CN111367350A

CN111367350A - 一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法

Info

Publication number: CN111367350A
Application number: CN202010138705.5A
Authority: CN
Inventors: 李星硕; 徐峥嵘; 丁树业
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2020-07-03

Abstract

本发明公开了一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，对光伏模块输出电压电流进行采样，得到采样电压值V和电流值I，然后计算出光伏输出功率的变化ΔP和输出电压的变化ΔV；根据ΔP和ΔV的变化确定占空比D的变化方向；将四个连续的占空比的数据存储到滚动小窗中，占空比变动一次，则小窗滚动一次，以检测是否已经追踪到最大功率点，并在检测已追踪到最大功率点后逐步平抑波动；设置在平抑波动状态下ΔV的阈值，一旦外部环境发生变化，则清空小窗，初始化步长，重新追踪最大功率点。本发明能够快速跟踪最大功率点，且在稳定的外部条件下减少不必要的扰动，提高跟踪精度。

Description

一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电工程技术领域，尤其是一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法。

背景技术

太阳能是当今世界能源结构改革中最重要的可再生能源之一。但由于光伏阵列受到外界环境因素如光照或温度的影响，其输出电压、电流呈现出明显的非线性特征。因此如何实时地调节光伏模块的输出功率、在任何外界环境下实现最大功率点跟踪 (Maximumpower point tracking，MPPT)显得十分重要。

现有的MPPT技术主要包括定步长和变步长两种。传统的定步长MPPT算法主要有扰动观察法(P&O)，电导增量法(INC)，爬山法(Hill Climbing)。定步长算法的优点主要在于算法简单、成本低廉、易于实施，同时在天气状况稳定的情况效果较好。但其在在外部环境发生突变时，响应速度慢。虽然变步长MPPT算法能解决其响应速度的问题，但是其确定步长大小的方法过于复杂，靠近MPP时步长过小从而导致追踪速度下降，系统复杂度高。且无论是定步长还是变步长算法，其在追踪到最大功率点(MPP) 以后仍会有扰动存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，能够快速跟踪最大功率点，且在稳定的外部条件下减少不必要的扰动，提高跟踪精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，包括如下步骤：

(1)初始化占空比变化的步长step、小窗采样次数f和平抑波动标识steady；

(2)采样电压值V和电流值I，计算出光伏输出功率的变化ΔP和输出电压的变化ΔV，根据P&O法确定占空比的变化方向，并将变化的占空比数据存储到滚动小窗中，占空比变化一次，小窗采样一次；

(3)当采样次数达到四以后，小窗开始滚动，并同时与上一个小窗进行交叉对比，当小窗不交叉相等时，则占空比的步长不变，当小窗交叉相等时，则认为追踪到最大功率点，则占空比的步长减半，即

(4)当占空比的步长小于0.25％时，则判定系统进入零振荡状态，此时占空比的步长等于0，即占空比不发生变化；

(5)当第一次检测到小窗交叉相等时，则判定系统进入平抑波动状态，此时设定输出电压变化的阈值|ΔV|_max，如果输出电压变化没有超过该阈值，则判定外部环境没有发生变化，系统继续平抑波动，如果输出电压变化超过阈值，则判定外部环境发生变化，系统初始化，回到步骤(1)，重新追踪最大功率点。

优选的，步骤(2)中，根据P&O法确定占空比的变化方向具体为：

四个连续的占空比值将被小窗存储以供分析，占空比变动一次，则小窗滚动一次，实时的占空比被存储为小窗的第一个数据，而其余三个数据则与上个小窗共轭，其中每次小窗的具体数据如下：

占空比的变化主要基于光伏输出功率的变化ΔP和光伏输出电压的变化ΔV，其具体计算公式如下：

ΔP和ΔV的值决定了该算法追踪的方向，具体情况为：

其中step为占空比每次改变的步长，其大小由滚动小窗中存储的数据是否交叉相等决定。

优选的，步骤(3)中，小窗交叉相等的具体判据为：

优选的，步骤(5)中，输出电压变化的阈值|ΔV|_max的具体公式为：

其中step_max是指系统进入平抑波动状态以后占空比步长的最大值，D(t)_max是指系统进入平抑波动状态以后占空比的最大值，V_o4是指系统的最大开路电压。

本发明的有益效果为：能够快速跟踪最大功率点，且在稳定的外部条件下减少不必要的扰动，提高跟踪精度。

附图说明

图1为本发明提出的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制系统的原理示意图。

图2为本发明的滚动小窗存储的信息示意图。

图3为判定本发明的滚动小窗交差相等的判据示意图。

图4为进入平抑波动状态后环境变换的占空比变化示意图。

图5为本发明基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法的流程示意图。

图6为环境稳定情况下本发明提出的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法与传统P&O方法仿真结果比较示意图。

