改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法，包括對光伏模塊輸出電壓、電流進行采樣，得到采樣電壓值V(k)和采樣電流值I(k)，然后計算β的瞬時值βa；根據溫度及光照的范圍定義β的取值范圍，最小值為βmin，最大值為βmax，若βmin≤βa≤βmax，則追蹤步長為定步長；若βa>βmax，調整步長，采用較小的比例系數值N1，步長ΔD=N1×(βa–βg)，其中，βg為參考值，取βmax與βmin的中間值；若βa<βmin，調整步長，采用較大的比例系數值N2，步長ΔD=N2×(βa–βg)。對光照上升和下降采用兩種不同大小的比例系數N，從而實現快速的動態追蹤并且避免誤判現象。
【專利說明】
改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種變步長最大功率點跟蹤控制方法，具體地涉及一種改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法。
【背景技術】
[0002]太陽能被全世界廣泛地認為是一種非常重要的可持續能源。但由于光伏陣列受到外界環境因素如光照或溫度的影響，其輸出電壓、電流呈現出明顯的非線性特征。因此如何實時地調節光伏模塊的輸出功率，在任何外界環境下實現最大功率點跟蹤(maximum powerpoint tracking，MPPT)顯得十分重要。
[0003]現有的MPPT技術主要包括定步長和變步長兩種。常見的定步長MPPT算法有觀察擾動法、電導法和爬山法。定步長算法的優點主要在于算法簡單、成本低廉、易于實施，同時在天氣狀況穩定的情況效果較好。但是，其缺點主要在于跟蹤精度與響應速度無法兼顧。同時，當光照發生劇烈變換時，其算法會發生誤判從而導致追蹤速度的下降。
[0004]為了能彌補這一缺陷，基于上述方法，變步長MPPT方法被提出，其方法主要思路就是:當工作點遠離最大功率點(MPP)時，采用大步長去追蹤；當靠近MPP時，采用小步長去跟蹤。雖然變步長方法很好地克服了跟蹤精度與響應速度，但是缺點主要在于確定變步長大小的方法過于復雜;靠近MPP時步長過小從而導致追蹤速度下降；系統復雜度高。同時，當光照發生劇烈變換時，其算法會發生誤判從而導致追蹤速度的下降。
[0005]針對此類問題，近年來，一種混合步長MPPT方法，S卩Beta法被提出。其方法主要結合了定步長和變步長的設計思路，因此方法主要分為兩階段:第一階段采用變步長，將工作點電壓快速拉近MPP附近位置，從而實現快速響應;然后第二階段采用定步長，從而實現跟蹤精度。混合MPPT方法的關鍵之處主要在于兩點:第一，如何確定變步長的步長大小;第二，如何準確地切換兩種方法，即如何確定兩種方法的工作區間。目前大多數混合MPPT方法是根據光伏電壓電流的趨勢來確定變步長大小和工作范圍。但其缺點主要在于:需要大量、復雜的計算來確定步長和工作區間；同時邏輯復雜，實施性差。
[0006]如何確定算法在第一階段變步長大小的比例系數N是一個重要問題。太小的N值雖然可以保證系統工作穩定，但是追蹤速度會下降;相對的，太大的N值可以保證追蹤速度，但是系統有可能工作的不穩定，如圖1所示。
[0007]圖2為光照在1000W/m2和400W/m2下的1-V曲線和β-V曲線。當光照為1000W/m2時，通過控制光伏變流器(逆變器)開關占空比的大小使光伏組件工作在其最大功率點，即點A。同時，點A在β-V曲線中處于Pmin和Pmax之間。
[0008]當光照突然下降到400W/m2那一瞬間時，假定光伏變流器的占空比還未改變，此時工作點應從點A切換到點B。同時，點B在β-V曲線中位于Pmax的上方，因此從此刻開始，Beta法切換至動態階段，步長可由下式計算得出:
AD = NX (ββ - β8)
其中氏為參考值，一般取匕^與匕^的中間值。
[0009]同理，當光照從400W/V上升至1000W/V時，工作點應從點C迅速切換至點D。由圖2可知，此時點D在β-V曲線中位于i3min的下方，因此從此刻開始，Beta法切換至動態階段，步長可由下式計算得出:
AD = NX (Pd - β8)
由圖2可知，由于1?-?要比1?-?大，如果N值較大，則會在光照下降時導致系統不穩定，反之，如果N值較小，則會在光照上升時導致系統追蹤速度較慢。由此可見，采用同一個N值難以解決此矛盾。
【發明內容】
[0010]為了能夠克服定步長和變步長算法的缺點并有效利用其優點，本文提出一種改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法。相較于傳統的Beta法，改進的Beta法基于對β-V曲線分析，對光照上升和下降采用兩種不同大小的比例系數N，從而實現快速的動態追蹤并且避免誤判現象。
[0011]本發明的技術方案是:
一種改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟:
SO1:對光伏模塊輸出電壓、電流進行采樣，得到采樣電壓值V(k)和采樣電流值I(k)，然后計算β的瞬時值
S02:根據溫度及光照的范圍定義β的取值范圍，最小值SiUn，最大值為i3max，如果<
<β.χ，則追蹤步長為定步長；
S03:如果f3a>f3max，調整步長，采用較小的比例系數值NI，范圍為[1，4]，步長AD = NIX (Pa -知)，其中，知為參考值，取與的中間值;
S04:如果i3a〈i3min，調整步長，采用較大的比例系數值N2，范圍為[5，7]，步長AD = N2
X (Pa _ Pg) ο
[0012]優選的，所述步驟SOl中的計算公式為:
Pa=ln(I(k)/V(k))-c XV(k)
其中c = q/(NsAKT)是光伏特性參數。
[0013]優選的，所述比例系數值的取值范圍與實際環境溫度及光照相關。
[0014]本發明還公開了一種改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制系統，其特征在于，包括光伏模塊、DCDC變換器和MPPT控制模塊;所述DCDC變換器作為光伏模塊與負載間的功率界面，用于提供電壓或電流的變換，所述MPPT控制模塊采用權利要求1-3任一項所述的改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法進彳丁最大功率點跟蹤。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點是:
