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CN105573401B - 太阳能光伏系统mppt控制方法 - Google Patents

太阳能光伏系统mppt控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太阳能光伏系统MPPT控制方法，包括：在太阳能光伏系统输出电压上增加纹波，形成追踪电压。获取在所述追踪电压下的太阳能光伏系统的输出功率曲线。在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点增加，若是，则表征光伏系统的输出电压已位于光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近；若否，则以一定的变化量改变光伏系统的输出电压来形成追踪电压，重新进行追踪。

Description

太阳能光伏系统MPPT控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，且特别涉及一种太阳能光伏系统MPPT控制方法。
背景技术
当前，基于太阳能利用的光伏发电技术得到广泛的应用，光伏系统大多通过太阳能电池板的串并联组成光伏阵列，然而当电池板处于遮蔽状态或各太阳能电池板不匹配等非理想情况出现时，光伏阵列的输出功率会有非常大的衰减。因此在光伏系统中添加最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制器，就可以实现光伏系统的最大功率输出。
现有的MPPT控制方法主要有三种，分别是恒压跟踪法、电导增量法以及扰动观察法。这些算法共同的特点就是需要现场实时计算，根据当前的电压电流状况，计算出当前的功率，并与之前的功率作比较，得到功率的变化趋势，通过改变太阳能电池的等效负载，实现太阳能电池的最大功率跟踪。然而由于需要实时计算且计算量大，不断搜寻最大功率点，并且很难一次就定位到最大功率点，甚至可能出现在最大功率点附近振荡的状况，不仅搜寻速度慢、效率低且搜寻的精度差。
发明内容
本发明为了克服现有MPPT控制方法效率低且精度差的问题，提供一种可快速寻找到最大功率点所对应的输出电压的太阳能光伏系统MPPT控制方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种太阳能光伏系统MPPT控制方法，包括：
以具有纹波的太阳能光伏系统的输出电压作为追踪电压；获取在所述追踪电压下的太阳能光伏系统的输出功率曲线；
在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加，若是，则表征光伏系统的输出电压已位于光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近；若否，则以一定的变化量改变光伏系统的输出电压来形成追踪电压，重新进行追踪。
于本发明一实施例中，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：通过计算一个周期内纹波电压曲线和输出功率曲线的相位差，当相位差发生变化时表征在相位差变化的区域内出现极值点的个数增加。
于本发明一实施例中，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：在一个周期内对输出功率曲线上的点进行求导，当dP/dt＝0时，表征该处存在极值点，P为功率曲线上的值，t为时间，计算极值点的个数并判断是否存在极值点的个数增加。
于本发明一实施例中，在一个周期内判断输出功率曲线出现极值点的个数增加后，减小纹波的幅值并与当前的追踪电压相叠加形成追踪电压，继续进行追踪。
于本发明一实施例中，当光伏系统的输出电压逐渐接近光伏系统的最大功率点所对应的输出电压时，减小光伏系统的输出电压的变化量。
于本发明一实施例中，光伏系统以最大输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量减小光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。
于本发明一实施例中，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：通过相位判断追踪电压的峰值和谷值所对应的功率，当追踪电压的峰值所对应的功率大于或等于追踪电压的谷值所对应的功率时表征在该追踪电压范围内功率曲线存在极值点的个数增加。
于本发明一实施例中，光伏系统以最小输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量增加光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。
于本发明一实施例中，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：通过相位判断追踪电压的峰值和谷值所对应的功率，当追踪电压的峰值所对应的功率小于或等于追踪电压的谷值所对应的功率时表征在该追踪电压范围内功率曲线存在极值点的个数增加。
