CN104238622A

CN104238622A - 基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法

Info

Publication number: CN104238622A
Application number: CN201410405276.8A
Authority: CN
Inventors: 王云平; 李颖; 阮新波
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-08-18
Also published as: CN104238622B

Abstract

本发明公开了基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，属于光伏阵列输出最大功率点跟踪方法。该方法基于光伏阵列各组成模块的峰值点电流与短路电流之间近似比例关系的普遍规律，反复执行三个搜索峰值点位置的步骤，即能够搜寻出输出功率全局各峰值点中的最大功率点，并使电路工作于该功率点，实现最大输出功率的获取，能够快速准确跟踪多峰特性下的局部阴影下光伏阵列的最大输出功率点。该方法能准确地跟踪到全局最大功率点，且比常规的全局搜索法有更快的跟踪速度，提高了跟踪效率。同时该算法不需额外增加传感器数量和其他辅助电路，具有简洁、高效和鲁棒性强的特点，实现简单，具有较大的经济价值和实用价值。

Description

基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法

技术领域

本发明公开了基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，具体是一种基于局部阴影下光伏阵列电流特性的三步骤MPPT方法。

背景技术

为了提高光电转换效率，希望光伏阵列始终工作在最大功率点上。常用的最大功率点跟踪方法有扰动观察法、电导增量法、恒定电压法等。在均匀光照下，光伏阵列的P-V输出特性只有一个峰值点，这些方法可以较准确地跟踪阵列的最大功率点，保证光能的充分利用。然而，由于受到周围树木、建筑物和云层的阴影以及阵列表面灰尘的影响，局部阴影时有发生，光伏阵列的光照不再均匀。此时，光伏阵列的输出特性呈现多峰特点，采用常规的光伏阵列输出最大功率点跟踪方法（Maximum Power Point Tracking，MPPT）容易陷入某一局部功率极值点，不能准确地跟踪到全局最大功率点，导致光能利用率下降。

目前，现有的对光伏阵列局部阴影下的最大功率点获取的解决方法主要分为三类。一类是通过附加硬件电路改变P-V多峰性质，使得光伏阵列输出呈现单峰特性，再用常规的MPPT方法进行跟踪。例如，给每个光伏组件并联一个补偿电路，当发生局部阴影时，补偿电路维持被遮挡组件的端电压，使其工作于最大功率点附近，阵列的P-V特性被矫正为单峰值的，避免了多峰的出现，可以用常规的电导增量等方法实现MPPT。但是，补偿电路的加入导致系统结构复杂，控制困难，成本增加。第二类是研究光伏阵列结构的优化组合方法。通过重构阵列中光伏组件的组合形式，来尽量降低阴影遮挡对整体性能的影响，但该类方法的灵活性和应对环境突变能力较弱。第三类是设计具有全局搜索能力的最大功率点跟踪算法，如采用基于粒子群算法的智能控制方法，在局部阴影条件下比常规算法有更好的快速性和准确性。但该类方法参数设置依靠经验，可移植性较差，工程中不易实现。也有采用了两步式的方法，第一步由组件开路电压和短路电流的比值得到等效电阻，并根据等效电阻阻值和实时检测到的电流大小设定一个工作点，第二步在设定的工作点附近运用常规MPPT方法寻找最大功率点。该方法简单易行，但不能保证在所有阴影模式下均能准确跟踪到全局最大功率点。综合来看，现有的方法可以一定程度上提高光伏阵列的光能利用率，但也或多或少存在着跟踪准确性不高、跟踪速度慢、过于复杂、需要添加硬件电路以及应对环境突变能力较弱等不足，多峰特性下的全局MPPT跟踪仍是一个亟待解决的问题。

以三个光伏单元串联为例，其不均匀光照条件下的输出特性至少有三种可能的情况，如附图1、图2、图3所示，他们的全局最大功率点分别在第一个、第二个和第三个区间峰值点上。采用传统的全局搜索法，无论以上三种情况，都需要将电压从小到大或从大到小全部搜搜三个峰值点区域，这样的搜索，耗费时间和计算资源，效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有局部阴影条件下光伏阵列输出最大功率获取控制方法存在的缺陷，基于光伏阵列各组成模块的峰值点电流与短路电流之间近似比例关系的普遍规律，反复执行三个搜索峰值点位置的步骤，就能够搜寻出输出功率全局各峰值点中的最大功率点，并使电路工作于该功率点，实现最大输出功率的获取。该方法能准确地跟踪到全局最大功率点，且比常规的全局搜索法有更快的跟踪速度，提高了跟踪效率。同时该算法不需额外增加传感器数量和其他辅助电路，具有简洁、高效和鲁棒性强等优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，具体步骤如下：

