專利名稱：獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種可再生、無污染的綠色能源，在太陽能的有效利用當(dāng)中，光伏發(fā)電是利用最靈活，也是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項目之一。由于太陽能電池的輸出具有明顯的非線性特性，并且其輸出受到光照強度、環(huán)境溫度和負載情況的影響，在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，太陽能電池可以工作在不同的的輸出電壓，但是只有在某一特定輸出電壓值時，太陽能電池的輸出功率才能達到最大值，這一點就是輸出功率電壓曲線的頂點(Maximum Power Point，MPP)。為了實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出最大化，需要對光伏電池的輸出最大功率點進行跟蹤，以保證在環(huán)境不斷變化的情況下，可以實時調(diào)整太陽能電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。目前針對MPPT的方法有很多，如恒定電壓控制法，短路電流法，擾動觀測法，導(dǎo)納增量法，模糊控制法，基于預(yù)測數(shù)據(jù)的最大功率跟蹤方法等等。恒定電壓控制法(CVT)采用將光伏電池輸出電壓控制在最大功率電壓處，以保證光伏電池在整個工作過程中將近似工作在最大功率點處，目前最大功率跟蹤算法中最常見的就是擾動觀察(Ρ&0)ΜΡΡΤ算法，該算法采用擾動光伏系統(tǒng)的輸出電壓的方式，判斷擾動前后系統(tǒng)輸出功率的變化情況，并按照使輸出功率增加的原則來對系統(tǒng)進行控制。導(dǎo)納增量法ancCond)采用在最大功率點處有dP/dU = 0的特征，作為判定光伏電池是否工作在最大功率點的依據(jù)，并對系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制，其他跟蹤算法介紹略。這些算法基本上都通過改變DC-DC電路的開關(guān)管占空比來調(diào)節(jié)組件輸出的等效負載大小，使得組件工作在最大功率點處，從而實現(xiàn)了最大功率點的實時跟蹤，但是他們共同存在的一個缺陷就是，為了在任何溫度和日照條件下都能準確跟蹤太陽能電池的最大功率，實現(xiàn)較佳的追蹤效果，在提高控制的精度的同時不斷的增加算法的復(fù)雜度和硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度從而也造成制作成本的上升，并且最關(guān)鍵的是，他們所采用的對最大功率點的追蹤是實時的，實時追蹤的過程實際上是一個功率尋優(yōu)的過程。由于在尋優(yōu)過程中不斷地調(diào)整參考電壓，因此，太陽電池的工作點始終在最大功率點附近振蕩，無法穩(wěn)定工作在最大功率點上，而且對系統(tǒng)的輸出功率進行不斷的振蕩擾動勢必會增加電壓電流波動造成的額外的能量損耗，極大的增加了控制出錯的概率。同時，當(dāng)日照強度快速變化時，參考電壓調(diào)整方向很有可能發(fā)生錯誤，產(chǎn)生控制算法的跑偏出錯。這也是目前使用較多的擾動觀察法在算法穩(wěn)定性方面的致命缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，被測參數(shù)少，運算方便，能提高擾動觀察法在算法的穩(wěn)定性。本發(fā)明為達到上述目的的技術(shù)方案是一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，其特征在于按以下步驟進行(1)、采集光伏電池組件的開路電壓值Uoc及當(dāng)前環(huán)境溫度Tl，設(shè)定啟動擾動觀察算法的指令電壓值Uo，其中Uo = (0. 75 0. 80) XUoc，控制光伏電池組件的擾動起點輸出電壓值U (k)從開路電壓值Uoc在0. 