CN104484009A - 基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光伏发电系统监测技术领域，具体涉及一种光伏发电系统中的最大功率跟踪方法，包括如下步骤：获取光伏电池内部等效P-N结的品质因子n及反向饱和电流I_o；定位至最大功率点附近；根据K值选定小步长在最大功率点附近扰动，跟踪至最大功率点；稳定在最大功率点附近。本发明的跟踪方法，可以快速确定最大功率所在区域，缩小跟踪范围，大幅度提升跟踪速度。在小范围采用小步长跟踪最大功率点，有效减少在稳态时的功率损耗，且能减少在外界环境突变情况下的误判现象。

Description

基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法

技术领域

本发明属于光伏发电系统监测技术领域，具体涉及一种光伏发电系统中的最大功率跟踪方法。

背景技术

光伏阵列输出特性受光照强度、环境温度和负载变化影响而呈现非线性，随着外界条件的变化，光伏阵列可以输出连续的电压值，光伏电池的输出功率随着输出电压变化而变化，如图1所示。当在某一特定电压值M下，输出功率将达到最大值P_m，这一特定电压值所在点即为最大功率点(Maximum Power Point,MPP)。因此，要提高光伏系统发电效率，使光伏电池处于高输出状态，需要实时调整系统的负载特性，即随着光伏电池所处的环境温度和光照强度变化，调整系统的工作点，使之始终工作在最大功率点。利用控制算法来寻求最大功率点的技术即为最大功率点跟踪技术(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。

光伏阵列输出功率受环境温度、光照强度等因素外界环境变化而呈现出较强的非线性特性。如果固定工作点，将使得系统无法持续输出较大功率，从而降低整个系统的能量的输出，造成巨大浪费。

相同光伏电池在温度和光照强度稳定时，其短路电流及优化电流值应该是不变的。而当外界环境剧烈变化时，则优化电流、电压则会剧烈变化，从而导致最大功率点跟踪困难。关键原因在于光伏电池内部等效P-N结的品质因子n及反向饱和电流I_o未知，如果这两者为已知，则最大功率跟踪将会变得相对容易。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法，可获取光伏电池内部等效P-N结的品质因子n及反向饱和电流I_o，从而可快速有效地进行最大功率跟踪。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法，包括如下步骤：

1)获取光伏电池内部等效P-N结的品质因子n及反向饱和电流I_o；

2)定位至最大功率点附近；

3)根据K值选定小步长在最大功率点附近扰动，跟踪至最大功率点，所述K值为优化输出电流I_opt与该时刻的短路电流I_sc比值；

4)循环步骤2、3)，稳定在最大功率点附近。

进一步，所述步骤1)具体包括如下步骤：

11)测量所用光伏电池板的K_i、短路电流I_sc、开路电压U_oc；

12)获取光伏电池板的测量系统初始时刻输出电压U、电流I、环境温度T及光生电流I_ph；

13)假设n＝40，I_o＝500UA；

14)采用扰动观察法获得此时的最佳功率点的电流I_mpp及电压U_mpp；

15)根据公式得到此时的最优化电流I_mpp′；

16)判断ΔI＝I_mpp-I_mpp′是否为0，若ΔI≠0，则逐渐减小I_o,增大n并跳转执行步骤15)，直至当ΔI＝0，此刻的n及I_o即为真实值。

本发明相对于现有技术具有如下优点：同一块光伏电池其反向饱和电流I_o及二极管品质因子n为固定值，因此本发明的方法只需求解一次，其后算法可直接应用。相比于传统干扰观察法，本发明的跟踪方法，可以快速确定最大功率所在区域，缩小跟踪范围，大幅度提升跟踪速度。在小范围采用小步长跟踪最大功率点，有效减少在稳态时的功率损耗，且能减少在外界环境突变情况下的误判现象。

附图说明

图1示出了基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

在光伏电池输出的P-U曲线中，最大功率点处斜率为0，因此有：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}=\frac{d\left(\mathrm{IU}\right)}{d\left(U\right)}=I+U\left(\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}\right)=0;---\left(1\right)$

且根据光伏电池数学模型：

I＝I_ph-I_d-U_d/R_sh≈-I_d＝-I_o[exp(AU)+1]；   (2)

其中，A＝q/nkT。

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dU}}=-\frac{d\left(I_o\exp \left(\mathrm{AU}\right)\right)}{\mathrm{dU}}=-I_o\mathrm{Aexp}\left(\mathrm{AU}\right);---\left(3\right)$

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}=\{I_{\mathrm{ph}}-I_o[\exp \left(\mathrm{AU}\right)-1\left]\right\}-I_o\mathrm{AUexp}\left(\mathrm{AU}\right);---\left(4\right)$

