光伏發電系統中最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法
2023-06-29 21:42:21
專利名稱：光伏發電系統中最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法
技術領域：
本發明涉及一種用於光伏發電系統中解決最大功率點跟蹤問題的搜索方法，尤其涉及一 種光伏發電系統中最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法，屬於光伏發電系統中最大功率點跟 蹤領域。
背景技術：
在光伏發電系統中，最受研究者關注的問題是最大功率點跟蹤問題，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。在選擇優化方法時，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、傳感器精度要求、反應速度等，尤其是當光 照、溫度等外界環境變化引起最大功率點頻繁變化時，優化方法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。恆定電壓法使系統電壓工作在設定的最大功率點，優點是控制簡 單，易於實現，穩定性好，缺點是當系統外界條件改變時，系統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，提高了利用效率，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；導納增量法是通過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， 控制算法較為複雜，需要變步長策略加以修正。
發明內容
本發明為解決最大功率點跟蹤算法中適應能力和複雜度之間的平衡問題而提出一種光伏 發電系統中最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法。
本發明的光伏發電系統中最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法是由內、外兩層控制算法 和轉換機制構成，具體執行過程如下-
算法開始後進行系統初始化和變量初始化，然後進入外層控制算法；
(1) 外層控制算法採用三點相等區間消去法完成功率點的定界 首先進行第一次區間壓縮在選取的初始搜索區間上確定三個等分點，通過PWM驅動電
路進行大步長的佔空比調整，改變輸出電壓，然後提取太陽能電池板輸出端的電壓和電流值， 並計算得出功率值，從而得到三個等分點對應的功率值；通過比較上述三個功率值，將最大 功率點的取值範圍壓縮為初始搜索區間的1/2，得到新的搜索區間，然後在該新的搜索區間
進行第二次區間壓縮，壓縮^:程與第一次相同；
經過三次相同的區間壓縮過程，將搜索區間壓縮為初始搜索區間的1/8，得到最終搜索 區間，然後轉入內層控制算法；
(2) 內層控制算法在最終搜索區間內運用擾動觀測法追蹤最大功率點 內層控制算法採用等步長擾動觀測法，選取最終搜索區間內任意一點作為初始點開始搜
索，提取太陽能電池板輸出端的電壓和電流值，並計算得出功率值，通過比較前後兩點的功 率值，調整佔空比的變化方向，完成對最大功率點的跟蹤，其中所述前後兩點是指搜索過 程中相隔一個步長的前後兩點；
當外界環境劇烈變化，最大功率點變化到最終搜索區間以外時，則進入步驟(3)的轉換 機制；
(3) 轉換機制包括越界激發和定時激發越界激發在內層控制算法運行中，當最終搜索區間的邊界值為極值，則跳轉到外層控制 算法重新定界，即重新對初始搜索區間進行壓縮；
定時激發是對最終搜索區間的重新調整，設定時間長度作為激發條件，當在內層控制算 法運行達到設定時間後，則轉入外層控制算法重新定界，即重新對初始搜索區間進行壓縮。
