一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法转让专利
申请号 : CN202110378626.6
文献号 : CN113093858B
文献日 : 2021-12-21
发明人 : 程若发 , 刘聘凭
申请人 : 南昌航空大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法,其特征在于:所述控制方法的控制系统包括光伏电池组、MPPT控制器、负载以及与所述负载连接的DC‑DC电路,在光伏电池输出功率达到最大时,MPPT控制系统的外部负载值Rload与光伏电池的内阻R内之间存在具体公式为:
M(D)的表达式与MPPT控制系统中选择的DC‑DC电路相关,电路为Buck,M(D)=D,电路为Boost,M(D)=1/(1‑D),电路为Buck‑Boost,M(D)=‑D/(1‑D),电路为Cuk,M(D)=‑D/(1‑D),电路为Sepic,M(D)=D/(1‑D);
对于光照强度的变化状态分析,将电流传感器和电压传感器的采样值输入到MPPT控制器中,计算出当前时刻与上一时刻的电压差:ΔV=V(K)‑V(K‑1);电流差ΔI=I(K)‑I(K‑
1);输出功率差:ΔP=P(K)‑P(K‑1),利用电流与电压传感器测量值计算MPPT控制系统的负载值Rload,其中D(K‑1)为上一周期MPPT控制器输出的占空比值,计算公式为:利用偏差系数φ分析光照强度的变化状态,系数φ值越大说明越偏离MPP点,φ的计算公式为:
对计算出的偏差系数φ值设定阈值,将不同取值范围的下的φ值分为:远离MPP点、靠近MPP点以及在MPP点或无线逼近了MPP点,三种状态,当Φ>0.05时为远离MPP点;0.05≥Φ≥0.02时为靠近MPP点;当Φ<0.02时为情况为在MPP点或无线逼近了MPP点;
根据MPPT控制器输出占空比值来确定DC‑DC电路的负载值,光伏电池板的内阻R内等于DC‑DC电路的负载值Rload;
对于不同状态下启动不同的预测模式,将工作点远离MPP点状态下的情况进行判断,将工作状态分为光照强度快速变大和变小、光照强度缓慢变大和变小,以及在同一输出特性曲线上五个模式,在光照强度变化时启动预测模式,在同一输出特性曲线上时使用大步长扰动;
对远离MPP点状态的情况进行模式分类,包含以下步骤:步骤S1:判断ΔP是否小于0,若小于0,光伏电池的输出功率减小,若大于0,光伏电池的输出功率增大;
步骤S2:当光伏电池的输出功率减小时,可判断是否满足ΔI<0且ΔV<0.06,满足则光照强度变小,MPPT控制器前后两次采样是在不同输出特性曲线上,若不满足则MPPT控制器前后两次采样在同一输出特性曲线上,当光伏电池的输出功率变大,可以进一步判断是否满足ΔI>0且ΔV>‑0.06,若满足,则光照强度变大,且MPPT控制器前后两次采样是在不同输出特性曲线上,若不满足,则光照强度不变MPPT控制器前后两次采样在同一输出特性曲线上;
步骤S3:当判断出MPPT控制器前后两次采样在同一输出特性曲线上时,可以将扰动步长增大,来提高MPPT控制器的响应速度,当判断光照强度变小时,则可以进一步判断是否满足ΔP<‑P(K)×6%,若满足则光照强度快速变小,否则光照强度缓慢变小,当光照强度变大时,可以进一步判断是否满足ΔP>P(K)×3%,若满足则光照强度快速变大,否则光照强缓慢变大;
对于不同的光照强度变化,启动的不同预测模式,在光照强度快速变大时,预测其MPP点的电压值Vm≈V(K‑1),其MPP点的电流值可以结合一个基准值电压VE进行估算,使得Im≈Ia,其Ia的计算可以表示为:
将预测MPP点的电压与电流值带入上诉占空比的计算公式即可快速的扰动到预测的GMPP点,其表达式为:
