CN103019294B - 一种自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪(MaximumPower Point Tracking，MPPT)方法，特别涉及太阳能光伏电池的最大功率点跟踪方法，属新能源技术领域。所述MPPT方法是采用如下控制方法：每次扰动(改变光伏电池输出电压参考值)后，在判断光伏电池输出电压进入稳态后再开始计算扰动前后功率的差值，保证功率变化方向判断的准确性；通过对功率差值进行累加，准确获得每次扰动过后功率的变化方向；根据功率差值累加到参考值的时间，实时调整扰动步长，根据光伏电池输出功率的大小，实时调整功率累加值的参考值，可以实现快速、精确跟踪到最大功率点，且在最大功率点附近扰动频率和扰动步长最小，有效避免扰动引起的功率损失，实现光伏电池输出功率的最大化。

Description

一种自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明属新能源技术领域，涉及的是一种太阳能光伏电池的最大功率点跟踪方法，特别涉及一种自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法，即MPPT(Maximum Power Point Tracking)方法。

背景技术

世界范围内的能源危机和环境问题，使得太阳能光伏发电技术成为各国关注和研究的热点。

太阳能光伏电池是光伏发电***的核心和关键部件，在特定光照和温度条件下的太阳能光伏电池输出电压u_PV和输出功率p_PV的典型关系曲线如附图1所示。根据附图1可知，相同的外部环境条件下，光伏电池输出功率与输出电压具有对应关系，为了最大程度发挥光伏电池的效用，最大程度提高光伏电池的发电量，增加光伏电池的产能，需要调整光伏电池输出端电压，使光伏电池的输出功率时刻保持在最大功率点(附图1中的M点)，即需要采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术。

目前常用的几种MPPT方法主要有：恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等。扰动观察法是每隔一定的时间改变光伏阵列的输出电压，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，由于扰动观察法算法简单、实现方便而广泛应用。扰动观察法实现MPPT时，扰动步长和扰动频率的选取极为关键，常规的扰动观察法采用固定的扰动步长和扰动频率，若步长过小，则使光伏电池长时间滞留在低功率输出去，若步长过大，又会使***振荡加剧，特别是会增大稳态时的功率损失。这是由于光伏电池的输出电压要一直在最大功率点附近扰动，步长越大，扰动时偏离真正的最大功率点越远，引起的功率损失也会越大。为了解决该问题，研究工作者通常从改变扰动步长的角度来改善MPPT跟踪的精度和快速性，但很少从改变扰动频率的角度提出该问题的解决对策。

注意到，在基于扰动观察法的MPPT方法中，最关键问题是施加扰动后功率变化方向的准确获取，同时下一次扰动的施加需要在本次扰动达到稳态后再进行，否则会产生扰动方向的误判断。为了保证光伏电池的输出电压已经达到稳态后再施加下一次扰动，通常的做法是选取相对较长的MPPT周期，保证在一个MPPT周期结束时，输出电压已经达到稳态。然而对应不同的扰动步长，输出电压达到稳定的时间并不一样，因此，固定MPPT周期的方式无法使变扰动步长MPPT跟踪效果达到最优。

发明内容

本发明针对现有MPPT方法所存在的不足，提出一种自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法，能够克服常规扰动观察法、变步长扰动观察法的缺点，使光伏电池快速、稳定的跟踪到最大功率点。

为了达到上述目的和效果，本发明所提供的自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法采取以下步骤：

(1)检测太阳能电池的输出电压u_PV，电流i_PV；

(2)判断输入电压计数值N_UK是否大于输入电压计数值基准N_{UK_R}；

若N_UK≤N_{UK_R}，则转入步骤(3)；

若N_UK>N_{UK_R}，则转入步骤(4)；

(3)判断太阳能电池输出电压u_PV与当前MPPT周期的光伏电池输出电压参考值u(k)的误差绝对值是否小于设定的电压误差参考值Δu_R；

若|u_PV-u(k)|<Δu_R，则N_UK增1，结束；

若|u_PV-u(k)|≥Δu_R，则N_UK置为0，结束；

(4)根据光伏电池的输出电压u_PV、电流i_PV计算光伏电池的输出功率p_PV：

p_PV＝u_PVi_PV

同时使功率计算计数值N_P增1，然后计算光伏电池的当前输出功率p_PV与上一MPPT周期光伏电池平均输出功率P(k-1)的差值，并将该功率差值加入功率差值累加值Δp：

Δp＝Δp+p_PV-P(k-1)

