CN107168447B - 一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值mppt方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法,通过把光伏方阵信息作为逆变器控制参数，实现阴影实时监测，准确有效判断阴影变化，采用分段定步长点到增量法作为全局最大功率点扫描算法进行最大功率初步扫描，完成初步扫描后采用分段变步长电导增量法对全局最大功率进行精确跟踪。本发明方法具有较高的功率波动敏感度，能排除无阴影情况的太阳辐照波动，避免无阴影时功率波动对全局最大功率点扫描算法的触发,能够提高扫描效率，快速、稳定、精确地实现无阴影的最大功率点跟踪，并结合全局最大功率点扫描算法提高阴影下的最大功率点跟踪效率。

Description

一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法

技术领域

本发明涉及光伏发电系统领域，具体涉及一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法。

背景技术

最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)控制是DC/DC或DC/AC变流器中使光伏组件工作在最大功率点的控制方式，使光伏阵列输出功率最大，保证光伏发电系统具有较高的效率。在太阳辐照和温度均匀的情况下，光伏组件存在如图1所示的P-V(功率-电压)特性曲线，由光伏组件串并联组成的光伏阵列也存在相同的输出特性曲线。在无阴影情况下，光伏逆变器的最大跟踪效率能达到99％，但当出现阴影遮挡和温度不均匀时，P-V曲线将出现图2所示的多峰值情况。采用扰动观察法、电导增量法、爬山法等传统的MPPT算法，将会陷入P-V曲线最右侧的极值点。而通常最右侧的极值点并不一定为最大功率点，这将导致光伏系统发电量大大降低。因此MPPT效率是决定光伏逆变器发电量最重要的因素，其对发电量的影响远远超过了光伏逆变器的转换效率。

为解决传统MPPT方法在光伏输出多峰值情况下极易陷入局部极值点，不能找到最大功率值的问题，有人提出利用粒子群等智能算法进行全面扫描，确定最大功率点的大概位置后再利用传统的MPPT方法就近搜索；也有人根据光伏最大功率点电压规律，提出特定电压范围进行扫描的方法。这些方法虽然能够准确找到最大功率点，但其启动最大功率点扫描算法时所依据的瞬态功率波动和稳态功率波动的幅值较大，并且不对单峰值情况与多峰值情况进行区分，在出现多峰值时功率波动过小将不能触发扫描算法，并且在单峰值时功率波动过大将触发算法，这将造成多峰值MPPT算法效率的下降。

发明内容

本发明的目的在于解决阴影下光伏逆变器对光伏阵列多峰值输出的全局最大功率点跟踪问题，提出一种多峰值算法触发方法，提高光伏逆变器在阴影条件和无阴影条件下MPPT跟踪效率。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明还公开一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，包括步骤如下：

步骤1，初始化光伏逆变器最大功率点跟踪控制参数；

步骤2，使用分段变步长电导增量法跟踪光伏阵列的最大功率点电压与光伏逆变器工作电压，并判断光伏逆变器是否进入稳态；

步骤3，当判断光伏逆变器进入稳态，且其瞬时功率波动大于功率阈值，则采用阴影判断法监视光伏阵列阴影情况是否发生改变；

步骤4，若阴影情况发生改变，则对光伏阵列实行全局最大功率点扫描，使光伏阵列输出电压从大到小，在给定最大功率点电压值附近采用分段定步长电导增量法进行扫描，直到满足扫描终止条件，确定全局最大功率点；

步骤5，完成一次全局最大功率点扫描后，进入稳态，在全局最大功率点处采用分段变步长电导增量法跟踪光伏阵列的全局最大功率点，循环进入步骤3。

进一步，所述步骤1的逆变器最大功率点跟踪控制参数包括光伏阵列中光伏组件信息、串联光伏组件数和光伏阵列电气参数；

进一步，步骤2所述的分段变步长电导增量法实现跟踪的具体方法如下：

步骤21，判断当前光伏逆变器工作电压与最大功率点电压的位置，确定当前电压在最大功率点电压的左侧还是右侧，并记录该位置；

步骤22，根据当前功率选择分段占空比调整步长ΔD_λ，并计算步长调整系数k；

步骤23，根据当前时间t下的工作电压所在位置更新占空比：D_t＝D_t-1+k_tΔD_λ,t，若接近极值点附近，则微调占空比D_t。

进一步，所述步长调整系数k的计算方法为：步长调整系数k默认为1，当时，其中位置符号K取值为1或-1,取-1表示在最大功率点左侧，取1表示在最大功率点右侧，I和dI分别为光伏阵列输出电流及其差分，V和dV分别为光伏阵列输出电压及其差分，a，b为给定系数。

