全局扫描和准梯度式扰动观测法相结合的光伏组件MPPT方法技术

本发明专利技术公开了一种全局扫描和准梯度式扰动观测法相结合的光伏组件MPPT方法，首先，利用可编程直流电子负载初步定位光伏组件的全局最大功率点；其次，通过准梯度式扰动观测法实现光伏组件的最大功率输出；最后，针对环境突变情况，可采取定功率差切换扫描的控制策略。根据本发明专利技术建立上述光伏组件MPPT方法的实施例，仿真结果表明在任意工况下，该方法均具有较好的动态性能和稳态性能。

MPPT algorithm for photovoltaic module based on global scan and quasi gradient perturbation method

The invention discloses a global scan and quasi gradient based on disturbance observation method of the PV module MPPT algorithm, firstly, using the global maximum power point programmable DC electronic load location of PV modules; secondly, through the high power output quasi gradient perturbation and observation method to realize photovoltaic module; finally, according to the environmental catastrophe, the control strategy can adopt constant power differential scanning switch. According to the present invention, an example of the MPPT algorithm for PV module is established. The simulation results show that the proposed method has better dynamic performance and steady state performance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光伏组件的最大功率点算法，属于新能源发电领域。
技术介绍
日益凸显的能源危机和环境污染，使得各国都加大了可再生能源的实施与推广，其中，光伏发电技术以其独特的发电特性取得了广泛地发展与应用。实际应用中，光伏组件作为最小发电单元受光照强度、环境温度和外接负载的影响，其输出特性曲线呈现非线性。在光伏发电应用过程中，首要问题是提高光伏发电的效率，即如何使光伏发电系统在任意工况下都输出最大功率，因此迫切需要实现光伏组件的MPPT问题。根据光伏组件输出特性曲线峰值数目不同，将目前MPPT方法分为：单峰值MPPT法和多峰值MPPT法。在传统单峰值MPPT法中，基于采样数据的直接控制法目标明确、易于实现，已得到广泛应用，如恒定电压法、扰动观测法、电导增量法以及开路电压/短路电流系数法等。实际中，由于外界环境复杂多变，因受到周围建筑物、树木以及乌云等产生局部阴影的影响，光伏组件输出呈现多峰值特性，传统单峰值MPPT法易失效；因此研究适用于局部阴影条件下光伏组件多峰值MPPT法，如粒子群优化算法、模糊免疫控制算法、两步法和Fibonacci序列搜索算法等。多峰值MPPT算法可避免陷入局部MPP，当外界工况发生突变或存在阴影遮挡时，能快速将系统工作点调整至新MPP处；然而上述方法设计过程较为复杂，硬件实现相对困难。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是建立一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的MPPT算法，能够使光伏组件在任意工况下均能输出最大功率。