CN103197718A - 太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法和系统 - Google Patents

太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法，包括：获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度；根据所述输出电压和输出电流计算输出功率，将所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压。对应地，本发明还提供一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统。本发明能有效降低光照强度对算法中跟踪步长灵敏度的影响，提高算法的适应性；并且降低光照强度突变时产生的输出电压和功率扰动，提高跟踪速度和精度；且能有效减少误判。

Description

太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法和系统
技术领域
本发明涉及太阳能光伏阵列技术领域，特别是涉及一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法，以及一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统。
背景技术
在新能源应用技术中，太阳能发电以其无污染、无噪声、可再生等优点而备受青睐。光伏电池输出的电压－电流和电压－功率特性表现为非线性，存在最大功率(Pmax)输出点，并且随着外界环境(包括光照强度、温度、负载等)的变化而变化。为了提高光伏发电系统的能量转化效率，必须对光伏电池进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，控制光伏电池的输出功率，使其在光照强度和温度变化时始终工作在最大输出功率点。
目前，常用的最大功率点跟踪算法包括固定电压或电流跟踪法、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法、间歇扫描法和模糊逻辑控制法等。其中扰动观测法因其算法简单、所需变量较少、易于实现等优点，应用最为广泛。其原理是周期性地检测光伏阵列的端电压和电流，对光伏阵列电压施加一个小的扰动，并观测输出功率的变化方向，进而决定下一步的控制信号。如果输出功率增加，则继续朝着相同的方向改变工作电压，否则朝着相反的方向改变。该算法简单，并且具有一定的适应能力。但其缺陷在于未考虑光照强度的变化引起的光伏阵列P-V曲线及其斜率变化，无法满足各光照强度下的步长反应灵敏度，且在光照强度突变时，输出功率和输出电压波动较大，经常会造成误判。
发明内容
基于此，本发明提供一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法和系统，能有效降低光照强度对算法中跟踪步长灵敏度的影响，提高算法的适应性；并且降低光照强度突变时产生的输出电压和功率扰动，提高跟踪速度和精度；且能有效减少误判。
一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法，包括如下步骤：
获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度；
根据所述输出电压和输出电流计算输出功率，将所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；
根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压。
一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统，包括获取模块、计算模块和调整模块；
所述获取模块用于获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度；
所述计算模块用于根据所述输出电压和输出电流计算输出功率，将所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；
所述调整模块用于根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压。
上述太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法和系统，由获取的输出电压和输出电流计算得到输出功率，根据光照强度与标准光照强度将输出功率折算为标准光照强度下的输出功率，再通过得到的折算后的输出功率调整光伏阵列的输出电压；本发明考虑到了光照强度对于光伏阵列P-V曲线的影响，采用折算后的输出功率来调整输出电压，大大减小了光照强度对算法中跟踪步长灵敏度的影响，降低了光照强度突变时光伏阵列输出功率的波动及误判的发生几率。能保证光伏阵列始终工作在最大输出功率点附近，显著提高最大功率点的跟踪精度和速度，并且该技术容易实现、成本较低、实用性高。
