CN106130060A - Pv组串的遮蔽辨识与最大功率点预测‑跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法，包括计算PV模块四个工作区域的交流电阻值的公式；部分遮蔽PV组串在MP点关键参数计算方法，包括电流、电压、功率和电阻公式；辨识遮蔽准则和两个预测GMP点准则；初始遮蔽工况的GMPPT方法，包括启动时序、自动获取特性曲线和MP点参数的方法以及软捕获方法；突变遮蔽工况的GMPPT方法，包括PV组串输出电容电压无跃变定律、突变工况的辨识遮蔽准则、辨识均匀光照值变化准则以及突变遮蔽工况GMPPT算法；动态遮蔽工况GMPPT算法，包括临界模块数目的计算公式、当前MP点位置辨识准则、两个预测GMP点的准则以及动态遮蔽工况GMPPT算法。计算方法简单、计算量小，适合于MPP的实时跟踪，可以工程化应用。

Description

PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测-跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种集中式PV系统，尤其涉及一种PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法。

背景技术

目前，集中式PV系统因其成本低、便于规模化运营得到了广泛使用，如图1.1a所示。集中式PV系统通常使用单个逆变器实现整个PV阵列的最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，简写为MPPT)、并将其直流电能转换为交流电能并入电网。其主要缺点是并联失配引起的严重功率损失、缺乏灵活性和阻流二极管Dsh的损耗太大。为了克服这些缺点，人们提出单组串PV系统，如图1.1b所示。其结构是每个PV组串直接与单相逆变器相连。实现了单组串的MPPT、无并联失配和Dsh损耗问题，提高了系统可靠性和电能利用率，引起了光伏企业的兴趣，相继推出了多种不同功率等级的组串式PV系统。图1.1a和图1.1b表明PV组串是PV系统的一个基本部件。因此，本发明以PV组串为对象，研究全局最大功率跟踪技术。

在均匀光照和均匀温度以及PV模块特性完全一致的理想工况,即无遮蔽工况，可以利用电压扩展原理写出PV组串的v-i特性方程，其伏安和电压-功率特性曲线以及最大功率点等如图1.2所示，分别标记为v-i-i和v-p-i以及MPP。然而，实际工况是部分遮蔽(Partial Shaded Condition简写为PSC)经常发生。PSC使得PV组串的整体v-p特性为多峰值曲线，而v-i特性为多平台梯田曲线。其中平台的数目等于峰值的数目，每个峰值对应着一个光照值，如图1.2所示，分别标记为v-i-c和v-p-c和MPP1.2。为了防治漏掉任何潜在的MP点，目前流行的方法是“定期电压扫描技术”。即定期大幅度改变母线电压，搜索所有的局部MP点，再通过比较决定全局最大功率点(global maximum power point,简写为GMPP)。在搜索的过程中，需要扫描80％的v-p曲线，由此引发如下问题：a.母线电压波动大(典型值为250～850V)；b.效率低且耗时长；c.搜索过程带来的瞬态功率损失高达70％。目前,人们还无法判定v-p曲线变化的真实成因是部分遮蔽发生？还是光照值改变？

如图1.2所示，PSC使得PV组串的v-p特性变为多峰值曲线，增加了MPPT的难度。人们 为此已付出了巨大努力，已取得的成果主要集中在硬件电路法和软件算法。硬件电路法是通过新增功率变换电路减少遮蔽影响。其缺点是增加了硬件电路的复杂度，导致了系统的稳定性差、效率低和成本高。软件算法则是基于一个商用PV系统，通过修改软件实现GMPPT。其优点是无需增加额外的硬件电路，但计算方法过于复杂、计算量大，不适合于MPP的实时跟踪，难以工程化应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法简单、适用性性强的PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法，包括步骤：

A、PV模块的交流电阻的计算方法：

将典型PV模块的v-i特性曲线分为四个区域，分别表示为VSR-3、MPPR-3、CSR-3和BDCR区；

所述PV模块的等效电路中包括由N_c个PV电池片串联组成的等效二极管(D)，所述等效二极管(D)的电流方程为：式中A为p-n结的理想因子，取值1～2，Io为反向饱和电流，V_T为热电压，常温下，T＝26mV；

忽略并联电阻(R_shM)，等效二极管(D)正向交流电阻的计算公式为：

$R_d\≈\frac{N_c{\mathrm{AV}}_T}{I_{scM}-I_M}=\frac{26N_c\left(mV\right)}{I_{scM}-I_M},V_M>N_c{V}_{th}---\left(2.1\right)$

式中，V_th是单个二极管的开启电压，硅型二级极管的开启电压为0.5V，当二极管工作在反向特性区或正向电压小于开启电压时，二极管视为开路；

所述PV模块的等效电路中包括由N_d个反并旁路二极管组成的等效旁路二极管(D_bp)，其正向交流电阻的计算公式为：

在PV模块的交流电阻等效电路中，等效二极管(D)和等效旁路二极管(D_bp)的交流电阻分别表示为R_d和R_bp；

PV模块的交流电阻值依赖于工作点所在的区域，在CSR-3区，PV模块的电压值较低，等效二极管D尚未导通，旁路二极管D_bp为反偏，所以两个二极管均为开路，其交流电阻等于R_shM+R_sbM≈R_shM,R_shM>>R_sbM；在MPPR-3区，等效二极管D完全导通，其交流电阻远远小于并联电阻R_shM，其交流电阻为R_sbM+R_d，其中，R_sbM是等效体电阻；在VSR-3区，其v-i特性近似为一条直线，其交流电阻为：

式中，I_scM是PV模块的短路电流；

在BDCR区，等效二极管和等效旁路二极管均处在导通状态，其电流分别为I_scM和I_M-I_scM,PV模块的交流电阻等于两个二极管的交流电阻的并联值，即：

$R_{bdM}=R_d//R_{bd}\≈R_{bd}=\frac{N_d{V}_T\left(mV\right)}{I_M-I_{scM}}---\left(2.4\right)$

对于典型PV模块，N_c＝60,N_d＝3，在深度遮蔽工况，I_M>>I_scM，所以，在BDCR区，等效旁路二极管的交流电阻占主导地位。

在MP点，PV模块的交流电阻为：

$R_{mppM}=R_{mpM}{|}_{I_M=I_{mpM}}\≈\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{I_{scM}-I_{mpM}}+R_{sbM}---\left(2.5\right)$

令MP点的电流系数为：

则

因此，PV模块在MP点的计算公式为：

$R_{mppM}=R_{mpM}{|}_{I_M=I_{mpM}}\≈\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM}}+R_{sbM}---\left(2.6\right)$

MP点的电阻依赖于光照值，随着光照值减少，MP点的电阻值则不断增加，式(2.6)不仅能用来估算MP点的电阻值，也能用以估算光照值；

因此，PV模块的交流电阻的计算公式为：

B、部分遮蔽PV组串在MP点关键参数计算方法：

首先建立二光照值PV组串的分析模型，在分析模型中，将一个PV组串中的模块分为两个子串，其中，PV1表示由未被遮蔽PV模块串联组成的第一个子串，其光照值为G1，模块数目为N1；PV2表示由已遮蔽PV模块组成的第二个子串，其有效光照值和模块数分别用G2和N2表示。G1>G2,N1+N2＝Ns,Ns是PV组串中模块的总数；

B1、PV组串的交流电阻：

在电流区0≤Io≤Io1，所有PV模块均工作在VSR-3区，PV组串的交流电阻的表达式为：

$R_{sS}=\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{N}_i{R}_{sMi}---\left(3.1\right)$

式中大写的下标“S”表示PV组串；

同理，得到其它区域的表达式：

B2、MP点参数公式：

二光照值PV组串的v-p特性曲线有两个MP点，分别表示为MPP1和MPP2，在MPP1点，未遮蔽模块工作在MP点，而遮蔽模块工作在BDCR区域，由此可以得到MP点的参数公式：

$P_o^n=\stackrel{\‾}{P_o^n}+K_{ip}asin\mathrm{\ω}t,K_{ip}>0---\left(2\right)$

上式中，第一项为直流功率分量，通过MPPT单元的DC功率通道，得到直流电流参考分量：

$I_{ref}^n=\frac{\stackrel{\‾}{P_o^n}}{\stackrel{\‾}{V_o^n}}---\left(3\right)$

公式(2)中第二项为扰动功率的基波分量，通过MPPT单元的基波功率通道中的带通滤波器BPF、平方器和低通滤波器LPF2后，得到有效功率增量：

$\mathrm{\Δ}P=\frac{a^2{K}_{ip}^2}{2}\≥0---\left(4\right)$

进一步得到参考电流增量为：

${\mathrm{\ΔI}}_{ref}=\frac{a^2{K}_{ip}}{2}>0,inVSR---\left(5\right)$

因为工作点位于i-p特性的电压区，功率-电流的斜率K_ip大于零，所以新的参考电流为：

$\stackrel{\‾}{I_{ref}^{n+1}}=\stackrel{\‾}{I_o^n}+{\mathrm{\ΔI}}_{ref}>\stackrel{\‾}{I_o^n},inVSR---\left(6\right)$

