CN116560450A - 波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，属于光伏发电控制领域。现有技术中，光伏发电***的MPPT控制可以简单划分为传统算法和智能算法，但是传统的扰动观察法和电导增量法难以平衡跟踪速度与跟踪精度，智能算法则因其复杂的控制逻辑使得对硬件计算能力有着更高的要求。本发明所述的方法通过在占空比上叠加正弦纹波而使光伏输出功率产生波动，利用正交锁相放大器提取波动功率的幅值和相位，通过二者的乘积实现最大功率点的精准跟踪，当外界环境发生变化时，该方法同样能够自适应的调整捕捉新的最大功率点。采用本发明所述的方法，针对静态环境工况和动态环境工况均具备良好的动态响应和稳态性能。

Description

波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电控制技术领域，具体涉及一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法。

背景技术

随着气候问题和能源危机的加剧，对可再生能源的需求日益增长，在全球范围内掀起了清洁能源改革的浪潮。这场清洁能源革命的动力主要来源于太阳能和风能。太阳能成为最受关注的清洁能源之一的原因在于它具有以下优点：生态友好、非化石燃料、无噪声污染以及低维护成本。将太阳能转变为方便使用和存储的电能则主要通过光伏电池来实现。大气条件、灰尘、温度、云量和地理位置等因素都会影响光伏电池的输出功率。除此之外，负载的大小也会显著影响光伏电池的能量收集。因为在确定的光照条件下有且仅有单一的负载值能使光伏电池以最大功率输出。即对于变化的负载，光伏电池的输出功率存在最大值且受环境因素的影响。这使得维持光伏***运行在最大功率点处成为制约太阳能利用的难点。

为实现光伏电池的最大功率输出，目前的光伏发电***大多将光伏电池经直流变换器连接到负载，通过调整直流变换器的占空比实现光伏电池外电路等效电阻的动态调节，从而进行光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)。过去几年已经提出了许多MPPT方法用以解决光伏功率的跟踪问题。[肖义平,赵云峰.一种基于改进粒子群优化算法的MPPT控制方法及***[P].湖北省：CN115543004A,2022-12-30.]，该专利提出了一种基于改进粒子群优化算法的MPPT控制方法，相比于传统的粒子群优化算法，改进后的算法有效缩短了功率波动的时间，但在启动初期以及环境突变时仍然存在较大的功率波动。[孙少辉,王实,郑立翔.MPPT功率快速追踪算法[P].广东省：CN115344078A,2022-11-15.]，该专利使用最小二乘法拟合跟踪光伏的最大功率点，首次启动和环境变化时通过扫描光伏电池输出的电压电流拟合光伏电池的输出功率曲线。该方法原理较为简单，但每次工作点改变均需要拉载扫描，且专利中没有详细介绍迭代次数与跟踪精度的关系，也缺乏仿真和实验结果支撑。[王建春,黄榜福,方刚,黄敏.光伏静动态MPPT扰动观测识别方法及光伏阵列发电***[P].安徽省：CN114879806A,2022-08-09.]，该专利介绍了一种静动态MPPT扰动观测识别方法，相比于传统扰动观察法增加了非常规扰动状态对扰动方向的调整，但在稳态时依然会存在较大的功率波动，并且非常规扰动状态将会延长跟踪时间。

发明内容

针对现有MPPT技术中普遍存在的跟踪速度与跟踪精度的耦合问题，本发明的目的是平衡最大功率点跟踪的跟踪速度和跟踪精度，并能够根据环境变化自适应调整工作点，从而提高光伏能量的利用效率。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，包括以下步骤：

(1)采用扰动注入控制方法，在占空比上叠加幅值为A_m，频率为f的正弦扰动，使光伏输出功率产生波动；

(2)提取波动的光伏输出功率的幅值R(k)和相位θ(k)，并计算二者的乘积，即为所述的波动功率幅值相位积APP；

(3)对步骤(2)中计算得到的波动功率幅值相位积进行高斯滤波处理，使得波动功率幅值相位积曲线过零点平滑过渡。为消除高斯滤波导致的波动功率幅值相位积过零点延迟，设计补偿量C_v，将波动功率的幅值相位积减去补偿量实现过零点延迟的消除；

