CN107147361B - 局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，包括：步骤1，利用双向功率变换器建立局部遮挡条件下多光伏组件效率优化结构网络；步骤2，分析优化结构网络的功率处理策略；步骤3，确定目标函数以及约束条件，建立最优线性模型，在实现各光伏组件功率重分配的基础上，使功率变换器能量损失最小化，提高总体能量效率。

Description

局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法。

背景技术

在实际应用中，一些由于建筑物、污垢、树木等造成局部遮挡的情况是不可避免的，另外，光伏电池工艺上存在的差异，也会造成光伏组件之间不匹配现象发生。国内外研究者已经提出了一些功率补偿器的概念，利用双向直流变换器将未被遮挡的光伏组件产生的能量的一部分转移到被遮挡的光伏组件，补偿了总输出电流，但是大多数研究者所使用的变换器电路体积大、控制方法复杂，并且都存在功耗高、成本高的问题，且都未考虑到最优功率处理的情况，能量损失大，随之效率大大降低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提出了一种局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，其关键在于，包括：

利用双向功率变换器建立局部遮挡条件下多光伏组件效率优化结构网络，多光伏组件以串联形式连接，其中组件个数为N，且N大于等于2，每个组件连接与之相对应的双向功率变换器，所述功率变换器连接控制器，所述每个光伏组件连接一个功率变换器，所述每个功率变换器连接一个控制器，所述光伏组件、功率变换器和控制器之间一一对应，所述N个光伏组件经对应的功率变换器后并联共用直流能量总线。

所述效率提升优化控制器根据η_i,1、η_i,2、p_i等信息，得到第i组功率变换器能量损失表达式：

使功率变换器能量损失最小化的最优线性模型为：

目标函数：

约束条件：0≤p_i≤P^m，L·p_i＝0，

G₁+l₁p₁＝G₂+l₂p₂＝L＝G_i+l_ip_i＝L＝G_N+l_Np_N,i＝1,2L N，

其中p_i、F、L、l_i分别表示为：

p_i＝[p_1,1,p_1,2,p_2,1,p_2,2,L,p_i,1,p_i,2,L,p_N,1,p_N,2]^T，

L＝[1,-1,1,-1,L,1,-1]_1×2N，

l_i＝[l_i,1,l_i,2]。

l_i由各光伏组件的功率决定：

上述技术方案的有益效果为：

所述效率提升优化结构网络不仅可实现各光伏组件与共用直流能量总线之间能量双向传输，而且可以实现各光伏组件一对一、多对一、多对多的能量交换，系统工作效率得到明显的提升，降低能量损耗；

所述效率提升最优控制方法不仅实现局部遮挡情况下多光伏组件不匹配功率之间的重分配，输出总电流由未被遮挡的光伏组件经功率变换器传输电流给局部遮挡的光伏组件而得到补偿，且通过使功率变换器能量损失最小化，整个系统的效率得到较大的提升，能量损失降到最低。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明效率提升优化结构网络图；

图2是本发明增强型Cúk双向功率变换器电路；

图3是本发明增强型Cúk双向功率变换器电路工作波形示意图；

图4为本发明增强型Cúk双向功率变换器电路两个工作阶段示意图；

图5为本发明增强型Cúk双向功率变换器电路对应等效电路两个工作阶段示意图；

图6是本发明三光伏组件示例；

图7是本发明示例各光伏组件光照以及功率示意图；

图8是本发明控制流程框图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提出了一种局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，各光伏组件和对应的双向功率变换器组成一个处理子模块，一端侧各光伏组件串联后接负载，另一端侧各子模块并联共用直流能量总线；所述双向隔离式功率变换电路以增强型Cúk双向变换器为例，并以三块光伏组件为示例，分析设计并建立效率提升最优线性模型。

图1为局部遮挡条件下光伏组件效率提升优化结构网络，多光伏组件以串联形式连接，其中组件个数为N，且N大于等于2，每个组件连接与之相对应的双向功率变换器，所述功率变换器连接控制器，所述每个光伏组件连接一个功率变换器，所述每个功率变换器连接一个控制器，所述光伏组件、功率变换器和控制器之间一一对应，所述N个光伏组件经对应的功率变换器后并联共用直流能量总线。

所述结构网络具有易于模块化扩展的优势，光伏组件串联进阵列容易实现，另只需在串联加入的光伏组件后接对应的功率变换电路以及控制器，且所述功率变换电路以及控制器的任何参数不用作修改；另外所述结构网络不仅可实现各光伏组件与共用直流能量总线之间能量双向传输，而且可以实现各光伏组件一对一、多对一、多对多的能量交换，系统工作效率得到明显的提升，降低能量损耗。

所述增强型Cúk功率变换电路如图2所示，其关键在于，包括第一电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一场效应管、第二场效应管。