步骤1：用电导增量法跟踪到光伏阵列输出功率的第一个局部功率峰值点，并记录下该点的功率值P_m和电压值V_m；

步骤2：施加正电压扰动，找出步骤1中局部峰值点之后的第一个分界短路电流，记录其电流值I_sci；

步骤3：根据公式P_m/I_sci=V_ref，得到新工作点的电压基准值V_ref，根据新工作点处的对应信息，将分界短路电流I_sci所对应功率峰值点的功率值与已记录的功率值P_m进行比较：

301：若分界短路电流I_sci对应的功率峰值点的功率大于已记录的功率值P_m，判断条件为：V_ref≤0.9V_oc，I_in>0.85I_sci，并且dP/dV>0，则转入步骤1，并更新P_m和V_m；其中， V_oc为光伏阵列的开路电压。

302：若分界短路电流I_sci对应的功率峰值点的功率小于已记录的功率值P_m，判断条件为：V_ref≤0.9V_oc且I_in>0.85I_sci，或V_ref≤0.9V_oc且dP/dV>0，转入步骤2，继续寻找下一个分界短路电流；

303：当寻找至最后一个分界短路电流时，断最后一个峰值点的功率值是否为已记录的功率值中的最大值，找出功率值最大的全局最大功率点，并使电路工作于所述全局最大功率点。

以上步骤2和步骤3中，只要出现V_ref＞0.9V_oc时，则视为此时已超过最后一个峰值点，且已找到全局最大功率点，不再继续增加电压搜索峰值点，三步骤法结束。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、跟踪速度更快，太阳能的利用率提高。利用本方法，因为第三步中有预判下一个峰值点功率与已记录最大功率点大小的环节，若是小于已记录值，则下一个峰值点功率所在的区域将直接跳过，不再搜索，因此将节省搜索时间，如果串并联更多的光伏模块，节省的时间将为更多。通过跳过一些不必搜索的峰值点所在的区域，节省了搜索时间，提高了搜寻效率，也提高了光伏能源的利用率。

2、电路简洁，不需额外增加传感器数量和辅助电路，成本下降。本发明方法只需要采集光伏阵列输出电压和电流两个数据，阵列中各模块的数据并不需要去采集，因此只需要各一副电压和电流传感器，也不需要任何其他的额外补偿电路，因此电路非常简洁，可靠性高，成本大为下降。

附图说明

图1是三个光伏模块串联时最大功率点在第一个峰值点处的输出功率曲线；

图2是三个光伏模块串联时最大功率点在第二个峰值点处的输出功率曲线；

图3是三个光伏模块串联时最大功率点在第三个峰值点处的输出功率曲线；

上述附图中，带有箭头的曲线为按照本方法获取最大功率点的电路动作过程。

图4是本发明所述方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明所述方法的流程框图如图4所示，图中分别给出了三步骤的详细判断和流程走向条件。所述基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，具体步骤如下：

301：若分界短路电流I_sci对应的功率峰值点的功率大于已记录的功率值P_m（判断条件为：V_ref≤0.9V_oc，I_in>0.85I_sci，并且dP/dV>0），则转入步骤1，并更新P_m和V_m；其中， V_oc为光伏阵列的开路电压。

302：若分界短路电流I_sci对应的功率峰值点的功率小于已记录的功率值P_m（判断条件为：V_ref≤0.9V_oc且I_in>0.85I_sci，或V_ref≤0.9V_oc且dP/dV>0），转入步骤2，继续寻找下一个分界短路电流；

在本发明的一个具体实施例中，图1、图2和图3是三个光伏模块串联时其输出功率曲线的三种可能情况，最大功率点分别在第一、第二和第三个峰值点处的情况，作为本方法实施的具体应用场合，下面给出最大功率点跟踪的具体过程。

如图1，初始化以后，光伏阵列工作于A₀点，经过第一步跟踪至第一个局部功率峰值点M₁。第二步需要找到A₁点，并记录该点电流作为分界短路电流I_sc2。从P-V曲线上可以看出，A₁点的左侧和右侧，dp/dv分别为负值和正值，因此，可以通过判断dp/dv的符号确定是否扰动到了A₁点，一旦判断出dp/dv为正，即可记录此时的电流值，其大小近似等于I_sc2。此时进入第三步，用M₁点功率P_m除以A₁点电流I_sc2得到的值作为新的电压基准，改变光伏阵列的工作点，即图1中的B₁点。根据B1点的功率以及dp/dv的符号判断M₂点(即I_sc2对应的功率峰值点)功率是否比M₁点功率大。如果Pm₂>Pm₁，跟踪到M₂点，并更新P_m和V_m；如果Pm₂<Pm₁，直接跳过A₁至B₁的区域，找分界短路电流I_sc3。判断P_m2和P_m1值大小的过程如下：

