CN102043419B - 一种无电流传感器的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无电流传感器的最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)方法，属新能源技术领域。该方法根据动态过渡过程中光伏阵列与变换器之间的电容上电压的纹波包含了光伏阵列的输出功率的信息，因此通过计算连续两个MPPT周期后电容电压的变化值，可以获得光伏阵列输出功率的变化方向，进而实现对光伏阵列的最大功率点跟踪。与通常的MPPT方法相比，该方法不需要电流传感器即可判断光伏阵列输出功率的变化方向，准确地实现了最大功率点跟踪，降低了***的成本，提高了***的可靠性，具有一定的实用价值。在新能源发电特别是太阳能发电有着广泛的应用前景。

Description

一种无电流传感器的最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种最大功率点跟踪方法，尤其涉及一种无电流传感器的最大功率点跟踪方法，属新能源技术领域，特别是光伏发电领域。

技术背景

光伏阵列是太阳能光伏发电***的核心和关键部件。根据太阳能电池的I-V特性可知，在不同的太阳光强和电池温度时太阳能电池都存在最大功率点，因此为了充分利用太阳能电池的输出能量，最大限度发挥太阳能电池的效用，必须使光伏阵列时刻工作在最大功率点，即需要采用最大功率点跟踪技术。

目前常用的几种MPPT方法主要有：恒定电压法、扰动观察法(P&O，PerturbatiOnand Observation)亦称爬山法(Hill Climbing)等。恒定电压跟踪法利用光伏阵列输出最大功率时其工作电压V_PV与开路电压V_oc存在近似的比例关系这一特点来进行控制，它实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，把最大功率点***简化为一个稳压器，近似地实现MPPT。恒定电压跟踪法具有控制简单，可靠性高和快速性好等优点，但其缺点是无自动跟踪功能，控制精度差，并不是真正意义上的MPPT。扰动观察法是每隔一定的时间改变光伏阵列的工作电压或电流，实时观察比较改变前后两点的输出功率值以改变调节电压的方向，最终稳定在最大功率点附近。目前的各种见诸文献的扰动观察法，都需要同时检测光伏阵列的电压和电流，根据光伏阵列功率的变化方向，决定电压或电流扰动的增减来达到跟踪的目的。然而，这些方法都忽略了一个重要的信息，即在以MPPT周期为时间单位的动态过渡过程中，电容上电压的纹波即包含了光伏阵列输出功率的信息。通过计算连续两个MPPT周期后电容电压的变化值，可以获得光伏阵列输出功率的变化方向，进而实现最大功率点跟踪。

发明内容

本发明针对背景技术中最大功率点跟踪技术中存在的缺陷而提出的一种低成本，高可靠性、适用于新能源发电场合的无电流传感器最大功率点跟踪方法。

本发明的无电流传感器最大功率点跟踪方法，该方法根据动态过渡过程中光伏阵列与变换器之间的电容上电压的纹波包含了光伏阵列的输出功率的信息，因此通过计算连续两个MPPT周期后电容电压的变化值，可以获得光伏阵列输出功率的变化方向，进而实现对光伏阵列的最大功率点跟踪。与通常的MPPT方法相比，该方法不需要电流传感器即可判断光伏阵列输出功率的变化方向，准确地实现了最大功率点跟踪，降低了***的成本，提高了***的可靠性，具有一定的实用价值。在新能源发电特别是太阳能发电中有着广泛的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用了一种无电流传感器的最大功率点跟踪方法，其技术方案的特征在于控制步骤如下：

步骤1：用微处理器作为光伏***最大功率跟踪控制器，检测t₀时刻光伏阵列与变换器之间的电容的电压u₀。

步骤2：在t₀时刻施加扰动，并一直维持至t₀+2T时刻。T为MPPT的周期。该微处理器检测t₀+T，t₀+2T时刻电容电压值u₁，u₂；

步骤3：根据步骤2的检测结果计算u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²，计算u₂-u₁；

设sign(Δp)＝sign(u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²)

sign(Δu)＝sign(u₂-u₁)