(5)判断功率差值累加值的绝对值|Δp|是否大于功率差值参考值ΔP_R：

若|Δp|>ΔP_R，则转入步骤(6)；

若|Δp|≤ΔP_R，则退出；

(6)判断功率差值累加值Δp的符号：

若Δp>0，则继续判断当前光伏电池输出电压参考值u(k)与上一个MPPT周期的光伏电池电压参考值u(k-1)的关系：若u(k)>u(k-1)，则转入步骤(7)，否则转入步骤(8)；

若Δp≤0，则继续判断当前光伏电池输出电压参考值u(k)与上一个MPPT周期的光伏电池电压参考值u(k-1)的关系：若u(k)>u(k-1)，则转入步骤(8)，否则转入步骤(7)；

(7)增加光伏电池输出电压参考值，即使得下一个MPPT周期内光伏电池输出电压参考值u(k+1)＝u(k)+Δu，其中Δu为光伏电池输出电压扰动步长，然后转入步骤(9)；

(8)减小光伏电池输出电压参考值，即使得下一个MPPT周期内光伏电池输出电压参考值u(k+1)＝u(k)-Δu，其中Δu为光伏电池输出电压扰动步长，然后转入步骤(9)；

(9)按照下式改变功率差值参考值ΔP_R，再将输入电压计数值N_UK置为0，功率差值累加值Δp置为0，功率计算计数值N_P置为0：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_R=k_P\frac{N_P}{N_{\mathrm{PR}}}P\left(k\right)$

其中，N_PR为N的参考值，k_P为功率差值参考值计算比例系数且k_P>0，当前MPPT周期结束，退出。

在上述步骤(7)和步骤(8)中，光伏电池输出电压扰动步长Δu根据下式计算：

$\mathrm{\&Delta;u}=\frac{k_u}{N_P}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{U}_R$

其中：k_u为光伏电池输出电压扰动步长计算比例系数且k_u>0，ΔU_R为输出电压扰动步长参考值。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

(1)本发明所述最大功率点跟踪方法能够自动调整扰动频率和扰动步长，使得光伏电池输出功率点偏离最大功率点越远时，扰动频率和扰动步长越大，保证跟踪速度的快速性；

(2)本发明所述最大功率点跟踪方法能够自动调整扰动频率和扰动步长，使得光伏电池输出功率点达到最大功率点时，扰动频率和扰动步长最小，保证最大功率点附近时跟踪的稳定性，减少由于扰动引起的功率损失；

(3)本发明所示最大功率点跟踪方法，在判断输入端电压达到稳态后再开始功率的变化方向的判断，能够保证扰动的有效性和稳定性，避免无扰动的发生；

(4)当外部环境突然发生变化导致光伏电池输出功率发生突变时，扰动频率和步长能够自动调整，实现快速跟踪。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为太阳能光伏电池输出电压和输出功率特性曲线；

图2为本发明自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法的流程图；

图3为实施例一所对应的光伏发电***构成示意图；

图中符号说明：u_PV、i_PV、p_PV分别为光伏电池输出电压、输出电流和输出功率；附图3中，C₁、C₂为电容，S₁～S₄为开关管，L为电感。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为了叙述方便，以下结合附图1和附图2说明本发明的技术方案。

根据附图1所示的光伏电池输出电压u_PV和输出功率p_PV曲线可知，光伏电池输出功率离最大功率点(附图1中M点)越远，输出功率越小，同时曲线的斜率越大，而在最大功率点附近，光伏电池输出功率最大但曲线的斜率最小。因此为了使光伏电池输出功率快速到达最大功率点，同时使最大功率点时光伏电池输出功率稳定，应该使扰动频率和扰动步长随光伏电池输出功率的增加而减小，其为本发明自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法的根本出发点。

基于上述原理，本发明自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法流程图如如图2所示，具体实施时采取以下步骤：

(1)检测太阳能电池的输出电压u_PV，电流i_PV；

(2)判断输入电压计数值N_UK是否大于输入电压计数值基准N_{UK_R}；

若N_UK≤N_{UK_R}，则转入步骤(3)；

若N_UK>N_{UK_R}，则转入步骤(4)；

(3)判断太阳能电池输出电压u_PV与当前MPPT周期的光伏电池输出电压参考值u(k)的误差绝对值是否小于设定的电压误差参考值Δu_R；

若|u_PV-u(k)|<Δu_R，则N_UK增1，结束；

若|u_PV-u(k)|≥Δu_R，则N_UK置为0，结束；

(4)根据光伏电池电压u_PV、电流i_PV计算光伏电池功率p_PV：

p_PV＝u_PVi_PV

同时使功率计算计数值N_P增1，然后计算光伏电池的当前输出功率p_PV与上一MPPT周期光伏电池平均输出功率P(k-1)的差值，并将该功率差值加入功率差值累加值Δp：

