[发明专利]光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT控制方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及光伏阵列系统的控制技术领域，具体为光伏阵列自适应步长扰动观察法MPPT(MaximumPowerPointTracking)控制方法与系统，通过引入不完全微分的扰动观察法，自适应调整步长，达到的有效控制跟踪最大功率点。

背景技术

光伏发电产业作为解决人类日益凸显的能源问题和环境问题的战略产业正在飞速发展。但目前光伏阵列的光电转换效率低，仅约18％，且其输出功率不稳定，阻碍光伏产业的发展。

光伏电池阵列的电流-电压(I-U)特性受光照强度S、电池温度T及负载R的影响，具有很强的输出非线性。

当光伏电池的外界环境和负载一定时，光伏电池输出功率存在唯一最大功率点(MPP，MaximumPowerPoint，)。图1所示是光伏电池阵列功率-电压(P-U)特性曲线(图1中的实线)及电流-电压I-U特性曲线(图1中的占划线)。由图1的光伏电池阵列的P-U输出曲线特性可知：

光伏(PV，Photovoltaic)阵列输出功率P_pv＝u_pvi_pvu_pv、i_pv分别为光伏阵列端电压及其输出电流。

1)在最大功率点MPP左侧：

2)在最大功率点MPP右侧：

3)在最大功率点MPP点上：

光伏阵列系统最大功率点跟踪控制，即MPPT控制，的目的是控制光伏阵列的端电压，使光伏阵列输出功率始终跟踪MPP、即保持与MPP的距离尽可能小。

光伏发电系统主要由光伏阵列PV、直流-直流(DC-DC)变换电路、MPPT控制器和负载或蓄电池R_L组成。

光伏发电系统的MPPT控制器监测光伏阵列PV的输出电压u_pv和电流i_pv，根据光伏阵列实时电压和电流，产生对应的脉宽调制PWM信号，送入DC-DC变换电路中开关管(MOSFET或IGBT)控制端、调节开关管通断的占空比，以调节光伏阵列等效负载阻抗与光伏阵列阻抗的匹配(相等)，实现光伏发电系统的最大功率输出。

扰动观察法(Perturb&Observemethod,P&O)控制实现简单，是实际工程应用中实现最大功率点跟踪(MPPT)控制的首选方法。

扰动观察法每隔一定的时间，增加或减少扰动变量，即通过控制脉宽调信号PWM，增加或减少DC-DC变换电路中开关管的占空比，调节光伏阵列端电压，观察光伏阵列功率变化方向来判断下一步控制信号的扰动方向，若输出功率增加，则控制信号按前一周期的方向扰动；若输出功率减少，则反方向扰动。

扰动观察法跟踪到的最大功率值会在最大功率点附近频繁地摆动或振荡。采用大步长跟踪时，光伏阵列输出功率在最大功率点附近的振荡较大，会造成大量的能量损失；采用小步长跟踪，则在外界环境变化时，MPPT控制系统不能以较快的速度跟踪到新的最大功率点，也造成较大的功率损失。

当光伏阵列PV的k时刻输出电压u_pv(k)和电流i_pv(k)，功率P_PV(k)＝u_pv(k)×i_pv(k)，扰动观察法根据对功率的理想微分、判断ΔP_PV(k)的正负，再根据u_pv(k)相对前一时刻u_pv(k-1)增或减，决定下一时刻u_pv(k+1)＝u_pv(k)+Δu或者u_pv(k+1)＝u_pv(k)-Δu。由于外界环境(光照、温度)的变化及采样电压、电流中测量干扰的影响，干扰造成对ΔP_pv＝0、ΔP_pv＞0及u_pv(k)-u_pv(k-1)＞0是否成立的判断失误，进而导致u_pv(k+1)＝u_pv(k)±△u的扰动失误，即扰动观察法跟踪最大功率时出现误判，将造成跟踪最大功率点需要的时间加长。

扰动观察法实现MPPT控制的过程中，扰动步长判断失误会影响DC-DC变换电路中开关管控制信号PWM占空比的调节，降低最大功率点的跟踪精度。

发明内容