CN108988386A - 基于最小功率追踪算法的光伏子模块功率差额变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于最小功率追踪算法的光伏子模块功率差额变换方法，包括了三个光伏电池组，三个双向反激式开关电源来，一个单向升压电路，负载和LPPT算法。本发明计算每一种情况关于主电路电流和|ΔP|的关系式，把这些公式都结合起来，组成一个完整的横坐标是Istring，纵坐标是|ΔP|的曲线，发现在这条曲线上存在一个点让曲线的斜率从负变成正，这一点就是要寻找的最小功率点，这一点的点流值就是主电路电流的最优值，本发明采用一套最小功率追踪LPPT的方案，能准确快速找到这个最优的工作点位。

Description

基于最小功率追踪算法的光伏子模块功率差额变换方法
技术领域
本发明涉及光伏领域，特别涉及一种基于最小功率追踪算法的光伏子模块功率差额变换方法。
背景技术
太阳能在全球范围内被认为是一种非常重要的可持续能源。在正常的工作情况下，光伏阵列受到温度和光照和影响，其输出电压，功率曲线呈现出非线性的特征。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(Maximum Power Point,MPP)上。利用控制算法来实现光伏电池的最大功率输出的技术被称为最大功率点追踪(MaximumPower Point Tracking,MPPT)。
在实际应用环境中，因为周围物体阴影的遮挡以及太阳能电池的老化会造成光伏阵列的输出效率严重下降，这就是光伏电池的不匹配现象。当出现光伏电池不匹配现象时，其相应的不匹配电池组件不仅无法输出功率，往往还会消耗其他电池产生的能量造成局部过热形成热斑效应。为了防止热斑效应，通常为光伏电池反并旁路二极管。但是于此同时，旁路二极管会造成整个光伏阵列输出的电压，功率曲线呈现“多个最大功率点(MultipleMaximum Power Point,MMPP)”的现象，其中包括一个“全局最大功率点(Global MaximumPower Point,GMPP),和多个“局部最大功率点(Local Maximum Power Points,LMPPs)”，如图1所示。这种现象不利于传统MPPT算法寻找MPP。
分布式最大功率追踪(Distributed Maximum Power Point Tracking,DMPPT)通过单块光伏板连接独立的DC-DC变换器来实现每个光伏板工作在MPP，如图2(a)。缺点是每个DC-DC变换器都需要处理光伏板输出的总能量，因此DC-DC变换器的额定功率增大并且光伏阵列系统的总输出效率依赖于DC-DC变换器的效率。这样会增加硬件部分的设计成本和难度。
功率差值变换(Differential Power Processing，DPP)作为一种子模块级别的结构，可以减轻光伏电池中不匹配导致的能量损失，DPP结构可以控制每一组光伏电池独立地实现MPPT。相比DMPPT结构，DPP结构的最大优点在于每一个DC-DC变换器只需要处理差分功率，而这部分差分功率只是总功率中的一小部分，这样可以保证每个DC-DC变换器地额定功率非常小从而降低硬件的造价。在DPP的结构中，目前主要分为“毗邻均衡”优化拓扑(PV-PV)，和“馈能补偿”优化拓扑(PV-Bus)分别如图2(b)和(c).在“毗邻均衡”优化拓扑中，DC-DC变换器的数量总是比光伏电池组的数量少一个。在“馈能补偿”优化拓扑的结构中，DC-DC变换器的数量和光伏电池组的数量是一样的。在“馈能补偿”优化拓扑的结构中，主电路电流Istring的值不会影响每个光伏电池组的MPPT，也就是说每个电池组都可以达到MPP对于任意的Istring值。但是每一个DC-DC变换器所处理的能量会随着Istring的值变化而变化。所以说对于PV-Bus的结构来说，最优的控制策略是让每个光伏电池组工作在MPP，同时控制Istring工作在一个电流值让DC-DC变换器处理的最少的能量。图2(a)分布式最大功率追踪拓扑，(b)“毗邻均衡”优化拓扑，(c)“馈能补偿”优化拓扑。
发明内容
本发明目的是：提供一种基于最小功率追踪算法的光伏子模块功率差额变换方法，让系统处在最优工作状态。
本发明的技术方案是：
基于最小功率追踪算法的光伏子模块功率差额变换方法，具体的，
将内含若干个光伏电池的电池板用旁路二极管平均分为三个子模块PV1、PV2、PV3；
三个子模块PV1、PV2、PV3分别与第一、第二、第三DC-DC变换器的原边相连，而且三个DC-DC变换器的副边并联在一起并且直接和负载相连；
采用一个单向的第四DC-DC变换器，用来控制电池板主电路电流Istring；各子模块的功率差值变换变换器DPP所处理的能量和Istring的关系表达为：
|ΔP|＝Vpv1|(Ipv1-Istring)|+Vpv2|(Ipv2-Istring)|+Vpv3|(Ipv3-Istring|) (1)
在上述表达式中，Vpv1、Vpv 2、Vpv 3是每个子模块最大功率点的电压，Ipv1、Ipv2、Ipv 3是每个子模块最大功率点的电流，Istring是主电路电流；
首先假设三个子模块子模块都工作在MPP的位置；
如果主电路电流Istring的值比Ipv1、Ipv 2、Ipv 3都小，Istring<Ipv3<Ipv2<Ipv1，那么：
