一种太阳能电池最大功率跟踪方法

文档序号:7461380阅读:246来源:国知局
专利名称:一种太阳能电池最大功率跟踪方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域,涉及一种太阳能电池最大功率跟踪方法。
背景技术
由于太阳能电池的输出特性受日照强度和温度的影响比较大,当日照强度、温度等外界条件改变时,太阳能电池的输出功率特性会随之发生变化;而且即使是在同一日照强度和温度下,由于负载的不同,太阳能电池的输出功率也是不同的,所以光伏系统一般不采用将太阳能电池与负载直接相连的传统技术,而采取最大功率点跟踪技术,以确保太阳能电池能够输出最大功率。最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)技术的原理是系统通过一定的算法对太阳能电池的输出电流或输出电压进行控制,从而使得太阳能电池始终工作在最大功率状态。
现有的最大功率点跟踪技术,多采用扰动观测法,由于其变化步长固定,使得变化步长选择过小时导致太阳能电池长时间滞留在低功率输出状态,而步长选择过大时则导致系统振荡加剧,降低了太阳能的使用效率。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足,提出一种太阳能电池最大功率跟踪方法。本发明不仅可以快速准确地对太阳能电池的最大功率点进行跟踪,而且在进入稳态后振荡幅度小,光伏系统工作稳定。本发明的技术方案如下一种太阳能电池最大功率跟踪方法,包括下列步骤(I)设初始时刻太阳能电池的输出电压记为U1,输出电流值为I1,对应太阳能电池的输出功率值记为P1,判断U1点与最大功率点Umpp的位置关系,方法如下对输出电压U1施加一个负电压扰动八仏使得…^U1+A U,计算此时的功率扰动A P1,设此工作周期为第一工作周期,若A P1X),则取第二个工作周期的工作电压UfU/2,否则,取第二个工作周期的工作电压U2=U1 ;根据U2及此时测量出的电流值I2的值得到对应的第二工作周期输出功率值为P2 ;(2)接下来判断U2点与最大功率点Umpp的位置关系,并计算第二工作周期的功率扰动AP2,g AP2>0,则取第三个工作周期的工作电压U3=U2/2,否则,取第三个工作周期的工作电压U3= (UfU1)/2,并计算出对应的第三工作周期输出功率值为P3 ;(3)接下来判断U3点与最大功率点U_的位置关系,并计算第三工作周期的功率扰动AP3,g AP3>0,则取第四个工作周期的工作电压U4=U3/2,否则,取第三个工作周期的工作电压U4=(U3+Ux)/2,并计算出对应的第四工作周期输出功率值为P4 ;(4)在之后的工作周期中,执行以下判断方法若APlri^APlrfX) (k彡4),则取k步的工作电压Uk= (UU /2,否则,取Uk= (UUlrf) /2 ;(5)重复进行第(4)步,寻找再下一个工作周期的输出电压,如此不断地重复寻找,当输出功率的变化值Pn和Plri的差值小于根据太阳能电池输出功率特性设定的最小阈值Pe,就认为已经寻找到太阳能电池的输出最大功率点,此时所对应的工作周期的输出电压Un,被认为是最大功率点对应的输出电压值Umpp。(6)当外界环境条件发生变化时,前后状态功率Pn和Plri的差值大于设定的阈值P E,此时重新进行步骤(I)至(5),对最大功率点进行跟踪寻找。对比本发明采用的二分变步长法与常用的扰动观测法,研究表明在扰动步长相同时二分变步长法对太阳能电池的输出最大功率的寻优时间约为扰动观测法的1/35,即寻优时间大为缩短,使光伏系统更快速地调整到最大功率输出状态,大幅度提高系统的工作效率。


图I太阳能系统结构示意图。
图2B00ST型变换电路原理图。图3 二分变步长最大功率跟踪法示意图。图4扰动量A U=O. OlV的情况下扰动观测法的仿真曲线。图5扰动量AU=O. OlV的情况下二分变步长法的仿真曲线。
