CN105259972A - 一种基于跳跃策略的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跳跃策略的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪算法，当光伏阵列受均匀光照时，采用电导增量法进行最大功率跟踪；当光伏阵列由均匀光照变为局部遮挡时，通过构建的负载线函数，结合电导增量法，能够快速定位出各个局部最大功率点，从而实现全局最大功率点跟踪。本发明提供的追踪方法实用性较强，尤其在光伏阵列出现部分遮挡时优越性更加明显。通过构建的负载线函数，有效的解决了传统最大功率点追踪易陷入局部最优的问题，准确地实现最大功率输出，为光伏阵列的多峰值最大功率点追踪提供了新的方法。

Description

一种基于跳跃策略的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪算法

技术领域

本发明涉及一种基于跳跃策略的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪算法，属于光伏阵列应用技术领域。

背景技术

面对日趋严重的能源危机问题，太阳能作为可再生能源发挥着越来越重要的作用。光伏发电作为当前利用太阳能的主要方式之一，其开发和利用得到不断的发展。为了提高光伏发电系统的光电转换效率，应使光伏组件动态地工作在最大功率点附近，并匹配合适的MPPT算法(如电导增量法)找到最大功率点。理想状态下，可认为光伏组件内部的每个光伏电池都工作在相同的环境，其输出是完全相等的，因此光伏组件在日照强度以及工作温度恒定的情况下，其P-U特性曲线存在唯一的最大功率点。

然而在局部阴影条件下，失配的电池不但对组件输出没有贡献，而且会消耗其余电池产生的能量，导致局部过热，产生热斑效应。当若干个光伏组件串联成光伏阵列时，为了避免产生“热斑”，需要在光伏组件两端并联旁路二极管，当某组件被遮挡时，该旁路二极管导通，使组件的输出特性发生较大变化，显示出多峰值特性。局部阴影下P-U曲线的多峰值特性使系统对最大功率点的跟踪造成了一定的干扰，常规的MPPT算法会使系统陷于局部峰值而无法跟踪到真正的最大功率点，降低了光伏组件对光能的利用率，导致系统的输出功率大幅度降低，造成资源浪费。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于跳跃策略的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪方法，解决目前局部阴影下常规的MPPT算法会使系统陷于局部峰值而无法跟踪到全局最大功率点的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于跳跃策略的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪算法，其特征是，包括如下步骤：

1)对光伏阵列是否出现部分遮挡进行采样判定：若没有出现，功率跟踪模块采用电导增量法进行最大功率点跟踪；

2)若光伏阵列出现部分遮挡时，进行采样判定，构建负载线函数；

21)光伏阵列单元的开路电压V_OC、短路电流I_SC的确定：包括标况条件下与任意条件下值的确定：

在标况条件下，通过查阅光伏电池组件性能参数表可以获得光伏阵列单元的开路电压V_OC、短路电流I_SC的值；

在任意条件下，首先需要获取标况条件下光伏阵列单元的开路电压V_OC、短路电流I_SC的值，所述标况条件为光照强度S_ref＝1000W/m²，温度T_ref＝25℃；然后根据任意条件下V_OC、I_SC与标况条件下的函数关系： $I_{SC}\left(T,S\right)=I_{SC\_ref}\×\left(1+A\left(T-T_{ref}\right)\right)\×\frac{S}{S_{ref}},V_{OC}\left(T,S\right)=V_{OC\_ref}\×\left(1+B\left(T-T_{ref}\right)\right)\×\ln \left(e+C\left(\frac{S}{S_{ref}}-1\right)\right),$ 其中，A＝0.0025/℃，B＝0.0028/℃，C＝0.5(W/m²)^-1，I_{SC_ref}为标准工况下的短路电流，V_{OC_ref}为标准工况下的开路电压；得到任意条件下的V_OC、短路电流I_SC；

22)负载线函数个数的确定：

I)通过光照强度与温度传感器检测光伏阵列单元受遮挡的数目N₁；

II)根据串联电池组件的波峰数目与受遮挡的数目关系:N₂＝N₁+1，确定出此时的波峰数目N₂；

III)根据负载线函数个数与波峰数目的关系式：N₃＝N₂-1，确定出负载线函数的个数；

23)负载线函数的确定：将开路电压V_OC、短路电流I_SC以及负载线函数个数代入负载线函数V_N＝I×V_OC/I_SC+(N-1)×V_OC，其中：I表示遮挡前最大功率点处的电压值对应的遮挡之后的电流值，N表示跳跃次数，且N＝1,2,...,N₃；

