一种光伏发电最大功率点跟踪装置及其跟踪方法 【技术领域】
本发明涉及太阳能热利用中高精度跟踪控制技术中的一种光伏发电系统最大功率点跟踪装置及其跟踪方法，属于光伏发电系统中最大功率点跟踪控制领域。
背景技术
在光伏发电系统中，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)问题是研究者最为关注的问题之一，即保持系统工作在功率曲线的峰值点，最大效率地将太阳能转变为电能。
选择优化方法时，需要统筹考虑多方面的因素，包括实现的难易程度、经济成本、跟踪速度、适应能力等，尤其是外界环境的光照和温度，对电压/功率曲线上最大功率点影响很大，因此，所采用优化方法对环境变化的适应性是关注的重点问题。当前采用的优化算法分为自寻优算法和非自寻优算法，其中主要方法包括：恒定电压法、扰动观测法、导纳增量法。恒定电压法将光伏电池输出电压控制在设定的最大功率点电压处，虽然结构简单、易于实现，但MPPT精度差，且在外界环境条件改变时，对最大功率点变化的适应性差；扰动观测法通过周期性的增加或减少系统的输出电压寻找最大功率点，优点是控制思想简单，实现方便，提高利用效率，缺点是扰动方向总是不断改变，稳态时在最大功率点附近振荡运行，控制精度与步长设置密切相关；导纳增量法是通过测量光伏发电系统的增量电导和瞬时电导调节系统的参考电压，优点是控制效果好，控制稳定性高，不受功率时间曲线的影响，缺点是对系统精度要求较高，控制算法较复杂，需要变步长策略加以修正。因此，扰动观测法和导纳增量法的共同问题是步长的选择：步长过小，会使光伏阵列较长时间滞留在低功率输出区；步长过大，会使系统的振荡加剧，难以稳定到最大功率点。
【发明内容】
本发明为解决背景技术中扰动观测法在MPPT中存在的搜索速度、步长设置和环境变化适应性问题而提出一种光伏发电最大功率点跟踪装置及其跟踪方法。
本发明的光伏发电最大功率点跟踪装置，其结构包括：核心控制电路、电压电流检测电路、温度传感器、光强传感器、信号调理电路、驱动电路和DC/DC变换电路，其中：电压电流检测电路、温度传感器和光强传感器的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接核心控制电路的模拟信号输入端，核心控制电路的PWM输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接DC/DC变换电路的一个输入端，DC/DC变换电路的输出端连接负载，电压电流检测电路的输入端和DC/DC变换电路的另一个输入端均连接光伏电池板的输出端。
一种基于上述的光伏发电最大功率点跟踪装置的跟踪方法，包括如下步骤：
(1)经验数据库的建立与扰动观测算法初始化运行
以温度值T为X坐标轴，以光强值L为Y坐标轴，以算法模块追踪得到的最大功率点作为数值建立经验数据库；然后在已知温度和光强条件下，算法模块从经验数据库中读取对应的MPPT值，作为算法运行的初始点；然后，读取光伏阵列输出电压U和输出电流I并输入算法模块计算出功率值；先比较功率值大小，再比较电压值大小，根据比较的结果进行电压步长的调整，跟踪最大功率点变化，完成扰动观测算法初始化运行；其中：所述算法模块即扰动观测算法程序，所述MPPT值包括电压值和功率值，下同；
(2)扰动观测算法循环运行与经验数据库更新
初始化运行后，扰动观测算法进入循环运行：每次读取光伏阵列输出电压U和输出电流I并计算出功率值，然后完成以下工作：
A.将计算出的功率值和读取的电压值分别与当前的功率值和电压值进行比较，从而决定电压增减的方向，跟踪最大功率点；
B.将计算出的功率值输入经验数据库并与对应温度和光强条件下的功率值进行比较，当前者比后者大时，则对经验数据库的MPPT值进行更新，反之则不变；
(3)环境变化下的调整过程
当外界光照强度和环境温度发生变化引起最大功率点跳变时，重新设定搜索的初始点：先设定光强和温度的变化幅值，当测得光强值或温度值变化大于设定值时，则中断算法的循环运行，进入步骤(1)中的初始化运行；完成初始化运行后，开始新一轮循环运行过程。
本发明以经验数据库作为扰动观测法的有益补充，弥补了该方法原有的不足，使整体功能更完善。与现有设计相比，总体具有如下有益效果：
1、从经验数据库中提取相应的MPPT值作为初始点，提高了MPPT的搜索效率，能很快找到最大功率点；
2、光照强度和环境温度是影响MPPT的主要外界因素，经验数据库所对应的数据是在不同光强和温度下取得的，增强了本发明对外界环境变化的适应能力；
3、由于初始点与最大功率点距离较近，所以可以选取较小的步长，避免了大步长带来的振荡情况，提高了扰动观测法的稳定性。
【附图说明】
图1是本发明的原理结构示意图。
图2是本发明地结构框图。
图3是本发明在独立光伏系统中应用示意图。
图4是扰动观测法流程图。
图5是本发明中的驱动电路原理图。
【具体实施方式】
如图1所示是本发明的MPPT装置原理结构示意图，它的结构包括：扰动观测算法模块、经验数据库、信号输入检测电路和PWM驱动电路，其中：信号输入检测电路主要检测四个输入信号：环境温度T、光照强度L、光伏阵列输出电压U和输出电流I；PWM驱动电路进行步长的占空比调整，从而改变输出电压；经验数据库和扰动观测算法模块构成本发明的核心部分，下面详细介绍它们的原理和功能：
