CN103729013A - 最大功率点跟踪 - Google Patents

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Abstract

跟踪光伏***最大功率点的方法及设备，在该方法中，基于工作点和光伏***生成的功率的变化改变光伏***的工作点，其包括重复进行下列步骤：确定光伏***的电流或电压；确定其功率；确定其功率相对于先前确定的功率的变化；通过取决于功率的变化以及电流基准或电压基准的先前变化的方向逐步改变电流基准或电压基准来改变光伏***的工作点。还包括：与时间值一起存储光伏***的电流或电压的确定值及所确定的功率，确定功率变化包括：从存储值中读取电流或电压值与当前电流或电压值相等的所确定的功率的先前值及其时间值；根据当前功率值、先前功率值、电流或电压值与当前电流或电压对应的功率的存储值以及功率的存储值的时间值来计算功率的变化。

Description

最大功率点跟踪
技术领域
本发明涉及跟踪光伏电力***中的最大功率点，更具体地涉及其中基于所产生的功率的变化来改变光伏***的工作点的最大功率点跟踪。
背景技术
在光伏（PV）发电***中，将电池板的工作点驱动至最佳可能工作点，即驱动至可以从电池板中提取出最大量的功率的点。最常见的最大功率点跟踪（MPPT）方法是扰动观察法（P＆O）及其变型。在该方法中，不断地改变电压基准或电流基准，并且确定所生成的功率中产生的变化。基于功率的变化以及基准值（电压或电流）的变化，确定是否应该减小或增大基准以增大所提取的功率的量。
P＆O算法的变型包括基于所生成的功率的变化以及给定的基准的变化来改变基准的采样频率或步长。另外的变型包括使用多个样本来确定由于所改变的基准而产生的功率的变化。
P＆O方案的变型主要涉及增大照射变化期间该方***度。基于P＆O的算法的公知问题是，在不断变化的条件下该算法不能找到最大功率点。
图1示出了在照射的线性变化期间P＆O算法的工作。如可以在图1的下图中看到的，在2秒至9秒的时间间隔增大照射期间，电池板***的电压在整个间隔期间减小。因此，如可以在图1的上图中看到的，所提取的功率没有像它应该的那样跟随线性增长的照射。这还意味着MPP算法不能将工作点保持在最大功率点。在11秒至19秒的时间间隔中，线性地减小照射。电池板***的电压（下图）来回变化，并且由此保持在几乎同一水平。所提取的功率（上图）在变化期间不在其最大值处。
由于所观察到的功率的变化由所改变的照射和所改变的基准电压或基准电流二者所产生，所以P＆O方法的工作受到变化的照射的干扰。该方法自身不能分离出功率变化的起源，因此得出关于下一电压基准或电流基准的方向的错误结论。
即使在照射水平从500W/m2改变到1000W/m2的情况下，电池板的最大功率点电压也没有太大变化。因此，需要***的正确工作，并且***应该以受控的方式改变电池板***的电压。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够解决上述问题的方法以及一种用于实现该方法的设备。本发明的目的是通过以在独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法和设备来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
本发明基于下述构思：存储MPPT算法中所使用的功率的值以及电流或电压的值并且使用所存储的值来对算法的工作进行校正，从而增强对功率的提取。
在本发明中，使用MPPT算法的历史数据，因此不需要另外的测量来校正该算法的工作。只有在没有关于当前工作点的历史数据可用的情况下，才改变工作点以获得另外的数据点。本发明使得即使在迅速变化的照射条件下也能够提取出最大功率。
附图说明
在下文中，将参照附图并借助于优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了在线性变化的照射下P＆O算法的功率波形和电压波形；
图2示出了P＆O算法中典型的电压变化；以及
图3示出了在线性变化的照射下由本发明的MPP***获得的功率波形和电压波形。
具体实施方式
P＆O MPPT算法的工作原理本身是已知的。P＆O算法基于对电池板电压或电池板电流进行扰动并且观察电池板功率的变化。在增大电池板的电压并且其导致功率增大的情况下，再次增大电压以进一步增大功率。如果增大电池板的电压并且其导致电池板功率减小，那么减小电压。在减小电池板电压并且功率输出增大的情况下，在下一时刻进一步减小电压，而如果功率输出随着减小的电压阶跃而减小，那么增大电池板的电压。总之，当在P＆O算法中所获得的功率增大时，电池板电压以与先前阶跃中的方向相同的方向进行改变，并且当功率减小时，以与先前阶跃相反的方向来进行电压阶跃。
在P＆O方法中，工作不断地进行循环。工作循环具有下述功能：确定电池板的功率，确定功率相对于先前值的变化，基于先前变化方向和功率变化方向来确定电压的下一变化的方向，以及计算电池板的新电压。将所计算的电池板电压的值给予控制器，该控制器以实际电池板电压对应于所计算的基准值的方式对连接到电池板的输出端的电气装置进行控制。当工作点改变时，再次开始循环。上述的变化方向指的是电压或功率的增大或减小。
在稳定的工作条件下，电池板的电压如图2所示地变化。可以看出，电压在每个采样周期后逐步地变化，并且在稳定的工作条件下，电压在三个电压水平间变化。