附图说明
图1为本发明太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法在一实施例中的流程示意图。
图2为传统技术中一100kWp光伏阵列的输出功率-电压曲线即P-V曲线示意图。
图3为图1中光伏阵列折算后的输出功率-电压曲线示意图。
图4为本发明太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统在一实施例中的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，是本发明太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法在一实施例中的结构示意图，包括如下步骤：
S11、获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度；
如图2所示，是某100kWp光伏阵列的输出功率-电压曲线示意图，从图中可知太阳能光伏电池输出的电压-电流和电压－功率特性表现为非线性，存在最大功率(Pmax)输出点，由于光伏阵列随着外界环境(包括光照强度、温度、负载等)的变化而变化，为了提高光伏发电系统的能量转化效率，必须对光伏电池进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，及时调整光伏阵列的输出电压，使其在光照强度和温度变化时始终工作在最大输出功率点附近，在本步骤中首先需获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度。
S12、根据所述输出电压和输出电流计算输出功率，将所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；
在本实施例中，所述根据所述输出电压和输出电流计算得到输出功率的步骤具体为：将所述输出电压乘以所述输出电流，得到所述输出功率；
在得到光伏阵列的输出功率后，考虑到光照强度对电压调整判据的影响，根据当前的光照强度，先将该输出功率折算为标准光照强度下的输出功率，具体计算方式为：所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；即：
P=PPV·Sref/S=VI·Sref/S
其中P表示折算后的输出功率，PPV表示光伏阵列的实际输出功率，V、I表示光伏阵列的输出电压和输出电流，Sref表示预设的标准光照强度，可取为1000W/m2，S表示获取的实际光照强度。
S13、根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压；
得到当前光伏阵列的折算后的输出功率，则可对光伏阵列的输出电压进行调整，以保证光伏阵列工作在最大输出功率点附近；若当前输出功率在最大输出功率点左侧，此时应增大光伏阵列的输出电压；若当前输出功率在最大输出功率点右侧，此时应减小光伏阵列的输出电压；此处的输出功率均指折算后的输出功率，而非光伏阵列的实际输出功率。
在本实施例中，所述根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压的步骤具体可为：
计算当前采样点与上一个采样点的折算后的输出功率差和输出电压差；
将所述折算后的输出功率差与输出电压差相除，得到判断值；
若所述判断值等于零，则保持当前光伏阵列的输出电压不变；
若所述判断值大于零，则增大当前光伏阵列的输出电压；
若所述判断值小于零，则减小当前光伏阵列的输出电压；
将当前采样点与上一个采样点的折算后的输出功率和输出电压进行相减，得到dV=Vk-Vk-1，dP=Pk-Pk-1，若dP/dV=0，则保持当前光伏阵列的输出电压不变；若dP/dV>0，则判定光伏阵列运行于其P-V曲线最大功率点的左侧，此时将增大光伏阵列的电压给定值；反之，若dP/dV<0，则判定当前光伏阵列的输出功率运行在P-V曲线最大功率点的右侧，应减小光伏阵列的电压给定值来逼近最大功率点。
所述增大当前光伏阵列的输出电压的步骤具体为：将当前光伏阵列的输出电压增大一个扰动步长；
所述减小当前光伏阵列的输出电压的步骤具体为：将当前光伏阵列的输出电压减小一个扰动步长；
所述扰动步长通过右式计算：α·|(Pk-Pk-1)/(Vk-Vk-1)|；其中，α为预设系数，Pk为当前采样点的折算后的输出功率；Pk-1为上一个采样点的折算后的输出功率；Vk为当前采样点的输出电压；Vk-1为上一个采样点的输出电压。
下面阐述本发明太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法的原理。
如图2所示，是传统技术中一100kWp光伏阵列的输出功率-电压(P-V)曲线示意图；如图3所示，是利用本发明将光伏阵列的输出功率折算至标准光照强度(在本实施例中预设标准光照强度为1000W/m2)后，光伏阵列的输出功率-电压曲线；图2中S表示光照强度，环境温度为标准温度(298K)；从图2中可见当光照和温度一定时，光伏电池P-V曲线的功率增量dP和电压增量dV具有如下特点：
