CN101873090B

CN101873090B - 有部分遮蔽的光伏发电系统最大功率输出优化控制方法

Info

Publication number: CN101873090B
Application number: CN2010102230391A
Authority: CN
Inventors: 刘立群; 刘春霞; 蔡江辉; 杨晋岭; 于少娟
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: CN101873090A

Abstract

一种有部分遮蔽的光伏发电系统最大功率输出优化控制方法，属于光伏发电技术领域，该方法的操控流程是在光伏发电电路中给定一个初始的PWMs→采集输出端的电压信号VS和电流信号CS→对VS、CS进行A/D转换并输入单片机A→计算出此时刻的输出功率值→调用扰动PWM法→判断系统输出是否稳定，否，重新返回第二步进行；是，计算并保存PWM值和输出功率→以±1％步长扰动并扫描PWM附近±25％区域→判断是否有新的最大功率点，否，保存并输出优化的PWM波和最大功率；是，保存并输出新的最大功率点的最大功率和PWM波→判断系统输出的最大功率是否存在超过5％的变化，是，返回第二步重新操控；否，结束。

Description

有部分遮蔽的光伏发电系统最大功率输出优化控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种可以在有部分遮蔽状况下光伏发电系统最大功率输出的优化控制方法。

技术背景

目前，可再生能源的开发和利用日益得到各国政府的关注，在不久的将来通过光伏将太阳能转换成电能具有很大的开发潜力。据2004年欧盟联合研究中心预测，到本世纪末，光伏发电在整个世界能源供应中的比率将超过60％。目前，光伏发电系统(以下将简称为“系统”)存在的问题是投资成本高、输出效率低、输出电能不稳定等，对于较大规模的系统而言，光伏被云、建筑物、树影等部分遮蔽的情况经常发生，被遮蔽的部分不但不能输出电能，还会成为系统的耗能负载，因此，研究提供一种适于在有部分遮蔽状况下光伏发电系统输出最大功率的控制方法是十分必要的。

目前，现有技术中在有部分遮蔽状况下输出最大功率的方法，多是非常复杂的优化算法或者是对电路进行优化的方法，虽然在一定程度上解决了输出最大功率的问题，但都存在精度差、适应性差、跟踪效率低和计算量大等不足。

由检索得知G.Carannante等在《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIALELECTRONICS》(美国电气电子工程师协会工业电子期刊)(2009年56卷11期，第4374-4380页)上发表的“Experimental Performance of MPPT Algorithmfor Photovoltaic Sources Subject to Inhomogeneous Insolation”(光伏非均匀照射试验性能的MPPT算法)一文中提出部分遮蔽情况下的跟踪算法，但是该方法计算量很大，很难在实际中得以应用。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于在有部分遮蔽状况下易于实现光伏发电系统输出最大功率的控制方法，可以有效地克服现有技术存在的精度差、适应性差、跟踪效率低和计算量大等缺点。

本发明是这样实现的，其基本电路中包括光伏电池PV、高频电感L1、绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应管MOSFET、肖恩特二极管D1、电容C1、电压采集传感器AVS、电流采集传感器ACS、驱动芯片Q、直流负载R及单片机A，VS和CS分别代表电路中直流负载端的电压信号和电流信号，其中单片机A由A/D转换端口A3、扰动PWM扫描控制模块A2和变占空比PWM输出模块A1构成，A/D表示为模拟/数字信号转换，A1通过驱动芯片Q控制IGBT或MOSFET的开关，L1、D1和IGBT或MOSFET组成升压斩波Boost电路(见图1所示)。

