一種光伏發電最大功率點跟蹤裝置及其跟蹤方法
2023-10-04 04:30:24 1
專利名稱：一種光伏發電最大功率點跟蹤裝置及其跟蹤方法
技術領域：
木發明涉及太陽能熱利用中高精度跟蹤控制技術中的一種光伏發電系統最大功率點跟蹤 裝置及其跟蹤方法，屬於光伏發電系統中最大功率點跟蹤控制領域。
背景技術：
在光伏發電系統中，最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)問題是研 究者最為關注的問題之一，即保持系統工作在功率曲線的峰值點，最大效率地將太陽能轉變 為電能。
選擇優化方法時，需要統籌考慮多方面的因素，包括實現的難易程度、經濟成本、跟蹤 速度、適應能力等，尤其是外界環境的光照和溫度，對電壓/功率曲線上最大功率點影響很大， 因此，所採用優化方法對環境變化的適應性是關注的重點問題。當前採用的優化算法分為自
尋優算法和非自尋優算法，其中主要方法包括恆定電壓法、擾動觀測法、導納增量法。恆 定電壓法將光伏電池輸出電壓控制在設定的最大功率點電壓處，雖然結構簡單、易於實現， 但MPPT精度差，且在外界環境條件改變時，對最大功率點變化的適應性差；擾動觀測法通過 周期性的增加或減少系統的輸出電壓尋找最大功率點，優點是控制思想簡單，實現方便，提 高利用效率，缺點是擾動方向總是不斷改變，穩態時在最大功率點附近振蕩運行，控制精度 與步長設置密切相關；導納增量法是通過測量光伏發電系統的增量電導和瞬時電導調節系統 的參考電壓，優點是控制效果好，控制穩定性高，不受功率時間曲線的影響，缺點是對系統 精度要求較高，控制算法較複雜，需要變步長策略加以修正。因此，擾動觀測法和導納增量 法的共同問題是步長的選擇步長過小，會使光伏陣列較長時間滯留在低功率輸出區；步長 過大，會使系統的振蕩加劇，難以穩定到最大功率點。
發明內容
本發明為解決背景技術中擾動觀測法在MPPT中存在的搜索速度、步長設置和環境變化適 應性問題而提出 一種光伏發電最大功率點跟蹤裝置及其跟蹤方法。
本發明的光伏發電最大功率點跟蹤裝置，其結構包括核心控制電路、電壓電流檢測電 路、溫度傳感器、光強傳感器、信號調理電路、驅動電路和DC/DC變換電路，其中電壓電
流檢測電路、溫度傳感器和光強傳感器的輸出端均連接信號調理電路的輸入端，信號調理電
路的輸出端連接核心控制電路的模擬信號輸入端，核心控制電路的PWM輸出端連接驅動電路 的輸入端，驅動電路的輸出端連接DC/DC變換電路的一個輸入端，DC/DC變換電路的輸出端 連接負載，電壓電流檢測電路的輸入端和DC/DC變換電路的另一個輸入端均連接光伏電池板 的輸出端。
一種基於上述的光伏發電最大功率點跟蹤裝置的跟蹤方法，包括如下步驟
(1) 經驗資料庫的建立與擾動觀測算法初始化運行
以溫度值T為X坐標軸，以光強值L為Y坐標軸，以算法模塊追蹤得到的最大功率點作為數 值建立經驗資料庫；然後在已知溫度和光強條件下，算法模塊從經驗資料庫中讀取對應的MPPT 值，作為算法運行的初始點；然後，讀取光伏陣列輸出電壓U和輸出電流I並輸入算法模塊計算 出功率值；先比較功率值大小，再比較電壓值大小，根據比較的結果進行電壓步長的調整， 跟蹤最大功率點變化，完成擾動觀測算法初始化運行；其中所述算法模塊即擾動觀測算法 程序，所述MPPT值包括電壓值和功率值，下同；
(2) 擾動觀測算法循環運行與經驗資料庫更新初始化運行後，擾動觀測算法進入循環運行每次讀取光伏陣列輸出電壓U和輸出電流I 並計算出功率值，然後完成以下工作
A. 將計算出的功率值和讀取的電壓值分別與當前的功率值和電壓值進行比較，從而決定電壓 增減的方向，跟蹤最大功率點；