(4)根据扰动占空比与波动功率满足的函数关系，可以得到幅值相位积与占空比的关系，从而进行最大功率点跟踪捕捉。将波动功率幅值相位积与MPPT控制目标进行比较，比较的误差通过比例积分调节器输出占空比，进而实时调整光伏MPPT的跟踪方向，直至达到稳定的MPPT控制目标；

(5)当识别到最大功率点发生变化时，返回步骤(2)重新进行最大功率点跟踪；

进一步，步骤(1)中占空比上叠加的正弦扰动由控制程序持续生成，不需要额外的设备辅助，且扰动幅值A_m是变化的，根据下式计算：

式中，V_pv表示光伏电池输出电压，I_pv表示光伏电池输出电流。

进一步，步骤(2)中，使用正交锁相放大器实现波动的光伏输出功率的幅值R(k)和相位θ(k)的提取，根据下式计算：

式中，y_x(k)和y_y(k)表示正交锁相放大器的输出的同相分量和正交分量。

进一步，步骤(3)所述的高斯滤波补偿量C_v计算公式如下：

式中，Gauss_step表示归一化的高斯滤波系数，APP_π表示相位为π时光伏功率波动的幅值，该值可由正交锁相放大器输出，对于确定的高斯核Gauss_step为确定的数值，其计算公式如下：

式中f(-n)，f(0)，f(n)表示高斯核的元素。

进一步，步骤(4)所述的扰动占空比与波动功率满足的函数关系对于Boost和Buck变换器有所不同，但随占空比增大功率均呈现先增后减的趋势，表达式如下：

式中，P_pv-Buck和P_pv-Boost分别表示光伏电池后接Buck和Boost变换器时的输出功率，V_pv表示光伏电池的输出电压，R_load表示负载电阻，d表示占空比，r表示光伏电池等效内阻。

更进一步，步骤(4)所述的MPPT控制目标为：

APP＝R(k)×θ(k)＝0

式中，APP表示波动功率的幅值相位积，R(k)表示波动功率的幅值，θ(k)表示波动功率相对于参考信号的相位。

PI调节器输出的占空比表达式如下：

式中，K_p和K_i分别表示PI调节器的比例系数和积分系数。

更进一步，所述步骤(4)中幅值相位积与占空比的关系描述为：

当占空比位于最大功率点左侧时，APP>0，占空比将增加，直至达到MPPT稳定条件APP＝0；当占空比位于最大功率点左侧时，APP<0，占空比将减小，直至达到MPPT稳定条件APP＝0。

进一步，步骤(5)所述的识别最大功率点变化的方式如下：

当***稳定运行在最大功率点时，根据MPPT的控制目标，满足APP＝0。环境发生变化将引起最大功率点功率的上升或下降，即产生新的最大功率点，由于占空比不能发生突变，若新的最大功率点右移，则环境变化瞬间APP>0，占空比将增加以匹配到新的最大功率点，若新的最大功率点左移，则环境变化瞬间APP<0，占空比将减小以匹配到新的最大功率点。

本发明的效果在于：本发明面向由光伏电池，DC-DC变换器以及负载组成的光伏发电***，通过通过在占空比上叠加正弦纹波而使光伏输出功率产生波动，利用正交锁相放大器提取波动功率的幅值和相位，通过二者的乘积实现最大功率点的自适应跟踪捕捉。同时，本文使用高斯滤波解决了幅值相位积曲线的非平滑问题，并提出了一种补偿方法消除高斯滤波导致的幅值相位积过零点偏移，当外界环境发生变化时，该方法能够自适应的调整跟踪新的最大功率点。采用本发明所述的方法，针对静态环境工况和动态环境工况均具备良好的跟踪速度和跟踪精度。