光照强度快速变小时,可以预测到其MPP点的电压值Vm≈V(K‑1),电流值Im≈Ib=I(K)×0.95,因此其占空比计算表达式为:当光照强度缓慢变化时,无论其光照强度变大或者变小,MPPT控制器输出占空比的计算公式的表达式均可表示为:
2
对于光照强度变大时基准电压VE的确定,确定光伏发电的工作区间为350w/m到1000w/
2 2
m之间,确定350w/m时MPP点的电流Im‑G,因此存在以下关系:2
其中Im‑ref和Vm‑ref为标准状况下(即1000w/m)MPP点的电流与电压;
偏差系数φ判断结果为靠近MPP点时,将扰动的步长减小使其靠近MPP点;
偏差系数φ判断结果为在MPP点上或逼近MPP点时,将扰动步长变为0。
说明书 :
一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法
技术领域
背景技术
源枯竭的问题,为了解决能源危机各国都在寻找可替代的能源。太阳能作为一种清洁能源,
相比于风能太阳能具有更加良好的稳定性、使用寿命、维护简单等优点在世界范围内得到
了广泛的使用。
电池板的输出特性曲线本身也是呈一种非线性的曲线,大大增加了其输出功率的控制难
度。为了充分利用有限环境下的太阳能,所以需要使用MPPT控制技术来实时的跟踪最大的
功率点使光伏电池尽可能多的输出更多的电能。
控制变量(工作电压或DC‑DC电路的占空比)进行扰动观察。传统的P&O和INC算法都是使用
固定步长进行扰动,由于步长设定值固定不变,所以跟踪的效果不佳。步长设置较大时,在
稳定状态下会发生较大的震荡;步长设置较小时,在环境发生变化时无法快速的扰动到最
大功率点。同时在云层移动遮挡阳光导致光照强度出现连续且缓慢的变化时,传统算法容
易出现连续误判的情况,此时也容易造成较大的能量损失。
发明内容
生变化时,预测对应光照强度下的MPP点的处电压与电流,不但可以快速的使系统的工作点
扰动到最大功率点附近,还可以结合一定的判定条件调节变化的步长,自动调整控制器的
扰动步长,大大的提高了稳态精度,具体的,能够在光照强度发生较大变化时能够获得更快
的响应速度与更高的稳态精度,同时在光照强度连续缓慢的发生变化时能够稳定的在预测
的GMPP点处工作,减小了误判造成的能量损失。
到最大时,系统的外部负载值Rload与光伏电池的内阻R内之间存在以下关系:
同一输出特性曲线上五个模式,在光照强度变化时启动预测模式,在同一输出特性曲线上
时使用大步长扰动。
控制器前后两次采样在同一输出特性曲线上,当光伏电池的输出功率变大,可以进一步判
断是否满足ΔI>0且ΔV>‑0.06,若满足,则光照强度变大,且MPPT控制器前后两次采样是
在不同输出特性曲线上,若不满足,则光照强度不变MPPT控制器前后两次采样在同一输出
特性曲线上。
否满足ΔP<‑P(K)×6%,若满足则光照强度快速变小,否则光照强度缓慢变小,当光照强
度变大时,可以进一步判断是否满足ΔP>P(K)×3%,若满足则光照强度快速变大,否则光
照强缓慢变大。
算,使得Im≈Ia,其Ia的计算可以表示为:
350w/m到1000w/m之间,确定350w/m时MPP点的电流Im‑G,因此存在以下关系:
度下电池的输出特性曲线上最大功率点(MPP点)的电压与电流值,从而计算出最佳的输出
占空比,使系统快速的达到最佳的功率点(GMPP点),再从GMPP点结合变步长快速且稳定的
跟踪到MPP点,此方法不但可以解决MPPT控制器在光照强度变化时容易产生误判的问题,同
时可以兼顾MPPT控制器的响应速度与稳态精度。
的工作情况。在光照强度发生变化时能够在保证较高的跟踪精度的情况下提高跟踪速度。
不但减小了稳定状态下时的功率震荡造成的能量损失,同时也减小了光照强度变化时造成
的能量损失。
附图说明
具体实施方式
