CN102594211B

CN102594211B - 遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法及跟踪装置

Info

Publication number: CN102594211B
Application number: CN201210018058.XA
Authority: CN
Inventors: 廉小亲; 张晓力; 王敬瑞; 王嵩
Original assignee: Beijing Technology and Business University
Current assignee: Beijing Technology and Business University
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: CN102594211A

Abstract

一种遮挡的光伏发电系统输出功率优化方法及系统装置，包括光伏电池板及光伏电池板的电压、电流采集电路及DSP控制器，控制器内置有APSOMPPT最大功率点跟踪控制算法程序，控制器的控制输出端经PWM驱动电路控制一BOOST电路，BOOST电路的输出接负载。跟踪方法是：首先获取光伏电池板的开路电压，根据开路电压确定光伏电池板最大输出电压，系统初始化并启动定时器，当定时时间到时，要运行APSOMPPT最大功率点跟踪控制算法子程序进行多次迭代，最后将迭代过程中的所有粒子的全局最优值作为光伏阵列的电压给定作用于光伏阵列。从而实现光伏发电系统功率优化输出。

Description

遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法及跟踪装置

技术领域

本发明属于电力电子及自动控制技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏发电系统工作在部分受遮挡条件下的光伏发电系统功率优化方法及实现该方法的系统装置。

背景技术

太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分。但由于光伏电池价格昂贵、光伏系统本身特性复杂导致其转换效率很低，已制约了太阳能的高效利用。因此，如何进一步提高太阳能电池的转换效率，充分利用光伏阵列转换的能量，是研究光伏发电系统的主要方向和关键技术。

对光伏发电系统的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)是提高太阳能电池转换效率的有效途径之一。传统的MPPT方法如扰动观测法(P&O)、增量导纳法(ICA)以及基于扰动观测法的改进算法等主要是基于光伏阵列在辐照、温度一定的条件下，其P-V曲线是单峰性基础上进行研究的。但在实际应用中，遮阴造成的阵列失配现象以及热斑现象等严重影响光伏系统的功率输出，导致太阳能电池板的发电效率显著下降。实验数据表明：只要有10％的太阳能电池板阵列面积被遮蔽，整个光伏发电系统便会损失多至50％的发电量。并且在局部阴影条件下光伏阵列的P-V特性出现多个极值点，使得常规的最大功率跟踪算法在这种情况下失效。

本发明针对光伏阵列集中式控制方式，在不改变光伏阵列多极值点输出特性条件下，考虑到光伏系统的输出受光照影响快速变化的特点，利用APSO算法在多峰函数优化、全局寻优方面的良好性能及其算法简单等特点，研究自适应判断搜索方向及位置和粒子群算法相结合的APSOMPPT算法，并将其用于部分遮挡下光伏系统多峰输出特性快速寻优问题，以实现光伏系统全局最大功率输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法，该方法可以提高太阳能电池的发电效率。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法，其采用一光伏发电系统遮挡下全局最大功率点跟踪装置，该跟踪装置中具有光伏电池板的输出电压、电流采集电路，并具有一内置在部分受遮挡下APSOMPPT(Adaptive Particle SwarmOptimization Maximum Power Point Tracking,APSOMPPT)最大功率点跟踪控制算法程序的控制器，控制器中带有定时器、A/D转换器和PWM(脉宽调制)产生器，该PWM输出经驱动电路控制一BOOST单元电路，BOOST单元电路的输出接负载；所述的方法步骤如下：

1)系统初始化：断开负载，获取光伏电池板的开路电压Uoc，然后初始化光伏发电系统在部分受遮挡下的最大功率点跟踪装置控制器的参数，其中包括光伏电池板最大输出电压Umax，即光伏电池板的开路电压Uoc；同时设定初始化数值：用于A/D转换的定时器采样时间T、光伏发电系统结束与否的标志EndFlag；EndFlag＝1表示结束，EndFlag＝0表示正常运行；

2)系统初始化后，启动定时器；

3)若定时时间未到，则继续步骤3)；若定时时间到，进行下一步；

4)再次启动定时器，然后调用APSOMPPT子程序；

5)将通过运行APSOMPPT子程序得到的全局最优值Ug作为光伏阵列的输出电压给定值，作用于光伏阵列；

6)读取程序结束运行的标志EndFlag，若EndFlag＝1，则关闭定时器，整个程序结束；否则转入步骤3)。

所述的遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法中，所述步骤4)中的APSOMPPT子程序的方法是：

