CN113949102B - 一种全局最大功率点跟踪方法、功率优化器和光伏逆变器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种全局最大功率点跟踪方法、功率优化器和光伏逆变器，实现了在局部遮挡条件下，快速、准确地追踪到全局最大功率点。该方法包括：判断光伏组串是否被局部遮挡，所述局部遮挡是指光伏组串上的太阳辐照度的不均匀度超过预设百分比；若是，根据I2、PB和k计算参考电压V1，I2为局部遮挡前光伏组串的输出电流，PB为被局部遮挡时光伏组串的输出功率，k为预设的功率损失值；将光伏组串的输出电压调节到V1，再获取光伏组串在电压V1下的输出电流I1，判断I1是否大于I2，若是，从V1开始继续进行最大功率点跟踪，若否，从原电压开始继续进行最大功率点跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，更具体地说，涉及一种全局最大功率点跟踪方法、功率优化器和光伏逆变器。
背景技术
光伏组串的PV曲线随着光照强度、外界温度等环境条件的变化而变化。在均匀的太阳辐照和恒定的环境条件下，光伏组串的PV曲线是以最大功率点为极值的单峰值曲线，例如图1所示。根据环境条件的变化实时调整光伏组串的输出电压，使其始终工作在最大功率点的过程，称为最大功率点跟踪技术。传统的最大功率点跟踪算法有固定电压法、短路电流法、扰动观察法、增量电导法等。
但是在光伏组串被局部遮挡(所述局部遮挡例如是多云天气下太阳辐照度快速变化导致的)时，光伏组串上的太阳辐照度变得不均匀，此时光伏组串的PV曲线会从原来的单峰值曲线畸变为多峰值曲线，具有多个局部最大功率点，其中只有一个是全局最大功率点，例如图2所示。传统的最大功率点跟踪算法在单峰值PV曲线下表现良好，但是在多峰值PV曲线下可能陷入局部最大功率点，无法追踪到全局最大功率点，进而影响到追踪效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种全局最大功率点跟踪方法、功率优化器和光伏逆变器，以实现在局部遮挡条件下，快速、准确地追踪到全局最大功率点。
一种全局最大功率点跟踪方法，包括：
在对光伏组串进行最大功率点跟踪过程中，判断光伏组串是否被局部遮挡，所述局部遮挡是指光伏组串上的太阳辐照度的不均匀度超过预设百分比；
若是，根据I2、PB和k计算参考电压V1；I2为局部遮挡前光伏组串的输出电流，PB为被局部遮挡时光伏组串的输出功率，k为预设的功率损失值，k≥0；
将光伏组串的输出电压调节到所述参考电压V1，然后获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，若是，从当前输出电压开始继续进行最大功率点跟踪，若否，将光伏组串的输出电压调回到原电压，从原电压开始继续进行最大功率点跟踪。
可选的，所述判断光伏组串是否被局部遮挡，包括：
将光伏组串当前时刻的输出电流与上一时刻的输出电流做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
或者，所述判断光伏组串是否被局部遮挡，包括：
将光伏组串当前时刻的输出功率与上一时刻的输出功率做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
可选的，所述获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，替换为：
获取光伏组串在当前输出电压下的输出功率，将光伏组串在当前输出电压下的输出功率与局部遮挡前光伏组串的输出功率作比较。
可选的，所述根据I2、PB和k计算参考电压V1，包括：计算得到V1＝(PB+k)/I2。
一种功率优化器，包括主电路和控制电路；所述主电路的输入端连接光伏组串；
所述控制电路用于在对光伏组串进行最大功率点跟踪过程中，判断光伏组串是否被局部遮挡，所述局部遮挡是指光伏组串上的太阳辐照度的不均匀度超过预设百分比；若是，根据I2、PB和k计算参考电压V1，I2为局部遮挡前光伏组串的输出电流，PB为被局部遮挡时光伏组串的输出功率，k为预设的功率损失值，k≥0；将光伏组串的输出电压调节到所述参考电压V1，然后获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，若是，从当前输出电压开始继续进行最大功率点跟踪，若否，将光伏组串的输出电压调回到原电压，从原电压开始继续进行最大功率点跟踪。
可选的，所述控制电路用于将光伏组串当前时刻的输出电流与上一时刻的输出电流做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