具体实施例方式太阳能系统包括太阳能电池、负载、控制单元以及最大功率跟踪DC/DC转换电路等部分(参考附图I)。最大功率跟踪技术使太阳能电池工作在特定外部条件下的最大功率状态,而通常负载的选择不能使太阳能电池工作在最大功率状态,因此在太阳能电池与负载之间加入DC/DC变换电路,使太阳能电池工作点落在最大功率点附近。本发明采用升压型电路(参考附图2),通过二分法控制电路使MOS管工作在高速开关状态,控制电路输出MOS管占空比D (Duty Ratio)值,当输出D值为I时,MOS管处于全开状态;当输出D值为0时,MOS管处于关闭状态。二分法控制电路输出D值处于0与I之间,使MOS管在高速工作状态(工作周期约为10_6秒)快速开关,实现对太阳能电池输出电压的调节与电压的扰动变化。变步长二分法在实时检测太阳能电池的输出电压和输出电流的基础上实现。太阳能电池的输出功率相对于输出电压而言是一个“先增后减”的函数,其跟踪步骤如下(参考附图3):( I)假设某个初始时刻采集的太阳能电池的输出电压记为U1,测量此时的输出电流值为I1,计算出对应太阳能电池的输出功率值记为Plt=此时应判断U1点与最大功率点Umpp的位置关系,判断方法如下对输出电压U1加一个很小的负电压扰动(M0S管占空比D=D-AD, AD〈〈D,下同),记为A U,使得U,!=U1+ A U,随后根据施加了扰动之后测得的输出电流值计算U,I对应的输出功率值为,得出第一个工作周期的功率扰动AP1=P^-P115若AP1X),说明U1点处于最大功率点Umpp的右侧,则取第二个工作周期的工作电压U2=U1A(MC)S管占空比D2=IAD1);若AP^O,说明U1点处于最大功率点Umpp的左侧,则取第二个工作周期的工作电压U2=U1 (M0S管占空比D2=D1);根据U2与测量出的电流值I2的值计算出对应的第二工作周期输出功率值为P2O(2)接下来判断U2点与最大功率点U_的位置关系,并计算第二工作周期的功率扰动A P2,其方法与第(I)步相同。若A P2>0,说明U2点处于最大功率点Umpp的右侧,则取第三个工作周期的工作电压U3=U2/2 (MOS管占空比D3=1/2D2);若AP2〈0,说明U2点处于最大功率点Umpp的左侧,则取第三个工作周期的工作电压U3= (UJU1)/2 (M0S管占空KD3= (DfD1)/2),并计算出对应的第三工作周期输出功率值为P3。(3)接下来判断U3点与最大功率点U_的位置关系,并计算第三工作周期的功率扰动A P3,其方法与第(I)步相同。(4)在之后的工作周期中,执行以下判断方法若APlri^APlrfX) (k彡4),说明第k-1步的工作电压位置与第k-2步的工作电压位置处于相对与最大功率点的同侧,则取 k 步的工作电压 Uk= (H3) /2 (MOS 管占空比 Dk= ( Dh+Db ) /2 );若 A Plrl* A Pk_2〈0,说明第k-1步的工作电压位置与第k-2步的工作电压位置处于最大功率点的两侧,则取Uk=(Uk-JUlrf)/^ (M0S管占空比Dk= (D1^Dlrf)AX各工作周期的功率扰动APk的计算方法与第(I)步相同。(5)重复进行第(4)步,寻找再下一个工作周期的输出电压,如此不断地重复寻找,当输出功率的变化值Pn和Plri的差值小于根据太阳能电池输出功率特性设定的最小阈值Pe,就认为已经寻找到太阳能电池的输出最大功率点,此时所对应的工作周期的输出电压Un,被认为是最大功率点对应的输出电压值Umpp。(6)当外界环境条件发生变化时,前后状态功率Pn和Plri的差值就会大于设定的阈值P E,此时重新进行以上步骤对最大功率点进行跟踪寻找。选用型号为SP50-18M的太阳能电池对应的工作参数构建数学仿真模型,分别采用二分变步长法和扰动观测法对其进行仿真分析。在环境温度T=25°C,日照强度G=IOOOW/m2的情况下,SP50-18M的各项电气参数如下开路电压U。。为21. 42V,短路电流Ise为3. 20A,最大功率点处的电压值Umpp为17. 