一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法

摘要

本发明提供了一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，属于光伏MPPT快速跟踪技术领域。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。本发明的控制方法能够根据控制器每个采样周期得到的采样电压与电流值分析控制器的工作状态，在光照强度变化时能预测对应光照强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。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏发电的技术领域，尤其涉及一种光伏MPPT快速跟踪的方法。

背景技术

能源是人类生产和赖以生存的重要物质基础，为了满足工业的发展，人们大量的开采煤、石油、天然气等化石燃料。由于这些化石能源的不可再生性，许多国家已经面临能源枯竭的问题，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。

光伏电池的发电效率受到了许多人为不可控的外界环境影响，光照强度、温度等，其中光照强度的变化对于电池的输出功率影响最大。除了人为不可控的环境因素外，光伏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。

目前MPPT算法有很多，传统算法有恒压开路法、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)，传统算法因为结构简单并且容易实现，所以被广泛的利用。P&O和INC算法均是通过控制变量(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

为了解决MPPT控制器容易造成误判的情况，同时获得更高的稳态精度与更快的响应速度，本文提出了一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法。该方法可以在环境发生变化时，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。

本发明提供一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，所述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，系统的外部负载值R

M(D)的表达式与MPPT控制系统中选择的DC-DC电路相关。

进一步的，对于光照强度的变化状态分析，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，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点与在MPP点上，三种状态。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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V

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V

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：

进一步的，对于光照强度变大时基准电压V

其中I

进一步的，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。

进一步的，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。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，能够根据控制器每个采样周期得到的采样电压与电流值分析控制器的工作状态，在光照强度变化时能预测对应光照强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。

此外，本发明的技术方案，采用了一种新的预测技术能够根据MPPT控制系统采样的电压与电流的变化进行分析，判断出外环境的变化情况与MPPT控制器在输出功率曲线上的工作情况。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

为了更清楚地说明本申请实施的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为本发明的基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法的流程图；

图2为MPPT控制系统组成原理图；

图3为光照强度缓慢变小时，传统P&O方法误判分析图；

图4为光照强度快速变大时，在P-V/V-I曲线上的控制示意图；

图5为光照强度快速变小时，在P-V/V-I曲线上的控制示意图；

图6为光照强度快速变化下，光伏电池输出功率曲线图；

图7为光照强度缓慢变化时，光伏电池输出功率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-图7，本发明提供一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，所述的控制系统包括光伏电池组、MPPT控制器、与负载连接的DC-DC电路以及负载组成。其特征在于：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R

其中M(D)的表达式与MPPT控制系统中选择的DC-DC电路有关，以BOOST电路为例M(D)＝1/(1-D)。通常情况下系统无法知道MPP点的电压V

进一步的，首先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，计算公式为：

其次再利用偏差系数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点与在MPP点上，三种状态。

进一步的，将工作点远离MPP点状态下的情况进行判断，将工作状态其分为五个模式：光照强度快速变大和变小；光照强度缓慢变大和变小；在同一输出特性曲线上。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。

进一步的，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，则说明光伏电池的输出功率减小；若大于0，则说明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，可以进一步判断是否满足ΔI＜0且ΔV＜0.06。满足则说明光照强度变小，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。

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。

进一步的，对于不同的光照强度变化，启动的不同预测模式，例如，在光照强度快速变大时，预测其MPP点的电压值V

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V

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：

进一步的，对于光照强度变大时基准电压V

其中I

进一步的，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稳定的靠近MPP点，提升MPPT控制器的稳态精度。

进一步的，偏差系数φ判断结果为在MPP点上或无限逼近MPP点时，可以将扰动步长变为0，减小电池输出功率的震荡。

具体的，本发明提供一种基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，因为MPPT控制系统的外部负载R

其中M(D)的表达式与MPPT控制系统中选择的DC-DC电路有关，在实际的工程应用中，使用的DC-DC电路不同M(D)的表达式也不同。以下为实际工程中使用较多的DC-DC电路M(D)的表达式概述：

以BOOST电路为例M(D)＝1/(1-D)。在光照强度一旦发生变化时，光伏电池的输出特性曲线将会发生改变，MPP点的电压V

基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：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)。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：

