光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽能光伏發(fā)電過程最大輸出功率的控制算法，特別是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，通過先選定一個定功率從而將輸出功率分成兩部分，在距離給定的定點(diǎn)功率較遠(yuǎn)處采用切線式跟蹤算法，在距離給定點(diǎn)較近處采用擾動式跟蹤算法。這種方法既能在穩(wěn)態(tài)時減少功率損失，又能在外界環(huán)境劇烈變化時提高動態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時也縮短了尋找最大功率點(diǎn)的時間，從而可以達(dá)到預(yù)定的控制效果，不僅解決了傳統(tǒng)擾動電壓法的步長選取問題，同時也明顯的減小了搜尋最大功率點(diǎn)的時間。
【專利說明】光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能光伏發(fā)電過程最大輸出功率的控制算法，特別是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光伏發(fā)電是太陽能推廣應(yīng)用的主要方法，而對于光伏發(fā)電站來說，通過控制保證系統(tǒng)始終工作于輸出最大功率狀態(tài)意義重大。
[0003]擾動觀測法是一種通過自尋優(yōu)方法實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，也是應(yīng)用較為廣泛的一種方法。由于電池的輸出功率和電壓曲線具有非線性特性，因此擾動觀測法的工作原理是:首先在光伏電池的某一參考電壓下測得其輸出功率，然后在此電壓下給定一個正向的擾動電壓，測出對應(yīng)的輸出功率，最后再比對兩次所測得的功率大小，若第二次測得的功率大于第一次測得的功率，則最大功率點(diǎn)必位于當(dāng)前工作點(diǎn)的右側(cè)，所以可采取繼續(xù)增加正向的擾動電壓方法尋找，否則最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作點(diǎn)的左側(cè)，增加反向的擾動電壓。如此循環(huán)，直到輸出功率穩(wěn)定在一個小范圍內(nèi)，即可認(rèn)為達(dá)到了最大功率點(diǎn)。
[0004]擾動電壓法雖然控制策略簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但如何選取一個合適的步長，使光伏發(fā)電系統(tǒng)快速的找尋到最大功率點(diǎn)成為亟待解決的問題。因?yàn)楫?dāng)步長選的過小時，相應(yīng)的最大功率點(diǎn)附近的波動較小，但系統(tǒng)搜尋最大功率點(diǎn)所需的時間變長；若步長選取的較大，雖然系統(tǒng)搜尋最大功率點(diǎn)所需的時間變短，但是相應(yīng)的最大功率點(diǎn)附近的波動變大。
[0005]由于太陽光照強(qiáng)度、方向和天氣等工作條件的連續(xù)變化等因素直接影響著輸出功率參數(shù)變化，所以光伏發(fā)電站功率輸出始終工作在動態(tài)過程而成為時間的連續(xù)函數(shù)。而實(shí)際工程中則要求在工程誤差允許范圍內(nèi)將此連續(xù)變化的動態(tài)功率輸出變換分割成一個一個相對應(yīng)的最大“穩(wěn)態(tài)”功率輸出，且這種“穩(wěn)態(tài)”持續(xù)時間越長則系統(tǒng)輸出最大功率的效率越高，而一個“穩(wěn)態(tài)”持續(xù)時間的長短則主要取決于系統(tǒng)對于最大功率輸出點(diǎn)的尋找和判斷的快慢。所以盡可能減小判斷時間而快速的進(jìn)入新條件下處于最大功率輸出狀態(tài)的“穩(wěn)態(tài)”工作狀態(tài)。即在工作條件連續(xù)變化的情況下，保證系統(tǒng)實(shí)時快速進(jìn)入最大的電能輸出工作狀態(tài)，對于大規(guī)模光伏發(fā)電站很有實(shí)用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，提供一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，這種方法不僅解決了傳統(tǒng)擾動電壓法的步長選取問題，同時也明顯的減小了搜尋最大功率點(diǎn)的時間。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:包括以下步驟:
[0008]I)采集太陽能電池板某一最大功率點(diǎn)記為基準(zhǔn)功率Ptl ；
[0009]2)采樣當(dāng)前工作電壓U1、工作電流I1，記為(U1, I1),記當(dāng)前功率為P1,
[0010]增加正向擾動電壓A1，采集此時工作電壓U2、工作電流I2，記為(U2，I2)，記當(dāng)前功率為P2，判斷Ip1 — P2 I < ε是否成立；
[0011]3)當(dāng)IP1-P2 I < ε成立時，進(jìn)入步驟9);當(dāng)P1 - P2 I < ε不成立時，判斷！P1-P。I〈ε是否成立；
[0012]4)當(dāng)IP1-P。I < ε成立，進(jìn)入步驟5);當(dāng)！P1-P。I < ε不成立，判斷P1^tl是否成立，若成立則進(jìn)入步驟5)，若不成立，則進(jìn)入步驟6)；
[0013]5)采用擾動觀測法，判斷P2是否大于？1，若大于，則繼續(xù)增加正向的擾動電壓A1,直到|Pk —Plri I < ε ;若小于，則繼續(xù)增加反向的擾動電壓A1，直到|pk —Ph I <ε ;
[0014]6)判斷Pk和Ph的大小，增加擾動電壓Λ i，采集(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，并判斷是否存在|Pk+2 — Pk+1 I <ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)；
[0015]7)采用切線法變步長式控制算法，令
P = P,
[0016]Pk-Pk-X (υ ν ) = ρ_ρ 計(jì)算U值，將參考電壓調(diào)整為U = uk+1，采集此時的
Uk-Uk^ k) k，
工作電壓和工作電流(Uk+1，Ik+1)，記功率為Pk+1，并判斷Ipq — Pk+1 I < ε是否成立；
[0017]8)若|PQ —Pk+1 I < ε成立，則進(jìn)入步驟5)，若I P。一 Pk+1 I < ε不存在，則進(jìn)入步驟6)；
[0018]9)返回至步驟2)執(zhí)行。
[0019]進(jìn)一步的，所述步驟6)，判斷Pk和Plri的大小，若PPPlri，則最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作點(diǎn)的右側(cè)，增加正向的擾動電壓Λ i，采集(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，并判斷是否存在|Pk+2 —Pk+1 I <ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)；
[0020]若PkJk+則最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作電壓的左側(cè)，增加反向的擾動電壓Λ i，采集(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，并判斷|Pk+2 —Pk+1 I < ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:通過先選定一個定功率從而將輸出功率分成兩部分，在距離給定的定點(diǎn)功率較遠(yuǎn)處采用切線式跟蹤算法，在距離給定點(diǎn)較近處采用擾動式跟蹤算法。這種方法既能在穩(wěn)態(tài)時減少功率損失，又能在外界環(huán)境劇烈變化時提高動態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時也縮短了尋找最大功率點(diǎn)的時間，從而可以達(dá)到預(yù)定的控制效果，不僅解決了傳統(tǒng)擾動電壓法的步長選取問題，同時也明顯的減小了搜尋最大功率點(diǎn)的時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明流程圖；
[0023]圖2為本發(fā)明Ptl位于P-V曲線上側(cè)時，P0與P-V曲線關(guān)系圖；
[0024]圖3為本發(fā)明Ptl與P-V曲線近似相切時，P0與P-V曲線關(guān)系圖；
[0025]圖4為本發(fā)明Ptl與P-V曲線相交時，P0與P-V曲線關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0027]參見圖1，本發(fā)明提供的方法包括以下步驟:
[0028]I)采集太陽能電池板某一最大功率點(diǎn)記為基準(zhǔn)功率Ptl ；