附图说明

图1光伏发电***结构图；

图2提出的波动功率幅值相位积过零的MPPT控制方法原理图；

图3锁相放大器(a)时域分析(b)频域分析；

图4提出的过零点补偿方法原理图；

图5(a)扰动占空比与波动功率示意图(b)幅值相位积与占空比关系曲线；

图6最大功率点的跟踪效果示意图；

图7提出的MPPT控制方法100W实现结果；

图8提出的MPPT控制方法1000W实现结果；

图9光照增强条件下提出的MPPT控制方法实验结果；

图10光照减弱条件下提出的MPPT控制方法实验结果；

图11提出的MPPT控制方法跟踪效率；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1所示为所提出的波动功率幅值相位积过零的MPPT控制方法应用的光伏发电***结构图，本发明中使用Boost电路进行详细说明，图中V_pv表示光伏电池的输出电压，I_pv表示光伏电池的输出电流，I₀表示光伏阵列反向饱和电流，R_p表示并联等效电阻，R_s表示串联等效电阻，R_load表示负载电阻，L表示电感，Q₁和Q₂表示开关管，C_high和C_low表示高低压侧电容。表1和表2所示数据为说明中涉及到的实验参数。

表1波动功率幅值相位积过零的光伏MPPT控制静态环境实验参数

表2波动功率幅值相位积过零的光伏MPPT控制动态环境实验参数

针对图1所示的***，本发明为一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)，图1所示***中Boost变换器的占空比由下限启动，启动后在占空比上叠加幅值变化的扰动。扰动幅值为光伏输出功率的倒数，光伏输出功率随之产生波动。其中扰动幅值A_m根据下式计算：

式中，V_pv表示光伏电池输出电压，I_pv表示光伏电池输出电流。

步骤(2)，波动的光伏功率作为锁相放大器的输入，以给定的参考信号为标准，波动的功率经过锁相放大器输出波动功率的幅值R(k)和相位θ(k)，二者相乘得到幅值相位积APP。图3从频域的角度分析，光伏功率P_pv包含直流分量和多次谐波分量，锁相放大器首先对与参考信号频率不同的分量进行抑制，防止对输出结果产生影响，然后将提取的信号与参考信号进行混频处理将其解调为直流信号和倍频的交流信号，解调出的直流信号包含输入信号的幅值和相位信息，最后通过低通滤波器将倍频信号滤除。图中T_s表示采样周期，T_MPPT表示MPPT控制周期，f_c表示参考信号频率，P_pv(ω)，R(ω)和REF(ω)分别代表时域信号光伏功率P_pv，光伏功率波动幅值R(k)和参考信号REF的频域表达。锁相放大器输出的波动功率的幅值R(k)和相位θ(k)表达式如下：

步骤(3)，对步骤(2)中计算得到的波动功率幅值相位积进行高斯滤波处理。然后设计补偿量Cv，将波动功率的幅值相位积减去补偿量实现过零点延迟的消除。

步骤(4)，根据扰动占空比与波动功率满足的函数关系，可以得到幅值相位积与占空比的关系，从而进行最大功率点跟踪捕捉。然后将波动功率幅值相位积与MPPT控制目标进行比较，比较的误差通过比例积分调节器输出占空比，实时调整光伏MPPT的跟踪方向，直至达到稳定的MPPT控制目标。

步骤(5)，当识别到最大功率点发生变化时，返回步骤(2)重新进行最大功率点跟踪。

步骤(3)中，图4展示了对幅值相位积的高斯滤波以及补偿过程，高斯滤波后的幅值相位积可以表示为：

式中，f(-n)，f(0)，f(n)表示高斯核的元素。高斯滤波器的平滑效果受标准差和高斯核的选取影响，标准差和高斯核越大对信号的平滑处理效果越好，但信号滞后也更加严重，高斯滤波后的APP曲线如图4中虚线所示。本发明所提的方法中对幅值相位积进行平滑处理旨在准确捕捉过零点，而对于过零点以外的部分仅需要其变化趋势。基于此本发明设计了一种过零点补偿方法消除高斯滤波导致的延迟，补偿后的APP曲线如图3点虚线所示。所提出的方法通过将高斯滤波后的幅值相位积曲线下移补偿量C_v实现延迟过零点的消除，补偿量C_v根据下式计算：