于本发明一实施例中，纹波为正弦波。
综上所述，本发明提供的太阳能光伏系统MPPT控制方法与现有技术相比，具有以下优点：
通过以具有纹波的太阳能光伏系统的输出电压作为追踪电压，该纹波会使输出功率曲线呈交流状态。通过判断在该追踪电压所对应的输出功率曲线的一个周期内是否出现极值点的个数增加，来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。当输出功率曲线在一个周期内出现极值点的个数增加时表明光伏系统的最大功率点所对应的输出电压在该追踪电压的幅值范围内。本发明提供的太阳能光伏系统MPPT控制方法仅仅需要判断输出功率曲线上在一个周期内的极值点变化个数即可追踪到光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。相比传统的MPPT控制方法，计算简单，相应的追踪响应快，追踪效率高。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明实施例一提供的太阳能光伏系统MPPT控制方法的流程图。
图2所述为本发明实施例一中当光伏系统的输出电压位于光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近时的输出功率曲线图及纹波曲线图。
图3为太阳能光伏系统的输出特性曲线。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明提供的太阳能光伏系统MPPT控制方法包括：以具有纹波的太阳能光伏系统的输出电压作为追踪电压(步骤S1)。获取在所述追踪电压下的太阳能光伏系统的输出功率曲线(步骤S2)。在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加(步骤S3)。若是，则表征光伏系统的输出电压已位于光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近(步骤S4)；若否，则以一定的变化量改变光伏系统的输出电压来形成追踪电压，重新进行追踪(步骤S5)。以下进一步结合图1，对本实施例提供的太阳能光伏系统MPPT控制方法进行详细说明。
该方法始于步骤S1，于本实施例中，该步骤S1是在太阳能光伏系统输出的直流电压的基础上增加一纹波，所述纹波为小幅值的交流分量，纹波的设置是为了使得太阳能光伏系统的输出功率具有一定的交流分量。具体而言，可通过信号合成器将两者进行合成。于本实施例中，纹波为正弦波，相对应的，太阳能光伏系统输出功率曲线也为正弦波。然而，本发明对纹波的具体类型不作任何限定。于其它实施例中，纹波可为其它交流信号。在该步骤中太阳能光伏系统的输出电压检测可通过电压采样电路来实现。
由于本实施例中，追踪电压是在太阳能光伏系统输出的直流电压的基础上增加一纹波。因此，以一定的变化量改变光伏系统的输出电压指的是改变该直流分量电压值。于其它实施例中，当太阳能光伏系统输出本身具有纹波时，以该具有纹波的太阳能光伏系统的输出电压作为追踪电压。此时，以一定的变化量改变光伏系统的输出电压指的是改变输出电压的平均值。
在形成追踪电压之后，在步骤S2中获取在该追踪电压下的太阳能光伏系统的输出功率曲线。具体的实现方式为，通过电流采样电路获取太阳能光伏系统在追踪电压下的输出电流，通过追踪电压和输出电流计算得到输出功率曲线。由于步骤S1中追踪电压上具有交流分量，相对应的形成的输出功率曲线上也具有交流分量。根据太阳能光伏系统的输出特性曲线，当追踪电压未位于太阳能光伏系统最大输出功率所对应的电压UPMAX附近时，输出功率曲线与追踪电压(即纹波电压)具有相同的频率。
得到太阳能光伏系统的输出功率曲线之后，执行步骤S3，判断该功率曲线在一个周期内是否出现极值点的个数增加。判断方法为通过计算一个周期内纹波电压曲线和输出功率曲线的相位差，当相位差发生变化时表征在相位差变化的区域内出现极值点的个数增加。
于本实施例中，光伏系统以最大输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量减小光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。图3所示为光伏系统的输出功率曲线，在功率曲线上从右往左采用爬坡的方式进行追踪。当输出电压位于光伏系统的最大输出电压UoutMAX和最大输出功率所对应的电压UPMAX之间时，输出功率和输出电压呈反比。因此，在该阶段范围内纹波电压的曲线和输出功率曲线之间的相位差为180度。
而当Uout-△U<UPMAX<Uout+△U时，如图2所示，在UPMAX<Uout+△U这个范围内，输出功率曲线上t0～t1阶段与纹波电压曲线的相位差为180度，而当Uout-△U<UPMAX这个范围内，输出功率曲线上t1～t2阶段与纹波电压曲线的相位差为0度，即此时输出功率曲线和纹波电压曲线的相位差发生变化，即表征UPMAX位于Uout-△U～Uout+△U这个电压范围内，Uout为光伏系统的当前输出电压。