本发明实施过程的特征是：首先是在上述光伏发电系统(以下简称为“系统”)开始工作时，先给系统一个初始的脉宽调制波(以下简称“PWM”)PWMs，去控制Boost电路中IGBT或MOSFET的开关，再通过AVS和ACS分别采集某一时刻的直流负载端输出的电压信息值VS和电流信息值CS，再根据采集到的VS和CS经过A/D转换并输入单片机A，计算出此时刻“系统”输出的功率值P；然后，当系统输出稳定后，再通过对系统输出的PWM波占空比的扰动，改变光伏电池的功率输出，直到系统输出一个最大的功率值，此时，如果系统没有被部分遮蔽，则系统输出的最大功率值就位于系统实际的最大功率点A处，设此时输出的脉宽调制波为PWM_A，而如果系统被部分遮蔽时，则上述最大功率值就不一定是系统实际的最大功率值，此时，根据最大功率点A处的PWM_A的占空比，并以改变PWM_A占空比±1％的步长，扫描工作点A附近±25％区域的工作点，寻找新的最大功率点，如果扫描显示该范围内没有比A点输出功率值更大的工作点出现，则可以确定A点就是系统的实际最大功率点；而如果扫描显示在该范围内出现了比A点输出功率更大的工作点B，则可将B定义为新的最大功率点，并且再重复上述过程，直至得到系统的实际最大功率点C，C点的输出功率值即为系统的最大功率值，保存C点输出的脉宽调制波PWMc值，并得到稳定的系统输出功率值Pc，如果系统输出功率变化值超过5％，则说明系统有部分遮蔽的状况发生了改变，或是系统照射状况发生了改变，此时，就必须再重复上述过程，直至找到系统实际的最大功率点，输出最大功率值，并得到相应的优化PWM；如果系统输出稳定，则说明系统有部分遮蔽的状况没有改变，或系统处在均匀照射的情况，则系统的优化PWM不需改变。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：(1)输出效率高：传统方法是只考虑均匀照射状况的控制方法，由于不能确定系统是否发生了有部分遮蔽的状况，所以能量损失不可避免，而本发明方法中采用了扰动PWM及扫描控制方法，考虑了有部分遮蔽状况，所以输出效率要比传统的只考虑均匀照射控制方法的输出效率要高；(2)对部分遮蔽状况的灵敏度高：传统控制方法没有考虑系统有部分遮蔽的状况，当然也不可能确定系统是否发生了有部分遮蔽的状况，而本发明方法中采用了的扰动PWM及扫描控制方法考虑到有部分遮蔽状况，对部分遮蔽状况的发生能做出快速的判断，因此灵敏度大幅提高；(3)跟踪速度较快：本发明所采用的是简单的扰动PWM波结合扫描的方法，所以计算量较小，与现有的一些的跟踪方法如G.Carannante等提出的优化算法相比较，原理简答，实现容易，跟踪速度较快；(4)性价比高，整个系统主电路设计采用简单的Boost电路，成本低廉，对于提高昂贵的光伏发电系统的性能具有积极意义。

附图说明

图1为本发明系统组成示意图；

图2为本发明控制流程图；

图3为传统扰动PWM控制方法有部分遮蔽状况下的跟踪效果仿真结果示意图。

图4为本发明在有部分遮蔽状况下的扰动PWM及扫描控制方法跟踪效果仿真结果示意图；

具体实施方式

如图1所示，光伏电池PV输出的电能通过由L1、D1和IGBT组成的Boost电路中IGBT的开关实现输出电压的变换，电流采集传感器ACS和电压采集传感器AVS采集直流负载R端输出的电流信息CS和电压信息VS，CS和VS输入单片机A的A/D转换端口A3，通过软件编程实现所述的扰动PWM扫描控制模块A2和变占空比PWM输出模块A1，并通过驱动芯片Q控制IGBT的开关，(其中如单片机无内部A/D转换功能可外部扩展A/D转换)。

本发明具体操作流程如下，如图2所示：

步骤一、给系统输入一个初始的脉宽调制波PWMs，让系统可以输出电压和电流；

步骤二、通过电流采集传感器ACS和电压采集传感器AVS采集系统负载端口的电流信息CS值和电压信息VS值；

步骤三、将测得的VS和CS值进行A/D转换并输入单片机A；

步骤四、通过单片机A计算出该时刻的输出功率P1；

步骤五、采用占空比扰动PWM法改变系统的输出功率，通过比较输出功率的大小，找到系统输出一个最大的功率值；

步骤六、判断输出功率是否稳定，如果系统输出稳定，则说明此时系统已经找到了一个稳定的输出功率峰值点P1，可执行步骤七；否则说明系统还没有找到一个稳定的输出峰值点，返回步骤二，直至找到一个稳定的输出功率峰值点；

