一种新型变步长光伏最大功率跟踪系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光伏发电技术领域，特别是涉及一种大功率跟踪系统及方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是采用太阳电池将光能转换成电 能的发电方式，而且随着技术不断进步，光伏电池是最具发展前景的发电技术之一。太阳电 池的基本原理为半导体的光伏效应，即在太阳光照射下产生光电压现象。1954年美国贝尔 实验室首次发明了以PN结为基本结构的具有使用价值的晶体硅太阳电池，从此太阳能电池 首先在太空技术中得到广泛应用，现在开始逐步在地面得到推广应用。太阳能光伏发电由 于不受能源资源、原材料和应用环境的限制，具有最广阔的发展前景，是各国最着力发展的 可再生能源技术之一，是未来世界和电力的主要来源。
[0003] 在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受 使用环境如光照强度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在 不同且唯一的最大功率点(MaximumPowerPoint，MPP)上。为了尽可能地提高光伏发电的 能量转换效率，使光伏电池在应用环境不断变化的情况下，一直保持最大功率输出，光伏发 电系统MPPT(MaximumPowerPointTracking，最大功率跟踪)技术应运而生。通过最大功 率跟踪，可以实现光伏电池输出功率最大化，极大提高光伏电池的利用效率。因此，针对于 光伏最大功率跟踪控制技术的研究已成为光伏发电领域的热点之一。
[0004] 寻找一种新型最大功率跟踪系统及方法，使其同时满足最大功率点跟踪时的快速 性和准确性要求，并且满足光照或者温度条件剧烈变化时的跟踪要求，是现代光伏发展要 求对最大功率跟踪控制方法的要求。经对现有技术文献的检索发现，（一种新型的最大功率 跟踪算法及其硬件实现，中国专利号：CN201410504089.5)提出了一种最大功率跟踪方法， 它通过采样测量当前太阳能电池板开路电压和蓄电池电压，在不同的情况下输出不同曲 线，通过比较电流采样单元实时采样输出电流，获得太阳能电池板最大功率点，且不受光 照、温度、阴影遮挡等环境因素限制。但是采样过程复杂，不便于应用于各种环境中。为了提 尚最大功率跟踪方法进彳丁最大功率点跟踪时的快速性和准确性，本发明在传统定步长最大 功率跟踪方法的基础上提出了变步长最大功率跟踪方法。同时，我们引入了确保最大功率 跟踪方法收敛性的可变比例系数，能随着跟踪过程而改变，这个比例系数的选择确保了系 统能取得良好的动态响应和稳定性能。本发明能快速、准确地跟踪系统变化，快速到达新的 稳态工作点，具有较好动态响应特性。在光伏发电系统的设计中，具有重要的理论意义和实 用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对光伏发电系统，提出了一种基于电导增量法（Incremental Conductance，INC)的新型变步长最大功率跟踪系统及控制方法。
[0006] 本发明的最大功率跟踪系统由光伏阵列、检测装置、升压电路、DSP控制器、负载组 成，检测装置包括电流互感器和电压互感器。升压电路输入端与光伏阵列连接，输出端与负 载连接，检测装置装载在光伏阵列的输出端，将电流电压检测结果传递给DSP控制器，DSP控 制器根据检测结果和内置的最大功率跟踪控制算法，计算出占空比信号，控制升压电路的 工作，实现光伏系统最大功率跟踪控制。
[0007] 传统的INC方法通常采用一个固定的迭代步长来进行最大功率点跟踪。然而这种 定步长的电导增量法存在明显缺陷:若步长较小，会使光伏电池较长时间滞留在低功率输 出区域;若步长过大，又会加剧系统震荡。传统的INC方法只能兼顾二者要求，在动态响应性 能和最大功率跟踪稳态震荡中取得一个折中效果。为了提高电导增量法进行最大功率点跟 踪时的快速性和准确性，在INC方法的基础上提出了变步长的INC方法。
