专利名称：基于最终功率回馈的三级分段温度自适应太阳能mppt方法
技术领域：
本发明涉及一种测试太阳能最大功率的跟踪法，具体涉及一种能根据环境温度变化而变化计算太阳能最大功率的方法。
背景技术：
进入新世纪以来，随着世界经济的不断发展，全球能源消耗迅速增长，对环境的污染也越来越严重，掀起了研究新能源的热潮。在各种新能源中，太阳能因具有可再生和无污染等优点，越来越受到人们的重视，而太阳能发电作为一种非常有效的利用方式，也得到了迅速的发展。但在开发利用太阳能的过程中，仍存在着成本高、转换效率低等问题。最大功率跟踪(Maximum Power Point Traeking简称MPPT)技术能够有效地提高太阳能的转换效 率，使太阳能电池组能更充分地利用太阳能，改善太阳能发电中转换效率低的问题。目前出现的太阳能MPPT跟踪方法有固定电压法、扰动观测法、增量导纳法、开路电压法、最优梯度法、滑模控制法、模糊控制法、电流单参量控制法等，其中最常用的是扰动观测法和增量导纳法。上述方法在单独使用时存在各种缺陷，如固定电压法和开路电压法不是真正的最大功率跟踪算法，只能工作在较大功率点上；扰动观测法是在最大功率点附近震荡运行，且在外界环境变化时可能出现跟踪错误的情况；增量导纳法要求测到的电流和电压变化量很小，需要精度很高的传感器，实现较困难；其它方法也存在计算量大、工作点不稳定等问题。之后，有人提出了根据上述算法衍生出来的组合算法，即在算法中综合使用了多种跟踪方法，以达到更好的跟踪效果。但上述算法在跟踪最大功率点时,都是以太阳能电池组的直接输出功率做为最大功率的判断依据，而太阳能发电系统存储到储能设备中的能量或传输到电网中的能量是经过DC/DC转换后输出的能量，二者之间还存在DC/DC电路转换效率的问题，而该效率在不同的输入输出电压和电流时是变化的，所以上述算法得到的最大功率点并不是系统最终利用的最大功率点。另外，现有算法虽然考虑到了温度的变化对最大功率点的影响，但都未对温度的变化范围进行细分，导致在每次跟踪最大功率点时都需要在大范围内搜索，跟踪效率较低，也不准确，还容易出错。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有太阳能跟踪方法准确度差、效率低，提供一种准确度好、效率好的基于最终功率回馈的三级分段温度自适应太阳能MPPT方法。本发明的技术方案是以下述方式实现的一种基于最终功率回馈的三级分段温度自适应太阳能MPPT方法，是按照下述步骤进行的
a、启动系统，初始化系统各项参数；
b、根据当前季节设置当前季节太阳能电池组最大功率点所在的太阳能电池组输出电压范围的绝对区间[vabl，vabj ；
C、在步骤b中的绝对区间内使用扰动观测法根据太阳能电池组的直接输出功率寻找太阳能电池组直接输出最大功率点对应的输出电压V1，若V1 > Vabr,则将Vafc做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的上限AU ;若V1 ( Vabr,则将V1做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的上限V&，并测得此时最终输出功率
Prlr
d、从步骤b中得到的绝对区间的最小值开始按步长逐点检测最终输出功率，直到该功率等于Pm为止，并记录此时的太阳能电池组的输出电压V2，若V2 < Vabl,则将Vabl做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的下限Vm ;若Vabl≤V2 < V&，则将V2做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的下限Vm ;若V2 ^ Vrlr,则将做为当前输出电压的最大功率点，此时最终输出功率记为Pmax,做为最大功率点功率，Vrlr记为最大功率点的太阳能电池组输出电压Vmax，转至步骤g ；
e、根据步骤c和步骤d中得到的Vm和V&确定当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间[Vril，VriJ ；
f、在相对区间[Vm，Vrlr]内采用扰动观测法寻找最终输出功率的最大功率点，记此时的最终输出功率为最大功率Pniax，此时太阳能电池组输出电压记为最大功率点的输出电压
V
max 9
g、启动定时器，定时时间为5至10分钟，定时时间到，检测环境温度，并更新至当前温 度和当前季节信息；
h、若当前季节变化，转至步骤b，若当前季节无变化，继续步骤I;
