一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法与流程

本发明涉及一种电流预测控制，尤其涉及一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法。

背景技术：

随着世界环境的恶化和常规能源的枯竭，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，受到国内外的广泛关注。在能够利用的可再生能源中，太阳能被认为是最具有潜力的绿色能源。据国际能源机构(international energy agency，IEA)估计，到2050年，光伏发电将提供11％的电力能源，使每年减少相当于23亿吨CO2的排放量。

光伏阵列输出的功率与输出电压是非线性关系，受气象条件的影响(如辐照和温度等)。为提高光伏发电系统的效率，最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)是光伏发电系统不可缺少的一部分。最常用最大功率跟踪方法是扰动观察法(perturbation and observation，P&O)，其算法简单，易于模块化实现，被测参数少，对传感器精度要求不高。对于定步长的扰动观察法，过大的扰动步长导致稳态功率振荡比较大；而过小的扰动步长一旦外部条件变化较快时，无法快速跟踪。因此，对于定步长的扰动观察法，系统的稳态精度与扰动步长是一对矛盾体，扰动步长的选择与系统的要求有关。

技术实现要素：

为了克服定步长控制方法中存在的难题，本发明提出一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法，包括光伏发电系统、最大功率跟踪控制、变步长自适应算法、电流预测控制四部分。

所述光伏发电系统包括光伏阵列、升压型变换器、MPPT控制器和负载四个部分。

所述最大功率跟踪控制包括变步长自适应MPPT控制和电流预测控制两个部分。

所述变步长自适应算法包括功率计算、PI控制和变步长算法三个部分，能够提高MPPT的动态跟踪性能。

所述电流预测控制在变步长自适应算法的基础上，使光伏阵列输出电流的下一周期达到给定电流，实现无差拍跟踪。

本发明的有益效果是：本发明提出的方法解决了定步长MPPT方法稳态精度、动态特性和扰动步长之间固有矛盾。电流预测控制和传统PI相比，提高了系统的动态性能。变步长自适应和电流预测控制相结合的MPPT方法，使系统具有很好的静、动态性能。基于电流预测控制的变步长自适应的最大功率跟踪方法给合扰动观察法和电流预测控制的优点，在单相(三相)光伏发电系统具有较好应用前景。

附图说明

图1电池等效电路。

图2光伏发电系统。

图3变步长自适应算法。

图4变步长自适应控制流程图。

图5系统控制策略结构。

图6二极管钳位型三相三电平并网逆变器。

具体实施方案

图1中，I_ph为太阳能电池的短路电流，其大小反映了光伏电池当下的光照强度，光照强度越强，I_ph越大；I_d为暗电流，是指光伏电池在无光照时，由外电压作用下PN结内流过的单向电流；I为太阳能电池的输出电流；R_sh为并联电阻；R_s为串联电阻。当光照恒定时，光生电流I_ph不随光伏电池的工作状态而变化，此时等效电路可以看作是一个电流为I_ph的恒流源与一只正向二极管D并联。

图2中，光伏发电系统包括以下几部分：1)光伏阵列，将太阳能转化为电能；2)升压型(Boost)变换器，Boost变换器具有效率高、控制能力强、结构简单等优点，本系统采用升压型变换器来实现光伏发电系统的最大功率跟踪；3)MPPT控制器，通过数字控制器实现不同的MPPT算法，产生PWM脉冲；4)负载，用来消化或吸收光伏阵列所产生的能量，在本系统采用二极管钳位型三相三电平的直流/交流(DC/AC)逆变器将电能回馈给电网。

光伏阵列的输出电压UPV和电流IPV输入到变步长自适应MPPT控制器中，变步长自适应MPPT控制器经过计算产生光伏阵列输出的参考电压U_ref。光伏阵列的输出电压U_PV、输出电流I_PV、参考电压U_ref以及Boost变换器输出电压U_dc通过电流预测控制产生Boost变换器的PWM脉冲。

图4中，光伏阵列输出电压和输出电流的A/D采样周期T＝100μs s。在ΔT＝200ms时间内，如果功率变化ΔP变化比较小，则PI控制器输出的扰动观察法的扰动步长U_ref就小，功率的稳态波动比较小；反之，当太阳光发生突变，功率变化ΔP变化比较大，则PI控制器输出的扰动观察法的扰动步长U_ref就大，输出功率快速地达到光伏阵列的最大值，提高MPPT的动态跟踪性能。

图5中，光伏阵列输出电流在下一周期达到给定电流，实现无差拍跟踪。因此，系统有很好的动态性能。

如图6所示，二极管钳位型三相三电平光伏并网逆变系统采用电网电压定向的矢量控制，将电网电压合成矢量定在dq旋转坐标系的d轴上，采用空间矢量调制(space vector pulse wi dth modulat ion，SVPWM)对三电平进行控制，采用PI控制，实现对d和q轴电流给定的快速、精确跟踪，dq旋转坐标系的PI控制。采用电网电压定向，光伏并网逆变器输出的有功和无功功率分别与有功电流id和无功电流i_q成正比。电网电压定向矢量控制策略采用电压和电流双闭环控制策略，电网电压外环的主要目的是稳定直流母线电压。直流母线电压给定与实际直流母线电压的偏差信号送入PI控制器，外环PI控制器的输出为d轴电流给定电流内环是在dq坐标系中实现控制的，即并网逆变器输出电流的检测值i_a、i_b、i_c经过abc/αβ/dq的坐标变换转换为同步旋转dq坐标系下的直流量i_d、i_q，将其与电流内环的电流参考值进行比较，并通过相应的PI调节控制分别实现对i_d、i_q的无静差控制。电流内环PI调节器的输出信号经过abc/αβ逆变换后，即可通过SVPWM得到并网逆变器相应的12路开关驱动PWM信号，从而实现逆变器的并网控制。另外，坐标变换的相角信息可通过软件锁相环(phase locked loop，PLL)控制得到，其中e_α、e_β值通过检测电网电压(e_a、e_b、e_c)并经abc/αβ的坐标变换运算得到。