进一步，步骤3所述功率阈值为0.01P_m。

进一步，步骤3所述的阴影判断法包括如下步骤：

步骤31，判断光伏逆变器当前是否处于稳态最大功率点跟踪工况，若处于稳态工况，且瞬态功率波动>0.01P_m，则进入阴影判断；

步骤32，阴影判断采用两个判断依据，满足其一则判断为存在阴影，第一个依据为当前光伏逆变器输入电压与无阴影时的最大功率点电压差值ΔV；第二个依据为光伏逆变器输入电流和最大功率点电流比值f₁，以及当前功率和最大功率的比值f₂；

步骤33，若存在阴影，判断阴影是否发生变化，若f₁和f₂瞬态变化量均小于设定阈值，则阴影未发生变化，不进入全局最大功率点扫描步骤，若存在阴影并且阴影发生变化，则进入步骤4。

进一步，步骤4所述的全局最大功率点扫描包括如下步骤：

步骤41,设定搜索起始电压V_s为光伏阵列最大功率点电压V_m，使光伏阵列输出电压从大到小，采用分段定步长电导增量法进行粗搜索，若找到局部最大功率点，则记录最大功率及其对应的占空比；

步骤42，找到一个局部极值点后，记录最大功率及其对应的占空比，设定下一个起始搜索电压，计算所对应的占空比，输出占空比；

步骤43，继续进行粗搜索直到触发搜索终止条件，输出全局最大功率所对应的占空比，进入步骤5。

本发明的一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明所采用的阴影判断步骤能够有效判断阴影变化情况，灵敏度高(能够实现0.01P_m的功率变化检测)，判断准确，能够高效启动全局最大功率点扫描算法，提高光伏逆变器发电效率。

2.本发明所采用全局最大功率点扫描步骤，搜索时所给定的扫描初始电压与局部最大功率点相近，并采用电压从大到小的搜索方向和搜索终止判断，均能提高搜索效率。

3.本发明采用分段定步长和分段变步长电导增量法相结合，能够快速动态寻找全局最大功率点，并提高稳态最大功率点跟踪效率。

附图说明

图1为无阴影条件下光伏阵列的功率-电压曲线图；

图2为阴影条件下光伏阵列的功率-电压曲线图；

图3为本发明的一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法所应用的光伏系统结构图；

图4为本发明的一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法的步骤图；

图5为本发明的一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法的流程图；

图6为本发明的一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法在突变阴影条件下的最大功率点跟踪结果图；

图7为本发明的一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法在渐变阴影条件下的最大功率点跟踪结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

参看图3至图5，本发明方法可用于单级和双级并网逆变器，这里以双级并网逆变器为例进行说明，采用双级并网逆变器的光伏系统结构如图3所示。图4和图5分别为本发明方法的步骤图和流程图；本发明主要针对光伏阵列在阴影下，因各串联光伏组件输出特性不匹配而呈多峰曲线，采用阴影实时监测判断步骤实现阴影准确、灵敏判断，并采用分段定步长电导增量法在阴影发生变化后快速搜索到最大功率点，搜索结束后采用分段变步长电导增量法对最大功率点精确跟踪，实现阴影下光伏阵列的全局最大功率点跟踪。

作为本发明的一个实施例，一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，其公开如下：

步骤1，初始化光伏逆变器最大功率点跟踪控制参数；

步骤2，使用分段变步长电导增量法跟踪光伏阵列的最大功率点电压与光伏逆变器工作电压，并判断光伏逆变器是否进入稳态；

步骤3，当判断光伏逆变器进入稳态，且其瞬时功率波动大于功率阈值，则采用阴影判断法监视光伏阵列阴影情况是否发生改变；

步骤4，若阴影情况发生改变，则对光伏阵列实行全局最大功率点扫描，使光伏阵列输出电压从大到小，在给定最大功率点电压值附近采用分段定步长电导增量法进行扫描，直到满足扫描终止条件，确定全局最大功率点；

