Mppt控制方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种MPPT控制方法和系统，其中方法包括如下步骤：根据光伏系统中负载单元、负载侧换流器和网侧换流器的工作状态，对负载单元和光伏系统中电网单元进行功率预测，得到光伏系统中光伏单元的预测功率；根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对光伏单元的输出功率进行最大功率点跟踪。其通过从整个光伏系统(包括负载单元、电网单元和光伏单元)出发，得到对光伏单元的最大功率点跟踪的步长选择值。根据得到的步长选择值对光伏单元进行动态负载跟踪MPPT自适应步长控制，保证了在外界环节变化及光伏系统能量变化时快速稳定精确的对光伏单元进行MPPT寻优，有效地解决了现有的MPPT未结合整个光伏系统进行寻优设计的问题。
【专利说明】MPPT控制方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光伏领域，特别是涉及一种MPPT控制方法和系统。
【背景技术】
[0002] 光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏阵列的内部特性有关，还受外界 条件（如：光照强度、负载和温度）等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏阵列可运行 在不同且惟一的最大功率点上。为了保证光伏发电系统能够在任意光照强度和温度下始 终保持最大功率跟踪，通常需要对光伏电池进行最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT)〇
[0003] 目前，常用的MPPT有定电压跟踪法、短路电流比例系数法、扰动观测法、电导增量 法、模糊控制法、和人工神经网络控制法等。其中，定电压跟踪法及短路电流比例系数法控 制简单快速，但对外界环境变化适应性较差。扰动观测法控制简单，被测参数少，工程上常 采用该方法，但其稳态精度较低。模糊控制法及人工神经网络控制法设计过程及算法复杂 度较高，实现相对较难。因此，现有的MPPT，无论是在对外界环境变化的适应度、成本、实现 难易程度和稳态精度上都不能达到很好的平衡。并且，现有的MPPT均未结合整个光伏系统 进行MPPT寻优设计。
【发明内容】
[0004] 基于此，有必要针对现有的MPPT在对外界环境变化的适应度、成本、实现难易程 度和稳态精度上不能达到很好的平衡，且均未结合整个光伏系统进行寻优设计的问题，提 供一种MPPT控制方法和系统。
[0005] 为实现本发明目的提供的一种MPPT控制方法，包括如下步骤：
[0006] 根据光伏系统中负载单元、负载侧换流器和网侧换流器的工作状态，对所述负载 单元和所述光伏系统中电网单元进行功率预测，得到所述光伏系统中光伏单元的预测功 率；
[0007] 根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对所述光伏单元的输出功率进行最 大功率点跟踪。
[0008] 在其中一个实施例中，所述根据光伏系统中负载单元、负载侧换流器和网侧换流 器的工作状态，对所述负载单元和所述光伏系统中电网单元进行功率预测，得到所述光伏 系统中光伏单元的预测功率，包括如下步骤：
[0009] 根据三相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵，得到所述负载单元和所述电 网单元的电压和电流在所述同步旋转坐标系下的表达式；
[0010] 分别根据所述负载单元和所述电网单元的电压和电流在所述同步旋转坐标系下 的表达式，以及瞬时有功功率和瞬时无功功率的定义，计算得到所述负载单元和所述电网 单元的所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率；
[0011] 根据所述负载单元和所述电网单元的所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率，分 别得到所述负载单元和所述电网单元的预测功率；
[0012] 根据所述负载单元和所述电网单元的预测功率，以及所述光伏系统中所述光伏单 元、所述负载单元和所述电网单元之间的能量平衡关系，得到所述光伏单元的预测功率。
[0013] 在其中一个实施例中，所述根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对所述光 伏单元的输出功率进行最大功率点跟踪，包括如下步骤：
[0014] 根据所述负载单元、所述电网单元及所述光伏单元的预测功率，和所述光伏阵列 的输出特性及电导增量法，得到所述光伏单元最大功率点跟踪的步长选择值；
