CN110399005B - 一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，属于发电、变电或配电的技术领域。该方法具体包括每次循环中只比较相邻两个LMPP的功率大小以确定GMPP工作点电压扰动方向的主程序以及寻找当前局部峰值点之后相邻局部峰值点的移动工作点子程序，再根据相邻峰值点输出功率差值与电压扫描范围下限的关系，采用二分法调整工作点电压，大大缩小了电压扫描范围，能够应对光伏阵列P‑V特性因光照强度不均匀而呈现出的多峰现象，快速、准确地追踪到光伏阵列的全局最大功率点，提高了光伏系统的效率。

Description

一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法
技术领域
本发明公开了一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
激光无线电能传输(Laser Power Transfer,LPT)技术是一种以激光为能量载体并利用光伏效应实现无线传能的方式。相较于其它的无线电能传输方式而言，LPT技术独有能量密度高、传能距离远的优势，特别适用于为飞行器等移动用电设备供电的应用场合。然而，现有的LPT系统传输效率只有10％左右，不均匀激光辐照是导致光伏阵列效率低下的主要原因。，光伏阵列的功率—电压输出特性曲线因激光辐照的不均匀性呈现出“多峰”特性，增量电导法(Inc Cond)、扰动观察法(P&O)等传统最大功率跟踪算法容易陷入局部最大功率点(Local Maximum Power Point,LMPP)，降低了光伏系统的输出功率，严重影响其转化太阳能的效率。
针对传统最大功率根据算法易陷入局部最大功率点这一问题，学者提出了一些基于传统增量电导法的改进型全局最大功率点跟踪(Global Maximum Power PointTracking,GMPPT)算法，大大提高了追踪到GMPP的概率，提升了光伏系统的效率。然而，上述改进算法在追踪GMPP时往往采用光伏组件输出电压从0递增至开路电压的查找方向，因此，光伏电池单体串联的数目越多或全局最大功率点对应的电压值越大时，跟踪速度越慢。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，实现了激光辐照下下光伏系统全局最大功率点的快速跟踪，解决了现有最大功率跟踪法不适用于激光辐照下的光伏系统以及改进的全部最大功率跟踪法搜寻速度受光伏电池单体串联数目以及全局最大功率点对应电压值的影响的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，包括以下5个步骤。
(1)将0.75*VOC和光伏串开路电压N*VOC分别设置为工作点电压的左右极限VL、VR，对应的功率记为PL、PR；
(2)采用IncCond法进行跟踪得到局部峰值点电压VP1，测量记录该工作电压下的输出功率PP1和占空比DP1。
(3)判断P1是否有相邻的后一个局部峰值点P2：若存在，调用工作点移动子程序，然后，采用IncCond法进行跟踪得到局部峰值点电压VP2，测量记录该工作电压下的输出功率PP2和占空比DP2；若不存在，将P1记为P2，并采用IncCond法跟踪P2相邻的前一个局部峰值点P1，测量记录输出功率PP1和占空比DP1。
(4)判断步骤(3)中测量所的输出功率PP1和PP2的关系，如果PP1大于等于PP2，表明全局最大功率点在P1左侧，则将VR更新为VP1，PR更新为PP1，对应占空比记为DR；如果PP1小于PP2，表明全局最大功率点在P1右侧，则将VL更新为VP2，PL更新为PP2，对应占空比记为DL。
(5)判断步骤(4)更新后的工作电压范围下限VL和上限VR的关系：若左右极限的差值大于0.75*VOC，则采用二分法调整工作点电压后返回步骤(2)；若VR和VL的差值小于0.75*VOC，比较PL与PR的大小，较大的一个就是全局最大功率，对应的工作电压即全局最大功率点电压。
优选地，步骤(1)中的VL按照以下公式计算：
VL＝0.75*VOC，
其中，0.75这一系数的是为了保证首个局部峰值点电压大于VL的同时，电压扫描范围也尽量小。
