CN111007914B - Sp结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法及系统，确定光伏阵列的规模大小和每个光伏组件的辐照度；根据建立的数学模型计算并比较所有功率峰值，确定实时光照条件下SP结构光伏阵列全局最大功率点处的电压；将所述电压作为输入信号，生成相应的控制信号，使光伏阵列快速工作在全局最大功率点附近；本公开仅通过一次电压控制而无需全局或局部电压扫描即可追踪到全局最大功率点，从而大大缩短了追踪时间，避免了扫描过程中的功率波动与损耗。

Description

SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法及系统

技术领域

本公开属于光伏阵列最大功率点追踪技术领域，涉及一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在光伏发电中，由于光伏阵列的非线性特性以及对环境条件的依赖，低转换效率始终是其主要问题。为了最大程度地利用太阳能资源，有必要引入最大功率点跟踪技术。光伏阵列通常包括许多串联和并联连接的光伏组件，以满足实际所需的输出电压和电流。在实际运行过程中，光伏阵列的某些组件会不可避免地受到如云彩，树木和建筑物等物体遮挡的影响而接收到较低的辐照强度，此时处于阴影条件下的光伏组件会消耗一定功率并转换为热量，从而造成热斑效应而损坏光伏阵列。通常采用添加旁路二极管的办法消除热斑效应，然而旁路二极管的存在会导致光伏阵列的功率输出特性出现多峰值现象，在这种情况下，传统的最大功率跟踪方法可能会误追踪到局部极值而无法追踪到全局最大功率点。针对这个问题，已经提出了许多全局最大功率点跟踪方法。

但是据发明人了解，多数现有的算法仍需要通过扫描整个或部分电压范围以找到全局最大功率点，因此随着光伏阵列的规模越大，需要扫描的范围就会越大，从而找到全局最大功率点所花费的时间就会越长，并且在长时间的在线扫描过程中会造成较大的功率损失。

光伏阵列的输出特性不仅与光伏阵列所受到的辐照强度与阴影模式有关，而且与组成光伏阵列的组件之间的连接方式也有关。现有的光伏阵列结构主要有三种：SP型，BL型及TCT型，与其他光伏阵列结构相比，SP结构光伏阵列的连接方式最简单，需要的连接线最少，实际应用更为普遍。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法及系统，本公开通过直接确定全局最大功率点处电压并将其作为输入信号，使SP结构光伏阵列快速工作在全局最大功率点附近而无需进行扫描。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法，包括以下步骤：

计算实时光照条件下SP结构光伏阵列全局最大功率点处的电压；

将所述电压作为输入信号，生成相应的控制信号，使光伏阵列快速工作在全局最大功率点附近。

作为可选择的实施方式，计算实时光照条件下SP结构光伏阵列全局最大功率点处的电压的具体过程包括：

确定光伏阵列的规模大小和每个光伏组件的辐照度；

对M行N列的SP结构光伏阵列，将光伏阵列的每一列中所有光伏组件按照辐照强度从大到小的顺序进行排序；

SP结构光伏阵列所有可能存在的功率峰值点处的电压V_mi、电流I_mi和功率P_mi可以近似计算为：

V_mi＝iV_m

0≤i≤m,0≤j≤n

其中G_ij表示光伏阵列重新排序后第j列中排在第i位的光伏组件的辐照强度，G₀为标准辐照强度，V_m与I_m分别为光伏组件在标准环境条件下的最大功率点处的电压与电流；

