光伏阵列自适应步长扰动观察法mppt控制方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光伏阵列系统的控制技术领域，具体为光伏阵列自适应步长扰动观察 法MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制方法与系统，通过引入不完全微分的扰动观 察法，自适应调整步长，达到的有效控制跟踪最大功率点。
【背景技术】
[0002] 光伏发电产业作为解决人类日益凸显的能源问题和环境问题的战略产业正在飞 速发展。但目前光伏阵列的光电转换效率低，仅约18%，且其输出功率不稳定，阻碍光伏产 业的发展。
[0003] 光伏电池阵列的电流-电压（I-U)特性受光照强度S、电池温度T及负载R的影 响，具有很强的输出非线性。
[0004] 当光伏电池的外界环境和负载一定时，光伏电池输出功率存在唯一最大功率点 (MPP，Maximum Power Point，）。图1所示是光伏电池阵列功率-电压（P-U)特性曲线（图 1中的实线）及电流-电压I-U特性曲线（图1中的占划线）。由图1的光伏电池阵列的 P-U输出曲线特性可知：
[0005] 光伏（PV，Photovoltaic)阵列输出功率Ppv= u pvipv upv、:^分别为光伏阵列端电 压及其输出电流。
[0006] 1)在最大功率点MPP左侧：
[0007] 2)在最大功率点MPP右侧：
[0008] 3)在最大功率点MPP点上：
[0009] 光伏阵列系统最大功率点跟踪控制，即MPPT控制，的目的是控制光伏阵列的端电 压，使光伏阵列输出功率始终跟踪MPP、即保持与MPP的距离尽可能小。
[0010] 光伏发电系统主要由光伏阵列PV、直流-直流（DC-DC)变换电路、MPPT控制器和 负载或蓄电池&组成。
[0011] 光伏发电系统的MPPT控制器监测光伏阵列PV的输出电压Upv和电流i pv，根据 光伏阵列实时电压和电流，产生对应的脉宽调制PWM信号，送入DC-DC变换电路中开关管 (M0SFET或IGBT)控制端、调节开关管通断的占空比，以调节光伏阵列等效负载阻抗与光伏 阵列阻抗的匹配（相等），实现光伏发电系统的最大功率输出。
[0012] 扰动观察法（Perturb&Observe method, P&0)控制实现简单，是实际工程应用中实 现最大功率点跟踪（MPPT)控制的首选方法。
[0013] 扰动观察法每隔一定的时间，增加或减少扰动变量，即通过控制脉宽调信号PWM， 增加或减少DC-DC变换电路中开关管的占空比，调节光伏阵列端电压，观察光伏阵列功率 变化方向来判断下一步控制信号的扰动方向，若输出功率增加，则控制信号按前一周期的 方向扰动；若输出功率减少，则反方向扰动。
[0014] 扰动观察法跟踪到的最大功率值会在最大功率点附近频繁地摆动或振荡。采用大 步长跟踪时，光伏阵列输出功率在最大功率点附近的振荡较大，会造成大量的能量损失；采 用小步长跟踪，则在外界环境变化时，MPPT控制系统不能以较快的速度跟踪到新的最大功 率点，也造成较大的功率损失。
[0015] 当光伏阵列PV的k时刻输出电压upv (k)和电流ipv (k)，功率Ppv (k)= UpvGO Xipv(k)，扰动观察法根据对功率的理想微分、判断APpvGO的正负，再根据UpvGO 相对前一时刻Upv(k-1)增或减，决定下一时刻upv(k+l) =upv(k) + Au或者upv(k+l)= upv (k)_Au〇由于外界环境（光照、温度）的变化及采样电压、电流中测量干扰的影响，干扰 造成对APpv= 〇、ΔΡρν>〇及upv (k)-upv (k-1) >0是否成立的判断失误，进而导致upv (k+1) =upv (k) ± Λ u的扰动失误，即扰动观察法跟踪最大功率时出现误判，将造成跟踪最大功率 点需要的时间加长。
[0016] 扰动观察法实现MPPT控制的过程中，扰动步长判断失误会影响DC-DC变换电路中 开关管控制信号PWM占空比的调节，降低最大功率点的跟踪精度。
【发明内容】
[0017] 本发明的目的是设计一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，针对 光伏阵列系统的传统定步长对扰动观察法步长判断函数中电压、电流微分值，易受测量干 扰、环境变化带来的影响，导致最大功率点附近的扰动步长误判，且不能兼顾跟踪速度与 跟踪精度问题，引入不完全微分代替理想微分，对应得到不完全微分代替理想微分，避免扰 动步长误判，通过自适应变步长地调整，实现了光伏阵列最大功率点的有效跟踪，运算简 洁，易于工程实现。
[0018] 本发明的另一目的是设计一种实现上述光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控 制方法的光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统。