4-1)预先在该程序中设定光伏电池板的电压粒子数为m＝10；当前迭代次数now_iter＝1、迭代最大次数max_iter＝10；第1代的m个粒子的初始位置这里now_iter＝1；粒子速度的最大值Vmax(即光伏发电系统电压扰动的最大改变量)为一块光伏电池开路电压Vocmodule的60～85％的值；运行的粒子数i＝1；光伏电池板由控制器控制时允许的最小输出工作电压Umin(这是由光伏电池板所连接的逆变器工作时的最小工作电压所决定，这里可假定为125V)；

4-2)执行第now_iter次迭代过程，将根据第i个粒子的初始位置作为光伏阵列的输出电压给定，进而检测第now_iter代第i个粒子所对应的光伏阵列输出电压U_i、电流I_i，并计算得到第i个粒子的功率P_i；

4-3)i＝i+1，若第now_iter次迭代过程中进行的粒子数i>m，进入下一步,否则转入步骤4-2)；

4-4)得到第i个粒子在第now_iter次迭代过程中的所对应的光伏阵列最优值以及目前为止的迭代过程中的全局最优值

4-5)设置迭代次数now_iter＝now_iter+1，若now_iter>max_iter，令全局最优值则转入步骤4-11),否则令i＝1，继续下一步；

4-6)计算r₁＝(random(0,1)+random(0,1))/2、r₂＝(random(0,1)+random(0,1))/2；Random(0,1)为0-1范围内的随机函数；

c_{1} = 2.88 - \frac{now_iter - 1}{\max_iter - 1} \times (2.88 - 1.28), c_{2} = 0.5 + \frac{now_iter - 1}{\max_iter - 1} \times (2.28 - 0.5);

4-7)计算第now_iter次若P_i＞P_avg则ω＝ω-(ω-ω_min)×|(P_i-P_avg)(P_g-P_avg)|，转入下一步；否则ω＝ω+(ω-ω_min)×|(P_i-P_avg)/(P_g-P_avg)|，继续下一步；

4-8)根据公式

V_{i}^{mow_iter + 1} = {ωV}_{i}^{mow_iter} + c_{1} r_{1} (P_{g}^{now_iter} - X_{i}^{now_iter}) + c_{2} r_{2} (P_{g}^{now_iter} - X_{i}^{now_iter})

计算第i个粒子新的速度，若则转入下一步；

4-9)由公式计算第i个粒子的更新位置；若

U_{\min} < X_{i}^{now_iter + 1} {< U}_{\min}

则转入下一步骤4-10)，若

X_{i}^{now_iter + 1} {> U}_{\min},

则

X_{i}^{now_iter + 1} = \frac{2}{3} U_{\max}

转入下一步骤4-10)；否则转入下一步；

4-10)i＝i+1，若第now_iter次迭代过程中进行的粒子数i小于或等于m，转入步骤4-6),否则i＝1，转入步骤4-2)；

4-11)整个迭代过程结束，将全局最优值Ug返回给主程序，转入步骤5)。

本发明的另一目的是提供一种结构简单、成本低并且具有较高太阳能电池发电效率的遮挡条件下光伏发电系统功率优化跟踪装置。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化跟踪装置，包括光伏电池板及光伏电池板的由霍尔电压传感器和霍尔电流传感器构成的电压电流采集电路；其还包括：

一DSP控制器，其采用内置有APSOMPPT最大功率点跟踪控制算法程序的DSP控制芯片，并带有A/D转换输入和PWM脉宽调制输出；

一BOOST电路；

所述光伏电池板的输出一路接光伏电池板的电压、电流采集电路，该光伏电池板的电压、电流采集电路的输出端分别再接所述控制器的输入端；所述控制器的PWM控制输出端经IGBT驱动电路控制BOOST电路；所述光伏电池板的另一路输出接BOOST电路的输入，BOOST电路的输出接负载。

所述遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化跟踪装置中的DSP控制器采用型号为TMS320F28335的DSP芯片。

所述的光伏电池板的电压、电流采集电路由霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和两个电阻构成，其中，光伏电池板的电压输出端接至霍尔电流传感器的输入端,并通过一电阻接入霍尔电压传感器输入端，霍尔电压传感器、电流传感器的输出端分别接到DSP芯片的A/D输入端。

所述的驱动电路为IGBT驱动器或采用MOS驱动电路。

本发明遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法及装置是基于部分遮挡的条件下的光伏发电系统优化以提高光伏发电系统的电能转化效率，使得光伏系统在环境突变，及其在部分遮挡(如云层、建筑物、植物等)等复杂条件下，光伏发电系统始终工作在最大功率输出点。控制器中装有APSOMPPT控制算法程序，通过检测光伏电池板的输出电压、输出电流，利用APSOMPPT控制软件中建立的基于自适应判断搜索方向及位置和粒子群算法相结合的APSOMPPT数学模型来优化光伏发电系统，采用PWM(脉宽调制)控制方法，自动调整光伏发电系统的输出功率来优化光伏发电系统的功率，由此实现光伏系统最大功率的输出。