|ΔP|＝-(Vpv1+Vpv2+Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1+Vpv2Ipv2+Vpv3Ipv3 (2)
如果主电路电流Istring的值比Ipv3大比Ipv2小,Ipv3<Istring<Ipv2，那么：
|ΔP|＝-(Vpv1+Vpv2-Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1+Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3 (3)
如果主电路电流Istring的值比Ipv2大比Ipv1小,Ipv2<Istring<Ipv1，那么：
|ΔP|＝-(Vpv1-Vpv2-Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1-Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3 (4)
如果主电路电流Istring的值比Ipv1大,Istring>Ipv1，那么：
|ΔP|＝(Vpv1+Vpv2+Vpv3)Istring-Vpv1Ipv1-Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3 (5)
公式(2)-(5)给出了所有关于主电路电流和|ΔP|的关系式，当把这些公式都结合起来，组成一个完整的横坐标是Istring，纵坐标是|ΔP|的曲线，发现在这条曲线上存在一个点让曲线的斜率从负变成正，这一点就是要寻找的最小功率点，这一点的点流值就是主电路电流的最优值。
优选的，为了能准确快速找到这个最优的工作点位，采用最小功率追踪LPPT的方案，
首先，采样每个DC-DC变换器的输入电压Vpv(k)，电流Idpp(k)和主电路电流Istring.然后计算每个反击式DC-DC变换器所需要处理的功率
Pk(n)＝Vpv(k)(n)×Idpp(k)(n) (6)
然后把所有DC-DC变换器处理的功率加起来得到一个总和Ps；通过和上一个值比较得到ΔPs和ΔIstring；
通过判断ΔPs和ΔIstring的正负，来决定控制升压DC-DC变换器中MOSFET的脉冲波的占空比是增加还是减小。
本发明的优点是：
本发明计算每一种情况关于主电路电流和|ΔP|的关系式，把这些公式都结合起来，组成一个完整的横坐标是Istring，纵坐标是|ΔP|的曲线，发现在这条曲线上存在一个点让曲线的斜率从负变成正，这一点就是要寻找的最小功率点，这一点的点流值就是主电路电流的最优值，本发明采用一套最小功率追踪LPPT的方案，能准确快速找到这个最优的工作点位。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为阴影遮挡下光伏阵列的电压，电流，功率输出曲线；
图2分布式最大功率追踪拓扑、“毗邻均衡”优化拓扑和“馈能补偿”优化拓扑的示意图；
图3为本发明系统原理图；
图4为本发明馈能补偿优化拓扑；
图5为DC-DC变换器处理总功率和主电路电流关系曲线；
图6为最小功率追踪算法流程图；
图7为本发明实验结果图。
具体实施方式
如图3所示，本发明的系统结构图中，其中包括了三个光伏电池组，三个双向反激式开关电源来，一个单向升压电路，负载和LPPT算法。设定三个子模块的最大功率点电流分别是Ipv1等于3.5A,Ipv2等于2.8A,Ipv3等于1.75A。根据本文提出的观点，LPPT算法应该控制主电路电流工作在2.8A就可以让系统处在最优工作状态。
如图4所示，一块内含72个光伏电池板被旁路二极管分为3个子模块，每个子模块都内含24块电池。
每个子模块都与一个双向DC-DC变换器的原边相连，而且DC-DC变换器的副边并联在一起并且直接和负载相连。蓝色区域是一个单向的DC-DC变换器，用来控制主电路电流Istring。DPP变换器所处理的能量和Istring的关系可以表达为：
|ΔP|＝Vpv1|(Ipv1-Istring)|+Vpv2|(Ipv2-Istring)|+Vpv3|(Ipv3-Istring|)
在上述表达式中，Vpv1,2,3是每个子模块最大功率点的电压，Ipv1,2,3是每个子模块最大功率点的电流，Istring是主电路电流。假设三个子模块的最大功率点电流分别是Ipv1等于3.5A,Ipv2等于2.8A,Ipv3等于1.75A，每一个子模块都工作在MPP的位置。
假如主电路电流Istring的值比以上任意一个都小，Istring<Ipv3<Ipv2<Ipv1那么：
|ΔP|＝-(Vpv1+Vpv2+Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1+Vpv2Ipv2+Vpv3Ipv3
如果主电路电流Istring的值比Ipv3大比Ipv2小,Ipv3<Istring<Ipv2那么：
|ΔP|＝-(Vpv1+Vpv2-Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1+Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3
如果主电路电流Istring的值比Ipv2大比Ipv1小,Ipv2<Istring<Ipv1那么：
|ΔP|＝-(Vpv1-Vpv2-Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1-Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3