其中Gauss_step表示归一化的高斯滤波系数，APP_π表示图3中的a点，对a点高斯滤波得到b点。以大小为3，标准差为1的高斯核进行高斯滤波为例，代入g(k)表达式计算得到高斯核为f(3)＝[0.2419,0.3989,0.2419]。对于a点左右两侧的采样数据已知分别为π和-π，由此得到过零点处的滤波数据组为[π,π,-π]，则可以得到归一化的高斯滤波系数Gauss_step＝0.726。

步骤(4)中，所述的扰动占空比与波动功率满足的函数关系对于Boost变换器的表达式如下：

式中，P_pv-Boost表示光伏电池的输出功率，V_pv表示光伏电池的输出电压，R_load表示负载电阻，d表示占空比，r表示光伏电池等效内阻。图5(a)展示了扰动占空比与波动功率的关系曲线，从图中可以看到随占空比的增加光伏功率先增后减。因此可以在基准占空比上注入正弦纹波。当基准占空比位于MPP左侧时，光伏功率将产生与注入的纹波信号同频同相的波动。当基准占空比位于MPP右侧时，光伏功率将产生与注入的纹波信号同频反相的波动。当基准占空比位于MPP时，光伏功率将产生倍频小幅的波动。

进一步，步骤(4)中所述幅值相位积与占空比的关系如图5(b)所示，随着占空比的增大幅值相位积单调递减，并在MPP处为0。因此步骤(4)所述的MPPT控制目标为：

APP＝R(k)×θ(k)＝0

PI调节器输出的占空比表达式为：

式中，K_p和K_i分别表示PI调节器的比例系数和积分系数。幅值相位积与占空比的关系如图5(b)所示，随占空比的增加，幅值相位积(APP)呈单调递减趋势，过零点处对应的工作点即为所要跟踪的光伏MPP。

图6展示了所述的MPPT控制方法追踪最大功率点的过程以及应对环境变化的方式。图中a₁-a₄，b₁-b₄，c₁，c₂表示光伏发电***的工作点，MPP1表示光照较强时的最大功率点，MPP2表示光照较弱时的最大功率点。当光伏发电***运行在工作点a₁-a₄时，直流变换器的占空比位于MPP占空比左侧，此时APP>0，占空比将增加，工作点a₁,a₂逐渐向MPP1靠近，a₃,a₄逐渐向MPP2靠近，直至达到MPPT稳定条件APP＝0。当光伏发电***运行在工作点b₁-b₄时，直流变换器的占空比位于MPP占空比右侧，此时APP<0，占空比将减小，工作点b₁,b₂逐渐向MPP1靠近，b₃,b₄逐渐向MPP2靠近，直至达到MPPT稳定条件APP＝0。对于外界环境发生变化的工况。

步骤(5)中，识别最大功率点发生变化的方式如下：如果光伏发电***稳定运行于强光照条件的MPP1时遭遇光照减弱。由于直流变换器的占空比不能突变，光伏发电***的工作点将由MPP1变化至c₂，此时MPPT的稳定条件APP＝0被打破，c₂点对应的APP>0，占空比将增加，最终在MPP2达到稳定条件。如果光伏发电***稳定运行于弱光照条件的MPP2时遭遇光照增强。由于直流变换器的占空比不能突变，光伏发电***的工作点将由MPP2变化至c₁，此时MPPT的稳定条件APP＝0被打破，c₁点对应的APP<0，占空比将减小，最终在MPP1达到稳定条件。

最后本发明所使用的方法实验效果参照图7至图10，图7和图8的工况数据对应表1，图9和图10工况的数据对应表2，图11展示了表1所示功率等级下，所提出的MPPT控制方法的跟踪效率曲线。实验结果证明本发明所使用的方法针对单一环境工况和复杂环境工况均具备良好的跟踪速度和跟踪精度。

本发明可以用其它具体形式来实施，而不脱离其精神或本质特征。所描述的实施在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的,例如：

