一种用于光伏阵列步长快速自适应的最大功率点跟踪方法

摘要

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于光伏阵列步长快速自适应的最大功率点跟踪方法，该方法不但设计思路简单易于实现，还能自动调整步长来跟踪光伏阵列的最大功率点。本方法提出自适应步长v采用对数运算形式，使v=|dP/dV|在最大功率点的邻域U(P

说明书

技术领域

本发明涉及光伏阵列最大功率点跟踪方法，尤其是涉及一种用于光伏阵列步 长快速自适应的最大功率点跟踪方法。

背景技术

最大功率点跟踪(MPPT)技术几乎是光伏系统中最重要的一部分。在恒定电 压法、扰动观察法（Perturb and Observe，简称P&O）、导纳增量法（Incremental Conductance，简称IncCond）等经典方法基础上，已提出了大量改进的MPPT方 法并加以应用。

恒定电压法的原理是忽略环境温度对系统的影响，将从生产商获得的最大功 率点输出对应的电压数据作为光伏阵列的输出电压。它操作简单易于实现，并且 因为控制电压一定，不会出现剧烈震荡，具有较好的稳定性。但是，以单晶硅光 伏阵列为例，当环境温度上升1℃，开路电压下降0.4%-0.5%，这样，大大影响 了恒定电压法的跟踪精度，难以进行准确的最大功率点跟踪，造成能量损失。

扰动观察法是通过比较本次光伏阵列的输出功率P_i+1与上次输出功率P_i来确 定增加或减少光伏阵列工作电压来实现最大功率点的跟踪，如图1；若 P_i+1-P_i>0，说明光伏阵列的工作状态位于上坡段，即最大功率点的左端，需 继续增大工作电压，从左边向最大功率点靠近；若P_i+1-P_i<0，减小工作电压， 从右边向最大功率点靠近；最终光伏阵列工作于最大功率点附近。导纳增量法是 通过比较光伏阵列的瞬时导纳与导纳变化量的方法来完成最大功率点的跟踪；达 到最大功率点的条件是：输出导纳变化量等于输出瞬时导纳的负值，即 dI/dU=-I/U。扰动观察法和导纳增量法的优点在于控制思路简单，实现较为 方便，可实现对最大功率点较为精准的跟踪。但是，在设定适当的步长v来跟踪 最大功率点时，虽然较大的步长v可提高系统对光照强度响应速度，但同时也会 加大在最大功率点附近的振荡幅度，从而影响跟踪精度。为了兼顾MPPT方法 的跟踪速度和跟踪精度，1998年A.al-amoudi等在“Optimal control of a grid-connected PV system for maximum power point tracking and unity power factor” (Seventh International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives, No.456)一文中提出了在到达最大功率点附近时，跟踪步长减半的思想。即在未 到达最大功率点时，P_i<P_i+1，每当P_i>P_i+1，那么，P_i为最大功率点，则步长 减半，在新的步长下继续判断P_i与P_i+1的关系。该方法中跟踪曲线表现为呈锯齿 状上升，最大功率点附近逐渐减小振荡幅度。所提出的变步长思想，弥补了传统 MPPT方法采用恒定大步长虽能快速到达最大功率点附近，但扰动幅度过大的不 足。但该方法依然存在初始步长大，最大功率点附近振荡时间长的缺点，并且这 段振荡是不可避免的，它仍不能完全解决最大功率点附近最大功率点跟踪速度与 精度的矛盾。

为克服上述问题，自适应步长法应运而生。导纳增量法是基于越接近最大功 率点导纳越小，最大功率点处|dP/dV|=0，来判断是否跟踪到最大功率点。因 此，Fang Luo等人在文献“A Variable Step Maximum Power Point Tracking Method Using Differential Equation Solution”（2nd IEEE Conference on Industrial Electronics andApplications,2007）中设自适应步长V=M*|dP/dV|，其中M表示 自适应步长修正常数。选取适当的M值，可保证在距离最大功率点较远的位置时， 自适应步长v较大；而在最大功率点附近时，自动减小步长v，以消除最大功率点 附近因大步长引起的振荡，提高了跟踪精度。但该自适应步长v受光伏特性曲线 P-V曲线斜率影响大，当P-V曲线斜率较大时，自适应步长v较大；当P-V曲 线斜率较小时，自适应步长v较小，这就限制了它的跟踪速度。2011年Qiang Mei 等在“A Novel Improved Variable Step-Size Incremental-Resistance MPPT Method for PV Systems”（IEEE Transactions on Industrial Electronics,58(6),2011）一文中 提出了自适应步长按$v=V_{\max }*\sin \theta =V_{\max }*\left|\mathrm{dP}\right|\mathrm{dV}|/\sqrt{1+{|\mathrm{dP}/\mathrm{dV}|}^2}$进行自适 应的方法，其中V_max为最大步长，θ为光伏特性曲线P-V曲线中斜率与V轴的夹 角。相比较v=M*|dP/dV|，该方法能够在P-V曲线斜率较小时，自适应步长v也 依然保持较大的步长，而在到达最大功率点的邻域U(P_max，ε)内，才开始减小步 长，从而在保证跟踪精度的同时，提高了跟踪速度。