将得到的所有功率峰值大小进行比较并找到其中的最大值，即全局最大功率P_max

P_max＝max{P_m1,P_m2,…,P_mm}

该点对应的电压即为全局最大功率点处的电压V_pmax。

作为可选择的实施方式，将所述电压作为输入信号，生成相应的控制信号的具体过程包括：

将全局最大功率点处的电压作为输入信号，利用PID控制方法，根据输入电压值生成占空比D，通过脉冲发生器获得控制信号以驱动光伏阵列的控制电路。

作为可选择的实施方式，还包括以下步骤：

当光伏阵列的辐照情况发生变化时，自动计算并更新全局最大功率点处的电压，确保光伏阵列能随环境条件的改变始终实时运行在全局最大功率点。

作为可选择的实施方式，还包括以下步骤：

根据小步长的扰动观察法，进一步跟踪全局峰值区域中的精确峰值。

一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪系统，包括：

辐照度参数模块，被配置为连接辐照度传感器，确定光伏阵列的规模大小和每个光伏组件的辐照度；

计算模块，被配置为计算SP结构光伏阵列实时光照条件下的全局最大功率点处的电压；

控制模块，被配置为将所述电压作为输入信号，生成相应的控制信号，使光伏阵列快速工作在全局最大功率点附近。

还包括：

精确追踪模块，被配置为根据小步长的扰动观察法，进一步精确跟踪全局峰值区域中的实际峰值；

实时追踪模块，被配置为自动计算并更新实时的全局最大功率点处的电压，确保光伏阵列能随环境条件的改变始终运行在全局最大功率点。

作为可选择的实施方式，所述控制模块，包括PID控制器、脉冲发生器和BOOST电路，其中，PID控制器根据输入电压值生成占空比D，然后通过脉冲发生器获得控制信号以驱动BOOST电路。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开仅通过一次电压控制而无需全局或局部电压扫描即可追踪到全局最大功率点，从而大大缩短了追踪时间，避免了扫描过程中的功率波动与损耗。除此之外，由于实现快速电压控制后光伏阵列的工作点已经非常接近实际的全局最大功率点，故可以将后续扰动观察法的步长设置地非常小，从而有效地减小了系统在最大功率点附近的振荡。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本发明追踪方法的流程图；

图2是M×N的SP结构光伏阵列中组件之间的连接方式；

图3是3×3的SP结构光伏阵列在3种辐照条件下的阴影分布示意图；

图4是3×3的SP结构光伏阵列在3种辐照条件下的功率电压曲线图；

图5是最大功率点追踪过程中光伏阵列的输出功率；

图6是最大功率点追踪过程中光伏阵列的输出电压。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了更好的说明本实施例方案，本实施例通过在Matlab/Simulink建立系统的仿真模型并结合附图，说明本实施例的具体实施方式。

本实施例采用3×3的SP结构光伏阵列进行最大功率点追踪，并同时考虑辐照条件的渐变与突变两种情况。如图3所示为光伏阵列在3种辐照条件下的阴影分布，开始在0-0.2s内所有光伏模块的辐照强度一致，均为1000W/m²，阴影模式如C1所示。然后，在0.2-0.3s的时间间隔内，光伏阵列某一部分组件的辐照度开始随时间发生线性渐变，光伏阵列的阴影模式逐渐从C1变为C2。在0.3-0.5s的时间间隔内，光伏阵列的辐照情况保持不变。在0.5s时，阴影模式突然从C2变为C3，之后便不再变化。仿真所用的光伏组件的参数如表1。

表1：在标准环境条件下的光伏组件的规格

以上三种光照条件下SP结构光伏阵列的P-V曲线如图4所示，图5与图6示出了本实施例在追踪过程中的输出功率和输出电压跟踪轨迹。

起初光照条件均匀，计算得到可能存在的功率峰值处的近似功率与电压分别为：

P_m1＝V_m×3I_m＝512.64W V_m1＝V_m＝35.6V

P_m2＝2V_m×3I_m＝1025.28W V_m2＝2V_m＝71.2V

P_m3＝3V_m×3I_m＝1537.92W V_m3＝3V_m＝106.8V

实际上系统仅有一个功率峰值，确定光伏阵列全局最大功率点的功率与电压分别为：

P_max＝P_m3＝1537.92W V_Pmax＝V_m3＝106.8V

将计算得到的V_pmax值作为控制目标输入到电压控制单元，由PID控制器根据输入电压值生成占空比D，然后通过脉冲发生器获得控制信号以驱动BOOST电路，使光伏阵列的工作电压迅速达到106.8V从而实现快速电压控制，此时SP结构光伏阵列的输出功率随着电压改变也迅速提升，直到到达最大功率附近。

