太阳能光伏系统MPPT控制方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，且特别涉及一种太阳能光伏系统MPPT控制方法。

背景技术：

全世界范围内能源危机促进了光伏发电系统发展，为充分利用太阳能，最大程度提高光伏电池能量转换效率，发挥光伏器件效能，光伏发电系统普遍采用最大功率点跟踪(MPPT)方法，对光伏器件输出功率加以控制，使其始终工作在最大功率点。根据MPPT方法的特征和具体实现的机理过程，将MPPT方法分为三大类：①基于参数选择方式的间接控制法；②基于采样数据的直接控制法；③基于现代控制理论的人工智能方法。

①基于参数选择方式的间接控制法主要包括恒定电压法、开路电压比例系数法、短路电流比例系数法、差值计算方法等，这一类方法简便易行，减少了工作点在远离最大功率点区域的追踪时间，但对光伏组件的输出特性有较强的依赖性，只能近似跟踪最大功率点，效率较低。

②基于采样数据直接控制法主要包括扰动观测法以及电导增量法等。扰动观测法具有控制逻辑清晰、测量参数少等优点，在工程实践中具有较强的应用普遍性，但其在追踪稳定后存在振荡问题，具有一定功率损失，只能通过调节扰动步长来平衡跟踪精度、速度，且在外界环境条件突变时，乃至出现误判，致追踪失效；电导增量法控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪其变化，且与光伏电池的特性及参数无关，但是对控制系统的要求相对较高，电压初值对系统启动过程中的追踪性能有较大影响，若设置不当会产生较大功率损耗。

③现代控制理论的人工智能方法主要包括模糊理论MPPT方法、基于人工神经网络MPPT方法、滑膜控制MPPT方法，以及其他智能复合型方法等。模糊逻辑控制方法原有经验和控制理论绘制列表对系统进行控制，跟踪速度快，达到最大功率点后波动小，具有较好动态及稳态性能，但需事先经过精确设定模糊集、隶属函数形状表等设计环节，难度较大，试验周长，为提高方法速度，需高性能控制器，硬件成本高；神经网络MPPT方法建立的训练过程需要大量样本数据，而组件种类多，大多数参数不同，因此不同的系统需要进行各自有针对性训练达数月或数年之久；滑膜控制MPPT 方法在于控制的不连续性，系统追踪速度快，但开关的不断调节会影响系统动、稳态性能，当步长大时，输出电压、功率波动较大。

因此，间接、直接MPPT控制法，控制方法简单、被测参数少，跟随外界环境变化，但实际应用中在最大功率点附近扰动较大，且容易受环境影响，鲁棒性差，功率损耗大。人工智能方法其鲁棒性、灵活性和适合性较好，但方法复杂，易陷入局部最优，设备成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种太阳能光伏系统MPPT控制方法，解决现有MPPT控制方法计算过于麻烦，设备成本较高的问题。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种太阳能光伏系统MPPT控制方法，包括以下步骤：

选取太阳能光伏系统的一个输出点作为追踪点，获取该点对应的追踪电流I1、追踪电压U1、当前追踪点的电导值dU/dI；

利用所述追踪电流I1、电导值dU/dI获取参考电压Vref；

判断参考电压与追踪电压U1是否相等，若否，则改变太阳能光伏系统的追踪点来形成新的追踪电压，重新进行追踪。

可选的，所述若否，则改变光伏系统的追踪点来形成新的追踪电压的具体步骤包括：

若参考电压大于追踪电压U1，则改变追踪点使得新的追踪点对应的追踪电压U1变大；

若参考电压小于追踪电压U1，则改变追踪点使得新的追踪点对应的追踪电压U1变小。

可选的，还包括，若参考电压与追踪电压U1相等，则表征所述追踪电压U1已位于太阳能光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近，保持太阳能光伏系统的追踪点不变。

可选的，所述参考电压Vref的公式为：Vref=I1*dU/dI。

可选的，利用PID控制方法对改变光伏系统的追踪点来形成新的追踪电压，具体方法包括：在太阳能光伏系统的输入端与输出端间加一电容，如果参考电压小于追踪电压U1，使输出功率大于光伏当前功率，电容会输出能量而使电压下降；如果参考电压大于追踪电压U1，使输出功率小于光伏当前功率，电容会因充电而使电压上升，从而改变追踪电压。

