CN104298297A - 光伏发电***中最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能光伏发电过程最大输出功率的控制算法，特别是光伏发电***中最大功率点跟踪控制方法，通过先选定一个定功率从而将输出功率分成两部分，在距离给定的定点功率较远处采用切线式跟踪算法，在距离给定点较近处采用扰动式跟踪算法。这种方法既能在稳态时减少功率损失，又能在外界环境剧烈变化时提高动态响应和***稳定性，同时也缩短了寻找最大功率点的时间，从而可以达到预定的控制效果，不仅解决了传统扰动电压法的步长选取问题，同时也明显的减小了搜寻最大功率点的时间。

Description

光伏发电***中最大功率点跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏发电过程最大输出功率的控制算法，特别是光伏发电***中最大功率点跟踪控制方法。

背景技术

光伏发电是太阳能推广应用的主要方法，而对于光伏发电站来说，通过控制保证***始终工作于输出最大功率状态意义重大。

扰动观测法是一种通过自寻优方法实现最大功率输出，也是应用较为广泛的一种方法。由于电池的输出功率和电压曲线具有非线性特性，因此扰动观测法的工作原理是：首先在光伏电池的某一参考电压下测得其输出功率，然后在此电压下给定一个正向的扰动电压，测出对应的输出功率，最后再比对两次所测得的功率大小，若第二次测得的功率大于第一次测得的功率，则最大功率点必位于当前工作点的右侧，所以可采取继续增加正向的扰动电压方法寻找，否则最大功率点位于当前工作点的左侧，增加反向的扰动电压。如此循环，直到输出功率稳定在一个小范围内，即可认为达到了最大功率点。

扰动电压法虽然控制策略简单，容易实现。但如何选取一个合适的步长，使光伏发电***快速的找寻到最大功率点成为亟待解决的问题。因为当步长选的过小时，相应的最大功率点附近的波动较小，但***搜寻最大功率点所需的时间变长；若步长选取的较大，虽然***搜寻最大功率点所需的时间变短，但是相应的最大功率点附近的波动变大。

由于太阳光照强度、方向和天气等工作条件的连续变化等因素直接影响着输出功率参数变化，所以光伏发电站功率输出始终工作在动态过程而成为时间的连续函数。而实际工程中则要求在工程误差允许范围内将此连续变化的动态功率输出变换分割成一个一个相对应的最大“稳态”功率输出，且这种“稳态”持续时间越长则***输出最大功率的效率越高，而一个“稳态”持续时间的长短则主要取决于***对于最大功率输出点的寻找和判断的快慢。所以尽可能减小判断时间而快速的进入新条件下处于最大功率输出状态的“稳态”工作状态。即在工作条件连续变化的情况下，保证***实时快速进入最大的电能输出工作状态，对于大规模光伏发电站很有实用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种光伏发电***中最大功率点跟踪控制方法，这种方法不仅解决了传统扰动电压法的步长选取问题，同时也明显的减小了搜寻最大功率点的时间。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括以下步骤：

1)采集太阳能电池板某一最大功率点记为基准功率P₀；

2)采样当前工作电压U₁、工作电流I₁，记为(U₁，I₁)，记当前功率为P₁，

增加正向扰动电压Δ₁，采集此时工作电压U₂、工作电流I₂，记为(U₂，I₂)，记当前功率为P₂，判断|P₁－P₂︱<ε是否成立；

3)当|P₁－P₂︱<ε成立时，进入步骤9)；当|P₁－P₂︱<ε不成立时，判断|P₁－P₀︱<ε是否成立；

4)当|P₁－P₀︱<ε成立，进入步骤5)；当|P₁－P₀︱<ε不成立，判断P₁>P₀是否成立，若成立则进入步骤5)，若不成立，则进入步骤6)；

5)采用扰动观测法，判断P₂是否大于P₁，若大于，则继续增加正向的扰动电压Δ₁，直到|P_k－P_k-1︱<ε；若小于，则继续增加反向的扰动电压Δ₁，直到|P_k－P_k-1︱<ε；

6)判断P_k和P_k-1的大小，增加扰动电压Δ₁，采集(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，并判断是否存在|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)；

7)采用切线法变步长式控制算法，令

$\left\{\begin{array}{c}P=P_0\\ \frac{P_k-P_{k-1}}{U_k-U_{k-1}}(U-U_k)=P-P_k\end{array}\right.,$ 计算U值，将参考电压调整为U＝U_k+1，采集此时的工作电压和工作电流(U_k+1，I_k+1)，记功率为P_k+1，并判断|P₀－P_k+1︱<ε是否成立；