通过仿真得到的此时实际最大功率点处的电压为106.36V，因此系统的工作点与实际最大功率点之间仍存在微小差距，此时执行扰动观察法已进一步精确地追踪到实际最大功率点。步长设置为0.0005。

在0.2s时，光伏阵列所受辐照度开始发生改变，其输出曲线开始出现两个功率峰值。开始时，右侧的峰值大于左侧的峰值，最大功率点的输出电压基本不发生变化，依然在3V_m附近。随着光照情况的继续变化，在图5中虚线所示0.2-0.3s之间的某个时刻，两个功率峰值将达到相同的幅度，并且在下一瞬间，左侧的峰值将超过右侧的峰值，此时最大功率点处的电压值将瞬间变为V_m的两倍。在这个过程中，辐照传感器持续检测并更新每个光伏组件的辐照度信息，根据辐照度本实施例不断地计算出每一时刻全局最大功率点处的电压值，并通过控制光伏阵列的输出电压，使其始终实时运行在全局最大功率点处。

在0.3-0.5s内，计算所有可能的功率峰值处的近似功率与电压

P_m1＝V_m×2.8I_m＝478.46W V_m1＝V_m＝35.6V

P_m2＝2V_m×2.8I_m＝956.93W V_m2＝2V_m＝71.2V

P_m3＝3V_m×1.2I_m＝615.17W V_m3＝3V_m＝106.8V

通过比较可以确定全局最大功率点处的近似电压:

P_max＝P_m2＝956.93W V_Pmax＝V_m2＝71.2V

控制系统的输出电压至71.2V使其快速工作在全局最大功率点附近，再通过扰动观察精确地实现进一步追踪。

在0.5s时，阴影模式由C2突变为C3，根据辐照度信息的变化，计算此时光伏阵列的所有功率峰值点处的近似功率与电压。

P_m1＝1V_m×3I_m＝512.64W V_m1＝1V_m＝35.6V

P_m2＝2V_m×2.6I_m＝888.58W V_m2＝2V_m＝71.2V

P_m3＝3V_m×2.4I_m＝1230.34W V_m3＝3V_m＝106.8V

比较各功率峰值并确定全局最大功率点处的近似电压:

P_max＝P_m3＝1230.34W V_Pmax＝V_m3＝106.8V

控制系统的输出电压至106.8V使其快速工作在全局最大功率点附近，再通过扰动观察精确地实现进一步追踪。

计算结果和实际仿真结果如表2所示,其中带“*”为本实施例在以上三种阴影模式下通过计算得到的全局最大功率点处的近似电压值，不带“*”的为通过仿真得到的全局最大功率点处的实际电压值。

表2：计算和仿真结果对比

阴影模式	U<sub>Pmax</sub><sup>*</sup>(V)	U<sub>Pmax</sub>(V)	P<sub>max</sub><sup>*</sup>(W)	P<sub>max</sub>(W)	电压相对误差
						C1	106.8	106.32	1537.92	1536.59	0.449％
C2	71.2	69.94	956.93	943.97	1.770％
						C3	106.8	106.40	1230.34	1272.47	0.375％

从表中可以看出。由计算得到的全局最大功率点处的近似电压值始终在全局峰值范围内，因此可以确保跟踪过程不会落入局部峰值。同时，较小的电压相对误差使光伏阵列可通过电压控制直接工作在最大功率点附近，从而在后续仅需要执行小步长扰动观察法即可快速地追踪到实际最大功率点，避免了大幅度的功率振荡。