本發明的有益效果是通過內外雙層嵌套結構達到對最大功率點的有效跟蹤，同時明確 內外雙層控制算法的功能分配，降低算法的複雜度。具體包括以下方面①在光照、溫度等 外界環境相對穩定時，通過外層算法的定界功能和內層算法的搜索功能可以很快找到最大功 率點，並穩定在該點，持續輸出最大功率；②當外界環境發生較大變化時，通過嵌套轉換機 制，利用外層算法的重新定界功能，可以快速調整新的搜索區間，適應環境變化，完成對變 化後最大功率點的搜索功能。
綜上，本發明嵌套搜索方法中內外雙層算法的設計具有以下優點
1、 基於先定界後搜索的設計思想，內外雙層控制功能明確，算法運行簡單、高效；
2、 外層算法實現定界功能，通過壓縮搜索區間，提高了內層算法的搜索效率；
3、 內層算法實現搜索功能，由於外層算法對搜索區間進行了壓縮，所以採用簡單的搜索算法， 降低了內層算法的複雜度；
4、 通過算法中的嵌套轉換機制，可及時相應外界變化，增強了系統對外界環境的適應能力。
圖1是最大功率點跟蹤(MPPT)硬體結構示意圖。
圖2是充電迴路電路原理圖。
圖3是車載獨立光伏系統的結構示意圖。
圖4是本發明雙層嵌套搜索法的結構和功能示意圖。
圖5是本發明雙層嵌套算法運行流程圖。
圖6是本發明中外層控制算法流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示為最大功率點跟蹤(MPPT)硬體結構圖，包括太陽能電池陣列，主迴路DC/DC 變換器，蓄電池或負載，電壓、電流信號提取模塊，PWM驅動電路，Freescale主晶片控制模 塊。
如圖3所示為車載獨立光伏系統結構示意圖，是應用本發明的一個具體實例。該系統結 構通過太陽能電池板對鉛酸蓄電池充電，並可驅動負載，在微控制器中實現MPPT控制、充放 電控制、驅動等功能，本發明最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法用來實現其中的MPPT控制 部分。
根據圖1和圖3所示的結構搭建主迴路。太陽能電池板將太陽能轉化為電能，通過DC/DC 變換器把產生的電能轉化為蓄電池(或負載)所需的電壓值，對其進行充電(或供電)。充電 迴路如圖2所示，在充電迴路的基礎上，需要調整變換器的輸出電壓以跟蹤最大功率點。提 取太陽能電池輸出端的電壓和電流值，並計算得到功率值作為控制系統的輸入，以PWM驅動 電路作為控制系統的輸出，形成一個閉環迴路，實現對系統功率的調整。
硬體搭建完成後，在Freescale主晶片中進行軟體編程，實現如圖4所示的雙層嵌套搜 索功能。具體包括外層、內層控制算法和相應的轉換機制，外層算法實現定界功能，適應外 界變化；內層算法利用擾動觀測法，進行定步長搜索，跟蹤最大功率點變化；當外界環境發 生變化(光強變化、溫度變化等)，激發外層算法功能，重新定界後再轉入內層算法進行最大 功率點跟蹤，而後驅動外圍電路，實現跟蹤功能。
圖5給出了本發明雙層嵌套算法運行流程圖。算法開始後進行初始化過程，而後轉入如 圖6所示的外層算法；(1) 外層算法採用三點相等區間消去法完成功率點的定界功能
首先，選取50%-100%的區間為初始搜索區間，並在初始搜索區間上確定三個等分點(Xu、 X21、 X31)，通過PWM驅動電路進行大步長的佔空比調整，改變輸出電壓，然後提取太陽能電池 板輸出端的電壓和電流值，並計算得出功率值，從而得到三個等分點對應的功率值(f(Xn)、 f(X21)、 f(X31));通過比較上述三個功率值，將最大功率點的取值範圍壓縮為初始搜索區間的 1/2,得到新的搜索區間；然後，在新的搜索區間開始第二次區間壓縮，過程與第一次相同， 確定新的三個等分點(X12、 X22、 X32)，得到對應功率值(f(X12)、 f(X22)、 f(X32))，通過比較將 搜索區間再壓縮l/2;
這樣，經過三次相同的區間壓縮過程，將搜索區間壓縮為初始搜索區間的1/8，得到最 終搜索區間，然後轉入內層控制算法；
