改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法，包括对光伏模块输出电压、电流进行采样，得到采样电压值V(k)和采样电流值I(k)，然后计算β的瞬时值βa；根据温度及光照的范围定义β的取值范围，最小值为βmin，最大值为βmax，若βmin≤βa≤βmax，则追踪步长为定步长；若βa>βmax，调整步长，采用较小的比例系数值N1，步长ΔD=N1×(βa–βg)，其中，βg为参考值，取βmax与βmin的中间值；若βa<βmin，调整步长，采用较大的比例系数值N2，步长ΔD=N2×(βa–βg)。对光照上升和下降采用两种不同大小的比例系数N，从而实现快速的动态追踪并且避免误判现象。
【专利说明】
改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种变步长最大功率点跟踪控制方法，具体地涉及一种改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法。
【背景技术】
[0002]太阳能被全世界广泛地认为是一种非常重要的可持续能源。但由于光伏阵列受到外界环境因素如光照或温度的影响，其输出电压、电流呈现出明显的非线性特征。因此如何实时地调节光伏模块的输出功率，在任何外界环境下实现最大功率点跟踪(maximum powerpoint tracking，MPPT)显得十分重要。
[0003]现有的MPPT技术主要包括定步长和变步长两种。常见的定步长MPPT算法有观察扰动法、电导法和爬山法。定步长算法的优点主要在于算法简单、成本低廉、易于实施，同时在天气状况稳定的情况效果较好。但是，其缺点主要在于跟踪精度与响应速度无法兼顾。同时，当光照发生剧烈变换时，其算法会发生误判从而导致追踪速度的下降。
[0004]为了能弥补这一缺陷，基于上述方法，变步长MPPT方法被提出，其方法主要思路就是:当工作点远离最大功率点(MPP)时，采用大步长去追踪；当靠近MPP时，采用小步长去跟踪。虽然变步长方法很好地克服了跟踪精度与响应速度，但是缺点主要在于确定变步长大小的方法过于复杂;靠近MPP时步长过小从而导致追踪速度下降；系统复杂度高。同时，当光照发生剧烈变换时，其算法会发生误判从而导致追踪速度的下降。
[0005]针对此类问题，近年来，一种混合步长MPPT方法，S卩Beta法被提出。其方法主要结合了定步长和变步长的设计思路，因此方法主要分为两阶段:第一阶段采用变步长，将工作点电压快速拉近MPP附近位置，从而实现快速响应;然后第二阶段采用定步长，从而实现跟踪精度。混合MPPT方法的关键之处主要在于两点:第一，如何确定变步长的步长大小;第二，如何准确地切换两种方法，即如何确定两种方法的工作区间。目前大多数混合MPPT方法是根据光伏电压电流的趋势来确定变步长大小和工作范围。但其缺点主要在于:需要大量、复杂的计算来确定步长和工作区间；同时逻辑复杂，实施性差。
[0006]如何确定算法在第一阶段变步长大小的比例系数N是一个重要问题。太小的N值虽然可以保证系统工作稳定，但是追踪速度会下降;相对的，太大的N值可以保证追踪速度，但是系统有可能工作的不稳定，如图1所示。
[0007]图2为光照在1000W/m2和400W/m2下的1-V曲线和β-V曲线。当光照为1000W/m2时，通过控制光伏变流器(逆变器)开关占空比的大小使光伏组件工作在其最大功率点，即点A。同时，点A在β-V曲线中处于Pmin和Pmax之间。
[0008]当光照突然下降到400W/m2那一瞬间时，假定光伏变流器的占空比还未改变，此时工作点应从点A切换到点B。同时，点B在β-V曲线中位于Pmax的上方，因此从此刻开始，Beta法切换至动态阶段，步长可由下式计算得出:
AD = NX (ββ - β8)
其中氏为参考值，一般取匕^与匕^的中间值。
[0009]同理，当光照从400W/V上升至1000W/V时，工作点应从点C迅速切换至点D。由图2可知，此时点D在β-V曲线中位于i3min的下方，因此从此刻开始，Beta法切换至动态阶段，步长可由下式计算得出:
AD = NX (Pd - β8)
由图2可知，由于1?-?要比1?-?大，如果N值较大，则会在光照下降时导致系统不稳定，反之，如果N值较小，则会在光照上升时导致系统追踪速度较慢。由此可见，采用同一个N值难以解决此矛盾。
【发明内容】
[0010]为了能够克服定步长和变步长算法的缺点并有效利用其优点，本文提出一种改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法。相较于传统的Beta法，改进的Beta法基于对β-V曲线分析，对光照上升和下降采用两种不同大小的比例系数N，从而实现快速的动态追踪并且避免误判现象。
[0011]本发明的技术方案是:
一种改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤:
SO1:对光伏模块输出电压、电流进行采样，得到采样电压值V(k)和采样电流值I(k)，然后计算β的瞬时值
S02:根据温度及光照的范围定义β的取值范围，最小值SiUn，最大值为i3max，如果<
<β.χ，则追踪步长为定步长；
S03:如果f3a>f3max，调整步长，采用较小的比例系数值NI，范围为[1，4]，步长AD = NIX (Pa -知)，其中，知为参考值，取与的中间值;
S04:如果i3a〈i3min，调整步长，采用较大的比例系数值N2，范围为[5，7]，步长AD = N2
X (Pa _ Pg) ο
[0012]优选的，所述步骤SOl中的计算公式为:
Pa=ln(I(k)/V(k))-c XV(k)
其中c = q/(NsAKT)是光伏特性参数。
[0013]优选的，所述比例系数值的取值范围与实际环境温度及光照相关。
