单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法技术方案

一种光伏发电系统控制技术应用领域的单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法，首先从当前环境条件下光伏阵列输出功率－电压特性曲线的左侧，开始搜索该曲线左侧的局域最大功率点，通过光伏阵列输出功率对电压的微分ｋ和随ｋ的绝对值递增的系数Ｃ，来共同决定叠加在光伏阵列最大功率点参考电压Ｕｒｅｆ上的步长和方向，使Ｕｒｅｆ快速迭代收敛至此曲线左侧局部最大功率点所对应的参考电压，有效提高跟踪的速度和精度；然后，同理分别从该特性曲线的右侧或中部开始搜索曲线右侧或中部可能存在的局部最大功率点；最后，从所有搜索到的局部最大功率点中选取功率最大的点为所求最大功率点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于光伏发电系统控制技术应用领域。
技术介绍
对于光伏发电系统而言，最主要的问题是如何提高系统的发电效率。单级光伏系统由于只有一个能量变换环节，系统具有简单的结构，较高的效率和稳定性，已成为国内外的研究热点。一般，其控制系统采用多环控制，即首先由最大功率点跟踪MPPT环节给出光伏阵列最大功率点参考电压Uref，再通过由电压PI控制器和电流PI控制器所组成的双闭环控制系统控制光伏阵列输出电压Upv跟踪Uref。在整个光伏控制系统中，MPPT对于提高整个系统的发电效率具有重要的意义。但是，由于太阳光照强度的不确定性、光伏阵列温度的变化以及光伏阵列输出功率-电压特性曲线的非线性特征，使得光伏阵列最大功率点的快速准确跟踪成为一个非常复杂的问题。 由于光伏阵列均是由多个单体光伏电池及二极管串联或并联而成，当光伏阵列中各单体光伏电池所接收的太阳光照强度均等，即无阴影遮挡时，其输出功率-电压特性曲线呈单峰状，然而，在很多情况下，由于光伏组件表面存在不透明物体的遮挡或者由于多云天气等导致光伏阵列中部分单体光伏电池接收的光照强度异于其它电池，此种情况下，光伏阵列输出功率-电压特性曲线极有可能呈2峰形状或3峰形状。而目前的扰动观察法、电导增量法等都只会收敛到某个峰值，即局部最大功率点处，不能保证获得全局最大功率点，造成能量的浪费，同时，扰动观察法、电导增量法等都很难确保跟踪快速且跟踪精度高，进一步造成光伏阵列能量的损失。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种跟踪精度高、跟踪快速且阴影遮挡情况下更可能获得全局最大功率点的。该专利技术方法的特征在于首先从当前环境条件下光伏阵列输出功率-电压特性曲线的左侧，开始搜索该曲线左侧的局域最大功率点，通过光伏阵列输出功率对电压的微分k和随k的绝对值递增的系数C，来共同决定叠加在光伏阵列最大功率点参考电压Uref上的步长和方向，使Uref快速迭代收敛至此曲线左侧局部最大功率点所对应的参考电压，有效提高跟踪的速度和精度；然后，同理分别从该特性曲线的右侧或中部开始搜索曲线右侧或中部可能存在的局部最大功率点；最后，从所有搜索到的局部最大功率点中选取功率最大的点为所求最大功率点。 