为实现上述技术目的，本专利技术提供的技术方案为：一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法相结合的MPPT算法，包括如下步骤：步骤10：利用可编程直流电子负载定位光伏组件的全局最大功率点；步骤20：通过准梯度式扰动观测法实现光伏组件的最大功率输出，所述准梯度式扰动观测法过程如下：首先，依据步骤10定位的全局最大功率点调节光伏组件的输出值，将光伏组件调节后当下工作点的电压和电流分别记为V-2和I-2，之后进行扰动观测，每扰动一次采集一次当下工作点的电压和电流，将后续工作点的电压和电流值依次记为V-1和I-1，V0和I0，……,Vn和In，n为自然数；先进行定步长扰动，k为-1时的工作点是以k为-2时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，k为0的工作点是以k为-1时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，α为常数，恒正；之后开始进行变步长扰动，设扰动电压步长ΔV为αgk，即k值≥0后，Vk+1＝Vk+αgk(1)gk为准梯度值，其计算公式为：gk=ΔPkΔPk-1=VkIk-Vk-1Ik-1Vk-1Ik-1-Vk-2Ik-2---(2)]]>Vk为当前工作点电压，Vk+1为下一工作点电压,Vk-1为上个工作点的电压，Vk-2为上上个工作点的电压，ΔPk为当前工作点与上个工作点的功率差，ΔPk＝1为上个工作点与上上个工作点的功率差；参考公式(1)计算出的Vk+1设定下一工作点，实施扰动，调整光伏组件的输出，并采集光伏电阻在最后两个工作点输出功率的变化，当功率差为0或小于预设额度值时，最后一个工作点即视为光伏组件的最优MPP，若功率差不为0或大于预设额度值时，将最后一个工作点转换为当前工作点带入公式(1)、公式(2)设定接下来的工作点，继续实施扰动，直至找到最优MPP或因其它预设条件终止进程。在上述方案的基础上，进一步改进或优选的技术方案还包括：所述步骤10中全局最大功率点的获取过程如下：将可编程直流电子负载作为光伏组件的负载，可编程电子负载的等效阻值受控制电路输出信号的控制，该等效阻值变化范围由零逐步变化到无穷大，光伏组件工作点也由短路点逐步变化到开路点，在此过程中，对光伏组件的连续工作点上输出电压、电流进行采样，便得到光伏组件在当前工况下的I-V特性曲线，进而获得光伏组件的全局最大功率点。本专利技术MPPT算法还包括：步骤30：针对环境突变情况，采取定功率差切换扫描的控制策略，其过程如下：当检测到光伏组件的输出功率变化值超过设定阈值时，即工况变化超过阈值时，即重启扫描电路，重复步骤10、步骤20。有益效果：本专利技术建立了一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法相结合的光伏组件MPPT算法，与现有技术相比，能够更好的实现光伏组件的最大功率输出，且能够应对环境工况发生突变的情况。附图说明图1：为本专利技术基于Boost电路的光伏发电系统及光伏组件I-V特性曲线扫描电路构成的MPPT控制系统的结构原理图；图2：为本专利技术的基于可编程直流电子负载的MPP定位流程图；图3：为本专利技术的光伏组件MPPT控制流程图；图4：为本专利技术的单峰值下光伏组件全局MPPT仿真波形图；图5：为本专利技术的双峰值下光伏组件全局MPPT仿真波形图；图6：为本专利技术的多峰值下光伏组件全局MPPT仿真波形图；图7：为本专利技术的不同切换扫描控制下光伏组件MPPT仿真波形图。具体实施方式为了进一步阐明本专利技术的技术方案，下面结合附图与实施例，对本专利技术进行详细说明。以基于Boost电路的光伏发电系统为例，其结构如图1所示，电容C1及电感L、电容C2、开关S3等后续部分构成Boost电路。主电路中S1和S2为测量控制开关，通过控制S1和S2的通断，使MPPT控制系统运行在不同的工作状态下。本实施例MPPT控制系统工作原理如下：控制电路发出指令信号驱动开关S1断开、开关S2闭合，将光伏组件与Boost电路及负载R1分离，后级电路通过电容C1和电感L中储存的能量继续向负载R1供电，此时MPPT控制系统工作在对光伏组件I-V曲线的扫描过程中，利用设有可编程直流电子负载的扫描电路对光伏组件的输出进行全局扫描。扫描时间由采样点个数决定，采样点越多，扫描时间越长；在扫描过程中，控制电路根据实时采样电压、电流值计算功率P，以实现对MPP定位，其具体过程如图2所示。本实施例中可编程直流电子负载选用MOSFET，为使光伏组件I-V特性曲线中恒流源区扫描更加准确，常采取多个MOSFET并联，以减小其完全导通时的等效电阻。通过对MOSFET驱动电压的控制即可实现对直流电子负载的控制，基于可编程直流电子负载对I-V特性曲线进行扫描可实现扫描过程可控化，为硬件电路实现简单化，对于整条光伏组件I-V特性曲线由短路电流点开始，本专利技术设定电子负载处于恒压工作模式，以固定步长控制光伏组件输出电压，并同步采样组件输出电流和电压，直至光伏组件处于开路状态，完成整条I-V特性曲线扫描。