本发明提出了一种基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法，解决了光伏电池的最大功率跟踪技术中传统扰动观察法步长大小难以权衡的问题，能够实现完全自适应扰动，跟踪速度快、稳态精度高，系统通用性强。其基本原理为通过滤波后的电压、电流信号计算出连续的光伏阵列输出功率，根据功率信号之间的变化形成误差信号，再经过该PI控制器产生自适应的扰动电压值，最后通过扰动观察法基本原理产生光伏阵列电压的参考值。计算光伏阵列电压参考值和实际值的误差信号，通过另外一个PI控制器产生DC/DC变换器所需要的占空比信号d，从而控制移相全桥变换器各个功率开关管的通断时间，进而调节光伏阵列输出的功率，跟踪其最大输出功率点。
1.一种基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法，其特征在于其控制步骤如下：
A、首先测量光伏阵列的输出电压Upv(n)和输出电流Ipv(n)，其中n表示第n次的采样结果；
B、然后通过一个低通滤波器滤波后的电压、电流信号计算出该次的光伏阵列输出功率Ppv(n)＝Upv(n)×Ipv(n)，根据功率信号之间的变化计算出自适应扰动值，利用此变化作为闭环控制系统的误差信号，控制该误差在稳态时尽可能小，同时避免系统在启动时发生超调，并消除稳态时的功率振荡，采取一个比例积分PI(Proportional-Integral)控制器a来实现上述控制，PI控制器a被用作光伏阵列参考电压所需要的自适应扰动值发生器，即通过连续的功率计算值之间的变化形成误差信号ΔPpv(n)＝Ppv(n)-Ppv(n-1)，再经过该PI控制器a产生自适应的扰动电压值Kp1、Ki1分别为PI调节
C、通过扰动观察法原理产生光伏阵列电压的参考值 由下述公式决定：
上式中， 为本次扰动控制的光伏阵列电压参考值与前次扰动控
制的光伏阵列电压参考值； 为本次扰动控制的扰动值；ΔPpv(n)为本次与前次光伏阵列输出功率的变化值；ΔUpv(n)为本次与前次光伏阵列输出电压的变化值；
D、光伏阵列的实际输出电压需要准确跟踪该电压的参考值 通过另外
一个PI控制器b实现，先计算光伏阵列电压参考值和实际值的误差信号epv(n)：
再经过PI控制器b产生DC/DC变换器所需要的占空比信号d(n)：
积分常数；d(n-1)为上一时刻产生的占空比信号；ΔTs为采样间隔；通过控制占空比d(n)来控制DC/DC变换器中开关管的通断时间；DC/DC变换器的占空比改变后，光伏阵列输出给DC/DC变换器的电压电流会发生相应的变化，从而改变了光伏阵列的输出功率和直流母线电容Cdc的电压，实现光伏阵列的最大功率点跟踪。
2.一种如权利要求1所述的基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法，其特征在于所述的光伏阵列，通过DC/DC变换器和直流母线电容向电网或负载传送功率，设定直流母线电压上限值Udc_max，当直流母线实际电压超过设定的上限值时，将两者之间幅值差经过一个比例环节输出一个反方向的调节量，调整DC/DC变换器的占空比，抑制直流母线电压过高，使系统持续稳定运行。
3.一种如权利要求1所述的基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法，其特征在于所述的PI控制器a和PI控制器b，在实际调节过程中先将光伏阵列的参考电压设为CVT启动电压Upv_ref，此时，PI控制器a将不起作用，利用Ziegler-Nichols方法调整PI控制器b的比例、积分系数，直到获得满意的输出；然后使能扰动观察算法模块，并用同样的方法调整PI控制器a的比例、积分系数，最终使整个控制系统获得良好的输出性能。
基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光伏阵列（电池）的最大功率跟踪技术。本发明涉及光伏发电并网或离网系统。本发明设计属于最大功率跟踪技术领域。
背景技术
[0002] 当今世界的常规能源短缺、生态环境恶化等问题日益严峻。作为一种清洁可再生能源，光伏发电为解决能源问题以及实现人类社会可持续发展的有效解决途径在世界范围内获得了空前的发展机遇和强劲的发展势头。然而光伏电池的光电转换效率非常有限，且其本身是一种极其不稳定的电源，输出功率容易受到外界环境（如光照强度、环境温度等）和负载情况的影响。为充分利用太阳能，提高光伏并网系统的效率，实际控制电路需采用最大功率点跟踪最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术。