在于:由MPPT控制的基本原理可知,在光伏电池输出功率达到最大时,系统的外部负载值
Rload与光伏电池的内阻R内之间存在以下关系:
应光照强度下输出特性曲线上MPP点的电压Vm与电流Im即可直接输出最佳的占空比值。本方
法能够利用将电流和电压传感器的采样数值进行计算分析,在光照强度发生变化时能够根
据不同的变化状态启动不同的预测模式,能够快速的扰动到预测的近似的MPP点(表示为
GMPP点)。在光照强度不在变化时将会启动变步长的P&O算法向对应输出特性曲线上的MPP
点扰动,直到满足设定的最小偏差阈值时使控制系统达到稳定状态。
强度变化时启动预测模式,在同一输出特性曲线上时使用大步长扰动。
满足则说明MPPT控制器前后两次采样在同一输出特性曲线上。当光伏电池的输出功率变
大,可以进一步判断是否满足:ΔI>0且ΔV>‑0.06。若满足,则说明光照强度变大,且MPPT
控制器前后两次采样是在不同输出特性曲线上;若不满足,则说明光照强度不变MPPT控制
器前后两次采样在同一输出特性曲线上。
否满足ΔP<‑P(K)×6%,若满足则说明光照强度快速变小,否则说明光照强度缓慢变小;
当光照强度变大时,可以进一步判断是否满足ΔP>P(K)×3%,若满足则说明光照强度快
速变大,否则说明光照强缓慢变大。
进行估算,使得Im≈Ia,其Ia的计算可以表示为:
发电的大致工作区间,通常在350w/m到1000w/m之间。记录下350w/m时MPP点的电流Im‑G,
因此存在以下关系:
(D)的表达式概述:
对应的输出特性曲线上MPP点电压Vm和电流Im,即可直接计算出MPPT控制器需要输出的最佳
占空比值,表达式为:
=P(K)‑P(K‑1)。再利用两种传感器采样得到的电压与电流计算出MPPT控制的负载值
Rload,其中D(K‑1)为上一周期MPPT控制器输出的占空比值,计算公式如下:
实际的工作点与对应输出特性曲线的MPP点的工作情况进行分类:(1)远离MPP点;(2)靠近
MPP点;(3)在MPP点或无线逼近了MPP点。
的光照强度发生了变化,若在同一输出特性曲线上则可以根据其偏离MPP点的程度来设定
MPPT控制器的扰动步长Step。
变大;光照强度缓慢连续变大;光照强度不变;光照强度快速变小;光照强度连续缓慢变小。
变时,说明MPPT控制器前后两次采样数据在同一输出特性曲线上,可以将扰动步长增大使
其快速的追踪到对应曲线的MPP点。提升MPPT控制器的响应速度。
满足则说明MPPT控制器前后两次采样在同一输出特性曲线上。当光伏电池的输出功率变
大,可以进一步判断是否满足:ΔI>0且ΔV>‑0.06。若满足,则说明光照强度变大,且MPPT
控制器前后两次采样是在不同输出特性曲线上;若不满足,则说明MPPT控制器前后两次采
样在同一输出特性曲线上。
否满足ΔP<‑P(K)×6%,若满足则说明光照强度快速变小,否则说明光照强度缓慢变小;
当光照强度变大时,可以进一步判断是否满足ΔP>P(K)×3%,若满足则说明光照强度快
速变大,否则说明光照强缓慢变大。
通常在350w/m到1000w/m之间。记录下350w/m2时MPP点的电流Im‑G。因此存在以下关系:
可表示为:
流与输出电压经过电压传感器与电流传感器测量,并且将其作为MPPT控制器的输入信号,
输出信号为调整DC‑DC电路的晶闸管通断的控制信号PWM的占空比值。通过改变占空比值的
输入即可使得光伏电池最大功率的输出电能,从而实现最大功率的控制。
变为G2,工作点变为M1,M1会向右侧M2点方向扰动,当未到M2光照强度就发生了变化,此时
工作点会沿着负载曲线Load2变为了M3。由M1变为M3的过程中:ΔP<0,ΔV>0。根据算法流
程,此时占空比将会增大而且由于步长固定,所以会回到Load1负载曲线,向左侧扰动。在光