[0015] 根据所述步长选择值，对所述光伏单元的输出功率进行动态负载跟踪MPPT自适 应步长控制，实现所述光伏单元的最大功率点输出。
[0016] 在其中一个实施例中，所述根据所述步长选择值，对所述光伏单元的输出功率进 行动态负载跟踪MPPT自适应步长控制，实现所述光伏单元的最大功率点输出，包括如下步 骤：
[0017] 根据所述光伏单元的输出电压和输出电流，判断所述光伏单元的输出电导的变化 量和所述光伏单元的输出电导的负值的关系；
[0018] 根据所述输出电导的变化量与所述输出电导的负值的关系，控制所述光伏单元的 输出电压指令值，进而控制所述光伏单元的输出功率。
[0019] 在其中一个实施例中，所述根据所述输出电导的变化量与所述输出电导的负值的 关系，控制所述光伏单元的输出电压指令值，进而控制所述光伏单元的输出功率，包括如下 步骤：
[0020] 判断所述输出电导的变化量是否等于所述输出电导的负值；
[0021] 当所述输出电导的变化量等于所述输出电导的负值时，控制所述光伏单元的输出 电压指令值保持当前输出电压不变，从而控制所述光伏单元的输出功率；
[0022] 当所述输出电导的变化量不等于所述输出电导的负值时，根据所述输出电导的变 化量与所述输出电导的负值的大小关系，控制所述光伏单元的输出电压指令值以所述步长 选择值为间隔增大或减小。
[0023] 在其中一个实施例中，所述当所述输出电导的变化量不等于所述输出电导的负值 时，包括如下步骤：
[0024] 判断所述输出电导的变化量是否大于所述输出电导的负值；
[0025] 当所述输出电导的变化量大于所述输出电导的负值时，控制所述光伏单兀的输出 电压指令值为：所述当前输出电压+所述步长选择值，并进行差值判断计算后，控制所述光 伏单元的输出功率；
[0026] 当所述输出电导的变化量小于所述输出电导的负值时，控制所述光伏单兀的输出 电压指令值为：所述当前输出电压一所述步长选择值，并进行所述差值判断计算后，控制所 述光伏单元的输出功率。
[0027] 在其中一个实施例中，所述根据所述光伏单元的输出电压和输出电流，判断所述 光伏单元的输出电导的变化量和所述光伏单元的输出电导的负值的关系，包括如下步骤：
[0028] 分别对所述光伏单元的输出电压和输出电流进行采样；
[0029] 判断当前时刻采集的输出电压与上一时刻采集的输出电压的电压差值；
[0030] 当所述电压差值不为零时，判断所述光伏单元的输出电导的变化量和所述光伏单 元的输出电导的负值的关系。
[0031] 在其中一个实施例中，所述判断当前时刻采集的输出电压与上一时刻采集的输出 电压的电压差值，还包括如下步骤：
[0032] 当所述电压差值为零时，判断当前时刻采集到的输出电流与上一时刻采集到的输 出电流的电流差值；
[0033] 当所述电流差值为零时，控制所述光伏单元的输出电压指令值保持所述当前输出 电压不变，进而控制所述光伏单元的输出功率；
[0034]当所述电流差值不为零时，根据所述电流差值与零的关系，控制所述光伏单元的 输出电压指令值以所述步长选择值为间隔增大或减小。
[0035] 在其中一个实施例中，所述当所述电流差值不为零时，根据所述电流差值与零的 关系，控制所述光伏单元的输出电压指令值以所述步长选择值为间隔增大或减小，包括如 下步骤：
[0036] 判断所述电流差值是否大于零；
[0037] 当所述电流差值大于零时，控制所述光伏单元的输出电压指令值为：所述当前输 出电压+所述步长选择值后，进行所述差值判断计算，控制所述光伏单元的输出功率；
[0038] 当所述电流差值小于零时，控制所述光伏单元的输出电压指令值为：所述当前输 出电压一所述步长选择值后，进行所述差值判断计算，控制所述光伏单元的输出功率。
[0039] 相应的，为实现上述任一种MPPT控制方法，本发明还提供了一种MPPT控制系统， 包括MPPT控制器；所述MPPT控制器分别与光伏系统中的负载单元、电网单元和光伏单元连 接，包括功率预测模块和最大功率点跟踪模块；
[0040] 所述光伏单元的输出端分别与所述负载单元的负载侧换流器的输入端和所述电 网单元的网侧换流器的输入端电连接；
[0041] 所述负载侧换流器的输入端与所述网侧换流器的输入端电连接；
[0042] 所述功率预测模块，用于根据所述负载单元、所述负载侧换流器和所述网侧换流 器的工作状态，对所述负载单元和所述电网单元进行功率预测，得到所述光伏单元的预测 功率；
[0043] 所述最大功率点跟踪模块，用于根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对所 述光伏单元的输出功率进行最大功率点跟踪。
[0044] 在其中一个实施例中，所述功率预测模块包括第一计算单元、第二计算单元、第三 计算单元和第四计算单元；