[0003] 扰动观察(Perurbation and Observation，P&O)法由于其算法简洁、易于实现，是目前实际中应用最广泛的MPPT方法。但是，传统的定步长扰动观察法却存在缺陷：当扰动步长较小时，功率振荡也将很小，但是系统的跟踪速度却得不到保证；当扰动步长变大，系统的跟踪速度会提高，却同时会引起较大功率振荡。所以定步长的扰动观察法步长大小难以确定，对不同系统的适应性较差。因此，本发明提出了一种高效自适应扰动观察法，该方法解决了传统扰动观察法步长大小难以权衡的问题，可以获得更优的性能、易于实现、成本适中，且其核心算法具有普遍适用性，不需要预置相关的定值。能够实现完全自适应扰动，跟踪速度快、稳态精度高，系统通用性强。
发明内容
[0004] 技术问题：本发明的目的在于提出光伏阵列的一种基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法，解决传统扰动观察法步长大小难以权衡的问题，能够实现完全自适应扰动，跟踪速度快、稳态精度高，系统通用性强。
[0005] 技术方案：本发明的基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法包括步骤如下：
[0006] A、首先测量光伏阵列的输出电压Upv(n)和输出电流Ipv(n)，符号中的n表示第n次的采样结果。
[0007] B、然后通过一个低通滤波器滤波后的电压、电流信号计算出该次的光伏阵列输出功率Ppv(n)＝Upv(n)×Ipv(n)，根据功率信号之间的变化计算出自适应扰动值。利用此变化作为闭环控制系统的误差信号，控制该误差在稳态时尽可能小，同时避免系统在启动时发生超调，并消除稳态时的功率振荡。
[0008] 采取一个PI控制器a来实现上述控制，PI控制器为比例积分控制器，PI控制器a被用作光伏阵列参考电压所需要的自适应扰动值发生器，即通过连续的功率计算值之间的变化形成误差信号△Ppv(n)=Ppv(n)-Ppv(n-1)，再经过该PI控制器产生自适应的扰动电压值[0009] Kp1、Ki1分别为PI调节器a的比例和积分常数，△Ts为采样间隔。
[0010] C、通过扰动观察法原理产生光伏阵列电压的参考值U*mppt(n)。由下述公式决定：
[0011]
[0012] 上式中，U*mppt(n)、U*mppt(n-)为本次扰动控制的光伏阵列电压参考值与前次扰动控制的光伏阵列电压参考值； 为本次扰动控制的扰动值；△Ppv(n)为本次与前次光伏阵列输出功率的变化值；△Upv(n)为本次与前次光伏阵列输出电压的变化值。
[0013] D、光伏阵列的实际输出电压需要准确跟踪该参考电压U*mppt(n)，可以通过另外一个PI控制器b实现，先计算光伏阵列电压参考值和实际值的误差信号epv(n)：再经过PI控制器b产生DC/DC变换器所需要的占空比信号d(n)：
d(n)＝d(n-1)+Kp2[epv(n)-epv(n-1)]+Ki2△Tsepv(n)，Kp2、Ki2分别为PI调节器b的比例和积分常数；d(n-1)为上一时刻产生的占空比信号；△Ts为采样间隔。通过控制占空比d(n)而控制DC/DC变换器中开关管的通断时间。DC/DC变换器的占空比改变后，光伏阵列输出给DC/DC变换器的电压电流会发生相应的变化，从而改变了光伏阵列的输出功率和直流母线电容Cdc的电压，实现光伏阵列的最大功率点跟踪。
[0014] E、本方法从功能的角度总共包含如下部分：光伏阵列的输出电压、电流滤波部分；光伏阵列输出功率延迟环节；以光伏阵列输出功率变化值为输入的PI控制器a；根据功率变化进行扰动观察判断的环节；根据参考电压进行电压控制的PI控制器b；抑制直流母线电压过大的比例控制器。
[0015] F、本方法的核心思想在于：与传统定步长扰动观察法不同之处在于本方法没有固定的扰动步长，而是以光伏阵列输出功率的变化值通过PI控制器得到扰动观察法的电压变化步长从而确定输出电压的参考值,然后根据电压参考值与实际值的误差经过PI控制器得到DC/DC变换器的控制占空比。因为采用了变步长的方法，可以极大地提高最大功率跟踪的速度并降低其稳态功率振荡，从而改善光伏系统的性能。
[0016] 所述的光伏阵列，通过DC/DC变换器和直流母线电容向电网或负载传送功率，设定直流母线电压上限值Udc_max，当实际电压超过设定的上限值时，将两者之间幅值差经过一个比例环节输出一个反方向的调节量，调整DC/DC变换器的占空比，抑制直流母线电压过高，使系统持续稳定运行。