Δp＝Δp+p_PV-P(k-1)

(5)判断功率差值累加值的绝对值|Δp|是否大于功率差值参考值ΔP_R：

若|Δp|>ΔP_R，则转入步骤(6)；

若|Δp|≤ΔP_R，则退出；

(6)判断功率差值累加值Δp的符号：

若Δp>0，则继续判断当前光伏电池输出电压参考值u(k)与上一个MPPT周期的光伏电池电压参考值u(k-1)的关系：若u(k)>u(k-1)，则转入步骤(7)，否则转入步骤(8)；

若Δp≤0，则继续判断当前光伏电池输出电压参考值u(k)与上一个MPPT周期的光伏电池电压参考值u(k-1)的关系：若u(k)>u(k-1)，则转入步骤(8)，否则转入步骤(7)；

(7)增加光伏电池输出电压参考值，即使得下一个MPPT周期内光伏电池输出电压参考值u(k+1)＝u(k)+Δu，其中Δu为光伏电池输出电压扰动步长，然后转入步骤(9)；

(8)减小光伏电池输出电压参考值，即使得下一个MPPT周期内光伏电池输出电压参考值u(k+1)＝u(k)-Δu，其中Δu为光伏电池输出电压扰动步长，然后转入步骤(9)；

(9)按照下式改变功率差值参考值ΔP_R，再将输入电压计数值N_UK置为0，功率差值累加值Δp置为0，功率计算计数值NP置为0，作为下个周期的起点：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_R=k_P\frac{N_P}{N_{\mathrm{PR}}}P\left(k\right)$

其中，N_PR为N的参考值，k_P为功率差值参考值计算比例系数且k_P>0，当前MPPT周期结束，退出；

在上述步骤(7)和步骤(8)中，光伏电池输出电压扰动步长Δu根据下式计算：

$\mathrm{\&Delta;u}=\frac{k_u}{N_P}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{U}_R$

其中：k_u为光伏电池输出电压扰动步长计算比例系数且k_u>0，ΔU_R为输出电压扰动步长参考值。

根据上述实施步骤可知：

(1)对光伏电池输出功率的判断在光伏电池输出端电压达到稳态以后，即每个MPPT周期施加扰动后，只有当光伏电池输出端电压稳定(与给定电压基准的偏差小于设定的误差值Δu_R)后才开始判断功率的变化方向，这能够保证每次施加扰动后，光伏电池的输出端电压都已经达到设定值，避免扰动速度过快而光伏电池电压跟随不上扰动速度带来的误扰动或误判断问题。

(2)直接对扰动后光伏电池输出功率与上一个MPPT周期(施加扰动前)的功率差进行累加，可以准确的获得功率变化的方向，由于设定了功率差的累加参考值ΔP_R，对于同一个参考值ΔP_R，当扰动过后功率变化越大时，功率差累加到参考值的时间越短，表明MPPT扰动频率越高，因此，当功率随电压变化的斜率越大时，对应的MPPT周期越短、扰动频率越高。根据附图1所示的光伏电池输出功率与电压曲线关系可知，光伏电池输出功率点离最大功率点越远，对应的功率随电压变化的斜率越大，因此本发明最大功率点跟踪方法可以通过自动调整扰动频率加快MPPT跟踪的速度。

(3)功率累加参考值ΔP_R正比于光伏电池输出功率，光伏电池输出功率越大，功率累加参考值越大，光伏电池输出功率越小，功率累加参考值越小，表明光伏电池输出功率点离最大功率点越近，功率累加参考值越大，对应的MPPT扰动频率越低，光伏电池输出功率点离最大功率点越远，功率累加参考值越小，对应的MPPT扰动频率越高，能够更进一步提高跟踪的速度和最大功率点处跟踪的稳定度。

(4)光伏电池输出电压扰动步长Δu正比于MPPT扰动周期，即反比于MPPT扰动频率，表明光伏电池输出功率点离最大功率点越远，扰动步长Δu越大，光伏电池输出功率点里最大功率点越近，扰动步长Δu越小，也能够更进一步提高跟踪的速度和最大功率点处跟踪的稳定度。