在本发明中，电池板的输出电压或输出电流每次发生改变时，将输出电压或输出电流以及所获得的功率连同时间点、时间戳或数据的序列号n一起存储。序列号等是每次循环工作时增大的增长的号码。如果使用序列号，那么应该以统一的时间间隔进行存储。另一方面，如果以数据对来存储时间戳，那么不需要以统一的时间间隔进行存储。
当保持电压阶跃的步长相同时，历史数据包含具有当前电压值的功率的值。当从历史数据中找到这样的电压值时，提供有来自两个单独的时间点的两个单独的功率值。
根据本发明，基于当前时间点k功率值P（k）、先前功率值P（k-1）、具有与当前电压值相对应的电压值的功率存储值P（m）以及功率存储值P（m）的时间点（m）来计算在确定下一电压变化的方向时所使用的功率的变化。
因此，根据本发明，当太阳能电池板电压在时间步k处发生变化时，功率P（k）被确定。在基本的P＆O方案中，通过从当前值中减去先前功率值P（k）-P（k-1）简单地测量功率的变化ΔP，并且下一电压变化的方向基于该减法结果的符号。在本发明中，从功率的变化ΔP中减去请外的补偿项Pcomp。
补偿项Pcomp是基于以下假设形成的：由变化的照射引起的功率的变化是线性的。根据当前工作点（k）和所保存的具有与当前电压或电流相同的电压值或电流值的历史数据（m）来计算（变化的）梯度。
优选地，通过功率的各个值进行减法运算P（k）-P（m）并且用该结果除以功率的各个值之间的时间间隔来计算梯度G，即
G = P ( k ) - P ( m ) k - m
然后可以通过将梯度乘以最近的两个阶跃之间的时间来计算补偿项Pcomp，即
Pcomp＝G*(k-(k-1))
如果采样时间不同，则可以通过下式估计该梯度
G = P ( t ) - P ( t old ) t - t old
并且将补偿项Pcomp估计为
Pcomp＝G*Tsample
其中，t是当前时间，told是历史数据的时间，而tsample是最近的采样时间周期。
当功率在各测量间线性地变化时，补偿项除去改变的照射的影响。即使变化不是线性的，补偿项仍然相当有效地消除照射变化的影响。
此外，在具有当前电压值的功率的先前值尽可能新近的情况下，即各功率值之间的时间差k-m尽可能小的情况下，补偿项是最准确的。因此，可取的是从最新近的值开始向后搜索对应的存储值。一旦找到对应的电压值，结束搜索并且使用该值来计算补偿项。
在实施方式中，如果历史数据没有与当前电压对应的值，则通过与先前电压变化方向相反的方向的一个阶跃来改变太阳能电池板电压。此后，历史数据包含与当前电压对应的功率的值，因此，可以计算补偿项。其中没有可用的历史数据的情况的另一选择是忽略对该时刻的补偿项的计算。在不计算补偿项的情况下，仍然将功率值以及电压或电流的值连同时间戳一起存储。
图3示出了在如图1所示地线性增大和减小的照射下使用本发明的方法的仿真波形。如在图3的下图中所看到的，MPP电压保持在紧邻与最大功率点电压对应的电压处，从而所获得的功率（上图）跟随变化的照射。
该方法中所使用的太阳能电池板***的功率不是必须从电池板***的输出端来测量。众所周知，光伏发电***包括连接到电池板***的输出端的功率电子器件。功率电子器件负责对***进行控制，以使得能够将来自电池板***的电压控制为由最大功率点***给出的值。此外，电子器件可以用于改变所提取的电力的电压水平和/或用于将电压转化为交流电压，以使得能够将电压馈送到电网。太阳能电池板的功率可以是任何指示实际功率的所测量的功率，以使得MPP***能够工作。例如，可以从发电***的输出端来测量功率。此外，太阳能电池板***的功率也可以是与实际值对应的经估计值。经估计的功率可以是基于当前测量值和经估计的电压的估计值。经估计的电压可以是作为基准而给予对电池板的输出电压进行控制的转换器的电压值。用于对功率进行估计的另一选择是在其中电压具有恒定值的电路结构中测量电流。
在上述描述中，电池板***的电压连同电池板***的功率一起使用。应当理解的是，在该方法中，来自电池板***的电流也可以代替电压而被使用。也就是说，最大功率点***基于将电流连同功率一起使用。在基于电流的***中，对来自电池板的电流进行逐步的改变并且确定所得的功率。基于功率的改变，逐步地控制来自电池板***的输出电流。该发明的工作原理与使用电压时的工作原理类似。
由于补偿项的大小给出了工作点与最大功率点相距多远的指示，所以经补偿的功率变化ΔP还可以用于调整MPP算法。可以通过修改改变的电压或电流的量来进行调整。如果ΔP大，那么施用大的步长，而当ΔP小时，可以选择较小的步长。在调整过程中，可取的是选择作为基本步长的倍数的步长。选择基本步长的倍数可以使得历史数据仍然可以包含与当前值匹配的电压值或电流值。
本发明的设备适于实施本发明的方法。该设备包括用于存储所需要的数据的装置以及用于读取所存储的数据的装置。对于本领域技术人员而言清楚的是，这些装置可以是能够使用处理器等进行索引的存储器。众所周知，最大功率点***需要一定的处理能力。这些处理能力可以用于实现本发明的新颖特征。
上述光伏***包含光伏电池板***。这种电池板***可以包括任何数量的并联或串联连接的光伏元件。光伏***还包括最大功率点***的工作所需要的转换器。为了本发明的目的，光伏***可以是将电力提供给电池或一些其他DC或AC负载的独立***或并网***。
对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术的进步，可以以各种方式实现本发明构思。本发明及其实施方式不限于上面描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (8)