由此可知，新工作点沿着i-p曲线向右移动，更加接近MP点；

同理，当工作点位于i-p曲线的电流区，即MP点的右边，斜率K_ip小于零，使得新参考电流为：

$\stackrel{\&OverBar;}{I_{ref}^{n+1}}=\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n}+{\mathrm{\&Delta;I}}_{ref}<\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n},inCSR---\left(7\right)$

所以，新工作点沿着i-p曲线向左移动，趋近于MP点；

当工作点到达i-p曲线的MP点时，则功率扰动信号变为全波整流波形，全波整流波形没有基波分量，因此，系统停止搜索，稳定工作在MP点；

MPP1:I_mp1＝I_o3＝I_mpM1 (3.3a)

V_mp1＝N₁V_mpM1-N₂E≈N₁V_mpM1 (3.3b)

P_mp1＝I_mp1(N₁V_mpM1-N₂E)

≈N₁I_mp1V_mpM1,V_mpM1＞＞E (3.3c)

R_mp1S＝N₁R_mpM1+N₂R_bp2≈N₁R_mpM1 (3.3d)

MPP2:I_mp2＝I_o1＝I_mpM2 (3.4a)

V_mp2＝N₂V_mpM2+N₁(V_ocM1-I_mp2R_sM1)≈N_sV_mpM2 (3.4b)

P_mp2＝I_mp2[N₂V_mpM2+N₁(V_ocM1-I_mp2R_sM1)],V_mpM2≈V_ocM1-I_mp2R_sM1

≈N_sI_mp2V_mpM2 (3.4c)

R_mp2S＝N₁R_sM1+N₂R_mpM2≈N₂R_mpM (3.4d)

式(3.3a至3.3d)表明，在MPP1点，电流值等于未遮蔽模块在MP点的电流值；电压值、电阻值及其输出功率分别等于所有未遮蔽模块在MP点的对应值之和；

由公式(3.4a至3.4d)可知，在MPP2点，除电阻参数外，所有模块的贡献近似相等，而总电阻值近似等于所有遮蔽模块的电阻值之和；

C、辨识准则：

二光照值PV组串有两个MP点，使用电导法、扰动观察法找到局部MP点，并依据局部MP点的特征及其参数值，公开辨识遮蔽和预测GMP点的准则：

辨识准则1:辨识部分遮蔽的准则：

如果且[]表示取整数， (3.5a)

当N_mp≈N_s,则PV组串无遮蔽现象； (3.5b)

当N_mp＜N_s,则PV组串存在遮蔽现象； (3.5c)

利用公式(3.3d)和(3.4d)证明辨识准则1；

辨识准则2：预测MPP1为GMP点的准则：

如果且[]表示取整数， (3.6a)

未遮蔽的PV模块数，N₁＝N_s-N₂， (3.6b)

MPP1点电流预测值，

当I_mp1＜I_mp-max,MPP2是GMP点 (3.6e)

当I_mp1≈I_mp-max,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.6f)

当I_mp1＞I_mp-max,MPP1是GMP点 (3.6g)

$I_{mp-max}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}}{N_1{\mathrm{AN}}_c{V}_T}\&lsqb;R_{mpp2S}-N_1{R}_{sbM}-N_2(\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM2}}+R_{sbM})\&rsqb;---\left(3.6h\right)$

其中，I_mp-max是未遮蔽模块的最大功率点电流

辨识准则3：预测MPP2为GMP点的准则：

如果且

MPP2点电流预测值，

当I_mp2＜I_mp-min,MPP2是GMP点 (3.11c)

当I_mp2≈I_mp-min,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.11e)

当I_mp2＞I_mp-min,MPP1是GMP点 (3.11f)

其中，I_mp-min是遮蔽模块在OP点的电流值。

$I_{mp-min}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}\&lsqb;I_{mpM1}-\frac{N_2{V}_T{N}_d}{r_{mpS}-N_1(\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM1}}+R_{sbM})}\&rsqb;---(3\&CenterDot;\lg )$

令两个峰值点的功率相等，利用公式(3.3c)和(3.4c)证明辨识准则2和3；

当搜索到一个局部MP点后，使用辨识准则2或3判断另一个局部MP是否为GMP点；

D、初始遮蔽工况的GMPPT的方法：

初始遮蔽工况是指在PV系统启动前PV组串已经发生了部分遮蔽现象，PV组串由两个等效的PV模块组成，PV1表示未遮蔽子串，PV2表示已遮蔽子串，系统的工作时序分为3个阶段：其一、充电阶段0～t1，实现自动获取PV组串的v-i、v-p特性曲线以及所有MP点参数；其二、软捕获阶段t1～t2，通过电流扫描使得工作点移到GMP点；其三、实时自动跟踪MP点t>t2；

D1、自动获取特性曲线的方法：

为了防止因光照值突变而引起PV组串输出电压快速波动，而致使MPPT的算法失效，给PV组串并联一个较大容量的电容CPV，boost变换器的负载为逆变器，逆变器输出的电流同频与电网电压，因此，逆变器的直流侧存在一个多倍于电网频率的交流电流成分，直流母线电容Cdcb为其提供了通道；

为了减少boost变换器输出电压和电流的过冲现象，在输出电容完成充电后，再启动直流变换器及其逆变器，当开关S1闭合且尚未启动直流变换器及其逆变器时，RL开路，则PV组串负载为一个电容负载，其等效值为CPV与Cdcb并联；在电容充电阶段，由于电容的初值为零，当S1闭合后，PV组串的输出电流Io开始对电容充电，使得工作点由E2点出发，沿着v-i特性经由D2、C2和B2点向A点移动；当工作点到达A点时；因此，在电容充电阶段，如果实时存储工作点的参数，能自动获得PV组串的完整v-i和v-p特性曲线及其 所有局部MP点的关键参数.比较各局部MP点的功率值，能得到GMP点的参数：VmpG、ImpG和PmpG。

D2、GMP点软捕获方法：

在电容充电过程，MPPT功能模块将实时存储PV组串的电流和电压值，并使其逻辑输出量A＝0，而数值输出量Imp＝0；当充电过程结束后，则A＝1，Imp＝ImpG；当A由0变为1后，系统进入GMP点软捕获阶段；boost变换器开始工作，boost变换器的输入电流缓慢增加直至其稳态工作点，其工作点由A点出发、沿着v-i和v-p曲线向左移动，直至到达第一个局部MP点—MPP2点；

因此，当前的工作点位于MPP2点，采用辨识准则1，辨识PV组串是否出现部分遮蔽，如果部分遮蔽已经发生，使用辨识准则2，预测MPP1是否为GMP点，如果MPP1为GMP点，令boost电路的输入电流继续缓慢上升，直至MPP1点；

E、突变遮蔽工况的GMPPT方法：

突变遮蔽工况的定义：原本接受均匀光照的PV组串，在某个时刻，外界的阴影遮蔽部分PV模块，形成了二光照值PV组串，在发生突变遮蔽的瞬间，PV组串的v-i特性曲线由单个平台变为双平台，而v-p特性由单峰值变为双峰值曲线，其中v-i-i和v-p-i表示均匀光照PV组串的伏安特性和电压-功率特性曲线，而v-i-c和v-p-c表示二光照值PV组串特性曲线，PV2-i和PV2-c分别表示遮蔽前、后PV模块的v-i特性曲线，未遮蔽PV模块的v-i特性保持不变，用PV1表示，等同于PV2-i曲线；

E1、PV组串通过二极管DB并接一个大容量的电容CPV，由于CPV与PV模块内部电容的比值大于数百倍，得出CPV电容电压无跃变定律：在发生突变遮蔽的瞬间，二极管DB使得PV组串输出端与CPV相互隔离，CPV的端压保持不变，用下式表示：

V_dcb(t_o)＝V_mp＝V_mp2(t₁) (5.1)

式中，to表示为未遮蔽状态—初态，t1表示部分遮蔽状态—次态；

在突变遮蔽瞬间，近似认为工作点由v-i-i曲线的MP点—E点直接跳变v-i-c曲线MPP2点—F点，随后系统稳定地工作在MPP2局部最大功率点；

当系统稳定在MPP2点，使用辨识准则1判断遮蔽是否发生，如果遮蔽已经发生，使用辨识准则2预测MPP1是否为GMP点的准则，在此过程中需要计算未遮蔽模块在MP点的电流值Imp-Max；

与光照变化速度相比，开关变换器的响应时间略去不计，因此在突变遮蔽瞬间，假定太阳光照值维持不变，则有：

I_mp-max＝I_mp(t_o) (5-2)

式中Imp(to)是遮蔽前MP点的电流，因此，将式(5-2)代入辨识准则2，得到修改后的辨识准则2-预测MPP1为GMP点的准则，即用实际测量值替代Imp-max的估算值；