优选地，步骤(1)中的VR按照以下公式计算：
VR＝N*VOC，
其中，N为光伏电池串联的数目，VOC为光伏电池单体的开路电压。
优选地，根据局部峰值点电压约等于0.8*VOC的整数倍这一数学关系，步骤(3)中的采用下述公式判断P1是否有相邻的后一个局部峰值点P2：
VP1+0.8*VOC<VR，
在步骤(3)中，根据P1点的电压VP1、电流IP1以及占空比DP1，可以根据下式求出输出端负载：
Figure BDA0002091202150000021
因为VP2≈VP1+0.8*VOC，那么在负载不变情况下满足下式：
Figure BDA0002091202150000031
因为IP2未知，将IP1带入上式计算，得到的新的工作点A，该点的电压在VP1之间VP2，接着再用上述方法寻找A点与P2之间的工作点，如此不断循环，直至工作点靠近P2。该过程可以用如下公式表述：
Figure BDA0002091202150000032
其中，DAk为第k次移动后工作点A的占空比，DA(k-1)、VA(k-1)为第k-1次移动后工作点A的占空比和电压，初始值为VA0＝VP1,DA0＝DP2。直到满足以下条件：
Ik-1-Ik<δ，
其中，k为工作点移动子程序的循环次数，DAk为移动k次之后工作点A的占空比，VAk为移动k次之后工作点A的输出电压，Ik、Ik-1分别为移动k次、k-1次工作点之后的光伏输出电流，δ为一个接近0的正数，若前后两次的输出电流差值小于δ，则认为工作点已经调整到P2附近。
优选地，若步骤(5)中左、右极限的差值大于0.75*VOC，则通过二分法得到新的占空比，通过改变占空比的方式调整工作点，易知新的工作点电压必在左、右极限之间，占空比计算公式如下：
Figure BDA0002091202150000033
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明公开了一种基于二分法的全局最大功率点跟踪算法用于激光辐照下光伏系统最大功率点的跟踪，具体包括每次循环中只比较相邻两个LMPP的功率大小以确定GMPP工作点电压扰动方向的主程序以及寻找当前局部峰值点之后相邻局部峰值点的移动工作点子程序，再根据相邻峰值点输出功率差值与电压扫描范围下限的关系，采用二分法调整工作点电压，大大缩小了电压扫描范围，能够应对光伏阵列P-V特性因光照强度不均匀而呈现出的多峰现象，因避免传统GMPPT方法按照光伏组件输出电压从0递增至开路电压的查找方向追踪最大功率点，可以快速、准确地追踪到光伏阵列的全局最大功率点，进而提高光伏系统的转换效率。
附图说明
图1(a)为本发明公开的基于二分法的GMPPT算法的流程图，图1(b)为工作点移动子程序的流程图。
图2为MPPT控制系统框图。
图3为实施例中的P-V曲线特性。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
为克服最大功率跟踪方法追踪激光辐照下光伏系统最大功率点时易陷入局部最大功率点以及现有改进型全局最大功率跟踪法的搜寻速度受光伏电池单体串联数目以及全局最大功率点对应电压值的影响的技术问题，本发明提出基于二分法的GMPPT算法以实现激光辐照下光伏系统最大功率点的快速追踪，按照负载线确定初始工作点，每一次只需要比较工作点附近相邻两个LMPP的功率大小就可以确定下一个工作点电压的扰动方向，大幅缩小了电压搜索范围，故其跟踪速度具有明显的优势。
下面结合附图，对本发明做进一步详细的说明。本例中采用三个光伏电池单体串联构成光伏阵列，假设三个光伏电池上的光照强度均不相同，对应的P-V特性如图3所示，可见P-V曲线具有三个局部峰值点。GMPPT的流程图如附图1所示，MPPT控制系统的框图如图2所示，根据初始工作点位置的不同，可以将工作情况分为下述三种：
当初始工作点为第一个局部峰值点时，记为P1，找到下一个相邻的P2，因为PP1小于PP2，将第二个局部峰值点电压定为左极限VL。此时，左右极限差值大于0.75*VOC，则调整占空比，从步骤(2)开始重复，此时，将第二个局部峰值点记为P1，第三个局部峰值点记为P2，因为PP1大于PP2，将第二个局部峰值点电压定为右极限VR。此时，左右极限相等，找到全局最大功率点。整个跟踪过程包含图1(a)所述主循环以及图1(b)所示工作点移动子循环。