B. 將計算出的功率值輸入經驗資料庫並與對應溫度和光強條件下的功率值進行比較，當前者 比後者大時，則對經驗資料庫的MPPT值進行更新，反之則不變；
(3)環境變化下的調整過程
當外界光照強度和環境溫度發生變化引起最大功率點跳變時，重新設定搜索的初始點 先設定光強和溫度的變化幅值，當測得光強值或溫度值變化大於設定值時，則中斷算法的循 環運行，進入步驟(1)中的初始化運行；完成初始化運行後，開始新一輪循環運行過程。
本發明以經驗資料庫作為擾動觀測法的有益補充，彌補了該方法原有的不足，使整體功 能更完善。與現有設計相比，總體具有如下有益效果-
1、 從經驗資料庫中提取相應的MPPT值作為初始點，提高了MPPT的搜索效率，能很快找到 最大功率點；
2、 光照強度和環境溫度是影響MPPT的主要外界因素，經驗資料庫所對應的數據是在不同 光強和溫度下取得的，增強了本發明對外界環境變化的適應能力；
3、 由於初始點與最大功率點距離較近，所以可以選取較小的步長，避免了大步長帶來的 振蕩情況，提高了擾動觀測法的穩定性。
圖1是本發明的原理結構示意圖。
圖2是本發明的結構框圖。
圖3是本發明在獨立光伏系統中應用示意圖。
圖4是擾動觀測法流程圖。
圖5是本發明中的驅動電路原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示是本發明的MPPT裝置原理結構示意圖，它的結構包括擾動觀測算法模塊、 經驗資料庫、信號輸入檢測電路和PWM驅動電路，其中信號輸入檢測電路主要檢測四個輸 入信號環境溫度T、光照強度L、光伏陣列輸出電壓U和輸出電流I; PWM驅動電路進行步 長的佔空比調整，從而改變輸出電壓；經驗資料庫和擾動觀測算法模塊構成本發明的核心部 分，下面詳細介紹它們的原理和功能
(一) 經驗資料庫的建立與運行以溫度值T為X坐標軸，以光強值L為Y坐標軸，以算法模塊追
蹤得到的最大功率點作為數值，建立資料庫。每一個溫度T和光強L對應一個MPPT值(包括電 壓值和功率值)，該值由算法模塊提供，並通過大小比較加以更新，存儲較大值。在經驗數據 庫建立時，將測得不同的溫度值T和光強值L輸入所對應的MPPT值。當同一溫度T和光強L下出 現不同的MPPT功率值時，通過比較保留較大值。
(二) 擾動觀測算法模塊的運行原理擾動觀測法的運行原理是在光伏陣列正常工作時，不 斷對它的工作電壓進行很小的擾動，在電壓變化的同時，檢測功率發生的變化，根據功率變 化方向，決定電壓改變的方向，從而不斷追蹤最大功率點。這樣，初始點和步長的選擇就成 為決定該方法效果的關鍵因素如果初始點與最大功率點距離較遠，而步長較小，則系統較 長時間滯留在低功率輸出區；如果初始點與最大功率點距離較近，而步長較大，則系統的振 蕩加劇，難以穩定到最大功率點。所以，較好的方案就是初始點與最大功率點距離較近並選 取較小的步長，而初始點的選擇又是決定性的因素。經驗資料庫的作用就是解決初始點的選 擇問題在算法模塊為經驗資料庫提供MPPT值並及時更新的基礎上，每次算法模塊運行時，以經驗資料庫提供的數值作為擾動觀測法運行的初始點。 在上述內容基礎上，本發明的MPPT執行步驟如下
(1) 經驗資料庫的建立與擾動觀測算法初始化運行
以溫度值T為X坐標軸，以光強值L為Y坐標軸，以算法模塊追蹤得到的最大功率點作為數 值建立經驗資料庫；然後在已知溫度和光強條件下，算法模塊從經驗資料庫中讀取對應的MPPT 值,作為算法運行的初始點；然後，讀取光伏陣列輸出電壓U和輸出電流I並輸入算法模塊計算 出功率值；先比較功率值大小，再比較電壓值大小，根據比較的結果進行電壓步長的調整， 跟蹤最大功率點變化，完成擾動觀測算法初始化運行；其中所述算法模塊即擾動觀測算法 程序，所述MPPT值包括電壓值和功率值，下同；