[0019] 不完全微分（Incomplete Differential，ID)来自于不完全微分比例-积分（PID) 控制算法，所述微分在数学上是求导的概念。ID等价于理想求导与一阶惯性环节串联。一 阶惯性环节属于相位滞后环节，具有积分功能。因此不完全微分在实现微分功能的同时，其 积分功能还具有对高频干扰的滤波作用。
[0020] 不完全微分的传递函数：
[0022] 其中，s是拉普拉斯（Laplace)算子，T是时间常数。
[0023] 其后向差分的离散方程：
[0025] 式中，X是输入信号；y是X的不完全微分；T是时间常数；Λ t是采样周期，单位为 秒。
[0026] 其等价式：
[0028] 式中，a = !7(T+At)，y是X的不完全微分。
[0029] 即得到：y(k)是当前k时刻x理想微分：（x(k)-x(k-l))/ Λ t的不完全微分， y(k-l)是y(k)前一时刻值。
[0030] 在光伏阵列中功率对电压不完全微分 APv
[0031] 根据⑶式，的不完全微分Λ PPpv: 八U"'
[0033] Λ PPpv (k)为当前k时刻的功率对电压的不完全微分，Λ PPpv (k-Ι)为前一时刻的 dP AP 功率对电压的不完全微分，与功率对电压的理想微分^即·^对应。 .雜,顏pv
[0034] 本发明设计的一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法，主要步骤如 下：
[0035] 步骤1、电压电流采样
[0036] 对光伏阵列PV的输出电压Upv和电流i pv采样，P PV= u PVX ipv，得到光伏阵列功 率-电压特性曲线，即P-U特性曲线；
[0037] 步骤2、求不完全微分和理想微分
[0038] 对光伏阵列P-U特性曲线分别求Ppv对u pv的不完全微分Λ PP pv和理想微分dP pv/ dupv；
[0039] 步骤3、区间划分
[0040] dPpv/dupv= 0对应的光伏阵列端电压为U a，Λ PPpv= 0对应的光伏阵列端电压为 Ub。则Ua、Ub将光伏阵列端电压U分为三个区间：区间I为0~U a、区间II为Ua~U b、区间 III为U大于Ub;
[0041] 步骤4、自适应步长扰动
[0042] 扰动方向判断条件如下式：
[0043] d= (n sgn(dPpv/dupv) + (l-n)sgn( Δ PPpv))dl
[0044] 式中，sgn是符号函数，dl为步长，取值为0. 1~0. 3, η为调整系数，设定初始扰 动方向为正，
[0047] d>0时，表示扰动方向为正；d〈0时，表示扰动方向为负；d = 0时，表示不扰动；
[0048] 取-1 < 1-2 η < 〇 ;
[0049] ①在区间I内：
[0050] n sgn (dPpv/dUpv) + (I- η ) sgn ( Δ PPpv) = 1
[0051] 在区间I内扰动方向为正，以设定步长dl正向扰动；
[0052] ②在区间II内：
[0054] 如前所设，-1 < 1-2 η < 〇，
[0055] 在区间II内扰动方向为负，以步长（2 n-Ddl反向扰动；
[0056] ③在区间III内：
[0057] n sgn(dPpv/dupv) + (l-n ) Sgn( Δ PPpv) =-1
[0058] 在区间III内扰动方向为负，以设定步长dl反向扰动。
[0059] 本方法主要以两种步长进行最大功率点跟踪，设定步长dl，则最大功率值附近的 步长为（2 n-l)dl。
[0060] 较佳方案取 0· 55 彡 η 彡 〇· 65,则 0· Idl 彡（2n-l)dl 彡 0· 3dl。
[0061] 本发明设计的一种光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制系统，用以实现上 述光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法。本发明的MPPT控制系统包括：微处理 器、电压传感器和电流传感器，微处理器配有通用接口。
[0062] 与光伏阵列输出端连接的电压传感器和电流传感器采样信号接入模数转换器，再 经通用接口连接微处理器。微处理器连接有程序存储器和数据存储器，程序存储器含有电 压、电流数据采集模块、功率对电压不完全微分的计算模块；功率对电压理想微分的计算模 块；光伏阵列电压区间判断及自适应步长选择模块。数据存储器存储有设定步长、η的值 以及采样数据。
[0063] 微处理器的输出接入脉宽调制模块PWM，脉宽调制模块的输出的驱动信号接入光 伏阵列直流转换电路中的开关管，调节光伏阵列的负载与光伏阵列内阻相匹配，实现最大 功率点跟踪。开关管为MOS场效应管（MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
[0064] 微处理器还连接CAN接口，以与其它设备通信。
[0065] 微处理器及所连接的程序存储器、数据存储器和通用接口构成嵌入式处理系统。