CN106130060B - Pv组串的遮蔽辨识与最大功率点预测—跟踪方法 - Google Patents
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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
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Nc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;VT为热电压,常温下,VT=26mV;VM为模块电压;
忽略并联电阻(RshM),等效二极管(D)正向交流电阻的计算公式为:
式中,IM为模块电流,Vth是单个二极管的开启电压,硅型二极管的开启电压为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Nd个反并旁路二极管组成的等效旁路二极管
(Dbp),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(Dbp)的正向交流电阻分别表示为Rd和Rbp;
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,等效旁路二极管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,其正向交流电阻为:
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正向交流电阻的并联值,即:
对于典型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;
在给定的MP点,ImpM为一个常数,PV模块在该MP点处的交流电阻RmppM为:
其中,IscM为模块短路电流,ImpM为模块最大功率点处电流,RM为PV模块的电阻,RmpM是在最大功率点附近MPPR-3区的交流电阻,令MP点的电流系数为:
则
因此,PV模块在MP点的计算公式为:
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:
其中,ImpM,VmpM为PV模块最大功率点处的电流与电压;RsM,RshM,RmpM,RmppM和RbpM分别表示在VSR-3区、CSR-3区、MPPR-3区、MP点和BDCR区的交流电阻;IscM表示PV模块的短路电流;
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0≤Io≤Io1电流区,其中,Io为输出电流,Io1为遮蔽模块在最大功率点处的输出电流,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:
式中大写的下标“S”表示PV组串;RsMi为第i个模块在VSR-3区中的电阻;
同理,得到其它区域PV组串交流电阻rs的表达式;
上式中各个符号的定义:①Imp2是遮蔽PV模块MP点或对应的电流值;②Rmp2S是未遮蔽模块在VSR-3电压区和遮蔽模块在最大功率点附近MPP2R-3区的交流电阻,RmpM2是遮蔽PV模块在其MP点的电阻;③Rmpp2S是遮蔽模块处在其MP点和未遮蔽模块在仍然处于电压区的交流电阻,RmppM1是遮蔽PV模块在其MP点的交流电阻;④Rsh2S表示未遮蔽模块仍处在电压区和遮蔽模块进入CSR-3电流区的交流电阻,其中RshM2表示遮蔽PV模块在电流区的交流电阻,Io2和IscM2表示遮蔽PV模块的短路电流;⑤Rbp2S表示遮蔽模块处在等效旁路二极管导通区和未遮蔽模块仍工作在电压区的交流电阻,Rbp2表示遮蔽模块处在等效旁路二极管导通区的电阻,Io3和ImpM1表示未遮蔽PV模块的MP点的电流;⑥Rmp1S表示未遮蔽模块已进入其MP点附近MPP1R-3区和遮蔽模块仍工作在旁路二极管导通区的交流电阻,RmpM1表示未遮蔽模块在其MP点附近MPP1R-3区的电阻;⑦Rmpp1S是未遮蔽模块工作在其最大功率点处和遮蔽模块工作在等效旁路二极管导通区的交流电阻,RmppM1表示未遮蔽PV模块在其MP点的电阻;⑧Rsh1S表示未遮蔽模块工作在电流区和遮蔽模块工作在等效旁路二极管导通区的交流电阻,Io4和IscM1是未遮蔽PV模块的短路电流,RshM1是CSR-3区的电阻;
B2、MP点参数公式:
MPP1:Imp1=Io3=ImpM1 (3.3a)
Vmp1=N1VmpM1-N2E≈N1VmpM1 (3.3b)
Pmp1=Imp1(N1VmpM1-N2E)
≈N1Imp1VmpM1,VmpM1远远大于E (3.3c)
Rmp1S=N1RmppM1+N2Rbp2≈N1RmppM1 (3.3d)
其中,E为等效旁路二极管的正向导通电压;
MPP2:Imp2=Io1=ImpM2 (3.4a)
Vmp2=N2VmpM2+N1(VocM1-Imp2RsM1)≈NsVmpM2 (3.4b)
Pmp2=Imp2[N2VmpM2+N1(VocM1-Imp2RsM1)],VmpM2≈VocM1-Imp2RsM1
≈NsImp2VmpM2 (3.4c)
Rmp2S=N1RsM1+N2RmppM2≈N2RmppM2 (3.4d)
其中,N1为未遮蔽而模块的个数,N2为遮蔽模块的个数,N1+N2=Ns为PV组串的模块数,VocM1表示未遮蔽PV模块的开路电压值;RmppM2表示遮蔽PV模块在其MP点的电阻。
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,除电阻参数有所差异之外,所有遮蔽模块和未遮蔽模块对输出功率的贡献近似相等,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组串存在着两个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Nmp≈Ns,则PV组串无遮蔽现象; (3.5b)