[0045] 所述第一计算单元，用于根据三相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵，得 到所述负载单元和所述电网单元的电压和电流在所述同步旋转坐标系下的表达式；
[0046] 所述第二计算单元，用于分别根据所述负载单元和所述电网单元的电压和电流在 所述同步旋转坐标系下的表达式，以及瞬时有功功率和瞬时无功功率的定义，计算得到所 述负载单元和所述电网单元的所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率；
[0047] 所述第三计算单元，用于根据所述负载单元和所述电网单元的所述瞬时有功功率 和所述瞬时无功功率，分别得到所述负载单元和所述电网单元的预测功率；
[0048] 所述第四计算单元，用于根据所述负载单元和所述电网单元的预测功率，以及所 述光伏系统中的所述光伏单元、所述负载单元和所述电网单元之间的能量平衡关系，得到 所述光伏单元的预测功率。
[0049] 在其中一个实施例中，所述最大功率点跟踪模块包括步长选择值计算单元和控制 单元；
[0050] 所述步长选择值计算单元，用于根据所述负载单元、所述电网单元及所述光伏单 元的预测功率值，和所述光伏阵列的输出特性及电导增量法，得到所述光伏单元最大功率 点跟踪的步长选择值；
[0051] 所述控制单元，用于根据所述步长选择值，对所述光伏单元的输出功率进行动态 负载跟踪MPPT自适应步长控制，实现所述光伏单元的最大功率点输出。
[0052] 上述MPPT控制方法和系统的有益效果：通过根据光伏系统中的负载单元、负载侧 换流器和网侧换流器的工作状态，对负载单元和光伏系统中的电网单元进行功率预测，得 到光伏系统中的光伏单元的预测功率。并根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对光 伏单元的输出功率进行最大功率点跟踪。其通过从整个光伏系统（包括负载单元、电网单 元和光伏单元）出发，根据光伏系统中的负载单元、负载侧换流器和网侧换流器的工作状 态，对负载单元和电网单元进行功率预测，得到光伏单元的预测功率，从而得到对光伏单元 的最大功率点跟踪的步长选择值。根据得到的步长选择值对光伏单元进行动态负载跟踪 MPPT自适应步长控制，实现光伏单元的输出功率为最大输出功率的目的。保证了在外界环 节变化及光伏系统能量变化时快速稳定精确的对光伏单元进行MPPT寻优，有效地解决了 现有的MPPT在对外界环境变化的适应度、成本、实现难易程度和稳态精度上不能达到很好 的平衡，且均未结合整个光伏系统进行寻优设计的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0053] 图1为光伏系统拓扑图；
[0054] 图2为光伏系统能量流动示意图；
[0055] 图3为对光伏系统中光伏单元进行动态负载跟踪MPPT自适应步长控制环路框 图；
[0056] 图4为对光伏系统中光伏单元进行动态负载跟踪MPPT自适应步长控制流程图。
【具体实施方式】
[0057] 为使本发明技术方案更加清楚，以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详 细说明。
[0058] 参见图1，作为本发明一具体实施例应用的光伏系统的拓扑图，包括负载单元、电 网单元和光伏单元。
[0059] 其中，光伏单元的输出端分别与负载单元的负载侧换流器（AC-DC)的输入端和电 网单元的网侧换流器（DC-AC)的输入端电连接。
[0060] 负载侧换流器（AC-DC)的输入端与网侧换流器（DC-AC)的输入端电连接。
[0061] 基于上述光伏系统，设计一种MPPT控制方法，包括如下步骤：
[0062] 步骤S100,根据光伏系统中负载单元、负载侧换流器（AC-DC)和网侧换流器 (DC-AC)的工作状态，对负载单元和光伏系统中电网单元进行功率预测，得到光伏系统中光 伏单元的预测功率。
[0063] 步骤S200,根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对光伏单元的输出功率进 行最大功率点跟踪。
[0064] 其通过从整个光伏系统（包括负载单元、电网单元和光伏单元）出发，根据光伏系 统中的负载单元、负载侧换流器（AC-DC)和网侧换流器（DC-AC)的工作状态，对负载单元和 电网单元进行功率预测，得到光伏单元的预测功率值，从而得到对光伏单元的最大功率点 跟踪的步长选择值。实现了步长选择值随外界环境的变化及光伏直驱系统的能量的变化而 变化。
[0065] 同时，根据得到的步长选择值对光伏单元进行动态负载跟踪MPPT自适应步长控 制，实现光伏单元的输出功率为最大输出功率的目的。保证了在外界环节变化及光伏系统 能量变化时，仍能够快速稳定精确的对光伏单元进行MPPT寻优。有效地解决了现有的MPPT 在对外界环境变化的适应度、成本、实现难易程度和稳态精度上不能达到很好的平衡，且均 未结合整个光伏系统进行寻优设计的问题。
