CN106774607A - 一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对外界环境温度变化较大时，光伏阵列不能快速跟踪最大功率点的问题，提出了一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法，其特点是，包括给定温度和辐照度光伏电池模型的建立、不同温度和辐照度光伏电池的模型建立、改进开路电压的最大功率跟踪控制策略和并网逆变器控制策略等内容，通过PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了包含光伏电池模型、升压斩波电路和并网逆变器的光伏发电系统；根据外部环境变化更新开路电压，使光伏系统快速稳定于最大功率点；为进一步提高光伏发电系统的能量转换效率，引入增量电导法改善最大功率点处的稳态性能；为提高光伏阵列跟踪最大功率点的效率，减小光伏阵列的能量损失提供了有效手段。

Description

一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，是一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法。

背景技术

我国太阳能资源丰富，大力发展太阳能发电是增加我国能源供应、调整能源结构、实现能源可持续发展和保护环境的有效途径。然而由于目前光伏电池成本相对高，而转换效率较低，输出功率随光照强度、环境温度和负载的变化而变化，因此如何实时跟踪并控制光伏电池使其稳定工作在最大功率点，对提高光伏发电系统的效率减少功率损失具有重要研究意义。

传统的开路电压法，更新开路电压要中断系统正常工作，对系统运行存在干扰，且所采用的控制关系只是近似比例关系，控制精度较低，不能完全实现最优控制。通过一种在线近似计算开路电压来不断更新参考电压初值，不需要中断系统的正常工作，可以根据环境变化快速到达最大功率点附近，再结合增量电导法进一步优化提高算法的精度。在外界环境温度变化较大时，该方法可以有效提高光伏发电系统最大功率跟踪的动态响应速度和稳态性能。

发明内容

本发明的目的是：提出一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法，该方法考虑光伏系统输出功率受外界温度变化的影响，当外界温度发生变化时，通过在线修正开路电压，使得光伏发电系统能迅速跟踪最大功率点，以此来提高光伏发电系统最大功率跟踪的动态响应速度和稳态性能。

为了实现上述目的采用的技术方案是，通过一种在线近似计算开路电压来不断更新参考电压初值，使输出功率可以根据环境变化快速到达最大功率点附近，再结合增量电导法进一步优化提高算法的精度。包括给定温度和辐照度光伏电池模型的建立、不同温度和辐照度光伏电池的模型建立、改进开路电压的最大功率跟踪控制策略和并网逆变器控制策略等内容，通过PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了包含光伏电池模型、升压斩波电路和并网逆变器的光伏发电系统。其特征是，根据外部环境变化更新开路电压，使光伏系统快速稳定于最大功率点；为进一步提高光伏发电系统的能量转换效率，引入增量电导法改善最大功率点处的稳态性能。它包括以下内容：

1)给定温度和辐照度的光伏电池模型的建立

基于光伏电池的外特性，根据环境变化对标准环境下光伏电池的开路电压V_oc、最大功率点电压V_m和电流I_m进行修正，拟合出不同环境下的输出特性，用式(1)表示：

其中，I_L为光伏电池的电流(A)；I_sc为光伏电池的短路电流(A)；V为光伏电池的电动势(V)；

该模型只需要输入光伏电池厂家提供的技术参数——短路电流I_sc、开路电压V_oc、最大功率点电压V_m和最大功率点电流I_m，就可以得出中间变量C₁、C₂，从而确定I-V特性曲线。

对于m×n节电池组成的光伏阵，其I-V方程为式(2)：

其中，m为串联光伏电池个数，n为并联光伏电池组数；

2)不同温度和辐照度光伏电池的模型建立

在不同光强和温度条件下，对式(1)或式(2)的各参数进行修正以刻画输出特性：

ΔT＝T-T_ref (3)

V′_oc＝V_ocref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (6)

V′_m＝V_mref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (8)

