專利名稱：一種基于極值尋找法(esc)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板最大功率點(diǎn)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板最大功率點(diǎn)跟蹤的方法，尤其涉及一種根據(jù)傳統(tǒng)的極值尋找法的變步長最大功率點(diǎn)跟蹤方法，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，特別是光伏發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光伏電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,根據(jù)光伏電池板的V-I曲線,在不同的光強(qiáng)度和溫度情況下，光伏板都存在最大功率點(diǎn)。為了充分利用光伏板的輸出能量，就要保證光伏電池板時(shí)刻工作在最大功率點(diǎn)，即需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤目前常用的最大功率點(diǎn)跟蹤的方法主要有擾動(dòng)觀察法(P&0)、導(dǎo)納法(INC)、開路 電壓短路電流法和極值尋找法(ESC)。擾動(dòng)觀察即是對(duì)光伏電池板的輸出電流或者是電壓加入一個(gè)擾動(dòng)，觀察光伏電池板功率的變化，根據(jù)變化方向來確定下一次擾動(dòng)的方向。擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)簡單，但是在最大功率點(diǎn)附近容易引起震蕩。開路電壓短路電流法是利用光伏電池板在最大功率點(diǎn)出的工作電壓、電流和開路電壓、短路電流存在一個(gè)比例關(guān)系?？刂坪唵?，沒有跟蹤功能，控制不精確。導(dǎo)納法利用光伏電池板P-I或者值P-V曲線在最大功率點(diǎn)左側(cè)斜率大于0，在最大功率點(diǎn)右側(cè)斜率小于O來跟蹤最大功率點(diǎn)。傳統(tǒng)的ESC是利用逆變器解耦產(chǎn)生的紋波作為光伏電池板電壓或者電流的擾動(dòng)，在光伏電池板功率曲線上產(chǎn)生一個(gè)正弦波動(dòng)，利用兩者乘積的直流分量，作為跟蹤最大功率點(diǎn)的依據(jù)。傳統(tǒng)的ESC能夠減小逆變器解耦電容的體積，但是在最大功率點(diǎn)附近會(huì)存在較大的震蕩，影響系統(tǒng)的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)存在的缺陷而提出的一種聞效率、聞穩(wěn)定性，快速的、適用于新能源發(fā)電場(chǎng)合的基于變步長極值尋找法的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤方法。為此本發(fā)明采用以下技術(shù)方案其特征在于將逆變器解耦產(chǎn)生的正弦紋波引入到光伏電池板輸出電壓中去，這一紋波會(huì)使光伏電池板的功率產(chǎn)生一個(gè)正弦的波動(dòng)，根據(jù)引入的正弦紋波和功率的正弦波動(dòng)的乘積的直流分量的正負(fù)，來判斷實(shí)際工作點(diǎn)的位置；通過檢測(cè)直流分量和光伏電池板輸出電壓的比值來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)極值尋找法(ESC)的電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓的變步長擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在光伏電池板的最大功率點(diǎn)附近的電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓的小步長擾動(dòng)，減小了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)候的誤差，提高效率，同時(shí)變步長的控制能夠進(jìn)一步減小逆變器解耦電容的體積，有利于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的壽命，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案它包括步驟如下步驟I :光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤工作模塊檢測(cè)t0時(shí)刻的光伏電池板的輸出電壓Vwt、引入逆變器解耦產(chǎn)生的紋波Λ Vwt、光伏電池板功率正弦波動(dòng)APtjut ;所述切時(shí)刻為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制周期的初始時(shí)刻，所述AVwt為引入到光伏電池板的輸出電壓的紋波，即逆變器解耦產(chǎn)生的紋波；步驟2 :在t0時(shí)刻對(duì)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓施加擾動(dòng)，持續(xù)到tO+T，T為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制周期；步驟3 :計(jì)算Λ Vout和Λ Pout的乘積，并且經(jīng)過低通濾波器濾波得到Λ Vout和Λ Pout的乘積的直流分量 (k)，同時(shí)計(jì)算直流分量ζ (k)和光伏電池板輸出電壓Vrat的比值^ (k)/V0Ut ；步驟4，根據(jù)步驟3中得到的ζ (k)和ζ (k)/V0Ut來判斷下一個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制周期的擾動(dòng)方向和擾動(dòng)方式， 如ξ (k)=0，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板最大功率點(diǎn)處，維持電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓不變；如ξ (k)>0,|||| > ，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板最大功率點(diǎn)左
邊，增加電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，定步長擾動(dòng)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為AVmax，其中，α是用來確定最大功率點(diǎn)跟蹤算法變步長區(qū)域大小的參數(shù)值；如ξ (k)>0,|盧I S α，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板的最大功率點(diǎn)
