CN105137808A - 基于光伏并网发电系统的局部阴影下最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光伏并网发电系统的局部阴影下最大功率点跟踪方法，包括第一步，根据光伏阵列的工作电压电流判断是否发生了阴影遮蔽的情况；第二步，当发生局部阴影时，则使光伏阵列工作点从B点移动到工作点C；第三步，利用最大功率点跟踪方法精确寻找最大功率点。本发明建立了光伏并网发电数字物理混合实时仿真系统，能够在局部阴影下准确追踪到全局最大功率点，无需附加电路，并且适用于多种极端光照情况，结果精确度和可信度都得到了提高。

Description

基于光伏并网发电系统的局部阴影下最大功率点跟踪方法

本申请是申请号为201310207872.0、申请日为2013年5月30日、发明名称为“光伏并网发电系统的数字物理混合仿真系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

发明涉及的是一种光伏并网发电系统的数字物理混合仿真系统，是基于RTDS(RealTimeDigitalSimulator)平台具备局部阴影下最大功率点跟踪(MPPT)功能的数字物理混合实时仿真系统。

背景技术

随着电力系统的发展，传统的数字仿真或者物理实验仿真都已经难以描绘电力系统所面临的一些新的问题，特别是随着大功率电力电子元件的兴起，数字物理混合仿真已经显得越来越重要。数模混合仿真可以综合数字仿真和物理实验的优点，解决目前电力系统所遇到的诸多问题。光伏发电是一种重要的可再生能源，对于光伏发电并网系统的研究已经成为电力系统仿真分析的一个重要领域。

在大规模光伏并网系统中，当光伏电池板较多的时候难以保证所有的电池板都有最好的光照条件，局部阴影会使得光伏阵列的P-V曲线呈现多峰特性，从而影响最大功率点跟踪的算法。在实际情况下，一些光伏系统中因为局部阴影情况发生的能量损失可能高达70％。因此，研究局部阴影情况下的光伏阵列特性和最大功率点算法的意义显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种光伏并网发电系统的数字物理混合仿真系统，能够提高仿真精度及可信度，使得光伏并网系统准确追踪到最大功率点，避免能量损失。

本发明的技术解决方案如下：

一种光伏并网发电系统的数字物理混合仿真系统，其特点在于，该系统包括RTDS数字系统、DSP物理系统、模拟量输出卡(GTAO)和数字量输入卡(GTDI)；所述的RTDS数字系统中的光伏电池板输出的直流电压和直流电流信号经模拟量输出卡传输入DSP物理系统，DSP物理系统中驱动斩波升压电路的一路PWM脉冲经数字量输入卡传输入RTDS数字系统。

所述的RTDS数字系统，包括依次连接的光伏阵列、斩波升压电路、逆变电路和电网。光伏系统能够实现基本的最大功率跟踪、并网控制功能。

所述的DSP物理系统包括MPPT控制器和斩波PWM控制器，该MPPT控制器接收RTDS数字系统中的光伏阵列输出的直流电压和直流电流信号，并输出调制信号给斩波PWM控制器，斩波PWM控制器输出PWM脉冲。

一种局部阴影下最大功率点跟踪方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

第一步，根据光伏阵列的工作电压电流判断是否发生了阴影遮蔽的情况；

第二步，当发生局部阴影时，则使光伏阵列工作点从B点移动到工作点C，公式如下：

C点的电压其中开路电压V_ocA和短路电流I_scA由光伏阵列本身决定，为常数，而光伏阵列工作电流I_B由实时测量所得；

第三步，利用最大功率点跟踪方法精确寻找最大功率点。

所述的第一步根据光伏阵列的工作电压电流判断是否发生了阴影遮蔽的情况，具体方法如下；

首先得到在无阴影均一光照的情况下光伏阵列工作在最大功率点时的电流I_Amax，目前实测的光伏阵列工作电流为I_A；

若ΔI＝I_Amax-I_A＜K₁，则光伏阵列没有受到阴影遮盖，

若ΔI＝I_Amax-I_A＞K₁，则光伏阵列受到了阴影遮盖；

其中，K₁是设定的常数。

与现有技术相比，本发明的技术特点是：建立了光伏并网发电数字物理混合实时仿真系统，系统中采用的MPPT方法能够在局部阴影下准确追踪到全局最大功率点，无需附加电路，并且适用于多种极端光照情况。由于采用了数字物理混合实时仿真的手段，使得结果精确度和可信度都得到了提高。

