一种光伏电池的最大功率点跟踪方法和装置与流程

本申请涉及光伏发电领域，更具体地说，涉及一种光伏电池的最大功率点跟踪方法和装置。

背景技术：

光伏电池是光伏发电系统中最重要的模块之一。它具有强烈的非线性特征和对环境变化敏感的特点，因此需要在外部环境条件变化的情况下对其最大功率点进行跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，保证其发挥最大的效率。光伏电池的输出具有很强的非线性，图1示出了在不同光照强度下光伏电池的I-V曲线，图2示出了在外部环境条件不变的情况下光伏电池的I-V曲线和P-V曲线。在电压没有超过阈值电压V_m时，这时光伏电池的输出功率随着工作电压的增大而增大，当电压超过阈值电压V_m时，继续增大电压，由于电流的骤降，光伏电池的输出功率将下降。因此，对于一块光伏电池，需要找到它的阈值电压V_m，使其稳定在这个阈值电压V_m下运行，从而对外输出最大功率，提高整个系统的效率。

如图3所示，目前常用的光伏发电系统包括光伏电池1、DC/DC变换器2、蓄电池3以及MPPT控制装置4，光伏电池1通过DC/DC变换器2连接到蓄电池3，MPPT控制装置4生成不同占空比的PWM信号来驱动DC/DC变换器2。通过改变PWM信号的占空比D，进而改变光伏电池的输出电压U＝IR_L(1-D)²，其中,R_L表示蓄电池3的电阻。若要增大光伏电池1的输出电压，通过减小占空比D即可实现，相反，若要减小光伏电池1的输出电压，通过增大占空比D即可实现。

目前，比较常用的最大功率点跟踪的方法是恒定电压法(CVT)、扰动观测法(P&O)、电导增量法(INC)。其中恒定电压法是一种非自适应的方法，设计方便，操作简单，但精度不高，适合于周围环境稳定的情况。扰动观测法也 称“爬坡法”，其主要思想是，对当前电压进行一个微扰动，观测功率的变化，从而确定下一次扰动的方向。该方法对最大功率点的搜索比较准确，但搜索速度和精度都受到扰动步长的影响，而且稳定性较差。电导增量法(INC)，图4示出了该方法具体过程，但是，增量补偿的大小(步长△V)对MPPT的控制性能有着一定的影响，如果步长偏小，搜索较为精确，但搜索速度过慢，对硬件的要求也很高。若步长偏大，则实际工作点一直在最大功率点附近波动，严重时会引起震荡。因此，现有的各种最大功率点跟踪的方法都存在各自问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提出一种光伏电池的最大功率点跟踪方法和装置，欲实现平衡搜索精度和搜索速度的性能，以及提高稳定性的目的。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种光伏电池的最大功率点跟踪方法，包括：

检测光伏电池当前输出电压和当前输出电流；

根据所述当前输出电压和所述当前输出电流，计算所述光伏电池的当前输出功率；

计算所述光伏电池的所述当前输出功率相对前一检测周期的输出功率的功率增量；

判断所述功率增量是否大于预设的功率值，若是，则利用预设的第一占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压，若否，则计算所述光伏电池的所述当前输出电压相对前一检测周期的输出电压的电压增量；

判断所述电压增量是否为零，若是，则计算所述光伏电池的所述当前输出电流相对于前一检测周期的输出电流的电流增量，若否，则利用积分调节进行调节得到第二占空比扰动量，并根据所述第二占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压；

判断所述电流增量是否为零，若否，则利用积分调节进行调节得到第二 占空比扰动量，并根据所述第二占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压。

优选的，所述利用积分调节进行自适应调节得到第二占空比扰动量，包括：

计算电导增量的实际值与电导增量的参考值的差值，对所述差值进行积分得到第二占空比扰动量，积分时间段为当前检测周期，积分系数为预设的负数，所述电导增量的参考值为零。

优选的，所述预设的第一占空比扰动量用以将所述光伏电池的输出电压调节为所述光伏电池开路电压值的0.8～0.9倍。

优选的，所述预设的第一占空比扰动量用以将所述光伏电池的输出电压调节为所述光伏电池开路电压值的0.85倍。

优选的，所述预设的功率值为1200W。

一种光伏电池的最大功率点跟踪装置，包括：

检测单元，用于检测光伏电池当前输出电压和当前输出电流；

第一功率计算单元，用于根据所述当前输出电压和所述当前输出电流，计算所述光伏电池的当前输出功率；

第二功率计算单元，用于计算所述光伏电池的所述当前输出功率相对前一检测周期的输出功率的功率增量；

第一判断单元，用于判断所述功率增量是否大于预设的功率值，若是，则利用预设的第一占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压，若否，则计算所述光伏电池的所述当前输出电压相对前一检测周期的输出电压的电压增量；