本专利技术是通过以下技术方案实现 1)检测光伏阵列输出电压Upv、电流Ipv； 2)设k为1、2或3，初始化k＝1，设置初始跟踪电压Uref(1)＝5％Uoc，其中Uoc为标准环境条件，即光照强度为1kW/m2和温度为25℃下光伏阵列开路电压； 3)设置i＝2，i为当前采样时刻，i为自然数且i≥2； 4)由式(1)求得当前采样时刻i及前一时刻i-1的光伏阵列输出功率Ppv(i)、Ppv(i-1)，由式(1)和(2)求得当前i时刻光伏阵列输出功率Ppv对电压Upv的微分k； Ppv(i)＝Upv(i)Ipv(i) (1) 5)由式(3)确定系数C； 6)按照式(4)计算当前i时刻的光伏阵列最大功率点参考电压Uref(i)； Uref(i)＝Uref(i-1)+C·k(i) (4) 7)如果满足条件(5)，则得到第k个局域最大值点(U(k)，P(k))，其中U(k)＝Uref(i)，P(k)＝Ppv(i)，继续执行下一步；否则，i＝i+1，回到步骤(3)； ΔP＝|Ppv(i)-Ppv(i-1)|≤1 (5) 8)如果k＝1，则k＝k+1，设置初始跟踪电压Uref(1)＝95％Uoc，回到步骤(3)； 9)如果k＝2，则继续判断是否同时满足式(6)和式(7)，若同时满足式(6)和(7)，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)，P(k-1))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤；若不同时满足式(6)和(7)，则设置初始跟踪电压Uref(1)＝(U(k)+U(k-1))/2，k＝k+1，回到步骤(3)； ΔP＝|P(k)-P(k-1)|≤1 (6) ΔU＝|U(k)-U(k-1)|≤1 (7) 10)如果k＝3，则找到最大功率点(U_final，P_final)，其中P_final＝max(P(k)、P(k-1)、P(k-2))，max为最大值比较函数，U_final＝P_final所对应电压值，结束所有步骤。 本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果 1)跟踪精度高。由于光伏阵列输出功率对电压的微分k即为光伏阵列输出功率-电压特性曲线(如图2所示)上某一点切线的斜率，而对于光伏阵列输出功率-电压特性曲线而言，在局部最大功率点处，即峰值点处，斜率为0，在该峰左侧，斜率大于0，在该峰右侧，斜率小于0，在该峰两侧离峰值点越远，斜率越大，离峰值点越近，斜率越小。因此，当光伏阵列最大功率点参考电压Uref离光伏阵列局部最大功率点，即峰值点，越近时，k自适应地变小，由式(3)知C也将变小，跟踪速度变慢，跟踪精度逐渐提高，当所搜索的最大功率点最终按照式(4)收敛至峰顶时，k＝0，则迭代步长C×k(i)＝0，由式(4)知Uref(i)与Uref(i-1)相等，即光伏阵列的工作点可以稳定在局域最大功率点处，没有振荡； 2)跟踪快速。由于光伏阵列输出功率对电压的微分k即为光伏阵列输出功率-电压特性曲线(如图2所示)上某一点切线的斜率，而对于光伏阵列输出功率-电压特性曲线而言，在局部最大功率点处，即峰值点处，斜率为0，在该峰左侧，斜率大于0，在该峰右侧，斜率小于0，在该峰两侧离峰值点越远，斜率越大，离峰值点越近斜率越小。因此，当光伏阵列最大功率点参考电压Uref离光伏阵列最大功率点越远时，k自适应地变大，由式(3)知C也将变大，式(4)中迭代步长C×k(i)变大，跟踪快速；另外，由于C为式(3)所示的随k的绝对值递增的简单分段函数，迭代步长C×k(i)不仅跟踪精度高、跟踪速度快，而且比模糊控制等复杂控制方法更加简单、实用； 3)阴影遮挡情况下更可能获得全局最大功率点。光伏阵列输出功率-电压特性曲线就像一座山，当光伏阵列各部分外部环境条件(如太阳光照强度、温度等)相同时，该山将只有一个峰，而当光伏阵列各部分外部环境条件(如太阳光照强度、温度等)不同时，该山将出现双峰、三峰两种模式。