CN105242740B - 一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法，首先对局部阴影下光伏列阵输出特性进行分析，获得归一化的最大功率点电压的分布规律;再利用分布规律结合扰动观察法，进行全局最大功率点跟踪；首先确定可能存在局部最大功率点的区域，然后对该区域使用扰动观察法的局部扫描，最后获得所有的局部最大功率点，通过比较的方式找到全局最大功率点。本发明能够大幅度缩短扫描时间，能够快速确定全局最大功率点。

Description

一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别是一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法。

背景技术

在光伏发电中，由于太阳能电池输出功率受外界环境影响较大，为了获得光伏阵列最大电能的输出，需对其进行最大功率点跟踪(MPPT)。光伏发电系统发电功率通常较大，而单块太阳能电池的功率通常为100W或200W，因此需要将多块太阳能组件串并联组成光伏列阵进行使用。对于光伏列阵，它在使用过程中容易受到尘土、建筑、树木等造成的阴影影响，此时由于其单块太阳能组件并联着一个旁路续流二极管，会使光伏列阵对外呈现多峰特性。此时，传统的MPPT算法，如扰动观察法、导纳增量法等针对光伏列阵正常输出的算法将会失效，使光伏列阵的工作点处于一个局部的极值上，而不是全局最大功率点。当前针对多峰MPPT在实际应用中主要有全局扫描法和改进的全局扫描跟踪法，并且当前研究的基于粒子群等智能算法的MPPT还处于研究和仿真阶段，由于其需要大量的数据和运算难以在微控制器上实现。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法，能够大幅度缩短扫描时间，快速确定全局最大功率点。

本发明采用以下方案实现：一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：对局部阴影下光伏列阵输出特性进行分析，获得归一化的最大功率点电压的分布规律；

步骤S2：利用步骤S1的分布规律结合扰动观察法，进行全局最大功率点跟踪；

进一步的，所述的局部阴影下光伏列阵输出特性为：对于局部阴影下由单串m块太阳能电池板组成的光伏列阵，若每块太阳能电池板处于不同光照条件下，其I-U曲线会呈现阶梯状，且阶梯的个数为m，因此由每块太阳能电池板产生阶梯的步长为：

${\mathrm{\ΔU}}_{stepm}=C_2^m{U}_m^{oc}ln\[\frac{1}{C_1^m}(1-\frac{I_{m+1}^{sc}}{I_m^{sc}})+1\],m\≥1,I_{m+1}^{sc}=0;$

式中表示产生第m个阶梯的太阳能电池的输出电压，表示产生第m个阶梯的太阳能电池的输出电流；和是产生第m个阶梯的太阳能电池的待定系数；若出现k块太阳能电池板处于相同的温度及光照条件，由这些太阳能电池板产生的阶梯融合成一个阶梯，其步长为：ΔU_stepmk＝k*ΔU_stepm,k∈[1,m]；最后由伯努利大数定律，得出最大功率点电压会以正态分布形式分布在阶梯的80％附近位置，即 80％ΔU_stepm或80％ΔU_stepmk，则对于光伏列阵的局部最大功率点对应电压存在聚集点。

进一步的，所述的归一化的最大功率点电压的分布规律为：采用最后一个峰值电压对所有的电压数据进行归一化能够使得局部最大功率点对应电压分布规律更为集中，局部最大功率点对应电压数量出现突增点，突增点两侧峰值数量呈近似正态分布式向两侧递减。

进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：进行电压最大的局部最大功率点寻找，即初始局部最大功率点的搜索，采用扰动观察法搜索离光伏列阵开路电压点最近的峰值点MPP1，并记录该点对应电压为U_MPP1，此时的最大功率为P_MPP1；

步骤S22：搜索其余局部最大功率点；

步骤S23：对比所有局部最大功率点，确定全局最大功率点。

进一步的，所述步骤S22具体包括以下步骤：

步骤S221：以当前峰值电压数量突增点MPP1为电压跳跃点，采用扰动观察法搜索离MPP1最近的峰值电压突增点MPP2，并记录该点对应电压为U_MPP2，最大功率为P_MMP2；

