CN108897368B - 一种适用于部分遮挡条件下的多峰mppt方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏发电领域，具体是一种适用于部分遮挡条件下的光伏阵列多峰最大功率点追踪方法。包括以下步骤：在开路电压范围内，按1V的步长采集光伏模块的电压值，同时采集对应的电流值，并计算出功率。调用测度算法，对光伏阵列的全局最大功率点所对应的电压和功率进行追踪；之后判断部分遮挡情况是否发生变化，当功率变化

时，说明部分遮挡条件发生变化，重新采样计算

测度，如果没有改变，保持在该工作电压继续运行。本发明的提出是基于

测度算法能反映信号极值点的结构，并能准确的搜寻到极值点的特点，用来解决光伏阵列在部分遮挡条件下

曲线出现的多峰现象时的全局最大功率点追踪问题。避免了陷入局部极值点，提高了算法的精度与稳定性。

Description

一种适用于部分遮挡条件下的多峰MPPT方法

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，具体是一种适用于部分遮挡条件下的多峰MPPT方法。

背景技术

由于能源危机和环境污染，近年来对可再生能源的关注有所增加。其中，光伏发电具有清洁，占地面积小，安装便捷等优势，成为解决环境污染和化石资源枯竭的有效方式之一。然而，光伏阵列有输出效率低，输出特性为非线性的缺点。为了提高效率就必须控制光伏阵列工作在最大功率输出状态。因此，最大功率点跟踪(maximum power pointtracking，MPPT)技术尤为重要。传统MPPT技术包括：固定电压法，电导增量法，扰动观察(P&O)等。

在实际运用中，经常会发生部分光伏模块被云朵、高楼、树荫等遮挡的现象，此时阵列受到的光照不均匀，从而使光伏模块的P-U曲线含多个局域峰值点。而传统的MPPT算法只能追踪单一峰值点，可能无法在部分遮挡情况下追踪到全局最大功率点 (globalmaximum power point,GP)。人工智能方法(如神经网络、粒子群法等)对局部阴影情况时有一定效果，但神经网络法对于不同的光伏阵列系统需要进行长时间有针对性的训练；粒子群法可以提高结果的精度，但实现过程较为复杂，且会导致硬件设备成本的增加。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种适用于部分遮挡条件下的多峰MPPT方法。

本发明采取以下技术方案：一种适用于部分遮挡条件下的多峰 MPPT方法，包括以下步骤：

101～在开路电压[0,u_oc]范围内，采集光伏模块的电压值u(k)，同时采集对应的电流值i(k)，并计算出功率：P(u)＝u(k)×i(k)， k＝1～m，式中m为在整个[0,u_oc]内总采样点数；

102～调用Dyn测度算法，对光伏阵列的全局最大功率点所对应的电压和功率进行追踪；

103～保持在全局最大功率点处运行，同时监测功率变化；

104～判断部分遮挡情况是否发生变化，当功率变化ΔP＞ΔP_set时，说明部分遮挡条件发生变化，重新采样计算Dyn测度，返回步骤一。

步骤102中，具体步骤如下，设P(u)在定义区间I＝[a,b]上含有 n个极大值，这里区间I＝[a,b]为开路电压区间[0,u_oc]。

1)确定P(u)曲线上所有极大值点的位置，即电压u_i，i＝1～n；

2)在极大值点u_i的两侧追踪离该点最近的等高点的位置；

3)在该极大值点u_i到两侧等高点的区间内找到各自的功率最小值，分别与该点的功率值P(u_i)相减，功率差值较小者为该点的Dyn测度值，即D_yn(u_i)；

4)如果只有一侧有等高点，则该侧的功率差值作为该点的Dyn测度值；如果两侧都没有等高点，则该点的动态测度值定义为该点的功率值；

5)返回2)，求取所有极大值点的Dyn测度值；

6)将以上求出的所有的Dyn测度值进行比较，Dyn测度值最大值点就是全局最大功率点u_M，其对应的功率值P(u_M)为全局最大功率值，即：D_yn(u_M)＝max(D_yn(u_i))。

步骤104中，功率变化的ΔP的计算公式为：

ΔP＝P_k+1-P_k

式中，P_k和P_k+1为光伏系统保持在全局最大功率点电压运行后相邻的两点的功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明针对部分遮挡条件下光伏阵列的输出特性，提出了基于Dyn测度的光伏阵列多峰 MPPT算法。根据动态测度能够反映信号极值点的结构，并能准确的搜寻到极值点的特点，将其应用到光伏阵列多峰MPPT算法中，避免了陷入局部极值点导致输出功率损失，提高了算法的精度与稳定性。

附图说明

图1为路径Dyn测度；

图2为极大值点的Dyn测度；

图3为本发明的总体流程图；

图4为图3中基于Dyn测度的光伏阵列多峰MPPT算法具体流程图；

图5为光伏组件遮挡情况；

图6为对应图5中(b)的P-U曲线图；

图7为图6中对应的动态测度；

图8为对应图5中(c)的P-U曲线图；

图9为图8中对应的动态测度；

图10为对应图5中(d)的P-U曲线图；

图11为图10中对应的动态测度；

图12为在遮挡条件变化的情况下，基于Dyn测度的多峰MPPT算法和传统MPPT算法的电压曲线比较图；

图13为在遮挡条件变化的情况下，基于Dyn测度的多峰MPPT算法和传统MPPT算法的功率追踪曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图3、图4所示，一种光伏阵列多峰最大功率群搜索优化跟踪方法，包括以下步骤：