步骤七、根据找到的峰值点保存并输出对应的PWM和输出功率值P1；

步骤八、以正负1％步长扰动保存的PWM波的占空比，并扫描该PWM附近正负25％区域；

步骤九、判断在扫描区域内是否存在一个新峰值点的输出功率P2大于原峰值点的输出功率值P1，如果不存在则说明该峰值点的输出功率就是系统的最大输出功率值，执行步骤十，否则说明该峰值点的输出功率不是系统的最大输出功率值，保存新峰值点的PWM1和功率值P2，并返回步骤八，直至找到系统的最大输出功率峰值点的PWM2和输出功率P3；

步骤十、保存并输出优化的PWM2和功率P3值；

步骤十一、判断系统输出的功率值是否存在超过5％的变化，如果没有则表示系统外部天气或阴影状况基本稳定，输出的优化PWM2可以固定下来，如果超过了5％则表示外部天气或阴影状况发生了改变，就必须重新从步骤二开始调用程序。

通过图3和图4的比较可以看出，在发生部分遮蔽时，采用本发明方法得到的最大输出功率输出曲线的超调量较小，输出特性较为稳定，对部分遮蔽的发生非常灵敏，输出振动幅值较小；与之对应，传统的扰动电压MPPT方法的最大输出功率曲线超调量较大，输出特性不太稳定，输出振动幅值较大，对部分遮蔽的发生不灵敏。

Claims

1.一种有部分遮蔽的光伏发电系统最大功率输出优化控制方法，其基本电路中包括光伏电池PV、高频电感L1、绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应管MOSFET、肖恩特二极管D1、电容C1、电压采集传感器AVS、电流采集传感器ACS、驱动芯片Q、直流负载R及单片机A，VS和CS分别代表电路中直流负载端的电压信号和电流信号，其中单片机A由A/D转换端口A3，扰动PWM扫描控制模块A2和变占空比PWM输出模块A1构成，A/D表示为模拟/数字信号转换，A1通过驱动芯片Q控制IGBT或MOSFET的开关，L1、D1和IGBT组成升压斩波Boost电路；

所述的有部分遮蔽的光伏发电系统最大功率输出优化控制方法实施过程的特征是：首先是在上述光伏发电系统，以下简称为“系统”，步骤一、开始工作时，先给系统一个初始的脉宽调制波PWM_S，去控制Boost电路中IGBT或MOSFET的开关；步骤二、再通过AVS和ACS分别采集某一时刻的直流负载端输出的电压信息值VS和电流信息值CS，再根据采集到的VS和CS经过A/D转换并输入单片机A，计算出此时刻“系统”输出的功率值P；然后，当系统输出稳定后，再通过对系统输出的脉宽调制波占空比的扰动，改变光伏电池的功率输出，直到系统输出一个最大的功率值，此时，如果系统没有被部分遮蔽，则系统输出的最大功率值就位于系统实际的最大功率点A处，设此时输出的脉宽调制波为PWM_A，而如果系统被部分遮蔽时，则上述最大功率值就不一定是系统实际的最大功率值；步骤三、此时，根据最大功率点A处的PWM_A的占空比，并以改变PWM_A占空比±1％的步长，扫描工作点A附近±25％区域的工作点，寻找新的最大功率点，如果扫描显示该范围内没有比A点输出功率值更大的工作点出现，则确定A点就是系统的实际最大功率点；步骤四、而如果扫描显示在该范围内出现了比A点输出功率更大的工作点B，则将B定义为新的最大功率点，并且再返回步骤三，直至得到系统的实际最大功率点C，C点的输出功率值即为系统的最大功率值，保存C点输出的脉宽调制波PWM_C值，并得到稳定的系统输出功率值Pc；步骤五、如果系统输出功率变化值超过5％，则说明系统有部分遮蔽的状况发生了改变，或是系统照射状况发生了改变，此时，就必须再返回步骤二，直至找到系统实际的最大功率点，输出最大功率值，并得到相应的优化脉宽调制波；如果系统输出稳定，则说明系统有部分遮蔽的状况没有改变，或系统处在均匀照射的情况，则系统的优化脉宽调制波不需改变。