图7为环境变化情况下本发明提出的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法与传统P&O方法仿真结果比较示意图。

具体实施方式

一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，包括如下步骤：

如图1所示为本发明的系统结构图，其中包括了光伏模型、DC-DC变换器和其MPPT控制模块。光伏模块主要提供输出功率，其输出特性与环境温度及光照等密切相关； DC-DC变流器作为光伏模块与负载间的功率界面，提供电压或电流的变换；MPPT控制模块是执行具体的最大功率点跟踪控制方法，然后调节DC-DC变流器的占空比以使得光伏模块在任何工作情况下始终输出最大功率。

如图2所示，在该算法中，四个连续的占空比值将被小窗存储以供分析，占空比变动一次，则小窗滚动一次，实时的占空比被存储为小窗的第一个数据，而其余三个数据则与上个小窗共轭。其中每次小窗的具体数据如下：

在该算法中，占空比的变化主要基于光伏输出功率的变化ΔP和光伏输出电压的变化 ΔV，其具体计算公式如下：

ΔP和ΔV的值决定了该算法追踪的方向，具体情况为：

其中step为占空比每次改变的步长，其大小由滚动小窗中存储的数据是否交叉相等决定。如图3所示情况，则判定检测到滚动小窗相等，即检测到已追踪到最大功率点(MPP)，开始减少在稳定条件下不必要的扰动，其具体判据如下所示：

如图3所示，当没有检测到小窗内存储数据交叉相等(W1≠W2)，则说明在还未追踪到最大功率点或在已追踪到最大功率点但没有开始在其周边扰动；当检测到小窗内存储数据交叉相等(W2＝W3)，则说明已追踪到最大功率点且在其周边的扰动已经开始，此时开始平抑扰动，具体公式如下所示：

上述情况都是在外部环境发生变化的情况下，如果外部环境发生变化，继续平抑波动会导致无法追踪到最大功率点。此时我们需要设定一个电压波动阈值，如果在平抑波动时超过了此阈值，则表明外部条件发生变化，则需要将步长调整为初始步长，重新追踪最大功率点。电压波动阈值的具体推导过程如下：

则ΔV的具体公式为：

本发明所采用的光伏系统最大开路电压为17.3V，其占空比一般都在0.3-0.8之间波动，而进入平抑波动状态时的最大步长为0.5％，则

而外部环境变化时，|ΔV|的值会远大于此，所以在本次算法中，进入平抑波动状态时，设定如下：

if|ΔV|≥0.5；初始化步长，清空小窗。

如图4所示，进入平抑波动状态以后，当检测到电压波动超过阈值以后，还原初始步长，清空小窗，重新追踪最大功率点。

如图5所示为整个算法的完整流程图。其中“steady”用来识别系统是否进入平抑波动状态，如果进入了平抑波动状态则需要通过比较|ΔV|与其阈值来判定外部条件是否变化；“f”则用来判断小窗内数据是否采样完成，能否进行滚动比较。

如图6所示为环境稳定情况下本发明提出的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法与传统P&O方法仿真结果比较图。由图6可知，本发明所提出的方法能够更快的追踪到最大功率点，并且能在追踪到最大功率点以后快速不必要的扰动，提高追踪精度。

如图7所示为环境变化情况下本发明提出的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法与传统P&O方法仿真结果比较图。有图7可知，本发明所提出的方法能够快速识别环境的变化，在不同的条件下更快的追踪到最大功率点。

Claims

1.一种基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤(2)中，根据P&O法确定占空比的变化方向具体为：

ΔP和ΔV的值决定了该算法追踪的方向，具体情况为：

3.如权利要求1所述的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤(3)中，小窗交叉相等的具体判据为：

4.如权利要求1所述的基于滚动小窗的光伏最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤(5)中，输出电压变化的阈值|ΔV|_max的具体公式为：

其中step_max是指系统进入平抑波动状态以后占空比步长的最大值，D(t)_max是指系统进入平抑波动状态以后占空比的最大值，V_oc是指系统的最大开路电压。