辨识准则4—突变工况的辨识遮蔽准则：

如果I_mp(t₁)＜I_mp(t₀)且

则遮蔽已经发生且MPP2为首先搜索到的局部MP点；

辨识准则5—均匀光照发生变化的辨识准则：

如果N_mp(t₀)＝N_mp2(t₁)＝N_s且I_mp(t₁)≠I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)≠r_mpS(t_o),

则无遮蔽现象，但光照值发生了突； (5.4a)

如果I_mp(t₁)＞I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)＜r_mpS(t_o),则光照值上升； (5.4b)；

如果I_mp(t₁)＜I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)＞r_mpS(t_o),则均为光照值减少。 (5.4c)

E2、突变工况GMPPT算法：

第一步辨识突变遮蔽是否发生，根据Imp(t0)、Imp(t1)和当前工作在MP点的模块数目Nmp(t1)等参数值，在局部MP点应用辨识准则4判别遮蔽是否发生。如果未发现遮蔽现象，则维持当前参考电流，进入实时P&O-MPPT跟踪，否则，则进入第二步；

第二步辨识当前局部MP点—MPP2点是否为GMP点，使用修改后的辨识准则2(即Imp-max＝Imp(to))判断MPP2点是否为GMP点。如果MPP2点是GMP点，进入实时P&O-MPPT跟踪。否则，转入第三步；

第三步用软捕获技术将当前MP点牵引至GMP点-MPP1点，扫描电流的表达式为：

I_scan(t-t₁)

＝I_mpG(t-t₁)/T_c+I_mp1(t₁),；

t≥t₁ (5.5)

其中，I_mpG＝I_mp(t_o)

F、动态遮蔽工况的GMPPT方法：

如果一块缓慢移动的阴影不断遮蔽PV组串的表面且其地面投影面积远远大于该组串的表面积，则形成一个动态遮蔽的过程，使用下面条件分析动态遮蔽过程的性能：PV组串如图4.1所示，总模块数目Ns＝12,遮蔽模块数目N2＝1～11，PV1和PV2子串接受的光照值分别为1kW/m^2和0.4kW/m^2；

当遮蔽模块数N2<Ns/2＝6时，Pmp1>Pmp2，MPP1为GMP点，当N2＝6时，Pmp1≈Pmp2；

基于CPV电容电压的无跃变定律，当PV组串中仅有一个遮蔽模块时，即N2＝1，输入电容CPV电压的表达式为：

V_dcb(t_o)＝V_mp＝V_mp2(t₁) (6.1)

式中，to表示为未遮蔽状态—初态，t1表示部分遮蔽状态—次态，MPPT模块搜索到第一个局部MP点为D点，这种工况等价于突变遮蔽工况，使用步骤E中给出的算法需找GMP点—MPP1点；

在动态遮蔽工况，遮蔽模块数目是不断变化的，通过以下方法探索其GMPPT的算法：

当N2<Ns/2时，每增加一个遮蔽模块，MPP1点的电流保持不变，电压和功率减少的一个固定增量，表示为：

ΔV_mp1＝V_mpM-E (6.2)

ΔP_mp1＝-I_mp(t_o)ΔV_mp1 (6.3)

所以，v-i-c曲线上的E点向左平移了⊿Vmp1，而v-p-c曲线上的MPP1点将向左下方移动；在动态遮蔽过程中，v-i-c曲线上的D点和v-p-c曲线上的MPP2点基本保持不变，即MPP2点的参数，除电阻值外，与遮蔽模块数无关；

由公式(3.6c)得到临界模块数N_critical的估算公式：

P_mp1＝P_mp2,I_mp1＝I_mp(t_o)；I_mp2＝I_mp(t₁)

N_criticalI_mp(t_o)≈N_sI_mp(t₁)

$N_{critical}=\&lsqb;\frac{N_s{I}_{mp}\left(t_1\right)}{I_{mp}\left(t_o\right)}\&rsqb;---(6-4)$

应用上式推导出辨识动态遮蔽的辨识准则：

辨识准则6–动态遮蔽辨识准则1：

如果

辨识准则7–动态遮蔽辨识准则2：

如果

辨识准则8–动态遮蔽局部MP点位置的辨识准则3：

假定OP已到达一个局部MP点，其参数为Imp和Vmp；

如果I_mp＝I_mp(t₁)或V_mp≈N_sV_mppM,则当前MP点位于MPP2点；

如果I_mp＝I_mp(t₀)或V_mp＜(N_s-1)V_mppM,则当前MP点位于MPP1点。

基于上述准则6～8，归纳出动态遮蔽工况GMPPT算法：

第一步，辨识局部MP点的位置，根据局部MP的参数Imp和Vmp，应用辨识准则8判断当前MP点位于MPP1点或MPP2点；

第二步，辨识当前局部MP点是否为GMP点，如果当前MP点位于MPP1点，应用辨识准则6判断该其是否为GMP点，如果当前MP点为GMP点，系统停止搜索；否则转入到第三步；

如果MPP2为当前局部MP点，应用辨识准则7判断其是否为GMP点，如果当前MP点为GMP点，系统停止搜索；否则转入到第三步；

第三步用软捕获技术将当前MP点牵引至GMP点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法，计算方法简单、计算量小，适合于MPP的实时跟踪，可以工程化应用。

附图说明

图1.1a和图1.1b分别为现有技术中的集中式PV系统和单组串式PV系统示意图；

图中：D_sh为阻流二极管。

图1.2为现有技术中PV组串稳态遮蔽工况的整体v-i和v-p曲线示意图；图中：

v-i-i和v-p-i是无遮蔽工况伏安和电压-功率特性曲线，MPP是其最大功率点；

v-i-c和v-p-c是遮蔽工况伏安特性和电压-功率特性曲线，MPP1、2是两个最大功率点。

图2.1a为本发明实施例中典型PV模块的v-i和v-p及其三个与四个工作区域；

图2.1b为图2.1a中对应的交流电阻曲线；

图中：G_f＝1k,I_mp1＝8.086A,G_psc＝0.4,I_scM＝3.023A,R_bdM＝15.4mΩ；为计算BDCR区域电阻 的条件。

图2.2为本发明实施例中PV模块的等效电路示意图。

图2.3为本发明实施例中PV模块的交流电阻等效电路示意图。

图2.4为本发明实施例中R_mpp与光照值之间关系示意图。

图3.1a为本发明实施例中二光照值PV组串的分析模型示意图。

图3.1b为本发明实施例中PV1和PV2子串的v-i和v-p特性曲线示意图。

图3.1c为本发明实施例中PV组串的整体v-i和v-p特性曲线示意图。

图3.2a为本发明实施例中二光照值PV组串的整体v-i和v-p特性曲线示意图。

图3.2b为图3.2a对应的交流电阻-电压特性曲线示意图。

图4.1为本发明实施例中初始遮蔽的GMPPT算法示意图。

图4.2为本发明实施例中Boost电路的启动时序示意图。

图4.3为本发明实施例中PV组串的整体v-i和v-p特性曲线示意图。

图5.1a为本发明实施例中突变遮蔽工况PV模块遮蔽前后的v-i特性曲线示意图；

图中：

PV₁表示未遮蔽模块的v-i特性曲线；PV₂-i和PV₂-c分别表示遮蔽前后的v-i特性曲线。

图5.1b为本发明实施例中突变遮蔽工况PV组串遮蔽前后的v-i和v-p特性曲线示意图；

图中：

V-i-i、v-p-i为遮蔽前PV组串的特性曲线；V-i-c、v-p-c为遮蔽后PV组串的特性曲线

图5.2为本发明实施例中突变遮蔽工况GMPPT算法的流程框图示意图。

图6.1为本发明实施例中GMP与遮蔽模块N2的关系曲线示意图；

图中：N2＝1到11。

图6.2a、图6.2b、图6.2c分别为本发明实施例中动态遮蔽工况全局最大功率点示意图；

其中，图6.2a中P_mp1为全局最大功率；图6.2b中P_mp1约等于P_mp2；图6.2c中P_mp2为全局最大功率。

图6.3为本发明实施例中动态遮蔽工况GMPPT算法的流程框图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法，其较佳的具体实施方式是：

本发明的PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法，公开的主要内容之一，是PV组串的遮蔽辨识技术，减少MPPT的动态功耗。其发明点是，基于PV模块的动态电阻值依赖于工作点的新发现，计算PV组串在MP点的总动态电阻值判断遮蔽是否发生。本发明公开了PV组串GMP点的预测准则，即根据过去MP点和当前MP点的参数值，预测其他局部MP点是否为GMP带。