或者，所述控制电路用于将光伏组串当前时刻的输出功率与上一时刻的输出功率做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
可选的，所述控制电路用于获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，替换为：所述控制电路用于获取光伏组串在当前输出电压下的输出功率，将光伏组串在当前输出电压下的输出功率与局部遮挡前光伏组串的输出功率作比较。
一种光伏逆变器，所述光伏逆变器为两级式结构，其前级为上述任一种功率优化器，后级为逆变电路。
从上述的技术方案可以看出，在局部遮挡条件下，本发明首先找到与光伏组件的全局最大功率点最接近的一个局部最大功率点，然后从该局部最大功率点开始最大功率点跟踪，这样就把多峰转化成了单峰追踪，能够应用传统算法快速、准确地实现全局最大功率点的追踪。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种光伏组串的单峰值PV曲线示意图；
图2为现有技术公开的一种光伏组串的多峰值PV曲线示意图；
图3为本发明实施例公开的一种全局最大功率点跟踪方法流程图；
图4为光伏组串被局部遮挡前、后的IV曲线示意图；
图5为无阴影遮挡时N块组件串联后的IV曲线和无阴影遮挡时其中1块组件的IV曲线示意图；
图6为L2曲线可能位于L3曲线上方时的示意图；
图7为L2曲线可能位于L3曲线下方时的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图3，本发明实施例公开了一种全局最大功率点跟踪方法，包括：
步骤S01：在对光伏组串进行最大功率点跟踪的过程中，判断光伏组串是否被局部遮挡，若是，进入步骤S02，若否，返回步骤S01。
具体的，光伏组串被局部遮挡时，光伏组串中不同组件接收的太阳辐照度存在差异，造成光伏组串有多个局部最大功率点，传统的最大功率点跟踪算法在此情况下可能陷入局部最大功率点，无法追踪到全局最大功率点，进而影响到追踪效率。对此，可以在采用传统算法对光伏组串进行最大功率点跟踪的过程中，实时判断光伏组串是否被局部遮挡(局部遮挡的程度极小时，可以忽略不计，视为无阴影遮挡；本发明实施例所判定的局部遮挡，是指光伏组串上的太阳辐照度的不均匀度超过预设百分比n％，n％可以设置为等于或略大于0％)，以便在被局部遮挡时迅速做出反应，快速、准确地追踪到全局最大功率点。
图4示出了某一光伏组串分别在无阴影遮挡、局部遮挡条件下的IV曲线；局部遮挡条件下光伏组串的IV曲线由多个不同坡度值的坡段组合，各坡段的坡度值向右逐渐递减，最高坡度值的坡段为光伏组串中未被云层遮挡的组件串联后的IV曲线，每个坡段上都有一个最大功率点，图4仅以包含一高一低两个坡段为例；Isc表示光伏组串短路电流，Voc表示光伏组串开路电压。参见图4，无阴影遮挡时光伏组串工作在最大功率点即A(V2，I2)点，当被局部遮挡时光伏组串实时输出电流以及实时输出功率快速降低，光伏组串工作点瞬间跌落到B(V2，I3)点。基于此，可以实时检测光伏组串的输出电流(或输出功率)，并将其与上一时刻的光伏组串的输出电流(或输出功率)作差，若其差值的绝对值|I3-I2|(或|V2*I3-V2*I2|)超过阈值，说明当前时刻下光伏组串被局部遮挡，发生PV曲线畸变；反之，视为光伏组串无阴影遮挡。
步骤S02：根据I2、PB和k计算参考电压V1，计算公式可写作V1＝(PB+k)/I2；I2为局部遮挡前光伏组串的输出电流，PB为被局部遮挡时光伏组串的输出功率，k为预设的功率损失值，k≥0。之后进入步骤S03。
步骤S03：将光伏组串的输出电压调节到参考电压V1，之后进入步骤S04。
步骤S04：获取光伏组串在当前输出电压V1下的输出电流I1，之后进入步骤S05。
步骤S05：判断输出电流I1是否大于输出电流I2，若是，进入步骤S06；若否，进入步骤S07。
步骤S06：从当前输出电压V1开始继续进行最大功率点跟踪，至此本轮控制结束。
步骤S07：将光伏组串的输出电压调回到原电压，从原电压开始继续进行最大功率点跟踪，至此本轮控制结束。
具体的，仍参见图4所示示例，光伏组串工作点瞬间跌落到B(V2，I3)点后，B(V2，I3)点必然落在低坡段上而且非常接近当前坡段的最大功率点，局部遮挡后光伏组串的全局最大功率点要么在当前低坡段上，要么转移到了最高坡度值的坡段上(即局部遮挡后光伏组串的全局最大功率点要么就在当前低坡段上的最大功率点附近，要么发生了大幅度转移)，经判断后，如果是前者，则从B点开始继续进行最大功率点跟踪；如果是后者，则在最高坡度值的坡段上选取一优选点D，从优选点D开始继续进行最大功率点跟踪，这样就把多峰转化成了单峰追踪，不至于陷入当前低坡段上的最大功率点，实现了快速、准确地追踪到全局最大功率点。该判断过程的详细阐述以及优选点D的选取过程如下：