当Nmp<Ns,则PV组串存在遮蔽现象; (3.5c)
其中,Po,Vo,Io为PV组串的输出功率,电压与电流;Nmp为工作在MP点模块的个数;
RmpS表示在PV组串在MP区域的交流电阻;
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=Ns-N2, (3.6b)
MPP1点电流预测值,
当Imp1<Imp-max,MPP2是GMP点 (3.6e)
当Imp1≈Imp-max,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.6f)
当Imp1>Imp-max,MPP1是GMP点 (3.6g)
其中,Imp-max是未遮蔽模块的最大功率点电流其中,RmppS为PV组串在MP点的交流电阻;ImpM2表示PV组串在MPP2点处的电流值;
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Imp2<Imp-min,MPP2是GMP点 (3.11c)
当Imp2≈Imp-min,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.11e)
当Imp2>Imp-min,MPP1是GMP点 (3.11f)
其中,Imp-min是遮蔽模块在OP点的电流值
其中,RmppM1为未蔽模块在MPP1点出的交流电阻;VmpS表示在MPP点处的PV组串的电压(5);VmpM是模块在MP点的电压(6);
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,直流母线电压为Vdcb用下式表示:
Vdcb(t0)=VmpS=Vmp2(t1) (5.1)
式中,t0表示为未遮蔽状态—初态,t1表示部分遮蔽状态—次态;VmpS是PV组串在MPP点处的电压;Vmp2(t1)是t1时刻MPP2点的电压值;
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:
Imp-max=Imp(t0) (5-2)
式中Imp(t0)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Imp(t1)<Imp(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Nmp(t0)=Nmp2(t1)=Ns且Imp(t1)≠Imp(t0)或RmpS(t1)≠RmpS(t0),
则无遮蔽现象,但光照值发生了突; (5.4a)
如果Imp(t1)>Imp(t0)或RmpS(t1)<RmpS(t0),则光照值上升; (5.4b);
如果Imp(t1)<Imp(t0)或RmpS(t1)>RmpS(t0),则均为光照值减少; (5.4c)
其中,RmpS(t1)为次态时刻PV组串的最大功率点处的交流电阻;RmpS(t0)为初态时刻PV组串的最大功率点处的交流电阻;Nmp(t0)为初态时刻时,处于最大功率点处模块的个数;
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)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(t0)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:
Iscan(t-t1)=ImpG(t-t1)/Tc+Imp1(t1),t≥t1 (5.5)
其中,ImpG=Imp(t0)
式中,t表示扫描时间,Iscan为扫描电流,扫描初态时刻和次态时刻的电流差值,Imp1
(t1)为次态时刻的最大功率点电流,ImpG为全局最大功率点处的电流;
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组串的结构中N1个未遮蔽模块,N2个遮蔽模块,其总模块数目Ns=N1+N2=12,遮蔽模块数目N2=1~11之中取值,PV1和PV2子串接收的光照值分别为1kW/m2和0.4kW/m2;
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:
Vdcb(t0)=Vmp=Vmp2(t1) (6.1)
式中,t0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:
ΔVmp1=VmpM-E (6.2)
ΔPmp1=-Imp(to)ΔVmp1 (6.3)
其中VmpM为模块PV模块在最大功率点处的电压(6,7);
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Ncritical的估算公式:
Pmp1=Pmp2,Imp1=Imp(to);Imp2=Imp(t1)
NcriticalImp(to)≈NsImp(t1)
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
其中α为修正系数;
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Imp=Imp(t1)或Vmp≈NsVmppM,则当前MP点位于MPP2点;