vOUt
左邊，增加電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，變步長擾動(dòng)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為AVmax叫— I，β為最大功率點(diǎn)算法光伏電池板開始進(jìn)入變步長區(qū)域的時(shí)候，在這一
時(shí)刻的4 (k)值，β值隨著α值的變化而改變；如ξ (k)〈0,|黑I > α,說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板的最大功率點(diǎn)右邊，減小電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，定步長擾動(dòng)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為；如ξ (k)>0,j^l < α，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板的最大功率點(diǎn)
vOUt
右邊，增加電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，變步長擾動(dòng)電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為'AVmax * I ^ I ο在上述步驟4中，用丨I和α的比較作為判斷是否進(jìn)入變步長區(qū)域的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)
vOUt
變步長區(qū)域的可控制性；α的值是可變的，變步長的區(qū)域是可變的。α值越大，變步長的區(qū)域越大，通常α值是大于0，并且小于I的。使用者可以根據(jù)實(shí)際的情況來確定。當(dāng)判斷開始進(jìn)入變步長區(qū)域的時(shí)候，將這一時(shí)刻的ζ (k)的值記錄下來，記為β，作為改變電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓擾動(dòng)步長的參數(shù)，β值隨著α值的變化而改變。由于采用本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種變步長機(jī)制尋找法的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，該方法將逆變器解耦的紋波引入到光伏電池板的輸出電壓，檢測(cè)光伏板上功率的正弦波動(dòng)，通過計(jì)算得到兩者乘積的直流分量，來判斷實(shí)際工作點(diǎn)的位置；通過直流分量和光伏電池板電壓的比值來確定是否進(jìn)入變步長區(qū)域。當(dāng)比值的絕對(duì)值小于或者是等于α的時(shí)候，進(jìn)入變步長區(qū)域；當(dāng)絕對(duì)值大于某一個(gè)設(shè)定值，進(jìn)入定步長擾動(dòng)區(qū)域。本發(fā)明中，α值是一個(gè)可以設(shè)定的值，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)者，α是可變的，不同的α值對(duì)應(yīng)著不同的變步長區(qū)域，通過控制α可以實(shí)現(xiàn)變步長區(qū)域的可控制性，用來適應(yīng)不同的工作條件。α的值是可變的，變步長的區(qū)域是可變的。，α值越大，變步長的區(qū)域越大，通常α值是大于O，并且是小于I的，使用者可以根據(jù)實(shí)際的情況來確定。本發(fā)明中，在定步長區(qū)域，基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長是AVmax ;在變步長區(qū)域，基準(zhǔn)電壓
的擾動(dòng)步長是AVmax *丨—I;在變步長區(qū)域，越靠近最大功率點(diǎn)，擾動(dòng)步長會(huì)越小，因此，本
發(fā)明方法和傳統(tǒng)的極值尋找法相比，減小了在最大功率點(diǎn)的震蕩，提高了效率；進(jìn)一步減小了逆變器就電容的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性，有利于提高系統(tǒng)壽命，具有實(shí)用價(jià)值；在新能源發(fā)電特別是太陽能發(fā)電中有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明所述的基于傳統(tǒng)ESC的變步長ESC最大功率點(diǎn)跟蹤方法流程圖。圖2是本發(fā)明所示的跟蹤方法的控制結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明所述的最大功率點(diǎn)跟蹤方法在兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖。在附圖中VPV(k)是k時(shí)刻的光伏板輸出電壓值；VPV(k_l)是k_l時(shí)刻的光伏板輸出電壓值(k)是k時(shí)刻的基準(zhǔn)電壓值；VMf (k-Ι)是k-1時(shí)刻的基準(zhǔn)電壓值；α值是一個(gè)可變的值；DC/DC是直流變直流變換器；DC/AC是直流變交流變換器；MPPT是光伏發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的控制模塊；PWM是產(chǎn)生開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)的模塊；PI是傳統(tǒng)的比例積分控制器；GRID是電網(wǎng)。
具體實(shí)施例方式步驟I :光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤工作模塊檢測(cè)t0時(shí)刻的光伏電池板的輸出電壓Vwt、引入逆變器解耦產(chǎn)生的紋波Λ Vwt、光伏電池板功率正弦波動(dòng)APtjut ;所述切時(shí)刻為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制周期的初始時(shí)刻，所述AVwt為引入到光伏電池板的輸出電壓的紋波，即逆變器解耦產(chǎn)生的紋波；步驟2 :在t0時(shí)刻對(duì)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓施加擾動(dòng)，持續(xù)到tO+T，T為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制周期；步驟3 :計(jì)算Λ Vout和Λ Pout的乘積，并且經(jīng)過低通濾波器濾波得到Λ Vout和Λ Pout的乘積的直流分量 (k)，同時(shí)計(jì)算直流分量ζ (k)和光伏電池板輸出電壓Vrat的比值^ (k)/V0Ut ；步驟4，根據(jù)步驟3中得到的ζ (k)和ζ (k)/V0Ut來判斷下一個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制周期的擾動(dòng)方向和擾動(dòng)方式，如ξ (k)=0，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板最大功率點(diǎn)處，維持電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓不變；如ξ (k)>0，||^丨>0￡，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板最大功率點(diǎn)左