步骤S2：其中，所述步骤S1中计算得到的电压差和电流差值，可以计算出此时实际的工作点的偏差系数φ，其计算公式为：

φ能判断MPPT的工作情况，φ的值越大说明此时的工作点越偏离最大功率点MPP点，φ值越接近0说明此时的工作点越接近最大功率点MPP点。利用计算得到的φ值，对此时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。

其中，需要对φ设定取值范围。当Φ＞0.05时为情况(1)；0.05≥Φ≥0.02时为情况(2)；当Φ＜0.02时为情况(3)。

步骤S3：调整MPPT控制器输出占空比值来改变DC-DC电路的负载值，使光伏电池板的内阻R

R

由于MPPT控制器的数字信号采样频率时有限的，因此需要分析前后两次采样得到的电压和功率数值是否在同一输出特性曲线上。若是在不在同一输出特性曲线上说明外界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。

其中，当计算的φ判断为情况(1)时，即实际的工作点远离对应输出特性曲线的MPP点时，需要进一步的对光伏电池的外界变化状态进行分析。主要有五种：光照强度快速变大；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。

在光照强度变化的四种状态下，说明在MPPT控制器前后两次采样数据不在同一输出特性曲线上，将采用预测技术使MPPT控制器能够快速的响应，达到GMPP点。在光照强度不变时，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。

判断光伏电池的外界变化状态的步骤如下：

第一步：判断ΔP是否小于0。若小于0，则说明光伏电池的输出功率减小；若大于0，则说明光伏电池的输出功率增大；

第二步：当光伏电池的输出功率减小时，可以进一步判断是否满足ΔI＜0且ΔV＜0.06。满足则说明光照强度变小，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。

第三步：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。

当光照强度快速变大时，可以预测到其MPP点的电压值V

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：

其中，关于基准值V

其中I

当光照强度快速变小时，可以预测到其MPP点的电压值V

当光照强度缓慢变化时，可以让工作点一直保持在GMPP点。避免误判造成的能量损失。因此，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：

其中，当计算的φ判断为情况(2)时，说明此时实际的工作点靠近MPP点。那么此时可以将扰动步长减小使其稳定的靠近MPP点，提升MPPT控制器的控制精度。

其中，当计算的φ判断为情况(3)时，说明此时实际的工作点已经在MPP点或者无线逼近了MPP点，可以将扰动步长变为0，提升MPPT控制器的稳定性。

下面结合附图阐述，图2为MPPT控制系统组成原理图。光伏阵列的MPPT控制系统主要由光伏电池组、MPPT控制器、与负载连接的DC-DC电路以及负载组成。光伏电池的输出电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。

图3为光照强度缓慢变小时，传统P&O方法误判分析图。输出的特性曲线从G1变为G2再变为G3。假设变化开始前，光伏电池工作在M0点，随着光照强度变小后，输出特性曲线变为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。

图4为光照强度快速变大时，在P-V/V-I曲线上的控制示意图。假设在变化开始前光伏电池工作在M4点处，光照强度变大后输出特性曲线变为G5，工作点会沿着负载线Load3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V

图5为光照强度快速变小时，在P-V/V-I曲线上的控制示意图。假设在变化开始抢光伏电池工作点M6点处，光照强变小后输出特性曲线变为G4，工作点将会沿着负载线Load5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V

为比较传统的P&O控制方法与基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，在Simulink中建了光伏仿真模型，结合两个实验进行对比。设定环境温度保持25℃不变，实验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。

图6为光照强度快速变化下，光伏电池输出功率曲线图。设定在1.31s时光照强度从500w/m

图7为光照强度缓慢变化时，光伏电池输出功率曲线图。设定光照强度从3s时从1000w/m

本发明的基于预测技术的光伏变步长MPPT控制方法，能够根据控制器每个采样周期得到的采样电压与电流值分析控制器的工作状态，在光照强度变化时能预测对应光照强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。

此外，本发明的技术方案，采用了一种新的预测技术能够根据MPPT控制系统采样的电压与电流的变化进行分析，判断出外环境的变化情况与MPPT控制器在输出功率曲线上的工作情况。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。

上述实施仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施对本发明已进行了详细的说明。但本发明的保护范围并不局限于此，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。