如果Imp=Imp(t0)或Vmp<(Ns-1)VmppM,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判断该工作点是否为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:Dsh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:Gf=1k,Imp1=8.086A,Gpsc=0.4,IscM=3.023A,RbdM=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Rmpp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Pmp1为全局最大功率;图6.2b中Pmp1约等于Pmp2;图6.2c中Pmp2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:
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:
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:
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:
令MP点的电流系数为:
则
因此,PV模块在MP点的计算公式为:
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:
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:
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:
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:
进一步得到参考电流增量为:
因为工作点位于i-p特性的电压区,功率-电流的斜率Kip大于零。所以新的参考电流为:
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Kip小于零,使得新参考电流为:
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:Imp1=Io3=ImpM1 (3.3a)
Vmp1=N1VmpM1-N2E≈N1VmpM1(3.3b)
Rmp1S=N1RmpM1+N2Rbp2≈N1RmpM1 (3.3d)
MPP2:Imp2=Io1=ImpM2 (3.4a)
Vmp2=N2VmpM2+N1(VocM1-Imp2RsM1)≈NsVmpM2 (3.4b)
Pmp2=Imp2[N2VmpM2+N1(VocM1-Imp2RsM1)],VmpM2≈VocM1-Imp2RsM1
≈NsImp2VmpM2 (3.4c)
Rmp2S=N1RsM1+N2RmpM2≈N2RmpM (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Nmp≈Ns,则PV组串无遮蔽现象; (3.5b)
当Nmp<Ns,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=Ns-N2, (3.6b)
MPP1点电流预测值,
当Imp1<Imp-max,MPP2是GMP点 (3.6e)
当Imp1≈Imp-max,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.6f)
当Imp1>Imp-max,MPP1是GMP点 (3.6g)
其中,Imp-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Imp2<Imp-min,MPP2是GMP点 (3.11c)
当Imp2≈Imp-min,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.11e)
当Imp2>Imp-min,MPP1是GMP点 (3.11f)
其中,Imp-min是遮蔽模块在OP点的电流值。
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:
Vdcb(to)=Vmp=Vmp2(t1) (5.1)
式中,t0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
Imp-max=Imp(to) (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Imp(t1)<Imp(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Nmp(t0)=Nmp2(t1)=Ns且Imp(t1)≠Imp(t0)或rmpS(t1)≠rmpS(to),
则无遮蔽现象,但光照值发生了突; (5.4a)
如果Imp(t1)>Imp(t0)或rmpS(t1)<rmpS(to),则光照值上升; (5.4b)
如果Imp(t1)<Imp(t0)或rmpS(t1)>rmpS(to),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:
Iscan(t-t1)
=ImpG(t-t1)/Tc+Imp1(t1),
t≥t1 (5.5)
其中,ImpG=Imp(to)
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:
Vdcb(to)=Vmp=Vmp2(t1) (6.1)
式中,t0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:
ΔVmp1=VmpM-E (6.2)