I、若当前温度变化，转至步骤c，确定新温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间[Vm，Vrlr]，若未变化，转至步骤f，继续在当前相对区间[Vrtl，Vrlr]内寻找最终输出功率的最大功率点。与现有技术相比，本发明具有下述优点1.根据发电系统在最终存储能量时的太阳能发电功率来寻找最大功率点，保证太阳能电池组能工作在真正意义上的最大功率点上，准确度高。2.基于太阳能电池组的输出特性，本发明在跟踪最大功率点时采用的三级分段太阳能跟踪法，使得系统在不同的季节、不同的温度条件下有更准确、更小的搜索范围，提高了跟踪的效率和准确度。
图I是本发明使用时系统硬件的原理框图。图2是相同温度T、不同光强S下太阳能电池的P-V特性曲线。图3是不同温度T、相同光强S下太阳能电池的P-V特性曲线。图4是Buck型DC/DC变换电路效率曲线。
具体实施例方式一种基于最终功率回馈的三级分段温度自适应太阳能MPPT方法，是按照下述步骤进行的
a、启动系统，初始化系统各项参数；b、根据当前季节设置当前季节太阳能电池组最大功率点所在的太阳能电池组输出电压范围的绝对区间[Vabl，VabJ,其中Vabl < Vafc,该范围和温度的变化有关系；
C、在步骤b中的绝对区间内使用扰动观测法根据直接输出功率寻找太阳能直接输出最大功率点对应的工作电压V1，若V1 > Vafc，则将Vafc做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的上限V& ;若V1 ( Vafc,则将V1做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的上限V&，并测得此时最终输出功率P&，Vrlr和温度有关；
d、从步骤b中得到的绝对区间的最小值开始按步长逐点检测最终输出功率，直到该功率等于Pm为止，并记录此时的太阳能电池组的输出电压v2，若V2 < Vabl,则将Vabl做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的下限Vm ;若Vabl彡V2 < 1&，将V2做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的下限Vm ;若V2S V&，则将V&做为当前输出电压的最大功率点，此时最终输出功率记为Pmax，做为最大功率点功率，记为最大功率点的太阳能电池组输出电压Vmax，转至步骤g ； e、根据步骤c和步骤d中得到的Vm和V&确定当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间[Vril，VriJ ；
f、在相对区间[Vm，Vrlr]内采用扰动观测法寻找最终输出功率的最大功率点，记此时的最终输出功率为最大功率Pniax，此时太阳能电池组输出电压记为最大功率点的输出电压
V
max 9
g、启动定时器，定时时间为5至10分钟，定时时间到，检测环境温度，并更新至当前温度和当前季节信息；
h、若当前季节变化，转至步骤b，若当前季节无变化，继续步骤I;
I、若当前温度变化，转至步骤c，确定新温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间[Vm，Vrlr]，若未变化，转至步骤f，继续在当前相对区间[Vrtl，Vrlr]内寻找最终输出功率的最大功率点。由图2和3可知，太阳能电池组的输出功率特性曲线在一定外部环境下具有抛物曲线的特征，存在唯一最大功率点且对应某一输出电压。Buck型DC/DC降压变换电路效率在输出电压一定时与输入电压成反比。如果太阳能电池输出电压在图I中的最大功率点处降低A V，将引起太阳能电池组直接输出的功率降低，Buck型DC/DC降压变换电路的效率提高，而太阳能最终输出功率等于直接输出功率和Buck电路效率的乘积，所以其大小变化则未可知。如果直接输出功率降低较少，Buck电路效率提高较大，则最终输出功率将会增大。所以图2和图3中的最大功率点并非系统的真正最大功率点，需要对最终功率进行判断才能找到真正的最大功率点。图2指出，在外部光强S变化时，太阳能的最大功率点处的输出电压变化不大；图3指出，在外部温度T变化时，太阳能的最大功率点处的输出电压变化较大。根据天气的变化规律可知，外部温度变化较慢，光强变化较快。因此，当瞬时天气在晴天、多云、阴天之间变化时，光强变化较大、温度变化不大，太阳能发电系统的最大功率点对应的太阳能电池组输出电压所在的区间变化较小，仍可在该区间内寻找最大功率点；当外部环境短期变化时，如早晨_>中午_>下午_>夜间，温度变化较大时，需重新寻找最大功率点对应的太阳能电池组输出电压所在的工作区间，再从新的工作区间中找到最大功率点，该区间下文称为相对区间；当外部环境长期变化时，如春_>夏_>秋_>冬变换季节时，环境温度的变化范围发生更大变化，各季节条件下包含的不同温度相同光强情况下的Z7-K曲线簇也发生较大偏移，最大功率点对应的太阳能电池组输出电压所在的工作区间也会发生较大偏移。