[0029]2)采樣當(dāng)前工作電壓U1、工作電流I1，記為(U1, I1),記當(dāng)前功率為P1,
[0030]增加正向擾動電壓A1, A1可以根據(jù)實(shí)際工況取比較小的值，采集此時工作電壓U2、工作電流I2，記為(U2，I2)，記當(dāng)前功率為P2，判斷IP1 — P2 I < ε是否成立；
[0031]3)當(dāng)IP1-P2 I < ε成立時，進(jìn)入步驟9);當(dāng)P1-P2 I < ε不成立時，判斷！P1-P。I〈ε是否成立；
[0032]4)當(dāng)IP1-Ptl I <ε成立，說明第一次采集點(diǎn)P1距離P。較近，進(jìn)入步驟5);當(dāng)IP1-Po I <ε不成立，說明第一次采集點(diǎn)P1距離Ptl較遠(yuǎn)，判斷PAPtl是否成立，若成立則進(jìn)入步驟5)，若不成立，則進(jìn)入步驟6)；
[0033]5)采用擾動觀測法，判斷P2是否大于？1，若大于，則繼續(xù)增加正向的擾動電壓A1,得到第k次、第k-ι次的功率，直到IPk-Plri I <ε ;若小于，則繼續(xù)增加反向的擾動電壓A1，直到 |Pk —Ph I <ε ;
[0034]6)判斷Pk和Plri的大小，若PPPlri，則最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作點(diǎn)的右側(cè)，增加正向的擾動電壓A1，采集第k+Ι次和k+2次的工作電壓和工作電流，(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，記其功率為Pk+1、Pk+2，并判斷是否存在|Pk+2 —Pk+1 I <ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)；
[0035]若Ρ^Ρη，則最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作電壓的左側(cè)，增加反向的擾動電壓Λ工，采集(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，并判斷|Pk+2 —Pk+1 I < ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)。
[0036]7)采用切線法變步長式控制算法，令
P = Po
[0037]< Pk~Pk-\ Uk )-p pk計(jì)算U值,將參考電壓調(diào)整為U = !^,采
H ' "……(I),
集此時的工作電壓和工作電流(uk+1，ik+1)，記功率為pk+1，并判斷IPtl-pk+1 I < ε是否成立；
[0038]8)若|PQ — Pk+1 I < ε成立，則進(jìn)入步驟5)，若| P。一 Pk+1 | < ε不存在，則進(jìn)入步驟6)；
[0039]9)返回至步驟2)執(zhí)行。
[0040]在任意的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，單體光伏電池都存在一個特定的最大功率點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載和太陽能電池板匹配時，可使光伏電池處于最大功率輸出狀態(tài)。擾動觀測法的原理就是擾動功率變換器的占空比，引起光伏陣列輸出電壓的變化，然后通過觀測其后的功率變化方向，確定最大功率點(diǎn)的方向，從而得出擾動方向。
[0041]本發(fā)明提供的一種新份控制方法一切線法變步長式MPPT控制算法，其工作原理是，首先取定最大功率點(diǎn)Po，跟蹤太陽能電池板工作的某一最大功率點(diǎn)作為基準(zhǔn)值，則由太陽能電池板P-V曲線可知，存在下面的三種情況，即就是Ptl與當(dāng)前的最大功率點(diǎn)曲線相交、無交點(diǎn)或者相切，其中的相交和無交點(diǎn)指的是？111(當(dāng)前曲線的最大功率點(diǎn))|Pm —Ptl I <ε，也就是遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，不滿足精度的要求；然后通過先選定一個定功率從而將輸出功率分成2部分，在距離給定的定點(diǎn)功率較遠(yuǎn)處采用切線式跟蹤算法，在距離給定點(diǎn)較近處采用擾動式跟蹤算法。
[0042]由P-V曲線可知，P0與P-V曲線之間存在如下的三種關(guān)系:
[0043](I)Ptl位于曲線的上側(cè)，滿足|Pm-PQ| > ε，如圖2所示。