(一)经验数据库的建立与运行：以温度值T为X坐标轴，以光强值L为Y坐标轴，以算法模块追踪得到的最大功率点作为数值，建立数据库。每一个温度T和光强L对应一个MPPT值(包括电压值和功率值)，该值由算法模块提供，并通过大小比较加以更新，存储较大值。在经验数据库建立时，将测得不同的温度值T和光强值L输入所对应的MPPT值。当同一温度T和光强L下出现不同的MPPT功率值时，通过比较保留较大值。
(二)扰动观测算法模块的运行原理：扰动观测法的运行原理是在光伏阵列正常工作时，不断对它的工作电压进行很小的扰动，在电压变化的同时，检测功率发生的变化，根据功率变化方向，决定电压改变的方向，从而不断追踪最大功率点。这样，初始点和步长的选择就成为决定该方法效果的关键因素：如果初始点与最大功率点距离较远，而步长较小，则系统较长时间滞留在低功率输出区；如果初始点与最大功率点距离较近，而步长较大，则系统的振荡加剧，难以稳定到最大功率点。所以，较好的方案就是初始点与最大功率点距离较近并选取较小的步长，而初始点的选择又是决定性的因素。经验数据库的作用就是解决初始点的选择问题：在算法模块为经验数据库提供MPPT值并及时更新的基础上，每次算法模块运行时，以经验数据库提供的数值作为扰动观测法运行的初始点。
在上述内容基础上，本发明的MPPT执行步骤如下：
(1)经验数据库的建立与扰动观测算法初始化运行
以温度值T为X坐标轴，以光强值L为Y坐标轴，以算法模块追踪得到的最大功率点作为数值建立经验数据库；然后在已知温度和光强条件下，算法模块从经验数据库中读取对应的MPPT值，作为算法运行的初始点；然后，读取光伏阵列输出电压U和输出电流I并输入算法模块计算出功率值；先比较功率值大小，再比较电压值大小，根据比较的结果进行电压步长的调整，跟踪最大功率点变化，完成扰动观测算法初始化运行；其中：所述算法模块即扰动观测算法程序，所述MPPT值包括电压值和功率值，下同；
(2)扰动观测算法循环运行与经验数据库更新
初始化运行后，扰动观测算法进入循环运行：每次读取光伏阵列输出电压U和输出电流I并计算出功率值，然后完成以下工作：
A.将计算出的功率值和读取的电压值分别与当前的功率值和电压值进行比较，从而决定电压增减的方向，跟踪最大功率点；
B.将计算出的功率值输入经验数据库并与对应温度和光强条件下的功率值进行比较，当前者比后者大时，则对经验数据库的MPPT值进行更新，反之则不变；
(3)环境变化下的调整过程
当外界光照强度和环境温度发生变化引起最大功率点跳变时，重新设定搜索的初始点：先设定光强和温度的变化幅值，当测得光强值或温度值变化大于设定值时，则中断算法的循环运行，进入步骤(1)中的初始化运行；完成初始化运行后，开始新一轮循环运行过程。通过以上调整过程可以适应环境剧烈变化对搜索过程产生的不利影响，更好地跟踪最大功率点。
如图2所示是本发明的结构框图，它包括核心控制电路、电压电流检测电路、温度传感器、光强传感器、信号调理电路、驱动电路和DC/DC变换电路，其中：电压电流检测电路、温度传感器和光强传感器的输出端均连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接核心控制电路的模拟信号输入端，核心控制电路的PWM输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接DC/DC变换电路的一个输入端，DC/DC变换电路的输出端连接负载，电压电流检测电路的输入端和DC/DC变换电路的另一个输入端均连接光伏电池板的输出端；核心控制电路还集成了看门狗电路，在调试时核心控制电路的I/O端口连接键盘、RS232接口与监控计算机双向相连、显示输出端连接LCD显示器。
图3是本发明在独立光伏系统中的应用实例示意图。根据图2和图3所示，搭建硬件电路结构，由光伏阵列将太阳能转化为电能，通过DC/DC变换电路将产生的电能转化为蓄电池所需的电压值，对其进行充电。由主控制模块(包括扰动观测算法模块和经验数据库)、信号输入检测模块、驱动电路等构成的MPPT控制系统部分检测光伏阵列的输出电压U和电流I并输入扰动观测算法模块，检测光照强度L和环境温度T并输入经验数据库，MPPT控制模块输出通过PWM电路驱动DC/DC变换器。光伏阵列通过DC/DC变换电路连接负载，DC/DC变换电路通断由控制电路的PWM信号占空比决定，核心控制芯片采用飞思卡尔公司的MC9S12系列高端16位单片控制器，温度和光强传感器采集到外界数据经过信号调理电路进入核心控制器模拟信号输入单元进行模数转换，同时将太阳能电池的电压电流信息经过采集电路、信号调理电路、模拟信号输入单元反馈到核心控制器，综合判断外界信息和电路状态调节PWM占空比，从而调节光伏电池的输出功率。核心控制器内部的看门狗电路在程序执行一遍后复位，而电路实时状态以及数据信息通过内部串行设备经RS232接口发送给监控计算机。
根据图4所示的扰动观测算法流程图编写MPPT控制单元的扰动观测算法程序。扰动观测算法由经验数据库中读取对应温度和光强下的MPPT值作为初始值，开始循环运行。每次循环读取光伏阵列输出电压U和电流I并与当前的电压和电流值进行比较，输出控制结果。设定光强和温度的变化幅值，当温度或光强变化达到设定值大小时，电压/功率曲线上最大功率点会有变化，这时需要重新读取当时温度和光强下的MPPT值作为初始值，再进行循环运行。
MPPT控制单元的输出信号，由PWM单元改变占空比，通过如图5所示的驱动电路输入DC/DC变换电路，从而确定调整方向，增加或减小一个步长电压，跟踪光伏发电系统的最大功率点。