可选的，利用模糊PID控制方法对改变光伏系统的追踪点来形成新的追踪电压。

可选的，所述模糊PID控制方法具体包括：直接将Boost电路占空比作为控制变量，在模糊控制基础上加入了PID控制，在大偏差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，在小偏差范围内的精度调整采用PID控制，两种算法通过阈值比较的方式进行切换。

可选的，所述模糊控制器基于扰动观察法，根据功率值的变化量和前一时刻的占空比调整步长，来决定本时刻的占空比调整步长。

可选的，所述阈值比较切换为一个开关函数，其中k1、k2是设定的模糊控制器和PID控制器的转换阈值，当满足k1＜dP/dD＜k2时，采用PID控制，其余采用模糊控制。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

本发明由于只需要获取当前一个追踪点的三个参数值，将计算出的参考电压与检测获取的追踪电压进行比较就能非常容易地确定，当前太阳能光伏系统的最大功率点所对应的输出电压是大于当前追踪电压还是小于当前追踪电压，便于调整，控制方法简单，且对硬件要求低。

附图说明

图1为本发明的太阳能光伏系统MPPT控制方法的流程示意图；

图2为太阳能光伏系统的输出特性曲线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

本发明实施例首先提供了一种太阳能光伏系统MPPT控制方法，请参考图1，包括以下步骤：

步骤S101，选取太阳能光伏系统的一个输出点作为追踪点，获取该点对应的追踪电流I1、追踪电压U1、当前追踪点的电导值dU/dI；

步骤S102，利用所述追踪电流I1、电导值dU/dI获取参考电压Vref；

步骤S103，判断参考电压与追踪电压U1是否相等，

若否，则步骤S104，改变太阳能光伏系统的追踪点来形成新的追踪电压，重新进行追踪；

若是，则步骤S105，则表征所述追踪电压U1已位于太阳能光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近，保持太阳能光伏系统的追踪点不变。

具体的，执行步骤S101，任意选取太阳能光伏系统的一个输出点作为追踪点，获取该点对应的追踪电流I1、追踪电压U1、当前追踪点的电导值dU/dI。

由于太阳能光伏系统的输出电压通常具有纹波，所述追踪点对应的追踪电流I1为对应纹波一个控制周期T内的平均电流，所述追踪点对应的追踪电流U1为对应纹波一个控制周期T内的平均电压。

在本实施例中，在一个控制周期T内，dU为当前周期最大电压值减最小电压值dU=Umax-Umin,dI为当前周期最小电流值减最大电流值在dI=Imin-Imax，通过上述计算获得dU、dI来获得当前追踪点的电导值。

在其他实施例中，也可以选取上一次追踪过的太阳能光伏系统的最大功率点所对应的输出电压作为本次的起始追踪电压。

执行步骤S102，利用所述追踪电流I1、电导值dU/dI获取参考电压Vref。

所述参考电压Vref的计算公式为：

Vref=-I1*dU/dI

所述I1为当前追踪点对应的追踪电流I1、dU/dI为当前追踪点的电压、电流的电导值。

执行步骤S103，判断参考电压与追踪电压U1是否相等，若否，则执行步骤S104，改变太阳能光伏系统的追踪点来形成新的追踪电压，重新进行追踪；若是，则执行步骤S105，则表征所述追踪电压U1已位于太阳能光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近，保持太阳能光伏系统的追踪点不变。

由于从图2的太阳能光伏系统的输出特性曲线P-U曲线可知，在太阳能光伏系统的最大功率点(MPP）处斜率为零，即：

Pmax=UI （1）

dP/dU=I+U*dI/dU=0 （2）

dU/dI=-U/I （3）

U=-I*dU/dI （4）

从上述的公式（4）可以看出，当处于太阳能光伏系统的最大功率点(MPP）处时，U=-I*dU/dI，当追踪电压U1不断靠近根据上述公式（4）获取的参考电压，直到两者相等，表征当前的追踪电压U1已位于太阳能光伏系统的最大功率点所对应的输出电压的附近，保持太阳能光伏系统的追踪点不变，当由于环境的变化，太阳能光伏系统的最大功率点发生偏移时，通过比较追踪电压和参考电压，当发现两者重新变得不相同时，继续对追踪电压进行调整，直到找到新一轮的最大功率点。