(1)最大功率点的左侧：dP/dV>0；
(2)最大功率点的右侧：dP/dV<0；
(3)最大功率点处：dP/dV=0；
(4)随着运行点靠近最大功率点，绝对值dP/dV变得越来越小。
当光照强度变化较慢时，可假设在扰动时间步长内，光照强度不变，若某时刻光伏阵列运行在图2所示的A(Vk,Pk)点，上一时刻光伏阵列的运行点为B(Vk-1,Pk-1)点，此时有dV=Vk-Vk-1>0，且dP=Pk-Pk-1>0，即dP/dV>0，处于P-V曲线最大功率点的左侧，此时增大输出电压即可逐步逼近最大功率点；反之若dP/dV<0，则判定光伏阵列运行在P-V曲线最大功率点的右侧，此时减小输出电压即可逐步逼近最大功率点。
从图2可见，其跟踪原理是根据环境温度和光照强度一定时，光伏阵列P-V曲线的特点得到，未考虑光照强度变化的情况。光伏阵列P-V曲线其斜率随着光照强度的增加而变大，并且同一电压下，光照强度越强，光伏阵列输出功率越大。而从图3可看出，输出功率经过折算后，在最大功率的左侧，光伏阵列的P-V曲线不再受光照条件的影响；因此本发明相对于现有技术具有以下两个优点：
(1)不同光照强度下，扰动步长α·|dP/dV|反应灵敏，扰动步长能满足不同的光照强度；
从图2可见，α·|dP/dV|的值在光照较强的正午可能比光照较弱的早晨大一个数量级甚至更多，很难找到一个合适的α值来满足全天光照强度变化下的步长反应灵敏度，容易出现弱光照下跟踪速度过慢，而强光照下又跟踪步长太大而无法正常跟踪的状况；而从图3可看出，输出功率经过折算后，光伏阵列的P-V曲线受光照条件的影响显著降低，通过扰动观测法进行扰动跟踪，扰动步长能满足不同的光照强度，跟踪效果非常好。
(2)在光照强度突变时，误判率非常低，且光伏阵列输出功率扰动较小；
如图2所示，假设某一时刻由于云层遮挡或其它物体遮挡，光照强度突然变小，光伏阵列运行在A点，上一时刻光伏阵列运行于B’点，由P-V曲线可知，此时光伏阵列运行于最大功率点的左侧，为逼近最大功率点，应增大参考电压。然而此时测量值dV=Vk-V′k-1>0，且dP=Pk-P′k-1<0，即dP/dV<0，此时将误判为光伏阵列运行于最大功率点的右侧而发出降低输出电压的指令，从而导致跟踪失败。另外，由图2可见在光照强度突变时，dP较大，使得此时扰动步长α·|dP/dV|偏大，从而造成在光照强度突变时，光伏阵列输出电压扰动较大，同时也引起其输出功率的大幅度波动。从图3可知，光伏阵列的输出功率经过折算后，光照强度突变对于功率控制的影响显著降低。
本发明还提供一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统，如图4所示，包括获取模块41、计算模块42和调整模块43；
所述获取模块41用于获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度；
所述计算模块42用于根据所述输出电压和输出电流计算输出功率，将所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；
在本实施例中，所述计算模块42具体用于将所述输出电压乘以所述输出电流，得到所述输出功率；
在得到光伏阵列的输出功率后，考虑到光照强度对电压调整判据的影响，根据当前的光照强度，先将该输出功率折算为折算后的输出功率，具体计算方式为：所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；即：
P=PPV·Sref/S=VI·Sref/S
其中P表示折算后的输出功率，PPV表示光伏阵列的实际输出功率，V、I表示光伏阵列的输出电压和输出电流，Sref表示预设的标准光照强度，可取为1000W/m2，S表示获取的实际光照强度。
所述调整模块43用于根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压；
得到当前光伏阵列的折算后的输出功率，则可对光伏阵列的输出电压进行调整，以保证光伏阵列工作在最大输出功率点附近；若当前输出功率在最大输出功率点左侧，此时应增大光伏阵列的输出电压；若当前输出功率在最大输出功率点右侧，此时应减小光伏阵列的输出电压；此处的输出功率均指折算后的输出功率，而非光伏阵列的实际输出功率。
在本实施例中，所述调整模块43可包括差值计算模块、相除模块和判断调整模块；
所述差值计算模块用于计算当前采样点与上一个采样点的折算后的输出功率差和输出电压差；
所述相除模块用于将所述折算后的输出功率差与输出电压差相除，得到判断值；
所述判断调整模块用于：若所述判断值等于零，则保持当前光伏阵列的输出电压不变；若所述判断值大于零，则增大当前光伏阵列的输出电压；若所述判断值小于零，则减小当前光伏阵列的输出电压；
将当前采样点与上一个采样点的折算后的输出功率和输出电压进行相减，得到dV=Vk-Vk-1，dP=Pk-Pk-1，若dP/dV=0，则保持当前光伏阵列的输出电压不变；若dP/dV>0，则判定光伏阵列运行于其P-V曲线最大功率点的左侧，此时将增大光伏阵列的电压给定值；反之，若dP/dV<0，则判定当前光伏阵列的输出功率运行在P-V曲线最大功率点的右侧，应减小光伏阵列的电压给定值来逼近最大功率点。