邊，增加電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，定步長擾動(dòng)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為AVmax，其中，α是用來確定最大功率點(diǎn)跟蹤算法變步長區(qū)域大小的參數(shù)值；如ξ (k)>0,|||| S ，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板的最大功率點(diǎn)左邊，增加電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，變步長擾動(dòng)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為AVmax *丨—|，β為最大功率點(diǎn)算法光伏電池板開始進(jìn)入變步長區(qū)域的時(shí)候，在這一時(shí)刻的4 (k)值，β值隨著α值的變化而改變；如ξ (k)<0,|f^|> %說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板的最大功率點(diǎn)
v out
右邊，減小電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，定步長擾動(dòng)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為Δ Vmax ；如ξ (k) >0,|^1 < CE，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板的最大功率點(diǎn)右邊，增加電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓，變步長擾動(dòng)電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長為AVmax* 丨—|。
步驟5，記錄采樣得到的光伏板電壓Vpv (k)的值和直流分量ζ (k) ( Λ Vout和Λ Pout的乘積的直流分量)的值，返回主程序，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)控制周期。圖2所示的是本發(fā)明的控制流程圖，經(jīng)過高通濾波器將逆變器解耦產(chǎn)生的紋波引入到光伏板的輸出電壓中，在光伏板的輸出功率上會(huì)有一個(gè)正弦的紋波，通過高通濾波器檢測(cè)光伏板功率的正弦紋波，將引入逆變器解耦產(chǎn)生的紋波AVout和光伏板功率正弦波動(dòng)APout的乘積的直流分量作為判斷實(shí)際工作點(diǎn)位置的依據(jù)；同時(shí)利用直流分量和光伏板電壓的比值ζ (k)/Vrat來作為判斷是否進(jìn)入變步長區(qū)域的依據(jù)。與傳統(tǒng)的方法相比，該方法實(shí)現(xiàn)高效的同時(shí)，可以進(jìn)一步減小逆變器解耦電容的體積，有利于提高系統(tǒng)的壽命，降低成本；在穩(wěn)態(tài)波動(dòng)較小，效率較高；載光照迅速變化同時(shí)，跟蹤速度較快。圖3所示是本發(fā)明所述的最大功率點(diǎn)跟蹤方法在兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖。這里采用電壓環(huán)控制。通過高通濾波器將逆變器解耦產(chǎn)生的紋波提取出來，并引入到光伏板的輸出電壓中，在光伏板的輸出功率上會(huì)有一個(gè)正弦的紋波，通過高通濾波器檢測(cè)并得到光伏板功率的正弦紋波，將引入逆變器解耦產(chǎn)生的紋波AVout和光伏板功率正弦波動(dòng)APwt的乘積的直流分量作為判斷實(shí)際工作點(diǎn)位置的依據(jù)，在最大功率點(diǎn)跟蹤工作模塊里面計(jì)算兩者的乘積及其直流分量值，當(dāng)?shù)玫降闹绷鞣至看笥贠時(shí)，最大功率點(diǎn)跟蹤工作模塊會(huì)判斷實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左邊，當(dāng)?shù)玫降闹绷鞣至啃∮贠時(shí)，最大功率點(diǎn)跟蹤工作模塊會(huì)判斷實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右邊；同時(shí)利用直流分量和光伏板電壓的
比值4 (k)/Vrat來作為判斷是否進(jìn)入變步長區(qū)域的依據(jù)，||^|>α，定步長擾動(dòng)基準(zhǔn)電壓，擾動(dòng)步長為AVmax,|^I < α，變步長擾動(dòng)基準(zhǔn)電壓，擾動(dòng)步長為AVmax * I甲I ’丨^I > a,定步長擾動(dòng)基準(zhǔn)電壓，擾動(dòng)步長是Λ Vmax，丨(X，，變步長擾動(dòng)基準(zhǔn)電壓，擾動(dòng)步長為
AVmax *丨―h最大功率點(diǎn)跟蹤工作模塊計(jì)算出的基準(zhǔn)電壓是檢測(cè)到的光伏板的實(shí)際輸出
電壓的誤差信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)控制模塊(如PI)和PWM產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生DC/DC中開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而來跟蹤最大功率點(diǎn)。與傳統(tǒng)的方法相比，該方法實(shí)現(xiàn)高效的同時(shí)，可以進(jìn)一步減小逆變器解耦電容的體積，有利于提高系統(tǒng)的壽命，降低成本；在穩(wěn)態(tài)誤差較小，效率較高；在光照迅速變化同時(shí)，跟蹤速度較快。
權(quán)利要求
