CN104571256B - 一种考虑光照变化的光伏电源极值搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统及方法，包括：光伏板、PWM信号发生器、PI调节器、传感器、自适应控制算子模块、电流扰动算子模块、变步长扰动算子模块；因此本发明将考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统，设置自适应控制算子模块、电流扰动算子模块和变步长扰动算子模块；实现了对经典电流量的观察扰动方法进行改进，增加了光伏电源电流扰动量变步长算子模块和光伏运行点自适应控制算子凝胶，实现了在不同光照条件下光伏电源快速、稳定的调整运行点，以追踪最大功率。本发明的结构简单，操作方便，较好地解决了传统的扰动观察法具有在最大功率点附近振荡的问题，影响系统稳定性的技术问题。

Description

一种考虑光照变化的光伏电源极值搜索方法

技术领域

本发明属于电力系统实时数字仿真试验、微电网技术领域，尤其涉及一种考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统及方法。

背景技术

目前，为了最大化利用太阳能，光伏发电系统一般要引入最大功率点追踪技术(MPPT)，使光伏阵列的输出功率最大化。光伏阵列可以看作是一组直流电源。由于太阳能电池具有非线性特点，在光照强度和环境温度变化时，其最大功率点会移动变化。所以，光伏阵列最大功率点的研究具有应用价值。传统基于电压量的扰动观察方法通过不断更改工作点并测量输出功率找到最大功率点是常用的MPPT算法。但是传统的扰动观察法具有在最大功率点附近振荡的问题，影响系统的稳定性。

发明内容

本发明为解决传统的扰动观察法具有在最大功率点附近振荡的问题，影响系统稳定性的技术问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统及方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本发明实施例的一种考虑光照变化的光伏电源极值搜索方法，该考虑光照变化的光伏电源极值搜索方法包括：

步骤一，首先初始化电流扰动量ΔI(k)，其中k为迭代次数，取ΔI(k)＝0.05Isc，Isc为光伏阵列短路电流；

步骤二，测量当前光伏阵列出口电压V_pv(k)、光伏阵列出口电流I_pv(k)和太阳光照强度S；

步骤三，计算当前光伏阵列输出功率P_pv(k)＝V_pv(k)×I_pv(k)；

步骤四，校验当前光伏阵列出口电流I_pv(k)是否满足运行条件约束，约束条件如下：2I_MPP-I_sc≤I_pv(k)≤I_sc，其中I_MPP为最大功率下的出口电流，如果约束条件满足，转步骤五进入电流扰动算子；如果约束条件不满足，转步骤八进入自适应控制算子；

步骤五，电流扰动算子，基于经典扰动观察法；最终得到参考电流I_ref＝I_pv(k)+sign(I_pv(k)-I_pv(k-1))*sign(P_pv(k)-P_pv(k-1))*ΔI(k)，同时更新P_pv(k-1)＝P_pv(k)、I_pv(k-1)＝I_pv(k)；

步骤六，变步长扰动算子实现动态调节扰动步长，实现在最大功率点附近减小扰动步长的效果，变步长调节量为其中令m₁+m₂＝1，根据实际工程中选择，使用m₁＝0.6，m₂＝0.4，另外M＝sign(P_pv(k)-P_pv(k-1))+sign(P_pv(k-1)-P_pv(k-2))；

步骤七，更新ΔI(k)＝ΔI_F，返回步骤二；

步骤八，自适应控制算子根据太阳光照强度的突变，参考短路电流法动态调节扰动步长，增大扰动步长快速逼近最大功率点，提高极值追踪效率，参考电流和自适应步长调节量分别具体计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ref}}=\frac{(1+k_{\mathrm{sc}})I_{\mathrm{sc}}(S_{\mathrm{nom}},T_{\mathrm{nom}})K_A}{{2S}_{\mathrm{nom}}}S\\ \mathrm{\Δ}{I}_C=\frac{(1-k_{\mathrm{sc}})I_{\mathrm{sc}}(S_{\mathrm{nom}},T_{\mathrm{nom}})K_A}{{\mathrm{NS}}_{\mathrm{nom}}}S\end{array}\right.,$

其中S_nom,T_nom,I_sc(S_nom,T_nom)分别为标准测试条件下的光照强度、温度以及由所确定的光伏板短路电流函数，K_A为光伏板老化寿命修正系数，取经验值0.55，k_sc为光伏电源极值追踪短路电流法比例 系数，取0.78～0.92，平均值0.85，S 为当前太阳光照强度，N为光伏阵列中光伏板数量；

步骤九，更新P_pv(k-1)＝P_pv(k)、I_pv(k-1)＝I_pv(k)、I_pv(k)＝I_ref、ΔI(k)＝ΔI_C，返回步骤二；

步骤十，当ΔP_pv＝0时，则当前光伏阵列运行在新的最大功率点上，计算流程结束。

本发明的另一目的在于提供一种考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统，该考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统包括：光伏板、PWM信号发生器、PI调节器、传感器、自适应控制算子模块、电流扰动算子模块、变步长扰动算子模块；