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}=I_{\mathrm{ph}}+I_o-I_o(\mathrm{AU}+1)\exp \left(\mathrm{AU}\right)=0;---\left(5\right)$

则由(5)可知，在最大功率点处U_mpp满足下式：

I_ph+I_o＝I_o(AU_mpp+1)exp(AU_mpp)；    (6)

经过变换：

$l\left(\frac{I_{\mathrm{ph}}}{I_o}\right)=\ln ({\mathrm{AU}}_{\mathrm{mpp}}+1)+{\mathrm{AU}}_{\mathrm{mpp}};---\left(7\right)$

I_mpp＝I_ph-I_o[exp(AU_mpp)]；    (8)

由(6)可知，当I_ph、A及I_o为已知时，则最优电压U_mpp即可得，根据(8)即可求得最优电流，此时即可求得最优功率。而根据光伏电池数学模型，I_ph、A及I_o有如下关系：

$I_{\mathrm{ph}}=I+I_d+\frac{U_d}{R_{\mathrm{sh}}}\≈I+I_d=I+I_o[\exp \left(\frac{q{U}_d}{\mathrm{nkT}}\right)-1]---\left(9\right)$

式中，温度T可测，q、k是已知常数，所以当n及I_o为已知时即可求得I_ph，且这两个参数为与具体电池相关的固定参数。目前的光伏组件n的取值范围为40～110，且n越大，输出功率越大，I_o取值范围为0.2～500μA，且I_o越大，光伏输出功率越低。

在当光伏电池n及I_o不同时，在不同的光照强度下，优化输出电流I_opt与该时刻的短路电流I_sc存在着近似关系，即K＝I_opt/I_sc近似为常数。并且当光照强度S<150W/m²时，约有0.8<K<0.87，当光照强度S>150W/m²时，约有0.87<K<0.95。在已知n及I_o时，最大功率点位于0.8<K<0.95之间。

同时此刻光照强度有如下公式：

其中I_ph(25℃,1KW/m²)为标准条件下的光生电流；K_i为光伏电池I_sc温度变化系数，取值为(+0.09％～+0.1％)/℃；T_r为25℃时的绝对温度。

由于n及I_o此刻为已知，由公式：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_o\left[\exp \left(\frac{\mathrm{qU}}{\mathrm{nkT}}\right)\right]---\left(11\right)$

即可求得此时的I_ph，即此刻的I_sc。据此，确定最优电流I_opt与短路电流I_sc比例关系，可快速跟踪至最大功率点附近，由此在小范围内应用扰动法，即可达到最大功率点。

因此，本实施例的基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法，参见图1，包括如下步骤：

1)获取光伏电池内部等效P-N结的品质因子n及反向饱和电流I_o；具体包括如下步骤：

11)测量所用光伏电池板的K_i、短路电流I_sc、开路电压U_oc；

12)获取光伏电池板的测量系统初始时刻输出电压U、电流I、环境温度T及光生电流I_ph；

13)假设n＝40，I_o＝500UA；

14)采用扰动观察法获得此时的最佳功率点的电流I_mpp及电压U_mpp；

15)根据公式得到此时的最优化电流I_mpp′；

16)判断ΔI＝I_mpp-I_mpp′是否为0，若ΔI≠0，则逐渐减小I_o,增大n并跳转执行步骤15)，直至当ΔI＝0，此刻的n及I_o即为真实值。

2)定位至最大功率点附近；

3)根据优化输出电流I_opt与该时刻的短路电流I_sc比值K值,选定小步长(如0.0001)在最大功率点附近扰动，跟踪至最大功率点；

4)循环步骤2、3)，稳定在最大功率点附近。

上述步骤2、3)为现有技术，本发明中不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)获取光伏电池内部等效P-N结的品质因子n及反向饱和电流I_o；

2)定位至最大功率点附近；

3)根据K值选定小步长在最大功率点附近扰动，跟踪至最大功率点，所述K值为优化输出电流I_opt与该时刻的短路电流I_sc比值；

4)循环步骤2、3)，稳定在最大功率点附近。

2.如权利要求1所述的基于比例系数的光伏发电系统最大功率跟踪方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括如下步骤：

11)测量所用光伏电池板的K_i、短路电流I_sc、开路电压U_oc；

12)获取光伏电池板的测量系统初始时刻输出电压U、电流I、环境温度T及光生电流I_ph；

13)假设n＝40，I_o＝500UA；

14)采用扰动观察法获得此时的最佳功率点的电流I_mpp及电压U_mpp；

15)根据公式得到此时的最优化电流I_mpp′；

16)判断ΔI＝I_mpp-I_mpp′是否为0，若ΔI≠0，则逐渐减小I_o,增大n并跳转执行步骤15)，直至当ΔI＝0，此刻的n及I_o即为真实值。