从图5的功率追踪轨迹中可以看出，本实施例可以在很短的时间内精确地追踪到全局最大功率点，解决了现有的追踪方法追踪速度慢，功率振荡大以及可能会误追踪到局部峰值的问题。同时随着光照条件的变化，本实施例有良好的动态追踪能力确保系统始终实时运行在全局最大功率点，为复杂光照条件下光伏阵列的最大功率点动态追踪提供了一个新的思路。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法，其特征是：包括以下步骤：

根据SP结构光伏阵列中每个光伏组件的辐照度，计算实时光照条件下SP结构光伏阵列全局最大功率点处的电压；包括：

确定SP结构光伏阵列的规模大小和每个光伏组件的辐照度；将SP结构光伏阵列的每一列中所有光伏组件按照辐照强度从大到小的顺序进行排序；计算SP结构光伏阵列所有可能存在的功率峰值点处的电压、电流和功率；将得到的所有功率峰值大小进行比较并找到其中的最大值，即全局最大功率；该全局最大功率点对应的电压即为全局最大功率点处的电压；

将所述电压作为输入信号，通过脉冲发生器获得控制信号以驱动光伏阵列的控制电路，使光伏阵列工作在全局最大功率点。

2.如权利要求1所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法，其特征是：通过计算直接确定实时光照条件下SP结构光伏阵列全局最大功率点处的电压而无需扫描，具体过程包括：

确定SP结构光伏阵列的规模大小和每个光伏组件的辐照度；

对m行n列的SP结构光伏阵列，将光伏阵列的每一列中所有光伏组件按照辐照强度从大到小的顺序进行排序；

SP结构光伏阵列所有可能存在的功率峰值点处的电压V_mi、电流I_mi和功率P_mi可以近似计算为：

V_mi＝iV_m

0≤i≤m,0≤j≤n

其中G_ij表示光伏阵列重新排序后第j列中排在第i位的光伏组件的辐照强度，G₀为标准辐照强度，V_m与I_m分别为光伏组件在标准环境条件下的最大功率点处的电压与电流；

将得到的所有功率峰值大小进行比较并找到其中的最大值，即全局最大功率P_max；

P_max＝max{P_m1,P_m2,…,P_mm}

该点对应的电压即为全局最大功率点处的电压V_pmax。

3.如权利要求1所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法，其特征是：还包括以下步骤：

当光伏阵列的辐照情况发生变化时，自动计算并更新实时的全局最大功率点处的电压，确保光伏阵列能随环境条件的改变始终实时运行在全局最大功率点。

4.如权利要求1所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法，其特征是：还包括以下步骤：

根据小步长的扰动观察法，进一步跟踪全局峰值区域中的精确峰值。

5.如权利要求1所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法，其特征是：将所述电压作为输入信号，生成相应的控制信号的具体过程包括：

将全局最大功率点处的电压作为输入信号，利用PID控制方法，根据输入电压值生成占空比D，通过脉冲发生器获得控制信号以驱动光伏阵列的控制电路。

6.一种利用如权利要求1-5任一项所述的方法的SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪系统，其特征是：包括：

辐照度参数模块，被配置为连接辐照度传感器，确定光伏阵列的规模大小和每个光伏组件的辐照度；

计算模块，被配置为计算SP结构光伏阵列实时光照条件下的全局最大功率点处的电压；

控制模块，被配置为将所述电压作为输入信号，生成相应的控制信号，使光伏阵列快速工作在全局最大功率点附近。

7.如权利要求6所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪系统，其特征是：还包括：

精确追踪模块，被配置为根据小步长的扰动观察法，进一步精确跟踪全局峰值区域中的实际峰值；

实时追踪模块，被配置为自动计算并更新实时的全局最大功率点处的电压，确保光伏阵列能随环境条件的改变始终运行在全局最大功率点。

8.如权利要求6所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪系统，其特征是：所述控制模块，包括PID控制器、脉冲发生器和BOOST电路，其中，PID控制器根据输入电压值生成占空比D，然后通过脉冲发生器获得控制信号以驱动BOOST电路。

9.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-5中任一项所述的一种SP结构光伏阵列全局最大功率点追踪方法。

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