[發明專利]光伏陣列自適應步長擾動觀察法MPPT控制方法與系統

有效

• 申請號: 201510521985.7
• 申請日: 2015-08-24
• 公開（公告）號: CN105116958A
• 公開（公告）日: 2015-12-02
• 發明（設計）人: 黨選舉;劉政;楊陽;伍錫如;姜輝;張向文;李爽;楊青;葉懋;黃品高;王土央
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G05F1/67
• 分類號: G05F1/67
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 歐陽波

技術領域

本發明涉及光伏陣列系統的控制技術領域，具體為光伏陣列自適應步長擾動觀察法MPPT(MaximumPowerPointTracking)控制方法與系統，通過引入不完全微分的擾動觀察法，自適應調整步長，達到的有效控制跟蹤最大功率點。

背景技術

光伏發電產業作為解決人類日益凸顯的能源問題和環境問題的戰略產業正在飛速發展。但目前光伏陣列的光電轉換效率低，僅約18％，且其輸出功率不穩定，阻礙光伏產業的發展。

光伏電池陣列的電流-電壓(I-U)特性受光照強度S、電池溫度T及負載R的影響，具有很強的輸出非線性。

當光伏電池的外界環境和負載一定時，光伏電池輸出功率存在唯一最大功率點(MPP，MaximumPowerPoint，)。圖1所示是光伏電池陣列功率-電壓(P-U)特性曲線(圖1中的實線)及電流-電壓I-U特性曲線(圖1中的占劃線)。由圖1的光伏電池陣列的P-U輸出曲線特性可知：

光伏(PV，Photovoltaic)陣列輸出功率P_pv＝u_pvi_pvu_pv、i_pv分別為光伏陣列端電壓及其輸出電流。

1)在最大功率點MPP左側：

2)在最大功率點MPP右側：

3)在最大功率點MPP點上：

光伏陣列系統最大功率點跟蹤控制，即MPPT控制，的目的是控制光伏陣列的端電壓，使光伏陣列輸出功率始終跟蹤MPP、即保持與MPP的距離盡可能小。

光伏發電系統主要由光伏陣列PV、直流-直流(DC-DC)變換電路、MPPT控制器和負載或蓄電池R_L組成。

光伏發電系統的MPPT控制器監測光伏陣列PV的輸出電壓u_pv和電流i_pv，根據光伏陣列實時電壓和電流，產生對應的脈寬調制PWM信號，送入DC-DC變換電路中開關管(MOSFET或IGBT)控制端、調節開關管通斷的占空比，以調節光伏陣列等效負載阻抗與光伏陣列阻抗的匹配(相等)，實現光伏發電系統的最大功率輸出。

擾動觀察法(Perturb&Observemethod,P&O)控制實現簡單，是實際工程應用中實現最大功率點跟蹤(MPPT)控制的首選方法。

擾動觀察法每隔一定的時間，增加或減少擾動變量，即通過控制脈寬調信號PWM，增加或減少DC-DC變換電路中開關管的占空比，調節光伏陣列端電壓，觀察光伏陣列功率變化方向來判斷下一步控制信號的擾動方向，若輸出功率增加，則控制信號按前一周期的方向擾動；若輸出功率減少，則反方向擾動。

擾動觀察法跟蹤到的最大功率值會在最大功率點附近頻繁地擺動或振蕩。采用大步長跟蹤時，光伏陣列輸出功率在最大功率點附近的振蕩較大，會造成大量的能量損失；采用小步長跟蹤，則在外界環境變化時，MPPT控制系統不能以較快的速度跟蹤到新的最大功率點，也造成較大的功率損失。

當光伏陣列PV的k時刻輸出電壓u_pv(k)和電流i_pv(k)，功率P_PV(k)＝u_pv(k)×i_pv(k)，擾動觀察法根據對功率的理想微分、判斷ΔP_PV(k)的正負，再根據u_pv(k)相對前一時刻u_pv(k-1)增或減，決定下一時刻u_pv(k+1)＝u_pv(k)+Δu或者u_pv(k+1)＝u_pv(k)-Δu。由于外界環境(光照、溫度)的變化及采樣電壓、電流中測量干擾的影響，干擾造成對ΔP_pv＝0、ΔP_pv＞0及u_pv(k)-u_pv(k-1)＞0是否成立的判斷失誤，進而導致u_pv(k+1)＝u_pv(k)±△u的擾動失誤，即擾動觀察法跟蹤最大功率時出現誤判，將造成跟蹤最大功率點需要的時間加長。

擾動觀察法實現MPPT控制的過程中，擾動步長判斷失誤會影響DC-DC變換電路中開關管控制信號PWM占空比的調節，降低最大功率點的跟蹤精度。

發明內容