一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法与流程

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其涉及的是一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法。

背景技术：

光伏阵列的输出功率会随着环境温度和光照强度的变化而非线性变化，为提高光伏发电系统的效率，最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)就成为光伏发电系统中不可缺少的一个部分。常用的最大功率点跟踪方法有扰动观测法和电导增量法。其中，扰动观测法由于其没有复杂除法运算而被广泛应用，但随着有关学者的研究发现，该方法存在震荡和误判的问题；而电导增量法的控制稳定度高，当环境参数发生变化时，该方法仍能平稳地跟踪其变化，并且与光伏阵列的特性和参数无关，但步长过大时会产生剧烈震荡，步长过小会使跟踪速度变慢。有学者提出由功率变化量与电压变化量之比来决定步长，较好兼顾了跟踪精度和跟踪速度，但其在外部环境条件突变时由于电压变化量很小而导致步长过大，偏移了实际情况，进而会导致功率跟踪的震荡问题。另外，对传统光伏阵列变步长电导增量最大功率跟踪方法存在较多复杂除法运算而导致该算法实时性变差的问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决传统光伏阵列变步长电导增量最大功率跟踪方法存在除法运算以及环境突变导致步长偏移实际情况的问题，提供了一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法：通过对光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法分析和数学推导，得到不含除法运算的最大功率跟踪方法；步长的确定分第一次最大功率点之前和之后两种情况来确定，很好解决了由于外部环境突变而导致步长偏移实际情况的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)采集光伏阵列电压U_pv(k)和电流I_PV(k)，并计算出功率P_PV(k)；

(2)计算前后两采样时刻光伏阵列电压变化量△U_pv(k)、电流的变化量△I_PV(k)和功率的变化量△P_PV(k)，并确定步长△D(k)；

(3)如果电压变化量△U_pv(k)等于0，判断电流变化量△I_PV(k)是否等于0，如果同样满足，则不改变PWM信号占空比的值；如果不满足，判断电流变化量△I_PV(k)是否小于0，如果小于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)减去一个步长△D(k)；否则，PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)加上一个步长△D(k)；

(4)如果电压变化量△U_pv(k)不等于0，判断是否U_pv(k)△I_PV(k)等于-△U_pv(k)I_PV(k)，如果U_pv(k)△I_PV(k)等于-△U_pv(k)I_PV(k)，则不改变PWM信号占空比的值；如果U_pv(k)△I_PV(k)小于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)大于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)减去一个步长△D(k)；如果U_pv(k)△I_PV(k)小于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)小于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)加上一个步长△D(k)；如果U_pv(k)△I_PV(k)大于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)大于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)增加一个步长△D(k)；如果U_pv(k)△I_PV(k)大于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)小于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)减去一个步长△D(k)；

(5)用U_pv(k)、I_PV(k)、P_PV(k)和D(k)分别更新U_pv(k-1)、I_PV(k-1)、P_PV(k-1)和D(k-1)值，返回主程序，并将所得占空比值的PWM信号，控制DC/DC升压变换器中开关管的通断，以达到最大功率跟踪的目的。

所述步骤(1)中，功率P_PV(k)为：

P_PV(k)＝U_pv(k)I_PV(k)。

所述步骤(2)中，电压的变化量△U_pv(k)为：

△U_pv(k)＝U_pv(k)-U_pv(k-1)；

电流的变化量△I_PV(k)为：

△I_PV(k)＝I_PV(k)-I_PV(k-1)；

功率的变化量△P_PV(k)为：

△P_PV(k)＝P_PV(k)-P_PV(k-1)；

步长△D(k)为：

第一次达到最大功率点之前：|

第一次达到最大功率点之后：

ΔD(k)＝N₂|ΔP(k)|，

其中：△P(k)为第k次采样时刻的功率变化量，N₁和N₂为占空比的换算系数，N₁和N₂取值范围分别为：

其中：△D_max为最大定步长，△U和△P分别为最大定步长△D_max最大功率跟踪控制时的电压变化量和功率变化量。

有益效果：本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提出一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法，该最大功率跟踪控制方法无需进行复杂除法运算，具有简洁的控制逻辑和较少的计算量，大大加快了最大功率跟踪速度，提高了光伏阵列的最大功率跟踪效率。此外，本发明提出了一种新型变步长方法，即在第一次达到最大功率点之后，变步长△D(k)中去除了分母中的电压变化量△U_pv(k)，较好解决了系统因外部环境条件突变，△U_pv(k)很小而导致步长过大，进而带来最大功率跟踪的功率震荡问题。