其中，T为当前电池板温度，T_ref为电池板温度的参考值，其值为25℃，△T为当前环境温度T与参考温度T_ref的差值；S为当前辐照强度，S_ref为辐照强度的参考值，其值为1000MW/m²，△S为当前辐照强度S与参考辐照强度S_ref的差值；I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref为参考辐照强度和温度下的短路电流、开路电压、最大功率点的电流和电压的参考值，I′_sc、V′_oc、I′_m、V′_m分别为I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref在不同环境下的修正值；a与c为温度补偿系数，b为光强补偿系数，本文取值为a＝0.0008/℃，c＝0.005/℃，b＝0.2；e为合理边界误差。

根据参考辐照强度和温度下的I_sc、V_oc、I_m、V_m推算出新辐照强度和温度下的I_sc'、V_oc'、V_m'、I_m'，再代入式(1)或(2)中得到新辐照强度和温度下的I-V特性曲线；

3)改进开路电压的最大功率跟踪控制策略

由光伏电池的P-V曲线可以得出：当温度一定时，辐照强度的变化对I_sc的影响较大，对V_oc的影响较小；当辐照强度一定时，温度的变化对V_oc的影响较大，对I_sc的影响较小；因此，只需在外界温度发生较大变化时在线计算更新V_oc大小；

不同环境条件下，当光伏系统的V_oc发生改变时，光伏系统的V_m也近似地成比例变化，V_m和开路电压V_oc之间存在着近似的线性关系V_m≈k₁×V_oc，对于不同的光伏系统k₁取值不同，本文取k₁＝0.79；忽略光照变化影响，则△S＝0，根据式(6)得ln(e+b△S)＝1，故可将(6)式改成下式(9)近似计算新环境下的V_oc'：

V′_oc≈V_oc-V_oc×c×ΔT (9)

当外部环境发生变化时，通过改进开路电压法可以将工作点迅速调整到最大功率点附近，然后采用增量电导法逐步逼近最大功率点；

4)并网逆变器控制策略

单相两级光伏并网发电系统，前级Boost斩波电路实现光伏电池的最大功率跟踪控制，输出电压具有较广的选择范围，后级DC/AC逆变电路的功能是稳定直流侧电压和控制并网电流，实现并网逆变和最大功率跟踪独立控制，两级控制系统设计相对简单，减小了装置的复杂度，系统的可靠性提高，并网逆变器控制采用电流反馈双闭环控制策略，为了提高交流侧电流的响应速度，在双闭环控制的基础上引入功率平衡前馈环节，使得交流侧输出能够更快地对直流侧输入功率变化做出响应。

本发明为提高光伏发电系统最大功率跟踪的效率，其有益效果体现在：在外界环境温度变化较大时，该方法可以有效提高光伏发电系统最大功率跟踪的动态响应速度和稳态性能。

附图说明

图1不同光照下I-V曲线(T＝25℃)；

图2不同光照下P-V曲线(T＝25℃)；

图3不同温度下I-V曲线(S＝1000W/m2)；

图4不同温度下P-V曲线(S＝1000W/m2)；

图5改进MPPT算法流程图；

图6最大功率跟踪算法仿真的跟踪功率变化波形图；

图7改进MPPT算法参考电压波形；

图8增量电导法参考电压变化曲线；

图9两级光伏并网系统主电路；

图10直流母线电压波形；

图11逆变输出功率波形；

图12逆变输出电流与电网电压波形；

图13并网电流参考波幅值波形。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法作进一步说明。

本发明的一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法，包括以下内容：

1)给定温度和辐照度的光伏电池模型的建立

基于光伏电池的外特性，根据环境变化对标准环境下光伏电池的开路电压V_oc、最大功率点电压V_m和电流I_m进行修正，拟合出不同环境下的输出特性，用式(1)表示：

其中，I_L为光伏电池的电流(A)；I_sc为光伏电池的短路电流(A)；V为光伏电池的电动势(V)；

该模型只需要输入光伏电池厂家提供的技术参数——短路电流I_sc、开路电压V_oc、最大功率点电压V_m和最大功率点电流I_m，就可以得出中间变量C₁、C₂，从而确定I-V特性曲线。