ΔPmp1=-Imp(to)ΔVmp1 (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Ncritical的估算公式:
Pmp1=Pmp2,Imp1=Imp(to);Imp2=Imp(t1)
NcriticalImp(to)≈NsImp(t1)
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Imp=Imp(t1)或Vmp≈NsVmppM,则当前MP点位于MPP2点;
如果Imp=Imp(t0)或Vmp<(Ns-1)VmppM,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Nc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;VT为热电压,常温下,VT=26mV;VM为模块电压;
忽略并联电阻(RshM),等效二极管(D)正向交流电阻的计算公式为:
式中,IM为模块电流,Vth是单个二极管的开启电压,硅型二极管的开启电压为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Nd个反并旁路二极管组成的等效旁路二极管
(Dbp),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(Dbp)的正向交流电阻分别表示为Rd和Rbp;
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,等效旁路二极管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,其正向交流电阻为:
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正向交流电阻的并联值,即:
对于典型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;
在给定的MP点,ImpM为一个常数,PV模块在该MP点处的交流电阻RmppM为:
其中,IscM为模块短路电流,ImpM为模块最大功率点处电流,RM为PV模块的电阻,RmpM是在最大功率点附近MPPR-3区的交流电阻,令MP点的电流系数为:
则
因此,PV模块在MP点的计算公式为:
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:
其中,ImpM,VmpM为PV模块最大功率点处的电流与电压;RsM,RshM,RmpM,RmppM和RbpM分别表示在VSR-3区、CSR-3区、MPPR-3区、MP点和BDCR区的交流电阻;IscM表示PV模块的短路电流;
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0≤Io≤Io1电流区,其中,Io为输出电流,Io1为遮蔽模块在最大功率点处的输出电流,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:
式中大写的下标“S”表示PV组串;RsMi为第i个模块在VSR-3区中的电阻;
同理,得到其它区域PV组串交流电阻rs的表达式;
上式中各个符号的定义:①Imp2是遮蔽PV模块MP点或对应的电流值;②Rmp2S是未遮蔽模块在VSR-3电压区和遮蔽模块在最大功率点附近MPP2R-3区的交流电阻,RmpM2是遮蔽PV模块在其MP点的电阻;③Rmpp2S是遮蔽模块处在其MP点和未遮蔽模块在仍然处于电压区的交流电阻,RmppM1是遮蔽PV模块在其MP点的交流电阻;④Rsh2S表示未遮蔽模块仍处在电压区和遮蔽模块进入CSR-3电流区的交流电阻,其中RshM2表示遮蔽PV模块在电流区的交流电阻,Io2和IscM2表示遮蔽PV模块的短路电流;⑤Rbp2S表示遮蔽模块处在等效旁路二极管导通区和未遮蔽模块仍工作在电压区的交流电阻,Rbp2表示遮蔽模块处在等效旁路二极管导通区的电阻,Io3和ImpM1表示未遮蔽PV模块的MP点的电流;⑥Rmp1S表示未遮蔽模块已进入其MP点附近MPP1R-3区和遮蔽模块仍工作在旁路二极管导通区的交流电阻,RmpM1表示未遮蔽模块在其MP点附近MPP1R-3区的电阻;⑦Rmpp1S是未遮蔽模块工作在其最大功率点处和遮蔽模块工作在等效旁路二极管导通区的交流电阻,RmppM1表示未遮蔽PV模块在其MP点的电阻;⑧Rsh1S表示未遮蔽模块工作在电流区和遮蔽模块工作在等效旁路二极管导通区的交流电阻,Io4和IscM1是未遮蔽PV模块的短路电流,RshM1是CSR-3区的电阻;
B2、MP点参数公式:
MPP1:Imp1=Io3=ImpM1 (3.3a)
Vmp1=N1VmpM1-N2E≈N1VmpM1 (3.3b)
Pmp1=Imp1(N1VmpM1-N2E)
≈N1Imp1VmpM1,VmpM1远远大于E (3.3c)
Rmp1S=N1RmppM1+N2Rbp2≈N1RmppM1 (3.3d)
其中,E为等效旁路二极管的正向导通电压;
MPP2:Imp2=Io1=ImpM2 (3.4a)
Vmp2=N2VmpM2+N1(VocM1-Imp2RsM1)≈NsVmpM2 (3.4b)
Pmp2=Imp2[N2VmpM2+N1(VocM1-Imp2RsM1)],VmpM2≈VocM1-Imp2RsM1
≈NsImp2VmpM2 (3.4c)
Rmp2S=N1RsM1+N2RmppM2≈N2RmppM2 (3.4d)
其中,N1为未遮蔽而模块的个数,N2为遮蔽模块的个数,N1+N2=Ns为PV组串的模块数,VocM1表示未遮蔽PV模块的开路电压值;RmppM2表示遮蔽PV模块在其MP点的电阻;
