CN102624285B - 光伏阵列最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪(MPPT)控制方法。该方法在传统MPPT方法的基础上，增加了光伏阵列输出特性变化的判断依据，改进了输出特性变化后的MPPT控制策略。当光伏阵列输出特性因阴影或组件故障等原因发生显著变化时，迅速将光伏阵列I-U输出特性上的运行点(U，I)调整到连接坐标原点与(U_oc，I_sc)点的直线上，然后从该点出发，采用传统MPPT方法跟踪至光伏阵列的最大功率点。本发明不仅可以快速准确跟踪至光伏阵列多峰输出P-U特性曲线上的全局最大功率点，而且跟踪过程中光伏阵列输出功率因MPPT方法引起的波动较小，具有较好的应用前景。

Description

光伏阵列最大功率点跟踪控制方法

技术领域

发明涉及局部阴影条件下的光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，属于光伏发电系统最大功率点跟踪方法。

背景技术

随着传统能源的日益枯竭和环保意识的觉醒，太阳能的开发利用日益受到重视，光伏发电是利用太阳能的主要方式。大容量光伏发电系统中，通常需要将一定数量的光伏组件通过串并联组成光伏阵列，为了防止组件产品故障或局部阴影带来的负面影响，光伏阵列中还装设有旁路二极管和防逆二极管。光伏组件的输出电能与太阳辐照度、组件温度密切相关，在均匀的太阳光照射下，光伏组件输出功率呈现单峰现象。传统的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制方法及其改进方法，例如：恒定电压法、扰动-观测(Perturb&Observe，P&O)法/爬山法、电导增量法等，对于这种单峰功率特性具有较好的跟踪控制效果。

然而，实际光伏发电系统中的光伏阵列分布范围较广，通常难以确保每块光伏组件上的光照条件均匀一致。对于各类引起光照强度分布不均匀的因素，通常都称之“阴影”，比如：大型光伏电站通常建设在广袤的荒漠上，因此可能遇到的阴影主要是阴云和山脉的遮挡；中小型建筑光伏发电系统中，大量的光伏组件安装在建筑物表面，其面临的阴影除了上述阴云，主要是周围建筑物和树木等形成的局部阴影；此外，不同建筑面上的光伏组件接收的光照可能存在较大差异，这种差异也可以认为光照较弱的建筑面上存在阴影。由于阴影的存在，光伏阵列的P-U输出特性可能呈现多峰现象。此时，由于局部峰值的干扰，传统的MPPT方法往往难以找到全局峰值，即真正的光伏阵列最大功率点，从而导致光伏发电系统输出功率显著降低。申请号为201010223784.6的发明专利申请书中提出采用定时全局扫描来寻找全局最大功率点，申请号为201010018319.9的发明专利申请书则提出采用分别从左右两侧搜索寻找全局最大功率点。虽然上述全局扫描方式可以寻找到真正的最大功率点，但是不可避免会使光伏阵列的输出功率产生不必要的长时间大幅度波动，从而产生额外的功率损失并对电网产生冲击。

发明内容

本发明所要解决的技术问题的使光伏阵列的输出功率长时间大幅度波动、产生额外的功率损失并对电网产生冲击的缺点，提供一种当光伏阵列的P-U特性因光照条件局部变化或者个别光伏组件故障等原因呈现多峰值现象时，可以准确跟踪到光伏阵列的全局最大功率点的用于太阳能光伏发电系统的MPPT控制方法。

本发明所述的光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，包括如下步骤：

1)光伏发电系统MPPT控制启动时，设置当前温度下对应的光伏阵列开路电压(U_oc)、短路电流(I_sc)、迭代步长(U_step)、判断阈值(ε_s、ε_U和ε_I)、初始电压(U₀)、传统单峰值MPPT方法中的参数，令采样点计数k为1。

2)测量并记录初始时刻(t₁时刻)光伏阵列的端电压U_k和输出电流I_k(k＝1)。

3)计算光伏阵列I-U特性曲线上当前运行点(U_k，I_k)与坐标原点连线斜率的倒数(U_k/I_k)，以及点(I_sc，U_oc)与坐标原点连线斜率的倒数(U_oc/I_sc)，如果|U_k/I_k-U_oc/I_sc|＞ε_s，(ε_s为判断阈值)，跳转步骤4)；否则令光伏阵列的输出端电压参考值U＝U_k，并跳转至步骤6)。

4)如果U_k/I_k＜U_oc/I_sc，则令光伏阵列的端电压参考值U＝U_k+U_step；否则U＝U_k-U_step。U_step为预设的迭代步长。

5)令k＝k+1，测量并记录t_k时刻的U_k和I_k。返回步骤3)。

6)令k＝k+1，并采用传统MPPT方法(变步长P&O方法、电导增量法等)确定t_k时刻光伏阵列端电压的参考值U。

7)测量并记录t_k时刻的U_k和I_k。

8)以光伏阵列开路电压U_oc为基准，计算t_k及t_k-1时刻光伏阵列输出端电压U_k和U_k-1的相对偏差ΔU％，即：ΔU％＝|U_k-U_k-1|/U_oc；以光伏阵列短路电流I_sc为基准，计算t_k及t_k-1时刻光伏阵列输出电流I_k和I_k-1的相对偏差ΔI％，即：ΔI％＝|I_k-I_k-1|/I_sc。