[0066] 由于光伏系统中的电网单元、负载单元均可视为三相正弦子系统，可通过坐标变 换对其瞬时功率进行求解。因此，对光伏系统中光伏单元、负载单元和电网单元的功率预测 可通过根据三相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵，以及瞬时有功功率和瞬时无功 功率的定义，分别得到负载单元、电网单元及光伏单元的预测功率。具体的：
[0067] 根据三相静止坐标系（abc坐标系）到同步旋转坐标系（dq坐标系）的变换矩阵 T ·
[0068]
【权利要求】
1. 一种MPPT控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 根据光伏系统中负载单元、负载侧换流器和网侧换流器的工作状态，对所述负载单元 和所述光伏系统中电网单元进行功率预测，得到所述光伏系统中光伏单元的预测功率； 根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对所述光伏单元的输出功率进行最大功 率点跟踪。
2. 根据权利要求1所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述根据光伏系统中负载单元、 负载侧换流器和网侧换流器的工作状态，对所述负载单元和所述光伏系统中电网单元进行 功率预测，得到所述光伏系统中光伏单元的预测功率，包括如下步骤： 根据三相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵，得到所述负载单元和所述电网单 元的电压和电流在所述同步旋转坐标系下的表达式； 分别根据所述负载单元和所述电网单元的电压和电流在所述同步旋转坐标系下的表 达式，以及瞬时有功功率和瞬时无功功率的定义，计算得到所述负载单元和所述电网单元 的所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率； 根据所述负载单元和所述电网单元的所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率，分别得 到所述负载单元和所述电网单元的预测功率； 根据所述负载单元和所述电网单元的预测功率，以及所述光伏系统中所述光伏单元、 所述负载单元和所述电网单元之间的能量平衡关系，得到所述光伏单元的预测功率。
3. 根据权利要求1所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述根据动态负载跟踪MPPT自 适应步长控制法，对所述光伏单元的输出功率进行最大功率点跟踪，包括如下步骤： 根据所述负载单元、所述电网单元及所述光伏单元的预测功率，和所述光伏阵列的输 出特性及电导增量法，得到所述光伏单元最大功率点跟踪的步长选择值； 根据所述步长选择值，对所述光伏单元的输出功率进行动态负载跟踪MPPT自适应步 长控制，实现所述光伏单元的最大功率点输出。
4. 根据权利要求3所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述根据所述步长选择值，对所 述光伏单元的输出功率进行动态负载跟踪MPPT自适应步长控制，实现所述光伏单元的最 大功率点输出，包括如下步骤： 根据所述光伏单元的输出电压和输出电流，判断所述光伏单元的输出电导的变化量和 所述光伏单元的输出电导的负值的关系； 根据所述输出电导的变化量与所述输出电导的负值的关系，控制所述光伏单元的输出 电压指令值，进而控制所述光伏单元的输出功率。
5. 根据权利要求4所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述根据所述输出电导的变化 量与所述输出电导的负值的关系，控制所述光伏单元的输出电压指令值，进而控制所述光 伏单元的输出功率，包括如下步骤： 判断所述输出电导的变化量是否等于所述输出电导的负值； 当所述输出电导的变化量等于所述输出电导的负值时，控制所述光伏单元的输出电压 指令值保持当前输出电压不变，从而控制所述光伏单元的输出功率； 当所述输出电导的变化量不等于所述输出电导的负值时，根据所述输出电导的变化量 与所述输出电导的负值的大小关系，控制所述光伏单元的输出电压指令值以所述步长选择 值为间隔增大或减小。
6. 根据权利要求5所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述当所述输出电导的变化量 不等于所述输出电导的负值时，包括如下步骤： 判断所述输出电导的变化量是否大于所述输出电导的负值； 当所述输出电导的变化量大于所述输出电导的负值时，控制所述光伏单元的输出电压 指令值为：所述当前输出电压+所述步长选择值，并进行差值判断计算后，控制所述光伏单 兀的输出功率； 当所述输出电导的变化量小于所述输出电导的负值时，控制所述光伏单元的输出电压 指令值为：所述当前输出电压一所述步长选择值，并进行所述差值判断计算后，控制所述光 伏单元的输出功率。