步骤一、在开路电压范围内，采集光伏模块的电压值，同时采集对应的电流值，并计算出功率；

步骤二、调用Dyn测度算法，对光伏阵列的全局最大功率点所对应的电压和功率进行追踪，其中具体包括：

用P-U曲线代替f(x)信号曲线，设P(u)在定义区间I＝[a,b]上含有n个极大值，这里区间I＝[a,b]为开路电压区间[0,u_oc]。

(1)确定P(u)曲线上所有极大值点的位置(即电压u_i，i＝1～n)；

(2)在极大值点u_i的两侧追踪离该点最近的等高点的位置；

(3)在该极大值点u_i到两侧等高点的区间内找到各自的功率最小值，分别与该点的功率值P(u_i)相减，功率差值较小者为该点的Dyn测度值，即D_yn(u_i)；

(4)如果只有一侧有等高点，则该侧的功率差值作为该点的Dyn测度值；如果两侧都没有等高点，则该点的动态测度值定义为该点的功率值；

(5)返回(2)，求取所有极大值点的Dyn测度值；

(6)将以上求出的所有的Dyn测度值进行比较，Dyn测度值最大值点就是全局最大功率点u_M，其对应的功率值P(u_M)为全局最大功率值，即：

D_yn(u_M)＝max(D_yn(u_i))；

步骤三、保持在全局最大功率点处运行，同时监测功率变化；

步骤四、判断部分遮挡情况是否发生变化，当功率变化ΔP＞ΔP_set时，说明部分遮挡条件发生变化，重新采样计算Dyn测度，返回步骤一。功率变化的ΔP的计算公式为：

ΔP＝P_k+1-P_k

式中，P_k和P_k+1为光伏系统保持在全局最大功率点电压运行后相邻的两点的功率，本文中设置ΔP_set＝100W。

本发明实施例如下：

为验证上述算法，在Matlab环境下建立由4个相同的光伏组件串联而成的光伏阵列和基于Dyn测度算法的多峰MPPT控制模型。光伏组件采用英利公司生产的单晶硅太阳能电池板，其型号为 YL-LW235，在标准测试条件(温度t＝25℃，光照强度S＝1000W/m²) 下，光伏组件的标称参数如下：组件开路电压U_oc＝37.2V，组件短路电流I_sc＝8.54A，最大功率点工作电压U_m＝29.6V，最大功率点工作电流I_m＝8A，最大功率P_m＝235W。

仿真的遮挡情况如图5所示，图5(a)所有模块阵列的光照强度都为1000W/m²；(b)M1、M2和M3的光照强度为600W/m²,M4为1000 W/m²；(c)M1的光照强度为200W/m²,M2为600W/m²,M3和M4为1000 W/m²；(d)M1的光照强度为200W/m²,M2为600W/m²,M3为800W/m², M4为1000W/m²。

如图6～图11所示对应的图5中(b)-(d)所示不同遮挡条件下的 P-U曲线和其对应的动态测度。从图中可以看出，Dyn测度算法能准确地追踪到所有的局部峰值点，同时发现GP的Dyn测度值比其他局部峰值点的Dyn测度值大很多，且GP的Dyn测度值还等于全局最大功率值。通过比较追踪到这个最大的动态测度点，可以直接追踪到 GP电压，同时计算出全局最大功率值。

如图12和图13所示，为本发明在遮挡条件变化的情况下，将基于Dyn测度的多峰MPPT算法和传统MPPT算法的电压和功率追踪曲线作比较，图中遮挡情况按图5中(a)→(b)→(c)→(d)的顺序变化，每种情况持续1s。

0-1s内，光伏阵列如图5(a)所示没有被遮挡，本发明算法和传统MPPT算法分别在0.11s和0.48s追踪到实际的最大功率点；实际 GP电压为123.2V，本发明算法追踪到的GP电压123V，相差0.2V。实际的GP功率值为959.71W，本发明算法追踪到的GP功率值为 958.73W，误差为0.113％。

1-2s内光伏阵列的遮挡方式如图5(b)所示，其P-U曲线如图6 所示。GP在第一个局部峰值点处，所以这段时间内，两种算法依然可以追踪到最大功率点，分别用时0.092s和0.24s；实际GP电压为 91.9V，本发明算法追踪到的GP电压92V，相差0.1V。实际的GP功率值为715.72W，本发明算法追踪到的GP功率值为714.91W，误差为 0.112％。

