CN112925376A - 一种基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法 - Google Patents

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陈敏
傅钰泰
韩放
齐继志
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Abstract

本发明涉及光伏组件的控制技术，旨在提供一种基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法。是将光伏组件的输出功率作为光伏组件输出侧的变换器的控制对象，按输出功率限定值的数值进行对其输出功率进行控制，在稳态情况下与光伏组件的输出功率保持一致；输出功率限定值的取值范围为[0，Pmpp]，其中Pmpp为预设环境条件下光伏组件能够输出的最大功率值。本发明可以实现光伏组件全域可控输出，光伏输出所连接的变换器直接控制流经变换器的功率；该方法在[0，Pmpp]全域内灵活可控，即实现有限功率点跟踪控制，而传统最大功率点跟踪控制方法都不具备这个功能。

Description

一种基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法
技术领域
本发明属于光伏发电领域，涉及光伏组件的控制技术，特别涉及一种基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法。
背景技术
随着传统化石能源的储量减少以及开采难度加大，同时各类可再生能源的应用成本降低，人类普遍加大了对可再生能源的研究与应用。其中太阳能以其分布广、易获取、零排放、可持续等优势成为可再生能源应用研究的热点。
对于太阳能光伏发电技术，一般都要求光伏组件以最大功率输出提高组件的使用效益，各类最大功率点跟踪控制(MPPT)方法相继提出。
然而，随着光伏发电系统应用场合日益丰富，控制要求日渐增多，传统的控制策略不能很好地满足未来应用的新要求，如防止过电压、防止过载等。在部分应用场合中，除了需要光伏组件以最大功率输出以外还需要其在[0，Pmpp]全域内灵活可控(其中Pmpp为某环境条件下光伏组件可以输出的最大功率值)，即实现有限功率点跟踪(LPPT)控制，而传统最大功率点跟踪控制方法都不具备这个功能。
目前有研究采用对传统最大功率点跟踪控制方法进行改进的思路，例如将基于扰动观察法的最大功率点跟踪控制策略进行改进使得可以满足光伏组件在[0，Pmpp]全域内可控输出的要求，但是这类方法存在一些固有缺陷，如稳态误差大，动态响应速度慢等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法，是将光伏组件的输出功率作为光伏组件输出侧的变换器的控制对象，按输出功率限定值Plimited的数值进行对其输出功率进行控制，在稳态情况下与光伏组件的输出功率Ppv保持一致；输出功率限定值Plimited的取值范围为[0，Pmpp]，其中Pmpp为预设环境条件下光伏组件能够输出的最大功率值。
本发明中，所述输出功率限定值Plimited有两种给定方式：
(1)通过本地人机对话界面输入或远程通信输入的方式，由外界根据环境条件设定输出功率限定值Plimited，使光伏组件的最终输出功率大小为Plimited；
(2)在光伏组件输出侧变换器的控制程序中内置输出功率限定值Plimited，使光伏组件在任何环境条件下的输出功率都不得超过限定值Plimited。
本发明中，对于第(1)种给定方式：如果存在Plimited小于实际最大功率值Pmpp，则将光伏组件输出功率控制在限定值Plimited；如果存在Plimited大于实际最大功率值Pmpp，则进行LPPT到MPPT的模式切换，自动将光伏组件输出功率控制在最大值Pmpp；对于第(2)种给定方式：如果存在Plimited小于实际最大功率值Pmpp，则将光伏组件输出功率控制在限定值Plimited；如果存在Plimited大于实际最大功率值Pmpp，则将LPPT模式切换到MPPT模式，光伏组件以当前的实际最大功率值Pmpp输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的光伏组件输出控制方法直接将光伏组件的输出功率作为控制变量，可以实现光伏组件在[0，Pmpp]范围内全域可控输出(其中Pmpp为某环境条件下光伏组件可以输出的最大功率值)，光伏组件实际输出功率大小为Plimited。光伏输出所连接的变换器直接控制流经变换器的功率，该功率在稳态情况下与光伏组件的输出功率Ppv一致。该方法的控制思路有别于直接控制光伏组件的输出电压Vpv或者输出电流Ipv的方法。
2、本发明所述控制方法在[0，Pmpp]全域内灵活可控，即实现有限功率点跟踪(LPPT)控制，而传统最大功率点跟踪控制方法都不具备这个功能。
附图说明
图1为本发明所述的控制方法适用的电路模型；
图2为本发明在实际电路中的控制原理图；
图3为光伏组件输出曲线与平面区域划分示意图；
图4为基于直接功率控制的光伏组件输出控制逻辑流程图；
图5为光伏组件输出控制类型中的主动型控制示意图；
图6为最大功率点跟踪控制示意图；