当判断输出功率曲线上出现极值点的个数增加时，说明光伏系统的输出电压已位于光伏系统的最大功率点所对应的输出电压UPMAX的附近，光伏系统在该输出电压下工作具有较大的输出功率。当输出功率曲线上未出现极值点的个数增加时，说明UPMAX<Uout-△U，此时可以以一定的变化量减小Uout并重新执行步骤S3，实现Uout-△U<UPMAX<Uout+△U。
尽管本实施例提供的追踪方法是以最大输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量减小光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可以以光伏系统的最小输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量增加光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。即在图3中，从左往右爬坡进行追踪，在该种追踪方式中，在最小输出电压和最大功率点所对应的输出电压UPMAX之间输出功率曲线和纹波电压曲线之间同相位，两者之间的相位差为0度。而当Uout-△U<UPMAX<Uout+△U，在Uout-△U<UPMAX阶段输出功率曲线和纹波电压曲线之间的相位差仍为0度，而在UPMAX<Uout+△U区间内，输出功率曲线和纹波电压曲线之间的相位差为180度，即发生相位差变化，存在极值点的个数增加。
为进一步提高检测最大功率点所对应的输出电压UPMAX的精度，于本实施例中，在步骤S4后减小纹波的幅值△U，并与当前的输出电压相叠加形成新的追踪电压，继续进行追踪(步骤S6)。纹波幅值△U的增大在一定程度上会增加追踪的速度，纹波幅值△U的减小可提高追踪精度。
为提高追踪速度，于本实施例中，当光伏系统的输出电压远远小于最大功率点所对应的输出电压UPMAX时，输出电压Uout以较大的变化量进行递减，而当靠近最大功率点所对应的输出电压UPMAX时减小光伏系统的输出电压的变化量。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，输出电压Uout可以以恒定的变化量进行递减或递增。
实施例二
本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于：在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法不同。于本实施例中，在一个周期内对输出功率曲线上的点进行求导，当dP/dt＝0时，表征该处存在极值点，P为功率曲线上的值，t为时间，计算极值点的个数并判断是否存在极值点的个数增加。当出现极值点的个数增加时，表征最大功率点所对应的输出电压UPMAX位于极值点的个数增加的区域所对应的电压范围内。在实际使用中，观察图2可发现，当最大功率点所对应的输出电压UPMAX与输出电压Uout重合时，在输出功率曲线上，输出电压曲线的零相位所对应的功率点将出现极值。因此，可通过对输出电压曲线的零相位所对应的功率点进行求导，来判断输出电压是否位于最大功率点所对应的输出电压的附近。具体而言：
当输出电压曲线的零相位所对应的功率点的导数接近于零时，说明输出电压位于最大功率点所对应的输出电压UPMAX的附近。当输出电压曲线的零相位所对应的功率点的导数等于零时，说明输出电压等于最大功率点所对应的输出电压UPMAX。
当输出电压曲线的零相位所对应的功率点的导数大于零时，说明输出电压小于最大功率点所对应的输出电压UPMAX，此时增加输出电压的直流分量电压值或平均值来使得输出电压接近最大功率点所对应的输出电压UPMAX。
而当输出电压曲线的零相位所对应的功率点的导数小于零时，说明输出电压大于最大功率点所对应的输出电压UPMAX，此时减小输出电压的直流分量电压值或平均值来使得输出电压接近最大功率点所对应的输出电压UPMAX。
本实施例提供的追踪方法中，采用求导的方式来判断输出功率曲线的在一个周期内是否存在极值点极值点，增加，从而寻找光伏系统的最大功率点追踪，计算方式非常简单、计算速度快，因此，具有很高的追踪效率。
实施例三
本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于：在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法不同。具体而言，当获得追踪电压所对应的功率曲线后，通过相位判断追踪电压的峰值Uout+△U和谷值Uout-△U所对应的功率。于本实施例中，追踪方法是以最大输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量减小光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。如图3所示，当Uout-△U>UPMAX时，Uout-△U所对应的输出功率一直大于Uout+△U所对应的输出功率，而当Uout-△U<UPMAX<Uout+△U且Uout+△U-UPMAX≤UPMAX-Uout+△U时，Uout+△U所对应的输出功率大于或等于Uout-△U所对应的输出功率，此时表征在Uout-△U～Uout+△U这个范围内输出功率曲线存在极值点，即最大输出功率点所对应的输出电压UPMAX位于Uout-△U～Uout+△U这个范围内。