当检测到追踪电压和参考电压不相同，且需要通过不断地调整追踪电压U1使得追踪电压U1持续地接近对应的参考电压。

从太阳能光伏系统的输出特性曲线I-U曲线可知，随着电压的增加，dU/dI的绝对值是持续增长的，因此只要通过调整追踪电压U1不断地向计算出的参考电压靠拢，就能最终获取到太阳能光伏系统的最大功率点所对应的输出电压。

因此，在本发明实施例中，若计算获取的参考电压Vref大于追踪电压U1，则改变追踪点使得新的追踪点对应的追踪电压U1变大；

若参考电压Vref小于追踪电压U1，则改变追踪点使得新的追踪点对应的追踪电压U1变小。

在传统电导增量法中，假设改变前后的追踪点的步长因子为△u，则△u的取值与能否很好实现最大功率跟踪关系紧密。若△u设置太大，导致跟踪精度不够，太阳能电池工作点虽然能够在最大功率点附近，却无法对最大功率点进行准确锁定；反之若△u取值太小，虽然提高了跟踪精度，但是跟踪速度却很慢，系统将损失较多能量。

而在本发明的一个实施例中，当检测到追踪电压和参考电压不相同时，在追踪电压和参考电压之间选取一个值重新作为新的追踪电压，其中，所述新的追踪电压可以为追踪电压和参考电压的平均值，也可以为参考电压本身，由于当有较大偏差范围时，追踪电压和参考电压相差也就较大，当有较小偏差范围时，追踪电压和参考电压相差也就较小，从而能够自动地调节步长因子△u的大小，既满足了对跟踪精度的要求，有满足对跟踪速度的要求，避免系统损失较多能量。

在本发明的另一实施例中，在太阳能光伏系统的输入端与输出端间加一电容，如果参考电压小于追踪电压U1，使输出功率大于光伏当前功率，电容会输出能量而使电压下降；如果参考电压大于追踪电压U1，使输出功率小于光伏当前功率，电容会因充电而使电压上升，从而改变追踪电压。

进一步分析，当追踪电压大于参考电压，只能提高输出功率，减小电压达到光伏当前功率增大；当追踪电压小于参考电压，只能减小输出功率达到比光伏当前功率还要低时，才会对电容充电增大电压达到光伏当前功率增大；所以输出功率增量dP应该于（U1- Vref）成比例关系。

考虑电容C的能量与功率增量关系

dP*T=E=(1/2)*C*U1*U1-(1/2)*C*Vref*Vref;

推导出

dP=（C/2T）*(U1*U1-Vref*Vref)，

v.err = v.Ref - v.Fbk;

v.up = v.err*v.Kp;

v.ui = v.Ki*v.up+ v.i1;

v.i1 = v.ui;

v.Out= v.up + v.ui;

其中T为控制周期,dP就是功率误差。对P功率进行PI调节，vRef为U1*U1, v.Fbk为Vref*Vref，v.Out为输出功率，v.err为误差，v.Kp为比例参数，v.Ki为积分参数，V.up为比例值，v.ui 当前积分值，v.i1上次积分值。

最终获取的v.Out即为调整后的输出功率，利用改变所述输出功率改变对应的电容电压，所述电容电压即为追踪电压。

在本发明的另一个实施例中，利用模糊PID控制方法对改变光伏系统的追踪点来形成新的追踪电压。所述模糊PID控制方法具体包括：在模糊控制基础上加入了PID控制，在大偏差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，在小偏差范围内的精度调整采用PID控制，两种算法通过阈值比较的方式进行切换，所述阈值比较切换为一个开关函数，其中k1、k2是设定的模糊控制器和PID控制器的转换阈值，当满足k1＜dP/dD＜k2时，采用PID控制，其余采用模糊控制。

其中，所述模糊控制器基于扰动观察法，根据功率值的变化量和前一时刻的占空比调整步长因子，来决定本时刻的占空比调整步长因子。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。