一种光伏电池最大功率点跟踪方法、设备和介质

1.本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种光伏电池最大功率点跟踪方法、设备和介质。


背景技术：

2.光伏电池的输出功率受电压、电流、温度和光照强度等条件的影响。一般来说，光照强度越强，能够输出的最大功率越大；在相同的光照强度下，温度越高，输出电压越低。所以，光伏电池的最大输出功率随着光照强度和温度的变化而变化。如果需要把太阳能尽可能多地转换为电能，对光伏电池的输出电压和电流进行控制，使其始终保持在最大输出功率点运行。可见，光伏电池的最大功率点跟踪对于光伏系统的工作性能尤为重要。
3.目前光伏电池最大输出功率跟踪方法主要包括扰动法、代数法和人工智能法等。其中，扰动法是指在光伏电池运行时，加入一个随机扰动，通过比较扰动前后的输出功率，若加入扰动后的输出功率比扰动前的功率小，就向相反的方向进行搜索，反之，则向相同的方向进行搜索。但这种方法的主要缺陷是在扰动过程中输出功率不稳定。其中，代数法是指建立光伏电池的伏安曲线模型，在不同的温度和光照条件下，根据当前运行电压电流在伏安曲线上的位置，计算当前条件下功率最大点的电压电流值，并进行调整。但这种方法的主要缺陷是不能适应光伏电池老化、污秽等影响下，光伏电池参数发生变化时最大输出功率跟踪的需要。其中，人工智能法是指采用神经网络等人工智能技术，通过大规模的数据训练，得到光伏电池在不同条件下的功率输出拟合曲线，进而预测和跟踪最大输出功率点。但这种方法的主要缺陷是对软硬件的要求高，结构复杂，且成本较高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种光伏电池最大功率点跟踪方法、设备和介质，用于解决现有技术中存在的至少一个技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种光伏电池最大功率点跟踪方法，包括：
7.步骤一：在光伏电池的伏安特性曲线上，设分别与纵轴和横轴相交的点为第一功率点p1(u1，i1)和第二功率点p2(u2，i2)，同时设第三功率点p3(u3，i3)的电压电流为零；
8.步骤二：根据第一功率点p1(u1，i1)和第二功率点p2(u2，i2)，计算第一调整电压u1，
9.步骤三：将光伏电池的当前运行电压控制在第一调整电压u1，测量得到当前运行电流，并将当前运行电压值和电流值作为第三功率点p3(u3，i3)的坐标值；
10.步骤四：将功率点p1(u1，i1)、p2(u2，i2)和p3(u3，i3)的坐标按照电压从小到大进行排序，将排序后的坐标按序重新赋给p1(u1，i1)、p2(u2，i2)和p3(u3，i3)，若此时
ε1表示第一阈值，则进入步骤九，否则，进入步骤五；
11.步骤五：更新计算第一调整电压u1，若u1＜u1＜u2，则返回至步骤三，否则进入步骤六；
12.步骤六：更新计算第一调整电压u1，若u2＜u1＜u3，则将当前第三功率点p3(u3，i3)的坐标值赋给当前第一功率点p1(u1，i1)，并返回至步骤三，否则进入步骤七；
13.步骤七：更新计算第一调整电压u1，若则重新计算u1，此时若则重新计算u1，此时将当前第三功率点p3(u3，i3)的坐标值赋给第一功率点p1(u1，i1)，然后返回至步骤三，否则进入步骤八；
14.步骤八：更新计算第一调整电压u1，若且则对u1进行纠错计算，此时然后返回至步骤三，否则进入步骤九；
15.步骤九：循环执行步骤三至步骤八，直至则停止静态最大功率点跟踪搜索，并将光伏电池当前运行的实时电压值和实时电流值赋予第三功率点p3(u3，i3)。
16.在一种可能的设计中，在跟踪搜索到静态最大功率点之后，所述方法还包括：
17.步骤十：对光伏电池在参数扰动下的最大功率点进行跟踪搜索。
18.在一种可能的设计中，所述光伏电池的输出端并联有电容，所述电容上并联有电流/电压控制器，所述电容和所述电流/电压控制器的同一端之间设有电感。
19.在一种可能的设计中，所述步骤三包括：
20.使所述电流/电压控制器按照控制电压的方式运行，在运行稳定后，将所述电容上的电压uc控制在第一调整电压u1，并测量此时电感上的电流i
l
；
21.将电压uc和电流i
l
作为第三功率点p3(u3，i3)的坐标值。
