一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统及方法

摘要

一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统及方法，属于太阳能光伏发电技术领域，系统包括光伏阵列、Boost升压模块、直流链电容、负载/逆变器模块、测量模块和控制模块；方法包括：测量模块实时采样光伏阵列的输出电压和输出电流，控制模块根据电压差、电流差、功率差计算第一步长、第二步长和第三步长以及当前时刻参考电压；控制模块根据参考电压控制Boost升压模块；本发明采用三种不同的可变步长，第一、二步长均动态变小，可改善在最大功率点附近的震荡现象，提高稳态精度；当光照强度突变时，采用第三步长，解决了传统方法中跟踪速度和稳态精度矛盾的问题，而且在光照变化时仍然具有较高的稳态精度和较快的跟踪速度。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统及方法。

背景技术

在全球能源危机日益严重的背景下，太阳能以其储量大、开发方便、清洁环保等特点越来越受到人们的重视。在光伏发电中，由于太阳能电池输出功率受外界环境影响较大，为了使光伏阵列保持最大电能的输出，需要对其进行最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)。通过最大功率跟踪，可以实现光伏电池输出功率最大化，极大提高光伏电池的利用效率。因此，针对于光伏最大功率跟踪控制技术的研究已成为光伏发电领域的热点之一。

扰动观察法和电导增量法是目前研究最广泛并且应用最普遍的控制方法，扰动观察法通过对光伏电池的输出电压施加扰动，扰动观察法的优点是结构简单、容易实现，但存在“振荡”和“误判”问题。电导增量法的控制思想与扰动观察法类似，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号，实现最大功率点跟踪。传统定步长扰动观察法和电导增量法选取扰动步长时，稳态精度和响应速度之间相互矛盾，步长太大跟踪速度快但跟踪精度不高，反之稳态精度高但跟踪速度不快。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统及方法。

本发明的技术方案：

一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统，包括：

光伏阵列、Boost升压模块、直流链电容、负载/逆变器模块、测量模块和控制模块；所述的光伏阵列、Boost升压模块、直流链电容和负载/逆变器模块顺次连接；所述测量模块的输入端与所述光伏阵列输出端连接，测量模块的输出端与所述控制模块输入端连接；所述控制模块输出端与所述Boost升压模块连接。

所述Boost升压模块包括MOSFET开关管；

所述测量模块包括电压测量模块和电流测量模块，电压测量模块和电流测量模块分别与所述光伏阵列输出端连接，用于实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流；

所述的控制模块包括：计算模块、MPPT控制模块、电压控制环、PI控制器和PWM驱动模块；所述计算模块输入端分别连接电压测量模块和电流测量模块输出端，MPPT控制模块输入端连接计算模块输出端，电压控制环输入端分别连接MPPT控制模块输出端和电压测量模块输出端，电压控制环输出端连接PI控制器输入端，PI控制器输出端连接PWM驱动模块输入端，PWM驱动模块输出端连接MOSFET开关管S栅极；

所述计算模块，用于根据所述光伏阵列的输出电压和输出电流计算电压差值、电流差值、功率差值以及第一步长、第二步长和第三步长；

所述MPPT控制模块，用于根据所述计算模块的输出结果和内置的基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法，对所述光伏阵列的输出功率进行最大功率点跟踪，并输出最大功率点处的参考电压；

所述电压控制环，用于将所述光伏阵列的输出电压与所述MPPT控制模块输出的最大功率点处的参考电压进行比较；

所述PI控制器，用于根据所述电压控制环的输出结果生成占空比；

所述PWM驱动模块，用于根据所述PI控制器的输出的占空比生成PWM控制信号，进而通过调节所述Boost升压模块中MOSFET开关管的通断来将光伏阵列的输出电压维持在参考电压。

利用基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统的基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法，采用三种不同的可变步长，当工作点位于最大功率点左侧时，采用第一步长；当工作点位于最大功率点右侧时，采用第二步长；当外部环境变化导致光照强度突变时，采用第三步长；随着工作点向最大功率点靠近，三种步长均动态变小，具体包括如下步骤：

