CN105159389A - 一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法，其包括以下步骤：对n×m的光伏阵列构建仿真模型；对光伏阵列的模型及仿真曲线进行分析；基于光伏阵列在非均匀条件下的输出特性，提取最大功率点跟踪的基准电压；在光伏阵列的输出电压区间内，以V_{base_max}为中心，以(1-p)V_oc为半径，构建有效搜索区间[V_begin,V_end]，以可变步长对光伏阵列的输出电压进行扰动，实现搜索区间的递减，直至搜索到光伏阵列的全局最大功率点。本发明的有益效果为：控制精度高、跟踪速度快和功率损耗小等。

Description

一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明属于光伏阵列技术领域，具体涉及一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法。

背景技术

光伏阵列作为光伏发电系统的能量转换单元，是光伏发电技术领域的研究热点之一。光伏阵列的P-V输出具有复杂的非线性特性，并受到温度、光照强度等外部环境的影响。当光伏阵列的表层光照均匀，其P-V输出呈现单峰特性，P-V曲线存在一个全局最大功率点。当光伏阵列的表层光照不均匀，如光伏阵列被落叶、乌云等物体遮挡，光伏阵列表层存在阴影，则会导致光伏阵列的P-V输出呈现多峰特性，P-V曲线存在若干个局部最大功率点。实际应用中，光伏发电系统需要通过相应的控制方法使光伏阵列始终输出最大功率，提高光伏发电系统的效率。上述控制过程则称为最大功率点跟踪。

传统的最大功率点跟踪方法主要有扰动观察法、电导增量法、最优梯度法以及模糊控制法等，但在非均匀光照条件下，该类方法则可能无法快速地跟踪到光伏阵列的全局最大功率点。针对上述问题，研究人员提出了相应的控制方法，包括两级式最大功率点跟踪方法、基于改进型Fibonacci搜索的最大功率点跟踪方法，以及基于状态空间的最大功率点跟踪方法等，该类方法虽然能够跟踪到光伏阵列的全局最大功率点，但是系统结构复杂，响应时间较长，功率损失较大。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种控制精度高、跟踪速度快和功率损耗小的基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法。

本发明所采用的技术方案为：一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法，其包括以下步骤：1)对n×m的光伏阵列构建仿真模型，其中，n表示光伏阵列中串联阵列的列数，m表示每个串联阵列中包含的串联光伏组件的个数；2)对步骤1)得到的光伏阵列的模型及仿真曲线进行分析，得到以下结论：在非均匀光照条件下，光伏阵列的P-V特性曲线存在局部峰值，可能存在的峰值电压近似等于piV_oc，其中，V_oc为光伏组件的开路电压，i为串联阵列中均匀光照的组件数，i＝1,2，...,m，p为光伏组件开路电压V_oc与最大功率点电压V_mpp间的比例系数；在以piV_oc为中心，以(1-p)V_oc为半径的m个电压区间内，光伏阵列的P-V曲线存在唯一的局部峰值功率；3)基于光伏阵列在非均匀条件下的输出特性，提取最大功率点跟踪的基准电压；根据光伏阵列非均匀光照的输出特性，将峰值电压piV_oc作为最大功率点跟踪的基准电压V_{base_i}＝piV_oc，计算各基准电压处的输出功率P_{base_i}；初始化最大功率点跟踪的最大基准电压和最大基准功率，即V_{base_max}＝0，P_{base_max}＝0，i＝1；若P_{base_i}＞P_{base_max}，令P_{base_max}＝P_{base_i}，V_{base_max}＝V_{base_i}；否则，令i＝i+1，循环执行；当i≥m+1时，结束循环指令，得到m个基准电压中的最大功率点电压V_{base_max}；4)在光伏阵列的输出电压区间内，以V_{base_max}为中心，以(1-p)V_oc为半径，构建有效搜索区间[V_begin,V_end]，实现搜索区间的递减，直至搜索到光伏阵列的全局最大功率点，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{begin}=V_{base\_max}-(1-p)V_{oc}\\ V_{end}=V_{base\_max}+(1-p)V_{oc}\end{array}\right..$

进一步地，所述步骤1)中，对n×m的光伏阵列构建仿真模型，其构建过程为：(I)采用牛顿迭代法近似求解光伏组件的电流方程，该电流方程为：

$I=I_{PH}-I_0\{\exp \[\frac{q}{nkT}(V+{\mathrm{IR}}_S)\]-1\},$

式中，I表示光伏组件的输出电流，V表示光伏组件的输出电压，I_PH表示光伏组件的光生电流，I₀表示光伏组件内部等效二极管的P-N结反向饱和电流，q表示光伏组件的单位电荷，n表示二极管特性因子，T表示光伏组件的表面温度，k表示波尔兹曼常量，R_s表示串联内阻；根据光伏组件的电流方程得到光伏组件的输出电流I_module与输出电压V_module的对应关系，并建立函数：