本发明公开了PV组串遮蔽辨识与全局最大功点(global maximum power point,简写为GMP,GMPP)点跟踪技术，避免使用目前流行的“定期电压扫描GMPP跟踪技术”，使人们处理此类问题的方法由逐个寻找MP点向理论预测过渡。其主要优点是：a.无需增加任何硬件电路；b.母线电压波动小；c.显著提高MPPT(Maximum Power Point Tracking，简写为MPPT)效率和动态响应速度；d.实时判断PV组串的实际工况。具体内容如下：基于PV组串交流电阻值是表征工作点所在区域的新发现，证实了MP点交流电阻值与遮蔽模块的数目之间存在一个线性关系，为辨识遮蔽和预测GMP点提供了理论基础。在此基础上，公开了8个辨识准则和三种工况的GMPPT技术，包括初始遮蔽工况、突变遮蔽工况以及动态遮蔽工况。

具体实施例：

1.本发明的关键技术点为：

1).计算PV模块交流电阻值的公式，包括四个工作区域的所有计算方法；

2).部分遮蔽PV组串在MP点关键参数计算方法，包括电流、电压、功率和电阻公式；

3).辨识遮蔽准则和两个预测GMP点准则；

4).初始遮蔽工况的GMPPT技术，包括启动时序、自动获取特性曲线和MP点参数的方法以及软捕获技术；

5).突变遮蔽工况的GMPPT技术，包括PV组串输出电容电压无跃变定律、突变工况的辨识遮蔽准则、辨识均匀光照值变化准则以及突变遮蔽工况GMPPT算法的流程图。

6).动态遮蔽工况GMPPT算法，包括临界模块数目的计算公式、当前MP点位置辨识准则、两个预测GMP点的准则以及动态遮蔽工况GMPPT算法的流程图。

2.PV模块的交流电阻模型

典型PV模块(YL-235-29b)的v-i和v-p特性如图2.1a所示。为了兼顾PV模型的简单性和精确性，在略去反向特性时，将PV模块的v-i特性划分为2个区域。然而，为了消除PV模块的热斑现象，需要为其反并若干个旁路二极管。当PV模块的表面出现局部遮蔽时，旁路二极管导通，PV模块工作在反向特性区。由图2.1a可知，在MP点附近，PV模块的斜率变化十分剧烈。因此，在研究PV模块的交流电阻特性时，本发明将v-i特性分为四个区域，分别表示为VSR-3、MPPR-3、CSR-3和BDCR区。

图2.1b给出了PV模块的交流电阻曲线。由图可知，在不同的工作区域，PV模块交流电阻值差异甚大。PV模块的等效电路如图2.2所示，其中含有两个二极管。因为二极管的交流电阻值严重依赖其工作点。因此，交流电阻值可用来估计PV模块当前光照值和工作区域。

PV模块的等效电路如图2.2所示。图中D表示由Nc个PV电池片串联组成的等效二极管，电流源表示光电转换效应。等效二极管D电流方程为：

式中A为p-n结的理想因子，取值1～2，Io为反向饱和电流，VT热电压常温下，T＝26mV。

忽略并联电阻RshM，等效二极管正向交流电阻的计算公式为：

$R_d\&ap;\frac{N_c{\mathrm{AV}}_T}{I_{scM}-I_M}=\frac{26N_c\left(mV\right)}{I_{scM}-I_M},V_M>N_c{V}_{th}---\left(2.1\right)$

式中，Vth是单个二极管的开启电压。硅型二级极管的开启电压约为0.5V。另外，当二极管工作在反向特性区或正向电压小于开启电压时，二极管可视为开路。

在图2.2中，Dbp表示由Nd个反并旁路二极管组成的等效旁路二极管，其正向交流电阻的计算公式为：

图2.3为PV模块的交流电阻等效电路，其中Rd和Rbp分别表示等效二极管和等效旁路二极管的交流电阻。

由图2.1b可知，PV模块的交流电阻值依赖于工作点所在的区域。在CSR-3区，PV模块的电压值较低，等效二极管D尚未导通，旁路二极管Dbp为反偏，所以两个二极管均为开路，其交流电阻等于RshM+RsbM≈RshM,RshM>>RsbM。在MPPR-3区，等效二极管D完全导通，其交流电阻远远小于并联电阻RshM，其交流电阻为RsbM+Rd。其中，RsbM是等效体电阻。在VSR-3区，其v-i特性近似为一条直线，其交流电阻为：

$R_{sM}=\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{I_{scM}}+R_{sbM}---\left(2.3\right)$

式中，IscM是PV模块的短路电流。

在BDCR区，等效二极管和等效旁路二极管均处在导通状态，其电流分别为IscM和IM-IscM,PV模块的交流电阻等于两个二极管的交流电阻的并联值，即：

$R_{bdM}=R_d//R_{bd}\&ap;R_{bd}=\frac{N_d{V}_T\left(mV\right)}{I_M-I_{scM}}---\left(2.4\right)$

对于YL-235-29b-PV模块，Nc＝60,Nd＝3。在深度遮蔽工况，IM>>IscM。所以，在BDCR区，等效旁路二极管的交流电阻占主导地位。

在MP点，PV模块的交流电阻为：

$R_{mppM}=R_{mpM}{|}_{I_M=I_{mpM}}\&ap;\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{I_{scM}-I_{mpM}}+R_{sbM}---\left(2.5\right)$

令MP点的电流系数为：

则

因此，PV模块在MP点的计算公式为：

$R_{mppM}=R_{mpM}{|}_{I_M=I_{mpM}}\&ap;\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM}}+R_{sbM}---\left(2.6\right)$

由此可知，MP点的电阻依赖于光照值。随着光照值减少，MP点的电阻值则不断增加，如图2.4所示。式(2-6)不仅可以用来估算MP点的电阻值，也可以用以估算光照值。

综上所示，PV模块的交流电阻的计算公式为：

3.PV组串的遮蔽分析模型及其特性

二光照值是一个最简单、最常见的遮蔽工况。本发明公开了二光照值PV组串的分析模型，如图3.1a所示。在分析模型中，将一个PV组串中的模块分为两个子串，其中，PV1表示由未被遮蔽PV模块串联组成的第一个子串，其光照值为G1，模块数目为N1；PV2表示由已遮蔽PV模块组成的第二个子串，其有效光照值和模块数分别用G2和N2表示。G1>G2,N1+N2＝Ns,Ns是PV组串中模块的总数。因为在每个子串中，PV模块的接受的光照值相等，所以每个子串可以使用一个等效的PV模块表示。应用串联支路的电压扩展原理，可以计算出二光值PV组串的交流电阻及其MP点的参数。

图3.1b给出了遮蔽模块与未遮蔽模块的v-i特性曲线，分别用PV1和PV2表示。根据图2.1a和图2.1b定义的PV模块v-i特性曲线的区域划分方法，将[0,IscM1]的电流变化区域划分为4个区间。在每个区间里，每个v-i特性隶属于一个工作区域。PV组串的整体v-i和v-p特性曲线如图3.1c所示。

3.1PV组串的交流电阻

如图3.1b和图3.1c所示，在电流区①,0≤Io≤Io1，所有PV模块均工作在VSR-3区，PV组串的交流电阻的表达式为：

$R_{sS}=\underset{i=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}{N}_i{R}_{sMi}---\left(3.1\right)$

式中大写的下标“S”表示PV组串。

同理，可以得到其它区域的表达式：

利用式(3.2)，绘制出二光照值PV组串的交流电阻曲线与整体v-i和v-p的相关图，如图3.2a和图3.2b所示。由图3.2b可知，交流电阻值依赖于工作点所在的区域。换句话讲，交流电阻值是一个重要的特征参数，表征了工作点所在区域。在MP点，交流电阻值与遮 蔽模块的数目之间存在一个线性关系。因此，可以使用交流电阻在MP点的数值辨识遮蔽是否发生并预测遮蔽模块的数目。

3.2MP点参数公式

二光照值PV组串的v-p特性曲线有两个MP点，分别表示为MPP1和MPP2，如图3.1c所示。由图3.1b和3.1c可知，在MPP1点，未遮蔽模块工作在MP点，而遮蔽模块工作在BDCR区域，由此可以得到MP点的参数公式：

$P_o^n=\stackrel{\&OverBar;}{P_o^n}+K_{ip}asin\mathrm{\&omega;}t,K_{ip}>0---\left(2\right)$

上式中，第一项为直流功率分量。通过MPPT单元的DC功率通道，得到直流电流参考分量：

$I_{ref}^n=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{P_o^n}}{\stackrel{\&OverBar;}{V_o^n}}---\left(3\right)$

公式(2)中第二项为扰动功率的基波分量。通过MPPT单元的基波功率通道中的带通滤波器BPF、平方器和低通滤波器LPF2后，得到有效功率增量：

$\mathrm{\&Delta;}P=\frac{a^2{K}_{ip}^2}{2}\&GreaterEqual;0---\left(4\right)$

进一步得到参考电流增量为：

${\mathrm{\&Delta;I}}_{ref}=\frac{a^2{K}_{ip}}{2}>0,inVSR---\left(5\right)$

因为工作点位于i-p特性的电压区，功率-电流的斜率K_ip大于零。所以新的参考电流为：

$\stackrel{\&OverBar;}{I_{ref}^{n+1}}=\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n}+{\mathrm{\&Delta;I}}_{ref}>\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n},inVSR---\left(6\right)$