步骤5，完成一次全局最大功率点扫描后，进入稳态，在全局最大功率点处采用分段变步长电导增量法跟踪光伏阵列的全局最大功率点，循环进入步骤3。

为了便于说明本发明方法的具体实施步骤，上述方法具体实施例如下：

步骤1、初始化逆变器最大功率点跟踪控制参数，即设置逆变器参数，其包括光伏阵列中光伏组件信息、串联光伏组件数n和光伏阵列电气参数。所述光伏组件信息包括有功率温度系数γ_m，电压温度系数β_oc，串联电池数N_s，所述光伏阵列电气参数包括有最大功率点电压V_m、最大功率点电流I_m和最大功率P_m。

步骤2、光伏逆变器启动和稳态运行时采用分段变步长电导增量法。判断当前逆变器工作电压与最大功率点电压的位置，如果则在最大功率点左侧，位置符号K＝1，如果则在最大功率点右侧，K＝-1，其中I和dI分别为光伏阵列输出电流及其差分，V和dV分别为光伏阵列输出电压及其差分，a，b为给定系数；根据数值，分段选择占空比调整步长ΔD_λ；计算步长调整系数k，默认为1，当时，其中a，b为给定系数；更新占空比，根据当前时刻位置符号K_t和前一时刻位置符号K_t-1关系选择计算方式进行粗调和微调，若K_tK_t-1＞0，则D_t＝D_t-1+k_tΔD_λ,t，若K_tK_t-1＜0，则在极值点附近微调占空比，设定占空比调整量ΔD_t＝-ΔD_t-1/2，D_t＝D_t-1+ΔD_t。

步骤3、判断逆变器当前是否处于稳态，运行在功率局部极值点，若处于稳态工况，且瞬态功率波动>功率阈值，在本实施例中优选功率阈值为0.01P_m，则进入阴影判断。阴影判断采用以下两个判断依据，满足其一则为存在阴影：

第一个依据为当前逆变器输入电压与无阴影时的最大功率点电压差值ΔV，其中V_mx为根据当前电压范围判断的无阴影下最大功率点电压，T为无阴影情况下的根据功率计算的温度，V_in和I_in分别为光伏逆变器输入直流电压和电流，若ΔV＞D，则存在阴影，其中D为根据光伏阵列电压设定的阈值；

第二个依据为光伏逆变器输入电流和最大功率点电流比值f₁，f₁＝I_in/I_m，以及当前功率和最大功率的比值f₂，f₂＝V_inI_in/(I_mV_m)，若|f₁-f₂|＞0.1f₂，则存在阴影。

若存在阴影，判断阴影是否发生变化，若f₁和f₂瞬态变化量均小于0.1，则阴影未发生变化，不进入全局最大功率点扫描步骤，若存在阴影并且阴影发生变化，则进入全局最大功率点扫描阶段。

步骤4、进行全局最大功率点扫描时，使光伏阵列输出电压从n个串联光伏组件均工作的无阴影最大功率点电压开始，采用分段定步长电导增量法进行粗搜索，若找到局部最大功率点，则记录最大功率及其对应的占空比。使n减小，输出n减小后的无阴影最大功率点电压所对应的占空比，继续采用定步长电导增量法进行粗搜索，更新最大功率及其对应的占空比，直到逆变器输入电压超出逆变器输入电压范围或者n＝n-1时无阴影最大功率比当前最大功率小。搜索完毕后，输出全局最大功率所对应的占空比。

步骤5、完成一次全局最大功率点扫描后，在全局最大功率点处采用分段变步长电导增量法跟踪光伏阵列的全局最大功率点，进入稳态，实时监测阴影变化，等待下一次触发阴影判断。

按照以上控制步骤，以双级并网光伏逆变器为例，利用Matlab/simulink搭建100kWp双级并网光伏系统仿真模型，将光伏阵列分为4组，每组辐照均匀，以瞬变和渐变两种辐照变化为例进行仿真，本发明最大功率点跟踪结果分别如图6和图7所示，其功率的变化均能实时的跟踪两种辐照变化情况。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法,其特征在于，包括步骤如下：