如果主电路电流Istring的值比Ipv1大,Istring>Ipv1那么：
|ΔP|＝(Vpv1+Vpv2+Vpv3)Istring-Vpv1Ipv1-Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3
上述的公式给出了所有关于主电路电流和|ΔP|的关系式。对于每一种情况的公式所表达出来的曲线的斜率都由电压所决定。当把这些公式都结合起来，组成一个完整的横坐标是Istring，纵坐标是|ΔP|的曲线，会发现在这条曲线上存在一个点让曲线的斜率从负变成正，这一点就是要寻找的最小功率点，这一点的点流值就是主电路电流的最优值，如图5所示。
为了能准确快速找到这个最优的工作点位，本文提出了一套最小功率追踪(LeastPower Point Tracking,LPPT)的方案。LPPT的算法如图6所示，首先，采样每个反击式DC-DC变换器的输入电压Vpv(k)，电流Idpp(k)和主电路电流Istring.然后计算每个反击式DC-DC变换器所需要处理的功率
Pk(n)＝Vpv(k)(n)×Idpp(k)(n)。
然后把所有反击式DC-DC变换器处理的功率加起来得到一个总和Ps。通过和上一个值比较得到ΔPs和ΔIstring。通过判断ΔPs和ΔIstring的正负，来决定控制升压DC-DC变换器中MOSFET的脉冲波的占空比是增加还是减小。
图7中，(a)每个光伏板工作在MPP点后电压进行三电平震荡，(b)稳态后的电流三点平震荡和经过LPPT算法后的主电路参考电流，(c)主电路电流值和主电流参考电流值，(d)经过低通滤波之后的主电流和Ipv2电流，可以看到Istring一直在对Ipv2进行追踪，说明LPPT的工作良好。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于最小功率追踪算法的光伏子模块功率差额变换方法，其特征在于：
将内含若干个光伏电池的电池板用旁路二极管平均分为三个子模块PV1、PV2、PV3；
三个子模块PV1、PV2、PV3分别与第一、第二、第三DC-DC变换器的原边相连，而且三个DC-DC变换器的副边并联在一起并且直接和负载相连；
采用一个单向的第四DC-DC变换器，用来控制电池板主电路电流Istring；各子模块的功率差值变换变换器DPP所处理的能量和Istring的关系表达为：
|ΔP|＝Vpv1|(Ipv1-Istring)|+Vpv2|(Ipv2-Istring)|+Vpv3|(Ipv3-Istring|) (1)
在上述表达式中，Vpv1、Vpv 2、Vpv 3是每个子模块最大功率点的电压，Ipv1、Ipv 2、Ipv 3是每个子模块最大功率点的电流，Istring是主电路电流；
首先假设三个子模块子模块都工作在MPP的位置；
如果主电路电流Istring的值比Ipv1、Ipv 2、Ipv 3都小，Istring<Ipv3<Ipv2<Ipv1，那么：
|ΔP|＝-(Vpv1+Vpv2+Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1+Vpv2Ipv2+Vpv3Ipv3 (2)
如果主电路电流Istring的值比Ipv3大比Ipv2小,Ipv3<Istring<Ipv2，那么：
|ΔP|＝-(Vpv1+Vpv2-Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1+Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3 (3)
如果主电路电流Istring的值比Ipv2大比Ipv1小,Ipv2<Istring<Ipv1，那么：
|ΔP|＝-(Vpv1-Vpv2-Vpv3)Istring+Vpv1Ipv1-Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3 (4)
如果主电路电流Istring的值比Ipv1大,Istring>Ipv1，那么：
|ΔP|＝(Vpv1+Vpv2+Vpv3)Istring-Vpv1Ipv1-Vpv2Ipv2-Vpv3Ipv3 (5)
公式(2)-(5)给出了所有关于主电路电流和|ΔP|的关系式，当把这些公式都结合起来，组成一个完整的横坐标是Istring，纵坐标是|ΔP|的曲线，发现在这条曲线上存在一个点让曲线的斜率从负变成正，这一点就是要寻找的最小功率点，这一点的点流值就是主电路电流的最优值。
2.根据权利要求1所述的光伏子模块功率差额变换方法，其特征在于：为了能准确快速找到这个最优的工作点位，采用最小功率追踪LPPT的方案，
首先，采样每个DC-DC变换器的输入电压Vpv(k)，电流Idpp(k)和主电路电流Istring.然后计算每个反击式DC-DC变换器所需要处理的功率：
Pk(n)＝Vpv(k)(n)×Idpp(k)(n) (6)
然后把所有DC-DC变换器处理的功率加起来得到一个总和Ps；通过和上一个值比较得到ΔPs和ΔIstring；
通过判断ΔPs和ΔIstring的正负，来决定控制升压DC-DC变换器中MOSFET的脉冲波的占空比是增加还是减小。
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