一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统及其方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，具体的，涉及一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统及其方法。

背景技术：

如今，分布式光伏发电系统高速发展，对光伏发电控制技术提出了更高的要求，基于开关电容的直流-直流变换器由于体积小和低磁化的优点，在光伏发电系统中有很大应用前景，通常用于光伏阵列输出侧进行最大功率点跟踪(mppt)控制。

在实际运行过程中，由于天气和周边气温变化的缘故，光伏阵列的光照和阴影情况变化很大，传统的反应式控制方法不能及时预测阴影及遮挡情况，开关电容变换器控制需要快速反应，而传统变换器控制算法是建立在单一开关输出占空比的基础上，有些情况下会产生进入死区而无法自主返回，从而导致控制失败，所以无法达到全天候的最优mppt控制。由于室外的光伏阵列一旦安装完毕，其布置结构是固定的，光照对于光伏发电效率影响较大，如何根据太阳光的直射角度调整光伏板的受光面角度，是目前需要面对的挑战，也是提高光伏发电效率的有效措施；其次，如果控制器能够根据天气的周边温度的变化的预报信息，及时提前预估光伏组件下一时间段的输出功率，那么再利用优化控制算法可以预先得到最优控制指令，避免进入控制死区。

技术实现要素：

本发明的目的是解决光伏发电效率低下以及输出功率控制精度低的问题，提出了一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统及其方法，该方案通过自动调节光伏板的最佳受光角度，从而提高光伏阵列的发电效率，其次采用最大粒子群算法结合自适应干扰观测法，控制光伏阵列工作，使其稳定工作在最大功率点附近，显著提高光伏发电的输出功率精度。

为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统，包括光伏阵列、直流变换器、滤波器、逆变器、驱动机构、中心控制器、电信号采样单元以及传感器单元，

所述电信号采样单元采集光伏组件的输出电压值和电流值，与中心控制器电连接；

所述直流变换器用于根据脉宽调制信号调节所述光伏阵列的功率输出参数，直流变换器的输入端与光伏阵列的输出端电连接，直流变换器的控制端与所述中心控制器的控制端电连接；所述滤波器为超级电容器，一端与直流变换器的输出端电连接，另一端与逆变器的输入端电连接，

所述逆变器，用于将光伏阵列输出的直流电转换为符合输出干线电压频率的交流电；

所述传感器单元采集环境数据，与中心控制器电连接；

所述驱动机构，用于驱动光伏阵列机械调整受光面的角度，与中心控制器电连接；

所述中心控制器，包括有主控器和存储器，所述存储器与主控器电连接。

所述的光伏阵列由若干个光伏组件组成，各个所述光伏组件包括光伏板、支撑杆以及底座，所述支撑杆的上端与光伏板的中心顶端固定连接，所述支撑杆的下端设置有滑动球，所述底座的上端设置有球形槽，所述支撑杆通过滑动球与球形槽滑动连接。

所述驱动机构包括分别对称有设置在光伏板四个端角的调节机构和液压泵，所述调节机构包括气缸以及连接件，所述连接件固定设置在光伏板的端角下端，所述驱动气缸的一端与连接件铰接，所述驱动气缸的下端与底座固定连接，四个气缸的驱动端通过油导管分别与液压泵的输出端口密封连接，四个所述气缸受所述液压泵单独控制，所述液压泵的驱动端与主控器电连接。

所述的传感器单元包括温度传感器、光照传感器、定位器以及倾角传感器，所述温度传感器、光照传感器、定位器以及倾角传感器均与主控器电连接，所述倾角传感器安装在光伏板的中心下端用于检测光伏板的倾角，所述温度传感器和光照传感器安装在光伏板的上端用于检测光伏板的表面温度以及环境中的光照强度。

一种光伏最大功率点跟踪自动控制方法，包括如下步骤：

s1、主控器对光伏板所在地理位置通过传感器单元采集的实时数据进行分析，控制驱动机构动作，驱动机构调整光伏阵列的倾角，使得太阳光直射照向光伏阵列；

s2、主控器实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流值，得到输出电压和输出电流的数据阵列，并将数据存储在所述存储器中；

s3、在主控器的运算单元中采用最大粒子群算法搜索光伏阵列的初始最大功率点，算法的输入为存储器中存储的电流电压矩阵数据，得到此时的输出功率、输出电压和输出电流；

s4、根据粒子群算法搜索到的初始最大功率点，得到对应的初始占空比；

s5、根据初始占空比采用自适应干扰观测法进行变步长占空比扰动控制，将最终占空比控制信号输出给最大功率点控制电路；

s6、最大功率点控制电路根据最终占空比控制信号控制光伏阵列工作，使其稳定工作在最大功率点附近。

步骤s3中，采用粒子群算法搜索光伏阵列的初始最大功率工作点具体步骤如下：

s31、初始化粒子群参数，确定种群粒子个数、学习因子、加权系数、最大速度和迭代次数；

s32、确定目标函数，目标函数为太阳光直射下光伏阵列的输出功率p(u,i)；

s33、计算各个粒子的适应度函数值，并通过比较得到各个粒子的当前最优适应值pbest和全局最优适应值gbest；

s34、更新粒子的速度、位置和目标函数；

s35、判断是否满足迭代次数，若是，则输出最优解，得到此时的输出功率p、输出电压u和输出电流i，若否，则返回步骤s33。

步骤s4中的具体步骤如下：

s41、根据粒子群寻优得到的初始最大功率工作点，得到最大功率点的输出电阻rmax；

s42、根据下述公式计算对应的初始占空比d：

rl(1-d)2＝rmax

式中，rl为最大功率点控制电路的负载电阻。

步骤s5具体步骤如下：

s51、将初始占空比d作为自适应干扰观察法的起始占空比；

s52、设置变步长速度因子α、最大△dmax和最小△dmin；

s53、计算占空比扰动变步长△d＝α(dp/du)；

s54、进行搜索获得最终占空比，使光伏阵列最终稳定在最大功率点。

所述的最大功率点控制电路为基于boost电路的最大功率点跟踪控制电路。

本发明的有益效果：本发明一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统及其方法通过自动调节光伏板的最佳受光角度，从而提高光伏阵列的发电效率，其次采用最大粒子群算法结合自适应干扰观测法，控制光伏阵列工作，使其稳定工作在最大功率点附近，显著提高光伏发电的输出功率精度。