22.在一种可能的设计中，所述步骤十包括：
23.步骤a:若历史最大的第四功率点p4(u4，i4)和当前运行的第六功率点p6(u6，i6)之间的功率差值大于第二阈值σ，则进入步骤b；
24.步骤b：若i6》i4，则令第二调整电压u2＝u6 2(u
6-u4)，若i6＜i4，则令第二调整电压u2＝u
6-2(u
6-u4)，并将第六功率点p6(u6，i6)的坐标值赋给第四功率点p4(u4，i4)，同时设第五功率点p5(u5，i5)的电压电流为零；
25.步骤c：将光伏电池的当前运行电压控制在第二调整电压u2，测量得到当前运行电流，并将当前运行电压值和电流值作为当前第六功率点p6(u6，i6)的坐标值；
26.步骤d：将p6(u6，i6)的坐标值赋给p5(u5，i5)，将功率点p4(u4，i4)和p5(u5，i5)按照电压从小到大排序，并将排序后的坐标按序重新赋给p4(u4，i4)和p5(u5，i5)；
27.步骤e：更新计算第二调整电压u2，若u2＜u4，则令u2＝u
4-(u
5-u4)，若u2＞u5，则令u2＝u5 (u
5-u4)；
28.步骤f：将光伏电池的当前运行电压控制在第二调整电压u2，测量得到当前运行电流，并将当前运行电压值和电流值作为当前第六功率点p6(u6，i6)的坐标值；
29.步骤g：将功率点p4(u4，i4)、p5(u5，i5)和p6(u6，i6)按照电压从小到大排序，并将排序后的坐标按序重新赋给p4(u4，i4)、p5(u5，i5)和p6(u6，i6)，若此时ε2表示第三阈值，则进入步骤l，否则，进入步骤g；
30.步骤h：更新计算第二调整电压u2，若u4＜u2＜u5，则返回至步骤f，否则进入步骤i；
31.步骤i：更新计算第二调整电压u2，若u5＜u2＜u6，则将当前第六功率点p6(u6，i6)的坐标值赋给当前第四功率点p4(u4，i4)，并返回至步骤f，否则进入步骤j；
32.步骤j：更新计算第二调整电压u2，若u2＜u4，则重新计算u2，此时若且u2＞u6，则重新计算u2，此时
将当前第六功率点p6(u6，i6)的坐标值赋给当前第四功率点p4(u4，i4)，然后返回至步骤f，否则进入步骤k；
33.步骤k：更新计算第二调整电压u2，若且则对u2进行纠错计算，此时然后返回至步骤f，否则进入步骤l；
34.步骤l：循环执行步骤f至步骤k，直至则停止参数扰动下的最大功率点跟踪搜索，并将光伏电池当前运行的实时电压值和实时电流值赋给p6(u6，i6)。
35.在一种可能的设计中，所述步骤c或步骤f包括：
36.使电流/电压控制器按照控制电压的方式运行，在运行稳定后，将所述电容上的电压u
c2
控制在第二调整电压u2，并测量此时电感上的电流i
l2
；
37.将电压u
c2
和电流i
l2
作为当前运行功率点p6(u6，i6)的坐标值。
38.第二方面，本发明提供一种计算机设备，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的光伏电池最大功率点跟踪方法。
39.第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的光伏电池最大功率点跟踪方法。
40.第四方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如如第一方面任意一种可能的设计中所述的光伏电池最大功率点跟踪方法。
41.有益效果：
42.本发明所使用的方法在跟踪光伏电池最大功率输出点时不依赖于具体的伏安特性曲线，对在不同工作状态和不同环境下工作的光伏电池都能实现跟踪，也不依赖于具体的太阳能电池厂家的产品，具有广泛的适用性；同时，本发明所提供的方法是目标引导搜索，每一次搜索都能明确确定方向和步长，能最大限度地减小搜索次数，使得跟踪的速度更快；跟踪完成后，系统将停止搜索并保持稳定运行，从而最大限度降低了系统自扰动；此外，本方法能够根据环境的变化及时跟踪最大功率点，具有很好的跟踪稳定性，且计算量小，计算简单，不需要庞大的数据库支持，也不需要复杂的训练和学习，对控制系统的硬件和软件要求都比较低，工程实现较为简单，能够有效降低设备的成本，提高经济效率。
附图说明
43.图1为本实施例中的光伏电池的伏安特性曲线示意图；
44.图2为本实施例中的光伏电池最大功率点跟踪方法的流程示意图；