[0044]⑵P。和曲線近似相切，滿足IPm-PcJ < ε，如圖3所示。
[0045]⑶P。和曲線相交，滿足|Pm-PQ| > ε，如圖4所示。
[0046]步驟7)中切線法變步長式控制算法，首先判斷就是將前后兩次采集到的(U1,11)、(U2, I2)和定點(diǎn)功率聯(lián)立，如式(I)，就可以解出交點(diǎn)所對應(yīng)的電壓U。同時判斷P1和P2的大小，即可知道增加正向還是反向的擾動電壓。將參考電壓調(diào)節(jié)為U，采集此時的電壓電流(U3, I3)，其中U = U3，同時判斷IP3-Ptl I <ε是否存在。若小于則接下來采用干擾觀測法繼續(xù)搜尋最大功率點(diǎn)。若不小于再增加正向(反向)擾動電壓A1，得到(U4，I4)。
[0047]判斷是否存在|P4 — P3 I <ε，若小于不動作，若大于則繼續(xù)增加正向(反向)擾動電壓，找切線和Ptl的交點(diǎn)，并循環(huán)上述步驟，直到滿足精度要求。
[0048]本發(fā)明提出的切線法變步長控制算法，針對三種不同的情況，分別進(jìn)行了分析，本算法解決了擾動電壓步長選取問題，縮短搜尋最大功率點(diǎn)所花時間，使系統(tǒng)更好的工作于最大功率輸出狀態(tài)而提高了系統(tǒng)的功率輸出效率。
【權(quán)利要求】
1.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采集太陽能電池板某一最大功率點(diǎn)記為基準(zhǔn)功率Po； 2)采樣當(dāng)前工作電壓U1、工作電流I1，記為(U1,I1),記當(dāng)前功率為P1, 增加正向擾動電壓A1，采集此時工作電壓U2、工作電流I2，記為(U2，I2)，記當(dāng)前功率為P2，判斷IP1-P2 I < ε是否成立； 3)當(dāng)IP1— P2 I < ε成立時，進(jìn)入步驟9);當(dāng)IP1-P2 I < ε不成立時，判斷！P1 — P。I〈ε是否成立； 4)當(dāng)IP1-P。I< ε成立，進(jìn)入步驟5);當(dāng)IP1-Pci I < ε不成立，判斷P1^tl是否成立，若成立則進(jìn)入步驟5)，若不成立，則進(jìn)入步驟6)； 5)采用擾動觀測法，判斷P2是否大于？1，若大于，則繼續(xù)增加正向的擾動電壓A1，直到Pk-Pk-! I < ε ;若小于，則繼續(xù)增加反向的擾動電壓A1，直到|Pk —Plri I <ε ; 6)判斷Pk和Plri的大小，增加擾動電壓Λi，采集(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，并判斷是否存在|Pk+2 — Pk+1 I <ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)； 7)采用切線法變步長式控制算法，令 P-P, ' Pl-Pk Λ (u L,、= p—p 計(jì)算u值，將參考電壓調(diào)整為U = Uk+1，采集此時的工作 Uk-uk—〉k，電壓和工作電流(uk+1，Ik+1)，記功率為Pk+1，并判斷Ipq — Pk+1 I < ε是否成立； 8)若|PQ—Pk+1 I < ε成立，則進(jìn)入步驟5)，若|PQ —Pk+1 I < ε不存在，則進(jìn)入步驟6)； 9)返回至步驟2)執(zhí)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟6)，判斷Pk和Plri的大小，若PPPlri，則最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作點(diǎn)的右側(cè)，增加正向的擾動電壓A1，采集(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，并判斷是否存在|Pk+2 —Pk+1 I〈ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)； 若，則最大功率點(diǎn)位于當(dāng)前工作電壓的左側(cè)，增加反向的擾動電壓△ i，采集(Uk+1，Ik+1)、(Uk+2，Ik+2)，并判斷|Pk+2 —Pk+1 I < ε是否成立，若成立則進(jìn)入步驟9)，若不成立則進(jìn)入步驟7)。
【文檔編號】G05F1/67GK104298297SQ201410524775
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】寧鐸, 南艷子, 劉嫣, 張博, 趙東旭 申請人:陜西科技大學(xué)