一种快速跟踪光伏发电最大功率点的MPPT方法与流程

本发明涉及太阳能光伏阵列发电的技术领域，具体涉及一种快速光伏发电最大功率点的MPPT方法。

背景技术：

近年来随着传统能源储备量的大幅下降，新兴能源尤其是太阳能光伏发电技术得到更多的重视和发展。由于太阳能光伏发电的I-V曲线具有非线性，相同光照强度和工作温度条件下不同的输出电压会导致不同的输出功率。为了提高发电效率，最大功率点跟踪技术(MPPT)得到广泛的应用。目前比较成熟的MPPT算法包括登山/扰动观察法和增量电导法等。登山/扰动观察法的优点是简单方便，不足是扰动范围大，跟踪速度慢，当环境剧烈变化时不能很好地对最大功率点进行跟踪。增量电导法优点是控制效果好，精度高，但其控制算法复杂，对控制系统要求高，需要精确的数学模型才能准确锁定最大功率点。

中国专利201210066349.6公开了一种MPPT控制器及其控制方法，通过采集电压电流和温度数据，在存储器模块中查找数据，找出该工作点调整到最大功率点所需的占空比。该方法虽然简单易于实现，但其跟踪精度低，适应性差，一方面其存储器中的数据由对有限光伏阵列的测试获得，该数据不可避免会与特定的光伏发电阵列个体的发电特性存在差别；另一方面随着使用时间的增长，太阳能光伏发电板会发生一定程度上的老化或局部故障，因而其发电特性曲线也会相应改变。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种快速准确跟踪光伏发电最大功率点的MPPT方法，该控制方法利用查表法能快速定位到最大功率点附近，并采用扰动观察法准确找到最大功率点，同时对存储器中的数据进行更新，提高了MPPT控制器的自适应性。

本发明所述的快速跟踪最大功率点的MPPT方法，包括如下步骤：

1)光伏发电系统进入MPPT跟踪状态后，进行多次AD采样取均值分别获得光伏电池阵列的电压U、电流I和工作环境温度T，设该功率工作点为A；

2)根据U、I、T查找存储器，获得工作点A要调整到最大功率工作点所需的MPPT控制器对应的PWM占空比数值，控制方波输出，快速定位到最大功率点的附近；

3)对控制器的PWM占空比施加一定的增量，方向任意设定，使得太阳能光伏阵列当前的输出电压得到扰动，待新状态稳定后测量此时的太阳能发电功率变化，若功率变小，则按相反的方向扰动，若功率增大，按原方向继续扰动；

4)若几次施加扰动量后发电效率变化量均小于某一设定值或系统进入来回扰动振荡过程，可认为太阳能光伏发电已找到最大功率工作点，停止扰动；

5)擦除工作点A要调整到最大功率点所需的MPPT控制器的PWM占空比数值，写入当前最大功率工作点下控制器输出的PWM占空比数值，更新存储器数据；

6)返回步骤1)。

所述的存储器中存有不同光照强度和不同温度下太阳能光伏发电阵列的I-V曲线数据，该数据由对典型太阳能光伏发电阵列的测量获得。

本发明与现有技术相比，具有以下有益之处：

1)跟踪快速：由一组电压、电流和温度数据，即可使系统快速调整到最大功率点附近；

2)准确性：对比简单的查表法而言，本发明中存储器存储的数据可更新、更准确。同时本发明能够在最大功率点附近进行调整。

3)适应性强：当太阳能板老化或故障时，系统能通过更新存储器数据确保MPPT跟踪的快速和准确性。

附图说明

图1为某一温度不同光照强度下太阳能光伏阵列的I-V特性曲线；

图2为某一温度不同光照强度下太阳能光伏阵列的P-V特性曲线；

图3为某一光照强度不同温度下太阳能光伏阵列的I-V特性曲线；

图4为某一光照强度不同温度下太阳能光伏阵列的P-V特性曲线；

图5为基于本发明所述MPPT跟踪方法的太阳能光伏发电控制器框图；

图6为本发明所述快速跟踪最大功率点的MPPT方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

由图1，当光照强度增大时，I-V特性曲线的开路电压Voc、最大功率点电压Vm、短路电流Isc和最大功率点电流Im也随之增大；由图3，当温度上升时，Voc、Vm减小，Isc和Im增大；由图2和图4，随着光照强度和工作温度的变化，太阳能光伏阵列的最大功率点也会发生偏移。据此，采用单一变量法，测出太阳能光伏阵列工作在可能的温度和光照强度下达到最大功率点时MPPT控制器的PWM占空比，将数据存入控制器的存储器中，存储形式可采用为三阶数组，如DATA_PWM[T][U][I]。由图1，当温度恒定，改变光照强度，开路电压Voc变化不大，但短路电流Isc有明显变化，不同曲线没有交点，因而在一组以光照强度为变量的I-V特性曲线组中，根据某一电压电流特定值即可确定某一确定的I-V特性曲线，此处验证了DATA_PWM[T][U][I]的完整性和确定性。

图5为基于本发明所述MPPT跟踪方法的太阳能光伏发电控制器框图，包括太阳能光伏阵列、DC-DC变换电路、电池或用电设备、AD采样电路、主控制器(嵌有存储器)和驱动电路。该框图的数字电路部分可由分立元件构成，也可有集成电路组成，如采用FPGA、DSP等组成。

图6为本发明所述快速跟踪最大功率点的MPPT方法的流程图。具体步骤如下：

在光伏发电系统进入MPPT跟踪状态后，方可启动本发明所述MPPT方法。因为若负载为电池，由于其充电过程分数个特定阶段，在有些阶段光伏发电系统此时不能将最大发电功率作为首要考虑因素，如预充电、电池电量饱和等。

进入MPPT状态后进行多次AD采样，取均值分别获得光伏电池阵列的电压U、电流I和工作环境温度T，设该功率工作点为A。

根据U、I、T查找存储器三阶数组，此处U、I、T可能与存储器中存储的典型U、I、T数值不完全相等，则采用就近原则，如测得温度为23.1℃，而存储器中存有23℃和23.5℃的I-V曲线组，则取23℃I-V曲线组。找到工作点A要调整到最大功率工作点所需的MPPT控制器对应的PWM占空比数值，主控制器输出PWM方波到驱动电路，驱动电路作用于DC-DC变换电路，太阳能光伏阵列即可快速定位到最大功率点的附近。

对控制器的PWM占空比施加一定的增量，方向任意设定，使得太阳能光伏阵列当前的输出电压得到扰动，待新状态稳定后，AD采样太阳能光伏阵列的电压电流数值，计算出扰动后发电功率，若功率变小，则按相反的方向扰动，若功率增大，按原方向继续扰动。

若几次施加扰动量后太阳能发电效率变化量均小于某一设定值，或系统进入来回扰动振荡过程，可认为太阳能光伏发电已找到最大功率工作点，停止扰动。上述扰动振荡判断标志可为，主控制器检测到太阳能输出电压数值增大后又减小(或减小后又增大)，且循环超过一定次数。

擦除扰动前工作点A要调整到最大功率点所需的MPPT控制器的PWM占空比数值，即DATA_PWM[T][U][I]单元中存储的数值，写入当前最大功率工作点下控制器输出的PWM占空比数值，实现对存储器数据的更新。

返回步骤一，循环整个过程，或加入一定延时过程，因为温度和光照强度变化相对于MPPT控制器的跟踪速度较缓慢。延时过程中还可让控制器进入休眠过程，节省功耗。