于其它实施例中，以光伏系统的最小输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量增加光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压时，采用相位判断追踪电压的峰值和谷值所对应的功率，当追踪电压的峰值所对应的功率小于或等于追踪电压的谷值所对应的功率时表征在该追踪电压范围内功率曲线存在极值点的个数增加，即最大输出功率点所对应的输出电压UPMAX位于该追踪电压范围内。
综上所述，通过以具有纹波的太阳能光伏系统的输出电压作为追踪电压，该纹波会使输出功率曲线呈交流状态。通过判断在该追踪电压所对应的输出功率曲线的一个周期内是否出现极值点的个数增加，来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。当输出功率曲线在一个周期内出现极值点的个数增加时表明光伏系统的最大功率点所对应的输出电压在该追踪电压的幅值范围内。本发明提供的太阳能光伏系统MPPT控制方法仅仅需要判断输出功率曲线上在一个周期内的极值点变化个数即可追踪到光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。相比传统的MPPT控制方法，计算简单，相应的追踪响应快，追踪效率高。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，包括：
以具有纹波的太阳能光伏系统的输出电压作为追踪电压；
获取在所述追踪电压下的太阳能光伏系统的输出功率曲线；
在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加，若是，则表征光伏系统的输出电压已位于光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近；若否，则以一定的变化量改变光伏系统的输出电压来形成追踪电压，重新进行追踪。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：通过计算一个周期内纹波电压曲线和输出功率曲线的相位差，当相位差发生变化时表征在相位差变化的区域内出现极值点的个数增加。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：在一个周期内对输出功率曲线上的点进行求导，当dP/dt＝0时，表征该处存在极值点，P为功率曲线上的值，t为时间，计算极值点的个数并判断是否存在极值点的个数增加。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，在一个周期内判断输出功率曲线出现极值点的个数增加后，减小纹波的幅值并与当前的追踪电压相叠加形成追踪电压，继续进行追踪。
5.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，当光伏系统的输出电压逐渐接近光伏系统的最大功率点所对应的输出电压时，减小光伏系统的输出电压的变化量。
6.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，光伏系统以最大输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量减小光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。
7.根据权利要求6所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：通过相位判断追踪电压的峰值和谷值所对应的功率，当追踪电压的峰值所对应的功率大于或等于追踪电压的谷值所对应的功率时表征在该追踪电压范围内功率曲线存在极值点的个数增加。
8.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，光伏系统以最小输出电压进行输出形成追踪电压，之后以一定的变化量增加光伏系统的输出电压来追踪光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。
9.根据权利要求8所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，在一个周期内判断输出功率曲线是否出现极值点的个数增加的方法为：通过相位判断追踪电压的峰值和谷值所对应的功率，当追踪电压的峰值所对应的功率小于或等于追踪电压的谷值所对应的功率时表征在该追踪电压范围内功率曲线存在极值点的个数增加。
10.根据权利要求1所述的太阳能光伏系统MPPT控制方法，其特征在于，所述纹波为正弦波。
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