45.图3为本实施例中控制光伏电池输出的电路结构示意图。
具体实施方式
46.为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，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。
47.实施例
48.如图1-图3所示，第一方面，本发明提供一种光伏电池最大功率点跟踪方法，包括但不限于由步骤一至步骤九实现，具体如下：
49.步骤一：在光伏电池的伏安特性曲线上，设分别与纵轴和横轴相交的点为第一功率点p1(u1，i1)和第二功率点p2(u2，i2)，同时设第三功率点p3(u3，i3)的电压电流为零；
50.其中，需要说明的是，由于第一功率点p1(u1，i1)是与纵轴相交的点，则其坐标值所对应的电压电流应分别为短路电压和短路电流，同理，由于第二功率点p2(u2，i2)是与横轴相交的点，则其坐标值所对应的电压电流值应分别为开路电压和开路电流，即第一功率点p1(u1，i1)和第二功率点p2(u2，i2)分别是光伏电池伏安特性曲线的两个端点；此时另设第三功率点p3(u3，i3)，并将其初始值赋值为零，以供后续在伏安特性曲线上逐步搜索跟踪获取最大功率点。
51.步骤二：根据第一功率点p1(u1，i1)和第二功率点p2(u2，i2)，计算第一调整电压u1，
52.步骤三：将光伏电池的当前运行电压控制在第一调整电压u1，测量得到当前运行电流，并将当前运行电压值和电流值作为第三功率点p3(u3，i3)的坐标值；
53.具体的，如图2所示，本实施例中的光伏电池b的输出端并联有电容c，所述电容c上并联有电流/电压控制器control，所述电容c和所述电流/电压控制器control的同一端之间设有电感l；其中，电流/电压控制器control可控制光伏电池按照控制电压或控制电流的方式运行，且电容上的电压uc等于光伏电池的输出电压ub，光伏电池的输出电流ib等于电感c上的电流i
l
。
54.优选的，在步骤三一种具体的实施方式中，包括：
55.使所述电流/电压控制器按照控制电压的方式运行，在运行稳定后，将所述电容上的电压uc控制在第一调整电压u1，并测量此时电感上的电流i
l
；
56.将电压uc和电流i
l
作为第三功率点p3(u3，i3)的坐标值。
57.基于上述，可以获知，通过将电流/电压控制器按照控制电压的方式运行，在稳定后，使得电容c上的电压uc为所述第一调整电压u1，此时通过测量电感l上的电流i
l
，即可得到此时光伏电池的输出电流ib，因为电感l上的电流等于光伏电池的输出电流，从而得到运行点在伏安特性曲线上的坐标值。
58.步骤四：将功率点p1(u1，i1)、p2(u2，i2)和p3(u3，i3)的坐标按照电压从小到大进行
排序，将排序后的坐标按序重新赋给p1(u1，i1)、p2(u2，i2)和p3(u3，i3)，若此时ε1表示第一阈值，则进入步骤九，否则，进入步骤五；
59.其中，需要说明的是，本实施例中只是对各坐标值按照电压从小到大进行排序，而不对功率点本身进行排序，本实施例的目的是通过对坐标值的重新排序来对各功率点进行重新赋值。例如：选取p1(0.5,0)，p2(0,2.5)，通过计算得到第一调整调压u1＝0.5，假设测得此时电流ib＝1a,则第三功率点p3的坐标值为(0.5,1)，对坐标值按照电压从小到大进行排序，则为(0,2.5)、(0.5,1)、(0.5,0)(由伏安特性曲线的变化规律可给出后面两个坐标值的排序)，则将上述坐标值分别赋值给p1、p2和p3，得到新的功率点坐标值分别为p1(0,2.5)、p2(0.5,1)以及p3(0.5,0)。
60.此外，需要说明的是，本实施例中的第一阈值是根据光伏电池的历史运行数据进行确定的，在不同的运行场景下可能有不同的第一阈值取值，此处不做具体限定；那么，如果此时第一功率点p1和第二功率点p2之间的值已经非常接近，并且小于预设的阈值，说明此时光伏电池已经运行在最大功率点，因此可以结束对最大功率点的搜索，并将当前运行的实时电压和电流赋给第三功率点，结束当前流程。
61.步骤五：更新计算第一调整电压u1，若u1＜u1＜u2，则返回至步骤三，否则进入步骤六；