第二判断单元，用于判断所述电压增量是否为零，若是，则计算所述光伏电池的所述当前输出电流相对于前一检测周期的输出电流的电流增量，若否，则利用积分调节进行调节得到第二占空比扰动量，并根据所述第二占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压；

第三判断单元，用于判断所述电流增量是否为零，若否，则利用积分调节进行调节得到第二占空比扰动量，并根据所述第二占空比扰动量调节所述 光伏电池的输出电压。

优选的，所述利用积分调节进行自适应调节得到第二占空比扰动量，包括：

计算电导增量的实际值与电导增量的参考值的差值，对所述差值进行积分得到第二占空比扰动量，积分时间段为当前检测周期，积分系数为预设的负数，所述电导增量的参考值为零。

优选的，所述预设的第一占空比扰动量用以将所述光伏电池的输出电压调节为所述光伏电池开路电压值的0.8～0.9倍。

优选的，所述预设的第一占空比扰动量用以将所述光伏电池的输出电压调节为所述光伏电池开路电压值的0.85倍。

优选的，所述预设的功率值为1200W。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的一种光伏电池的最大功率点跟踪方法和装置，当功率增量大于预设的功率值时，采用速度最快的恒定电压法，即根据预设的第一占空比扰动量调节光伏电池输出相应的电压值。然后，再利用积分调节进行自适应调节得到第二占空比扰动量，并根据第二占空比扰动量调节光伏电池的输出电压，使得系统最终工作在最大功率点处。利用恒定电压法加快了搜索速度，并利用积分调节对电导增量法进行改进，根据误差大小直接得到对应的第二占空比扰动量，即调节步长由误差决定，实现平衡搜索精度和搜索速度的目的；并且，积分调节可以消除静态误差，提高搜索精度，以及积分调节是线性的，可以平滑调节，减小震荡，减小冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为光伏电池在不同光照强度下的I-V曲线图；

图2为光伏电池在外部环境恒定情况的I-V曲线和P-V曲线图；

图3为一种光伏发电系统的结构示意图；

图4为现有技术中电导增量法的示意图；

图5为本实施例提供的一种光伏电池的最大功率点跟踪方法的流程示意图；

图6为本实施例提供的一种光伏电池的最大功率点跟踪装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现对本申请设计的名词进行解释，以便于对本申请方案的理解：

静态误差，指当测量器件的测量值(或输入值)不随时间变化时，测量结果(或输出值)会有缓慢的漂移，这种误差称为静态输入误差，或称静态误差。

积分调节，单纯的比例调节是很少使用的，一般只能用在扰动较少的场合。因为单纯的比例调节有调节余差。所谓调节余差，就是被调参数没有完全恢复到给定值，就稳定下来，不能再调节了。这个已调节的数值与给定值之间的差值，就称为调节余差。要改变这种情况，就必须改善调节器输出信号跟偏差之间的关系，以使只要有偏差存在，那怕偏差极其微小，也会有输出信号产生；经过一段时间的积累，就会有足够的输出去控制执行机构以消除偏差，这种调节规律就是所谓的积分调节。

本实施例提供了一种光伏电池的最大功率点跟踪方法，参见图5，示出了该方法的流程图，该方法包括：

步骤S11：检测光伏电池当前输出电压U(k)和当前输出电流I(k)；

步骤S12：根据所述当前输出电压U(k)和所述当前输出电流I(k)，计算所述光伏电池的当前输出功率P(k)＝U(k)*I(k)；

步骤S13：计算所述光伏电池的所述当前输出功率P(k)相对前一检测周期的输出功率P(k-1)的功率增量△P＝P(k)-P(k-1)；

步骤S14：判断所述功率增量△P是否大于预设的功率值P_set，若是，则利用预设的第一占空比扰动量D₁调节所述光伏电池的输出电压，若否，则计算所述光伏电池的所述当前输出电压U(k)相对前一检测周期的输出电压U(k-1)的电压增量△U＝U(k)-U(k-1)；

步骤S15：判断所述电压增量△U是否为零，若是，则计算所述光伏电池的所述当前输出电流I(k)相对于前一检测周期的输出电流I(k-1)的电流增量△I＝I(k)-I(k-1)，若否，则利用积分调节进行调节得到第二占空比扰动量D₂，并根据所述第二占空比扰动量D₂调节所述光伏电池的输出电压；

步骤S16：判断所述电流增量△I是否为零，若否，则利用积分调节进行调节得到第二占空比扰动量D₂，并根据所述第二占空比扰动量D₂调节所述光伏电池的输出电压。

参见图3所示，MPPT控制装置4利用本实施例提供的上述最大光伏电池的最大功率点跟踪方法得到相应的第一占空比扰动量D₁或第二占空比扰动量D₂，进而根据D₁或D₂，改变MPPT控制装置4输出的PWM信号，实现对DC/DC变换器2中电路的调节，从而调节光伏电池1的输出电压，使得系统最终工作在最大功率点处。

