具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率点跟踪方法

摘要

本发明公开了一种光伏系统最大功率点跟踪方法，包括：使用跟踪微分装置对现场采样的具有测量噪声扰动以及野值扰动的电流、电压以及功率数据进行跟踪与过滤，并同时获得电压、功率数据的微分信号；利用获得的功率、电压微分信号直接求取功率电压曲线的斜率值，利用功率电压曲线求取极大值的方法，采用上述过程获得的斜率值作为动态变步长的基准进行最大功率点的跟踪，同时，为避免功率电压曲线的斜率值在不同光照下的曲线差异过大，采用过滤后的电流进行动态变步长修正。采用本发明的技术方案，可以实现具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率点跟踪。

说明书

技术领域

本发明涉及控制系统技术领域，尤其涉及一种具有抗扰能力的动态变步长 光伏系统最大功率点跟踪的方法。

背景技术

在气候变化和能源短缺的背景下，太阳能发电越来越多地受到各国政府以 及企业的关注。光伏发电系统的产能效率与光伏阵列是否工作于最大功率点密 不可分，最大功率点跟踪算法的精度、速度、抗干扰度都会影响光伏发电系统 的运行状态。目前行业的最大功率点跟踪的方法大多为扰动观测法、电导增量 法以及在其基础之上的变步长方法，上述方法均面临着如何设计步长或者求取 变动步长的问题，尤其变动步长基本上都要用到功率、电压或者电流的微分值， 而微分值的获取在上述方法中大部分均采用有限差分方式，如果信号数据中包 含扰动量，这种方式就会要求信号的采样周期不能太小，否则就会由于信号采 样周期过小导致过度的读取信号值反而增大误差范围。但是在实际的工业环境 中，信号数据一定存在测量噪声扰动与野值扰动，而较大的信号采样周期反而 会丢失工业过程中的信号特征状态，从而会导致系统的精度降低。

发明内容

基于此，有必要针对上光伏系统最大功率点跟踪问题提出一种可以具有抗 扰能力的跟踪与过滤并能够同时获得相应的微分信号的方法，并由此获得动态 步长的计算，再引入扰动过滤后的电流值进行修正，从而实现具有抗扰能力的 动态变步长光伏系统最大功率点跟踪。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率点跟踪的方法，包括如 下步骤：

步骤S1、采用跟踪微分装置对现场采样的具有测量噪声扰动以及野值扰动 的电流、电压和功率数据进行跟踪与过滤，得到电压、功率数据的微分信号以 及滤波后电流的信号，其中，所述功率数据使用直接采集的电流、电压数据相 乘获得；

步骤S2、利用获得的功率、电压微分信号直接求取功率电压曲线的斜率值， 利用功率电压曲线求取极大值的方法，采用上述过程获得的斜率值作为动态变 步长的基准进行最大功率点的跟踪。

作为优选，步骤S2具体为：利用获得的功率微分信号DP、电压微分信号 DV直接求取功率电压曲线的斜率值DP/DV，利用功率电压曲线求取极大值的 方法进行最大功率点的跟踪，其为非线性曲线P＝F(V)的最大值Pmax，采用迭代 公式V(k+1)＝V(k)+N*(DP/DV)来获取，其中，N为迭代过程中的修正 因子，k为迭代次序，V(k)、V(k+1)为迭代过程中前后两次的电压，N*(DP/DV) 则为迭代过程中的动态步长。

作为优选，还包括：步骤S3、采用过滤后的电流进行动态变步长修正，以 实现避免功率电压曲线的斜率值在不同光照下的曲线差异过大，即：V(k+1) ＝V(k)+N*(DP/DV)/I(k)＝V(k)+N*(1+U(k)/I(k)*DI/DU)，其中， I(k)为滤波后的电流。

本发明能够具有抵抗在正常采样周期的信号数据中包含测量噪声扰动与野 值扰动对于最大功率点跟踪精度影响的能力，并可以根据所述方法获得的功率、 电压的微分信号实时计算最大功率跟踪过程中的动态步长，再引入针对扰动过 滤后的电流值进行修正，从而实现具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功 率点的跟踪。

附图说明

图1是本发明具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率点跟踪的方法 的结构示意图；

图2是本发明具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率点跟踪的方法 的计算流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供一种可以具有抗扰能力的跟踪与过滤并能 够同时获得相应的微分信号，由此获得动态步长的计算，再引入扰动过滤后的 电流值进行修正，从而实现具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率点跟 踪的方法，包括如下步骤：

步骤S1、采用跟踪微分装置对现场采样的具有测量噪声扰动以及野值扰动 的电流、电压和功率数据进行跟踪与过滤，得到电压、功率数据的微分信号以 及滤波后电流的信号，其中，所述功率数据使用直接采集的电流、电压数据相 乘获得；

步骤S2、利用获得的功率、电压微分信号直接求取功率电压曲线的斜率值， 利用功率电压曲线求取极大值的方法，采用上述过程获得的斜率值作为动态变 步长的基准进行最大功率点的跟踪。

作为优选，步骤S2具体为：利用获得的功率微分信号DP、电压微分信号 DV直接求取功率电压曲线的斜率值DP/DV，利用功率电压曲线求取极大值的 方法进行最大功率点的跟踪，其为非线性曲线P＝F(V)的最大值Pmax，采用迭代 公式V(k+1)＝V(k)+N*(DP/DV)来获取，其中，N为迭代过程中的修正 因子，k为迭代次序，V(k)、V(k+1)为迭代过程中前后两次的电压，N*(DP/DV) 则为迭代过程中的动态步长。