001 IOs內(nèi)下降至指令電壓值Utl，啟動擾動觀察算法；(2)、采集擾動起點時光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U(k)和擾動起點輸出電流I (k)，得光伏電池組件的擾動起點輸出功率P(k)，其中P(k) = U(k) X I (k)，并按設(shè)定的擾動步長STEP2改變擾動脈寬調(diào)制占空比D2，再采集下一時刻光伏電池組件的擾動輸出電壓U (k+Ι)和擾動輸出電流I (k+Ι)，得到光伏電池組件的擾動輸出功率P (k+Ι)，其中P (k+1) =^1^1)\1&+1)，判斷擾動輸出功率？&+1)與擾動起點輸出功率P(k)的關(guān)系a、當(dāng)擾動輸出功率P (k+Ι)與擾動起點輸出功率P (k)相同，擾動輸出功率P (k+1) 即為光伏電池組件的最大功率點Pmax，維持擾動脈寬調(diào)制占空比D2，停止擾動觀察算法， 并記錄光伏電池組件對應(yīng)的擾動輸出電壓U(k+Ι)和擾動脈寬調(diào)制占空比D2，將光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U (k)更新為擾動輸出電壓U (k+Ι)后并鎖定，將初始脈寬調(diào)制占空比Dl更新為擾動脈寬調(diào)制占空比D2 ；b、在擾動輸出功率P (k+i)大于擾動起點輸出功率P (k)，按擾動起點同向的擾動方向調(diào)節(jié)擾動脈寬調(diào)制占空比D2，或擾動輸出功率P(k+1)小于擾動起點輸出功率P(k)，按擾動起點反向的擾動方向調(diào)節(jié)擾動脈寬調(diào)制占空比D2;重新采集更新后擾動起點的光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U(k)和擾動起點輸出電流I (k)，得到更新后的擾動起點輸出功率P(k)，并采集更新后下一時刻的光伏電池組件的擾動輸出電壓U (k+Ι)和擾動輸出電流I (k+Ι)，得到光伏電池組件更新后下一時刻的擾動輸出功率P (k+Ι)，判斷更新后的下一時刻擾動輸出功率P (k+Ι)與更新后的擾動起點輸出功率P(k)的關(guān)系，當(dāng)更新后的擾動輸出功率P(k+1)與更新后的擾動起點輸出功率P(k)相同，重復(fù)步驟a，否則重復(fù)本步驟；(3)、按設(shè)定的時間隔周期At采樣環(huán)境溫度T2以及光伏電池組件的間隔輸出電壓U2和間隔輸出電流12，得到光伏電池組件的間隔輸出功率P2 = U2XI2，計算功率相對變化率精度K = I P2-Pmax | /Pmax以及溫度相對變化精度& = | T2-T11，當(dāng)功率相對變化率精度&小于10%、且溫度相對變化精度&小于2°C時，繼續(xù)鎖定更新后的擾動起點輸出電壓U (k)，否則重復(fù)重復(fù)步驟2。本發(fā)明的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，在上電啟動后能通過電壓預(yù)定位和擾動觀察法迅速找到最大功率工作點，通過檢測光伏電池組件擾動起點的下一刻輸出功率，再將它與光伏電池組件的擾動起點輸出功率相比較，將這種功率相對變化作為是否重新啟動擾動觀察算法跟蹤新的最大功率點的依據(jù)，啟動迅速，跟蹤算法能迅速找到并鎖定最大功率點。本發(fā)明在鎖定擾動起點下一時刻的最大功率點后，再通過設(shè)定的間隔周期進行間歇擾動方式，通過可調(diào)可變的時間隔周期At去采樣環(huán)境溫度和光伏電池組件的間隔功率的變化是否超出所限定的功率相對變化率精度和溫度相對變化精度范圍進行判斷，是否再次啟動擾動算法去追蹤新的最大功率點，由于采樣間隔At相對于擾動觀察算法時間周期要大得多，這就使得擾動算法在整個控制算法的周期中占據(jù)的比例相對傳統(tǒng)的擾動觀察算法(100% )要大大降低，避免反復(fù)擾動改變開關(guān)管占空比而帶來的輸出電壓、電流波動引起的能量損耗，有效降低了系統(tǒng)控制算法出錯的概率，大大增加了控制算法的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過設(shè)定的間歇擾動的時間隔周期At得到采樣環(huán)境溫度T2和間隔功率P2，合理控制功率相對變化率精度和溫度相對變化精度范圍，在保證精度的前提下簡化控制算法，加快控制系統(tǒng)運行速度。本發(fā)明的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法被測參數(shù)少，運算方便，硬件結(jié)構(gòu)簡單，降低了發(fā)電系統(tǒng)的成本。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的詳細描述。圖1是本發(fā)明的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率快速跟蹤方法的流程示意圖。圖2是太陽能光伏電池伏案特性曲線示意圖。圖3是太陽能光伏電池功率特性曲線示意圖。圖4是太陽能光伏電池P-U特性曲線示意圖。圖5是本發(fā)明控制原理的框圖。