附图说明

图1是本发明的光伏并网系统结构示意图。

图2是本发明的数字物理混合系统结构图。

图3是本发明的局部阴影下光伏阵列特性示意图。

图4是本发明的局部阴影下MPPT方法的示意图，(a)为I-U曲线，(b)为P-U曲线。

图5是本发明的局部阴影下MPPT方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种光伏并网发电系统的数字物理混合仿真系统，其特征在于，该系统包括RTDS数字系统、DSP物理系统、模拟量输出卡(GTAO)和数字量输入卡(GTDI)；所述的RTDS数字系统中的光伏电池板输出的直流电压和直流电流信号经模拟量输出卡传输入DSP物理系统，DSP物理系统中驱动斩波升压电路的一路PWM脉冲经数字量输入卡传输入RTDS数字系统。

本发明的具体操作过程如下：

第一步，在RTDS系统中搭建光伏系统的纯数字仿真模型，如图1所示，包括光伏阵列、斩波升压电路、逆变电路、滤波部分、电网部分及其相关控制策略，光伏系统能够实现基本的最大功率跟踪、并网控制功能。

搭建数字物理混合系统。如图2所示，RTDS中搭建的部分为数字系统，DSP为物理系统，两者通过通信接口连接，即构成数字物理混合系统。数字系统主要进行整个光伏系统特性的模拟，物理系统进行最大功率点跟踪计算。DSP物理系统包括最大功率跟踪(MPPT)控制器和斩波PWM控制器，该MPPT控制器接收RTDS数字系统中的光伏阵列输出的直流电压和直流电流信号，并输出调制信号给斩波PWM控制器，斩波PWM控制器输出PWM脉冲。

第二步，编写数字系统和物理系统之间的通信接口，使用RTDS自带的GTAO(模拟量输出)卡和GTDI(数字量输入)卡，GTAO卡将数字系统的输出量(光伏阵列的电压电流)传送给物理系统作为输入量，GTDI卡将物理系统的输出量(PWM波)传送给数字系统作为输入量。通过GTAO卡和GTDI卡将RTDS数字系统同物理DSP系统构成数字物理回路，形成硬件在环仿真平台，实现数字系统与物理系统的交互通信。

通信接口的具体实现如下：

在RTDS中编写同外部通信的接口，与其自带的GTAO(模拟量输出)卡和GTDI(数字量输入)卡配套，实现数字系统与物理系统的交互通信。RTDS数字系统中需要传送给DSP物理控制板的量有光伏阵列输出的直流电压电流、直流母线电压，这些变量都通过GTAO卡传送给DSP控制板。GTAO卡是RTDS配套的模拟量输出卡。GTAO卡需要24V供电，16位精度的D/A转换，能够输出12路+/-10V的模拟量，输出通道采用周期为1us的过采样方式保证输出通道的同步性。

物理系统DSP控制板需要传送给RTDS数字系统的量有驱动斩波升压电路IGBT的一路PWM脉冲，通过GTDI卡传送给RTDS系统。GTDI卡是RTDS配套的数字量输入卡。GTDI卡需要24V供电，提供64路隔离的数字量输入通道，能够识别开关频率最高为15kHz的PWM信号。