本发明的重点是研究光伏电池板在部分遮挡的条件下光伏发电系统APSOMPPT优化方法。提出了太阳能光伏发电系统在部分遮挡条件下自适应判断搜索方向及位置和粒子群算法相结合的APSOMPPT方法。

本方法除适用于太阳能光伏发电系统光伏阵列在环境条件一定外，还适用于光伏系统光伏阵列在光照突变，及其在部分遮挡等条件下，光伏发电系统最大功率输出的工作状况。

本发明的优点是：

(l)本发明系统及具有的全局最大功率点跟踪算法，能够根据实际情况自动调整以实现光伏发电系统最大的输出功率，使其具有较高的电能转化效率。

(2)本发明的方法可以快速、稳定和准确的实现对最大功率点的跟踪，且适应性强，无论是在光照突变或是在部分遮挡等复杂条件下均可实现光伏阵列光伏发电系统太阳能电池的最大功率输出。

(3)实现本发明的系统成本较低，相比较于目前同类控制器成本低、结构简单，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化跟踪装置的构成原理方框图。

图2是本发明遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化跟踪装置的电路原理图。

图3是遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化跟踪装置内置的APSOMPPT算法程序流程图。

图4是本遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法的流程图。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

具体实施方式

光伏电池板在部分遮挡(云层覆盖、建筑物、植物等)情况下，其P-V特性曲线具有多个跳跃和峰值点，若能尽可能地使得光伏阵列工作在最大功率点处，就可实现光伏系统的最大功率点输出。本发明正是基于此，设计出当光伏阵列在光照突变或在部分遮挡情况下的光伏系统功率优化的处理方法。

优化的方法的基本思想是：光伏系统定时时间到时，要进行多次迭代寻优。在第一次迭代中，首先在光伏阵列的电压轴上，先均匀分布若干粒子，将每个粒子的初始位置作为光伏阵列的输出电压给定，进而检测每个粒子所对应的光伏阵列输出电压、电流，并通过计算得到每个粒子的功率。从而获得每个粒子第一次迭代的所对应的光伏阵列的电压、第一次迭代的光伏阵列的所有粒子的最优值。之后进行计算每个粒子的位置的改变值，即速度。进而获得每个粒子新的位置。进行下一次迭代，迭代结束后获得每个粒子迭代到本次为止对应的光伏阵列最优值，以及目前为止的迭代过程中的所有粒子的全局最优值，直至所有的迭代过程结束。最后将迭代过程中的所有粒子的全局最优值作为光伏阵列的电压给定作用于光伏阵列。从而实现光伏发电系统功率优化输出。

为了实现本发明光伏发电系统功率优化方法，必须配设有优化装置，图1示出了本发明光伏发电系统全优化装置一较佳实施例的构成原理方框图。

本发明遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化跟踪装置包括有光伏电池板1及光伏电池板的由霍尔电压传感器和霍尔电流传感器芯片构成的输出电压、电流采集电路3；其创新点在于还设计有一控制器5及一BOOST电路2；所述的控制器带有A/D转换和PWM(脉宽调制)输出，且控制器内置有电池板在部分遮挡的条件下最大功率点跟踪APSOMPPT控制算法程序；所述光伏电池板的输出电压、输出电流采集电路3的输出端接所述控制器5的输入；控制器5的PWM控制输出经驱动电路4控制BOOST电路2；BOOST电路的输出接负载6(R_L)。

图2是本发明遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化跟踪装置的电路原理图，该实施例中对于控制器5采用了型号为TMS320F28335DSP芯片，该DSP芯片中嵌有光伏电池板在部分遮挡的条件下最大功率点跟踪算法APSOMPPT程序。该控制器核心部件DSP芯片U3的7脚输出PWM控制信号，通过PWM的驱动电路U4(IGBT驱动器UC3706)控制BOOST电路，以完成在复杂变化的环境条件下调整负载曲线来实现太阳能电池板的最大功率输出。其中，BOOST电路单元包括了电路原理图中的M,L,D1,C部分，是通用型的单元电路，光伏电池板的输出端SI经过采集电路的SO输出端通过电感L连接到IGBT大功率管M的漏极，同时连接到肖特基二极管D1的阳极，肖特基二极管D1的阴极连接到电解电容C的正极，再连接至负载RL。控制器核心部件DSP芯片U3的7脚输出PWM控制信号到IGBT驱动器U4的8脚，U4的4脚输出至IGBT大功率管M的栅极。光伏电池的阴极与大功率管M的源极、电解电容C的负极、负载连接到地。