具體實施例方式見圖1所示，本發(fā)明的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，按以下步驟進行(1)、采集光伏電池組件的開路電壓值Uoc及當(dāng)前環(huán)境溫度Tl并輸入單片機內(nèi)，設(shè)定啟動擾動觀察算法的指令電壓值Uo，其中Uo = (0. 75 0. 80) XUoc，單片機內(nèi)具有初始脈寬調(diào)制占空比Dl和步長STEP1，控制光伏電池組件的擾動起點輸出電壓值U(k)從開路電壓值Uoc在0. 001 IOs內(nèi)下降至指令電壓值U0，電壓預(yù)定位過程結(jié)束，該開路電壓值Uoc 下降至指令電壓值U0可控制在0. 1 k內(nèi)，啟動擾動觀察算法，初始時的擾動起點輸出電壓值U (k)即為指令電壓值Utl，完成光伏電池組件的電壓預(yù)定位。(2)、采集擾動起點時光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U(k)和擾動起點輸出電流I (k)，得到光伏電池組件的擾動起點輸出功率P(k)，其中P(k) = U(k) X I (k)，并按設(shè)定的擾動步長STEP2來改變擾動脈寬調(diào)制占空比D2，再采集下一時刻光伏電池組件的擾動輸出電壓U(k+1)、擾動輸出電流I (k+Ι)，得到光伏電池組件的擾動輸出功率P (k+Ι)，其中 P(k+1) =^1^1)乂1&+1)，判斷擾動輸出功率？&+1)與擾動起點輸出功率P(k)的關(guān)系a、當(dāng)擾動輸出功率P (k+Ι)與擾動起點輸出功率P (k)相同，擾動輸出功率P (k+1) 即為光伏電池組件的最大功率點Pmax，維持擾動脈寬調(diào)制占空比D2，停止擾動觀察算法， 并記錄光伏電池組件對應(yīng)的擾動輸出電壓U(k+Ι)和擾動脈寬調(diào)制占空比D2，將光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U (k)更新為擾動輸出電壓U (k+Ι)后并鎖定，將初始脈寬調(diào)制占空比Dl更新為擾動脈寬調(diào)制占空比D2 ；b、在擾動輸出功率P(k+1)大于擾動起點輸出功率P(k)，按擾動起點同向的擾動方向調(diào)節(jié)擾動脈寬調(diào)制占空比D2，或擾動輸出功率P(k+1)小于擾動起點輸出功率P(k)，按擾動起點反向的擾動方向調(diào)節(jié)擾動脈寬調(diào)制占空比D2，在擾動脈寬調(diào)制占空比D2改變后， 重新采集更新后擾動起點的光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U(k)和擾動起點輸出電流 I (k)，得到更新后的擾動起點輸出功率P (k)，再采集更新后下一時刻的光伏電池組件的擾動輸出電壓u(k+l)和擾動輸出電流I(k+1)，得到光伏電池組件更新后下一時刻的擾動輸出功率P(k+1)，判斷更新后的下一時刻擾動輸出功率P(k+1)與更新后的擾動起點輸出功率p(k)的關(guān)系，當(dāng)更新后的擾動輸出功率P(k+1)與更新后的擾動起點輸出功率P(k)相同，重復(fù)步驟a，否則重復(fù)本步驟，改變擾動脈寬調(diào)制占空比D2后，更新數(shù)據(jù)。(3)、按設(shè)定的時間隔周期At采樣環(huán)境溫度T2以及光伏電池組件的間隔輸出電壓U2和間隔輸出電流12，該時間間隔周期△ t可控制在0. 1 60s之間，在環(huán)境變化較頻繁的時候，可控制在0. 1 1. 