由于本专利技术方法首先从这座山的左侧5％Uoc处开始按式(4)上山迭代收敛至峰值点A，然后从这座山的右侧95％Uoc处开始按式(4)上山迭代收敛至峰值点B，如果判断峰值点A和B的横纵坐标，即光伏阵列输出电压、输出功率同时满足式(6)和(7)，则选取峰值点A和B中功率较大的一个为所求最大功率点；如果判断峰值点A和B的横纵坐标，即光伏阵列输出电压、输出功率不同时满足式(6)和(7)，则说明峰值点A和B不为同一个点，该座山至少存在2个峰，为搜索此山是否存在第3个峰，进一步寻求可能的更大功率点，则从当前已搜索的峰值点A和B的横坐标的均值，即该座山的中部继续按照式(4)向临近的峰值开始搜索，直至到达峰值点C，最后选取所搜索到的峰值点A、B和C中功率最大的一个点为所求最大功率点。 附图说明 图1为单级光伏系统的多峰最大功率跟踪控制方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单级光伏系统的最大功率跟踪控制方法，其特征在于按以下步骤对单级光伏系统进行最大功率跟踪控制：１）检测光伏阵列输出电压Ｕ↓［ｐｖ］、电流Ｉ↓［ｐｖ］；２）设ｋ为１、２或３，初始化ｋ＝１，设置初始跟踪电压Ｕ↓［ｒｅｆ］（１）＝５％Ｕ↓［ｏｃ］，其中Ｕ↓［ｏｃ］为标准环境条件，即光照强度为１ｋＷ／ｍ↑［２］和温度为２５℃下光伏阵列开路电压；３）设置ｉ＝２，ｉ为当前采样时刻，ｉ为自然数且ｉ≥２；４）由式（１）求得当前采样时刻ｉ及前一时刻ｉ－１的光伏阵列输出功率Ｐ↓［ｐｖ］（ｉ）、Ｐ↓［ｐｖ］（ｉ－１），由式（１）和（２）求得当前ｉ时刻光伏阵列输出功率Ｐ↓［ｐｖ］对电压Ｕ↓［ｐｖ］的微分ｋ；Ｐ↓［ｐｖ］（ｉ）＝Ｕ↓［ｐｖ］（ｉ）Ｉ↓［ｐｖ］（ｉ）（１）ｋ（ｉ）＝（Ｐ↓［ｐｖ］（ｉ）－Ｐ↓［ｐｖ］（ｉ－１））／（Ｕ↓［ｐｖ］（ｉ）－Ｕ↓［ｐｖ］（ｉ－１））（２）５）由式（３）确定系数Ｃ；＊＊＊（３）６）按照式（４）计算当前ｉ时刻的光伏阵列最大功率点参考电压Ｕ↓［ｒｅｆ］（ｉ）；Ｕ↓［ｒｅｆ］（ｉ）＝Ｕ↓［ｒｅｆ］（ｉ－１）＋Ｃ.ｋ（ｉ）（４）７）如果满足条件（５），则得到第ｋ个局域最大值点（Ｕ（ｋ），Ｐ（ｋ）），其中Ｕ（ｋ）＝Ｕ↓［ｒｅｆ］（ｉ），Ｐ（ｋ）＝Ｐ↓［ＰＶ］（ｉ），继续执行下一步；否则，ｉ＝ｉ＋１，回到步骤（３）；ΔＰ＝｜Ｐ↓［ｐｖ］（ｉ）－Ｐ↓［ｐｖ］（ｉ－１）｜≤１（５）８）如果ｋ＝１，则ｋ＝ｋ＋１，设置初始跟踪电压Ｕ↓［ｒｅｆ］（１）＝９５％Ｕ↓［ｏｃ］，回到步骤（３）；９）如果ｋ＝２，则继续判断是否同时满足式（６）和式（７），若同时满足式（６）和（７），则找到最大功率点（Ｕ＿ｆｉｎａｌ，Ｐ＿ｆｉｎａｌ），其中Ｐ＿ｆｉｎａｌ＝ｍａｘ（Ｐ（ｋ），Ｐ（ｋ－１）），ｍａｘ为最大值比较函数，Ｕ＿ｆｉｎａｌ＝Ｐ＿ｆｉｎａｌ所对应电压值，结束所有步骤；若不同时满足式（６）和（７），则设置初始跟踪电压Ｕ↓［ｒｅｆ］（１）＝（Ｕ（ｋ）＋Ｕ（ｋ－１））／２，ｋ＝ｋ＋１，回到步骤（３）；ΔＰ＝｜Ｐ（ｋ）－Ｐ（ｋ－１）｜≤１（６）ΔＵ＝｜Ｕ（ｋ）－Ｕ（ｋ－１）｜≤１（７）１０）如果ｋ＝３，则找到最大功率点（Ｕ＿ｆｉｎａｌ，Ｐ＿ｆｉｎａｌ），其中Ｐ＿ｆｉｎａｌ＝ｍａｘ（Ｐ（ｋ）、Ｐ（ｋ－１）、Ｐ（ｋ－２）），ｍａｘ为最大值比较函数，Ｕ＿ｆｉｎａｌ＝Ｐ＿ｆｉｎａｌ所对应电压值，结束所有步骤。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑飞，费树岷，周杏鹏，包金明，刘庆全，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]