CN103425173A

CN103425173A - 一种基于等效负载阻抗扰动的分布式最大功率点跟踪方法

Info

Publication number: CN103425173A
Application number: CN2012101622046A
Authority: CN
Inventors: 董英; 吴春华; 黄建明; 徐坤
Original assignee: SHANGHAI ROCKCORE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI ROCKCORE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明提供了一种基于等效负载阻抗扰动的最大功率点跟踪方法，充分考虑光伏优化器系统中最大功率点跟踪引起的负载阻抗扰动问题，能够实现一种稳定的最大功率点跟踪控制方法：本方法通过等效负载阻抗R_in＝V_PV/I_PV进行最大功率点跟踪，即同时考虑占空比控制量x扰动和负载阻抗R_L变化对反馈功率的影响，避免由于负载阻抗扰动造成跟踪不稳或系统崩溃，提高系统稳定性和整个系统的效率。

Description

一种基于等效负载阻抗扰动的分布式最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种用于光伏组件的最大功率点跟踪方法，该方法综合考虑系统控制量扰动和负载阻抗扰动进行最大功率点跟踪判断，避免负载阻抗扰动对系统跟踪的影响，本方法适用于光伏优化器系统，传统组串式光伏系统等功率变换系统。

背景技术

为了提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏组件的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称之为最大功率点(MPP)追踪。目前，光伏发电系统的应用日渐增多，但系统造价仍居高不下，转换效率也较低，因此，通过控制使光伏组件始终工作在MPP处，输出最大功率，提高系统效率，在相对意义上降低了系统成本，从而可以促进光伏产业的发展。目前较常用的内MPPT控制方法有扰动观察法，增量电导法等，这些方法已在传统的组串式光伏并网系统中得到了很好的验证。然而，光伏建筑集成系统(BIPV)往往存在朝向不一致、遭受周围物体局部阴影遮挡等影响，而传统组串式并网逆变系统由于无法兼顾每块光伏组件的输出特性，导致即使很小的阴影或不一致性都会引起系统输出功率急剧下降，并且受遮挡部分容易形成局部热斑、组件老化，严重时引起整块组件失效，甚至导致火灾发生。

图2为目前应用的光伏逆变系统电气结构图，其中分布式最大功率点跟踪(DMPPT)被认为是目前最有效解决上述问题的技术方案之一，该方法通过对每块光伏组件进行最大功率点跟踪，避免不一致性或局部阴影造成的能量丢失，使每块光伏组件工作在最佳状态。分布式光伏优化器系统给每块光伏组件配备DC/DC变换器，通过调整其输出电压来确保每块光伏组件工作在最大功率点，解决由于局部阴影或组件不匹配影响其他正常组件，挽回系统能量损失，该方法不改变传统接线方式，并且每个优化器的成本较低，效率较高，因此最近几年受到广泛关注。

图3为光伏优化器系统工作示意图，图中每块光伏组件由各自的优化器进行MPP跟踪，其输出端串联后接入并网逆变器，其中优化器可以采用Boost、Buck、Buck-Boost等变换电路。当某块光伏组件遭受局部阴影遮挡时，相应优化器通过降低输出电压维持较大的输出电流，从而不影响其他正常组件的功率输出。相比于传统系统，光伏优化器系统可以提升由于组件参数差异、朝向不一致、局部阴影等损失的5-25％的发电量，特别适用于光伏建筑领域。光伏优化器的主要功能是进行最大功率点跟踪，其性能的好坏直接影响整个系统的发电量，目前有很多资料提供了最大功率点跟踪控制方法，但是都是针对传统的并网逆变器，其控制思想基于负载阻抗在MPP跟踪周期内不变，通过控制量扰动寻找最佳功率点，然而光伏优化器系统中多个光伏优化器串联连接，并且每块光伏组件进行最大功率跟踪，因此光伏优化器的负载阻抗随机扰动，从而导致MPP跟踪不稳，甚至造成系统崩溃，目前还没有相关资料对光伏优化器系统考虑负载阻抗扰动进行最大功率点跟踪方面的控制方法。

发明内容

为了解决现有的控制方法的上述缺点和不足之处，根据光伏优化器系统的特点，本发明提供了一种基于等效负载阻抗扰动的最大功率点跟踪方法，充分考虑光伏优化器最大功率点跟踪引起的负载阻抗扰动问题，可以避免由于负载阻抗扰动而造成跟踪不稳或系统崩溃，使光伏优化器稳定工作在各自的最大功率点。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于等效负载阻抗扰动的分布式最大功率点跟踪方法，其特征在于：所述的方法依次执行以下步骤：