99s之間，而在相對穩(wěn)定的環(huán)境中，采樣間隔時間At可控制在2 Is之間，這就使得在整個控制周期中，絕大部分時間系統(tǒng)都不處于擾動振蕩處理過程中，避免反復(fù)擾動改變開關(guān)管占空比而帶來的輸出電壓、電流波動引起的能量損耗，有效降低了系統(tǒng)控制算法出錯的概率，通過間隔輸出電壓U2和間隔輸出電流12得到光伏電池組件的間隔輸出功率P2 = U2 X 12，計算功率相對變化率精度& = I P2-Pmax | /Pmax以及溫度相對變化精度4 = ”2-11|，當(dāng)功率相對變化率精度4小于10%、且溫度相對變化精度 Et小于2°C時，繼續(xù)鎖定更新后的擾動起點輸出電壓U(k)，否則重復(fù)重復(fù)步驟2，以此進行間歇擾動，去追蹤光伏電池組件更新后的最大功率點，本發(fā)明的功率相對變化率精度&小于8 %，溫度相對變化精度&小于1°C，能更進一步提高精度。見圖2-4所示，光伏電池組件在溫度一定時，在一定的光照變化范圍內(nèi)，光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點電壓幾乎分布在一個固定電壓值的兩側(cè)作微小變化，太陽能光伏電池組件的輸出始終在最大功率點附近，而且組件輸出開路電壓值也幾乎恒定。見圖5所示，本發(fā)明的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法以單片機為控制核心，包括光伏電池組件、單片機、DC-DC變換器以及外圍電路及蓄電池負載。該單片機如采用STC12CM12AD單片機，通過溫度傳感器將光伏電池組件的輸出電壓和電流分別由電壓采樣電路和電流采樣電路采樣，并將采集到的環(huán)境溫度、電壓以及電流信號送入單片機的ADC采樣端口，再經(jīng)過單片機中控制算法軟件的運算后，從單片機的PWM輸出端口送出控制信號并通過其驅(qū)動電路的輸出信號將完成對DC-DC變換器的開關(guān)功率器件IGBT的開通與關(guān)斷的控制，可采用EXB841模塊作為功率開關(guān)元件IGBT的驅(qū)動器，可采用目前一些市售的測試儀。本發(fā)明通過對光伏電池組件對輸出電壓、電流的檢測，得到光伏電池組件擾動輸出功率，再將它與前一時刻所記憶的擾動起功率相比較，從而確定擾動PWM方波占空比調(diào)整的方向。若擾動輸出功率P(k+1)大于擾動起點輸出功率P(k)，說明擾動方向正確，可以維持原來的擾動方向進行調(diào)節(jié)；若當(dāng)擾動輸出功率P(k+1)小于擾動起點輸出功率P(k)，說明擾動方向錯誤，需要改變擾動方向。從圖4中可以看出，當(dāng)擾動脈寬調(diào)制占空比D2增大時，若擾動起點輸出功率P (k)也增大，則工作點位于圖4中最大功率點Pmax左側(cè)，需要繼續(xù)增大擾動脈寬調(diào)制占空比D2 ；若擾動起點輸出功率P(k)減小，則工作點位于最大功率點 P-右側(cè)，需要減小擾動脈寬調(diào)制占空比D2 ；當(dāng)擾動脈寬調(diào)制占空比D2減小時，若擾動起點輸出功率P(k)輸出功率也減小，則工作點位于最大功率點Pmax的左側(cè)，需增大擾動脈寬調(diào)制占空比D2;若擾動起點輸出功率P(k)增大，則工作點位于最大功率點Pmax的右側(cè)，需繼續(xù)減小占空比。本發(fā)明擾動占空比和擾動輸出功率的關(guān)系在最大功率點左邊，擾動占空比隨擾動功率增大而增大；在最大功率點右邊，擾動占空比隨擾動功率增大而減小。故在停止振蕩擾動后，在某一環(huán)境波動范圍內(nèi)，太陽能光伏電池組件輸出功率可以很好的跟蹤到理論輸出最大功率，系統(tǒng)就大大簡化了控制算法，避免了傳統(tǒng)擾動算法始終在最大功率點附近做振蕩擾動而帶來的穩(wěn)定性差的缺點，將系統(tǒng)擾動觀察算法在系統(tǒng)控制算法中所占據(jù)的時間比例盡量降低，提高了控制算法的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，其特征在于按以下步驟進行(1)、采集光伏電池組件的開路電壓值Uoc及當(dāng)前環(huán)境溫度Tl，設(shè)定啟動擾動觀察算法的指令電壓值Uo，其中Uo = (0. 75 0. 80) XUoc，控制光伏電池組件的擾動起點輸出電壓值U(k)從開路電壓值Uoc在0. 