I_module＝PV_{_module}(V_module,T,G)；

(II)将串联阵列的输出电流I_sub作为自变量，在分段电流区间内构建串联阵列的输出函数V_sub＝PV_{_sub}(I_sub)，其中，光伏组件的输出电流I_module与串联阵列的输出电流I_sub之间的关系为：I_sub＝I_module；(III)将温度T、光照强度G、串联光伏组件的个数m和串联阵列的列数n作为输出量，依据光伏阵列的串、并联关系，以光伏阵列的输出电压V_array作为分析基准，构建数组I_array(j)、V_array(j)以及P_array(j)，并利用plot函数输出光伏阵列的I-V和P-V仿真曲线；其中，串联阵列的输出电压V_sub与光伏阵列的输出电压V_array之间的关系为：V_array＝V_sub。

进一步地，所述步骤4)中，实现搜索区间的递减，直至搜索到光伏阵列的全局最大功率点，其具体过程为：在电压区间[V_begin,V_end]内，以可变步长step_k进行电压扰动，分两轮次进一步缩减搜索区间，k＝1,2，令step_2＝0.1×step_1，其包括：首先，计算相邻两次扰动电压对应的近似梯度g_k，其表达式为：

$g_k=\frac{P_{begin+step\_k}-P_{begin}}{step\_k},$

其次，根据近似梯度g_k，在电压区间[V_begin,V_end]内缩减搜索区间，其具体过程为：在第一轮次搜索区间中，若g_k＞0，则表示搜索的方向指向最大功率点，令V_begin＝V_begin+step_k，若V_begin＜V_end，则继续搜索，反之，令V_begin＝V_begin-step_k，等待进入第二轮搜索；若g_k≤0，则说明本次电压扰动过后，最大功率点电压包含在电压区间[V_begin,V_begin+step_k]内，令V_end＝V_begin+step_k，k＝k+1，若k＜3，则进入第二轮搜索，反之，得到光伏阵列的最大功率点电压V_max；第一轮搜索结束后，第二轮的搜索区间为[V_begin,V_end]，搜索范围缩减为一个步长step_1；按照同样的方法进行第二轮扰动，本轮搜索结束后，电压区间最终缩减为step_2，得到光伏阵列的最大功率点电压V_max以及最大功率P_max，其表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{max}=\frac{V_{begin}+V_{end}}{2}\\ P_{max}=\frac{P_{begin}+P_{end}}{2}\end{array}\right..$

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：具有控制精度高、跟踪速度快和功率损耗小等优点。

附图说明

图1是本发明基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法，其包括以下步骤：

1)对n×m的光伏阵列构建仿真模型，其中，n表示光伏阵列中串联阵列的列数，m表示每个串联阵列中包含的串联光伏组件的个数，其构建过程为：

(I)采用牛顿迭代法近似求解光伏组件的电流方程，该电流方程为：

$I=I_{PH}-I_0\{\exp \[\frac{q}{nkT}(V+{\mathrm{IR}}_S)\]-1\}---\left(1\right)$

式中，I表示光伏组件的输出电流，V表示光伏组件的输出电压，I_PH表示光伏组件的光生电流，I₀表示光伏组件内部等效二极管的P-N结反向饱和电流，q表示光伏组件的单位电荷，n表示二极管特性因子，T表示光伏组件的表面温度，k表示波尔兹曼常量，R_s表示串联内阻。

根据光伏组件的电流方程得到光伏组件的输出电流I_module与输出电压V_module的对应关系，并建立函数I_module＝PV_{_module}(V_module,T,G)。

(II)将串联阵列的输出电流I_sub作为自变量，在分段电流区间内构建串联阵列的输出函数V_sub＝PV_{_sub}(I_sub)，其中，光伏组件的输出电流I_module与串联阵列的输出电流I_sub之间的关系为：I_sub＝I_module。

(III)将温度T、光照强度G、串联光伏组件的个数m和串联阵列的列数n作为输出量，依据光伏阵列的串、并联关系，以光伏阵列的输出电压V_array作为分析基准，构建数组I_array(j)、V_array(j)以及P_array(j)，并利用plot函数输出光伏阵列的I-V和P-V仿真曲线。其中，串联阵列的输出电压V_sub与光伏阵列的输出电压V_array之间的关系为：V_array＝V_sub。