步骤S222：以新搜索到的峰值电压突增点作为当前电压跳跃点，采用扰动观察法搜索离当前电压跳跃点最近的峰值电压突增点，并记录该点的电压以及最大功率；

步骤S223：重复步骤S222，直至搜索完所有的峰值电压突增点。

与现有技术相比，本发明根据对光伏列阵的输出特性进行的分析，得到了局部最大功率点对应电压的分布规律，提出基于基于归一化局部最大功率点对应电压概率分布的最大功率点跟踪算法，通过事先对光伏列阵的分析，确定其最大功率点存在的位置，只对这些位置进行扫描，能够大大减小扫描时间。

附图说明

图1是本发明提供的局部阴影下局部最大功率点对应电压分布规律。

图2是本发明提供的局部阴影下最大功率点跟踪控制方法跟踪示意图。

图3是本发明提供的局部阴影下最大功率点跟踪控制方法程序流程图一。

图4是本发明提供的局部阴影下最大功率点跟踪控制方法程序流程图二。

图5是本发明采用的并网逆变器结构图。

图6是本发明的实验测试图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例以六个太阳能电池板为一串的光伏列阵为例，光伏列阵在不同的局部阴影下，其最大功率点电压将呈现不同分布，光伏阵列电压分布为(0-120V)被均分为500个区间。为了使数据具有更好的聚集性，采用最后一个峰值电压对所有的电压数据进行归一化，如图 1所示，横坐标从0到1分为100个区间，我们可以发现其分布规律很集中，局部最大功率点对应电压数量出现6个突增点，突增点两侧电压数量呈近似正态分布式向两侧递减。横坐标0.13-0.15为MPP6，突增点E为0.14；横坐标0.3-0.32为MPP5，突增点D为0.31；横坐标0.48-0.52为MPP4，突增点C为0.5；横坐标0.67-0.73为MPP3，突增点B为0.7；横坐标0.85-0.93为MPP2，突增点A为0.89；当横坐标为1时是MPP1，由于MPP1是归一化的基准值所以在图1中就不做统计，因为存在MPP1的数量是所有的总和。

根据对光伏列阵的输出特性进行的分析，得到了局部最大功率点对应电压的分布规律，提出基于基于归一化局部最大功率点对应电压概率分布的最大功率点跟踪算法，通过事先对光伏列阵的分析，确定其最大功率点存在的位置，只对这些位置进行扫描，能够大大减小扫描时间。

如图2所示，为光伏列阵发生遮挡出现6个峰值时的U-I特性、P-U特性曲线，并以其为示意图说明算法跟踪的过程，且其程序流程如图3以及图4所示。

(1)进行电压最大的局部最大功率点寻找，即初始局部最大功率点的搜索。

当算法初始化后，初始位置为图2中Start位置，这里采用常规的扰动观察法搜索离光伏列阵开路电压点最近的峰值点，会寻找到图2中MPP1处，完成后记录此时的最大功率P_MPP1和该点对应电压U_MPP1。

(2)搜索其余局部最大功率点。

找到MPP1后，根据图1所示以峰值电压数量突增点为电压跳跃点，其中第一个跳跃点为A位于0.89U_MPP1处，此时再使用常规的扰动观察法搜索最近的最大功率点，会寻找到MPP2，记录最大功率P_MPP2和该点对应电压U_MPP2并将FindFlag置1。同理，B为第二个跳跃点位于0.7U_MPP1，C为第三个跳跃点位于0.5U_MPP1，D为第四个跳跃点位于0.31U_MPP1，E为第五个跳跃点位于0.14U_MPP1。此时会记录到MPP2-MPP6对应的最大功率及其对应的电压并将FindFlag置1。因为光伏列阵不一定是出现六个峰值，因此需要设定一个阈值，一些位置不存在时需要及时跳跃到下一个峰值范围进行最大功率点查找。由图1所示，MPP2的范围最大，以其突变点与其变化范围最大距离为阈值，即0.04U_MPP1。在实际使用，通常D点和E点附近的MPP点对应电压太低，因此通常设定了一个最小输出电压U_min，使输出电压不至于太低。