本实施例提供的一种光伏电池的最大功率点跟踪方法，当功率增量大于预设的功率值时，采用速度最快的恒定电压法，即根据预设的第一占空比扰动量调节光伏电池输出相应的电压值。然后，再利用积分调节进行自适应调节得到第二占空比扰动量，并根据第二占空比扰动量调节光伏电池的输出电压，使得系统最终工作在最大功率点处。利用恒定电压法加快了搜索速度，并利用积分调节对电导增量法进行改进，根据误差大小直接得到对应的第二占空比扰动量，即调节步长由误差决定，实现平衡搜索精度和搜索速度的目 的；并且，积分调节可以消除静态误差，提高搜索精度，以及积分调节是线性的，可以平滑调节，减小震荡，减小冲击。

需要说明的是，每个检测周期内检测的U(k)、I(k)，以及计算得到的P(k)都会进行存储，以供下个检测周期使用。

优先的，所述利用积分调节进行自适应调节得到占空比扰动量，包括：

计算电导增量的实际值(△I/△U+I/U)与电导增量的参考值C的差值Err＝(△I/△U+I/U-C)，对所述差值Err进行积分得到第二占空比扰动量D₂＝K∫Err·d(t)，积分时间段为当前检测周期，积分系数K为预设负数，所述电导增量的参考值C为零。

对差值Err进行积分得到D₂，由误差的大小来决定第二占空比扰动量的大小，误差大，步长就大，扰动就厉害；误差小，步长就小，扰动就轻微。并且，只要环境变换，积分调节将自动将电导增量的实际值调节到电导增量的参考值，即调节为零，使得系统工作在最大功率点处，实现自适应调节，且提高了搜索精度和搜索速度。

若电导增量的实际值＝参考值＝0，那么这时Err＝0，利用积分调节得到的第二占空比扰动量也为0，即系统已经在最大功率点处工作，不执行调节，以上成为稳态过程。当外部环境发生变化后，电导增量的实际值将改变，即不为零，相应的Err≠0，则第二占空比扰动量也不为零，如果电导增量的实际值小于零，那么第二占空比扰动量为正数，即增大原来的占空比(D＝原始值+占空比扰动量)，减小光伏电池的输出电压，使系统进入新的稳态；反之，如果电导增量的实际值大于零，那么第二占空比扰动量为负数，即减小原来的占空比，增大光伏电池的输出电压，使系统进入新的稳态。

光伏电池的开路电压为光伏电池厂商标定出的参数，根据该参数计算得到第一占空比扰动量。一般根据开路电压的0.8～0.9倍计算得到第一占空比扰动量，进而，在工作过程中预设的第一占空比扰动量可以将光伏电池的输出电压调节为光伏电池开路电压值的0.8～0.9倍。优选的，根据开路电压的0.85倍计算得到第一占空比扰动量。

优选的，预设的功率值为1200W。

本实施例提供一种光伏电池的最大功率点跟踪装置，参见图6，示出了该装置的结构示意图，该装置包括：

检测单元11，用于检测光伏电池当前输出电压和当前输出电流；

第一功率计算单元12，用于根据所述当前输出电压和所述当前输出电流，计算所述光伏电池的当前输出功率；

第二功率计算单元13，用于计算所述光伏电池的所述当前输出功率相对前一检测周期的输出功率的功率增量；

第一判断单元14，用于判断所述功率增量是否大于预设的功率值，若是，则利用预设的第一占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压，若否，则计算所述光伏电池的所述当前输出电压相对前一检测周期的输出电压的电压增量；

第二判断单元15，用于判断所述电压增量是否为零，若是，则计算所述光伏电池的所述当前输出电流相对于前一检测周期的输出电流的电流增量，若否，则利用积分调节进行调节得到占空比扰动量，并根据所述占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压；

第三判断单元16，用于判断所述电流增量是否为零，若否，则利用积分调节进行调节得到占空比扰动量，并根据所述占空比扰动量调节所述光伏电池的输出电压。

优先的，所述利用积分调节进行自适应调节得到占空比扰动量，包括：

计算电导增量的实际值(△I/△U+I/U)与电导增量的参考值C的差值Err＝(△I/△U+I/U-C)，对所述差值Err进行积分得到第二占空比扰动量D₂＝K∫Err·d(t)，积分时间段为当前检测周期，积分系数K为预设负数，所述电导增量的参考值C为零。

一般根据开路电压的0.8～0.9倍计算得到第一占空比扰动量，进而，在工作过程中预设的第一占空比扰动量可以将光伏电池的输出电压调节为光伏电池开路电压值的0.8～0.9倍。优选的，根据开路电压的0.85倍计算得到第一占 空比扰动量。

优选的，预设的功率值为1200W。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

对于装置实施例而言，由于其基本相应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。