当初始工作点为第二个局部峰值点时，第一次循环将第二个局部峰值点定为右极限VR，第二次循环将第二个局部峰值点定为左极限VL。此时，左右极限相等，找到全局最大功率点。整个跟踪过程包含图1(a)所述主循环以及图1(b)所示工作点移动子循环。
当初始工作点为第三个局部峰值点时，第一次循环发现初始工作点不存在后一个相邻的局部峰值点，则将初始工作点记为P2，将其前一个局部峰值点记为P1。第一次循环将第二个局部峰值点定为右极限VR，第二次循环将第二个局部峰值点定为左极限VL。此时左右极限相等，找到全局最大功率点。整个跟踪过程包含图1(a)所述主循环以及图1(b)所示工作点移动子循环。

Claims (6)

1.一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，
初始化局部峰值点的电压扫描区间，
采用增量电导法跟踪工作点以确定第一局部峰值点的电压，
在第一局部峰值点之后有相邻的第二局部峰值点时移动工作点直至工作点逼近第二局部峰值点，采用增量电导法跟踪工作点以确定第二局部峰值点的电压，在第一局部峰值点之后没有相邻局部峰值点时采用增量电导法跟踪与第一局部峰值点相邻的前一局部峰值点，
在前一局部峰值点输出功率大于或等于后一局部峰值点输出功率时更新电压扫描区间的上限及其对应的占空比为前一局部峰值点的电压及其对应的占空比，在前一局部峰值点输出功率小于后一局部峰值点输出功率时更新电压扫描区间的下限及其对应的占空比为后一局部峰值点的电压及其对应的占空比，
在更新后的电压扫描区间的上下限的差值大于0.75*VOC时，二分当前电压扫描区间对应的占空比区间，更新工作点电压后重新跟踪工作点，在更新后的电压扫描区间的上下限的差值小于0.75*VOC时以当前电压扫描区间上下限对应的输出功率最大值为全局最大功率值，VOC为光伏电池单体的开路电压。
2.根据权利要求1所述一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，局部峰值点的电压扫描区间初始上下限为N*VOC、0.75*VOC，N为光伏电池串联的数目，VOC为光伏电池单体的开路电压。
3.根据权利要求1所述一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，判断第一局部峰值点之后是否有相邻第二局部峰值点的判据为：VP1+0.8*VOC<VR，VP1为第一局部峰值点的电压，VOC为光伏电池单体的开路电压，VR为电压扫描区间上限。
4.根据权利要求1所述一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，在第一局部峰值点之后有相邻的第二局部峰值点时移动工作点直至工作点逼近第二局部峰值点的具体方法为：以维持光伏输出端负载不变为前提，将第一局部峰值点的电流带入第二局部峰值点处的负载表达式移动工作点至电压位于第一、第二局部峰值点电压之间的新工作点，在相邻两次移动后的新工作点处的电流差值满足阈值条件时结束移动工作点。
5.根据权利要求4所述一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，将第一局部峰值点的电流带入第二局部峰值点处的负载表达式移动工作点至电压位于第一、第二局部峰值点电压之间的新工作点依据判据：
Figure FDA0002396391660000021
实现，DAk为第k次移动后工作点A的占空比，DA(k-1)、VA(k-1)为第k-1次移动后工作点A的占空比和电压，VOC为光伏电池单体的开路电压。
6.根据权利要求4所述一种激光辐照下基于二分法的光伏最大功率跟踪方法，其特征在于，相邻两次移动后的新工作点处的电流差值满足的阈值条件为：Ik-1-Ik<δ，Ik、Ik-1分别为移动k次、k-1次工作点之后的光伏输出电流，δ为一个接近0的正数。
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