2)对步骤1)得到的光伏阵列的模型及仿真曲线进行分析，得到以下结论：

在非均匀光照条件下，光伏阵列的P-V特性曲线存在局部峰值，可能存在的峰值电压近似等于piV_oc。其中，V_oc为光伏组件的开路电压，i为串联阵列中均匀光照的组件数，i＝1,2，...,m，p为光伏组件开路电压V_oc与最大功率点电压V_mpp间的比例系数。

在以piV_oc为中心，以(1-p)V_oc为半径的m个电压区间内，光伏阵列的P-V曲线存在唯一的局部峰值功率，其中，i＝1,2，...,m。

3)基于光伏阵列在非均匀条件下的输出特性，提取最大功率点跟踪的基准电压；

根据光伏阵列非均匀光照的输出特性，将峰值电压piV_oc作为最大功率点跟踪的基准电压V_{base_i}＝piV_oc，i＝1,2，...,m，计算各基准电压处的输出功率P_{base_i}。

初始化最大功率点跟踪的最大基准电压和最大基准功率，即V_{base_max}＝0，P_{base_max}＝0，i＝1。

若P_{base_i}＞P_{base_max}，令P_{base_max}＝P_{base_i}，V_{base_max}＝V_{base_i}。否则，令i＝i+1，循环执行。

当i≥m+1时，结束循环指令，得到m个基准电压中的最大功率点电压V_{base_max}。

4)在光伏阵列的输出电压区间内，以V_{base_max}为中心，以(1-p)V_oc为半径，构建有效搜索区间[V_begin,V_end]，实现搜索区间的递减，直至搜索到光伏阵列的全局最大功率点。

其中， $\left\{\begin{array}{c}{V}_{begin}=V_{base\_max}-(1-p)V_{oc}\\ V_{end}=V_{base\_max}+(1-p)V_{oc}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在电压区间[V_begin,V_end]内，以可变步长step_k进行电压扰动，分两轮次进一步缩减搜索区间，k＝1,2，令step_2＝0.1×step_1，其具体过程为：

首先，计算相邻两次扰动电压对应的近似梯度g_k，其表达式为：

$g_k=\frac{P_{begin+step\_k}-P_{begin}}{step\_k}---\left(3\right)$

其次，根据近似梯度g_k，在电压区间[V_begin,V_end]内缩减搜索区间，其具体过程为：

在第一轮次搜索区间中，若g_k＞0，则表示搜索的方向指向最大功率点，令V_begin＝V_begin+step_k，若V_begin＜V_end，则继续搜索，反之，令V_begin＝V_begin-step_k，等待进入第二轮搜索。

若g_k≤0，则说明本次电压扰动过后，最大功率点电压包含在电压区间[V_begin,V_begin+step_k]内，令V_end＝V_begin+step_k，k＝k+1，若k＜3，则进入第二轮搜索；反之，得到光伏阵列的最大功率点电压V_max。

第一轮搜索结束后，第二轮的搜索区间为[V_begin,V_end]，搜索范围缩减为一个步长step_1。按照同样的方法进行第二轮扰动，本轮搜索结束后，电压区间最终缩减为step_2，得到光伏阵列的最大功率点电压V_max以及最大功率P_max，其表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{max}=\frac{V_{begin}+V_{end}}{2}\\ P_{max}=\frac{P_{begin}+P_{end}}{2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

本发明通过提取基准电压确定有效搜索区间，以可变步长对光伏阵列的输出电压进行扰动，实现搜索区间的递减，直至搜索到光伏阵列的全局最大功率点，具有控制精度高、跟踪速度快和功率损耗小等优点。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法，其包括以下步骤：

1)对n×m的光伏阵列构建仿真模型，其中，n表示光伏阵列中串联阵列的列数，m表示每个串联阵列中包含的串联光伏组件的个数；

2)对步骤1)得到的光伏阵列的模型及仿真曲线进行分析，得到以下结论：

在非均匀光照条件下，光伏阵列的P-V特性曲线存在局部峰值，可能存在的峰值电压近似等于piV_oc，其中，V_oc为光伏组件的开路电压，i为串联阵列中均匀光照的组件数，i＝1,2，…,m，p为光伏组件开路电压V_oc与最大功率点电压V_mpp间的比例系数；