所述PWM的驱动电路还可采用MOS驱动电路，具体实施可由现有技术实现，此处不赘述。

参见图2所示，所述光伏电池板的输出电压、电流采集电路由霍尔电压传感器U1(CHV-25P)、霍尔电流传感器U2(CHF-5P)和电阻R1、R2构成，其中，光伏电池板1的电压输出端SI接至霍尔电流传感器U2(CHF-5P)的1脚通过电阻R1接入电压传感器U1(CHV-25P)输入端1脚，霍尔电流传感器U2(CHF-5P)的6脚输出接到DSP芯片U3的A/D输入端21脚。用于光伏电池板输出电流采集检测。

图2中，光伏电池板1的电压输出端SI通过电阻R1再接入霍尔电压传感器U1(CHV-25P)输入端1脚，霍尔电压传感器U1(CHV-25P)的6脚输出连接到DSP芯片的A/D输入端20脚，用于光伏电池板输出电压采集检测。

本发明遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法借助了上述的跟踪装置得以实现对光伏发电系统在部分受遮挡条件下输出功率的优化，参阅图3及图4所示，其具体方法步骤是：

一、控制步骤(参阅图3所示)

步骤一：

断开负载，光伏电池板Voc(光伏电池板的开路电压)经过信号调理输入至DSP处理器；DSP处理器在获得Voc值后，设置光伏电池阵最大输出电压Umax＝Voc；同时设定初始化数值：用于A/D转换的定时器采样时间T(30s)、光伏发电系统结束与否的标志EndFla_g＝0；

步骤二：

启动A/D定时器。

步骤三：

DSP处理器的A/D定时器采样时间到否？未到，则继续重复本步骤三。若到，则转入下一步骤四。

步骤四：

再次启动定时器。

步骤五：

运行APSOMPPT子程序，转入步骤六。

步骤六：

将通过运行APSOMPPT子程序得到的全局最优值Ug作为光伏阵列的输出电压给定值，作用于光伏阵列。

步骤七：

读取程序结束运行的标志EndFlag，若EndFlag＝1，则关闭定时器，整个程序结束。否则转入步骤三；

二、APSOMPPT方式(即追踪APSOMPP子程序，参阅图4所示)

步骤一：

预先在该程序中设定光伏电池板的电压粒子数为m＝10；当前迭代次数now_iter＝1、迭代最大次数max_iter＝10；第1代的m个粒子的初始位置这里now_iter＝1；粒子速度的最大值Vmax为一块光伏电池开路电压值的60～85％(在本实施例中，选取80％)；运行的粒子数i＝1；光伏电池板由控制器控制时允许的最小输出工作电压Umin；

步骤二：

执行第now_iter次迭代过程，将根据第i个粒子的初始位置作为光伏阵列的输出电压给定，进而检测第now_iter代第i个粒子所对应的光伏阵列输出电压U_i、电流I_i，并计算得到第i个粒子的功率P_i；

步骤三：

i＝i+1，若第now_iter次迭代过程中进行的粒子数i>m，转入步骤四,否则转入步骤二；

步骤四：

得到第i个粒子在第now_iter次迭代过程中的所对应的光伏阵列最优值以及目前为止的迭代过程中的全局最优值转入步骤五；

步骤五：

设置迭代次数now_iter＝now_iter+1，若now_iter>max_iter，则将迭代过程中的全局最优值赋给Ug，转入步骤十一；否则令i＝1，转入步骤六；

步骤六：

计算r₁＝(random(0,1)+random(0,1))/2、r₂＝(random(0,1)+random(0,1))/2。Random(0,1)为0-1范围内的随机函数。

c_{1} = 2.88 - \frac{now_iter - 1}{\max_iter - 1} \times (2.88 - 1.28), c_{2} = 0.5 + \frac{now_iter - 1}{\max_iter - 1} \times (2.28 - 0.5);

转入步骤七；

步骤七:

计算第若P_i>P_avg则ω＝ω-(ω-ω_min)×|(P_i-P_avg)/(P_g-P_avg)|，转入步骤八。否则ω＝ω+(ω-ω_min)×|(P_i-P_avg)/(P_g-P_avg)|，转入步骤八；

步骤八：

根据公式

V_{i}^{mow_iter + 1} = {ωV}_{i}^{mow_iter} + c_{1} r_{1} (P_{g}^{now_iter} - X_{i}^{now_iter}) + c_{2} r_{2} (P_{g}^{now_iter} - X_{i}^{now_iter})