8)若|P₀－P_k+1︱<ε成立，则进入步骤5)，若|P₀－P_k+1︱<ε不存在，则进入步骤6)；

9)返回至步骤2)执行。

进一步的，所述步骤6)，判断P_k和P_k-1的大小，若P_k>P_k-1，则最大功率点位于当前工作点的右侧，增加正向的扰动电压Δ₁，采集(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，并判断是否存在|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)；

若P_k<P_k-1，则最大功率点位于当前工作电压的左侧，增加反向的扰动电压Δ₁，采集(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，并判断|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：通过先选定一个定功率从而将输出功率分成两部分，在距离给定的定点功率较远处采用切线式跟踪算法，在距离给定点较近处采用扰动式跟踪算法。这种方法既能在稳态时减少功率损失，又能在外界环境剧烈变化时提高动态响应和***稳定性，同时也缩短了寻找最大功率点的时间，从而可以达到预定的控制效果，不仅解决了传统扰动电压法的步长选取问题，同时也明显的减小了搜寻最大功率点的时间。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明P₀位于P-V曲线上侧时，P₀与P-V曲线关系图；

图3为本发明P₀与P-V曲线近似相切时，P₀与P-V曲线关系图；

图4为本发明P₀与P-V曲线相交时，P₀与P-V曲线关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明提供的方法包括以下步骤：

1)采集太阳能电池板某一最大功率点记为基准功率P₀；

2)采样当前工作电压U₁、工作电流I₁，记为(U₁，I₁)，记当前功率为P₁，

增加正向扰动电压Δ₁，Δ₁可以根据实际工况取比较小的值，采集此时工作电压U₂、工作电流I₂，记为(U₂，I₂)，记当前功率为P₂，判断|P₁－P₂︱<ε是否成立；

3)当|P₁－P₂︱<ε成立时，进入步骤9)；当|P₁－P₂︱<ε不成立时，判断|P₁－P₀︱<ε是否成立；

4)当|P₁－P₀︱<ε成立，说明第一次采集点P₁距离P₀较近，进入步骤5)；当|P₁－P₀︱<ε不成立，说明第一次采集点P₁距离P₀较远，判断P₁>P₀是否成立，若成立则进入步骤5)，若不成立，则进入步骤6)；

5)采用扰动观测法，判断P₂是否大于P₁，若大于，则继续增加正向的扰动电压Δ₁，得到第k次、第k-1次的功率，直到|P_k－P_k-1︱<ε；若小于，则继续增加反向的扰动电压Δ₁，直到|P_k－P_k-1︱<ε；

6)判断P_k和P_k-1的大小，若P_k>P_k-1，则最大功率点位于当前工作点的右侧，增加正向的扰动电压Δ₁，采集第k+1次和k+2次的工作电压和工作电流，(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，记其功率为P_k+1、P_k+2，并判断是否存在|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)；

若P_k<P_k-1，则最大功率点位于当前工作电压的左侧，增加反向的扰动电压Δ₁，采集(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，并判断|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)。

7)采用切线法变步长式控制算法，令

$\left\{\begin{array}{c}P=P_0\\ \frac{P_k-P_{k-1}}{U_k-U_{k-1}}(U-U_k)=P-P_k\end{array}\right.......\left(1\right),$ 计算U值，将参考电压调整为U＝U_k+1，采集此时的工作电压和工作电流(U_k+1，I_k+1)，记功率为P_k+1，并判断|P₀－P_k+1︱<ε是否成立；

8)若|P₀－P_k+1︱<ε成立，则进入步骤5)，若|P₀－P_k+1︱<ε不存在，则进入步骤6)；

9)返回至步骤2)执行。

在任意的光照强度和环境温度下，单体光伏电池都存在一个特定的最大功率点。当负载和太阳能电池板匹配时，可使光伏电池处于最大功率输出状态。扰动观测法的原理就是扰动功率变换器的占空比，引起光伏阵列输出电压的变化，然后通过观测其后的功率变化方向，确定最大功率点的方向，从而得出扰动方向。