得到两个三值函数，即+1、-1、0。

步骤4：根据步骤3中计算的sign(Δp)和sign(Δu)的值，判断如何实施下一步扰动。

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝1 ，左坡上行，最小负扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝1，左至右坡，不动作；

sign(Δp)＝-1，sign(Δu)＝1，右坡下行，不动作；

sign(Δp)＝1，sign(Δ u)＝0，法向上升，最小正扰功；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝0，顶点，最小负扰动；

sign(Δp)＝-1，sign(Δu)＝0，法向下降，最小正扰动；

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝-1，右坡上行，最小正扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝-1，右至左坡，最小负扰动；

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝-1，左坡下行，最大负扰动；

附图说明

图1是本发明所述的无电流传感器最大功率点跟踪方法流程图

图2是本发明所述无电流传感器最大功率点跟踪方法的***控制结构图。

图3是本发明在单级式并网工作情况下的实施例控制结构示意图。

图1-图3中的标号说明：u₀-t₀时刻的电容电压值；u₁-t₀+T时刻的电容电压值；u₂-t₀+2T时刻的电容电压值；sign(Δp)-光伏阵列功率的变化方向；sign(Δu)-电容电压的变化方向；PV array-光伏阵列；C_pv-电容；u_c-电容电压；mppt-最大功率点跟踪；PWM-脉宽调制。

具体实施方式

本发明所述的无电流传感器最大功率点跟踪方法流程图如图1所述，检测u₀，u₁，u₂分别对应t₀，t₀+T，t₀+2T时刻的电容电压值。令sign(Δp)＝u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²，sign(Δu)＝u₂-u₁，根据sign(Δp)和sign(Δu)的值判断施加扰动的方向。

图2所示是本发明的无电流传感器最大功率点跟踪方法的***控制结构图。其理论依据是，动态过渡过程中太阳能电池与变换器之间的电容C_pv上电压u_c的纹波，包含了光伏阵列的输出功率的信息。通过计算连续两个MPPT周期后电容电压的变化值，可以获得光伏阵列输出功率的变化方向，进而实现光伏阵列输出功率的最大功率点跟踪。与通常的MPPT方法相比，该方法不需要电流传感器即可判断太阳能电池输出功率的变化方向，准确地实现了最大功率点跟踪，降低了***的成本，提高了***的可靠性。

在具体实施过程中，根据变换器和负载的不同而具有多种实施方式。如图3所示是变换器采用单级式逆变器，负载采用交流电网的实施例控制结构示意图。

下面以图3所示的控制结构示意图说明技术方案的实现。选取t₀时刻为开始时刻，T为电网周期的一半，这是因为电网功率 ${\hat{p}}_0{\sin }^2\mathrm{\ωt}=\frac{{\hat{p}}_0}{2}(1-\cos 2\mathrm{\ωt}),$ 变化的周期为电网电压周期的一半。取t₁＝t₀+T，t₂＝t₀+2T。在此时刻施加扰动，并且将此扰动一直维持至t₂时刻。设(t₀，t₁)，(t₁，t₂)周期内光伏阵列的输出平均功率为p₁，p₂并保持恒定；t₀，t₁，t₂时刻电容的电压分别为u₀，u₁，u₂，依据下列能量平衡关系：

${\∫}^{t-T}{p}_0\mathrm{dt}+\frac{1}{2}{{\mathrm{Cu}}^2}_{t+T}-\frac{1}{2}{{\mathrm{Cu}}^2}_t={\mathrm{Tp}}_t---\left(1\right)$

分别对(t₀，t₁)，(t₁，t₂)两个周期实施上述运算，得到：

${\∫}_{t_0}^{t_0+T}{p}_0\mathrm{dt}+\frac{1}{2}{{\mathrm{Cu}}^2}_1-\frac{1}{2}{{\mathrm{Cu}}^2}_0={\mathrm{Tp}}_1---\left(2\right)$

${\∫}_{t_0+T}^{t_0+2T}{p}_0\mathrm{dt}-\frac{1}{2}{{\mathrm{Cu}}^2}_2-\frac{1}{2}{{\mathrm{cu}}^2}_1={\mathrm{Tp}}_2---\left(3\right)$

由于p₀以T为周期，故 ${\∫}_{t_0}^{t_0+T}{p}_0\mathrm{dt}={\∫}_{t_0+T}^{t_0+2T}{p}_0\mathrm{dt}.$ 将(2)，(3)相减得到：