附图说明

图1为光伏发电系统框图；

图2为一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1所示为本发明的光伏发电系统框图，它包括光伏阵列1、DC/DC升压变换器2、负载3、微处理器4，电压传感器5和电流传感器6。

电压传感器5和电流传感器6分别检测光伏阵列的输出电压U_pv和电流I_PV，并送给微处理器；微处理器经过本发明一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法得到一定的占空比D，再由微处理器中PWM信号发生器产生PWM信号去控制DC/DC升压变换器中开关管的通断，以达到最大功率跟踪的目的。

图2所示为本发明一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法的流程图。

本实施例包括以下步骤：

(1)由电压传感器5和电流传感器6分别采集光伏阵列1的输出电压U_pv(k)和电流I_PV(k)，并计算出功率P_PV(k)；

(2)计算前后两采样时刻光伏阵列电压变化量△U_pv(k)、电流的变化量△I_PV(k)和功率的变化量△P_PV(k)，并确定步长△D(k)；

(3)如果电压变化量△U_pv(k)等于0，判断电流变化量△I_PV(k)是否等于0，如果同样满足，则不改变PWM信号占空比的值；如果不满足，判断电流变化量△I_PV(k)是否小于0，如果小于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)减去一个步长△D(k)；否则，PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)加上一个步长△D(k)；

(4)如果电压变化量△U_pv(k)不等于0，判断是否U_pv(k)△I_PV(k)等于-△U_pv(k)I_PV(k)，如果U_pv(k)△I_PV(k)等于-△U_pv(k)I_PV(k)，则不改变PWM信号占空比的值；如果U_pv(k)△I_PV(k)小于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)大于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)减去一个步长△D(k)；如果U_pv(k)△I_PV(k)小于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)小于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)加上一个步长△D(k)；如果U_pv(k)△I_PV(k)大于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)大于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)增加一个步长△D(k)；如果U_pv(k)△I_PV(k)大于-△U_pv(k)I_PV(k)，并且△U_pv(k)小于0，则PWM信号占空比的值D(k)为D(k-1)减去一个步长△D(k)；

(5)用U_pv(k)、I_PV(k)、P_PV(k)和D(k)分别更新U_pv(k-1)、I_PV(k-1)、P_PV(k-1)和D(k-1)值，返回主程序，微处理器4根据所得的占空比值D(k)由其内部PWM信号发生器产生相应的PWM信号，去控制DC/DC升压变换器2中开关管的通断，以达到最大功率跟踪的目的。

所述步骤(1)中，功率P_PV(k)为：

P_PV(k)＝U_pv(k)I_PV(k)。

所述步骤(2)中，电压的变化量△U_pv(k)为：

△U_pv(k)＝U_pv(k)-U_pv(k-1)；

电流的变化量△I_PV(k)为：

△I_PV(k)＝I_PV(k)-I_PV(k-1)；

功率的变化量△P_PV(k)为：

△P_PV(k)＝P_PV(k)-P_PV(k-1)；

步长△D(k)为：

第一次达到最大功率点之前：

第一次达到最大功率点之后：

ΔD(k)＝N₂|ΔP(k)|，

其中：△P(k)为第k次采样时刻的功率变化量，N₁和N₂为占空比的换算系数，N₁和N₂取值范围如下：

其中：△D_max为最大定步长，此处取0.05，△U和△P分别为最大定步长△D_max最大功率跟踪控制时的电压变化量和功率变化量。

综上所述，本发明提出一种光伏阵列无复杂运算变步长最大功率跟踪控制方法，该最大功率跟踪控制方法无需进行复杂除法运算，具有简洁的控制逻辑和较少的计算量，大大加快了最大功率跟踪速度，提高了光伏阵列的最大功率跟踪效率。此外，本发明提出了一种新型变步长方法，较好解决了系统因外部环境条件突变而导致最大功率跟踪过程中的功率震荡问题。