在3-4s和4-5s时间段内，此时的P-U曲线如图8和图10所示， GP不在第一个局部峰值点的位置，传统的MPPT算法只能追踪到第一个局部极值点，从而导致输出功率大大减小，追踪到的功率分别为 237.91W和237.82W，而在这段时间内，与实际的功率值454.39W和320.73W相差217.02W和82.91W，功率损失高达47.7％和25.8％；本发明算法能够在2.13s和3.091s时准确的找到GP，追踪到的GP功率值为454.39W和320.36W，误差为0.105％和0.115％。光伏模型的平均输出效率可达到99.88％。

综上所述，本发明算法不但能更短时间内追踪到GP，而且在多峰情况下以更小的误差追踪到GP，不会陷入局部峰值点，不会出现传统MPPT算法在GP点功率震荡的现象。

动态(Dynamics,Dyn)测度是基于地质学提出的一种极值点评价测度，该测度能反映信号极值点的结构，并能准确的搜寻到极值点。其具体特性为：

设f(x)为任意随x变化的信号，且f(x)≥0，可以将各点的采样值看作是高度。

定义1两点之间的路径：

设m,n为f(x)上两个不同的点，则f(x)上这两点间的曲线称为路径P(m,n)即

P(m,n)＝(p₁,p₂…,p_N) (1)

式中：p₁为m；p_N为n；并且

p_i和p_i+1为相邻的两点。

定义2路径的Dyn测度：

路径P(m,n)的Dyn测度定义为P(m,n)上最大值点和最小值点的高度差，如图1所示，即

D_yn[P(m,n)]＝{s_up(|h_alt(p_i)-h_alt(p_j)|)；p_i,p_j∈P(m,n)} (2)

式中：s_up表示上确界；h_alt表示高度。

定义3极大值点的Dyn测度：

设A为f(x)的一个极大值点，如果存在比A点更高的极大值点时，则极大值点A的Dyn测度等于由点A通向同高度点的所有路径 Dyn测度中的最小值。

D_yn(A)＝{i_nf{D_yn[P(A,B)]}；h_alt(A)＝h_alt(B)} (3)

式中：i_nf表示下确界，h_alt表示高度。

如图2所示，极大值点A两侧各有一个或多个比点A更高的极大值点时，则点A两侧会存在两个点B1和B2与点A等高。由点A到点B1的路径记为L1，由点A到点B2的路径记为L2。极大值点A 的Dyn测度等于路径L1的Dyn测度和路径L2的Dyn测度中的最小值。图2中路径L2的Dyn测度小于路径L1的Dyn测度，所以极大值点A 的Dyn测度应该等于路径L2的Dyn测度。即

D_yn(A)＝min(D_yn(L₁),D_yn(L₂))＝D_yn(L₂) (4)

并且极大值点A的Dyn测度与路径L1或路径L2的长度无关。如果极大值点A只有一侧有比点A更高的点时，这时只存在路径L1 或路径L2，则极大值点A的Dyn测度等于路径L1或路径L2的Dyn测度。若点A为信号的最大值点时，设置其Dyn测度等于信号最大值点和最小值点的高度差。因此，最大值点的Dyn测度比其它极大值点的 Dyn测度都大(这一特点有助于我们在多个局部峰值点之中找出全局最大峰值点)。

Claims (2)

1.一种适用于部分遮挡条件下的光伏阵列多峰最大功率点追踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

101～在开路电压[0,u_oc]范围内，采集光伏模块的电压值u(k)，同时采集对应的电流值i(k)，并计算出功率：P(u)＝u(k)×i(k)，k＝1～m，式中m为在整个[0,u_oc]内总采样点数；

102～调用Dyn测度算法，对光伏阵列的全局最大功率点所对应的电压和功率进行追踪；具体步骤如下，设P(u)在定义区间I＝[a,b]上含有n个极大值，这里区间I＝[a,b]为开路电压区间[0,u_oc]；

1)确定P(u)曲线上所有极大值点的位置，即电压u_i，i＝1～n；

2)在极大值点u_i的两侧追踪离该点最近的等高点的位置；

3)在该极大值点u_i到两侧等高点的区间内找到各自的功率最小值，分别与该点的功率值P(u_i)相减，功率差值较小者为该点的Dyn测度值，即D_yn(u_i)；

4)如果只有一侧有等高点，则该侧的功率差值作为该点的Dyn测度值；如果两侧都没有等高点，则该点的动态测度值定义为该点的功率值；

5)返回2)，求取所有极大值点的Dyn测度值；

6)将以上求出的所有的Dyn测度值进行比较，Dyn测度值最大值点就是全局最大功率点u_M，其对应的功率值P(u_M)为全局最大功率值，即：D_yn(u_M)＝max(D_yn(u_i))；

103～保持在全局最大功率点处运行，同时监测功率变化；

104～判断部分遮挡情况是否发生变化，当功率变化ΔP＞ΔP_set时，说明部分遮挡条件发生变化，重新采样计算Dyn测度，返回步骤101。

2.根据权利要求1所述的一种适用于部分遮挡条件下的光伏阵列多峰最大功率点追踪方法，其特征在于：步骤104中，功率变化的ΔP的计算公式为：

ΔP＝P_k+1-P_k

式中，P_k和P_k+1为光伏系统保持在全局最大功率点电压运行后相邻的两点的功率。

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