[0014]本发明还公开了一种改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制系统，其特征在于，包括光伏模块、DCDC变换器和MPPT控制模块;所述DCDC变换器作为光伏模块与负载间的功率界面，用于提供电压或电流的变换，所述MPPT控制模块采用权利要求1-3任一项所述的改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法进彳丁最大功率点跟踪。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点是:
相较于传统的Beta法，改进的Beta法基于对β-V曲线分析，对光照上升和下降采用两种不同大小的比例系数N，从而实现快速的动态追踪并且避免误判现象。可以通过简单的计算确定补偿和工作区间，实施方便。
【附图说明】
[0016]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述: 图1为采用不同N值的传统Beta法在光照剧烈变化时的仿真结果图；
图2为光照在1000W/m2和400W/m2下的1-V曲线和β-V曲线图；
图3为本发明改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法的流程图；
图4为本发明改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制系统的原理图；
图5a为定步长MPPT(观察扰动法)的仿真结果图；
图5b为传统Beta法采用较小的N值的仿真结果图；
图5c为传统Beta法采用较大的N值的仿真结果图；
图5d为本发明改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0017]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0018]实施例:
本发明改进的Beta法的混合MPPT方法主要为光照上升和下降采用两种不同大小的N值，其算法流程图如图3所示。
[0019]首先，采样电压电流值V(k)和I(k)，然后计算beta的瞬时值= ln(I(k)/V(k)) - c X V(k)
其中c = q/(NsAKT)是光伏特性参数。
[0020]当计算出^后，根据温度及光照的范围定义β的取值范围，最小值为i3min，最大值为Pmax，用此化与匕^和进行比较:如果化在此区间内，则说明当前的工作点电压靠近MPP，因此切换到定步长方法，如爬山法;如果不在此区间内，说明当前工作点电压远离MPP，则进入下一个分支，即判断^在匕^的下方还是在的上方。如果^在3.的上方，则说明光照下降，此时采用较小的N值，此处用NI来表示；反之，如果&在0_的下方，则说明光照上升，此时采用较大的N值，此处用Ν2来表示。
[0021]如图4所示，本发明的系统结构图，其中包括了光伏模型，DCDC变换器和其负载，还有MPPT控制模块。光伏模块主要提供输出功率，其输出特性与环境温度及光照等密切相关；DCDC变流器作为光伏模块与负载间的功率界面，提供电压或电流的变换;MPPT控制模块是执行具体的最大功率点跟踪控制方法，然后调节DCDC变流器的占空比以使得光伏模块在任何工作情况下始终输出最大功率。
[0022]实验结果如图5&_5(1所示。
[0023]图5a为定步长MPPT(观察扰动法)的仿真结果图；从图中可知，追踪速度慢，容易出现误判。
[0024]图5b为传统Beta法采用较小的N值的仿真结果图；当光照发生剧烈变换时，其算法会发生误判从而导致追踪速度的下降。
[0025]图5c为传统Beta法采用较大的N值的仿真结果图；从图中可知，会在光照下降时导致系统不稳定。
[0026]图5d为本发明改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法的仿真结果图。追踪速度快并且没有误判现象。
[0027]应当理解的是，本发明的上述【具体实施方式】仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
【主权项】
1.一种改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤: SO1:对光伏模块输出电压、电流进行采样，得到采样电压值V(k)和采样电流值I(k)，然后计算β的瞬时值 S02:根据温度及光照的范围定义β的取值范围，最小值SiVin，最大值为i3max，如果< <β.χ，则追踪步长为定步长； S03:如果f3a>f3max，调整步长，采用较小的比例系数值NI，范围为[1，4]，步长AD = NI X(Pa -知)，其中，知为参考值，取IW与IW的中间值； S04:如果i3a〈iW，调整步长，采用较大的比例系数值N2，范围为[5，7]，步长AD = N2X(Pa ~ Pg)ο2.根据权利要求1所述的改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤SOl中的计算公式为: Pa=ln(I(k)/V(k))-cXV(k) 其中c = q/(NsAKT)是光伏特性参数。3.根据权利要求1所述的改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，所述比例系数值的取值范围与实际环境温度及光照相关。4.一种改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制系统，其特征在于，包括光伏模块、DCDC变换器和MPPT控制模块;所述DCDC变换器作为光伏模块与负载间的功率界面，用于提供电压或电流的变换，所述MPPT控制模块采用权利要求1-3任一项所述的改进的基于β参数的变步长最大功率点跟踪控制方法进彳丁最大功率点跟踪。
【文档编号】G05F1/67GK105824347SQ201610310384
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】文辉清, 李星硕
【申请人】西交利物浦大学