3)构建功率跟踪模块：

31)检测电路运行的状态，判断是否出现电流跌落状况：电流是否跌落通过： $\left\{\begin{array}{c}|V_N-V_{N-1}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_1\\ |I_N-I_{N-1}|\≥{\mathrm{\ϵ}}_2\end{array}\right.$ 来判定，ε₁、ε₂为设定阈值；

如果未出现跌落保持当前的状态输出，如果出现跌落，进入步骤下一步；

32)保持当前电压值V₁不变，待电路稳定后得到此时电流值I₁；经过步骤23)中的负载线函数处理，可分别跳跃至各局部最大功率点区域，经过电导增量法跟踪后得到各局部最大功率点值；

33)搜索电压值V₁区域所在的最大功率点，将其值与步骤32)中各局部最大功率点进行比较，功率值最大的即为全局最大功率点。

本发明所达到的有益效果：解决了传统跟踪方法容易陷入局部最优的问题，使系统能够准确地跟踪到全局最大功率点，为多峰值的最大功率点追踪提供了一个新的思路，实施途径简明且安全可靠。

附图说明

图1是本发明的程序流程图；

图2是本发明的控制框图；

图3(a)、(b)分别是双峰值情况下负载线函数I-U曲线和P-U曲线追踪过程示意图；

图4(a)、(b)分别是三峰值情况下负载线函数I-U曲线和P-U曲线追踪过程示意图；

图5(a)、(b)分别是标况下无阴影和有阴影时两个串联的光伏阵列的I-U输出特性曲线和P-U输出特性曲线；

图6是本发明的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

为了更好的说明本发明方案，下面通过在Matlab/Simulink建立系统的仿真模型并结合附图，说明本发明的具体实施方式：

流程图如图1所示。

图3为双峰值负载线函数处理过程示意图。初始时刻，光伏电池上未出现遮挡，光伏阵列的最大功率点位于点A，此时对应的电压值为V_A，功率值为P_A；当一块光伏电池单元出现遮挡时，首先保持点A处的电压值V_A不变，此时跌落至B点，其输出的电流值为I_B；建立负载线函数：V_C＝I_B×V_OC/I_SC，B点经过负载线函数处理以后便可跳跃到C点，该点处的电压值V_C；然后对C点区域进行电导增量法跟踪，最终可得到最大功率点D，其输出的电流值为I_D，功率值为P_D；最后对B点区域进行最大功率跟踪，可得到该区域最大功率点E，功率值为P_E；比较两个局部的最大功率点P_D和P_E的大小，较大的P_E即为全局最大功率点，从而完成全局最大功率点的追踪。

图4为三峰值负载线函数处理过程示意图。初始时刻，光照强度均匀时，光伏阵列的最大功率点位于点A，此时对应的电压值为V_A，功率值为P_A；当其中的两块光伏电池出现不同程度的遮挡时，由于有三个峰值，所以此时N＝2。首先保持点A处的电压值V_A不变，此时到达B点处，电流值为I_B；首先建立负载线函数1:V_C＝I_B×V_OC/I_SC，可得C点处的电压值V_C，对该点区域进行电导增量法追踪，最终可得到最大功率点E，其输出的电流值为I_E，功率值为P_E；然后建立负载线函数2:V_D＝I_B×V_OC/I_SC+V_OC，可得处理后D点处的电压值V_D，同理对该点区域进行最大功率跟踪，最终可得到最大功率点F，其输出的电流值为I_F，功率值为P_F；最后在B点区域进行最大功率跟踪，可以搜索到该区域对应的最大功率点为G点，其输出的电流值为I_G，功率值为P_G；比较P_E、P_F和P_G三者的大小，较大的G即为全局最大功率点，从而完成GMPP的追踪。

实施示例：

针对图5中标准温度T_ref＝25℃下两个串联的光伏阵列分别在光照强度为1000/1000(W/m²)和1000/800(W/m²)下的输出特性曲线，其中，1000/800(W/m²)表示光伏电池板受到的光照强度分别是1000(W/m²)、800(W/m²)，也就是有阴影情况下的光照强度；1000/1000(W/m²)则是光照均匀、无阴影情况，光照强度都是1000(W/m²)。