(3)确定全局最大功率点

比较所有记录的最大功率点的功率，确定最大功率点位置，并将其对应的电压设为工作电压，即令系统工作在全局最大功率点。

最后，本实施例以如图5所示结构完成的光伏并网逆变器进一步说明本发明的技术方案，该并网逆变器应用本文算法进行最大功率跟踪，其中的扰动观察法采用CPU定时器0中断，间隔5ms运行一次，其步长为0.2％的占空比。

图6为当光伏列阵出现两个两个最大功率点时的P-U特性曲线，右边开路电压位置算法起始点，其跟踪过程为图6左所示，首先寻找到第一个最大功率点MPP1，跳跃到可能存在最大功率点的A点，使 用扰动观察法，在一定范围内发现查找不到最大功率点；于是，跳跃到B点，使用扰动观察法也寻找不到最大功率点；再跳跃到C，能够查到最大功率点MPP4；再跳跃到D点，也查找不到最大功率点。在最后，将查找到的两个最大功率点的功率做比较，输出使输出最大功率的对应电压，即使其在MPP1点输出。

实验表明，在图6的双峰条件下，使用本文算法需要用时1.05s。若采用全局扫描法最大扫描范围是占空比从0-88％，采用相同的时间间隔和步进长度进行查找最多需要用时2.2s，分别节约52.3％的时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：对局部阴影下光伏列阵输出特性进行分析，获得归一化的最大功率点电压的分布规律；

步骤S2：利用步骤S1的分布规律结合扰动观察法，进行全局最大功率点跟踪；

其中，所述的局部阴影下光伏列阵输出特性为：对于局部阴影下由单串m块太阳能电池板组成的光伏列阵，当每块太阳能电池板处于不同光照条件下，其I-U曲线会呈现阶梯状，且阶梯的个数为m，则由每块太阳能电池板产生阶梯的步长为：

式中表示产生第m个阶梯的太阳能电池的输出电压，表示产生第m个阶梯的太阳能电池的输出电流；和是产生第m个阶梯的太阳能电池的待定系数；当k块太阳能电池板处于相同的温度及光照条件，由这些太阳能电池板产生的阶梯融合成一个阶梯，其步长为：ΔU_stepmk＝k*ΔU_stepm,k∈[1,m]；由伯努利大数定律，得出最大功率点电压会以正态分布形式分布在阶梯的80％附近位置，即80％ΔU_stepm或80％ΔU_stepmk，则对于光伏列阵的局部最大功率点对应电压存在聚集点。

2.根据权利要求1所述的一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法， 其特征在于：所述的归一化的最大功率点电压的分布规律为：采用最后一个峰值电压对所有的电压数据进行归一化能够使得局部最大功率点对应电压分布规律更为集中，局部最大功率点对应电压数量出现突增点，突增点两侧峰值数量呈近似正态分布式向两侧递减。

3.根据权利要求1所述的一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：进行电压最大的局部最大功率点寻找，即初始局部最大功率点的搜索，采用扰动观察法搜索离光伏列阵开路电压点最近的峰值点MPP1，并记录该点对应电压为U_MPP1，此时的最大功率为P_MPP1；

步骤S22：搜索其余局部最大功率点；

步骤S23：对比所有局部最大功率点，确定全局最大功率点。

4.根据权利要求3所述的一种局部阴影下最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤S22具体包括以下步骤：

步骤S221：以当前峰值电压数量突增点MPP1为电压跳跃点，采用扰动观察法搜索离MPP1最近的峰值电压突增点MPP2，并记录该点对应电压为U_MPP2，最大功率为P_MMP2；

步骤S222：以新搜索到的峰值电压突增点作为当前电压跳跃点，采用扰动观察法搜索离当前电压跳跃点最近的峰值电压突增点，并记录该点的电压以及最大功率；

步骤S223：重复步骤S222，直至搜索完所有的峰值电压突增点。