(2) 擾動觀測算法循環運行與經驗資料庫更新
初始化運行後，擾動觀測算法進入循環運行每次讀取光伏陣列輸出電壓U和輸出電流I 並計算出功率值，然後完成以下工作
A. 將計算出的功率值和讀取的電壓值分別與當前的功率值和電壓值進行比較，從而決定電壓 增減的方向，跟蹤最大功率點；
B. 將計算出的功率值輸入經驗資料庫並與對應溫度和光強條件下的功率值進行比較，當前者 比後者大時，則對經驗資料庫的MPPT值進行更新，反之則不變；
(3) 環境變化下的調整過程 當外界光照強度和環境溫度發生變化引起最大功率點跳變時，重新設定搜索的初始點
先設定光強和溫度的變化幅值，當測得光強值或溫度值變化大於設定值時，則中斷算法的循 環運行，進入步驟(1)中的初始化運行；完成初始化運行後，開始新一輪循環運行過程。通 過以上調整過程可以適應環境劇烈變化對搜索過程產生的不利影響，更好地跟蹤最大功率點。
如圖2所示是本發明的結構框圖，它包括核心控制電路、電壓電流檢測電路、溫度傳感 器、光強傳感器、信號調理電路、驅動電路和DC/DC變換電路，其中電壓電流檢測電路、 溫度傳感器和光強傳感器的輸出端均連接信號調理電路的輸入端，信號調理電路的輸出端連 接核心控制電路的模擬信號輸入端，核心控制電路的PWM輸出端連接驅動電路的輸入端，驅 動電路的輸出端連接DC/DC變換電路的一個輸入端，DC/DC變換電路的輸出端連接負載，電 壓電流檢測電路的輸入端和DC/DC變換電路的另一個輸入端均連接光伏電池板的輸出端；核 心控制電路還集成了看門狗電路，在調試時核心控制電路的1/0埠連接鍵盤、RS232接口 與監控計算機雙向相連、顯示輸出端連接LCD顯示器。
圖3是本發明在獨立光伏系統中的應用實例示意圖。根據圖2和圖3所示，搭建硬體電路結 構，由光伏陣列將太陽能轉化為電能，通過DC/DC變換電路將產生的電能轉化為蓄電池所需的 電壓值，對其進行充電。由主控制模塊(包括擾動觀測算法模塊和經驗資料庫)、信號輸入檢 測模塊、驅動電路等構成的MPPT控制系統部分檢測光伏陣列的輸出電壓l)和電流I並輸入擾動 觀測算法模塊，檢測光照強度L和環境溫度T並輸入經驗資料庫，MPPT控制模塊輸出通過PWM 電路驅動DC/DC變換器。光伏陣列通過DC/DC變換電路連接負載，DC/DC變換電路通斷由控制電 路的PWM信號佔空比決定，核心控制晶片採用飛思卡爾公司的MC9S12系列高端16位單片控制 器，溫度和光強傳感器採集到外界數據經過信號調理電路進入核心控制器模擬信號輸入單元 進行模數轉換，同時將太陽能電池的電壓電流信息經過採集電路、信號調理電路、模擬信號 輸入單元反饋到核心控制器，綜合判斷外界信息和電路狀態調節PWM佔空比，從而調節光伏電
池的輸出功率。核心控制器內部的看門狗電路在程序執行一遍後復位，而電路實時狀態以及 數據信息通過內部串行設備經RS232接口發送給監控計算機。
根據圖4所示的擾動觀測算法流程圖編寫MPPT控制單元的擾動觀測算法程序。擾動觀測 算法由經驗資料庫中讀取對應溫度和光強下的MPPT值作為初始值，開始循環運行。每次循環 讀取光伏陣列輸出電壓U和電流I並與當前的電壓和電流值進行比較，輸出控制結果。設定 光強和溫度的變化幅值，當溫度或光強變化達到設定值大小時，電壓/功率曲線上最大功率點
5會有變化，這時需要重新讀取當時溫度和光強下的MPPT值作為初始值，再進行循環運行。