作为优选，还包括：步骤S3、采用过滤后的电流进行动态变步长修正，以 实现避免功率电压曲线的斜率值在不同光照下的曲线差异过大，即：V(k+1) ＝V(k)+N*(DP/DV)/I(k)＝V(k)+N*(1+U(k)/I(k)*DI/DU)，其中， I(k)为滤波后的电流。

在实际工业过程中，由于有测量噪声的存在，也会导(DP/DV)/I(k)偶 尔有数值上的较大变化，可对N*(DP/DV)/I(k)的绝对值进行限幅设置。

如图1所示为本发明具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率点跟踪 的方法的结构示意图。

其中：光伏阵列受到光照和温度的影响，会导致其输出的电流、电压发生 变化，从而导致光伏阵列的输出功率变化。但是其功率电压特性，存在某个电 压使得光伏阵列的输出功率最大，这也是光伏系统最大功率点跟踪的需求缘由。

根据图1所述，光伏阵列输出的电流I、电压V的数据采样均会受到测量噪 声干扰，从而导致由电流、电压计算获得的功率P也会受到干扰，为后面的最 大功率跟踪的精度以及抗干扰能力带来影响。本发明引入自抗扰控制算法中的 跟踪微分装置，该装置可以根据输入信号获取该信号的微分信号，并能够输出 该信号滤波后的跟踪信号，该装置的具体算法本发明不再累述，该算法共有速 度因子r、采样周期h、滤波因子h0需要设计整定，具体整定过程请参阅图2 的流程示意图描述。

根据图1所述，经过跟踪微分装置获得电压、功率的微分信号DV、DP以 及电流的过滤后信号I，将通过图2所示的流程示意图中的计算步骤进行计算， 最终获得最大功率点跟踪电压设定值，输出到控制器，从而对光伏阵列的电压 进行控制，实现光伏阵列的最大功率输出。

如图2所示，图2是本发明具有抗扰能力的动态变步长光伏系统最大功率 点跟踪的方法的流程示意图。具体包括如下步骤：

步骤201，算法开始执行。

步骤202，采样含有测量噪声扰动以及野值扰动的电流I(k)、电压V(k)， 计算功率P(k)。

其中，对于步骤202，P(k)＝I(k)*V(k)。

步骤203，利用跟踪微分装置，计算DP，计算DV，过滤I(k)，本发明直 接使用跟踪微分装置采用二阶微分方法获取DP与DV的值，可以有效的提高对 于信号数据中的扰动量的适应以及在有扰动量时放宽对信号数据的采样间隔的 限制。其中，跟踪微分装置的参数整定与光伏系统的动态特性相关，根据本发 明的仿真与实际验证，一般调节速度因子r在100～10000区间，装置的采样周期 h与光伏系统的采样周期一致，对于功率P、电压V的滤波因子h0可以与采样 周期h一致，对于电流I的滤波因子h0可以是采样周期h的2～5倍。

步骤204，从原理上当DV的值为0时，DP/DV为无穷大，不能参与计算。 同时，由于工业现场系统存在采样精度以及测量噪声的影响，DV一般不为0， 根据工业现场目前电压V的一般采样精度为0.025V，因此在步骤204设计比较 阈值为0.025(该值可以根据工业现场的情况进行调整)。

步骤205，当步骤204的比较结果为“是”时，从原理上需要进一步判断 DP的值是否为0。同时，由于工业现场系统存在测量噪声以及环境变化影响， 光伏系统只要在运行功率就会有波动，因此根据功率控制精度要求设计比较阈 值为0.05w(该值可以根据工业现场的情况进行调整)。

步骤206，当步骤205的比较结果为“是”时，即表明现场电压和功率都没 有变化，因此不需要改变最大功率点，即：V(k+1)＝V(k)。

步骤207，当步骤205的比较结果为“否”时，需要调整最大功率点的电压 V(k+1)＝V(k)±N(±取决于DP的符号)，N为调整的幅度，一般为光伏发 电装置开路电压的1/100～1/10左右。

步骤208，当步骤204的比较结果为“否”时，计算N*(DP/DV)/I(k)。

步骤209，进行N*(DP/DV)/I(k)绝对值<＝N的比较操作。

步骤210，当步骤209的比较结果为“否”时，需要调整最大功率点的电压 V(k+1)＝V(k)±N(±取决于DP/DV的符号)。

步骤211，当步骤209的比较结果为“是”时，需要调整最大功率点的电压 V(k+1)＝V(k)+N*(DP/DV)/I(k)。

步骤212，更新V(k+1)至控制器，光伏系统通过控制器控制系统的电压 输出，程序从光伏系统中进行下一次采样。

步骤213，本次程序循环结束。

在步骤208中，为避免功率电压曲线的斜率值在不同光照下的曲线差异过 大，采用过滤后的电流进行动态变步长修正，即：V(k+1)＝V(k)+N*(DP/DV) /I(k)。

在步骤209中，由于实际工业过程中有测量噪声的存在，会导致(DP/DV) /I(k)有数值上的较大变化，需要对N*(DP/DV)/I(k)的绝对值进行限幅设 置。而根据光伏功率曲线特性，(DP/DV)/I(k)在远离最大功率点的左侧区域 近似为取值为1的直线，因此限幅的数值可以设计为与步骤207的调整幅度相 同。

本实施方式所述方法，能够具有抵抗在正常采样间隔的信号数据中包含测 量噪声扰动与野值扰动对于最大功率点跟踪精度影响的能力，并可以根据所述 方法获得的功率、电压的微分信号实时计算最大功率跟踪过程中的动态步长， 再引入针对扰动过滤后的电流值进行修正，从而实现具有抗扰能力的动态变步 长光伏系统最大功率点的跟踪。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。