第0步：初始化算法内部参数：Duty_flag＝0，d_A＝0，d_B＝d_A+Δd，其中Δd为MPPT算法扰动步长；

第1步：输出占空比控制量x等于d_A，采样变换器输入端的电压V_pv和电流I_pv，计算光伏板的输出功率P_A＝V_pv*I_pv和变换器的等效负载阻抗R_A＝V_pv/I_pv；

第2步：输出占空比控制量x等于d_B，采样变换器输入端的电压V_pv和电流I_pv，计算光伏板的输出功率P_B＝V_pv*I_pv和变换器的等效负载阻抗R_B＝V_pv/I_pv；

第3步：判断光伏板输出功率P_A和P_B的大小：若P_A大于P_B，则执行第4步；若P_A小于P_B，则执行第5步；若P_A等于P_B，则执行第6步；

第4步：判断变换器等效负载阻抗R_A和R_B的大小：若R_A大于R_B，则将判定变量Duty_flag减1；若R_A小于R_B，则将判定变量Duty_flag加1；若R_A等于R_B，则将判定变量Duty_flag保持不变。然后执行第7步；

第5步：判断变换器等效负载阻抗R_A和R_B的大小：若R_A大于R_B，则将判定变量Duty_flag加1；若R_A小于R_B，则将判定变量Duty_flag减1；若R_A等于R_B，则将判定变量Duty_flag加1。然后执行第7步；

第6步：执行第7步；

第7步：根据判定变量Duty_flag的值判断：若判定变量Duty_flag等于1，则执行d_A＝d_B和d_B＝d_B+Δd；若判定变量Duty_flag等于-1，则执行d_B＝d_A和d_A＝d_A-Δd；若判定变量Duty_flag等于0，则保持占空比控制量d_A、d_B不变。然后执行第8步；

第8步：清零判定变量Duty_flag＝0，结束后执行第9步；

第9步：返回执行第1步。

一种基于等效负载阻抗扰动的分布式最大功率点跟踪方法，其特征在于：本控制方法适用于Buck变换电路，或Boost变换电路，或Buck-Boost变换电路构成的光伏优化器系统、或伏并网系统、或光伏离网系统。

通过上述的控制方式，能够实现一种高效稳定的最大功率点跟踪：通过等效负载阻抗R_in＝V_PV/I_PV进行最大功率点跟踪，即同时考虑占空比控制量x扰动和负载阻抗R_L变化对反馈功率的影响，避免由于负载阻抗扰动造成跟踪不稳或系统崩溃，提高系统稳定性和整个系统的效率。

附图说明

图1是本发明的基于等效负载阻抗扰动的最大功率点跟踪方法流程图。

图2是光伏逆变系统电气结构图。

图3是光伏优化器系统工作示意图。

图4是等效负载阻抗R_in与控制量x的关系曲线(R_L＝1Ω)。

图5是光伏组件两种情况下输出的I-V特性曲线。

图6是传统MPPT控制方法流程图。

图7是MPP跟踪过程中R_in的变化情况曲线。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

本发明提供了一种基于等效负载阻抗扰动的最大功率点跟踪方法，充分考虑光伏优化器最大功率点跟踪引起的负载阻抗扰动问题，可以避免由于光伏组件间的相互影响而造成跟踪不稳或系统崩溃，使光伏优化器都稳定工作在各自的最大功率点。

根据上诉的发明构思，本发明采用下述技术方案：

第6步：执行第7步；

第8步：清零判定变量Duty_flag＝0，结束后执行第9步；

第9步：返回执行第1步。

本实施例的一种基于等效负载阻抗扰动的分布式最大功率点跟踪方法原理简述如下：

光伏组件的输出功率可以表示为：

P_pv＝f(R_in，λ，T) (1)

其中，R_in为光伏组件的等效负载阻抗(Ω)，λ为光照强度(W/m²)，T为温度(K)。

R_in＝f(x，R_L) (2)

其中，x为控制器占空比控制量，R_L为控制器实际负载阻抗。

基于等效负载阻抗扰动的最大功率点跟踪算法是在假设光照强度λ和温度T恒定的前提下，综合考虑了控制量x扰动和负载阻抗R_L扰动进行MPP跟踪判断。

该算法适用于Buck电路，Boost电路等DC/DC电路，为了实现升降压调节，光伏优化器一般采用Buck-Boost电路，这里就用Buck-Boost电路为例说明。其等效负载阻抗，即光伏组件的等效负载阻抗R_in为：