1)所选用的DC-DC变换器拓扑；

2)所选择的高斯核大小以及环境变化时光伏工作点的位置；

3)实验中光伏各项参数的选择等。

因此，本发明的范围由所附权利要求书而非上述描述来指示。落入权利要求的等效技术方案的意义和范围中的所有变化都包含在其范围之中。

Claims (8)

1.一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：

(1)采用扰动注入控制方法，在占空比上叠加幅值为A_m，频率为f的正弦扰动，使光伏输出功率产生波动；

(2)提取波动的光伏输出功率的幅值R(k)和相位θ(k)，并计算二者的乘积，即为所述的波动功率幅值相位积APP；

(3)对步骤(2)中计算得到的波动功率幅值相位积进行高斯滤波处理，使得波动功率幅值相位积曲线过零点平滑过渡。为消除高斯滤波导致的波动功率幅值相位积过零点延迟，设计补偿量C_v，将波动功率的幅值相位积减去补偿量实现过零点延迟的消除；

(4)根据扰动占空比与波动功率满足的函数关系，可以得到幅值相位积与占空比的关系，从而进行最大功率点跟踪捕捉。将波动功率幅值相位积与MPPT控制目标进行比较，比较的误差通过比例积分调节器输出占空比，进而实时调整光伏MPPT的跟踪方向，直至达到稳定的MPPT控制目标；

(5)当识别到最大功率点发生变化时，返回步骤(2)重新进行最大功率点跟踪。

2.如权利要求1所述的一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤(1)中占空比上叠加的正弦扰动由控制程序持续生成，不需要额外的设备辅助，且扰动幅值A_m是变化的，根据下式计算：

式中，V_pv表示光伏电池输出电压，I_pv表示光伏电池输出电流。

3.如权利要求1所述的一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，使用正交锁相放大器实现波动的光伏输出功率的幅值R(k)和相位θ(k)的提取，根据下式计算：

式中，y_x(k)和y_y(k)表示正交锁相放大器输出的同相分量和正交分量。

4.如权利要求1所述的一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤(3)所述的高斯滤波补偿量C_v计算公式如下：

式中，Gauss_step表示归一化的高斯滤波系数，APP_π表示相位为π时光伏功率波动的幅值，该值由正交锁相放大器输出，对于确定的高斯核Gauss_step为确定的数值，其计算公式如下：

式中f(-n)，f(0)，f(n)表示高斯核的元素。

5.如权利要求1所述的一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤(4)所述的扰动占空比与波动功率满足的函数关系对于后接Boost变换器和Buck变换器有所不同，但随占空比增大功率均呈现先增后减的趋势，表达式分别如下：

式中，P_pv-Buck和P_pv-Boost分别表示光伏电池后接Buck和Boost变换器时的输出功率，V_pv表示光伏电池的输出电压，R_load表示负载电阻，d表示占空比，r表示光伏电池等效内阻。

6.如权利要求1所述的一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤(4)所述的MPPT控制目标为：

APP＝R(k)×θ(k)＝0

式中，APP表示波动功率的幅值相位积，R(k)表示波动功率的幅值，θ(k)表示波动功率相对于参考信号的相位。

PI调节器输出的占空比表达式如下：

式中，K_p和K_i分别表示PI调节器的比例系数和积分系数。

7.如权利要求1所述的一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中幅值相位积与占空比的关系描述为：

当占空比位于最大功率点左侧时，APP>0，占空比将增加，直至达到MPPT稳定条件APP＝0；当占空比位于最大功率点左侧时，APP<0，占空比将减小，直至达到MPPT稳定条件APP＝0。

8.如权利要求1所述的一种波动功率幅值相位积过零的光伏最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤(5)所述的识别最大功率点变化的方式如下：

当***稳定运行在最大功率点时，根据MPPT的控制目标，满足APP＝0。环境发生变化将引起最大功率点功率的上升或下降，即产生新的最大功率点，由于占空比不能发生突变，若新的最大功率点右移，则环境变化瞬间APP>0，占空比将增加以匹配到新的最大功率点，若新的最大功率点左移，则环境变化瞬间APP<0，占空比将减小以匹配到新的最大功率点。