相較于傳統的Beta法，改進的Beta法基于對β-V曲線分析，對光照上升和下降采用兩種不同大小的比例系數N，從而實現快速的動態追蹤并且避免誤判現象。可以通過簡單的計算確定補償和工作區間，實施方便。
【附圖說明】
[0016]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述: 圖1為采用不同N值的傳統Beta法在光照劇烈變化時的仿真結果圖；
圖2為光照在1000W/m2和400W/m2下的1-V曲線和β-V曲線圖；
圖3為本發明改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法的流程圖；
圖4為本發明改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制系統的原理圖；
圖5a為定步長MPPT(觀察擾動法)的仿真結果圖；
圖5b為傳統Beta法采用較小的N值的仿真結果圖；
圖5c為傳統Beta法采用較大的N值的仿真結果圖；
圖5d為本發明改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法的仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0017]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。
[0018]實施例:
本發明改進的Beta法的混合MPPT方法主要為光照上升和下降采用兩種不同大小的N值，其算法流程圖如圖3所示。
[0019]首先，采樣電壓電流值V(k)和I(k)，然后計算beta的瞬時值= ln(I(k)/V(k)) - c X V(k)
其中c = q/(NsAKT)是光伏特性參數。
[0020]當計算出^后，根據溫度及光照的范圍定義β的取值范圍，最小值為i3min，最大值為Pmax，用此化與匕^和進行比較:如果化在此區間內，則說明當前的工作點電壓靠近MPP，因此切換到定步長方法，如爬山法;如果不在此區間內，說明當前工作點電壓遠離MPP，則進入下一個分支，即判斷^在匕^的下方還是在的上方。如果^在3.的上方，則說明光照下降，此時采用較小的N值，此處用NI來表示；反之，如果&在0_的下方，則說明光照上升，此時采用較大的N值，此處用Ν2來表示。
[0021]如圖4所示，本發明的系統結構圖，其中包括了光伏模型，DCDC變換器和其負載，還有MPPT控制模塊。光伏模塊主要提供輸出功率，其輸出特性與環境溫度及光照等密切相關；DCDC變流器作為光伏模塊與負載間的功率界面，提供電壓或電流的變換;MPPT控制模塊是執行具體的最大功率點跟蹤控制方法，然后調節DCDC變流器的占空比以使得光伏模塊在任何工作情況下始終輸出最大功率。
[0022]實驗結果如圖5&_5(1所示。
[0023]圖5a為定步長MPPT(觀察擾動法)的仿真結果圖；從圖中可知，追蹤速度慢，容易出現誤判。
[0024]圖5b為傳統Beta法采用較小的N值的仿真結果圖；當光照發生劇烈變換時，其算法會發生誤判從而導致追蹤速度的下降。
[0025]圖5c為傳統Beta法采用較大的N值的仿真結果圖；從圖中可知，會在光照下降時導致系統不穩定。
[0026]圖5d為本發明改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法的仿真結果圖。追蹤速度快并且沒有誤判現象。
[0027]應當理解的是，本發明的上述【具體實施方式】僅僅用于示例性說明或解釋本發明的原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。此外，本發明所附權利要求旨在涵蓋落入所附權利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內的全部變化和修改例。
【主權項】
1.一種改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟: SO1:對光伏模塊輸出電壓、電流進行采樣，得到采樣電壓值V(k)和采樣電流值I(k)，然后計算β的瞬時值 S02:根據溫度及光照的范圍定義β的取值范圍，最小值SiVin，最大值為i3max，如果< <β.χ，則追蹤步長為定步長； S03:如果f3a>f3max，調整步長，采用較小的比例系數值NI，范圍為[1，4]，步長AD = NI X(Pa -知)，其中，知為參考值，取IW與IW的中間值； S04:如果i3a〈iW，調整步長，采用較大的比例系數值N2，范圍為[5，7]，步長AD = N2X(Pa ~ Pg)ο2.根據權利要求1所述的改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟SOl中的計算公式為: Pa=ln(I(k)/V(k))-cXV(k) 其中c = q/(NsAKT)是光伏特性參數。3.根據權利要求1所述的改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法，其特征在于，所述比例系數值的取值范圍與實際環境溫度及光照相關。4.一種改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制系統，其特征在于，包括光伏模塊、DCDC變換器和MPPT控制模塊;所述DCDC變換器作為光伏模塊與負載間的功率界面，用于提供電壓或電流的變換，所述MPPT控制模塊采用權利要求1-3任一項所述的改進的基于β參數的變步長最大功率點跟蹤控制方法進彳丁最大功率點跟蹤。
【文檔編號】G05F1/67GK105824347SQ201610310384
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】文輝清, 李星碩
【申請人】西交利物浦大學