基于流程图图1，在Matlab/Simulink中建立系统的仿真模型，仿真后得到输出波形图6，然后将其跟踪的最大功率点结果与图5比较，验证本发明的有效性。

在标准温度T_ref＝25℃下，两个串联的光伏阵列在光照强度为1000/1000(W/m²)和1000/800(W/m²)时的输出特性曲线如图5所示。在t＝1s时，设置光照强度由1000(W/m²)降到800(W/m²)。

图6为按照本方法处理后的电压电路功率输出波形。从图6的波形中可以看出，电路中出现两个最大功率点。在t＜1s，A点为最大功率点，P_max＝346.5W，u＝78.5V；当t≥1s时，首先保持A点电压值不变，此时电流值为3.72A；然后按照V＝I×V_OC/I_SC处理过后到达B点，电压值为32V，搜索该区域得到最大功率点C为175W，其电压值为35.35V，电流值为4.95A；然后搜索电压值为78.5V附近的最大功率点，得到点D，功率值为302.03W，电压值为77V，电流值为3.923A；最后比较两个功率的大小，找到最大功率点D，大小为302.03W。由图5(b)所示全局最大功率点处的功率值约为305W，大小与D点值一致，故经过本算法搜索后，成功找到全局最大功率点。

通过上述实施方式，可完成多峰值全局最大功率点追踪的实例验证，由此可见，本发明所提供的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪方法，解决了传统跟踪方法容易陷入局部最优的问题，使系统能够准确地跟踪到全局最大功率点，为多峰值的最大功率点追踪提供了一个新的思路，技术方案可行，实施途径简明且安全可靠。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于跳跃策略的多峰值光伏阵列最大功率点跟踪算法，其特征是，包括如下步骤：

1)对光伏阵列是否出现部分遮挡进行采样判定：若没有出现，功率跟踪模块采用电导增量法进行最大功率跟踪；

2)若光伏阵列出现部分遮挡时，进行采样判定，构建负载线函数；

21)光伏阵列单元的开路电压V_OC、短路电流I_SC的确定：包括标况条件下与任意条件下值的确定：

在标况条件下，通过查阅光伏电池组件性能参数表可以获得光伏阵列单元的开路电压V_OC、短路电流I_SC的值；

在任意条件下，首先需要获取标况条件下光伏阵列单元的开路电压V_OC、短路电流I_SC的值，然后根据任意条件下V_OC、I_SC与标况条件下的函数关系，得到任意条件下的V_OC、短路电流I_SC；

22)负载线函数个数的确定：

I)通过光照强度与温度传感器检测光伏阵列单元受遮挡的数目N₁；

II)根据串联电池组件的波峰数目与受遮挡的数目关系:N₂＝N₁+1，确定出此时的波峰数目N₂；

III)根据负载线函数个数与波峰数目的关系式：N₃＝N₂-1，确定出负载线函数的个数；

23)负载线函数的确定：将开路电压V_OC、短路电流I_SC以及负载线函数个数代入负载线函数V_N＝I×V_OC/I_SC+(N-1)×V_OC，其中：I表示遮挡前最大功率点处的电压值对应的遮挡之后的电流值，N表示跳跃次数，且N＝1,2,...,N₃；

3)构建功率跟踪模块：

31)检测电路运行的状态，判断是否出现电流跌落状况：电流是否跌落通过： $\left\{\begin{array}{c}|V_N-V_{N-1}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_1\\ |I_N-I_{N-1}|\≥{\mathrm{\ϵ}}_2\end{array}\right.$ 来判定，ε₁、ε₂为设定阈值，若该组式子成立，则电流跌落；

如果未出现跌落保持当前的状态输出，如果出现跌落，进入步骤下一步；

32)保持当前电压值V₁不变，待电路稳定后得到此时电流值I₁；经过步骤23)中的负载线函数处理，可分别跳跃至各局部最大功率点区域，经过电导增量法跟踪后得到各局部最大功率点值；

33)搜索电压值V₁区域所在的最大功率点，将其值与步骤32)中各局部最大功率点进行比较，功率值最大的即为全局最大功率点。