(2) 內層控制算法在最終搜索區間內運用擾動觀測法追蹤最大功率點 內層控制算法釆用等步長擾動觀測法，選取最終搜索區間內任意一點(一般選取中間點)
作為初始點開始搜索，提取太陽能電池板輸出端的電壓和電流值，並計算得出功率值，通過 比較前後兩點的功率值，調整佔空比的變化方向，完成對最大功率點的跟蹤，其中所述前 後兩點是指搜索過程中相隔一個步長的前後兩點；
內層算法運行過程是不斷逼近最大功率點的過程，只要最大功率點在所選定的搜索區間 內，就能保證很快完成對最大功率點的搜索跟蹤工作；
當外界環境劇烈變化，最大功率點變化到最終搜索區間以外時，則進入步驟(3)的轉換 機制；
(3) 轉換機制包括越界激發和定時激發
越界激發在內層控制算法運行中，當最終搜索區間的邊界值為極值，則跳轉到外層控制 算法重新定界，即重新對初始搜索區間進行壓縮；
定時激發是對最終搜索區間的重新調整，設定時間長度作為激發條件，當在內層控制算 法運行達到設定時間後，則轉入外層控制算法重新定界，即重新對初始搜索區間進行壓縮；
通過這些激發過程可以主動或被動地響應電壓/功率曲線變化所帶來的最大功率點變化， 增強對外界環境的適應性。
因此，由外層、內層控制算法和轉換機制形成一個閉環，實現雙層嵌套搜索方法的最大 功率點跟蹤功能。
權利要求
1、一種光伏發電系統中最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法，其特徵在於該方法由內、外兩層控制算法和轉換機制構成，具體執行過程如下算法開始後進行系統初始化和變量初始化，然後進入外層控制算法；(1)外層控制算法採用三點相等區間消去法完成功率點的定界首先進行第一次區間壓縮在選取的初始搜索區間上確定三個等分點，通過PWM驅動電路進行大步長的佔空比調整，改變輸出電壓，然後提取太陽能電池板輸出端的電壓和電流值，並計算得出功率值，從而得到三個等分點對應的功率值；通過比較上述三個功率值，將最大功率點的取值範圍壓縮為初始搜索區間的1/2，得到新的搜索區間，然後在該新的搜索區間進行第二次區間壓縮，壓縮過程與第一次相同；經過三次相同的區間壓縮過程，將搜索區間壓縮為初始搜索區間的1/8，得到最終搜索區間，然後轉入內層控制算法；(2)內層控制算法在最終搜索區間內運用擾動觀測法追蹤最大功率點內層控制算法採用等步長擾動觀測法，選取最終搜索區間內任意一點作為初始點開始搜索，提取太陽能電池板輸出端的電壓和電流值，並計算得出功率值，通過比較前後兩點的功率值，調整佔空比的變化方向，完成對最大功率點的跟蹤，其中所述前後兩點是指搜索過程中相隔一個步長的前後兩點；當外界環境劇烈變化，最大功率點變化到最終搜索區間以外時，則進入步驟(3)的轉換機制；(3)轉換機制包括越界激發和定時激發越界激發在內層控制算法運行中，當最終搜索區間的邊界值為極值，則跳轉到外層控制算法重新定界，即重新對初始搜索區間進行壓縮；定時激發是對最終搜索區間的重新調整，設定時間長度作為激發條件，當在內層控制算法運行達到設定時間後，則轉入外層控制算法重新定界，即重新對初始搜索區間進行壓縮。
全文摘要
本發明公開了一種光伏發電系統中最大功率點跟蹤的雙層嵌套搜索方法，屬於光伏發電系統中最大功率點跟蹤領域。該方法通過內、外兩層的算法結構，實現對功能的明確劃分外層控制算法對初始搜索區間進行壓縮，完成功率點的定界；內層算法在壓縮後的區間內搜索最大功率點，採用等步長擾動觀測法來滿足設計要求。在外界環境條件發生劇烈變化時，本方法可以通過轉換機制及時調整區間範圍，保證了該方法具有較強的適應能力。通過以上的嵌套結構進行算法設計，可以在增強系統對環境變化適應能力的同時，使算法具有結構清晰、功能明確、實現簡單等優點。
文檔編號H02N6/00GK101626213SQ20091018307
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月29日 優先權日2009年7月29日
發明者周其進, 康孝勝, 李健勝, 冰 王, 錢豔平, 偉 韓 申請人:河海大學