$(p_2-p_1)=\frac{C}{2T}({u_2}^2+{u_0}^2-2{u_1}^2)---\left(4\right)$

(4)式表明，光伏阵列功率变化的方向，可以由电容电压反映。因此可以看出，本发明中变换器的控制量与电容电压有关，通过检测电容电压对变换器进行控制，即可实现最大功率点跟踪。具体步骤如下：

步骤1：用微处理器作为光伏***最大功率跟踪控制器，检测t₀时刻光伏阵列与变换器之间的电容的电压u₀。

步骤2：在t₀时刻施加扰动，并一直维持至t₀+2T时刻。T为MPPT的周期。该微处理器检测t₀+T，t₀+2T时刻电容电压值u₁，u₂；

步骤3：根据步骤2的检测结果计算u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²，计算u₂-u₁；

设sign(Δp)＝sign(u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²)

sign(Δu)＝sign(u₂-u₁)

得到两个三值函数，即+1、-1、0。

步骤4：根据步骤3中计算的sign(Δp)和sign(Δu)的值，判断如何实施下一步扰动。

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝1，左坡上行，最小负扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝1，左至右坡，不动作；

sign(Δp)＝-1，sign(Δu)＝1，右坡下行，不动作；

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝0，法向上升，最小正扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝0，顶点，最小负扰动；

sign(Δp)＝-1，sign(Δu)＝0，法向下降，最小正扰动；

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝-1，右坡上行，最小正扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝-1，右至左坡，最小负扰动；

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝-1，左坡下行，最大负扰动；

Claims (4)

1.一种无电流传感器的最大功率点跟踪方法，其特征在于，根据光伏组件输出功率、变换器输入滤波电容耦合功率和并网功率的关系，控制连续两个并网功率周期内并网功率相等，检测t₀，t₀+T，t₀+2T时刻对应的滤波电容电压值u₀，u₁，u₂，T为MPPT的周期，即并网功率周期，通过计算连续两个并网功率周期内，滤波电容电压变化量u₂-u₁和u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²，根据sign(Δp)＝sign(u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²)和sign(Δu)＝sign(u₂-u₁)的三值函数值判断光伏组件输出功率的变化方向。

2.如权利要求1所述的无电流传感器的最大功率点跟踪方法，其特征在于控制步骤如下：

步骤1：用微处理器作为光伏***最大功率跟踪控制器，检测t₀时刻光伏阵列与变换器之间的电容的电压u₀；

步骤2：在t₀时刻施加扰动，并一直维持至t₀+2T时刻，T为MPPT的周期，即并网功率周期，该微处理器检测t₀+T，t₀+2T时刻电容电压值u₁，u₂；

步骤3：根据步骤2的检测结果计算u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²，计算u₂-u₁；

设sign(Δp)＝sign(u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²)，

sign(Δu)＝sign(u₂-u₁)，

得到两个三值函数，即+1，-1,0；

步骤4：根据步骤3中计算的sign(Δp)和sign(Δu)的值，判断如何实施下一步扰动，具体如下：

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝1，左坡上行，最小负扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝1，左至右坡，不动作；

sign(Δp)＝-1，sign(Δu)＝1，右坡下行，不动作；

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝0，法向上升，最小负扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝0，顶点，最小负扰动；

sign(Δp)＝-1，sign(Δu)＝0，法向下降，最小正扰动；

sign(Δp)＝1，sign(Δu)＝-1，右坡上行，最小正扰动；

sign(Δp)＝0，sign(Δu)＝-1，右至左坡，最小负扰动；

sign(Δp)＝-1，sign(Δu)＝-1，左坡下行，最大负扰动；

其中，法向上升代表光照增加，法向下降代表光照减弱。

3.如权利要求1所述的无电流传感器的最大功率点跟踪方法，其特征在于，电容电压检测的是某时刻的电容电压的瞬时值，等同于该时刻电容电压的前一个MPPT周期的平均值，电容电压的变化周期可以与变换器输出功率的变化周期同步。

4.如权利要求1所述的无电流传感器的最大功率点跟踪方法，其特征在于，光伏组件输出功率的变化方向是通过判断(u₂ ²+u₀ ²-2u₁ ²)的方向得到的，其中，光伏组件输出功率也是一个MPPT周期的平均值。