对于m×n节电池组成的光伏阵，其I-V方程为式(2)：

其中，m为串联光伏电池个数，n为并联光伏电池组数；

2)不同温度和辐照度光伏电池的模型建立

在不同光强和温度条件下，对式(1)或式(2)的各参数进行修正以刻画输出特性：

ΔT＝T-T_ref (12)

V′_oc＝V_ocref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (15)

V′_m＝V_mref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (17)

其中，T为当前电池板温度，T_ref为电池板温度的参考值，其值为25℃，△T为当前环境温度T与参考温度T_ref的差值；S为当前辐照强度，S_ref为辐照强度的参考值，其值为1000MW/m²，△S为当前辐照强度S与参考辐照强度S_ref的差值；I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref为参考辐照强度和温度下的短路电流、开路电压、最大功率点的电流和电压的参考值，I′_sc、V′_oc、I′_m、V′_m分别为I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref在不同环境下的修正值；a与c为温度补偿系数，b为光强补偿系数，本文取值为a＝0.0008/℃，c＝0.005/℃，b＝0.2；e为合理边界误差。

根据参考辐照强度和温度下的I_sc、V_oc、I_m、V_m推算出新辐照强度和温度下的I_sc'、V_oc'、V_m'、I_m'，再代入式(1)或(2)中得到新辐照强度和温度下的I-V特性曲线；

3)改进开路电压的最大功率跟踪控制策略

由光伏电池的P-V曲线可以得出：当温度一定时，辐照强度的变化对I_sc的影响较大，对V_oc的影响较小；当辐照强度一定时，温度的变化对V_oc的影响较大，对I_sc的影响较小；因此，只需在外界温度发生较大变化时在线计算更新V_oc大小；

不同环境条件下，当光伏系统的V_oc发生改变时，光伏系统的V_m也近似地成比例变化，V_m和开路电压V_oc之间存在着近似的线性关系V_m≈k₁×V_oc，对于不同的光伏系统k₁取值不同，本文取k₁＝0.79；忽略光照变化影响，则△S＝0，根据式(6)得ln(e+b△S)＝1，故可将(6)式改成下式(9)近似计算新环境下的V_oc'：

V′_oc≈V_oc-V_oc×c×ΔT (18)

当外部环境发生变化时，通过改进开路电压法可以将工作点迅速调整到最大功率点附近，然后采用增量电导法逐步逼近最大功率点；

4)并网逆变器控制策略

单相两级光伏并网发电系统，前级Boost斩波电路实现光伏电池的最大功率跟踪控制，输出电压具有较广的选择范围，后级DC/AC逆变电路的功能是稳定直流侧电压和控制并网电流，实现并网逆变和最大功率跟踪独立控制，两级控制系统设计相对简单，减小了装置的复杂度，系统的可靠性提高，并网逆变器控制采用电流反馈双闭环控制策略，为了提高交流侧电流的响应速度，在双闭环控制的基础上引入功率平衡前馈环节，使得交流侧输出能够更快地对直流侧输入功率变化做出响应。

实施例计算条件说明如下：

(1)忽略了串联电阻R_s和旁漏电阻R_sh的影响；

(2)光伏电池在标准条件下(25℃，1000W/m²)参数为：V_oc＝21.5V，I_sc＝6.5A，V_m＝17V，I_m＝5.6A；

(3)取温度补偿系数a＝0.0008，c＝0.005，光强补偿系数b＝0.2；

(4)对于单片光伏电池板m＝1，n＝1；

根据实施例计算条件(1)-(4)，应用本发明一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法，对在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪动态响应速度和稳态性能的结果如下：