所述第一电感一端连接输入端正极和第一电容一端，另一端连接第三电容一端和第一场效应管漏极，所述第一场效应管源极连接输入电源负极、第一电容另一端和第四电容另一端，所述第四电容另一端连接第二场效应管漏极和第四电感一端，所述第二场效应管源极连接输出端负极、第二电容一端和第三电容另一端，所述第四电感另一端连接输出端正极和第二电容另一端。

所述增强型Cúk功率变换电路，优选的，还包括：第二电感和第三电感，

所述第二电感一端连接输入端负极和第一电容另一端，另一端连接第一场效应管源极和第四电容一端；所述第三电感一端连接第二场效应管漏极和第三电容另一端，另一端连接输出端负极和第二电容一端。

增强型Cúk功率变换电路工作在连续导通模式(CCM)，电感L₁,L₂,L₃,L₄始终有电流，不会出现电感电流在一个周期结束前就下降到零并一直保持到周期结束的情况，图3是在一个开关周期内，所述第一电感电流i₁、第三电感电流i₂和第三电容电压u₃变化波形。

为方便分析，将第一电容C₁替换为电容C_in，第二电容C₂替换为C_out，第三电容C₃和第四电容C₄分别替换为第一电容C₁和第二电容C₂。

图4为增强型Cúk功率变换电路当能量从光伏组件处往共用直流能量总线处传输的两个工作阶段，虚线为电流方向。

图4(a)为当第一场效应管Q₁闭合、第二场效应管Q₂关断时的第一阶段。

图4(b)则为当第二场效应管Q₂闭合、第一场效应管Q₁关断时的第二阶段。

根据场效应管工作状态时电流走向，可以得到增强型Cúk功率变换电路简化后的等效电路，由图5给出。

其中：

在第一阶段中，电感L_p从光伏组件处储存能量，电容C为共用直流能量总线提供能量，可以得到其动态方程组为：

在第二阶段中，电容C从光伏组件和电感L_p处吸取能量，电感L_o由于续流为共用直流能量总线提供能量，可以得到其动态方程组为：

在第二阶段中，假设通过场效应管Q_i2的电流(为电流i_li和i_ri的和)可能为负，导致此电流反向偏置，将降低功率变换电路的工作效率，因此，根据能量守恒定律和安秒平衡定律推导出可以使通过Q_i2的电流为正的同步条件：

式中，I_li为i_li在稳态时的平均电流，T为场效应管开关周期，D_i1为第一场效应管Q_i1的占空比。

增强型Cúk功率变换电路的输入输出方程为：

上述技术方案的优点为：

所述增强型Cúk功率变换电路中第一电容C₁和第二电容C₂既作为能量传输的媒介，又起到电路两端隔离的作用，相比较其他采用变压器等方案，降低了变换器体积；所述场效应管开关工作于互补导通状态，提高了电路工作效率。

为方便分析并建立效率提升最优线性模型，现以三块光伏组件为示例。

图6是三块光伏组件示例；

图7是示例中各光伏组件光照以及功率示意图；

通过功率变换电路从正常的光伏组件向遮挡组件补偿电流，目的是匹配各组件的功率使效率提高，在三块组件示例下：

G₁+l₁p₁＝G₂+l₂p₂＝G₃+l₃p₃，

式中，G_i为第i块光伏组件在对应光照条件下产生的功率，p_i为第i个功率变换电路处理功率，l_i为决定p_i功率流方向的系数值，这里i取1,2,3。

各光伏组件接收光照强度情况分别是1000W/m²、500W/m²以及200W/m²，因而光伏组件在对应光照条件下产生的功率之间的关系为：

G₁＞G₂＞G₃。

功率流决策变量在示例中为p_1,1、p_1,2、p_2,1、p_2,2、p_3,1、p_3,2,由于功率流决策变量满足条件p_i,1·p_i,2＝0，即功率变换器只能往一个方向传输能量，因此一组功率流决策变量中只存在其一，且都大于等于0。

同时，三功率变换器的功率流决策变量也满足：

p_1,1-p_1,2+p_2,1-p_2,2+p_3,1-p_3,2＝0，

在实际应用中，电路元件一般都会有能量损失，因此功率变换器转换效率不可能为理想的100％。若各功率变换器的双向效率值分别为η_1,1、η_1,2、η_2,1、η_2,2、η_3,1和η_3,2。

同样，(η_i,1|η_i,2)∈(0,1),i＝1,2,3，

根据各双向效率值以及功率流决策变量可以表示出整个效率提升优化结构能量损失：

建立效率提升优化结构网络的最优策略即最优线性模型，在此优化模型中，目标函数表示为：

受限于下列约束条件：

0≤p₁|p₂|p₃≤P^m，

p_1,1-p_1,2+p_2,1-p_2,2+p_3,1-p_3,2＝0，

G₁+l₁p₁＝G₂+l₂p₂＝G₃+l₃p₃，

其中最大功率流P^m由电路中元器件最大承受功率应力所决定，限制功率变换器最大传输功率值。

上述技术方案的有益效果为：

所述结构网络不仅可实现各光伏组件与共用直流能量总线之间能量双向传输，而且可以实现各光伏组件一对一、多对一、多对多的能量交换，系统工作效率得到明显的提升，降低能量损耗。