MPPT控制單元的輸出信號，由PWM單元改變佔空比，通過如圖5所示的驅動電路輸入DC/DC 變換電路，從而確定調整方向，增加或減小一個步長電壓，跟蹤光伏發電系統的最大功率點。
權利要求
1、一種光伏發電最大功率點跟蹤裝置，其特徵在於包括核心控制電路、電壓電流檢測電路、溫度傳感器、光強傳感器、信號調理電路、驅動電路和DC/DC變換電路，其中電壓電流檢測電路、溫度傳感器和光強傳感器的輸出端均連接信號調理電路的輸入端，信號調理電路的輸出端連接核心控制電路的模擬信號輸入端，核心控制電路的PWM輸出端連接驅動電路的輸入端，驅動電路的輸出端連接DC/DC變換電路的一個輸入端，DC/DC變換電路的輸出端連接負載，電壓電流檢測電路的輸入端和DC/DC變換電路的另一個輸入端均連接光伏電池板的輸出端。
2、 根據權利要求1所述的光伏發電最大功率點跟蹤裝置，其特徵在於所述核心控制電 路還集成了看門狗電路。
3、 根據權利要求1或2所述的光伏發電最大功率點跟蹤裝置，其特徵在於所述核心控 制電路的1/0埠連接鍵盤，所述核心控制電路的RS232接口與監控計算機雙向相連，所述 核心控制電路的輸出端還連接LCD顯示器。
4、 一種基於權利要求1所述的光伏發電最大功率點跟蹤裝置的跟蹤方法，其特徵在於包 括如下步驟(1) 經驗資料庫的建立與擾動觀測算法初始化運行以溫度值T為X坐標軸，以光強值L為Y坐標軸，以算法模塊追蹤得到的最大功率點作為數 值建立經驗資料庫；然後在已知溫度和光強條件下，算法模塊從經驗資料庫中讀取對應的MPPT 值，作為算法運行的初始點；然後，讀取光伏陣列輸出電壓U和輸出電流I並輸入算法模塊計算 出功率值；先比較功率值大小，再比較電壓值大小，根據比較的結果進行電壓步長的調整， 跟蹤最大功率點變化，完成擾動觀測算法初始化運行；其中所述算法模塊即擾動觀測算法 程序，所述MPPT值包括電壓值和功率值，下同；(2) 擾動觀測算法循環運行與經驗資料庫更新初始化運行後，擾動觀測算法進入循環運行每次讀取光伏陣列輸出電壓U和輸出電流I 並計算出功率值，然後完成以下工作-A. 將計算出的功率值和讀取的電壓值分別與當前的功率值和電壓值進行比較，從而決定電壓 增減的方向，跟蹤最大功率點；B. 將計算出的功率值輸入經驗資料庫並與對應溫度和光強條件下的功率值進行比較，當前者 比後者大時，則對經驗資料庫的MPPT值進行更新，反之則不變；(3) 環境變化下的調整過程 當外界光照強度和環境溫度發生變化引起最大功率點跳變時，重新設定搜索的初始點先設定光強和溫度的變化幅值，當測得光強值或溫度值變化大於設定值時，則中斷算法的循環運行，進入步驟(1)中的初始化運行；完成初始化運行後，開始新一輪循環運行過程。
全文摘要
本發明公開了一種光伏發電最大功率點跟蹤裝置及其跟蹤方法，屬於光伏發電系統中最大功率點跟蹤控制領域。該裝置結構包括核心控制電路、電壓電流檢測電路、信號調理電路、驅動電路和DC/DC變換電路，並增加了溫度傳感器和光強傳感器；原理結構包括信號輸入檢測電路、PWM驅動電路、擾動觀測算法模塊和經驗資料庫，跟蹤方法為基於經驗資料庫完成擾動觀測算法初始化運行，然後進行算法循環運行並進行資料庫更新，在環境發生變化引起最大功率點跳變時，重新進行初始化運行並進入新一輪循環。本發明結構清晰、功能明確、實現方便，提高了最大功率點跟蹤效率並增強了光伏系統對外界環境的適應能力。
文檔編號H02N6/00GK101635540SQ20091018428
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月18日 優先權日2009年8月18日
發明者周其進, 冰 王 申請人:河海大學