光伏组串是由N块组件串联而成，N≥2。图5示意了无阴影遮挡时N块组件串联后的IV曲线和无阴影遮挡时其中1块组件的IV曲线，当这N块组件的规格一致时，这一块组件的最大功率点电流与这N块组件串联后的最大功率点电流基本一致，差异仅在于组件串联失配带来的微小差异，图5及下述描述均暂且忽略该微小差异。
仍参见图4所示示例，按下述要求在图4中找到一个参考点C：要求C点与A(V2，I2)点等电流，且C点与B(V2，I3)点等功率。基于上一段内容可知，C点就是无阴影遮挡时x(x＝B点功率PB/组件无阴影遮挡时1块组件的最大功率)个组件串联后的IV曲线上的最大功率点。C点坐标为(V1，I2)，V1＝B点功率PB/I2。为便于理解，将C点所在的IV曲线补齐，即图6中的L3曲线，L3曲线是虚构出的一条参考曲线。
将图4中光伏组串被局部遮挡后的IV曲线记为L2曲线，光伏组串无阴影遮挡时的IV曲线记为L1曲线。相对于L1曲线来说，L2曲线必然位于L1曲线下方；相对于L3曲线来说，L2曲线可能位于L3曲线上方(参见图6)，也可能位于L3曲线下方(参见图7)。
参见图6，当L2曲线位于L3曲线上方时，也就是L2曲线上电压为V1的一点(以下称为D点)的电流大于C(V1，I2)点电流的情况下，L2曲线代表的光伏组串中未被遮挡的组件数量大于L3曲线代表的组件数量x，而L2曲线的最大功率点按照理论推算是在D点的右侧，假设为图6中的E点。由于此时B点的等功率点C点功率＜D点功率，可知此时光伏组串被局部遮挡后的全局最大功率点不在B点附近，将光伏组串工作点切换至D点，然后再进行进一步的搜索确定，即可找到真正的最大功率点E点。
参见图7，当L2曲线位于L3曲线下方时，也就是L2曲线上电压为V1的一点(以下称为D点)的电流小于C(V1，I2)点电流的情况下，L2曲线代表的光伏组串中未被遮挡的组件数量小于L3曲线代表的组件数量x，而L2曲线的另外一个局部最大功率点按照理论推算应该在D点的左侧，也就是图7中的E点，显然，E点和C点电流相等的情况下，E点的电压低于C点，所以，E点的功率小于C点。由于B点的等功率点C点功率＞E点功率，可知此时光伏组串被局部遮挡后的全局最大功率点在B点附近，将光伏组串工作点切回至B点，然后再进行进一步的搜索确定，即可找到真正的最大功率点F点。
综上所述，在局部遮挡条件下，本发明实施例首先找到与光伏组件的全局最大功率点最接近的一个局部最大功率点，然后从该局部最大功率点开始最大功率点跟踪，这样就把把多峰转化成了单峰追踪，能够应用传统算法快速、准确地实现全局最大功率点的追踪。
当然，上述步骤S05中的电流判断过程中也可以替换为功率判断。
另外，考虑上文提及的组件串联失配带来的微小差异，在寻找C点和D点时，有必要将功率损失值考虑在内，从而使计算结果更准确。也即是说，在计算参考电压V1时，将计算公式改进为V1＝(PB+k)/I2，k为预设的功率损失值，k＞0。当然，为简化计算且在组件串联失配损失不大的情况下，也可以设置k＝0。
此外，本发明实施例还公开了一种功率优化器，包括主电路和控制电路；所述主电路的输入端连接光伏组串；
所述控制电路用于在对光伏组串进行最大功率点跟踪过程中，判断光伏组串是否被局部遮挡，所述局部遮挡是指光伏组串上的太阳辐照度的不均匀度超过预设百分比；若是，根据I2、PB和k计算参考电压V1，I2为局部遮挡前光伏组串的输出电流，PB为被局部遮挡时光伏组串的输出功率，k为预设的功率损失值，k≥0；将光伏组串的输出电压调节到所述参考电压V1，然后获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，若是，从当前输出电压开始继续进行最大功率点跟踪，若否，将光伏组串的输出电压调回到原电压，从原电压开始继续进行最大功率点跟踪。
可选的，在判断光伏组串是否被局部遮挡时，所述控制电路具体用于将光伏组串当前时刻的输出电流与上一时刻的输出电流做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
或者，在判断光伏组串是否被局部遮挡时，所述控制电路具体用于将光伏组串当前时刻的输出功率与上一时刻的输出功率做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
可选的，在上述公开的任一种功率优化器中，所述控制电路用于获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，可替换为：所述控制电路用于获取光伏组串在当前输出电压下的输出功率，将光伏组串在当前输出电压下的输出功率与局部遮挡前光伏组串的输出功率作比较。