在A₁至B₁之间，任一点电压均小于V_B1，电流均小于I_sc2，而P_m=I_sc2V_B1，因此，A₁至B₁间任一点功率均小于P_m。已知M₂点一定在A₁点右侧，那么如果能够判断出M₂点与B₁点的位置关系，就可以大致判断出P_m2与P_m之间的关系。

(1) 如图1，当I_B1<0.85I_sc2<I_m2，由于I-V曲线单调递减，则V_m2<V_B1，M₂点在B₁点左侧，即处于A₁至B₁之间，因此P_m2<P_m。

(2) 当I_B1>0.85I_sc2时，若dp/dv<0，说明B₁点已经过了局部峰值点，仍有V_m2<V_B1，M₂点在A₁和B₁之间，同样有P_m2<P_m；若dp/dv>0，如图2，说明V_B1<V_m2，功率仍在增加，极有可能P_m2>P_m。

第三步的判断结果决定了程序不同的走向。在图1中，由于I_B1<0.85I_sc2，判断出P_m2<P_m，程序回到第二步，在第二步中又因为B₁点的dp/dv>0，得到短路电流I_sc3，其实此时得到的是B₁点的电流，但由于光伏近似恒流的输出特性，可以将B₁点电流近似看做I_sc3。仍用M₁点功率P_m除以I_sc3，从图1中可以看出，此时得到的电压基准V_B2已大于0.9V_oc，此时结束算法，将V_m作为基准，使光伏阵列工作于M₁点。

在图2的判断中，同样要先经过初始化在A₀点，第一步记录下M₁点的功率和电压，第二步找到A₁点，第三步根据A₁点电流计算出V_B1，并进行判断。与图1不同的是，在图2中，有I_B1>0.85I_sc2且dp/dv>0，程序回到第一步，跟踪到M₂点，并以M₂的功率和电压更新了P_m和V_m，而之前在图1中，由于I_B1<0.85I_sc2，判断出P_m2<P_m，因此跳过了对M₂区域的跟踪，直接寻找分界短路电流I_sc3。图2中跟踪到M₂以后，再次进入第二步，通过对dp/dv的符号判断找到A₂点，第三步中用更新后的P_m除以A₂点电流I_sc3，由于得到的电压基准大于0.9V_oc，结束算法，光伏阵列工作于M₂点。

图3中，B₁点之前的所有过程均和图1是相同的。图1中，因为P_m与I_sc3的比值大于0.9V_oc而结束算法，但在图3中，得到的B₂点电压V_B2小于0.9V_oc，在B₂点处有IB₂>0.85I_sc3且dp/dv>0，进入第一步，电导增量法跟踪到M₃，并更新P_m、V_m。再进入第二步，在不断增加电压扰动的过程判断出电压基准大于0.9V_oc，结束算法。将V_m作为新的基准，阵列工作于M₃点。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，其特征在于，具体步骤如下：

301：若分界短路电流I_sci对应的功率峰值点的功率大于已记录的功率值P_m，则转入步骤1，并更新P_m和V_m；

302：若分界短路电流I_sci对应的功率峰值点的功率小于已记录的功率值P_m，转入步骤2，继续寻找下一个分界短路电流；

303：当寻找至最后一个分界短路电流时，判断最后一个峰值点的功率值是否为已记录的功率值中的最大值，找出功率值最大的全局最大功率点，并使电路工作于所述全局最大功率点。

2.如权利要求1所述的一种基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，其特征在于，所述步骤301的判断方法还包括：

当V_ref≤0.9V_c、I_in>0.85I_sci且dP/dV>0时，判定下一个峰值点功率值大于已记录的功率值P_m，返回步骤1，按照电导增量法搜寻新的最大功率点；其中， V_oc为光伏阵列的开路电压，I_in为对应V_ref时的光伏阵列输出电流，dP/dV为光伏阵列输出功率相对输出电压的变化率。

3.如权利要求1所述的一种基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，其特征在于，所述步骤302的判断方法还包括：

当V_ref≤0.9V_oc且I_in≤0.85I_sci，或者V_ref≤0.9V_oc且dP/dV≤0时，判定下一个峰值点功率值小于已记录的功率值P_m，进一步增加V_ref的值，返回步骤2，寻找下一个分界短路电流。

4.如权利要求1所述的一种基于局部阴影下光伏阵列电流特性的输出功率获取方法，其特征在于：在所述步骤2和步骤3中，当工作电压V_ref > 0.9 V_oc时，判定此时已超过最后一个峰值点，且已找到全局最大功率点，不再继续增加电压搜索峰值点。