步骤1，初始化光伏逆变器最大功率点跟踪控制参数；

步骤2，使用分段变步长电导增量法跟踪光伏阵列的最大功率点电压与光伏逆变器工作电压，并判断光伏逆变器是否进入稳态；

步骤3，当判断光伏逆变器进入稳态，且其瞬态功率波动大于功率阈值，则采用阴影判断法监视光伏阵列阴影情况是否发生改变；

步骤4，若阴影情况发生改变，则对光伏阵列实行全局最大功率点扫描，使光伏阵列输出电压从大到小，在给定最大功率点电压值附近采用分段定步长电导增量法进行扫描，直到满足扫描终止条件，确定全局最大功率点；

步骤5，完成一次全局最大功率点扫描后，进入稳态，在全局最大功率点处采用分段变步长电导增量法跟踪光伏阵列的全局最大功率点，循环进入步骤3。

2.根据权利要求1所述的基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，其特征在于，所述步骤1的光伏逆变器最大功率点跟踪控制参数包括光伏阵列中光伏组件信息、串联光伏组件数和光伏阵列电气参数。

3.根据权利要求2所述的基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，其特征在于，步骤2所述的分段变步长电导增量法实现跟踪的具体方法如下：

步骤21，判断当前光伏逆变器工作电压与最大功率点电压的位置，确定当前光伏逆变器工作电压在最大功率点电压的左侧还是右侧，并记录该位置；

步骤22，根据当前光伏逆变器功率选择分段占空比调整步长ΔD_λ，并计算步长调整系数k；

步骤23，根据当前时间t下的工作电压所在位置更新占空比：D_t＝D_t-1+k_tΔD_λ,t，若接近极值点附近，则微调占空比D_t；

所述步长调整系数k的计算方法为：步长调整系数k默认为1，当时，其中位置符号K取值为1或-1,取-1表示在最大功率点左侧，取1表示在最大功率点右侧，I和dI分别为光伏阵列输出电流及其差分，V和dV分别为光伏阵列输出电压及其差分，a，b为给定系数。

4.根据权利要求3所述的基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，其特征在于，步骤3所述功率阈值为0.01P_m，其中，P_m为光伏逆变器最大功率。

5.根据权利要求4所述的基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，其特征在于，步骤3所述的阴影判断法包括如下步骤：

步骤31，判断光伏逆变器当前是否处于稳态最大功率点跟踪工况，若处于稳态工况，且瞬态功率波动>0.01P_m，则进入阴影判断；

步骤32，阴影判断采用两个判断依据，满足其一则判断为存在阴影，第一个依据为当前光伏逆变器输入电压与无阴影时的最大功率点电压差值ΔV，其中V_mx为根据当前电压范围判断的无阴影下最大功率点电压，T为无阴影情况下的根据功率计算的温度，V_in和I_in分别为光伏逆变器输入直流电压和电流，V_m和I_m分别为光伏逆变器最大功率点电压和最大功率点电流，若ΔV＞D，则存在阴影，其中D为根据光伏阵列电压设定的阈值；第二个依据为光伏逆变器输入电流和最大功率点电流比值f₁，f₁＝I_in/I_m，以及当前功率和最大功率的比值f₂，f₂＝V_inI_in/(I_mV_m)，若|f₁-f₂|＞0.1f₂，则存在阴影；

步骤33，若存在阴影，判断阴影是否发生变化，若f₁和f₂瞬态变化量均小于设定阈值，则阴影未发生变化，不进入全局最大功率点扫描步骤，若存在阴影并且阴影发生变化，则进入步骤4。

6.根据权利要求3所述的基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法，其特征在于，步骤4所述的全局最大功率点扫描包括如下步骤：

步骤41,设定搜索起始电压V_s为光伏阵列最大功率点电压V_m，使光伏阵列输出电压从大到小，采用分段定步长电导增量法进行粗搜索，若找到局部最大功率点，则记录最大功率及其对应的占空比；

步骤42，找到一个局部极值点后，记录最大功率及其对应的占空比，设定下一个起始搜索电压，计算所对应的占空比，输出占空比；

步骤43，继续进行粗搜索直到触发搜索终止条件，输出全局最大功率所对应的占空比，进入步骤5。