步骤1：电压测量模块和电流测量模块分别实时采样光伏阵列的输出电压V_pv和输出电流I_pv，并发送给计算模块，V_pv(n)表示当前时刻n采样的输出电压，I_pv(n)表示当前时刻n采样的输出电流；

步骤2：计算模块分别计算当前时刻采样的输出电压V_pv(n)与前一时刻采样的输出电压V_pv(n-1)之差dV，当前时刻采样的输出电流I_pv(n)与前一时刻采样的输出电流I_pv(n-1)之差dI，当前时刻输出功率P＝V_pv(n)*I_pv(n)，当前时刻输出功率与前一时刻输出功率之差dP＝V_pv(n)*I_pv(n)-V_pv(n-1)*I_pv(n-1)，以及第一步长V_step1、第二步长V_step2和第三步长V_step3，并将计算结果分别发送给MPPT控制模块；所述第一步长V_step1、第二步长V_step2和第三步长V_step3按如下公式计算：

V_step3＝N₂*|dP|

其中，P_mpp为标准条件即光照强度为1000W/m²，温度为25℃时，光伏阵列的最大输出功率，N₁、N₂为调整步长的缩放因子，采用以下公式计算：

其中，ΔV_max是最大允许步长电压。

步骤3：MPPT控制模块判断dV＝0是否成立，是，执行步骤4；否则，执行步骤5；

步骤4：MPPT控制模块判断dI＝0是否成立，是，V_ref(n)＝V_ref(n-1)，其中，V_ref(n)和V_ref(n-1)分别为当前时刻和前一时刻MPPT控制模块输出的参考电压，并转至步骤6；否则，判断dI＞0是否成立，若dI＞0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)+V_step3，并转至步骤6；若dI＜0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)-V_step3，并转至步骤6；

步骤5：MPPT控制模块判断dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＝0是否成立，是，V_ref(n)＝V_ref(n-1)；否则，判断dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＞0是否成立，若dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＞0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)+V_step1；若dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＜0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)-V_step2；

步骤6：计算模块更新V_pv(n-1)＝V_pv(n)，I_pv(n-1)＝I_pv(n)；

步骤7：电压控制环对MPPT控制模块输出的当前时刻的参考电压V_ref(n)和电压测量模块输出的当前时刻采样的输出电压V_pv(n)进行差值计算，PI控制器根据差值生成占空比，PWM驱动模块根据占空比生成PWM控制信号，进而调节Boost升压模块中MOSFET开关管的通断，使光伏阵列的输出电压维持在参考电压即当前时刻电压V_ref(n)。

步骤8：重复步骤1～7直到n+1时刻系统工作在最大功率点。

有益效果：本发明的基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统及方法与现有技术相比，具有如下优势：

采用三种不同的可变步长，当工作点距离最大功率点较远时，再根据工作点在最大功率点左侧还是右侧，判断采用第一步长还是第二步长，从而提高跟踪速度；随着工作点向最大功率点靠近，第一步长和第二步长均动态变小，以改善在最大功率点附近的震荡现象，从而提高稳态精度；当外部环境变化导致光照强度突变时，采用第三步长；不仅解决了传统扰动观察法和电导增量法中跟踪速度和稳态精度矛盾的问题，而且在光照变化时仍然具有较高的稳态精度和较快的跟踪速度。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统结构示意图；

图2(a)为光伏阵列I-U特性随光照强度变化曲线图；

图2(b)为光伏阵列P-U特性随光照强度变化曲线图；

图3为本发明一种实施方式的一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法流程图；

图4为本发明具体实施方式中的最大功率点跟踪过程仿真对比效果图，其中，(a)为传统变步长电导增量法的最大功率点跟踪过程仿真图，(b)为本发明的自适应三步长电导增量法的最大功率点跟踪过程仿真图；

图5为本发明一种实施方式的光照变化时最大功率点跟踪过程仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

如图1所示，一种基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统，包括：

光伏阵列1、Boost升压模块2、直流链电容3、负载/逆变器模块4、测量模块5和控制模块6；所述光伏阵列1、Boost升压模块2、直流链电容3和负载/逆变器模块4顺次连接；所述测量模块5的输入端与所述光伏阵列1输出端连接，测量模块5的输出端与所述控制模块6输入端连接；所述控制模块6输出端与所述Boost升压模块2连接。

