CN103472884B - 一种光伏阵列全局最大功率点跟踪方法 - Google Patents

一种光伏阵列全局最大功率点跟踪方法 Download PDF

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Abstract

一种光伏阵列全局最大功率点跟踪方法：首先将光传感器分散布置于光伏阵列之中，设置图像采集装置的安装位置，将图像及其同步的辐照度测量数据经过通信网络传送到光伏发电系统控制中心，光伏发电控制中心对光伏阵列运行图像进行分析处理，辨识出局部阴影是否存在，及其分布范围；然后结合光传感器同步测量的辐照度数据，辨识光伏阵列中各个位置的辐照度；最后通过计算机仿真分析获取当前光照条件下光伏阵列的输出功率-电压特性，找出当前最大功率点对应的电压，若该电压与实际运行电压偏差超过阈值，则重新设置MPPT的参考电压，并从此出发利用传统MPPT方法动态跟踪最大功率点。本发明不仅可以显著提高光伏阵列MPPT的跟踪准确度，而且可以避免全局最大功率点跟踪过程中产生额外的大幅度功率振荡，实现高性能的全局最大功率点跟踪。

Description

一种光伏阵列全局最大功率点跟踪方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电系统中光伏阵列最大功率点跟踪技术，属于光伏发电系统运行控制领域。
背景技术：
太阳能光伏发电技术，因其清洁无污染、安装方便、不受地域限制、运行维护简单等诸多优点，成为继风力发电之后的主要新能源发电方式。随着各国光伏补贴政策的逐渐退出，光伏发电系统的高效运行对于降低光伏电力成本变得尤为重要。
光伏发电系统中的光伏阵列由大量光伏电池以一定的串并联结构组成，具有光电转换功能。光伏阵列的输出功率不仅与其所处的环境和阵列结构等客观因素有关，还与光伏阵列的输出端电压密切相关。对于特定结构的光伏阵列，每种运行环境下都存在使输出功率最大的端电压，该运行点称作最大功率点(Maximum Power Point，MPP)。考虑到实际光伏阵列的运行环境处于不断变化中，包括日出日落、阴晴雨雪、局部阴影遮挡等，光照和温度的变化会引起光伏阵列MPP运行点的转移，具有实际应用意义的光伏发电系统都安装有最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制装置，实现任意运行条件下MPP的实时跟踪。
当光伏阵列的输出功率-电压(P-U)特性曲线呈现单峰时，利用爬山法、导数增量法等传统MPPT方法可以较好地实现MPP的准确快速跟踪；受局部阴影影响，光伏阵列的输出P-U特性曲线极有可能呈现多峰，此时传统MPPT方法可能无法区分全局MPP与局部MPP，从而导致光伏阵列运行于局部MPP、引起输出功率的大幅度减少。目前，有一些多峰MPPT方法虽然较传统MPPT方法有一定的改进，但可能存在跟踪失效、功率振荡剧烈、零功率输出等问题。
若能实时获取光伏阵列的输出P-U特性曲线，那么就能知道光伏阵列的全局MPP点电压，通过MPPT控制器可以让光伏阵列运行在全局MPP。考虑到光伏阵列中温度差异不大且温度对光伏组件输出特性影响较小，因此可以不考虑光伏阵列中的温度差异。受局部阴影影响，光伏阵列中光伏组件的光照可能存在较大差异，从而导致光伏组件输出特性出现显著差异。若要掌握整个光伏阵列的局部阴影状况，通常需要安装大量的光传感器，以实现对辐照度的精细化测量。大量的传感器意味着建设成本高和系统复杂，对局部阴影测量精细度要求越高，传感器的数量亦将成倍增加。
发明内容：
本发明针对光伏阵列运行过程中全局MPP随光照条件动态变化的问题，利用图像处理技术和计算机仿真分析相结合的方式来获取光伏阵列实时运行光照数据，并通过计算机仿真快速得到光伏阵列的输出P-U特性曲线及对应的全局MPP电压值，据此来设计MPPT算法。该方法只需要少量光传感器就可以高精度、快速地获取光伏阵列的辐照度分布，从而得到光伏阵列的全局MPP端电压值，实现光伏阵列的实时全局MPP平稳跟踪控制。
为了实现上述技术目标，本发明提出的技术方案包括光伏阵列、光传感器、图像采集装置、光伏发电系统控制中心、MPPT控制器、光伏阵列输出功率变换装置、通信网络等。光伏阵列由若干个光伏电池组件和二极管构成，其作为一个整体通过功率变换装置直接向负载供电或者连接外部电网。光伏阵列的输出端电压受控于MPPT控制器，通过调整光伏阵列的端电压可以实现最大功率输出。光传感器获取的辐照度信息和图像采集装置获取的光伏阵列图像信息都通过通信网络传输到光伏发电系统控制中心，辨识出当前光伏阵列的辐照度分布数据，仿真计算光伏阵列的P-U曲线并获取全局MPP电压数据。若光伏发电系统控制中心计算出的全局MPP电压与光伏阵列实际端电压的偏差超过阈值，则重新设置MPPT控制器的参考电压值为当前的全局MPP电压值，然后从此电压值出发采取传统的MPPT方法在小范围内继续动态跟踪光伏阵列的MPP。
本发明的实现步骤如下：
(1)确定光伏阵列的分布范围、光伏组件的排列位置，并作标记；
(2)在光伏阵列中分散安装光传感器，在光伏阵列上方安装图像采集装置，并将它们的安装位置信息存储于光伏发电系统控制中心；
(3)用光传感器测量其安装地点的辐照度，辐照度数据及其采集时间信息经通信网络传送到光伏发电系统控制中心；
(4)图像采集装置拍摄光伏阵列的运行图像，图像及其拍摄时间信息通过通信网络传送到光伏发电系统控制中心；