在以piV_oc为中心，以(1-p)V_oc为半径的m个电压区间内，光伏阵列的P-V曲线存在唯一的局部峰值功率；

3)基于光伏阵列在非均匀条件下的输出特性，提取最大功率点跟踪的基准电压；

根据光伏阵列非均匀光照的输出特性，将峰值电压piV_oc作为最大功率点跟踪的基准电压V_{base_i}＝piV_oc，计算各基准电压处的输出功率P_{base_i}；

初始化最大功率点跟踪的最大基准电压和最大基准功率，即V_{base_max}＝0，P_{base_max}＝0，i＝1；

若P_{base_i}＞P_{base_max}，令P_{base_max}＝P_{base_i}，V_{base_max}＝V_{base_i}；否则，令i＝i+1，循环执行；当i≥m+1时，结束循环指令，得到m个基准电压中的最大功率点电压V_{base_max}；

4)在光伏阵列的输出电压区间内，以V_{base_max}为中心，以(1-p)V_oc为半径，构建有效搜索区间[V_begin,V_end]，实现搜索区间的递减，直至搜索到光伏阵列的全局最大功率点，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{begin}=V_{base\_max}-(1-p)V_{oc}\\ V_{end}=V_{base\_max}+(1-p)V_{oc}\end{array}\right..$

2.如权利要求1所述的一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法，其特征在于：所述步骤1)中，对n×m的光伏阵列构建仿真模型，其构建过程为：

(I)采用牛顿迭代法近似求解光伏组件的电流方程，该电流方程为：

$I=I_{PH}-I_0\{\exp \[\frac{q}{nkT}(V+{\mathrm{IR}}_S)\]-1\},$

式中，I表示光伏组件的输出电流，V表示光伏组件的输出电压，I_PH表示光伏组件的光生电流，I₀表示光伏组件内部等效二极管的P-N结反向饱和电流，q表示光伏组件的单位电荷，n表示二极管特性因子，T表示光伏组件的表面温度，k表示波尔兹曼常量，R_s表示串联内阻；

根据光伏组件的电流方程得到光伏组件的输出电流I_module与输出电压V_module的对应关系，并建立函数I_module＝PV_{_module}(V_module,T,G)；

(II)将串联阵列的输出电流I_sub作为自变量，在分段电流区间内构建串联阵列的输出函数V_sub＝PV_{_sub}(I_sub)，其中，光伏组件的输出电流I_module与串联阵列的输出电流I_sub之间的关系为：I_sub＝I_module；

(III)将温度T、光照强度G、串联光伏组件的个数m和串联阵列的列数n作为输出量，依据光伏阵列的串、并联关系，以光伏阵列的输出电压V_array作为分析基准，构建数组I_array(j)、V_array(j)以及P_array(j)，并利用plot函数输出光伏阵列的I-V和P-V仿真曲线；其中，串联阵列的输出电压V_sub与光伏阵列的输出电压V_array之间的关系为：V_array＝V_sub。

3.如权利要求1所述的一种基于区间递减的光伏阵列最大功率点跟踪方法，其特征在于：所述步骤4)中，实现搜索区间的递减，直至搜索到光伏阵列的全局最大功率点，其具体过程为：

在电压区间[V_begin,V_end]内，以可变步长step_k进行电压扰动，分两轮次进一步缩减搜索区间，k＝1,2，令step_2＝0.1×step_1，其包括：

首先，计算相邻两次扰动电压对应的近似梯度g_k，其表达式为：

$g_k=\frac{P_{begin+step\_k}-P_{begin}}{step\_k},$

其次，根据近似梯度g_k，在电压区间[V_begin,V_end]内缩减搜索区间，其具体过程为：

在第一轮次搜索区间中，若g_k＞0，则表示搜索的方向指向最大功率点，令V_begin＝V_begin+step_k，若V_begin＜V_end，则继续搜索，反之，令V_begin＝V_begin-step_k，等待进入第二轮搜索；

若g_k≤0，则说明本次电压扰动过后，最大功率点电压包含在电压区间[V_begin,V_begin+step_k]内，令V_end＝V_begin+step_k，k＝k+1，若k＜3，则进入第二轮搜索，反之，得到光伏阵列的最大功率点电压V_max；

第一轮搜索结束后，第二轮的搜索区间为[V_begin,V_end]，搜索范围缩减为一个步长step_1；按照同样的方法进行第二轮扰动，本轮搜索结束后，电压区间最终缩减为step_2，得到光伏阵列的最大功率点电压V_max以及最大功率P_max，其表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\max }=\frac{V_{begin}+V_{end}}{2}\\ P_{max}=\frac{P_{begin}+P_{end}}{2}\end{array}\right..$