一种光伏电池最大功率点追踪方法与流程

本发明涉及一种光伏电池最大功率点追踪方法，具体地说，涉及一种基于指数函数和对数函数的分段式变步长电导增量法的光伏电池最大功率点追踪方法。
背景技术：
：太阳能光伏电池(Photovoltaic，PV)用于把太阳光能直接转化为电能以供使用，通过让太阳能电池板工作在最大功率点(Maximumpowerpoint，MPP)，并且智能地从电池板获取功率，以实现对电能的管理，从而降低功率损耗实现功率最优输出，提高PV功率输出效率。光伏太阳能电池板工作在最大功率点时，PV可提供峰值功率输出。MPP是一个与PV输出最高可达功率相对应的电压和电流的乘积点，在光照强度及温度不断变化的情况下利用最大功率点追踪(Maximumpowerpointtracking，MPPT)方法对PV的功率输出进行管理尤为必要。现有技术中，急需一种高效的光伏电池最大功率点追踪方法。技术实现要素：本发明提出了一种基于指数函数和对数函数的分段式变步长电导增量法的光伏电池最大功率点追踪方法，该方法良好的实现了对光伏系统最大功率点的跟踪，有效地降低了追踪过程中MPP附近由步长振荡引起的功率损耗，提高了PV系统的功率输出效率。其技术方案如下：一种光伏电池最大功率点追踪方法，包括以下步骤：步骤(1)、首先检测并计算PV输出电压瞬时增量dU的值，在dU不等于零的情况下：a.当即时在最大功率点处，则保持输出电压不变；b.当且时处于最大功率点左侧，与MPP相距较远，以为步长，增大电压输出；c.当且时处于最大功率点左侧，此时靠近MPP，以为步长，增大电压输出；d.当且时处于最大功率点右侧，此时靠近MPP，以为步长，减小电压输出；e.当且时处于最大功率点右侧，与MPP相距较远以ΔU2'＝k2·ln(S2+1)为步长，减小电压输出；步骤(2)、在电压瞬时增量dU等于零的情况下，判断电流瞬时增量dI的大小：a.当dI＝0时，处于最大功率点，应保持输出电压不变；b.当dI＞0时，以ΔU3＝k3为步长增加电压输出；c.当dI＜0时，以ΔU3'＝k3为步长减小电压输出。进一步，步骤(1)中，分段点S1和S2的值分别取为0.5和1；初始固定步长电压k1和k2均取值0.075V。进一步，步骤(2)中，步长k3取值0.075V。本发明的有益效果为：本发明良好的实现了对光伏系统最大功率点的追踪，有效地降低了追踪过程中MPP附近由步长振荡引起的功率损耗，提高了PV系统的功率输出效率。附图说明图1光伏电池电路模型；图2不同光照强度下的U-I曲线；图3不同光照强度下的U-P曲线；图4不同温度下的U-I曲线；图5不同温度下的U-P曲线；图6U-P曲线与曲线对应关系；图7引入的指数函数和对数函数曲线；图8变步长分段区间；图9算法流程图；图10光伏输出Boost升压电路；图11仿真模型搭建；图12光伏输出U-I曲线；图13光伏输出U-P曲线；图14光伏电池输出电压；图15光伏电池输出电流；图16光伏电池输出功率；图17传统电导增量法输出功率。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。1.光伏电池输出特性光伏电池电流输出的表达式为：式中I为光伏电池输出电流，Iph为光生电流，I0为二极管反向饱和电流，q为电子电荷(q＝1.6×10-19C)，U为光伏电池输出电压，Rs为串联电阻(欧姆级低阻值)，Rsh为并联电阻(千欧级高阻值)，A二极管品质因子，K为玻尔兹曼常数(K＝1.38×10-23J/K)，T为绝对温度(T＝t+273K)，PV的电路模型如图1所示。(1)改变光照强度，光伏电池的输出特性将温度设定为25℃，改变光照强度，分别采用800W/㎡、1000W/㎡及1200W/㎡，进行仿真测试。实验结果表明随着光照强度的增加，光伏电池的开路电压及短路电流均有所增大如图2，相应的光伏电池输出功率大幅增加如图3。(2)改变温度，光伏电池的输出特性将光照强度设定为1000W/㎡，改变温度，分别采用5℃、25℃及45℃进行仿真测试。实验结果表明随着温度的升高，光伏电池的开路电压有所减小，短路电流有所上升如图4，相应的光伏电池的输出功率小幅度下降如图5。2.电导增量法及其变步长策略MPPT电导增量法的控制原理是根据采集来的某段时间光伏电池输出电压及电流值，通过求其瞬时电导量dI/dU值的变化来不断寻找最大输出功率点位置的方法，表达式如下：令(1)式值为零，则此刻功率点在最大功率点位置，应保持输出电压不变：令(1)式值大于零，则此刻功率点在最大功率点左侧，应增大输出电压：令(1)式值小于零，则此刻功率点在最大功率点右侧，应减小输出电压：MPPT电导增量法具有较高的控制稳定性，在光照强度或者温度变化情况下仍能平稳追踪到光伏输出最大功率点的位置，实际操作过程中电导增量法需要精度较高的控制器。变步长电导增量法是对传统定步长电导增量法的一种改进，当远离MPP时利用大步长进行追踪，靠近MPP时利用小步长追踪，在MPP处设定跟踪步长为零且此时保持PV输出电压不变。