9)如果满足ΔU％＜ε_U并且ΔI％＞ε_I，(ε_U和ε_I为判断阈值)，说明光伏阵列的输出特性(I-U特性、P-U特性)发生了变化(可能由阴影、组件故障等原因引起)，那么跳转至步骤3)，否则返回步骤6)。

当光伏阵列接收到的太阳光是均匀一致时，其输出功率特性呈单峰值，本发明将在系统初始化时迅速跟踪到U_k/I_k≈U_oc/I_sc所对应的运行点(U_k，I_k)，随后从该点迅速转移至全局最大功率点。当受到阴影或组件故障影响，光伏阵列输出特性骤变时，本发明根据ΔU％＜ε_U和ΔI％＞ε_I这2个条件能够立即检测到该变化，此时需要重新跟踪当前光伏阵列I-U特性曲线上U_k/I_k≈U_oc/I_sc所对应的运行点(U_k，I_k)，基于该点传统MPPT方法能够快速准确寻找到真正的全局最大功率点，避免困于次最大功率点；而且在此跟踪控制过程中，光伏发电系统输出功率的波动幅度不会被MPPT方法明显放大，避免了全局扫描法带来的过大的功率波动。

本发明的有益效果在于，当光伏阵列的P-U输出特性因光照条件局部变化或者个别光伏组件故障等原因呈现多峰值现象时，可以准确跟踪到光伏阵列的全局最大功率点，从而避免光伏发电系统长期运行在局部功率峰值点造成的较大功率损失；同时最大功率跟踪过程中不会引起光伏发电系统功率因MPPT方法产生额外的长时间大范围波动。实现本发明只需要测量光伏阵列的输出电压和电流，并进行一些简单的加减乘除运算，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为局部阴影条件下的光伏阵列MPPT控制方法流程图。

图2为实施例中全局最大功率点跟踪过程示意图。

图3为实施例中最大功率点跟踪过程仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例中MPPT的控制流程图如附图1所示，包括以下步骤：

1)光伏发电系统MPPT控制启动时，设置当前温度下对应的光伏阵列开路电压(U_oc)、短路电流(I_sc)、迭代步长(U_Step)、判断阈值(ε_s、ε_U和ε_I)、初始电压(U₀)、传统单峰值MPPT方法中的参数，令采样点计数k为1。

2)测量并记录初始时刻(t₁时刻)光伏阵列的端电压U_k和输出电流I_k(k＝1)。

3)计算光伏阵列I-U特性曲线上当前运行点(U_k，I_k)与坐标原点连线斜率的倒数(U_k/I_k)，以及点(I_sc，U_oc)与坐标原点连线斜率的倒数(U_oc/I_sc)，如果|U_k/I_k-U_oc/I_sc|＞ε_s，(ε_s为判断阈值)，跳转步骤4)；否则令光伏阵列的输出端电压参考值U＝U_k，并跳转至步骤6)。

4)如果U_k/I_k＜U_oc/I_sc，则令光伏阵列的端电压参考值U＝U_k+U_step；否则U＝U_k-U_step。U_step为预设的迭代步长。

5)令k＝k+1，测量并记录t_k时刻的U_k和I_k。返回步骤3)。

6)令k＝k+1，并采用传统MPPT方法(变步长P&O方法、电导增量法等)确定t_k时刻光伏阵列端电压的参考值U。

7)测量并记录t_k时刻的U_k和I_k。

8)以光伏阵列开路电压U_oc为基准，计算t_k及t_k-1时刻光伏阵列输出端电压U_k和U_k-1的相对偏差ΔU％，即：ΔU％＝|U_k-U_k-1|/U_oc；以光伏阵列短路电流I_sc为基准，计算t_k及t_k-1时刻光伏阵列输出电流I_k和I_k-1的相对偏差ΔI％，即：ΔI％＝|I_k-I_k-1|/I_sc。

9)如果满足ΔU％＜ε_U并且ΔI％＞ε_I，(ε_U和ε_I为判断阈值)，说明光伏阵列的输出特性(I-U特性、P-U特性)发生了变化(可能由阴影、组件故障等原因引起)，那么跳转至步骤3)，否则返回步骤6)。