那么，在最大功率点的邻域U(P_max，ε)内时，如何进一步迅速减小自适应步 长v，是进一步提高跟踪速度的关键。在保证跟踪精度的同时，进一步提高跟踪 速度就是本发明的重点。

发明内容

本发明所要解决的是光伏阵列中最大功率点的快速跟踪和高精度跟踪问题， 并提供一种用于光伏阵列步长快速自适应的最大功率点跟踪方法，本方法不但设 计思路简单易于实现，还能自动调整步长来跟踪光伏阵列的最大功率点。本方法 提出自适应步长v采用对数运算形式，使v=|dP/dV|在最大功率点的邻域 U(P_max，ε)外，保持较大、稳定的步长；在最大功率点的邻域U(P_max，ε)内，进 一步迅速减小自适应步长v，并保证最大功率点处步长v=0，使自适应步长v更 加灵敏，提高系统的跟踪速度和跟踪精度。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种用于光伏阵列步长快速 自适应的最大功率点跟踪方法，包含以下步骤：

①系统启动阶段采取恒定电压法，令初始电压V(0)迅速降为开路电压Vr的80％， 即V(0)=Vr*80％，同时根据初始电压V(0)=Vr*80％，对初始电流I(0)进 行采样；

②在系统启动阶段结束后，对光伏阵列输出电压和输出电流进行采样，V(k)表 示第k(k=1,2，...，K)次采样的输出电压，I(k)表示第k(k=1,2，...，K)次采样的 输出电流；

③分别计算第k次采样时的输出电压变化量dV=V(k)-V(k-1)；输出电流变 化量dI=I(k)-I(k-1)；功率变化量dP=I(k)*V(k)-I(k-1)*V(k-1)；

④对dV进行条件判断：

a)若满足dV≠0，则计算N=dP/dV，其中N表示光伏阵列P-V曲线斜率。

i.对N进行条件判断：

若满足N≥0，则计算自适应步长

v=M*Vr*log₂(|N|+1)/(log₂(|N|+1)+1)；

若满足N<0，则计算自适应步长

v=-M*Vr*log₂(|N|+1)/(log₂(|N|+1)+1)；

其中M表示自适应步长修正常数，M*Vr表示最大步长值。|·|表示求绝对 值操作；

ii修正并替代输出电压值V′(k)=V(k)+v；

iii.根据修正后的输出电压V′(k)，对输出电流进行重新采样由I′(k)替代 I(k)；

iv.当自适应步长v≠0时，返回步骤②；

当自适应步长v=0时可得到输出电压V′(k)和输出电流I′(k)，使得输出功 率P′(k)=I′(k)*V′(k)为最大功率点，实现最大功率点的跟踪；

b)若满足dV=0，则对dI进行条件判断：

若满足dI=0，则步长v=0，可得到输出电压V(k)和输出电流I(k)，使 得输出功率P(k)=I(k)*V(k)为最大功率点，实现最大功率点的跟踪；

若满足dI≠0，则返回步骤①；直到满足dI=0，则步长v=0，可得到 输出电压V(k)和输出电流I(k)，使得输出功率P(k)=I(k)*V(k)为最大功率 点，实现最大功率点的跟踪。

与现有技术相比，本发明的优点在于不但设计思路简单易于实现，还能自动 调整步长来跟踪光伏阵列的最大功率点，本方法提出自适应步长v采用对数运算 形式，使v=|dP/dV|在最大功率点的邻域U(P_max，ε)外，保持较大、稳定的步 长；在最大功率点的邻域U(P_max，ε)内，进一步迅速减小自适应步长v，并保证 最大功率点处步长v=0，使自适应步长v更加灵敏，提高系统的跟踪速度和跟踪 精度。

附图说明

图1为光伏特性曲线P-V曲线；

图2为本发明流程框图；

图3为matlab仿真自适应步长v=|dP/dV|、

$v=V_{\max }*\sin \theta =V_{\max }*|\mathrm{dp}/\mathrm{dV}|/\sqrt{1+{|\mathrm{dP}/\mathrm{dV}|}^2},$

v=M*Vr*log₂(|dP/dV|+1)/(log₂(|dP/dV|+1)+1) 时曲线；

图4为matlab仿真自适应步长v=|dP/dV|、

$v=V_{\max }*\sin \theta =V_{\max }*|\mathrm{dp}/\mathrm{dV}|/\sqrt{1+{|\mathrm{dP}/\mathrm{dV}|}^2},$

v=M*Vr*log₂(|dP/dV|+1)/(log₂(|dP/dV|+1)+1) 时最大功率点跟踪曲线。

具体实施方式

以下结合附图实例对本发明作进一步详细描述。

如图2所示，一种用于光伏阵列步长快速自适应的最大功率点跟踪方法，包 括以下步骤：

①系统启动阶段采取恒定电压法，令初始电压V(0)迅速降为开路电压Vr的80％， 即V(0)=Vr*80％，同时根据初始电压V(0)=Vr*80％，对初始电流I(0)进 行采样。例如，采用典型的太阳能电池板Solarex MSX60，开路电压 Vr=21.000V；那么，初始电压V(0)=Vr*80％=16.800V，初始电流 I(0)=3.5952A。