通过GTAO卡和GTDI卡将RTDS数字系统同物理DSP系统构成数字物理回路，形成硬件在环仿真平台。

第三步，在物理DSP系统中编写局部阴影下最大功率点跟踪方法，使得DSP能够根据从RTDS数字系统采集到的信号量进行计算，判断出全局最大功率点的位置。

局部阴影下MPPT的方法如下：

1.局部阴影下的优化最大功率跟踪算法的基本思想是当发生局部阴影时要将光伏阵列的工作点从图3中的B点移动到C点附近。为了达到这一目标，需要实现下列几点：

1)根据光伏阵列的工作电压电流判断是否发生了阴影遮蔽的情况；

2)若局部阴影发生，则使光伏阵列工作点从B点移动到由线性函数计算出的工作点C；

3)当光伏阵列工作点移动到C点附近后应用传统的最大功率跟踪方法精确寻找最大功率点。

2.判断光伏阵列是否受到阴影遮盖的条件为：首先得到在无阴影均一光照的情况下光伏阵列工作在最大功率点时的电流I_Amax，目前实测的光伏阵列工作电流为I_A，若ΔI＝I_Amax-I_A＜K₁，则光伏阵列没有受到阴影遮盖；若ΔI＝I_Amax-I_A＞K₁，则光伏阵列受到了阴影遮盖。其中K₁是设定的常数，通常设定K₁为I_Amax的1/5～1/4，其中I_Amax由光伏阵列本身的特性决定。这里所指的阴影遮盖可能是光伏阵列发生局部阴影的情况，也可能是光伏阵列受到全局均一的阴影遮盖。因为不管哪种情况发生，光伏阵列的工作电流都会发生突变。

光伏阵列受到阴影遮盖时，工作电压不会发生突变，工作电流会产生突变。如图4所示，均一光照无阴影遮蔽的情况下光伏阵列工作在A点，工作电压为V_A，发生局部阴影的情况后光伏阵列V-I曲线改变，此时光伏阵列的工作电压不会发生突变，依然为V_A，工作电流突变为I_B，由开路电压V_ocA和短路电流I_scA得到的线性函数计算出其中开路电压V_ocA和短路电流I_scA由光伏阵列本身决定，为常数，而光伏阵列工作电流I_B由实时测量所得。然后调整Boost电路开关占空比使得光伏阵列工作电压逐渐接近V_C。

3.局部阴影下MPPT的方法流程，如图5所示。

程序初始化的时候通过设定开关占空比初始值使得光伏阵列工作在均一光照无阴影时最大功率点的工作电压V₀，采集当前时刻的光伏阵列电压电流V_n、I_n，计算ΔI＝|I_max-I_n|。设定阈值K₁(I_Amax的1/5～1/4)检测光伏阵列电流是否突变，若ΔI＜K₁，则说明光伏阵列没有受到阴影遮蔽，直接采用电导增量法寻找最大功率点即可；若ΔI＞K₁，则说明发生了阴影遮蔽的情况，计算ΔV＝|V_C-V_n|，调整Boost电路开关占空比K使得光伏阵列工作电压逐渐接近V_C。设定常数K₂，通常为V_ocA的1/1000～1/500，其中V_ocA由光伏阵列本身参数决定。检测光伏阵列工作电压是否接近V_C的方法为：判断是否满足ΔI＞K₁并且ΔV＞K₂，若满足，则继续调整K使得V_n接近V_C；若不满足，则说明光伏阵列已经工作在V_C附近或者光伏阵列电流已经接近I_max，此时直接采用电导增量法寻找最大功率点。

第四步，物理DSP发出PWM脉冲控制RTDS数字系统的斩波升压电路开关占空比，让光伏系统根据本发明中MPPT方法进行工作，使得本发明光伏并网发电系统的数字物理混合仿真系统能够在局部阴影情况下追踪到全局最大功率点。

Claims (2)

1.一种基于光伏并网发电系统的局部阴影下最大功率点跟踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，根据光伏阵列的工作电压电流判断是否发生了阴影遮蔽的情况；

第二步，当发生局部阴影时，则使光伏阵列工作点从B点移动到工作点C，公式如下：

C点的电压其中开路电压V_ocA和短路电流I_scA由光伏阵列本身决定，为常数，而光伏阵列工作电流I_B由实时测量所得；

第三步，利用最大功率点跟踪方法精确寻找最大功率点。

2.根据权利要求1所述的局部阴影下最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述的第一步根据光伏阵列的工作电压电流判断是否发生了阴影遮蔽的情况，具体方法如下；

首先得到在无阴影均一光照的情况下光伏阵列工作在最大功率点时的电流I_Amax，目前实测的光伏阵列工作电流为I_A；

若ΔI＝I_Amax-I_A＜K₁，则光伏阵列没有受到阴影遮盖，

若ΔI＝I_Amax-I_A＞K₁，则光伏阵列受到了阴影遮盖；

其中，K₁是设定的常数。