1.光伏电池仿真建模

在给定计算条件下，光伏电池的仿真建模的具体形式由式(2)给出：

其中，

在标准条件下(25℃，1000W/m²)光伏电池参数：V_ocref＝21.5V，I_scref＝6.5A，V_mref＝17V，I_mref＝5.6A，根据当前辐照强度和电池板的温度再结合参考辐照强度和温度下的I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref代入(3)-(8)式推算出新辐照强度和温度下的I_sc'、V_oc'、V_m'、I_m'，再代入式(2)中得到新辐照强度和温度下的I-V特性，其结果如附图1和附图3所示；由附图1-4可知光伏电池的输出功率受辐照强度和温度的影响比较显著；当T＝25℃，由附图1可知，随着辐照强度增加时，V_oc变化不大，I_sc增加明显，最大输出功率增加；当S＝1000W/m²，由附图3可知,光伏电池板的温度增加时，V_oc下降明显，I_sc略有增加，最大输出功率减小。在给定辐照强度和温度下，电池具有唯一的最大功率点。

2.改进开路电压的最大功率跟踪控制策略

由附图2和附图4的P-V曲线可以看出，在不同环境条件下，当光伏系统的V_oc发生改变时，光伏系统的V_m也近似地成比例变化，V_m和开路电压V_oc之间存在着近似的线性关系V_m≈k₁×V_oc，对此，本文k₁取0.79。

忽略光照变化影响，根据式(9)，近似计算新环境下的V_oc'，然后采用增量电导法逐步逼近最大功率点。具体算法流程如附图5所示。

表1环境变化的条件

外部环境变化条件如表1所示，附图6为最大功率跟踪算法仿真的跟踪功率变化波形图，从仿真验证结果可以看出，采用的改进最大功率跟踪算法可以有效地跟踪最大功率点，当环境变化时，依然可以快速精确跟踪最大功率点，具有较好的适应性和有效性。

附图7和附图8为改进最大功率跟踪算法与增量电导法的响应时间比较，从图中可以看出在温度变化了15℃时，采用在线修正开路电压法动态响应时间缩短了46ms，验证了该算法具有较好的动态响应性能。同时通过设置合理边界误差e，有效克服了最大功率点处振荡现象，提高了系统的稳态性能。

3.光伏阵列并网逆变仿真验证

将多组光伏电池串并联构成光伏阵列，经逆变器后接入单相220V/50Hz交流电源，单相两级光伏并网发电系统如附图9所示，在0.8s时光照增加400W/m²、温度减小10℃，仿真结果如附图10-13，由图可知并网逆变器采用结合功率平衡的双闭环控制策略，在保证直流母线电压在一定波动范围内的稳定同时，实现了控制逆变电路输出的交流电流与电网电压同相，保持功率因数接近于1。

本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法，其特征是：根据外部环境变化更新开路电压，使光伏系统快速稳定于最大功率点；为进一步提高光伏发电系统的能量转换效率，引入增量电导法改善最大功率点处的稳态性能；它包括以下内容：

1)给定温度和辐照度的光伏电池模型的建立

基于光伏电池的外特性，根据环境变化对标准环境下光伏电池的开路电压V_oc、最大功率点电压V_m和电流I_m进行修正，拟合出不同环境下的输出特性，用式(1)表示：

$I_L=I_{SC}\{1-C_1\[\exp \left(\frac{V}{C_2{V}_{OC}}\right)-1\]\}---\left(1\right)$

其中，I_L为光伏电池的电流(A)；I_sc为光伏电池的短路电流(A)；V为光伏电池的电动势(V)；

$C_1=(1-\frac{I_m}{I_{sc}})\exp \left(\frac{-V_m}{C_2{V}_{oc}}\right),C_2=(\frac{I_m}{I_{sc}}-1){\left(\ln \right(1-\frac{I_m}{I_{sc}}\left)\right)}^{-1};$