由此可知，新工作点沿着i-p曲线向右移动，更加接近MP点。

同理，当工作点位于i-p曲线的电流区，即MP点的右边，斜率K_ip小于零，使得新参考电流为：

$\stackrel{\&OverBar;}{I_{ref}^{n+1}}=\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n}+{\mathrm{\&Delta;I}}_{ref}<\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n},inCSR---\left(7\right)$

所以，新工作点沿着i-p曲线向左移动，趋近于MP点。

当工作点到达i-p曲线的MP点时，则功率扰动信号变为全波整流波形。全波整流波形没有基波分量。因此，系统停止搜索，稳定工作在MP点。

MPP1:I_mp1＝I_o3＝I_mpM1 (3.3a)

V_mp1＝N₁V_mpM1-N₂E≈N₁V_mpM1 (3.3b)

P_mp1＝I_mp1(N₁V_mpM1-N₂E)

≈N₁I_mp1V_mpM1,V_mpM1＞＞E (3.3c)

R_mp1S＝N₁R_mpM1+N₂R_bp2≈N₁R_mpM1 (3.3d)

MPP2:I_mp2＝I_o1＝I_mpM2 (3.4a)

V_mp2＝N₂V_mpM2+N₁(V_ocM1-I_mp2R_sM1)≈N_sV_mpM2 (3.4b)

P_mp2＝I_mp2[N₂V_mpM2+N₁(V_ocM1-I_mp2R_sM1)],V_mpM2≈V_ocM1-I_mp2R_sM1

≈N_sI_mp2V_mpM2 (3.4c)

R_mp2S＝N₁R_sM1+N₂R_mpM2≈N₂R_mpM (3.4d)

式(3.3)表明，在MPP1点，电流值等于未遮蔽模块在MP点的电流值；电压值、电阻值及其输出功率分别等于所有未遮蔽模块在MP点的对应值之和。总之，在MPP1点，PV2子串对整个组串的贡献可以忽略不计。

由公式(3.4)可知，在MPP2点，除电阻参数外，所有模块的贡献近似相等。而总电阻值近似等于所有遮蔽模块的电阻值之和。

3.3辨识准则

如图3.1c所示，二光照值PV组串有两个MP点，使用电导法、扰动观察法等可以很容易的找到局部MP点。本小节试图依据局部MP点的特征及其参数值，公开辨识遮蔽和预测GMP点的准则。

辨识准则1:辨识部分遮蔽的准则。

如果且[]表示取整数， (3.5a)

当N_mp≈N_s,则PV组串无遮蔽现象； (3.5b)

当N_mp＜N_s,则PV组串存在遮蔽现象； (3.5c)

利用公式(3.3d)和(3.4d)证明辨识准则1。

辨识准则2(GMPP1)：预测MPP1为GMP点的准则。

如果且[]表示取整数， (3.6a)

未遮蔽的PV模块数，N₁＝N_s-N₂， (3.6b)

MPP1点电流预测值，

当I_mp1＜I_mp-max,MPP2是GMP点 (3.6e)

当I_mp1≈I_mp-max,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.6f)

当I_mp1＞I_mp-max,MPP1是GMP点 (3.6g)

$I_{mp-max}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}}{N_1{\mathrm{AN}}_c{V}_T}\&lsqb;R_{mpp2S}-N_1{R}_{sbM}-N_2(\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM2}}+R_{sbM})\&rsqb;---\left(3.6h\right)$

其中，I_mp-max是未遮蔽模块的最大功率点电流

辨识准则3(GMPP2)：预测MPP2为GMP点的准则。

如果且

MPP2点电流预测值，

当I_mp2＜I_mp-min,MPP2是GMP点 (3.11c)

当I_mp2≈I_mp-min,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.11e)

当I_mp2＞I_mp-min,MPP1是GMP点 (3.11f)

其中，I_mp-min是遮蔽模块在OP点的电流值。

$I_{mp-min}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}\&lsqb;I_{mpM1}-\frac{N_2{V}_T{N}_d}{r_{mpS}-N_1(\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM1}}+R_{sbM})}\&rsqb;---\left(3.1g\right)$

令两个峰值点的功率相等，利用公式(3.3c)和(3.4c)证明辨识准则2和3。

当搜索到一个局部MP点后，可以使用辨识准则2或3判断另一个局部MP是否为GMP点，不必使用的“定期电压扫描技术”，显著提高二光照值PV组串的GMP点跟踪速度，减少动态跟踪损耗。

4.初始遮蔽工况的GMPPT技术

初始遮蔽工况是指在PV系统启动前PV组串已经发生了部分遮蔽现象。初始遮蔽工况GMPPT算法的原理示意图如图4.1所示。PV组串由两个等效的PV模块组成，PV1表示未遮蔽子串，PV2表示已遮蔽子串。如图4.2所示，系统的工作时序分为3个阶段。其一、充电阶段(0～t1)，实现自动获取PV组串的v-i、v-p特性曲线以及所有MP点参数；其二、软捕获阶段(t1～t2)，通过电流扫描使得工作点移到GMP点；其三、实时自动跟踪MP点(t>t2)。图4.3给出了PV组串的整体v-i和v-p特性曲线。

4.1自动获取特性曲线技术

如图4.1所示，为了防止因光照值突变而引起PV组串输出电压快速波动，而致使MPPT的算法失效。通常给PV组串并联一个较大容量的电容CPV。另外，boost变换器的负载为逆变器，逆变器输出的电流同频与电网电压。因此，逆变器的直流侧存在一个多倍于电网频率的交流电流成分。直流母线电容Cdcb为其提供了通道。

在图4.1所示的电路中，负载RL表示逆变器等效输入电阻。为了减少boost变换器输出电压和电流的过冲现象，通常在输出电容完成充电后，再启动直流变换器及其逆变器，其工作时序如图4.2所示。因此，当开关S1闭合且尚未启动直流变换器及其逆变器时，RL开路，则PV组串负载为一个电容负载，其等效值为CPV与Cdcb并联。在电容充电阶段，由于电容的初值为零，当S1闭合后，PV组串的输出电流Io开始对电容充电，使得工作点由E2点出发，沿着v-i特性经由D2、C2和B2点向A点移动，如图4.3所示。当工作点到达A点时，充电结束。因此，在电容充电阶段，如果实时存储工作点的参数，可以自动获得PV组串的完整v-i和v-p特性曲线及其所有局部MP点的关键参数.比较各局部MP点的功率值，可得到GMP点的参数：VmpG、ImpG和PmpG。

4.2GMP点软捕获技术

在电容充电过程，MPPT功能模块将实时存储PV组串的电流和电压值，并使其逻辑输出量A＝0，而数值输出量Imp＝0；当充电过程结束后，则A＝1，Imp＝ImpG。当A由0变为1后，系统进入GMP点软捕获阶段。采用启动技术，使得boost变换器开始工作。软启动技术使得boost变换器的输入电流缓慢增加直至其稳态工作点。另一方面，软启动使其工作点由A点出发、沿着v-i和v-p曲线向左移动，直至到达第一个局部MP点—MPP2点，如图4.3所示。

因此，当前的工作点位于MPP2点。采用辨识准则1，辨识PV组串是否出现部分遮蔽。如果部分遮蔽已经发生，使用辨识准则2，预测MPP1是否为GMP点。如果MPP1为GMP点，令boost电路的输入电流继续缓慢上升，直至MPP1点。

本发明将上述过程定义为初始遮蔽工况的GMMPT技术。

5.突变遮蔽工况的GMPPT技术

突变遮蔽工况的定义：原本接受均匀光照的PV组串，在某个时刻，外界的阴影遮蔽部分PV模块，形成了二光照值PV组串。如图5.1b所示，在发生突变遮蔽的瞬间，PV组串的v-i特性曲线由单个平台变为双平台，而v-p特性由单峰值变为双峰值曲线，其中v-i-i和 v-p-i表示均匀光照PV组串的伏安特性和电压-功率特性曲线，而v-i-c和v-p-c表示二光照值PV组串特性曲线。在图5.1a中，PV2-i和PV2-c分别表示遮蔽前、后PV模块的v-i特性曲线。未遮蔽PV模块的v-i特性保持不变，用PV1表示，等同于PV2-i曲线。

在如图4.1所示电路中，PV组串通过二极管DB并接一个大容量的电容CPV。由于CPV与PV模块内部电容的比值大于数百倍，所以本发明给出了CPV电容电压无跃变定律：在发生突变遮蔽的瞬间，二极管DB使得PV组串输出端与CPV相互隔离，CPV的端压保持不变，用下式表示：