1.一种跟踪光伏***的最大功率点的方法，在所述方法中，基于工作点的变化以及由所述光伏***生成的功率的变化来改变所述光伏***的工作点，所述方法包括重复地进行以下步骤：
确定所述光伏***的电流或电压，
确定所述光伏***的功率，
确定所述光伏***的功率相对于先前确定的功率的变化，以及
通过根据功率的所述变化以及所述光伏***的电流基准或电压基准的先前变化的方向逐步地改变所述电流基准或电压基准，来改变所述光伏***的所述工作点，其中，所述方法包括：
将所述光伏***的所确定的电流值或电压值以及所确定的功率与时间值一起存储，
其中，所述光伏***的功率的变化（ΔP）的所述确定包括：
从所存储的值中读取电流值或电压值与当前电流值或电压值相等的所确定的功率的先前值及其时间值，以及
根据当前功率值（P（k））、先前功率值（P（k-1））、电流值或电压值与当前电流或电压相对应的所存储的功率值（P（m））以及所存储的功率值（P（m））的所述时间值（m）来计算功率的变化。
2.根据权利要求1所述的跟踪最大功率点的方法，其中，所述功率的变化的计算包括计算所述当前功率值（P（k））与所述先前功率值（P（k-1））之间的差，以及从所计算的差中减去补偿项（Pcomp），其中，通过以下方式计算所述补偿项：根据当前工作点（k）以及电压值或电流值与当前电压或电流相同的所存储的历史数据（m），将功率的变化的梯度（G）计算为
G = P ( k ) - P ( m ) k - m
并且将所计算的梯度（G）乘以功率值之间的时间间隔，以如下获得所述补偿项：
Pcomp＝G*(k-(k-1))。
3.根据权利要求1所述的跟踪最大功率点的方法，其中，如果所存储的值不包括与所述当前电流值或电压值相等的电流值或电压值，那么所述方法包括步骤：沿与所述电流基准或电压基准的先前变化相反的方向来改变所述电流基准或电压基准。
4.根据权利要求1、2或3所述的跟踪最大功率点的方法，其中，功率的所述变化（ΔP）还用于调整电流步长或电压步长。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的跟踪最大功率点的方法，其中，所述光伏***的所述电流或电压的所述确定包括测量或估计所述光伏***的光伏电池板***的输出电压或输出电流。
6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的跟踪最大功率点的方法，其中，所述光伏***的所述电流或电压的所述确定包括使用所述电流或电压的所述基准值。
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的跟踪最大功率点的方法，其中，所述光伏***的功率的所述确定包括确定从所述光伏***的电池板***获得的功率，确定所述光伏***中所使用的转换器中的功率或者确定由所述光伏***输出的功率。
8.一种用于跟踪光伏***的最大功率点的设备，在所述设备中，基于工作点的变化以及由所述光伏***生成的功率的变化来改变所述光伏***的工作点，所述设备包括：
用于确定所述光伏***的电流或电压的装置，
用于确定所述光伏***的功率的装置，
用于确定所述光伏***的功率相对于先前确定的功率的变化的装置，以及
用于通过根据功率的所述变化以及所述光伏***的电流基准或电压基准的先前变化的方向逐步地改变所述电流基准或电压基准来改变所述光伏***的工作点的装置，其中，所述设备包括：
用于将所述光伏***的所确定的电流值或电压值以及所确定的功率与时间值一起存储的装置，
其中，用于确定所述光伏***的功率的变化（ΔP）的装置包括：
用于从所存储的值中读取电流值或电压值与当前电流值或电压值相等的所确定的功率的先前值及其时间值的装置，以及
用于根据当前功率值（P（k））、先前功率值（P（k-1））、电流值或电压值与当前电流或电压相对应的所存储的功率值（P（m））以及所存储的功率值（P（m））的所述时间值（m）来计算功率的变化的装置。
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