本发明提供的一种新份控制方法---切线法变步长式MPPT控制算法，其工作原理是，首先取定最大功率点P₀，跟踪太阳能电池板工作的某一最大功率点作为基准值，则由太阳能电池板P-V曲线可知，存在下面的三种情况，即就是P₀与当前的最大功率点曲线相交、无交点或者相切，其中的相交和无交点指的是P_m(当前曲线的最大功率点)|P_m－P₀︱<ε，也就是远离最大功率点，不满足精度的要求；然后通过先选定一个定功率从而将输出功率分成2部分，在距离给定的定点功率较远处采用切线式跟踪算法，在距离给定点较近处采用扰动式跟踪算法。

由P-V曲线可知，P₀与P-V曲线之间存在如下的三种关系：

(1)P₀位于曲线的上侧，满足|P_m-P₀|＞ε，如图2所示。

(2)P₀和曲线近似相切，满足|P_m-P₀|＜ε，如图3所示。

(3)P₀和曲线相交，满足|P_m-P₀|＞ε，如图4所示。

步骤7)中切线法变步长式控制算法，首先判断就是将前后两次采集到的(U₁，I₁)、(U₂，I₂)和定点功率联立，如式(1)，就可以解出交点所对应的电压U。同时判断P₁和P₂的大小，即可知道增加正向还是反向的扰动电压。将参考电压调节为U，采集此时的电压电流(U₃，I₃)，其中U＝U₃，同时判断|P₃－P₀︱<ε是否存在。若小于则接下来采用干扰观测法继续搜寻最大功率点。若不小于再增加正向(反向)扰动电压Δ₁，得到(U₄，I₄)。

判断是否存在|P₄－P₃︱<ε，若小于不动作，若大于则继续增加正向(反向)扰动电压，找切线和P₀的交点，并循环上述步骤，直到满足精度要求。

本发明提出的切线法变步长控制算法，针对三种不同的情况，分别进行了分析，本算法解决了扰动电压步长选取问题，缩短搜寻最大功率点所花时间，使***更好的工作于最大功率输出状态而提高了***的功率输出效率。

Claims (2)

1.一种光伏发电***中最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集太阳能电池板某一最大功率点记为基准功率P₀；

2)采样当前工作电压U₁、工作电流I₁，记为(U₁，I₁)，记当前功率为P₁，

增加正向扰动电压Δ₁，采集此时工作电压U₂、工作电流I₂，记为(U₂，I₂)，记当前功率为P₂，判断|P₁－P₂︱<ε是否成立；

3)当|P₁－P₂︱<ε成立时，进入步骤9)；当|P₁－P₂︱<ε不成立时，判断|P₁－P₀︱<ε是否成立；

4)当|P₁－P₀︱<ε成立，进入步骤5)；当|P₁－P₀︱<ε不成立，判断P₁>P₀是否成立，若成立则进入步骤5)，若不成立，则进入步骤6)；

5)采用扰动观测法，判断P₂是否大于P₁，若大于，则继续增加正向的扰动电压Δ₁，直到|P_k－P_k-1︱<ε；若小于，则继续增加反向的扰动电压Δ₁，直到|P_k－P_k-1︱<ε；

6)判断P_k和P_k-1的大小，增加扰动电压Δ₁，采集(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，并判断是否存在|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)；

7)采用切线法变步长式控制算法，令

$\left\{\begin{array}{c}P=P_0\\ \frac{P_k-P_{k-1}}{U_k-U_{k-1}}(U-U_k)=P-P_k\end{array}\right.,$ 计算U值，将参考电压调整为U＝U_k+1，采集此时的工作电压和工作电流(U_k+1，I_k+1)，记功率为P_k+1，并判断|P₀－P_k+1︱<ε是否成立；

8)若|P₀－P_k+1︱<ε成立，则进入步骤5)，若|P₀－P_k+1︱<ε不存在，则进入步骤6)；

9)返回至步骤2)执行。

2.根据权利要求1所述的一种光伏发电***中最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤6)，判断P_k和P_k-1的大小，若P_k>P_k-1，则最大功率点位于当前工作点的右侧，增加正向的扰动电压Δ₁，采集(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，并判断是否存在|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)；

若P_k<P_k-1，则最大功率点位于当前工作电压的左侧，增加反向的扰动电压Δ₁，采集(U_k+1，I_k+1)、(U_k+2，I_k+2)，并判断|P_k+2－P_k+1︱<ε是否成立，若成立则进入步骤9)，若不成立则进入步骤7)。