V_dcb(t_o)＝V_mp＝V_mp2(t₁) (5.1)

式中，to表示为未遮蔽状态—初态，t1表示部分遮蔽状态—次态。

如图5.1b所示，在突变遮蔽瞬间，近似认为工作点由v-i-i曲线的MP点—E点直接跳变v-i-c曲线MPP2点—F点。随后系统稳定地工作在MPP2局部最大功率点。

当系统稳定在MPP2点，使用辨识准则1判断遮蔽是否发生？如果遮蔽已经发生，使用辨识准则2预测MPP1是否为GMP点的准则。在此过程中需要计算未遮蔽模块在MP点的电流值Imp-Max。这样增加了辨识难度和精度，也降低了速度。

与光照变化速度相比，开关变换器的响应时间可以略去不计。因此在突变遮蔽瞬间，假定太阳光照值维持不变，则有

I_mp-max＝I_mp(t_o) (5-2)

式中Imp(to)是遮蔽前MP点的电流。因此，将式(5-2)代入辨识准则2，得到修改后的辨识准则2-预测MPP1为GMP点的准则。即用实际测量值替代Imp-max的估算值。这样既避免了外界环境的影响，又减少了计算量。

辨识准则4—突变工况的辨识遮蔽准则

如果I_mp(t₁)＜I_mp(t₀)且

则遮蔽已经发生且MPP2为首先搜索到的局部MP点。

辨识准则5—均匀光照发生变化的辨识准则

如果N_mp(t₀)＝N_mp2(t₁)＝N_s且I_mp(t₁)≠I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)≠r_mpS(t_o),

则无遮蔽现象，但光照值发生了突； (5.4a)

如果I_mp(t₁)＞I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)＜r_mpS(t_o),则光照值上升； (5.4b)

如果I_mp(t₁)＜I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)＞r_mpS(t_o),则均为光照值减少。 (5.4c)

突变工况GMPPT算法：

第一步辨识突变遮蔽是否发生。根据Imp(t0)、Imp(t1)和当前工作在MP点的模块数目Nmp(t1)等参数值，在局部MP点应用辨识准则4判别遮蔽是否发生。如果未发现遮蔽现象，则维持当前参考电流，进入实时P&O-MPPT跟踪。否则，则进入第二步；

第二步辨识当前局部MP点—MPP2点是否为GMP点。使用修改后的辨识准则2(即Imp-max＝Imp(to))判断MPP2点是否为GMP点。如果MPP2点是GMP点，进入实时P&O-MPPT跟踪。否则，转入第三步；

第三步用软捕获技术将当前MP点牵引至GMP点-MPP1点。扫描电流的表达式为：

I_scan(t-t₁)

＝I_mpG(t-t₁)/T_c+I_mp1(t₁),

t≥t₁ (5.5)

其中，I_mpG＝I_mp(t_o)

基于上述算法，突变遮蔽工况的GMPPT算法流程示意图如图5.2所示。

6.动态遮蔽工况的GMPPT技术

如果一块缓慢移动的阴影不断遮蔽PV组串的表面且其地面投影面积远远大于该组串的表面积，则形成一个动态遮蔽的过程。使用下面条件分析动态遮蔽过程的性能：PV组串如图4.1所示，总模块数目Ns＝12,遮蔽模块数目N2＝1～11，PV1和PV2子串接受的光照值分别为1kW/m^2和0.4kW/m^2。仿真结果如图6.1所示。图中给出了4条曲线，虚线Pmp1和Pmp2分别表示图5.1b所示的MPP1和MPP2两个局部MP点的功率值；由Pmp1和Pmp2线的较大值组成的一条粗实折线，表示PV组串输出最大功率--GMP线；Poieal线表示理想最大功率值，其值等于所有模块的最大功率之和。

由图6.1可知，当遮蔽模块数N2<Ns/2＝6时，Pmp1>Pmp2，MPP1为GMP点，其整体v-i和v-p特性曲线如图6.2a所示；当N2＝6时，Pmp1≈Pmp2，对应的特性曲线如图6.2b所示；图6.2c给出了N2>6工况的特性曲线。

基于CPV电容电压的无跃变定律，当PV组串中仅有一个遮蔽模块时，即N2＝1，图4.1所示的输入电容CPV电压的表达式为：

V_dcb(t_o)＝V_mp＝V_mp2(t₁) (6.1)

式中，to表示为未遮蔽状态—初态，t1表示部分遮蔽状态—次态。MPPT模块搜索到第一个局部MP点为D点，如图6.2a所示。实际上，这种工况等价于突变遮蔽工况，可以使用5.1小节给出的算法需找GMP点—MPP1点。然而，在动态遮蔽工况，遮蔽模块数目是不断变化的，需要探索其GMPPT的算法。

如图6.2a所示，当N2<Ns/2时，每增加一个遮蔽模块，MPP1点的电流保持不变，电压和功率减少的一个固定增量，表示为：

ΔV_mp1＝V_mpM-E (6.2)

ΔP_mp1＝-I_mp(t_o)ΔV_mp1 (6.3)

所以，v-i-c曲线上的E点向左平移了⊿Vmp1，而v-p-c曲线上的MPP1点将向左下方移动。由公式(3.4c)可知，在动态遮蔽过程中，v-i-c曲线上的D点和v-p-c曲线上的MPP2点基本保持不变。即MPP2点的参数，除电阻值外，与遮蔽模块数无关。

由公式(3.6c)可得到临界模块数N_critical的估算公式：

P_mp1＝P_mp2,I_mp1＝I_mp(t_o)；I_mp2＝I_mp(t₁)

N_criticalI_mp(t_o)≈N_sI_mp(t₁)

$N_{critical}=\&lsqb;\frac{N_s{I}_{mp}\left(t_1\right)}{I_{mp}\left(t_o\right)}\&rsqb;---(6-4)$

应用上式可以推导出辨识动态遮蔽的辨识准则。

辨识准则6–动态遮蔽辨识准则1(MPP1点)

如果

辨识准则7–动态遮蔽辨识准则2(MPP2)

如果

辨识准则8–动态遮蔽局部MP点位置的辨识准则3

假定OP已到达一个局部MP点，其参数为Imp和Vmp。

如果I_mp＝I_mp(t₁)或V_mp≈N_sV_mppM,则当前MP点位于MPP2点；

如果I_mp＝I_mp(t₀)或V_mp＜(N_s-1)V_mppM,则当前MP点位于MPP1点。

基于上述准则6～8，归纳出动态遮蔽工况GMPPT算法：

第一步，辨识局部MP点的位置。根据局部MP的参数Imp和Vmp，应用辨识准则8判断当前MP点位于MPP1点或MPP2点；

第二步，辨识当前局部MP点是否为GMP点。如果当前MP点位于MPP1点，应用辨识准则6判断该其是否为GMP点。如果当前MP点为GMP点，系统停止搜索；否则转入到第三步；

如果MPP2为当前局部MP点，应用辨识准则7判断其是否为GMP点。如果当前MP点为GMP点，系统停止搜索；否则转入到第三步；

第三步用软捕获技术将当前MP点牵引至GMP点。

基于上述算法，动态遮蔽工况的GMPPT算法流程示意图如图6.3所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种PV组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法，其特征在于，包括步骤：

A、PV模块的交流电阻的计算方法：

将典型PV模块的v-i特性曲线分为四个区域，分别表示为VSR-3、MPPR-3、CSR-3和BDCR区；

所述PV模块的等效电路中包括由N_c个PV电池片串联组成的等效二极管(D)，所述等效二极管(D)的电流方程为：式中A为p-n结的理想因子，取值1～2，Io为反向饱和电流，V_T为热电压，常温下，T＝26mV；

忽略并联电阻(R_shM)，等效二极管(D)正向交流电阻的计算公式为：

$R_d\&ap;\frac{N_c{\mathrm{AV}}_T}{I_{scM}-I_M}=\frac{26N_c\left(mV\right)}{I_{scM}-I_M},V_M>N_c{V}_{th}---\left(2.1\right)$

式中，V_th是单个二极管的开启电压，硅型二级极管的开启电压为0.5V，当二极管工作在反向特性区或正向电压小于开启电压时，二极管视为开路；

所述PV模块的等效电路中包括由N_d个反并旁路二极管组成的等效旁路二极管(D_bp)，其正向交流电阻的计算公式为：

在PV模块的交流电阻等效电路中，等效二极管(D)和等效旁路二极管(D_bp)的交流电阻分别表示为R_d和R_bp；

PV模块的交流电阻值依赖于工作点所在的区域，在CSR-3区，PV模块的电压值较低，等效二极管D尚未导通，旁路二极管D_bp为反偏，所以两个二极管均为开路，其交流电阻等于R_shM+R_sbM≈R_shM,R_shM>>R_sbM；在MPPR-3区，等效二极管D完全导通，其交流电阻远远小于并联电阻R_shM，其交流电阻为R_sbM+R_d，其中，R_sbM是等效体电阻；在VSR-3区，其v-i特性近似为一条直线，其交流电阻为：

