出最大功率的条件。这样即使光伏电池在照度、温度变化的环境下，光伏发电系统仍然可以工作在当前工况下的最佳状态。

为便于说明，现将光伏阵列发电曲线与负载匹配曲线绘制如图3所示。当负载为R1时，其负载曲线与光伏发电曲线的交叉点为A1，当增加负载电阻值为R2、R3时，其交叉点分别移至A2、A3点，由曲线图可知当负载电阻值为R2时，负载从光伏阵列中获得了最大的功率。

目前比较成熟的MPPT技术主要有一阶爬山法、干扰观察法、电导增量法以及各种改进电导增量法等等，这些技术一般都是以是电压作为参考值进行调节，以达到对光伏发电系统最大功率点进行跟踪控制的目的。但是光伏阵列dP/dV与V的关系是非线性的，如图4所示。因此基于dP/dV-V的关系的各种最大功率跟踪控制转换方法，都会存在一些缺点，如复杂性、快速性问题，皆无可避免地因为扰动而产生功率的波动，从而造成额外的损失。

基于试验室300W的光伏电池阵列模型仿真以及对实验数据处理发现，当光伏阵列工作在最大功率点时，dP/dV与负载电流I之间存在着近似的线性关系。图5左图显示了dP/dV-I仿真曲线，右图显示了dP/dV-I的实验曲线。根据光伏阵列dP/dV-I的近似线性特性的关系，即可利用电流作为参考量，改变传统的以电压作为参考量的方法，通过调节光伏阵列的输出电流，也能实现光伏阵列的最大功率点(dP/dV＝0)跟踪，而且该方法为线性控制方法，从理论上讲，以电流作为参考值的最大功率点跟踪方法要好于以电压作为参考值的最大功率跟踪方法。

当光伏阵列工作在最大功率点(dP/dV＝0)及稳定工作点附近时，dP/dV是自变量为I的近似一次函数，具有如下关系式：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=\mathrm{BI}-C---\left(16\right)$

其中B，C为：

$B=(1+\frac{q}{\mathrm{AKT}}V),C=\frac{q}{\mathrm{AKT}}(I_{\mathrm{sc}}+I_o)V---\left(15\right)$

上式中I_o为流过光伏电池模型中的二极管反向饱和漏电流，I_sc为光伏电池模型负载两端电压为零时短路电流，q为电荷量1.6×10^-19C，K为玻尔兹曼常数1.38×10^-23J/K，T为光伏阵列的工作温度，单位为K，A为二极管的理想常数；

发明内容

本发明的目的是提供一种既可应用在独立的也可应用于并网型光伏发电系统，具有快速性、平滑性、高可靠性、高效和控制简单等特点的最大功率点跟踪技术。当将该发明应用于并网型光伏发电系统时更体现其优越性，因为采用本发明的方法，只需要一个电流环通过调节PWM驱动信号既可实现并网型逆变器输出与市电电压同步的电流，同时又能够实现光伏阵列最大功率输出跟踪控制。

本发明的特点在于：该方法是一种基于光伏阵列的输出功率P对其输出电压V的变化率与光伏阵列负载电流I近似线性关系的光伏发电系统用的最大功率点跟踪方法，该方法依次含有以下步骤：

步骤(1).用微处理器作为独立的光伏发电系统或并网型光伏发电系统内控制脉宽调制脉冲的形成电路中的最大功率点跟踪控制器，检测所述光伏发电系统中太阳能电池光伏阵列的输出电压V_n，输出电流I_n；

步骤(2).该微处理器计算当前输出电压V_n和上一控制周期的输出电压采样值V_p之差ΔV，以及计算当前输出电流I_n和上一控制周期的输出电流I_p之差ΔI，并判断：

若，ΔV＝0，

则，判断ΔI是否等于0，

若，ΔV≠0，

则，判断 $I_n+\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\ΔV}}{V}_n$ 是否等于0；

步骤(3).根据步骤(2)的判断结果：

若，ΔI＝0，则，V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若， $I_n+\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\ΔV}}{V}_n=0,$

则，V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

步骤(4).根据步骤(3)的判断结果：

若，ΔI≠0，

则，判断ΔI＞0，

若， $I_n+\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\ΔV}}{V}_n\≠0,$

则，判断 $I_n+\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\ΔV}}{V}_n>0$ 否；

步骤(5)：根据步骤(4)的判断结果：

若，ΔI＞0，

则，线性地减少该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若，ΔI＜0，

则，线性地增加该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若， $I_n+\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\ΔV}}{V}_n>0,$

则，线性地减少该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若， $I_n+\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{\mathrm{\&Delta;V}}{V}_n<0,$