如在I月份温度较低时选择的输出电压搜索区间要比7月份温度较高时选择的区间在图2中偏右，此搜索区间即为绝对区间。这种天气的瞬时变化、短期变化和长期变化就是本发明中提出的三级分段温度自适应的理论依据。如图I所示，本发明使用时采用Buck降压DC/DC变换电路，开关MOS管Q为调整Buck电路占空比的控制器件。MCU模块通过检测Buck电路输出端的电流和电压计算系统最终输出到负载的功率，再根据本发明中设计的三级分段温度自适应跟踪算法找到太阳能 电池组的最终最大输出功率。温度检测模块用于监测外部环境温度变化情况。本发明设计的最大功率跟踪电路中，采用的电子元器件少，若再采用低功耗类型的元器件，将会大大降低系统的功耗，进一步改善了太阳能发电中转换效率低的问题。本系统采用分离元件搭建了太阳能最大功率跟踪电路，相比专用芯片，成本也大大降低。
权利要求
1. 一种基于最终功率回馈的三级分段温度自适应太阳能MPPT方法，其特征在于是按照下述步骤进行的 a、启动系统，初始化系统各项参数； b、根据当前季节设置当前季节太阳能电池组最大功率点所在的太阳能电池组输出电压范围的绝对区间[Vabl，VabJ ； C、在步骤b中的绝对区间内使用扰动观测法根据太阳能电池组的直接输出功率寻找太阳能电池组直接输出最大功率点对应的输出电压V1，若V1 > Vabr,则将Vafc做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的上限AU ;若V1 ( Vabr,则将V1做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的上限V&，并测得此时最终输出功率Prlrd、从步骤b中得到的绝对区间的最小值开始按步长逐点检测最终输出功率，直到该功率等于Pm为止，并记录此时的太阳能电池组的输出电压V2，若V2 < Vabl,则将Vabl做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的下限Vm ;若Vabl彡V2 < V&，则将V2做为当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间的下限Vm ;若V2 ^ Vrlr,则将做为当前输出电压的最大功率点，此时最终输出功率记为Pmax,做为最大功率点功率，Vrlr记为最大功率点的太阳能电池组输出电压Vmax，转至步骤g ； e、根据步骤C和步骤d中得到的Vm和V&确定当前温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间[Vril，VriJ ； f、在相对区间[Vm，Vrlr]内采用扰动观测法寻找最终输出功率的最大功率点，记此时的最终输出功率为最大功率Pniax，此时太阳能电池组输出电压记为最大功率点的输出电压V ·max 9 g、启动定时器，定时时间为5至10分钟，定时时间到，检测环境温度，并更新至当前温度和当前季节信息； h、若当前季节变化，转至步骤b，若当前季节无变化，继续步骤I; I、若当前温度变化，转至步骤c，确定新温度下最大功率点所在的输出电压范围的相对区间[Vm，Vrlr]，若未变化，转至步骤f，继续在当前相对区间[Vrtl，Vrlr]内寻找最终输出功率的最大功率点。
全文摘要
本发明公开一种基于最终功率回馈的三级分段温度自适应太阳能MPPT方法，是按照下述步骤进行的a、初始化系统各项参数；b、设置绝对区间[Vabl,Vabr]；c、在[Vabl,Vabr]区间内使用扰动观测法需找Vrlr、Prlr；d、在[Vabl,Vabr]寻找Vrll；e、根据步骤c和步骤d中得到的Vrll和Vrlr确定[Vrll,Vrlr]；f、在[Vrll,Vrlr]内采用扰动观测法寻找最终Pmax、Vmax；g、启动定时器，定时时间为5至10分钟，检测环境温度，并更新至当前温度和当前季节信息；h、若当前季节变化，转至步骤b，若当前季节无变化，继续步骤I；I、若当前温度变化，转至步骤c。与现有技术相比，本发明准确度好、效率好。
文档编号G05F1/67GK102778915SQ20111044048
公开日2012年11月14日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者姚雷博, 张伟民, 张波, 王煜, 葛运旺, 董红政, 郭超 申请人:洛阳理工学院