式中，I_scM是PV模块的短路电流；

在BDCR区，等效二极管和等效旁路二极管均处在导通状态，其电流分别为I_scM和I_M-I_scM,PV模块的交流电阻等于两个二极管的交流电阻的并联值，即：

$R_{bdM}=R_d//R_{bd}\&ap;R_{bd}=\frac{N_d{V}_T\left(mV\right)}{I_M-I_{scM}}---\left(2.4\right)$

对于典型PV模块，N_c＝60,N_d＝3，在深度遮蔽工况，I_M>>I_scM，所以，在BDCR区，等效旁路二极管的交流电阻占主导地位；

在MP点，PV模块的交流电阻为：

$R_{mppM}=R_{mpM}{|}_{I_M=I_{mpM}}\&ap;\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{I_{scM}-I_{mpM}}+R_{sbM}---\left(2.5\right)$

令MP点的电流系数为：

则

因此，PV模块在MP点的计算公式为：

$R_{mppM}=R_{mpM}{|}_{I_M=I_{mpM}}\&ap;\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM}}+R_{sbM}---\left(2.6\right)$

MP点的电阻依赖于光照值，随着光照值减少，MP点的电阻值则不断增加，式(2.6)不仅能用来估算MP点的电阻值，也能用以估算光照值；

因此，PV模块的交流电阻的计算公式为：

B、部分遮蔽PV组串在MP点关键参数计算方法：

首先建立二光照值PV组串的分析模型，在分析模型中，将一个PV组串中的模块分为两个子串，其中，PV1表示由未被遮蔽PV模块串联组成的第一个子串，其光照值为G1，模块数目为N1；PV2表示由已遮蔽PV模块组成的第二个子串，其有效光照值和模块数分别用G2和N2表示。G1>G2,N1+N2＝Ns,Ns是PV组串中模块的总数；

B1、PV组串的交流电阻：

在电流区0≤Io≤Io1，所有PV模块均工作在VSR-3区，PV组串的交流电阻的表达式为：

$R_{sS}=\underset{i=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}{N}_i{R}_{sMi}---\left(3.1\right)$

式中大写的下标“S”表示PV组串；

同理，得到其它区域的表达式：

B2、MP点参数公式：

二光照值PV组串的v-p特性曲线有两个MP点，分别表示为MPP1和MPP2，在MPP1点，未遮蔽模块工作在MP点，而遮蔽模块工作在BDCR区域，由此可以得到MP点的参数公式：

$P_o^n=\stackrel{\&OverBar;}{P_o^n}+K_{ip}asin\mathrm{\&omega;}t,K_{ip}>0---\left(2\right)$

上式中，第一项为直流功率分量，通过MPPT单元的DC功率通道，得到直流电流参考分量：

$I_{ref}^n=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{P_o^n}}{\stackrel{\&OverBar;}{V_o^n}}---\left(3\right)$

公式(2)中第二项为扰动功率的基波分量，通过MPPT单元的基波功率通道中的带通滤波器BPF、平方器和低通滤波器LPF2后，得到有效功率增量：

$\mathrm{\&Delta;}P=\frac{a^2{K}_{ip}^2}{2}\&GreaterEqual;0---\left(4\right)$

进一步得到参考电流增量为：

${\mathrm{\&Delta;I}}_{ref}=\frac{a^2{K}_{ip}}{2}>0,inVSR---\left(5\right)$

因为工作点位于i-p特性的电压区，功率-电流的斜率K_ip大于零，所以新的参考电流为：

$\stackrel{\&OverBar;}{I_{ref}^{n+1}}=\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n}+{\mathrm{\&Delta;I}}_{ref}>\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n},inVSR---\left(6\right)$

由此可知，新工作点沿着i-p曲线向右移动，更加接近MP点；

同理，当工作点位于i-p曲线的电流区，即MP点的右边，斜率K_ip小于零，使得新参考电流为：

$\stackrel{\&OverBar;}{I_{ref}^{n+1}}=\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n}+{\mathrm{\&Delta;I}}_{ref}<\stackrel{\&OverBar;}{I_o^n},inCSR---\left(7\right)$

所以，新工作点沿着i-p曲线向左移动，趋近于MP点；

当工作点到达i-p曲线的MP点时，则功率扰动信号变为全波整流波形，全波整流波形没有基波分量，因此，系统停止搜索，稳定工作在MP点；

MPP1:I_mp1＝I_o3＝I_mpM1 (3.3a)

V_mp1＝N₁V_mpM1-N₂E≈N₁V_mpM1 (3.3b)

P_mp1＝I_mp1(N₁V_mpM1-N₂E)

≈N₁I_mp1V_mpM1,V_mpM1＞＞E (3.3c)

R_mp1S＝N₁R_mpM1+N₂R_bp2≈N₁R_mpM1 (3.3d)

MPP2:I_mp2＝I_o1＝I_mpM2 (3.4a)

V_mp2＝N₂V_mpM2+N₁(V_ocM1-I_mp2R_sM1)≈N_sV_mpM2 (3.4b)

P_mp2＝I_mp2[N₂V_mpM2+N₁(V_ocM1-I_mp2R_sM1)],V_mpM2≈V_ocM1-I_mp2R_sM1

≈N_sI_mp2V_mpM2 (3.4c)

R_mp2S＝N₁R_sM1+N₂R_mpM2≈N₂R_mpM (3.4d)

式(3.3a至3.3d)表明，在MPP1点，电流值等于未遮蔽模块在MP点的电流值；电压值、电阻值及其输出功率分别等于所有未遮蔽模块在MP点的对应值之和；

由公式(3.4a至3.4d)可知，在MPP2点，除电阻参数外，所有模块的贡献近似相等，而总电阻值近似等于所有遮蔽模块的电阻值之和；

C、辨识准则：

二光照值PV组串有两个MP点，使用电导法、扰动观察法找到局部MP点，并依据局部MP点的特征及其参数值，公开辨识遮蔽和预测GMP点的准则：

辨识准则1:辨识部分遮蔽的准则：

如果且[]表示取整数， (3.5a)

当N_mp≈N_s,则PV组串无遮蔽现象； (3.5b)

当N_mp＜N_s,则PV组串存在遮蔽现象； (3.5c)

利用公式(3.3d)和(3.4d)证明辨识准则1；

辨识准则2：预测MPP1为GMP点的准则：

如果且[]表示取整数， (3.6a)

未遮蔽的PV模块数，N₁＝N_s-N₂， (3.6b)

MPP1点电流预测值，

当I_mp1＜I_mp-max,MPP2是GMP点 (3.6e)

当I_mp1≈I_mp-max,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.6f)

当I_mp1＞I_mp-max,MPP1是GMP点 (3.6g)

$I_{mp-max}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}}{N_1{\mathrm{AN}}_c{V}_T}\&lsqb;R_{mpp2S}-N_1{R}_{sbM}-N_2(\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM2}}+R_{sbM})\&rsqb;---\left(3.6h\right)$

其中，I_mp-max是未遮蔽模块的最大功率点电流

辨识准则3：预测MPP2为GMP点的准则：

如果且

MPP2点电流预测值，

当I_mp2＜I_mp-min,MPP2是GMP点 (3.11c)

当I_mp2≈I_mp-min,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.11e)

当I_mp2＞I_mp-min,MPP1是GMP点 (3.11f)

其中，I_mp-min是遮蔽模块在OP点的电流值。

$I_{mp-min}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&delta;}}\&lsqb;I_{mpM1}-\frac{N_2{V}_T{N}_d}{r_{mpS}-N_1(\frac{{\mathrm{AN}}_c{V}_T}{0.07I_{mpM1}}+R_{sbM})}\&rsqb;---\left(3.1g\right)$

令两个峰值点的功率相等，利用公式(3.3c)和(3.4c)证明辨识准则2和3；

当搜索到一个局部MP点后，使用辨识准则2或3判断另一个局部MP是否为GMP点；

D、初始遮蔽工况的GMPPT的方法：

初始遮蔽工况是指在PV系统启动前PV组串已经发生了部分遮蔽现象，PV组串由两个等效的PV模块组成，PV1表示未遮蔽子串，PV2表示已遮蔽子串，系统的工作时序分为3个阶段：其一、充电阶段0～t1，实现自动获取PV组串的v-i、v-p特性曲线以及所有MP点参数；其二、软捕获阶段t1～t2，通过电流扫描使得工作点移到GMP点；其三、实时自动跟踪MP点t>t2；

D1、自动获取特性曲线的方法：

为了防止因光照值突变而引起PV组串输出电压快速波动，而致使MPPT的算法失效，给PV组串并联一个较大容量的电容CPV，boost变换器的负载为逆变器，逆变器输出的电流同频与电网电压，因此，逆变器的直流侧存在一个多倍于电网频率的交流电流成分，直流母线电容Cdcb为其提供了通道；