[0017] 所述的PI控制器a和b在实际调节过程中先将光伏阵列的参考电压设为CVT启动电压Upv_ref，此时，PI控制器a将不起作用，利用Ziegler-Nichols方法调整PI控制器b的比例、积分系数，直到获得满意的输出；然后使能扰动观察算法模块，并用同样的方法调整PI控制器a的比例、积分系数，最终使整个控制系统获得良好的输出性能。
[0018] 有益效果：本发明提出的高效自适应扰动观察法解决了传统扰动观察法步长大小难以权衡的问题，可以获得更优的性能、易于实现、成本适中，且其核心算法具有普遍适用性，不需要预置相关的定值。能够实现完全自适应扰动，跟踪速度快、稳态精度高，系统通用性强。
附图说明
[0019] 图1为基于高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法的控制结构框图；
[0020] 图2为长定步长（步长为0.2V）扰动观察法的动态跟踪过程波形图；
[0021] 图3为短定步长（步长为0.05V）扰动观察法的动态跟踪过程波形图；
[0022] 图4为本发明提出的高效自适应扰动观察法的动态跟踪过程波形图。
具体实施方式
[0023] 本发明的高效自适应扰动观察法的最大功率跟踪方法，其具体的实施步骤如下：
[0024] 1、首先测量光伏阵列的输出电压Upv(n)和输出电流Ipv(n)，符号中的n表示第n次的采样结果。
[0025] 2、然后通过一个低通滤波器滤波后的电压、电流信号计算出该次的光伏阵列输出功率Ppv(n)＝Upv(n)×Ipv(n)，根据功率信号之间的变化计算出自适应扰动值。利用此变化作为闭环控制系统的误差信号，控制该误差在稳态时尽可能小，同时避免系统在启动时发生超调，并消除稳态时的功率振荡。
[0026] 采取一个PI控制器a来实现上述控制，PI控制器a被用作光伏阵列参考电压所需要的自适应扰动值发生器，即通过连续的功率计算值之间的变化形成误差信号△Ppv(n)＝Ppv(n)-Ppv(n-1)，再经过该PI控制器产生自适应的扰动电压值
[0027] Kp1、Ki1分别为PI调节器a的比例和积分常数，△Ts为采样间隔。
[0028] 3、通过扰动观察法原理产生光伏阵列电压的参考值U*mppt(n)。由下述公式决定：
[0029]
[0030] 上式中，U*mppt(n)、U*mppt(n-1)为本次扰动控制的光伏阵列电压参考值与前次扰动控制的光伏阵列电压参考值； 为本次扰动控制的扰动值；△Ppv(n)为本次与前次光伏阵列输出功率的变化值；△Upv(n)为本次与前次光伏阵列输出电压的变化值。*
[0031] 4、光伏阵列的实际输出电压需要准确跟踪该参考电压Umppt(n)，可以通过另外一个PI控制器b实现，先计算光伏阵列电压参考值和实际值的误差信号epv(n)：再经过PI控制器b产生DC/DC变换器所需要的占空比信号d(n)：
d(n)＝d(n-1)+Kp2[epv(n)-epv(n-1)]+Ki2△Tsepv(n)，Kp2、Ki2分别为PI调节器b的比例和积分常数，△Ts为采样间隔。通过控制占空比d(n)而控制DC/DC变换器中开关管的通断时间。DC/DC变换器的占空比改变后，光伏阵列输出给DC/DC变换器的电压电流会发生相应的变化，从而改变了光伏阵列的输出功率和直流母线电容Cdc的电压，实现光伏阵列的最大功率点跟踪。
[0032] 5、DC/DC变换器与DC/AC逆变器之间由直流母线连接，通过直流母线电容实现功率由光伏阵列向电网或负载的传送。为保证系统的可靠运行，设定直流母线电压上限值Udc_max，当实际电压超过设定的上限值时，将两者之间幅值差经过一个比例环节输出一个反方向的调节量，调整DC/DC变换器的占空比，抑制直流母线电压过高，使系统持续稳定运行。
[0033] 6、所述的PI控制器a和b在实际调节过程中先将光伏阵列的参考电压设为CVT启动电压Upv_ref，此时，PI控制器a将不起作用，利用Ziegler-Nichols方法调整PI控制器b的比例、积分系数，直到获得满意的输出；然后使能扰动观察算法模块，并用同样的方法调整PI控制器a的比例、积分系数，最终使整个控制系统获得良好的输出性能。
[0034] 7、实际应用时的跟踪效果如图4所示；图2和图3分别为长步长和短步长时的传统定步长扰动观察法的动态跟踪效果，其中Upv、Ipv、Ppv分别为光伏阵列的输出电压、输出电流和输出功率。从图上可以看出，本发明提出的算法相比较定步长的扰动观察法而言，可以很好地提高功率跟踪的速度，同时降低跟踪过程中的功率振荡，极大地改善了光伏系统的输出性能。
[0035] 8、以上所述仅是本发明针对光伏系统的具体实施方式，应当指出：该方法也可以拓展到风力发电、燃料电池等其它需要最大功率跟踪技术的领域。