用于太阳光能采集的光伏板；

与光伏板连接的PWM信号发生器，通过调整脉冲占空比来调节光伏板输出的电压电流信号；

与PWM信号发生器连的PI调节器，即比例积分调节器，其作用是减小整个控制系统的稳态误差；

与自适应控制算子模块5和电流扰动算子模块连接，用于输入太阳光照强度、光伏阵列出口电压和光伏阵列出口电流的传感器；

与PI调节器连接的自适应控制算子模块，可以根据太阳光照强度的突变，参考短路电流法动态调节扰动步长，实现了在外界环境变化的情况下，增大扰动步长快速逼近最大功率点，提高极值追踪效率；

用于对当前运行电流施加扰动量从而寻找电流变化方向的电流扰动算子模块；

与电流扰动算子模块和PI调节器连接的变步长扰动算子模块，实现了动态调节电流扰动步长，实现了在最大功率点附近减小扰动步长的效果，从而抑制了最大功率点附近振荡现象。

本发明还可以采用如下技术措施：

在本发明的实施例中，光伏板还设置有电感、电容、电阻、开关和晶闸管。

进一步，设置有三个传感器。

本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明将考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统，设置自适应控制算子模块、电流扰动算子模块和变步长扰动算子模块；实现了对经典电流量的观察扰动方法进行改进，增加了光伏电源电流扰动量变步长算子模块和光伏运行点自适应控制算子模块，实现了在不同光照条件下光伏电源快速、稳定的调整运行点，以追踪最大功率。本发明的结构简单，操作方便，较好地解决了传统的扰动观察法具有在最大功率点附近振荡的问题，影响系统稳定性的技术问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的考虑光照变化的光伏电源极值搜索方法的工作流程图；

图3是本发明实施例提供的考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统与传统方法的对比波形示意图；

图中：1、光伏板；2、PWM信号发生器；3、PI调节器；4、传感器；5、自适应控制算子模块；6、电流扰动算子模块；7、变步长扰动算子模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

请参阅图1和图2：

如图1所示，本发明实施例的考虑光照变化的光伏电源极值搜索系统主要 由：光伏板1、PWM信号发生器2、PI调节器3、传感器4、自适应控制算子模块5、电流扰动算子模块6、变步长扰动算子模块7组成；

用于太阳光能采集的光伏板1；

与光伏板1连接的PWM信号发生器2，通过调整脉冲占空比来调节光伏板输出的电压电流信号；

与PWM信号发生器2连的PI调节器3，即比例积分调节器，其作用是减小整个控制系统的稳态误差；

与自适应控制算子模块5和电流扰动算子模块6连接，用于输入太阳光照强度、光伏阵列出口电压和光伏阵列出口电流的传感器；

与PI调节器3连接的自适应控制算子模块5，可以根据太阳光照强度的突变，参考短路电流法动态调节扰动步长，实现了在外界环境变化的情况下，增大扰动步长快速逼近最大功率点，提高极值追踪效率；

用于对当前运行电流施加扰动量从而寻找电流变化方向的电流扰动算子模块6；

与电流扰动算子模块6和PI调节器3连接的变步长扰动算子模块7，实现了动态调节电流扰动步长，实现了在最大功率点附近减小扰动步长的效果，从而抑制了最大功率点附近振荡现象。

光伏板1还设置有电感、电容、电阻、开关和晶闸管；

设置有三个传感器；

本发明的工作原理：

图1给出本发明提出的考虑光照变化的光伏阵列极值搜索系统的原理图；其中太阳光照强度、光伏阵列出口电压v_pv、光伏阵列出口电流i_pv是本发明的测量量(输入量)，根据运行条件约束的判别，对上述输入信号通过电流扰动算子模块(CPA)、变步长扰动算子模块(VPA)和自适应控制算子模块(ACA)的计算得到参考信号，即电流I_ref，将其与光伏出口电流进行比较，将差值通过PI调节器进行调节，得到占空比信号d，再通过PWM信号发生器控制开关器 件的关断状态实现光伏阵列输出电压v_o的控制，使其运行在最大功率点。

图2给出本发明实现方法的流程图；具体步骤如下：

步骤一，首先初始化电流扰动量ΔI(k)，其中k为迭代次数。具体实现可取ΔI(k)＝0.05Isc，Isc为光伏阵列短路电流，该值可在光伏板铭牌上查到；

步骤二，测量当前光伏阵列出口电压V_pv(k)、光伏阵列出口电流I_pv(k)和太阳光照强度S；

步骤三，计算当前光伏阵列输出功率P_pv(k)＝V_pv(k)×I_pv(k)；

步骤四，校验当前光伏阵列出口电流I_pv(k)是否满足运行条件约束，约束条件如下：2I_MPP-I_sc≤I_pv(k)≤I_sc，其中I_MPP为光伏板铭牌上注明的最大功率下的出口电流。如果该约束条件满足，转步骤五进入电流扰动算子；如果该约束条件不满足，转步骤八进入自适应控制算子；

步骤五，电流扰动算子，基于经典扰动观察法，具体流程如图2虚线中显示；最终得到参考电流I_ref＝I_pv(k)+sign(I_pv(k)-I_pv(k-1))*sign(P_pv(k)-P_pv(k-1))*ΔI(k)，同时更新P_pv(k-1)＝P_pv(k)、I_pv(k-1)＝I_pv(k)；