所述Boost升压模块2包括MOSFET开关管S、输入滤波电容C_pv和储能电感L，所述输入滤波电容C_pv与光伏阵列1并联，输入滤波电容C_pv一端连接储能电感L的一端，电感L的另一端连接MOSFET开关管S的源极，MOSFET开关管S的漏极连接输入滤波电容C_pv另一端；

所述测量模块5包括电压测量模块5b和电流测量模块5a，电压测量模块5b和电流测量模块5a分别与所述光伏阵列1连接，分别用于实时采集光伏阵列1的输出电压和输出电流；

所述的控制模块6包括：计算模块6a、MPPT控制模块6b、电压控制环6c、PI控制器6d和PWM驱动模块6e；所述计算模块6a连接电压测量模块5b和电流测量模块5a输出端，MPPT控制模块6b输入端连接计算模块6a输出端，电压控制环6c输入端分别连接MPPT控制模块6b输出端和电压测量模块5b输出端，电压控制环6c输出端连接PI控制器6d输入端，PI控制器6d输出端连接PWM驱动模块6e输入端，PWM驱动模块6e输出端连接MOSFET开关管S栅极。

所述计算模块6a，用于根据所述光伏阵列1的输出电压和输出电流计算电压差值、电流差值、功率差值以及第一步长、第二步长和第三步长；

所述MPPT控制模块6b，用于根据所述计算模块的输出结果和内置的基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法，对所述光伏阵列1的输出功率进行最大功率点跟踪，并输出最大功率点处的参考电压V_ref；

所述电压控制环6c，用于将所述光伏阵列的输出电压V_pv与所述MPPT控制模块6b输出的最大功率点处的参考电压V_ref进行比较，并输出差值；

所述PI控制器6d，用于根据所述电压控制环6c的输出结果生成占空比d；

所述PWM驱动模块6e，用于根据所述PI控制器6d输出的占空比d生成PWM控制信号，进而通过调节所述Boost升压模块中MOSFET开关管的通断来将光伏阵列的输出电压维持在参考电压。

环境温度为25℃，不同光照强度下光伏电池的输出I-U(电流-电压)和P-U(功率-电压)曲线如图2所示，其中，光照强度分别为1000W/m²、800W/m²、500W/m²，图2(a)、(b)横坐标均表示电压(V)，图2(a)纵坐标表示电流(A)，图2(b)纵坐标表示光照强度(W/m²)。由图2可以看出，同一温度下，光伏特性曲线随着光照强度的增加，最大功率点向上偏移，短路电流随着光照强度的升高而增大，而开路电压U_oc随着光照强度的升高略有所增大。根据图2(b)所示的光伏电池输出电压U_pv和输出功率P曲线可知，光伏电池输出功率的最大功率点距离开路电压U_oc较近，且离最大功率点越远，输出功率越小，同时曲线的斜率越大，而且最大功率点左侧的斜率普遍低于右侧的斜率，而在最大功率点附近，光伏电池输出功率最大但曲线的效率最小。因此为了使光伏电池输出功率快速到达最大功率点，同时使最大功率点时光伏电池输出功率稳定，应该使扰动步长随光伏电池输出功率的增加而减小，其为本发明基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统方法的根本出发点。

如图3所示，采用基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪系统的基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法，采用三种不同的可变步长，当工作点位于最大功率点左侧时，采用第一步长；当工作点位于最大功率点右侧时，采用第二步长；当外部环境变化导致光照强度突变时，采用第三步长；随着工作点向最大功率点靠近，三种步长均动态变小，具体包括如下步骤：

步骤1：电压测量模块和电流测量模块分别实时采样光伏阵列的输出电压V_pv和输出电流I_pv，并发送给计算模块，V_pv(n)表示当前时刻n采样的输出电压，I_pv(n)表示当前时刻n采样的输出电流；