照强度连续变小时容易在Load1负载曲线和Load2负载曲线上来回震荡,即DC‑DC电路上的
占空比来回震荡,将一直无法达到对应输出特性曲线上的MPP点。
变为M5。传统的P&O方法会沿输出特性曲线向右侧扰动一个周期后再逐渐向左侧的MPP点方
向扰动,不但造成了误判同时跟踪速度也较慢。本文提出的方法是预测其MPP点的电压与电
流值,使其快速的定位到MPP点的附近。电压值Vm近似为上一采样周期的电压值V(K‑1)=
VM4。电流值Im利用一个基准点VE预测近似MPP点的电流Ia。将预测的电压与电流值带入公式,
即可得到新的占空比值。将新的占空比值输入DC‑DC电路的晶闸管负载线将会变为Load4,
使工作点定位到GMPP点。结合不同的扰动步长,从GMPP点出发开始扰动将会大大减小扰动
时间。判断工作到MPP点时,传统的P&O方法会在MPP点来回震荡。而本文提出的方法在MPP点
上扰动步长将会变为0,提高稳态精度。
变为M7。传统的P&O算法将会沿着箭头方向,一步一步跟踪到MPP点,跟踪的速度较慢。本文
提出的方法能够预测对应输出特性曲线上MPP点的电压与电流值。电压值Vm近似为上一采
样周期的电压值V(K‑1)=VM6。电流值Im可以预测为IIb=I(K)×0.95。将预测的电压与电流
值带入公式,即可得到新的占空比值。将新的占空比值输入DC‑DC电路的晶闸管负载线变为
Load6,使工作点定位到GMPP点。结合不同的扰动步长,从GMPP点出发开始扰动将会大大减
小扰动时间。判断工作到MPP点时,传统的P&O方法会在MPP点来回震荡。而本文提出的方法
在MPP点处跟踪扰动步长将会变为0,提高跟踪精度。
一为在光照强度设定了快速变大和变小两次变化时,两种MPPT控制方法下光伏电池输出功
率的对比。实验二为在光照强度设定了缓慢变大和变小两次变化时,两种MPPT控制方法下
光伏电池输出功率的对比。
从500w/m变为1000w/m ,以及在2.82s时光照强度从1000w/m 变为500w/m。由该曲线图可
知在同样的环境下,基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法相比于传统的P&O控制方法,
能够更快的扰动到MPP点,减小了跟踪过程造成的能量损失。由局部放大图可知,基于预测
技术的光伏变步长MPPT控制方法相比于传统的P&O控制方法在稳定时的稳态精度更高,在
MPP点的震荡更小,因此随着发电时间变化能够发出更多的电能。
1000w/m 缓慢的变小,在8.5s时降为400w/m ;在10s时光照强度缓慢变大,在15.5s时升为
2
1000w/m 。由该曲线图可知在同样的外界环境下,基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方
法相比于传统的P&O控制方法,能够一直工作在预测的GMPP点,使光伏电池输出更多的功
率。大大减小由于控制系统误判造成的能量损失。
度下电池的输出特性曲线上最大功率点(MPP点)的电压与电流值,从而计算出最佳的输出
占空比,使系统快速的达到最佳的功率点(GMPP点),再从GMPP点结合变步长快速且稳定的
跟踪到MPP点,此方法不但可以解决MPPT控制器在光照强度变化时容易产生误判的问题,同
时可以兼顾MPPT控制器的响应速度与稳态精度。
的工作情况。在光照强度发生变化时能够在保证较高的跟踪精度的情况下提高跟踪速度。
不但减小了稳定状态下时的功率震荡造成的能量损失,同时也减小了光照强度变化时造成
的能量损失。
此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的
修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。