[0008] 变步长INC方法的基本思想：由光伏电池的P-V特性曲线特征可以看出：在整个电 压范围内功率曲线为一单峰函数，在最大功率点电压Umpp#dP/dU= 0,而在umpp两侧dP/dU均 不为0。如果采用变步长的电导增量法，则要求:在远离最大功率点区域，跟踪的步长适度变 大，以提尚最大功率跟踪速度;而在最大功率点附近区域，系统跟踪的步长适当变小，以提 高最大功率跟踪精度。显然，可以考虑将步长设计为dP/dU的函数，即令步长Δu=AXdP/ dU，通过设置合适的A，就可以实现基于变步长电导增量法的最大功率跟踪控制，式中U为电 压，P为功率。下面在传统的变步长INC方法的基础上，提出一种新型变步长INC方法。
[0009] 本发明所提出的最大功率跟踪方法是一种新型变步长INC方法。该改进后的最大 功率跟踪方法与传统变步长INC方法最主要的区别在于其提出了一种特殊的阈值函数(N)， 它是输出电压(V)和光伏阵列功率微分的绝对值（|dP/dI|)的乘积。
[0010] N=V*|dP/dV
[0011] 从光伏系统发电曲线图2可以看出，INC方法运行模式根据左分割点（LDP，Left DividedPoint)和右分割点（RDP，RightDividedPoint)而改变。如图1所示，该阈值函数 曲线的左分隔点对应于最大功率点左侧电压值(Vi)，右分割点对应于最大功率点右侧电压 值(V2)。当光伏阵列工作在LDP和RDP之间时，INC运行在变步长模式。否则，它工作在定步长 模式。这个过程可被表示为：
[0012]
[0013]其中，ΔΝ/ΔV为阈值函数的增量;P(k)为k时刻光伏输出功率值;N(k)为k时刻阈 值函数值。
[0014]传统的变步长INC方法采用固定的比例因子，易导致方法无法满足光照或者温度 条件剧烈变化时的跟踪要求。本发明提出新型变步长INC方法采用可变比例因子从而确定 可变步长的大小。
[0015] 由均值不等式
[0016]
[0018]
[0017] 可以推导出：
[0019]
[0020]
[0021] 由图2可知，光伏电池P-V特性曲线关于MPP点呈非对称，因此在MPP左右两侧可采 用不同跟踪步长。采用di和d2作为固定的步长大小，di适用于最大功率点左侧，d2适用于最 大功率点右侧，山和办是系统根据具体情况而定的固定值，可变步长大小由下述等式来确 定：
[0022]
[0023] 令ΔDmax=min{di，d2}，可得：AD(k)〈ΔDmax。
[0024] 变步长规则满足上式，因此该新型变步长INC方法能按照更新规则收敛，确保最大 功率跟踪方法的收敛性。新型变步长INC方法控制流程图如图3所示。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:在远离最大功率点区域，跟踪 的步长适度变大，以提高最大功率跟踪速度;而在最大功率点附近区域，系统跟踪的步长适 当变小，以提高最大功率跟踪精度。本发明能快速、准确地跟踪系统变化，快速到达新的稳 态工作点，具有较好动态响应特性。
【附图说明】
[0026] 图1是新型光伏最大功率跟踪系统框图。
[0027]图2是光伏系统P-V特性曲线以及阈值函数(C)曲线图。
[0028]图3是新型变步长INC方法控制流程图。
[0029] 图4是新型变步长INC方法的步长大小变化图。
[0030] 图5是光伏输出电压变化图。
[0031]图6是光伏输出功率变化图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细的说明，需指出的是，以下若有未 特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
[0033]图1是新型光伏最大功率跟踪系统框图，由光伏列阵、升压电路、DSP(digital signalprocessing)控制器、负载组成，该系统模型由光伏电池模型、升压电路模型、最大 功率跟踪控制模块组成。通过采样光伏电池输出电压、输出电流进入最大功率跟踪控制模 块，方法实现和脉宽调制，最大功率跟踪控制模块输出点空比信号，从而实现光伏系统最大 功率跟踪控制。
[0034] 图2是光伏系统P-V特性曲线以及阈值函数(C)曲线图，如图所示，INC算法运行模 式根据左分割点(LDP)和右分割点(RDP)而改变。该阈值函数曲线的左分隔点对应于最大功 率点左侧