步骤六，变步长扰动算子实现了动态调节扰动步长，实现了在最大功率点附近减小扰动步长的效果，从而抑制了最大功率点附近振荡现象；变步长调节量为其中令m₁+m₂＝1，可根据实际工程中选择，建议使用m₁＝0.6，m₂＝0.4，另外M＝sign(P_pv(k)-P_pv(k-1))+sign(P_pv(k-1)-P_pv(k-2))

步骤七，更新ΔI(k)＝ΔI_F，返回步骤二；

步骤八，自适应控制算子根据太阳光照强度的突变，参考短路电流法动态调节扰动步长，实现了在外界环境变化的情况下，增大扰动步长快速逼近最大功率点，提高极值追踪效率。参考电流和自适应步长调节量分别具体计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ref}}=\frac{(1+k_{\mathrm{sc}})I_{\mathrm{sc}}(S_{\mathrm{nom}},T_{\mathrm{nom}})K_A}{{2S}_{\mathrm{nom}}}S\\ \mathrm{\Δ}{I}_C=\frac{(1-k_{\mathrm{sc}})I_{\mathrm{sc}}(S_{\mathrm{nom}},T_{\mathrm{nom}})K_A}{{\mathrm{NS}}_{\mathrm{nom}}}S\end{array}\right.,$

其中S_nom,T_nom,I_sc(S_nom,T_nom)分别为标准测试条件下的光照强度、温度以及由二者所确定的光伏板短路电流函数，K_A为光伏板老化寿命修正系数，一般取经验值0.55，k_sc为光伏电源极值追踪短路电流法比例 系数，一般取0.78～0.92，本发明使用其平均值0.85，S为当前太阳光照强度(实时值)，N为光伏阵列中光伏板数量；

步骤九，更新P_pv(k-1)＝P_pv(k)、I_pv(k-1)＝I_pv(k)、I_pv(k)＝I_ref、ΔI(k)＝ΔI_C，返回步骤二；

步骤十，当ΔP_pv＝0时，则当前光伏阵列运行在新的最大功率点上，计算流程结束。

使用RTDS、MATLAB等仿真软件，搭建本专利提出的极值搜索模型开展仿真试验，将本发明发明与传统的观察扰动法进行对比，如图3所示，从试验结果上来看，本发明提出的方法从计算速度和稳定度均优于传统方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑光照变化的光伏电源极值搜索方法，其特征在于，该考虑光照变化的光伏电源极值搜索方法包括：

步骤一，首先初始化电流扰动量ΔI(k)，其中k为迭代次数，取ΔI(k)＝0.05Isc，Isc为光伏阵列短路电流；

步骤二，测量当前光伏阵列出口电压V_pv(k)、光伏阵列出口电流I_pv(k)和太阳光照强度S；

步骤三，计算当前光伏阵列输出功率P_pv(k)＝V_pv(k)×I_pv(k)；

步骤四，校验当前光伏阵列出口电流I_pv(k)是否满足运行约束条件，约束条件如下：2I_MPP-I_sc≤I_pv(k)≤I_sc，其中I_MPP为最大功率下的出口电流，如果约束条件满足，转步骤五进入电流扰动算子；如果约束条件不满足，转步骤八进入自适应控制算子；

步骤五，电流扰动算子，基于经典扰动观察法；最终得到参考电流I_ref＝I_pv(k)+sign(I_pv(k)-I_pv(k-1))*sign(P_pv(k)-P_pv(k-1))*ΔI(k)，同时更新P_pv(k-1)＝P_pv(k)、I_pv(k-1)＝I_pv(k)；

步骤六，变步长扰动算子实现动态调节扰动步长，实现在最大功率点附近减小扰动步长的效果，变步长调节量为 其中令m₁+m₂＝1，根据实际工程中选择，使用m₁＝0.6，m₂＝0.4，另外M＝sign(P_pv(k)-P_pv(k-1))+sign(P_pv(k-1)-P_pv(k-2))；

步骤七，更新ΔI(k)＝ΔI_F，返回步骤二；

步骤八，自适应控制算子根据太阳光照强度的突变，参考短路电流法动态调节扰动步长，增大扰动步长快速逼近最大功率点，提高极值追踪效率，参考电流和自适应步长调节量分别具体计算如下：

其中S_nom,T_nom,I_sc(S_nom,T_nom)分别为标准测试条件下的光照强度、温度以及由它们确定的光伏板短路电流函数，K_A为光伏板老化寿命修正系数，取经验值0.55，k_sc为光伏电源极值追踪短路电流法比例系数，取0.78～0.92，S为当前太阳光照强度，N为光伏阵列中光伏板数量；

步骤九，更新P_pv(k-1)＝P_pv(k)、I_pv(k-1)＝I_pv(k)、I_pv(k)＝I_ref、ΔI(k)＝ΔI_C，返回步骤二；

步骤十，当ΔP_pv＝0时，则当前光伏阵列运行在新的最大功率点上，计算流程结束。