所述效率提升最优控制方法不仅实现局部遮挡情况下多光伏组件不匹配功率之间的重分配，输出总电流由未被遮挡的光伏组件经功率变换器传输电流给局部遮挡的光伏组件而得到补偿，且使功率变换器能量损失最小化，整个系统的效率得到较大的提升，能量损失降到最低。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，包括：

步骤1，利用双向功率变换器建立局部遮挡条件下多光伏组件效率优化结构网络；

步骤2，分析效率优化结构网络功率处理策略；

步骤3，确定目标函数以及约束条件，建立最优线性模型，在实现各光伏组件功率重分配的基础上，使双向功率变换器能量损失最小化，提高总体能量效率；

所述步骤3包括：

步骤3-1，分析双向功率变换器能量损失过程；

所述步骤3-1包括：

引入p_i,1、p_i,2两个变量表示为：

其中，p_i,1代表经由双向功率变换器从共用直流能量总线流向光伏组件PV_i的功率流，p_i,2代表经由双向功率变换器从光伏组件PV_i流向共用直流能量总线的功率流，p_i为通过第i个光伏组件后接双向功率变换器功率流且满足：

p_i,1·p_i,2＝0，

流经双向功率变换器的功率流只存在一个方向的情况，p_i,1和p_i,2只存在其一有值的情况，且大于等于零，

η_i,1、η_i,2分别是功率流经由双向功率变换器从共用直流能量总线流向光伏组件PV_i和经由双向功率变换器从光伏组件PV_i流向共用直流能量总线的效率值，其范围为0到1,因此第i组效率优化结构网络能量损失表示为:

T为场效应管开关周期；

步骤3-2，确定目标函数以及约束条件，建立最优线性模型，使能量损失最小化，提高能量输出效率。

2.根据权利要求1所述的局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：

多光伏组件以串联形式连接，其中光伏组件个数为N，且N大于等于2，每个光伏组件连接与之相对应的双向功率变换器，所述双向功率变换器连接控制器，所述每个光伏组件连接一个双向功率变换器，每个所述双向功率变换器连接一个控制器，所述光伏组件、双向功率变换器和控制器之间一一对应，N个光伏组件经对应的双向功率变换器后并联共用直流能量总线。

3.根据权利要求2所述的局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，其特征在于，所述双向功率变换器包括：

双向功率变换器实现能量的双向传输，包括非隔离式双向功率变换器和隔离式双向功率变换器，所述非隔离式双向功率变换器包括Buck-Boost、Cúk变换器；所述隔离式双向功率变换器包括Flyback、Forward、Half-Bridge、Push-Pull、Full-Bridge变换器，且不同形式的隔离式功率变换器可组合成隔离式双向功率变换器。

4.根据权利要求2所述的局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，其特征在于，所述控制器包括：

效率提升最优控制器，所述效率提升最优控制器输入各光伏组件功率、双向功率变换器效率信息，利用所述效率提升最优控制器输入信息建立最优化线性模型，确定目标函数以及相关约束条件，使双向功率变换器的能量损失最小化，输出作用于双向功率变换器电子开关。

5.根据权利要求1所述的局部遮挡情况下多光伏组件效率提升的最优控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

利用所述效率提升优化结构网络，各双向功率变换器只需处理光伏组件之间一部分不匹配的功率来平衡各光伏组件，提取整个系统的可用功率的工作旨在平衡各光伏组件干路上的电流，未被遮挡的光伏组件向局部被遮挡的光伏组件处补偿能量，即实现光伏组件之间的功率平衡；

P_i为通过第i个光伏组件后接双向功率变换器功率流，假设P_i为负，即功率流经由双向功率变换器从光伏组件PV_i流向共用直流能量总线，假设P_i为正，即功率流经由双向功率变换器从共用直流能量总线流向光伏组件PV_i；功率流P_i的正负代表功率传输的方向，双向功率流满足平衡条件：

式中N为光伏组件个数；

G_i为第i块光伏组件在对应光照条件下产生的功率，若第i块光伏组件出现局部遮挡的情况时，其他组件光照正常，则

G₁＝G₂＝…＝G_i-1＝G_i+1＝G_N＞G_i,i＝1,2…N，

通过双向功率变换器从正常的光伏组件向遮挡的光伏组件补偿电流，目的是匹配各光伏组件的功率使效率提高，即:

G₁+P₁＝G₂+P₂＝…＝G_i+P_i＝…＝G_N+P_N,i＝1,2…N。