R_{in} = \{\begin{matrix} \frac{1}{x^{2}} * R_{L} & x &Element; (0,1] \\ {(2 - x)}^{2} * R_{L} & x &Element; (1,2) \end{matrix} - - - (3)

式中R_L为优化器输出端实际负载，x为Buck-Boost电路占空比，当0＜x＜1时，Buck电路工作；当1＜x＜2时，Boost电路工作，其实际占空比为x-1。

图4所示为负载R_L＝1Ω时光伏优化器等效负载阻抗R_in与占空比x的关系曲线。可以看出，等效负载阻抗R_in是控制量x的单调递减函数，对于特定负载R_L，通过调节控制量x，可以单调调节等效负载阻抗R_in。

图5为光伏组件两种情况下输出I-V特性曲线，图中给出了不同光照和温度下光伏组件的输出特性曲线1和曲线2，其中a、c分别为两种情况下的最大功率点，当等效负载阻抗分别为R_L1和R_L2时，光伏组件等效内阻抗R_src和等效负载阻抗R_in匹配，光伏组件输出最大功率。因此，最大功率点跟踪的本质是实时调节等效负载阻抗R_in，使其与光伏组件等效内阻抗R_src匹配。传统光伏系统中，假设负载阻抗R_L在MPPT跟踪周期中不变，通过调节占空比x可以改变等效负载阻抗，从而实现与光伏组件等效阻抗的匹配，如图6所示。

光伏优化器系统中，每块光伏组件进行MPPT控制，导致光伏优化器输出端阻抗受其它组件的影响而实时扰动，此时采用传统MPPT控制方法，由于无法判断是占空比x调节还是负载阻抗R_L扰动引起的功率变化，从而无法对MPPT调节方向进行准确判断，导致MPPT误跟踪，特别是在外界环境变化比较剧烈时，造成系统不稳甚至系统崩溃，因此，传统MPPT控制方法在光伏优化器系统中存在跟踪不稳的问题。

光伏优化器MPP跟踪过程中R_in的变化情况如图6所示。假设光伏组件的工作环境不变(即R_src＝4)，光伏优化器通过凋节占空比x使等效负载阻抗R_in等于R_src实现最大功率点跟踪(d点、e点)，传统MPPT算法通过扰动控制量x，若反馈功率增加，则继续同方向扰动控制量。但是在光伏优化器系统中，由于系统中其它模块扰动造成负载R_L变化，从而引起反馈功率变化而导致MPPT跟踪失误。下面结合图6具体分析跟踪失误的原因。

图7中三条曲线分别代表不同负载R_L时等效负载阻抗R_in随占空比变化情况，假设光伏组件工作在a点时的等效负载阻抗R_in大于最大功率点阻抗e点，通过扰动工作到b点，此时b点反方向偏离最大功率点阻抗，因此MPPT根据反馈功率会增大占空比x，使等效负载阻抗R_in接近最大功率点阻抗e点。如果在MPPT周期中负载从曲线2变化到曲线3，扰动后工作点为c点，此时等效负载阻抗R_in相对于a点更接近最大功率点阻抗e点，传统MPPT算法会误认为控制量扰动方向正确，继续同方向向c点左侧扰动，从而导致MPPT跟踪错误。同理，如果在MPPT周期中负载R_L从曲线2变化到曲线1，同样会造成MPPT跟踪错误。

因此，光伏优化器系统中扰动反馈结果由变换器占空比控制量x和负载阻抗R_L共同确定，传统MPPT方法扰动反馈结果仅考虑变换器占空比控制量x将导致MPPT误判断，严重时造成系统崩溃。

根据光伏优化器系统的特点，提出了一种基于等效负载阻抗R_in扰动的最大功率点跟踪方法，通过每个MPPT周期计算等效负载阻抗R_in＝V_PV/I_PV，即同时考虑占空比控制量x扰动和负载阻抗R_L变化对反馈功率的影响，避免系统中各个优化器相互影响导致跟踪失误，提高系统稳定性。

Claims

1.一种基于等效负载阻抗扰动的分布式最大功率点跟踪方法，其特征在于：所述的方法依次执行以下步骤：

第6步：执行第7步；

第8步：清零判定变量Duty_flag＝0，结束后执行第9步；

第9步：返回执行第1步。

2.根据权利要求1所述的一种基于等效负载阻抗扰动的分布式最大功率点跟踪方法，其特征在于：本控制方法适用于Buck变换电路，或Boost变换电路，或Buck-Boost变换电路构成的光伏优化器系统、或伏并网系统、或光伏离网系统。