(5)当光伏电池输出功率点已经处于最大功率点，若此时外部环境(光照、遮挡等)突然发生变化导致输出功率发生突变，则对应的功率变化差Δp也会跟随变大，而此时功率累加参考值ΔP_R尚未发生变化，因此功率差累加到参考值的时间也会自动缩短，对应的MPPT扰动频率自动提高，因此本发明最大功率点跟踪方法能够在光照条件突然变化时自动调整MPPT扰动频率和步长，提高此时跟踪的快速性。

在本发明的一个实施例中，本发明最大功率点跟踪方法(MPPT)基于飞思卡尔MC56F8245 DSP，采用C语言编程实现，被用于DC-DC变换器(四开关升降压变换器)的控制，用于实现光伏电池的最大功率点跟踪。

该实施例的光伏发电***构成示意图如附图3所示。整个***包括太阳能光伏电池、电压电流采用模块、驱动电路、DSP、DC-DC变换器以及负载。其中太阳能光伏电池通过DC-DC变换器连接负载，而DSP通过电压电流采用模块连接太阳能光伏电池，并通过驱动电路控制DC-DC变换器。DC-DC变换器由电容C₁、C，开关管S₁～S₄以及电感L连接组成。

该***通过采样光伏电池输出电压和输出电流，经DSP运算后控制DC-DC变换器开关管的开通和关断，实现光伏电池的最大功率跟踪，DC-DC变换器的输出可以负载可以是蓄电池、并网逆变器或者其它负载。本实施例中，DC-DC变换器的输入电压范围是7～60V，输出电压范围是0～60V，额定功率300W，DC-DC变换器中开关管开关频率100kHz。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种自适应扰动频率和步长的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)检测太阳能电池的输出电压u_PV，电流i_PV；

(2)判断输入电压计数值N_UK是否大于输入电压计数值基准N_{UK_R}；

若N_UK≤N_{UK_R}，则转入步骤(3)；

若N_UK>N_{UK_R}，则转入步骤(4)；

(3)判断太阳能电池输出电压u_PV与当前MPPT周期的光伏电池输出电压参考值u(k)的误差绝对值是否小于设定的电压误差参考值Δu_R；

若|u_PV-u(k)|<Δu_R，则N_UK增1，结束；

若|u_PV-u(k)|≥Δu_R，则N_UK置为0，结束；

(4)根据光伏电池的输出电压u_PV、电流i_PV计算光伏电池的输出功率p_PV：

p_PV＝u_PVi_PV

同时使功率计算计数值N_P增1，然后计算光伏电池的当前输出功率p_PV与上一MPPT周期光伏电池平均输出功率P(k-1)的差值，并将该功率差值加入功率差值累加值Δp：

Δp＝Δp+p_PV-P(k-1)

(5)判断功率差值累加值的绝对值|Δp|是否大于功率差值参考值ΔP_R：

若|Δp|>ΔP_R，则转入步骤(6)；

若|Δp|≤ΔP_R，则退出；

(6)判断功率差值累加值Δp的符号：

若Δp>0，则继续判断当前光伏电池输出电压参考值u(k)与上一个MPPT周期的光伏电池电压参考值u(k-1)的关系：若u(k)>u(k-1)，则转入步骤(7)，否则转入步骤(8)；

若Δp≤0，则继续判断当前光伏电池输出电压参考值u(k)与上一个MPPT周期的光伏电池电压参考值u(k-1)的关系：若u(k)>u(k-1)，则转入步骤(8)，否则转入步骤(7)；

(7)增加光伏电池输出电压参考值，即使得下一个MPPT周期内光伏电池输出电压参考值u(k+1)＝u(k)+Δu，其中Δu为光伏电池输出电压扰动步长，然后转入步骤(9)；

(8)减小光伏电池输出电压参考值，即使得下一个MPPT周期内光伏电池输出电压参考值u(k+1)＝u(k)-Δu，其中Δu为光伏电池输出电压扰动步长，然后转入步骤(9)；

(9)按照下式改变功率差值参考值ΔP_R，然后再将输入电压计数值N_UK置为0，功率差值累加值Δp置为0，功率计算计数值N_P置为0：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_R=k_P\frac{N_P}{N_{\mathrm{PR}}}P\left(k\right)$

其中，N_PR为N的参考值，k_P为功率差值参考值计算比例系数且k_P>0，当前MPPT周期结束，退出；

所述步骤(7)和步骤(8)中，光伏电池输出电压扰动步长Δu根据下式计算：

$\mathrm{\&Delta;u}=\frac{k_u}{N_P}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{U}_R$

其中：k_u为光伏电池输出电压扰动步长计算比例系数且k_u>0，ΔU_R为输出电压扰动步长参考值。