所述判断调整模块具体用于：
若所述判断值大于零，将当前光伏阵列的输出电压增大一个扰动步长；
若所述判断值小于零，将当前光伏阵列的输出电压减小一个扰动步长；
所述扰动步长通过右式计算：α·|(Pk-Pk-1)/(Vk-Vk-1)|；其中，α为预设系数，Pk为当前采样点的折算后的输出功率；Pk-1为上一个采样点的折算后的输出功率；Vk为当前采样点的输出电压；Vk-1为上一个采样点的输出电压；
本发明太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法和系统，由获取的输出电压和输出电流计算得到输出功率，根据光照强度与标准光照强度将输出功率折算为标准光照强度下的输出功率，再通过得到的折算后的输出功率调整光伏阵列的输出电压；本发明考虑到了光照强度对于光伏阵列P-V曲线的影响，采用折算后的输出功率来调整输出电压，大大减小了光照强度对算法中跟踪步长灵敏度的影响，降低了光照强度突变时光伏阵列输出功率的波动及误判的发生几率。能保证光伏阵列始终工作在最大输出功率点附近，显著提高最大功率点的跟踪精度和速度，，并且该技术容易实现、成本较低、实用性高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度；
根据所述输出电压和输出电流计算输出功率，将所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；
根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法，其特征在于，所述根据所述输出电压和输出电流计算得到输出功率的步骤具体为：将所述输出电压乘以所述输出电流，得到所述输出功率。
3.根据权利要求1或者2所述的太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法，其特征在于，所述根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压的步骤具体为：
计算当前采样点与上一个采样点的折算后的输出功率差和输出电压差；
将所述折算后的输出功率差与输出电压差相除，得到判断值；
若所述判断值等于零，则保持当前光伏阵列的输出电压不变；
若所述判断值大于零，则增大当前光伏阵列的输出电压；
若所述判断值小于零，则减小当前光伏阵列的输出电压。
4.根据权利要求3所述的太阳能光伏阵列的最大功率输出控制方法，其特征在于，所述增大当前光伏阵列的输出电压的步骤具体为：将当前光伏阵列的输出电压增大一个扰动步长；
所述减小当前光伏阵列的输入电压的步骤具体为：将当前光伏阵列的输出电压减小一个扰动步长；
其中，所述扰动步长通过公式α·|(Pk-Pk-1)/(Vk-Vk-1)|计算获得；其中，α为预设系数，Pk为当前采样点的折算后的输出功率；Pk-1为上一个采样点的折算后的输出功率；Vk为当前采样点的输出电压；Vk-1为上一个采样点的输出电压。
5.一种太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统，其特征在于，包括获取模块、计算模块和调整模块；
所述获取模块用于获取光伏阵列当前采样点的输出电压、输出电流和光照强度；
所述计算模块用于根据所述输出电压和输出电流计算输出功率，将所述输出功率乘以所述光照强度与预设的标准光照强度的比值后得到折算后的输出功率；
所述调整模块用于根据所述折算后的输出功率调整所述光伏阵列的输出电压。
6.根据权利要求5所述的太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统，其特征在于，所述计算模块具体用于将所述输出电压乘以所述输出电流，得到所述输出功率。
7.根据权利要求5或6所述的太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统，其特征在于，所述调整模块包括差值计算模块、相除模块和判断调整模块；
所述差值计算模块用于计算当前采样点与上一个采样点的折算后的输出功率差和输出电压差；
所述相除模块用于将所述折算后的输出功率差与输出电压差相除，得到判断值；
所述判断调整模块用于：若所述判断值等于零，则保持当前光伏阵列的输出电压不变；若所述判断值大于零，则增大当前光伏阵列的输出电压；若所述判断值小于零，则减小当前光伏阵列的输出电压。
8.根据权利要求7所述的太阳能光伏阵列的最大功率输出控制系统，其特征在于，所述判断调整模块具体用于：
若所述判断值大于零，将当前光伏阵列的输出电压增大一个扰动步长；
若所述判断值小于零，将当前光伏阵列的输出电压减小一个扰动步长；
其中，所述扰动步长通过公式α·|(Pk-Pk-1)/(Vk-Vk-1)|计算获得；其中，α为预设系数，Pk为当前采样点的折算后的输出功率；Pk-1为上一个采样点的折算后的输出功率；Vk为当前采样点的输出电压；Vk-1为上一个采样点的输出电压。
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