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,除电阻参数有所差异之外,所有遮蔽模块和未遮蔽模块对输出功率的贡献近似相等,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组串存在着两个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Nmp≈Ns,则PV组串无遮蔽现象; (3.5b)
当Nmp<Ns,则PV组串存在遮蔽现象; (3.5c)
其中,Po,Vo,Io为PV组串的输出功率,电压与电流;Nmp为工作在MP点模块的个数;
RmpS表示在PV组串在MP区域上的交流电阻;
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=Ns-N2, (3.6b)
MPP1点电流预测值,
当Imp1<Imp-max,MPP2是GMP点 (3.6e)
当Imp1≈Imp-max,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.6f)
当Imp1>Imp-max,MPP1是GMP点 (3.6g)
其中,Imp-max是未遮蔽模块的最大功率点电流
其中,RmppS为PV组串在MP点的交流电阻;ImpM2表示PV组串在MPP2点处的电流值;
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Imp2<Imp-min,MPP2是GMP点 (3.11c)
当Imp2≈Imp-min,MPP1和MPP2的功率近似相等 (3.11e)
当Imp2>Imp-min,MPP1是GMP点 (3.11f)
其中,Imp-min是遮蔽模块在OP点的电流值
其中,RmppM1为未蔽模块在MPP1点出的交流电阻;VmpS表示在MPP点处的PV组串的电压(5);VmpM是模块在MP点的电压(6);
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,直流母线电压为Vdcb用下式表示:
Vdcb(t0)=VmpS=Vmp2(t1)(5.1)
式中,t0表示为未遮蔽状态—初态,t1表示部分遮蔽状态—次态;VmpS是PV组串在MPP点处的电压;Vmp2(t1)是t1时刻MPP2点的电压值;
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:
Imp-max=Imp(t0) (5-2)
式中Imp(t0)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Imp(t1)<Imp(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:
其中,RmpS(t1)为次态时刻PV组串的最大功率点处的交流电阻;RmpS(t0)为初态时刻PV组串的最大功率点处的交流电阻;Nmp(t0)为初态时刻时,处于最大功率点处模块的个数;
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)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(t0)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:
Iscan(t-t1)=ImpG(t-t1)/Tc+Imp1(t1),t≥t1 (5.5)
其中,ImpG=Imp(t0)
式中,t表示扫描时间,Iscan为扫描电流,扫描初态时刻和次态时刻的电流差值,Imp1(t1)为次态时刻的最大功率点电流,ImpG为全局最大功率点处的电流;
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组串的结构中N1个未遮蔽模块,N2个遮蔽模块,其总模块数目Ns=N1+N2=12,遮蔽模块数目N2=1~11之中取值,PV1和PV2子串接收的光照值分别为1kW/m2和0.4kW/m2;
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:
Vdcb(to)=Vmp=Vmp2(t1) (6.1)
式中,t0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:
ΔVmp1=VmpM-E (6.2)
ΔPmp1=-Imp(to)ΔVmp1 (6.3)
其中VmpM为模块PV模块在最大功率点处的电压(6,7);
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Ncritical的估算公式:
Pmp1=Pmp2,Imp1=Imp(to);Imp2=Imp(t1)
NcriticalImp(to)≈NsImp(t1)
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
其中α为修正系数;
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Imp=Imp(t1)或Vmp≈NsVmppM,则当前MP点位于MPP2点;
如果Imp=Imp(t0)或Vmp<(Ns-1)VmppM,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判断该工作点是否为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;
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