1.一種基于傳統(tǒng)極值尋找法(ESC)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，其特征在于它將逆變器解耦產(chǎn)生的正弦紋波引入到光伏電池板輸出電壓中去，這一紋波會(huì)使光伏電池板的功率產(chǎn)生一個(gè)正弦的波動(dòng)，根據(jù)引入的正弦紋波和光伏電池板的功率的正弦波動(dòng)的乘積的直流分量的正負(fù)，來判斷實(shí)際工作點(diǎn)的位置；通過檢測(cè)所述直流分量和光伏電池板輸出電壓的比值來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)極值尋找法(ESC)的電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓的變步長擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在光伏電池板的最大功率點(diǎn)附近的電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓的小步長擾動(dòng)。
2.如權(quán)利要求I所述的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板最大功率點(diǎn)跟蹤方法，特征在于它包括步驟如下 步驟1 :光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤工作模塊檢測(cè)to時(shí)刻的光伏電池板的輸出電壓Vwt、引入逆變器解耦產(chǎn)生的紋波ΛVtjut、光伏電池板功率正弦波動(dòng)APtjut ;所述切時(shí)刻為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制周期的初始時(shí)刻，所述AVwt為引入到光伏電池板的輸出電壓的紋波，即逆變器解耦產(chǎn)生的紋波； 步驟2 :在tO時(shí)刻對(duì)電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓施加擾動(dòng)，持續(xù)到tO+T，T為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制周期； 步驟3:計(jì)算AV-和Λ Pwt的乘積，并且經(jīng)過低通濾波器濾波得到AV-和 ΛΡ-的乘積的直流分量 (k)，同時(shí)計(jì)算直流分量ζ (k)和光伏電池板輸出電壓Vrat的比值ζ (k)/ 步驟4，根據(jù)步驟3中得到的ζ (k)和ζ (k)/Vtjut來判斷下一個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制周期的擾動(dòng)方向和擾動(dòng)方式， 如ξ (k)=0，說明光伏電池板的實(shí)際工作點(diǎn)在光伏電池板最大功率點(diǎn)處，維持電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓不變； 如
3.如權(quán)利要求所述的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板最大功率點(diǎn)跟蹤方法，特征在于，在權(quán)利要求2的步驟4中，用丨和α的比較作為判斷是否進(jìn)入變步長區(qū)域的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)變步長區(qū)域的可控制性。
4.如權(quán)利要求2所述的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板最大功率點(diǎn)跟蹤方法，特征在于，當(dāng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法判斷電壓環(huán)的擾動(dòng)開始進(jìn)入變步長區(qū)域的時(shí)候，將這一時(shí)刻的ζ (k)的值記錄下來，記為β，作為改變基準(zhǔn)電壓擾動(dòng)步長的參數(shù)；在定步長區(qū)域，基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長是AVmax;在變步長區(qū)域，基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長是AVmax *丨―丨；在靠近最大功率點(diǎn)的時(shí)候，電壓環(huán)的基準(zhǔn)電壓的擾動(dòng)步長會(huì)越小，實(shí)現(xiàn)小步長擾動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于傳統(tǒng)極值尋找法(ESC)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，其特征在于將逆變器解耦產(chǎn)生的正弦紋波引入到光伏電池板輸出電壓中去，這一紋波會(huì)使光伏電池板的功率產(chǎn)生一個(gè)正弦的波動(dòng)，根據(jù)引入的正弦紋波和功率的正弦波動(dòng)的乘積的直流分量的正負(fù)，來判斷光伏電池板實(shí)際工作點(diǎn)的位置；通過檢測(cè)直流分量和光伏電池板輸出電壓的比值來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)極值尋找法(ESC)的電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓的變步長擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在光伏電池板的最大功率點(diǎn)附近的電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓的小步長擾動(dòng)，減小了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)候的誤差，提高效率，同時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤的變步長的控制能夠進(jìn)一步減小逆變器解耦電容的體積，有利于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的壽命，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。
文檔編號(hào)G05F1/67GK102759945SQ20121016782
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者張哲 , 張弛, 陳敏 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)