图7为光伏组件输出控制类型中的被动型控制示意图；
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的实施方式。
图1是所述的控制方法适用的电路模型，主要包括光伏组件、光伏组件输出侧并联的解耦电容Cd、光伏组件输出侧的变换器、等效阻抗Zeq，该模型可以包含大多数光伏应用场合。
图2是本发明在实际电路中的控制原理图，现以输出变换器为Boost变换器举例说明。Boost变换器将输入功率PL作为控制变量，根据Plimited指令来源的类型分为主动控制型和被动控制型两类。
在分析上述两种控制类型之前，先描述基于直接功率控制的区域划分。图3所示的为基于直接功率控制的控制方法P-V平面左右区域划分。
在基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法中，PL是被控量，其控制参考值由控制逻辑给出。而结合光伏板特性可知，如图3所示，光伏电池板P-V特性曲线以最大功率点为界划分成左区域(Left region)和右区域(Right region)，结合I-V曲线可知当PL的给定参考值Pref小于光伏电池板最大功率时，存在两个潜在的工作点，即左区域工作点PL和右区域的工作点PR。
左右区域内的潜在工作点并非都是稳定工作点，实际中仅有右区域内的潜在工作点为稳定工作点。当前工作点在左区域内时，如果增加功率参考值Pref，系统不能准确追踪功率参考，系统将发生母线电压崩溃；当前工作点在左区域内时，如果减小功率参考值Pref至当前实际光伏板输出功率以下，系统可以准确追踪功率参考，系统可以稳定工作；当前工作点在右区域内时，如果增加功率参考值Pref，系统可以准确追踪功率参考，系统可以稳定工作；当前工作点在右区域内时，如果减小功率参考值Pref，系统可以准确追踪功率参考，系统可以稳定工作。
图4为基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法的控制逻辑，该逻辑中主要包含两大分支，即LPPT模式分支和MPPT模式分支。其中MPPT分支主要在Plimited大于当前实际最大功率点时才发挥作用。
图5为光伏组件输出控制类型中的主动型控制示意图，控制开始之前光伏组件已经稳定工作在最大功率点，外界控制指令要求光伏组件输出为Plimited，此时PL的参考值被设置成为Pref_lim1，Pref_lim1＝Plimited。此后系统工作点迅速转移至Plim1处，光伏板输出电压由Vmpp增加至V1，功率由Pmpp减小至Pref_lim1，由稳定性分析可知，该过程动态稳定，工作点Plim1静态稳定。同理，过程2与上述过程1类似，因此系统可以稳定工作在右区域内所有点，[0，Ppv_mpp]区间内任意值都可以稳定输出。对于主动控制型情况，如果出现Plimited指令值高于当前实际最大功率点的情况，则自动将系统模式设置为最大功率点模式。
图6所示的最大功率点跟踪控制示意图，一旦进入最大功率点模式则需要执行最大功率点跟踪控制逻辑，最大功率点跟踪控制过程可以分为以下六个阶段。
第1阶段：初始时刻，PL的参考值为0，系统处于开路状态，实际工作点位于右区域的开路点。当参考值由0变成Pref1时，系统工作点由开路点移动至P1点，光伏板输出功率Pref1，系统稳定工作在P1点。
第2阶段：在P1工作点时，PL的参考值由Pref1变成Pref2，由稳定性分析可知，系统可以稳定工作在右区域的P2点，光伏板输出功率Pref2。
第3阶段：在P2工作点时，PL的参考值由Pref2变成Pref3，由于Pref3大于光伏电池板的实际最大功率值，故Cd持续放电直至工作点越过最大功率点进入左区域，光伏板输出功率Ppv3。此时如果继续上调PL的参考值Pref，则工作点将会继续左移直至短路。因此，左区域的P3点为临界稳定点。
第4阶段：由于系统检测到工作点滑入左区域，故将PL的参考值Pref下调至当前光伏电池板实际输出功率以下，即下调至Pref4。由上节的稳定性分析可知，系统将最终工作在P4点，光伏板输出功率Pref4。
第5阶段：在P4工作点时，由于系统检测到工作点重新回到有区域，故将继续上调PL的参考值Pref，但上调步长减小，Pref增至Pref5，系统最终稳定工作在P5点，光伏板输出功率Pref5。
第6阶段：第6阶段实际上是以上3、4、5阶段多次重复的累积表现，即工作点多次经过由右区域滑向左区域的过程，Pref的上调、下调步长逐渐衰减至系统所设的最小值Pup_min和Pdown_min，足够小Pup_min和Pdown_min可近似认为已经找到最大功率点且无明显振荡。光伏板输出功率非常接近Pmpp。
除了主动型控制以外，基于直接功率控制的光伏组件输出控制还包含被动型。图7为光伏组件输出控制类型中的被动型控制示意图。系统内部指令信号Plimited设置为Pref_lim，即光伏板输出功率不允许超过Pref_lim。
由图7可知在被动型控制逻辑下，当光照强度较大或者环境温度较低时，被动型控制模式才有可能被激活，即一旦光伏板输出功率超过内置的Pref_lim值，光伏系统将不再进行最大功率点跟踪而是以Pref_lim输出功率。如果始终保持最大功率点跟踪工作状态，可能出现光伏板输出功率过大导致后级负载过载、过压等问题，加入被动型控制逻辑之后系统天然地具备了防止负载冲击的保护功能。