该模型只需要输入光伏电池厂家提供的技术参数——短路电流I_sc、开路电压V_oc、最大功率点电压V_m和最大功率点电流I_m，就可以得出中间变量C₁、C₂，从而确定I-V特性曲线；

对于m×n节电池组成的光伏阵，其I-V方程为式(2)：

$I_L={\mathrm{nI}}_{SC}\{1-C_1\[\exp \left(\frac{V}{{\mathrm{mC}}_2{V}_{OC}}\right)-1\]\}---\left(2\right)$

其中，m为串联光伏电池个数，n为并联光伏电池组数；

2)不同温度和辐照度光伏电池的模型建立

在不同光强和温度条件下，对式(1)或式(2)的各参数进行修正以刻画输出特性：

ΔT＝T-T_ref (3)

$\mathrm{\Δ}S=\frac{S}{S_{ref}}-1---\left(4\right)$

$I_{sc}^{\′}=I_{scref}\frac{S}{S_{ref}}(1+a\mathrm{\Δ}T)---\left(5\right)$

V′_oc＝V_ocref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (6)

$I_m^{\′}=I_{mref}\frac{S}{S_{ref}}(1+a\mathrm{\Δ}T)---\left(7\right)$

V′_m＝V_mref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (8)

其中，T为当前电池板温度，T_ref为电池板温度的参考值，其值为25℃，△T为当前环境温度T与参考温度T_ref的差值；S为当前辐照强度，S_ref为辐照强度的参考值，其值为1000MW/m²，△S为当前辐照强度S与参考辐照强度S_ref的差值；I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref为参考辐照强度和温度下的短路电流、开路电压、最大功率点的电流和电压的参考值，I′_sc、V′_oc、I′_m、V′_m分别为I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref在不同环境下的修正值；a与c为温度补偿系数，b为光强补偿系数，本文取值为a＝0.0008/℃，c＝0.005/℃，b＝0.2；e为合理边界误差；

根据参考辐照强度和温度下的I_sc、V_oc、I_m、V_m推算出新辐照强度和温度下的I_sc'、V_oc'、V_m'、I_m'，再代入式(1)或(2)中得到新辐照强度和温度下的I-V特性曲线；

3)改进开路电压的最大功率跟踪控制策略

由光伏电池的P-V曲线可以得出：当温度一定时，辐照强度的变化对I_sc的影响较大，对V_oc的影响较小；当辐照强度一定时，温度的变化对V_oc的影响较大，对I_sc的影响较小；因此，只需在外界温度发生较大变化时在线计算更新V_oc大小；

不同环境条件下，当光伏系统的V_oc发生改变时，光伏系统的V_m也近似地成比例变化，V_m和开路电压V_oc之间存在着近似的线性关系V_m≈k₁×V_oc，对于不同的光伏系统k₁取值不同，本文取k₁＝0.79；忽略光照变化影响，则△S＝0，根据式(6)得ln(e+b△S)＝1，故可将(6)式改成下式(9)近似计算新环境下的V_oc'：

V′_oc≈V_oc-V_oc×c×ΔT (9)

当外部环境发生变化时，通过改进开路电压法可以将工作点迅速调整到最大功率点附近，然后采用增量电导法逐步逼近最大功率点；

4)并网逆变器控制策略

单相两级光伏并网发电系统，前级Boost斩波电路实现光伏电池的最大功率跟踪控制，输出电压具有较广的选择范围，后级DC/AC逆变电路的功能是稳定直流侧电压和控制并网电流，实现并网逆变和最大功率跟踪独立控制，两级控制系统设计相对简单，减小了装置的复杂度，系统的可靠性提高，并网逆变器控制采用电流反馈双闭环控制策略，为了提高交流侧电流的响应速度，在双闭环控制的基础上引入功率平衡前馈环节，使得交流侧输出能够更快地对直流侧输入功率变化做出响应。