则，线性地增加该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回。

这种方法通过调节光伏阵列输出电流实时跟踪参考电流I_ref以满足dP/dV＝0的条件，从而实现光伏阵列的最大功率输出。该方法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，但控制算法简单，易于实现。该方法特别适合于并网型光伏发电系统，因为传统的光伏并网控制系统需要双环控制电路，其中内环为电流环实现并网型光伏逆变器输出电流与市电电压同步，外环为电压环通过调节光伏阵列的输出电压实现MPPT。而采用本发明的方法，只需要一个电流环通过调节PWM驱动信号即可实现并网型逆变器输出与市电电压同步的电流，同时又能够实现光伏阵列最大功率输出跟踪控制。

附图说明

图1.光伏电池模块I-V随太阳照度变化的曲线；

图2.光伏电池模块P-V随太阳照度变化的曲线；

图3.光伏电池模块I-V随温度变化的曲线；

图4.光伏电池模块P-V随温度变化的曲线；

图5.光伏发电系统与负载匹配曲线；

图6.光伏阵列dP/dV-V的仿真曲线；

图7.光伏阵列dP/dV-I的仿真曲线；

图8.光伏阵列dP/dV-I的实验曲线；

图9.以电流为控制环的MPPT方法的程序流程图；

图10.独立的光伏发电系统框图；

具体实施方式

本发明所述的最大功率点跟踪技术既可应用于独立光伏发电系统，也可应用于并网式光伏发电系统，以独立的光伏发电系统为例，如图10所示：

1)太阳能电池：太阳能电池是独立光伏发电系统的输入，为整个系统包括控制电路提供电能。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，通过调节光伏阵列参考输出电流从而改变MOS管的门极驱动信号占空比，以达到负载特性与光伏阵列发电曲线在最大功率点相匹配，从而实时实现光伏阵列的最大功率输出的目的。

所列举的BUCK电路含有：

输入电容C1：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管的控制端与所述控制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C2：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。

通过太阳能电池光伏阵列P-V曲线可知最大值点P_max处的斜率为零，所以有：

$\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;V}}=I+V\&times;\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;V}}=0$

同时在最大功率点附近具有dP/dV-I的近似线性特性，即有下式：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=\mathrm{BI}-C$

其中B、C为：

$B=(1+\frac{q}{\mathrm{AKT}}V),C=\frac{q}{\mathrm{AKT}}(I_{\mathrm{sc}}+I_o)V$

本发明所述独立的以及并网型光伏发电系统中的MPPT控制流程图如图9所示。图9中，V_n、I_n为检测到光伏阵列当前电压、电流值，V_p、I_p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，光伏阵列输出电流能以快速的、平稳的方式跟踪其变化，而且动稳态的振荡都很小。

Claims (1)

1.dP/dV-I近线性的光伏发电系统最大功率点跟踪法，其特征在于，该方法是一种基于光伏阵列的输出功率P对其输出电压V的变化率与光伏阵列负载电流I近似线性关系的光伏发电系统用的最大功率点跟踪方法，该方法依次含有以下步骤：

步骤(1).用微处理器作为独立的光伏发电系统或并网型光伏发电系统内控制脉宽调制脉冲的形成电路中的最大功率点跟踪控制器，检测所述光伏发电系统中太阳能电池光伏阵列的输出电压V_n，输出电流I_n；

步骤(2).该微处理器计算当前输出电压V_n和上一控制周期的输出电压采样值V_p之差ΔV，以及计算当前输出电流I_n和上一控制周期的输出电流I_p之差ΔI，并判断：

若，ΔV＝0，

则，判断ΔI是否等于0，

若，ΔV≠0，

则，判断 $I_n+\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{\mathrm{\&Delta;V}}{V}_n$ 是否等于0；

步骤(3).根据步骤(2)的判断结果：

若，ΔI＝0，则，V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若， $I_n+\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{\mathrm{\&Delta;V}}{V}_n=0,$

则，V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

步骤(4).根据步骤(3)的判断结果：

若，ΔI≠0，

则，判断ΔI＞0，

若， $I_n+\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{\mathrm{\&Delta;V}}{V}_n\&NotEqual;0,$

则，判断 $I_n+\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{\mathrm{\&Delta;V}}{V}_n>0,$ 否；

步骤(5)：根据步骤(4)的判断结果：

若，ΔI＞0，

则，线性地减少该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若，ΔI＜0，

则，线性地增加该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若， $I_n+\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{\mathrm{\&Delta;V}}{V}_n>0,$

则，线性地减少该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回；

若， $I_n+\frac{\mathrm{\&Delta;I}}{\mathrm{\&Delta;V}}{V}_n<0,$

则，线性地增加该微处理器输出的参考电流I_ref的值，调节PWM驱动信号，一直到V_p＝V_n，I_p＝I_n，返回。

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