附图说明

图1为本发明的一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统的结构示意图。

图2为本发明的一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统的光伏组件的结构图。

图3为一种光伏最大功率点跟踪自动控制方法流程图。

图中标记说明：1-光伏阵列、2-直流变换器、3-滤波器、4-逆变器、5-电信号采样单元、6-中心控制器、7-传感器单元、8-驱动机构、11-光伏板、12-底座、13-支撑杆、14-滑动球、81-液压泵，82-气缸、83-连接件、84-油导管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1所示，一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统的结构示意图，包括光伏阵列1、直流变换器2、滤波器3、逆变器4、驱动机构8、中心控制器6、电信号采样单元5以及传感器单元7，电信号采样单元5采集光伏组件的输出电压值和电流值，与中心控制器6电连接；直流变换器2用于根据脉宽调制信号调节光伏阵列1的功率输出参数，直流变换器2的输入端与光伏阵列1的输出端电连接，直流变换器2的控制端与中心控制器6的控制端电连接；滤波器3为超级电容器，一端与直流变换器2的输出端电连接，另一端与逆变器4的输入端电连接，逆变器4，用于将光伏阵列1输出的直流电转换为符合输出干线电压频率的交流电；传感器单元7采集环境数据，与中心控制器6电连接；驱动机构8，用于驱动光伏阵列1机械调整受光面的角度，与中心控制器6电连接；中心控制器6，包括有主控器和存储器，存储器与主控器电连接。

如图2所示，光伏阵列1由若干个光伏组件组成，各个光伏组件包括光伏板11、支撑杆13以及底座12，支撑杆13的上端与光伏板11的中心顶端固定连接，支撑杆13的下端设置有滑动球14，底座12的上端设置有球形槽，支撑杆13通过滑动球14与球形槽滑动连接。

驱动机构8包括分别对称有设置在光伏板11四个端角的调节机构和液压泵81，调节机构包括气缸82以及连接件83，连接件83固定设置在光伏板11的端角下端，驱动气缸82的一端与连接件83铰接，驱动气缸82的下端与底座12固定连接，四个气缸82的驱动端通过油导管84分别与液压泵81的输出端口密封连接，四个气缸82受液压泵81单独控制，液压泵81的驱动端与主控器电连接。

传感器单元7包括温度传感器、光照传感器、定位器以及倾角传感器，温度传感器、光照传感器、定位器以及倾角传感器均与主控器电连接，倾角传感器安装在光伏板11的中心下端用于检测光伏板11的倾角，温度传感器和光照传感器安装在光伏板11的上端用于检测光伏板11的表面温度以及环境中的光照强度。

如图3所示，一种光伏最大功率点跟踪自动控制方法，包括如下步骤：

s1、主控器对光伏板11所在地理位置通过传感器单元7采集的实时数据进行分析，控制驱动机构8动作，驱动机构8调整光伏阵列1的倾角，使得太阳光直射照向光伏阵列1；

s2、主控器实时采集光伏阵列1的输出电压和输出电流值，得到输出电压和输出电流的数据阵列，并将数据存储在存储器中；

s3、在主控器的运算单元中采用最大粒子群算法搜索光伏阵列1的初始最大功率点，算法的输入为存储器中存储的电流电压矩阵数据，得到此时的输出功率、输出电压和输出电流；

s4、根据粒子群算法搜索到的初始最大功率点，得到对应的初始占空比；

s5、根据初始占空比采用自适应干扰观测法进行变步长占空比扰动控制，将最终占空比控制信号输出给最大功率点控制电路；

s6、最大功率点控制电路根据最终占空比控制信号控制光伏阵列1工作，使其稳定工作在最大功率点附近。

步骤s3中，采用粒子群算法搜索光伏阵列1的初始最大功率工作点具体步骤如下：

s31、初始化粒子群参数，确定种群粒子个数、学习因子、加权系数、最大速度和迭代次数；

s32、确定目标函数，目标函数为太阳光直射下光伏阵列1的输出功率p(u,i)；

s33、计算各个粒子的适应度函数值，并通过比较得到各个粒子的当前最优适应值pbest和全局最优适应值gbest；

s34、更新粒子的速度、位置和目标函数；

s35、判断是否满足迭代次数，若是，则输出最优解，得到此时的输出功率p、输出电压u和输出电流i，若否，则返回步骤s33。

步骤s4中的具体步骤如下：

s41、根据粒子群寻优得到的初始最大功率工作点，得到最大功率点的输出电阻rmax；

s42、根据下述公式计算对应的初始占空比d：

rl(1-d)2＝rmax

式中，rl为最大功率点控制电路的负载电阻。

步骤s5具体步骤如下：

s51、将初始占空比d作为自适应干扰观察法的起始占空比；

s52、设置变步长速度因子α、最大△dmax和最小△dmin；

s53、计算占空比扰动变步长△d＝α(dp/du)；

s54、进行搜索获得最终占空比，使光伏阵列1最终稳定在最大功率点。

最大功率点控制电路为基于boost电路的最大功率点跟踪控制电路。

以上所述之具体实施方式为本发明一种光伏最大功率点跟踪自动控制系统及其方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。