Claims (3)

1.一种基于直接功率控制的光伏组件输出控制方法，其特征在于，是将光伏组件的输出功率作为光伏组件输出侧的变换器的控制对象，按输出功率限定值Plimited的数值进行对其输出功率进行控制，在稳态情况下与光伏组件的输出功率Ppv保持一致；输出功率限定值Plimited的取值范围为[0，Pmpp]，其中Pmpp为预设环境条件下光伏组件能够输出的最大功率值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出功率限定值Plimited有两种给定方式：
(1)通过本地人机对话界面输入或远程通信输入的方式，由外界根据环境条件设定输出功率限定值Plimited，使光伏组件的最终输出功率大小为Plimited；
(2)在光伏组件输出侧变换器的控制程序中内置输出功率限定值Plimited，使光伏组件在任何环境条件下的输出功率都不得超过限定值Plimited。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
对于第(1)种给定方式：如果存在Plimited小于实际最大功率值Pmpp，则将光伏组件输出功率控制在限定值Plimited；如果存在Plimited大于实际最大功率值Pmpp，则进行LPPT到MPPT的模式切换，自动将光伏组件输出功率控制在最大值Pmpp；
对于第(2)种给定方式：如果存在Plimited小于实际最大功率值Pmpp，则将光伏组件输出功率控制在限定值Plimited；如果存在Plimited大于实际最大功率值Pmpp，则将LPPT模式切换到MPPT模式，光伏组件以当前的实际最大功率值Pmpp输出。
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CN102355165A (zh) * 2011-09-30 2012-02-15 浙江大学 具有全局最大功率输出功能的光伏发电装置

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傅钰泰: "出版时间证明", 《中国硕士优秀学位论文全文数据库》 *
傅钰泰: "模块化光伏系统中微型逆变器与功率优化器控制策略研究", 《中国硕士优秀学位论文全文数据库》 *

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