7. 根据权利要求6所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述根据所述光伏单元的输出 电压和输出电流，判断所述光伏单元的输出电导的变化量和所述光伏单元的输出电导的负 值的关系，包括如下步骤： 分别对所述光伏单元的输出电压和输出电流进行采样； 判断当前时刻采集的输出电压与上一时刻采集的输出电压的电压差值； 当所述电压差值不为零时，判断所述光伏单元的输出电导的变化量和所述光伏单元的 输出电导的负值的关系。
8. 根据权利要求7所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述判断当前时刻采集的输出 电压与上一时刻采集的输出电压的电压差值，还包括如下步骤： 当所述电压差值为零时，判断当前时刻采集到的输出电流与上一时刻采集到的输出电 流的电流差值； 当所述电流差值为零时，控制所述光伏单元的输出电压指令值保持所述当前输出电压 不变，进而控制所述光伏单元的输出功率； 当所述电流差值不为零时，根据所述电流差值与零的关系，控制所述光伏单元的输出 电压指令值以所述步长选择值为间隔增大或减小。
9. 根据权利要求8所述的MPPT控制方法，其特征在于，所述当所述电流差值不为零时， 根据所述电流差值与零的关系，控制所述光伏单元的输出电压指令值以所述步长选择值为 间隔增大或减小，包括如下步骤： 判断所述电流差值是否大于零； 当所述电流差值大于零时，控制所述光伏单元的输出电压指令值为：所述当前输出电 压+所述步长选择值后，进行所述差值判断计算，控制所述光伏单元的输出功率； 当所述电流差值小于零时，控制所述光伏单元的输出电压指令值为：所述当前输出电 压一所述步长选择值后，进行所述差值判断计算，控制所述光伏单元的输出功率。
10. -种MPPT控制系统，其特征在于，包括MPPT控制器；所述MPPT控制器分别与光 伏系统中的负载单元、电网单元和光伏单元连接，包括功率预测模块和最大功率点跟踪模 块； 所述光伏单元的输出端分别与所述负载单元的负载侧换流器的输入端和所述电网单 元的网侧换流器的输入端电连接； 所述负载侧换流器的输入端与所述网侧换流器的输入端电连接； 所述功率预测模块，用于根据所述负载单元、所述负载侧换流器和所述网侧换流器 的工作状态，对所述负载单元和所述电网单元进行功率预测，得到所述光伏单元的预测功 率； 所述最大功率点跟踪模块，用于根据动态负载跟踪MPPT自适应步长控制法，对所述光 伏单元的输出功率进行最大功率点跟踪。
11. 根据权利要求10所述的MPPT控制系统，其特征在于，所述功率预测模块包括第一 计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元； 所述第一计算单元，用于根据三相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵，得到所 述负载单元和所述电网单元的电压和电流在所述同步旋转坐标系下的表达式； 所述第二计算单元，用于分别根据所述负载单元和所述电网单元的电压和电流在所述 同步旋转坐标系下的表达式，以及瞬时有功功率和瞬时无功功率的定义，计算得到所述负 载单元和所述电网单元的所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率； 所述第三计算单元，用于根据所述负载单元和所述电网单元的所述瞬时有功功率和所 述瞬时无功功率，分别得到所述负载单元和所述电网单元的预测功率； 所述第四计算单元，用于根据所述负载单元和所述电网单元的预测功率，以及所述光 伏系统中的所述光伏单元、所述负载单元和所述电网单元之间的能量平衡关系，得到所述 光伏单元的预测功率。
12. 根据权利要求10所述的MPPT控制系统，其特征在于，所述最大功率点跟踪模块包 括步长选择值计算单元和控制单元； 所述步长选择值计算单元，用于根据所述负载单元、所述电网单元及所述光伏单元的 预测功率，和所述光伏阵列的输出特性及电导增量法，得到所述光伏单元最大功率点跟踪 的步长选择值； 所述控制单元，用于根据所述步长选择值，对所述光伏单元的输出功率进行动态负载 跟踪MPPT自适应步长控制，实现所述光伏单元的最大功率点输出。
【文档编号】G05F1/67GK104113079SQ201410318352
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】张雪芬, 赵志刚, 冯重阳, 蒋世用, 刘克勤 申请人:珠海格力电器股份有限公司