步骤2：计算模块分别计算当前时刻采样的输出电压V_pv(n)与前一时刻采样的输出电压V_pv(n-1)之差dV，当前时刻采样的输出电流I_pv(n)与前一时刻采样的输出电流I_pv(n-1)之差dI，当前时刻输出功率P＝V_pv(n)*I_pv(n)，当前时刻输出功率与前一时刻输出功率之差dP＝V_pv(n)*I_pv(n)-V_pv(n-1)*I_pv(n-1)，以及第一步长V_step1、第二步长V_step2和第三步长V_step3，并将计算结果分别发送给MPPT控制模块；所述第一步长V_step1、第二步长V_step2和第三步长V_step3按如下公式计算：

V_step3＝N₂*|dP|

其中，P_mpp为标准条件即光照强度为1000W/m²，温度为25℃时，光伏阵列的最大输出功率，N₁、N₂为调整步长的缩放因子，采用以下公式计算：

其中，ΔV_max是最大允许步长电压。

步骤3：MPPT控制模块判断dV＝0是否成立，是，执行步骤4；否则，执行步骤5；

步骤4：MPPT控制模块判断dI＝0是否成立，是，V_ref(n)＝V_ref(n-1)，其中，V_ref(n)和V_ref(n-1)分别为当前时刻和前一时刻MPPT控制模块输出的参考电压，并转至步骤6；否则，判断dI＞0是否成立，若dI＞0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)+V_step3，并转至步骤6；若dI＜0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)-V_step3，并转至步骤6；

步骤5：MPPT控制模块判断dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＝0是否成立，是，V_ref(n)＝V_ref(n-1)，执行步骤6，否则，判断dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＞0是否成立，若dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＞0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)+V_step1，并转至步骤6；若dI/dV+I_pv(n)/V_pv(n)＜0，则V_ref(n)＝V_ref(n-1)-V_step2，并转至步骤6；

步骤6：计算模块更新V_pv(n-1)＝V_pv(n)，I_pv(n-1)＝I_pv(n)；

步骤7：电压控制环将MPPT控制模块输出的当前时刻的参考电压V_ref(n)和电压测量模块输出的当前时刻采样的输出电压V_pv(n)进行差值计算，PI控制器根据差值生成占空比，PWM驱动模块根据占空比生成PWM控制信号，进而调节Boost升压模块中MOSFET开关管的通断，使光伏阵列的输出电压维持在参考电压即当前时刻电压V_ref(n)。

步骤8：重复步骤1～7直到n+1时刻系统工作在最大功率点。

基于MATLAB/Simulink建立基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法验证模型，并对比现有技术在稳定外界环境下跟踪效果和外界环境条件剧烈变化时跟踪效果。该模型由光伏阵列模型、Boost升压电路模型、最大功率跟踪控制模块组成。首先实时采样光伏电池输出电压、输出电流，然后将二者传输给最大功率点跟踪控制模块，最大功率点跟踪控制模块通过执行内置的基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法，输出占空比信号，控制Boost升压单元中MOSFET开关管的导通与关断来调节光伏阵列的工作点，最终达到对最大功率点跟踪的目的。选取的光伏阵列在光照强度为1000W/m²，温度为25℃的标准参考条件下基本参数为：开路电压93V，短路电流7.6A，最大功率点电压80V，最大功率点电流7.25A，光伏阵列最大输出功率580W，仿真时间为0.5s。

取传统变步长电导增量法的步长缩放因子N＝0.12，最大步长ΔV_max＝0.1V，取自适应三步长电导增量法步长缩放因子N₁＝0.12、N₂＝0.05。仿真结果如图4所示，基于自适应三步长电导增量法的最大功率点跟踪方法能够同时兼顾光伏系统的动态响应性能和稳态振荡要求，具有跟踪速度更快，稳态精度更高的优势。

随着天气的变化，在0.25秒时光照强度从1000W/m²变为800W/m²，采用本发明方法得到的最大功率点跟踪效果如图5所示。可以看出，基于本发明的基于自适应三步长的光伏最大功率点跟踪方法，当光照强度剧烈变化时，该系统能够快速、准确地跟踪系统变化，不发生误判，快速到达新的稳态工作点，使其工作在最大功率点附近，具有较好动态响应特性。

本实施例没有详细叙述的部件、工艺及字母均属本行业的公知部件和常用手段及常识，这里不一一叙述。