(5)光伏发电系统控制中心对光伏阵列的图像进行分析，辨识局部阴影的分布范围和均匀程度，并结合图像拍摄时光传感器采集的光伏阵列的辐照度数据，拟合出光伏阵列中各个位置的辐照度数据；
(6)光伏发电系统控制中心的计算机通过仿真分析得到光伏阵列的输出P-U特性曲线，并找到该曲线上的全局MPP，记录全局MPP的电压值；
(7)光伏发电系统控制中心将光伏阵列当前的全局MPP电压数据经通信网络发送给MPPT控制器；
(8)MPPT控制器比较刚接收到的全局MPP电压与光伏阵列的实测端电压，若两者差值超过阈值，则跳至步骤(9)；否者，跳至步骤(10)；
(9)MPPT控制器调整光伏阵列输出端电压至全局MPP电压；
(10)利用传统MPPT方法在小范围内动态跟踪光伏阵列的MPP，同时继续接收来自光伏发电控制中心的全局MPP电压数据。
由于光伏发电系统控制中心实时接收辐照度数据和光伏阵列图像，并能快速仿真出光伏阵列的输出P-U特性曲线，因此当外部光照条件发生显著改变时，MPPT控制器也能快速调整光伏阵列的运行点至当前的全局MPP，实现快速平稳准确的MPPT控制。本发明通过图像采集装置和少量光传感器实现光伏阵列光照条件的快速辨识，不仅可以指导MPPT算法准确跟踪到全局MPP，而且跟踪过程几乎不存在额外的大幅度功率振荡，对提高光伏阵列发电效率具有显著效果。
本发明的优点是：不仅可以显著提高光伏阵列MPPT的跟踪准确度，而且可以避免全局最大功率点跟踪过程中产生额外的大幅度功率振荡，实现高性能的全局最大功率点跟踪。
附图说明：
图1  光伏阵列最大功率点跟踪方法实现框架结构
图2  光伏阵列最大功率点跟踪方法实现流程图
图3a 实施例中无阴影时的光伏阵列图像
图3b 实施例中有局部阴影时的光伏阵列图像
图4a 实施例中无阴影时光伏阵列辐照度辨识结果
图4b 实施例中有局部阴影时光伏阵列辐照度辨识结果
图5  实施例中光伏阵列的输出功率-电压(P-U)特性曲线及全局最大功率点(MPP)
图6  实施例中光伏阵列的最大功率点跟踪轨迹
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。
光伏阵列MPPT方法实现框架结构如图1所示，光伏阵列采用典型的串并联结构，即每个光伏组件并联一个旁路二极管，每一串光伏组件都串联一个防逆二极管，所有光伏组件先串联后并联，分别在阵列的四周和中心位置布置光传感器，并在指定位置安装摄像机一台。光传感器测量的辐照度数据和摄像机拍摄的光伏阵列图像被实时传送到光伏发电系统控制中心进行辐照度分布数据辨识。光伏发电控制中心根据辐照度辨识结果，仿真分析当前光伏阵列的输出P-U特性曲线及对应的全局MPP电压，并使光伏阵列运行点快速准确调整到当前的全局MPP点。
具体实施流程如图2所示，包括如下步骤：
(1)确定光伏阵列的分布范围、光伏组件的排列位置，并作标记；
(2)在光伏阵列中分散安装光传感器，在光伏阵列上方安装图像采集装置，并将它们的安装位置信息存储于光伏发电系统控制中心；
(3)用光传感器测量其安装地点的辐照度，辐照度数据及其采集时间信息经通信网络传送到光伏发电系统控制中心；
(4)图像采集装置拍摄光伏阵列的运行图像，图像及其拍摄时间信息通过通信网络传送到光伏发电系统控制中心；
(5)光伏发电系统控制中心对光伏阵列的图像进行分析，辨识局部阴影的分布范围和均匀程度，并结合图像拍摄时光传感器采集的光伏阵列的辐照度数据，拟合出光伏阵列中各个位置的辐照度数据；
(6)光伏发电系统控制中心的计算机通过仿真分析得到光伏阵列的输出P-U特性曲线，并找到该曲线上的全局MPP，记录全局MPP的电压值；
(7)光伏发电系统控制中心将光伏阵列当前的全局MPP电压数据经通信网络发送给MPPT控制器；
(8)MPPT控制器比较刚接收到的全局MPP电压与光伏阵列的实测端电压，若两者差值超过阈值，则跳至步骤(9)；否者，跳至步骤(10)；
(9)MPPT控制器调整光伏阵列输出端电压至全局MPP电压；
(10)利用传统MPPT方法在小范围内动态跟踪光伏阵列的MPP，同时继续接收来自光伏发电控制中心的全局MPP电压数据。
假设摄像机拍摄光伏阵列无阴影时的图像如图3(a)所示，有局部阴影时的图像如图3(b)所示，光伏组件编号分别用1-1、1-2、……、1-10、2-1、2-2、……2-10表示。根据汇集到光伏发电系统控制中心的图像信息与辐照度测量信息，辨识得到的光伏组件辐照度数据列于图4中。基于光伏组件辐照度辨识结果，光伏发电系统控制中心可以仿真出光伏阵列的输出P-U特性曲线如图5所示，无阴影时和有局部阴影时光伏阵列的全局MPP标注于相应曲线上。
本实施例中，光伏阵列MPPT跟踪轨迹如图6所示，假设无阴影时光伏阵列运行于图6中的A点(端电压为UA)，由于局部阴影发生后，光伏发电系统控制中心仿真得到的全局MPP(图6中B点)的电压UB与实际端电压UA偏差超过阈值，因此迅速调整光伏阵列的端电压使运行点从C点转移至B点。之后，若局部阴影没有发生显著改变，则光伏发电系统仿真得到的全局MPP电压将在实测光伏阵列端电压附近，因此，MPPT控制器将采取传统MPPT方法中的小幅度扰动以动态跟踪微小的输出特性变化。
本发明提出的MPPT方案在传统MPPT方法基础上增加了光伏阵列辐照度实时测量与辨识环节，因此当光照条件发生变化时总能快速仿真得到实时的全局MPP，避免了传统MPPT方法受困于局部MPP的问题以及全局搜索MPPT方法跟踪过程中大幅度功率波动的问题。