62.其中，需要说明的是，如果u1＜u1＜u2，则说明此时搜索的功率点处于第一功率点p1和第二功率点p2的电压值区间内，通过返回到步骤三，并重复执行步骤三到步骤五，使得第一功率点p1和第二功率点p2的电压值不断逼近，直到二者的功率差值小于第一阈值，则认为当前光伏电池已经运行在最大功率点。
63.步骤六：更新计算第一调整电压u1，若u2＜u1＜u3，则将当前第三功率点p3(u3，i3)的坐标值赋给当前第一功率点p1(u1，i1)，并返回至步骤三，否则进入步骤七；
64.其中，需要说明的是，如果u2＜u1＜u3，则说明此时搜索的功率点处于第二功率点p2和第三功率点p3的电压值区间内，通过返回到步骤三，并重复执行步骤三到步骤六，使得第二功率点p2和第三功率点p3的电压值不断逼近，直到二者的功率差值小于第一阈值，则认为当前光伏电池已经运行在最大功率点。
65.步骤七：更新计算第一调整电压u1，若则重新计算u1，此时若则重新计算u1，此时
将当前第三功率点p3(u3，i3)的坐标值赋给第一功率点p1(u1，i1)，然后返回至步骤三，否则进入步骤八；
66.其中，需要说明的是，如果u1＜u1，则说明此时搜索到的点在第一功率点p1左侧，即不在p1-p3的电压值区间内，则需要将该点向右平移，以保证其在p1-p3的电压值区间内，通过返回到步骤三，并重复执行步骤三到步骤五或步骤六，使得不断缩小第一功率点p1和第二功率点p2之间的电压区间取值范围或不断缩小第二功率点p2和第三功率点p3之间的电压区间取值范围，直到第一功率点p1和第二功率点p2之间的功率差值小于第一阈值，则认为当前光伏电池已经运行在最大功率点；同理，若u1＞u3，则说明此时搜索到的点在第三功率点p3右侧，即不在p1-p3的电压值区间内，则需要将该点向左平移，以保证其在p1-p3的电压值区间内。
67.步骤八：更新计算第一调整电压u1，若且则对u1进行纠错计算，此时然后返回至步骤三，否则进入步骤九；
68.其中，需要说明的是，步骤八是一个排除算法错误的步骤，因为第一调整电压不可能同时既大于u2又小于u2，因此，若出现这一计算结果，则说明运算出现错误，则将第一调整电压重新赋值，重新进行最大功率点搜索。
69.步骤九：循环执行步骤三至步骤八，直至则停止静态最大功率点跟踪搜索，并将光伏电池当前运行的实时电压值和实时电流值赋予第三功率点p3(u3，i3)。
70.基于上述公开的内容，本发明所使用的方法在跟踪光伏电池最大功率输出点时不依赖于具体的伏安特性曲线，对在不同工作状态和不同环境下工作的光伏电池都能实现跟踪，也不依赖于具体的太阳能电池厂家的产品，具有广泛的适用性；同时，本发明所提供的方法是目标引导搜索，每一次搜索都能明确确定方向和步长，能最大限度地减小搜索次数，使得跟踪的速度更快；跟踪完成后，系统将停止搜索并保持稳定运行，从而最大限度降低了系统自扰动；此外，本方法能够根据环境的变化及时跟踪最大功率点，具有很好的跟踪稳定性，且计算量小，计算简单，不需要庞大的数据库支持，也不需要复杂的训练和学习，对控制系统的硬件和软件要求都比较低，工程实现较为简单，能够有效降低设备的成本，提高经济效率。
71.由于光伏电池的输出功率会受到各种因素的影响，其中尤其是光照强度和温度的变化影响最为显著。在其它参数不变的情况下，如果光照强度增加，保持输出电压不变，则输出电流增加；保持输出电流不变，则输出电压增加；相反，如果光照强度降低，保持输出电压不变，则输出电流减小，保持输出电流不变，则输出电压减小；相应地，最大功率点发生变化，需要调整光伏电池的输出电压和电流，以保持光伏电池运行在最大功率点上。如果其它
参数不变，温度发生变化，则光伏电池的开路电压会发生改变，温度升高，开路电压会降低，温度降低，开路电压会升高；但光伏电池的短路电流保持不变，相应的，光伏电池的伏安特性曲线在不同的温度下不一样，最大输出功率点也不一样，随着温度的变化，也需要改变光伏电池的输出电压和电流，保持光伏电池运行在最大输出功率点。
72.那么，在一种具体的实施方式中，在跟踪搜索到静态最大功率点之后，所述方法还包括：
73.步骤十：对光伏电池在参数扰动下的最大功率点进行跟踪搜索。
74.具体的，所述步骤十包括：
75.步骤a:若历史最大的第四功率点p4(u4，i4)和当前运行的第六功率点p6(u6，i6)之间的功率差值大于第二阈值σ，则进入步骤b；