001 IOs內(nèi)下降至指令電壓值^，啟動擾動觀察算法；(2)、采集擾動起點時光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U(k)和擾動起點輸出電流 I (k)，得光伏電池組件的擾動起點輸出功率P (k)，其中P (k) = U (k) X I (k)，并按設(shè)定的擾動步長STEP2改變擾動脈寬調(diào)制占空比D2，再采集下一時刻光伏電池組件的擾動輸出電壓 U (k+Ι)和擾動輸出電流I (k+Ι)，得到光伏電池組件的擾動輸出功率P (k+Ι)，其中P (k+1)= ^1^1)乂10^1)，判斷擾動輸出功率？&+1)與擾動起點輸出功率P(k)的關(guān)系a、當(dāng)擾動輸出功率P(k+Ι)與擾動起點輸出功率P(k)相同，擾動輸出功率P(k+1)即為光伏電池組件的最大功率點Pmax，維持擾動脈寬調(diào)制占空比D2，停止擾動觀察算法，并記錄光伏電池組件對應(yīng)的擾動輸出電壓U(k+1)和擾動脈寬調(diào)制占空比D2，將光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U (k)更新為擾動輸出電壓U (k+Ι)后并鎖定，將初始脈寬調(diào)制占空比 Dl更新為擾動脈寬調(diào)制占空比D2 ；b、在擾動輸出功率P(k+Ι)大于擾動起點輸出功率P (k)，按擾動起點同向的擾動方向調(diào)節(jié)擾動脈寬調(diào)制占空比D2，或擾動輸出功率P (k+Ι)小于擾動起點輸出功率P (k)，按擾動起點反向的擾動方向調(diào)節(jié)擾動脈寬調(diào)制占空比D2;重新采集更新后擾動起點的光伏電池組件的擾動起點輸出電壓U(k)和擾動起點輸出電流I (k)，得到更新后的擾動起點輸出功率P(k)，并采集更新后下一時刻的光伏電池組件的擾動輸出電壓U (k+Ι)和擾動輸出電流 I (k+Ι)，得到光伏電池組件更新后下一時刻的擾動輸出功率P (k+Ι)，判斷更新后的下一時刻擾動輸出功率P(k+1)與更新后的擾動起點輸出功率P(k)的關(guān)系，當(dāng)更新后的擾動輸出功率P(k+1)與更新后的擾動起點輸出功率P(k)相同，重復(fù)步驟a，否則重復(fù)本步驟；(3)、按設(shè)定的時間隔周期Δt采樣環(huán)境溫度T2以及光伏電池組件的間隔輸出電壓U2 和間隔輸出電流12，得到光伏電池組件的間隔輸出功率P2 = U2X 12，計算功率相對變化率精度& = I P2-Pmax | /Pmax以及溫度相對變化精度& = | T2-T11，當(dāng)功率相對變化率精度& 小于10%、且溫度相對變化精度&小于2°C時，繼續(xù)鎖定更新后的擾動起點輸出電壓U (k)， 否則重復(fù)重復(fù)步驟2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，其特征在于所述間隔周期Δ t在0. 1 60s之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，其特征在于所述的功率相對變化率精度&小于8 %，且溫度相對變化精度&小于1°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點快速跟蹤方法，進行光伏電池組件電壓預(yù)定位，啟動擾動觀察算法；采集擾動啟動輸出電壓和電流得擾動啟動輸出功率，改變擾動脈寬調(diào)制占空比，采集擾動輸出電壓和電流得擾動輸出功率，判斷擾動輸出功率與擾動起點功率，相同即為最大功率點，停止擾動觀察算法，記錄、鎖定并更新擾動起點電壓和占空比；不相同改變占空比后重新跟蹤新的最大功率點；按時間隔周期得到間隔輸出功率及功率相對變化率和溫度相對變化精度，確定是否繼續(xù)鎖定更新后的擾動起點輸出電壓。本發(fā)明啟動迅速，運算方便可靠，具有間歇擾動特性，能夠有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率并降低系統(tǒng)控制的功耗和出錯概率。
文檔編號G05F1/67GK102314190SQ201110113240
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者莊小紅, 徐登, 章彬宏 申請人:常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院