本实施例中采用3种光照条件，分别为S0(无阴影)、S1(某种渐变阴影)和S2(某种局部均匀阴影)，对应的光伏阵列的输出I-U特性和P-U特性如附图2所示。上述局部阴影条件下的光伏阵列MPPT控制方法产生的信号可以作为实际光伏发电系统中DC-DC变换器或逆变器的PWM调制信号。下面将对照附图2和附图3来详细介绍当光照条件按S0→S1→S2顺序变化时，本发明跟踪全局最大功率点的过程。本实施例中，S0→S1在0.2s时发生跳变，S1→S2在0.4s时发生跳变。

1)S0：无阴影时，光伏阵列的P-U特性曲线呈现单峰值，最大功率点在A点。0.025s后，光伏阵列稳定运行在最大功率点A点，输出功率约为20kW。

2)S0→S1：受渐变阴影的影响，光伏阵列的P-U特性曲线呈现多峰值现象(本实施例中共有3个峰值，其中全局最大功率点在D点)。当光照条件由S0跳变到S1瞬间，光伏阵列的端电压U按传统MPPT方法小步长扰动，输出电流骤降至B点对应的电流I_B，此时满足ΔU％＝|U_k-U_k-1|/U_oc＜ε_U和ΔI％＝|I_k-I_k-1|/I_sc＞ε_I，因此，本发明以步长U_step迅速在S1曲线上搜索到满足U_k/I_k≈U_oc/I_sc的C点。然后传统MPPT方法从C点开始搜索本山峰中的最高点D，即全局最大功率点。阴影S1产生0.05s后，光伏阵列就已经稳定运行于全局最大功率点D点，输出功率约为7.2kW；而且跟踪过程中，光伏阵列输出功率最小值为3.5kW，如果不考虑持续时间小于1/10工频周期的功率尖刺，那么光伏阵列输出功率的最小值约为5kW。显然S0→S1过程中，实现了快速准确平稳地跟踪全局最大功率点的目标。之后，只要光照条件不发生改变，光伏阵列就一直稳定运行在D点。

3)S1→S2：在渐变阴影转变为局部均匀阴影瞬间，光伏阵列的端电压U按传统MPPT方法小步长扰动，输出电流骤降至E点对应的电流I_E，此时满足ΔU％＝|U_k-U_k-1|/U_oc＜ε_U和ΔI％＝|I_k-I_k-1|/I_sc＞ε_I，因此，本发明以步长U_step迅速在S2曲线上搜索到满足U_k/I_k≈U_oc/I_sc的F点。然后传统MPPT方法从F点开始搜索本山峰中的最高点G，即全局最大功率点。阴影S2产生0.03s后，光伏阵列就已经稳定运行于全局最大功率点G点，输出功率约为10.2kW；而且跟踪过程中，光伏阵列输出功率最小值为3.8kW，如果不考虑持续时间小于1/10工频周期的功率尖刺，那么光伏阵列输出功率的最小值约为5.2kW。显然S1→S2过程中，实现了快速准确平稳地跟踪全局最大功率点的目标。之后，只要光照条件不发生改变，光伏阵列就一直运行在G点。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的典型实施例，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (1)

1.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，包括如下步骤：

1)光伏发电系统MPPT控制启动时，设置当前温度下对应的光伏阵列开路电压U_oc、短路电流I_sc、迭代步长U_step、判断阈值ε_s、ε_U和ε_I、初始电压U₀、传统单峰值MPPT方法中的参数，令采样点计数k的初始值为1；

2)测量并记录初始时刻光伏阵列的端电压U_k和输出电流I_k，k＝1；

3)计算光伏阵列I-U特性曲线上当前运行点(U_k，I_k)与坐标原点连线斜率的倒数U_k/I_k，以及点(I_sc，U_oc)与坐标原点连线斜率的倒数U_oc/I_sc，如果|U_k/I_k-U_oc/I_sc|>ε_s，ε_s为判断阈值，跳转至步骤4)；否则令光伏阵列的输出端电压参考值U＝U_k，并跳转至步骤6)；

4)如果U_k/I_k<U_oc/I_sc，则令光伏阵列的端电压参考值U＝U_k+U_step；否则U＝U_k-U_step，U_step为预设的迭代步长；

5)令k＝k+1，测量并记录t_k时刻的U_k和I_k，返回步骤3)；

6)令k＝k+1，并采用传统单峰值MPPT方法确定t_k时刻光伏阵列端电压的参考值U；

7)测量并记录t_k时刻的U_k和I_k；

8)以光伏阵列开路电压U_oc为基准，计算t_k及t_k-1时刻光伏阵列输出端电压U_k和U_k-1的相对偏差ΔU％，即：ΔU％＝|U_k-U_k-1|/U_oc；以光伏阵列短路电流I_sc为基准，计算t_k及t_k-1时刻光伏阵列输出电流I_k和I_k-1的相对偏差ΔI％，即：ΔI％＝|I_k-I_k-1|/I_sc；

9)如果满足ΔU％<ε_U并且ΔI％>ε_I，ε_U和ε_I为判断阈值，说明光伏阵列的输出特性发生了变化，那么跳转至步骤3)，否则返回步骤6)。