76.其中，需要说明的是，所述历史最大的第四功率点p4(u4，i4)可能是上述已经跟踪搜索到的最大功率点，即第三功率点p3，在静态条件下，光伏电池始终以第三功率点p3的电压和电流进行输出，以保证最佳的输出性能。然而，当加入扰动时，例如温度和光照强度的变化，将使得最大功率点发生偏移，因此，需要对参数扰动下的最大功率点进行动态跟踪。
77.步骤b：若i6》i4，则令第二调整电压u2＝u6 2(u
6-u4)，若i6＜i4，则令第二调整电压u2＝u
6-2(u
6-u4)，并将第六功率点p6(u6，i6)的坐标值赋给第四功率点p4(u4，i4)，同时设第五功率点p5(u5，i5)的电压电流为零；
78.步骤c：将光伏电池的当前运行电压控制在第二调整电压u2，测量得到当前运行电流，并将当前运行电压值和电流值作为当前第六功率点p6(u6，i6)的坐标值；
79.具体的，步骤c包括：
80.使电流/电压控制器按照控制电压的方式运行，在运行稳定后，将所述电容上的电压u
c2
控制在第二调整电压u2，并测量此时电感上的电流i
l2
；
81.将电压u
c2
和电流i
l2
作为当前运行功率点p6(u6，i6)的坐标值。
82.步骤d：将p6(u6，i6)的坐标值赋给p5(u5，i5)，将功率点p4(u4，i4)和p5(u5，i5)按照电压从小到大排序，并将排序后的坐标按序重新赋给p4(u4，i4)和p5(u5，i5)；
83.步骤e：更新计算第二调整电压u2，若u2＜u4，则令u2＝u
4-(u
5-u4)，若u2＞u5，则令u2＝u5 (u
5-u4)；
84.步骤f：将光伏电池的当前运行电压控制在第二调整电压u2，测量得到当前运行电流，并将当前运行电压值和电流值作为当前第六功率点p6(u6，i6)的坐标值；
85.具体的，步骤f包括：
86.使电流/电压控制器按照控制电压的方式运行，在运行稳定后，将所述电容上的电压u
c2
控制在第二调整电压u2，并测量此时电感上的电流i
l2
；
87.将电压u
c2
和电流i
l2
作为当前运行功率点p6(u6，i6)的坐标值。
88.步骤g：将功率点p4(u4，i4)、p5(u5，i5)和p6(u6，i6)按照电压从小到大排序，并将排
memory，ram)、只读存储器(read-only memory，rom)、闪存(flash memory)、先进先出存储器(first input first output，fifo)和/或先进后出存储器(first input last output，filo)等等；所述处理器可以不限于采用型号为stm32f105系列的微处理器；所述收发器可以但不限于为wifi(无线保真)无线收发器、蓝牙无线收发器、gprs(general packet radio service，通用分组无线服务技术)无线收发器和/或zigbee(紫蜂协议，基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议)无线收发器等。此外，所述计算机设备还可以但不限于包括有电源模块、显示屏和其它必要的部件。
97.本实施例第二方面提供的前述计算机设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
98.第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的光伏电池最大功率点跟踪方法。
99.其中，所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(memory stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
100.本实施例第三方面提供的前述可读存储介质的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
101.第四方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如如第一方面任意一种可能的设计中所述的光伏电池最大功率点跟踪方法。
102.本实施例第四方面提供的前述计算机程序产品的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
103.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。