当可编程直流电子负载对光伏组件I-V特性曲线扫描结束，根据实时检测出的P值，完成MPP初步定位，给出该曲线上的全局MPP对应的Vm后，控制电路则根据定位结果来设定参考值调节Boost电路开关S3的占空比。基于此，上述MPPT调节过程详细如下：关断开关S1、闭合开关S2，控制电路进行光伏组件I-V特性曲线扫描；闭合开关S1、关断开关S2，结合常规MPPT算法控制开关S3的占空比，使光伏组件输出为曲线扫描电路所定位的输出值，控制其稳定在MPP附近，至此完成一次MPPT动态调节过程。考虑到可编程直流电子负载定位电路及扫描步长过大引起的误差，可视该扫描电路定位的最大功率点Pm在实际最大功率点的较小邻域内，进而需要与扰动观测法相结合，在Pm邻域内找到最终MPP(实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件MPPT算法，其特征在于，包括：步骤10：利用可编程直流电子负载定位光伏组件的全局最大功率点；步骤20：通过准梯度式扰动观测法实现光伏组件的最大功率输出，所述准梯度式扰动观测法过程如下：首先，依据步骤10定位的全局最大功率点调节光伏组件的输出值，将光伏组件调节后当下工作点的电压和电流记为V‑2和I‑2，之后进行扰动观测，每扰动一次采集一次当下工作点的电压和电流,将后续采集工作点的电压和电流值依次记为V‑1和I‑1，V0和I0，……,Vn和In，n为自然数；设Vk和Ik为当前工作点的电压和电流；先进行定步长扰动，k为‑1时的工作点是以k为‑2时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，k为0的工作点是以k为‑1时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，α为常数，恒正；之后开始进行变步长扰动，设扰动电压步长ΔV为αgk，即k值≥0后，Vk+1＝Vk+αgk    (1)gk为准梯度值，其计算公式为：gk=ΔPkΔPk-1=VkIk-Vk-1Ik-1Vk-1Ik-1-Vk-2Ik-2---(2)]]>上式中，Vk为当前工作点电压，Vk+1为下一工作点电压,Vk‑1为上个工作点的电压，Vk‑2为上上个工作点的电压，ΔPk为当前工作点与上个工作点的功率差，ΔPk＝1为上个工作点与上上个工作点的功率差；参考公式(1)计算出的Vk+1设定下一工作点，实施扰动，调整光伏组件的输出，并采集光伏电阻最后两个工作点输出功率的变化，当功率差为0或小于预设额度值时，最后一个工作点即视为光伏组件的最优MPP，若功率差不为0或大于预设额度值时，将最后一个工作点转换为当前工作点带入公式(1)、公式(2)设定接下来的工作点，继续实施扰动，直至找到最优MPP或因其它预设条件终止进程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于全局扫描和准梯度式扰动观测法的光伏组件MPPT算法，其特征在于，包括：步骤10：利用可编程直流电子负载定位光伏组件的全局最大功率点；步骤20：通过准梯度式扰动观测法实现光伏组件的最大功率输出，所述准梯度式扰动观测法过程如下：首先，依据步骤10定位的全局最大功率点调节光伏组件的输出值，将光伏组件调节后当下工作点的电压和电流记为V-2和I-2，之后进行扰动观测，每扰动一次采集一次当下工作点的电压和电流,将后续采集工作点的电压和电流值依次记为V-1和I-1，V0和I0，……,Vn和In，n为自然数；设Vk和Ik为当前工作点的电压和电流；先进行定步长扰动，k为-1时的工作点是以k为-2时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，k为0的工作点是以k为-1时的工作点为当前工作点按照设定的扰动电压步长α获得，α为常数，恒正；之后开始进行变步长扰动，设扰动电压步长ΔV为αgk，即k值≥0后，Vk+1＝Vk+αgk(1)gk为准梯度值，其计算公式为：gk=ΔPkΔPk-1=VkIk-Vk-1Ik-1Vk-1Ik-1-Vk-2Ik-2---(2)]]>上式中，Vk为当前工作点电压，Vk+1为下一工作点电压,Vk-1为上个工作点的电压，Vk-2为上上个工作点的电压，ΔPk为当前工作点与上个工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凌，戴锋，韩伟，王宏华，许焕清，翟学锋，张经炜，范立新，王成亮，
申请(专利权)人：江苏方天电力技术有限公司，河海大学，国网江苏省电力公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32