计算第i个粒子新的速度，若则转入步骤九。

步骤九：

由公式

X_{i}^{now_iter + 1} = X_{i}^{now_iter} + V_{i}^{now_iter + 1}

计算第i个粒子的更新位置；若

U_{\min} < X_{i}^{now_iter + 1} < U_{\min}

则转入下一步骤十，若则转入下一步骤十；否则

X_{i}^{now_iter + 1} = {1.1 U}_{\min},

转入下一步。

步骤十：

i＝i+1，若第now_iter次迭代过程中进行的粒子数i小于或等于m，转入步骤六,否则i＝1，转入本子程序的步骤二。

步骤十一：

整个迭代过程结束。将全局最优值Ug返回给主程序，转入前述主程序的步骤5)。

在实际工作中，光伏发电系统电池板在部分遮挡条件下太阳能光伏电池板的最大输出功率也不同，而且这个特性还与光伏电池板的温度有关。随着温度升高，电池板的输出功率就下降。在光伏电池板手部分遮挡条件下，为了获得光伏电池板最大功率输出，需要时时刻刻找到使得光伏电池板最大输出功率对应的的电压、电流的工作点。本发明光伏发电系统电池板在部分遮挡条件下最大功率输出优化方法及系统装置中设计的APSOMPPT控制算法能够实现光伏系统功率的最大输出，从而提高了太阳能的光电转化效率。该APSOMPPT控制算法是将搜索方向及位置自适应判断方法和PSO方法相结合设计的一种新的处理方法，其中搜索方向及位置自适应判断方法与常规PSO方法相结合，在PSO的速度判断上及位置更新上将结合光伏系统的特点自适应的对粒子的速度及位置做判断，算法在这方面的改进，能较快的跟踪太阳能光伏电池板的最大输出功率，并具有较高的跟踪精度。首先系统在一个采样周期内，要进行多次迭代寻优。在第一次迭代中，首先在光伏阵列的电压轴上，先分布若干粒子，将每个粒子的初始位置作为光伏阵列的输出电压给定，进而检测每个粒子所对应的光伏阵列输出电压、电流，并通过计算得到每个粒子的功率。从而获得每个粒子第一次迭代的所对应的光伏阵列的电压、第一次迭代的光伏阵列的所有粒子的最优值。之后进行计算每个粒子的位置的改变值，即速度。进而获得每个粒子新的位置。进行下一次迭代，迭代结束后获得每个粒子迭代到本次为止对应的光伏阵列最优值，以及目前为止的迭代过程中的所有粒子的全局最优值，直至所有的迭代过程结束。最后将迭代过程中的所有粒子的全局最优值作为光伏阵列的电压给定作用于光伏阵列。从而实现光伏发电系统功率优化输出。

Claims

1.一种遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法，其采用一光伏发电系统在部分受遮挡下全局最大功率点跟踪装置，该跟踪装置中具有光伏电池板的输出电压、电流采集电路，并具有一内置在部分受遮挡下APSOMPPT最大功率点跟踪控制算法程序的控制器，控制器中带有定时器、A/D转换器和PWM产生器，该PWM产生器的输出经驱动电路控制一BOOST单元电路，BOOST单元电路的输出接负载；其特征在于所述的方法步骤如下：

2)系统初始化后，启动定时器；

4)再次启动定时器，然后调用APSOMPPT子程序：

4-1)预先在该程序中设定光伏电池板的电压粒子数为m＝10；当前迭代次数now_iter＝1、迭代最大次数max_iter＝10；第1代的m个粒子的初始位置这里now_iter＝1；粒子速度的最大值Vmax为一块光伏电池开路电压值的60～85％；运行的粒子数i＝1；光伏电池板由控制器控制时允许的最小输出工作电压Umin；

4-8)根据公式计算第i个粒子新的速度，若则转入下一步；

4-9)由公式计算第i个粒子的更新位置；若则转入下一步骤4-10)，若则转入下一步骤4-10)；否则转入下一步；

4-11)整个迭代过程结束，将全局最优值Ug返回给主程序，转入步骤5)；

2.根据权利要求1所述的遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法，其特征在于：步骤3)中所述的定时时间到后，运行APSOMPPT算法子程序，并得到将全局最优值Ug返回给主程序，并作为此次光伏系统输出电压的给定值。

3.根据权利要求1所述的遮挡条件下光伏发电系统输出功率优化方法，其特征在于：粒子速度的最大值Vmax为一块光伏电池开路电压值的80％。