Claims (1)

1.光伏阵列全局最大功率点跟踪方法，涉及光伏阵列、光传感器、图像采集装置、光伏发电系统控制中心、MPPT控制器、光伏阵列输出功率变换装置、通信网络，具体包括如下步骤：
步骤1，确定光伏阵列的分布范围、光伏组件的排列位置，并作标记；
步骤2，在光伏阵列中分散安装光传感器，在光伏阵列上方安装图像采集装置，并将它们的安装位置信息存储于光伏发电系统控制中心；
步骤3，用光传感器测量其安装地点的辐照度，辐照度数据及其采集时间信息经通信网络传送到光伏发电系统控制中心；
步骤4，图像采集装置拍摄光伏阵列的运行图像，图像及其拍摄时间信息通过通信网络传送到光伏发电系统控制中心；
步骤5，光伏发电系统控制中心对光伏阵列的图像进行分析，辨识局部阴影的分布范围和均匀程度，并结合图像拍摄时光传感器采集的光伏阵列的辐照度数据，拟合出光伏阵列中各个位置的辐照度数据；
步骤6，光伏发电系统控制中心的计算机通过仿真分析得到光伏阵列的输出P-U特性曲线，并找到该曲线上的全局MPP，记录全局MPP的电压值；
步骤7，光伏发电系统控制中心将光伏阵列当前的全局MPP电压数据经通信网络发送给MPPT控制器；
步骤8，MPPT控制器比较刚接收到的全局MPP电压与光伏阵列的实测端电压，若两者差值超过阈值，则跳至步骤9；否则，跳至步骤10；
步骤9，MPPT控制器调整光伏阵列输出端电压至全局MPP电压；
步骤10，利用传统MPPT方法在小范围内动态跟踪光伏阵列的MPP，同时继续接收来自光伏发电控制中心的全局MPP电压数据。
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