②在系统启动阶段结束后，对光伏阵列输出电压和输出电流进行采样，V(k)表 示第k(k=1,2……，K)次采样的输出电压，I(k)表示第k(k=1,2，...，K)次采样的 输出电流。根据以上步骤，第一次采样，即k=1；V(1)=16.633V， I(1)=3.6226A。

③分别计算第k次采样时的输出电压变化量dV=V(k)-V(k-1)、输出电流变 化量dI=I(k)-I(k-1)、功率变化量dP=I(k)*V(k)-I(k-1)*V(k-1)。 根据以上步骤，第一次采样时，即k=1；输出电压变化量dV=V(1)-V(0)= -0.167V、输出电流变化量dI=I(1)-I(0)=0.0274A、功率变化量 dP=I(1)*V(1)-I(0)*V(0)=-0.145W。

④对dV进行条件判断：

a)若满足dV≠0，则计算N=dP/dV，其中N表示光伏阵列P-V曲线斜率。

i.对N进行条件判断：

若满足N≥0，则计算自适应步长

v=M*Vr*log₂(|N|+1)/(log₂(|N|+1)+1)；

若满足N<0，则计算自适应步长

v=-M*Vr*log₂(|N|+1)/(log₂(|N|+1)+1)；

其中M表示自适应步长修正常数，M*Vr表示最大步长值。|·|表示求绝对 值操作；

ii修正并替代输出电压值V′(k)=V(k)+v；

iii.根据修正后的输出电压V′(k)，对输出电流进行重新采样由I′(k)替代 I(k)；

iv.当自适应步长v≠0时，返回步骤②；

当自适应步长v=0时可得到输出电压V′(k)和输出电流I′(k)，使得输出功 率P′(k)=I′(k)*V′(k)为最大功率点，实现最大功率点的跟踪；

b)若满足dV=0，则对dI进行条件判断：

若满足dI=0，则步长v=0，可得到输出电压V(k)和输出电流I(k)，使 得输出功率P(k)=I(k)*V(k)为最大功率点，实现最大功率点的跟踪；

若满足dI≠0，则返回步骤①；直到满足dI=0，则步长v=0，可得到 输出电压V(k)和输出电流I(k)，使得输出功率P(k)=I(k)*V(k)为最大功率 点，实现最大功率点的跟踪。

根据以上步骤，显然dV≠0，则计算N=dP/dV=0.871≥0，那么，自 适应步长v=M*Vr*log₂(|N|+1)/(log₂(|N|+1)+1)=0.100。修正并替 代输出电压值V′(1)=V(1)+0.100=16.733V，对输出电流进行重新采样由 I′(k)=3.6067A替代I(k)。显然，自适应步长v≠0时，则返回步骤②，直到 当自适应步长v=0时可得到输出电压V′(k)和输出电流I′(k)，使得输出功率 P′(k)=I′(k)*V′(k)为最大功率点，实现最大功率点的跟踪。

本发明的最大功率点跟踪(MPPT)方法的可行性和有效性可以通过以下仿真 结果进一步说明。

表1

表1为在相同测试平台（测试平台理论最大功率点功率60.472W，最大功率 点电压17.000V）下，不同MPPT方法的仿真数据。表1表明在相同的测试平台 下，本发明在跟踪速度和跟踪精度方面优于其他某些方法。采用本发明方法和 Fang Luo方法、Qiang Mei方法的自适应步长仿真曲线比较如图3所示，最大功 率点跟踪仿真曲线比较如图4所示。图3中将最大功率点邻域表示为 U(17.000，0.25000)。只分析光伏阵列P-V特性曲线上升阶段，比较三条曲线， 自适应步长v=|dP/dV|在距离最大功率点较远的位置(υ=14.000V)就开始减

小，相比v=log₂(|dP/dV|+1)/(log₂(|dP/dV|+1)+1)和 需要更久的时间达到最大功率点。在最大功率点 邻域U(17.000，0.25000)外，自适应步长 v=log₂(|dP/dV|+1)/(log₂(|dP/dV|+1)+1)同 一样，有较大、稳定的步长；而在最大功率点 邻域U(17.000，0.25000)内，自适应步长 log₂(|dP/dV|+1)/(log₂(|dP/dV|+1)+1)同$v=|\mathrm{dP}/\mathrm{dV}|/\sqrt{1+{|\mathrm{dP}/\mathrm{dV}|}^2}$相比， 能更加迅速的减小自适应步长v，并且最大功率点处步长v=0,得到较高的跟踪 速度和跟踪精度。图4表明在相同的测试平台下，本发明方法的跟踪速度优于其 他两种方法。表2为图4中三种MPPT方法在跟踪最大功率点时的跟踪数据。 从表2可见，Fang Luo方法需要7步来完成60.471W跟踪，Qiang Mei方法需 要6步完成60.472W的跟踪，而本方法仅需要5步完成60.472W的跟踪，表明 本方法的跟踪速度和跟踪精度优于其他两种方法。

表2