此外，本发明实施例还公开了一种光伏逆变器，所述光伏逆变器为两级式结构，其前级为上述公开的任一种功率优化器，后级为逆变电路。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的功率优化器、光伏逆变器而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种全局最大功率点跟踪方法，其特征在于，包括：
在对光伏组串进行最大功率点跟踪过程中，判断光伏组串是否被局部遮挡，所述局部遮挡是指光伏组串上的太阳辐照度的不均匀度超过预设百分比；
若是，根据I2、PB和k计算参考电压V1；I2为局部遮挡前光伏组串的输出电流，PB为被局部遮挡时光伏组串的输出功率，k为预设的功率损失值，k≥0；
将光伏组串的输出电压调节到所述参考电压V1，然后获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，若是，从当前输出电压开始继续进行最大功率点跟踪，若否，将光伏组串的输出电压调回到原电压，从原电压开始继续进行最大功率点跟踪；其中，所述原电压为光伏组串被局部遮挡时的电压。
2.根据权利要求1所述的全局最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述判断光伏组串是否被局部遮挡，包括：
将光伏组串当前时刻的输出电流与上一时刻的输出电流做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
3.根据权利要求1所述的全局最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述判断光伏组串是否被局部遮挡，包括：
将光伏组串当前时刻的输出功率与上一时刻的输出功率做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
4.根据权利要求1所述的全局最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，替换为：
获取光伏组串在当前输出电压下的输出功率，将光伏组串在当前输出电压下的输出功率与局部遮挡前光伏组串的输出功率作比较。
5.根据权利要求1所述的全局最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述根据I2、PB和k计算参考电压V1，包括：计算得到V1＝(PB+k)/I2。
6.一种功率优化器，其特征在于，包括主电路和控制电路；所述主电路的输入端连接光伏组串；
所述控制电路用于在对光伏组串进行最大功率点跟踪过程中，判断光伏组串是否被局部遮挡，所述局部遮挡是指光伏组串上的太阳辐照度的不均匀度超过预设百分比；若是，根据I2、PB和k计算参考电压V1，I2为局部遮挡前光伏组串的输出电流，PB为被局部遮挡时光伏组串的输出功率，k为预设的功率损失值，k≥0；将光伏组串的输出电压调节到所述参考电压V1，然后获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，若是，从当前输出电压开始继续进行最大功率点跟踪，若否，将光伏组串的输出电压调回到原电压，从原电压开始继续进行最大功率点跟踪；其中，所述原电压为光伏组串被局部遮挡时的电压。
7.根据权利要求6所述的功率优化器，其特征在于，所述控制电路用于将光伏组串当前时刻的输出电流与上一时刻的输出电流做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
8.根据权利要求6所述的功率优化器，其特征在于，所述控制电路用于将光伏组串当前时刻的输出功率与上一时刻的输出功率做差，然后判断其差值的绝对值是否超过阈值，若是，判定光伏组串被局部遮挡。
9.根据权利要求6所述的功率优化器，其特征在于，所述控制电路用于获取光伏组串在当前输出电压下的输出电流I1，判断输出电流I1是否大于输出电流I2，替换为：所述控制电路用于获取光伏组串在当前输出电压下的输出功率，将光伏组串在当前输出电压下的输出功率与局部遮挡前光伏组串的输出功率作比较。
10.一种光伏逆变器，其特征在于，所述光伏逆变器为两级式结构，其前级为权利要求6-9中任一项所述的功率优化器，后级为逆变电路。
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| CN113949102A (zh) | 2022-01-18 |
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