为了减少boost变换器输出电压和电流的过冲现象，在输出电容完成充电后，再启动直流变换器及其逆变器，当开关S1闭合且尚未启动直流变换器及其逆变器时，RL开路，则PV组串负载为一个电容负载，其等效值为CPV与Cdcb并联；在电容充电阶段，由于电容的初值为零，当S1闭合后，PV组串的输出电流Io开始对电容充电，使得工作点由E2点出发，沿着v-i特性经由D2、C2和B2点向A点移动；当工作点到达A点时；因此，在电容充电阶段，如果实时存储工作点的参数，能自动获得PV组串的完整v-i和v-p特性曲线及其所有局部MP点的关键参数.比较各局部MP点的功率值，能得到GMP点的参数：VmpG、ImpG和PmpG；

D2、GMP点软捕获方法：

在电容充电过程，MPPT功能模块将实时存储PV组串的电流和电压值，并使其逻辑输出量A＝0，而数值输出量Imp＝0；当充电过程结束后，则A＝1，Imp＝ImpG；当A由0变为1后，系统进入GMP点软捕获阶段；boost变换器开始工作，boost变换器的输入电流缓慢增加直至其稳态工作点，其工作点由A点出发、沿着v-i和v-p曲线向左移动，直至到达第一个局部MP点—MPP2点；

因此，当前的工作点位于MPP2点，采用辨识准则1，辨识PV组串是否出现部分遮蔽，如果部分遮蔽已经发生，使用辨识准则2，预测MPP1是否为GMP点，如果MPP1为GMP点，令boost电路的输入电流继续缓慢上升，直至MPP1点；

E、突变遮蔽工况的GMPPT方法：

突变遮蔽工况的定义：原本接受均匀光照的PV组串，在某个时刻，外界的阴影遮蔽部分PV模块，形成了二光照值PV组串，在发生突变遮蔽的瞬间，PV组串的v-i特性曲线由单个平台变为双平台，而v-p特性由单峰值变为双峰值曲线，其中v-i-i和v-p-i表示均匀光照PV组串的伏安特性和电压-功率特性曲线，而v-i-c和v-p-c表示二光照值PV组串特性曲线，PV2-i和PV2-c分别表示遮蔽前、后PV模块的v-i特性曲线，未遮蔽PV模块的v-i特性保持不变，用PV1表示，等同于PV2-i曲线；

E1、PV组串通过二极管DB并接一个大容量的电容CPV，由于CPV与PV模块内部电容的比值大于数百倍，得出CPV电容电压无跃变定律：在发生突变遮蔽的瞬间，二极管DB使得PV组串输出端与CPV相互隔离，CPV的端压保持不变，用下式表示：

V_dcb(t_o)＝V_mp＝V_mp2(t₁) (5.1)

式中，to表示为未遮蔽状态—初态，t1表示部分遮蔽状态—次态；

在突变遮蔽瞬间，近似认为工作点由v-i-i曲线的MP点—E点直接跳变v-i-c曲线MPP2点—F点，随后系统稳定地工作在MPP2局部最大功率点；

当系统稳定在MPP2点，使用辨识准则1判断遮蔽是否发生，如果遮蔽已经发生，使用辨识准则2预测MPP1是否为GMP点的准则，在此过程中需要计算未遮蔽模块在MP点的电流值Imp-Max；

与光照变化速度相比，开关变换器的响应时间略去不计，因此在突变遮蔽瞬间，假定太阳光照值维持不变，则有：

I_mp-max＝I_mp(t_o) (5-2)

式中Imp(to)是遮蔽前MP点的电流，因此，将式(5-2)代入辨识准则2，得到修改后的辨识准则2-预测MPP1为GMP点的准则，即用实际测量值替代Imp-max的估算值；

辨识准则4—突变工况的辨识遮蔽准则：

如果I_mp(t₁)＜I_mp(t₀)且

则遮蔽已经发生且MPP2为首先搜索到的局部MP点；

辨识准则5—均匀光照发生变化的辨识准则：

如果N_mp(t₀)＝N_mp2(t₁)＝N_s且I_mp(t₁)≠I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)≠r_mpS(t_o),

则无遮蔽现象，但光照值发生了突； (5.4a)

如果I_mp(t₁)＞I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)＜r_mpS(t_o),则光照值上升； (5.4b)；

如果I_mp(t₁)＜I_mp(t₀)或r_mpS(t₁)＞r_mpS(t_o),则均为光照值减少； (5.4c)

E2、突变工况GMPPT算法：

第一步辨识突变遮蔽是否发生，根据Imp(t0)、Imp(t1)和当前工作在MP点的模块数目Nmp(t1)等参数值，在局部MP点应用辨识准则4判别遮蔽是否发生，如果未发现遮蔽现象，则维持当前参考电流，进入实时P&O-MPPT跟踪，否则，则进入第二步；

第二步辨识当前局部MP点—MPP2点是否为GMP点，使用修改后的辨识准则2(即Imp-max＝Imp(to))判断MPP2点是否为GMP点，如果MPP2点是GMP点，进入实时P&O-MPPT跟踪，否则，转入第三步；

第三步用软捕获技术将当前MP点牵引至GMP点-MPP1点，扫描电流的表达式为：

I_scan(t-t₁)

＝I_mpG(t-t₁)/T_c+I_mp1(t₁),；

t≥t₁ (5.5)

其中，I_mpG＝I_mp(t_o)

F、动态遮蔽工况的GMPPT方法：

如果一块缓慢移动的阴影不断遮蔽PV组串的表面且其地面投影面积远远大于该组串的表面积，则形成一个动态遮蔽的过程，使用下面条件分析动态遮蔽过程的性能：PV组串如图4.1所示，总模块数目Ns＝12,遮蔽模块数目N2＝1～11，PV1和PV2子串接受的光照值分别为1kW/m^2和0.4kW/m^2；

当遮蔽模块数N2<Ns/2＝6时，Pmp1>Pmp2，MPP1为GMP点，当N2＝6时，Pmp1≈Pmp2；

基于CPV电容电压的无跃变定律，当PV组串中仅有一个遮蔽模块时，即N2＝1，输入电容CPV电压的表达式为：

V_dcb(t_o)＝V_mp＝V_mp2(t₁) (6.1)

式中，to表示为未遮蔽状态—初态，t1表示部分遮蔽状态—次态，MPPT模块搜索到第一个局部MP点为D点，这种工况等价于突变遮蔽工况，使用步骤E中给出的算法需找GMP点—MPP1点；

在动态遮蔽工况，遮蔽模块数目是不断变化的，通过以下方法探索其GMPPT的算法：

当N2<Ns/2时，每增加一个遮蔽模块，MPP1点的电流保持不变，电压和功率减少的一个固定增量，表示为：

ΔV_mp1＝V_mpM-E (6.2)

ΔP_mp1＝-I_mp(t_o)ΔV_mp1 (6.3)

所以，v-i-c曲线上的E点向左平移了⊿Vmp1，而v-p-c曲线上的MPP1点将向左下方移动；在动态遮蔽过程中，v-i-c曲线上的D点和v-p-c曲线上的MPP2点基本保持不变，即MPP2点的参数，除电阻值外，与遮蔽模块数无关；

由公式(3.6c)得到临界模块数N_critical的估算公式：

P_mp1＝P_mp2,I_mp1＝I_mp(t_o)；I_mp2＝I_mp(t₁)

N_criticalI_mp(t_o)≈N_sI_mp(t₁)

$N_{critical}=\&lsqb;\frac{N_s{I}_{mp}\left(t_1\right)}{I_{mp}\left(t_o\right)}\&rsqb;---(6-4)$

应用上式推导出辨识动态遮蔽的辨识准则：

辨识准则6–动态遮蔽辨识准则1：

如果

辨识准则7–动态遮蔽辨识准则2：

如果

辨识准则8–动态遮蔽局部MP点位置的辨识准则3：

假定OP已到达一个局部MP点，其参数为Imp和Vmp；

如果I_mp＝I_mp(t₁)或V_mp≈N_sV_mppM,则当前MP点位于MPP2点；

如果I_mp＝I_mp(t₀)或V_mp＜(N_s-1)V_mppM,则当前MP点位于MPP1点；

基于上述准则6～8，归纳出动态遮蔽工况GMPPT算法：

第一步，辨识局部MP点的位置，根据局部MP的参数Imp和Vmp，应用辨识准则8判断当前MP点位于MPP1点或MPP2点；

第二步，辨识当前局部MP点是否为GMP点，如果当前MP点位于MPP1点，应用辨识准则6判断该其是否为GMP点，如果当前MP点为GMP点，系统停止搜索；否则转入到第三步；

如果MPP2为当前局部MP点，应用辨识准则7判断其是否为GMP点，如果当前MP点为GMP点，系统停止搜索；否则转入到第三步；

第三步用软捕获技术将当前MP点牵引至GMP点。