本发明将是在这些方法的基础之上提出一种光伏电池最大功率点追踪方法，即基于指数函数及对数函数的分段式变步长电导增量法。3.基于指数函数及对数函数的分段式变步长电导增量法的算法原理3.1原理分析由于那么取其绝对值为电压调整参考因子，则U-P曲线与曲线的对应关系如下图6所示，输出最大功率点处的值为零，在最大功率点左侧值介于(0,1)之间，远离MPP其值靠近于1，而在最大功率点右侧随着远离MPP，的值逐渐增大。在图6中根据光伏电池输出U-P曲线可知，在MPP左侧U-P曲线坡度舒缓，右侧U-P曲线坡度陡直的特点，同时结合在(0,1)之间函数y1＝ex-1斜率变化快速而函数y2＝ln(x+1)斜率变化缓慢的规律见图7，将其应用到最大功率点追踪上即在MPP左侧利用基于函数y1的变步长追踪，右侧利用基于函数y2的变步长追踪，来对以往的变步长MPPT算法进行优化。(1)首先检测并计算PV输出电压瞬时增量dU的值，在dU不等于零的情况下：a.当即时在最大功率点处，则保持输出电压不变；b.当且时处于最大功率点左侧，与MPP相距较远，以为步长，增大电压输出；c.当且时处于最大功率点左侧，此时靠近MPP，以为步长，增大电压输出；d.当且时处于最大功率点右侧，此时靠近MPP，以为步长，减小电压输出；e.当且时处于最大功率点右侧，与MPP相距较远以ΔU2'＝k2·ln(S2+1)为步长，减小电压输出。本发明分段点S1和S2的值分别取为0.5和1，所处位置如图8所示；初始固定步长电压k1和k2均取值0.075V。(2)在电压瞬时增量dU等于零的情况下，判断电流瞬时增量dI的大小：d.当dI＝0时，处于最大功率点，应保持输出电压不变；e.当dI＞0时，以ΔU3＝k3为步长增加电压输出；f.当dI＜0时，以ΔU3'＝k3为步长减小电压输出。本发明步长k3取值0.075V。3.2本发明的算法流程图图9算法流程图为分段式变步长电导增量优化原理实施过程中的算法具体编程步骤。Boost电路为一种非隔离式的升压电路，当开关管VT导通时系统对电感L进行充电储能，此时负载由电容C2供电，电感储能饱和之后关断开关管VT，电感产生的反向电压与电容C1电压(PV输出电压)叠加对负载进行供电并对电容C2进行充电，整个过程实现了对光伏输出电压进行升压，即其中VPV为Boost电路输入电压，Vo为Boost电路输出电压，D为占空比。如图10通过实时采集PV输出的电压及电流数值，利用文中提出的基于指数函数及对数函数的分段式变步长电导增量算法(图11仿真模型中S-Function用MATLAB语言编写)来控制追踪电压步长及输出电压，并实现对Boost升压电路占空比的调节，使PV系统始终处于最大功率点输出状态。表1所列为仿真所用的一款光伏电池板各项参数及相应数值，其理想输出功率为80.44W。表1系统仿真所用光伏电池参数光伏电池参数相应数值开路电压Uoc21.8V短路电流Isc5.35A最大功率点电压Um16.9V最大功率点电流Im4.76A最大功率点Pm80.44W在MATLAB/Simulink中仿真(图11)，设定温度T＝25℃，光照强度为S＝1000W/㎡，通过利用本发明基于指数函数及对数函数的分段式变步长电导增量法进行最大功率点追踪，实验结果对应的U-I曲线如图12，对应的U-P曲线如图13，由于追踪电压步长调整灵活、变化合理，因此曲线整体较为平滑。可以看出光伏系统输出电压在17V左右(16.76～17.30V)小幅度波动如图14，电流在4.7A左右(4.64～4.79A)小幅度波动如图15，0.02s之内追踪到最大功率点并对负载以最大输出功率约80.4W(80.34～80.46W)进行稳定持续的供电如图16，符合表1中的PV各项参数。将本发明基于指数函数及对数函数的分段式变步长电导增量法输出功率(图16)与传统电导增量法输出功率(图17)波形相比较可得出表2的各项数据，易知通过利用本发明在最大功率点处追踪具有良好的稳定性，降低了该点处的功率振荡，提高了光伏电池的功率输出效率。表2仿真实验结果对比6.结论本发明在传统定步长电导增量法及变步长电导增量法的基础之上，提出了一种基于指数函数和对数函数的分段式变步长电导增量法，即在MPP左侧根据光伏电池输出U-P曲线斜率舒缓及指数函数变化速度较快的特点，采用结合指数函数的两段式变步长追踪，而在MPP右侧结合光伏输出U-P曲线斜率陡直及对数函数变化速度缓慢的特点，采用结合对数函数的两段式变步长追踪，即MPP左侧变步长幅度大于MPP右侧变步长幅度。实验结果表明这种基于指数函数及对数函数的分段式变步长电导增量法是有效的，能够准确的追踪到光伏系统的最大功率点输出，有效地减少传统MPPT方法在MPP两侧因电压持续调整而引起的功率振荡效应，降低了PV系统功率损耗，提高了光伏电池的输出效率。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3