64V,最大功率点处的电流值Impp为2. 84V,短路电流的温度系数KI为2. 08mA/0C,开路电压的温度系数KV为-0. 07IV/°C。假设该型号太阳能电池在环境温度T=25°C,日照强度G=1000W/m2的情况下某一工作状态的初始输出电压为10V,利用扰动观测法在IOkHz的取样频率下,以AU=O. OlV的扰动步长对太阳能电池的最大输出功率进行跟踪仿真,其仿真结果如图4所示。从图中可以看出,扰动观测法需要大约0. 07s,即700多个取样周期才可以寻找到太阳能电池的最大功率点;达到稳态情况下电压振荡幅度为0. 02V,电流振荡幅度为3mA,功率振荡幅度为
0.2mW。相同条件下利用二分变步长法对太阳能电池的最大输出功率进行跟踪仿真,其仿真结果如图5所示。从图中可以看出二分变步长法仅仅用了不到0. 002s,即不到20个取样周期就找到了太阳能电池的最大输出功率寻优时间仅为扰动观测法的1/35。达到稳态情况后电压振荡幅度为0. 01V,电流振荡幅度为2mA,功率振荡幅度为0. 3mW。权利要求
1.一种太阳能电池最大功率跟踪方法,包括下列步骤 (1)设初始时刻太阳能电池的输出电压记为U1,输出电流值为I1,对应太阳能电池的输出功率值记为P1,判断U1点与最大功率点Umpp的位置关系,方法如下对输出电压U1施加一个负电压扰动A U,使得U1=U1+A U,计算此时的功率扰动A P1,设此工作周期为第一工作周期,若A P1X),则取第二个工作周期的工作电压UfU/2,否则,取第二个工作周期的工作电SU2=U1 ;根据U2及此时测量出的电流值I2的值得到对应的第二工作周期输出功率值为P2 ; (2)接下来判断U2点与最大功率点Umpp的位置关系,并计算第二工作周期的功率扰动八己,若八己>0,则取第三个工作周期的工作电压%却2/2,否则,取第三个工作周期的工作电压U3= (UfU1)/2,并计算出对应的第三工作周期输出功率值为P3 ; (3)接下来判断U3点与最大功率点Umpp的位置关系,并计算第三工作周期的功率扰动AP3,g AP3>0,则取第四个工作周期的工作电压U4=U3/2,否则,取第三个工作周期的工作电压U4=(U3+U2)/2,并计算出对应的第四工作周期输出功率值为P4 ; (4)在之后的工作周期中,执行以下判断方法若(k彡4),则取k步的工作电压 Uk= (UU /2,否则,取 Uk= (UUlrf) /2 ; (5)重复进行第(4)步,寻找再下一个工作周期的输出电压,如此不断地重复寻找,当输出功率的变化值Pn和Plri的差值小于根据太阳能电池输出功率特性设定的最小阈值P E,就认为已经寻找到太阳能电池的输出最大功率点,此时所对应的工作周期的输出电压Un,被认为是最大功率点对应的输出电压值Umpp ; (6)当外界环境条件发生变化时,前后状态功率P1^PPlri的差值大于设定的阈值?£,此时重新进行步骤(I)至(5),对最大功率点进行跟踪寻找。
全文摘要
本发明属于太阳能电池技术领域,涉及一种太阳能电池最大功率跟踪方法,包括下列步骤设初始时刻太阳能电池的输出电压记为U1,输出电流值为I1,对应太阳能电池的输出功率值记为P1,判断U1点与最大功率点Umpp的位置关系,并采用二分法确定第二个工作周期的工作电压U2;接下来判断U2点与最大功率点Umpp的位置关系,并计算第二工作周期的功率扰动ΔP2,再利用二分法确定第二个工作周期的工作电压U3;以此类推,进行太阳能电池最大功率跟踪。本发明不仅可以快速准确地对太阳能电池的最大功率点进行跟踪,而且在进入稳态后振荡幅度小,光伏系统工作稳定。
文档编号H02N6/00GK102684559SQ20121013794
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者侯建富, 王钊, 肖夏 申请人:天津大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1