專利名稱：光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及局部陰影條件 下的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法。
背景技術(shù)：
隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和環(huán)保意識(shí)的覺醒，太陽能的開發(fā)利用日益受到重視，光伏發(fā)電是利用太陽能的主要方式。大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常需要將一定數(shù)量的光伏組件通過串并聯(lián)組成光伏陣列，為了防止組件產(chǎn)品故障或局部陰影帶來的負(fù)面影響，光伏陣列中還裝設(shè)有旁路二極管和防逆二極管。光伏組件的輸出電能與太陽輻照度、組件溫度密切相關(guān)，在均勻的太陽光照射下，光伏組件輸出功率呈現(xiàn)單峰現(xiàn)象。傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制方法及其改進(jìn)方法,例如恒定電壓法、擾動(dòng)-觀測(Perturb&0bserve,P&0)法/爬山法、電導(dǎo)增量法等,對于這種單峰功率特性具有較好的跟蹤控制效果。然而，實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏陣列分布范圍較廣，通常難以確保每塊光伏組件上的光照條件均勻一致。對于各類引起光照強(qiáng)度分布不均勻的因素，通常都稱之“陰影”，比如大型光伏電站通常建設(shè)在廣袤的荒漠上，因此可能遇到的陰影主要是陰云和山脈的遮擋；中小型建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)中，大量的光伏組件安裝在建筑物表面，其面臨的陰影除了上述陰云，主要是周圍建筑物和樹木等形成的局部陰影；此外，不同建筑面上的光伏組件接收的光照可能存在較大差異，這種差異也可以認(rèn)為光照較弱的建筑面上存在陰影。由于陰影的存在，光伏陣列的P-U輸出特性可能呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象。此時(shí)，由于局部峰值的干擾，傳統(tǒng)的MPPT方法往往難以找到全局峰值，即真正的光伏陣列最大功率點(diǎn)，從而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率顯著降低。申請?zhí)枮?01010223784.6的發(fā)明專利申請書中提出采用定時(shí)全局掃描來尋找全局最大功率點(diǎn)，申請?zhí)枮?01010018319.9的發(fā)明專利申請書則提出采用分別從左右兩側(cè)搜索尋找全局最大功率點(diǎn)。雖然上述全局掃描方式可以尋找到真正的最大功率點(diǎn)，但是不可避免會(huì)使光伏陣列的輸出功率產(chǎn)生不必要的長時(shí)間大幅度波動(dòng)，從而產(chǎn)生額外的功率損失并對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題的使光伏陣列的輸出功率長時(shí)間大幅度波動(dòng)、產(chǎn)生額外的功率損失并對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊的缺點(diǎn)，提供一種當(dāng)光伏陣列的P-U特性因光照條件局部變化或者個(gè)別光伏組件故障等原因呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象時(shí)，可以準(zhǔn)確跟蹤到光伏陣列的全局最大功率點(diǎn)的用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制方法。本發(fā)明所述的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，包括如下步驟I)光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制啟動(dòng)時(shí)，設(shè)置當(dāng)前溫度下對應(yīng)的光伏陣列開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、迭代步長(Ustep)、判斷閾值(e s、e 和e工)、初始電壓(U0)、傳統(tǒng)單峰值MPPT方法中的參數(shù)，令采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)k為I。
2)測量并記錄初始時(shí)刻U1時(shí)刻)光伏陣列的端電壓Uk和輸出電流Ik (k = I)。3)計(jì)算光伏陣列I-U特性曲線上當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)(Uk，Ik)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線斜率的倒數(shù)(Uk/Ik)，以及點(diǎn)(Isc;，u。。)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線斜率的倒數(shù)(U。。/。，如果lUk/Ik-U。。/〗」> es，(e s為判斷閾值)，跳轉(zhuǎn)步驟4);否則令光伏陣列的輸出端電壓參考值U = Uk,并跳轉(zhuǎn)至步驟6)。4)如果Uk/Ik < Uoc/Isc,則令光伏陣列的端電壓參考值U = Uk+Ustep ;否則U =Uk-Ust印。Ustep為預(yù)設(shè)的迭代步長。5)令k = k+1,測量并記錄tk時(shí)刻的Uk和Ik。返回步驟3)。6)令k = k+1，并采用傳統(tǒng)MPPT方法(變步長P&0方法、電導(dǎo)增量法等)確定tk時(shí)刻光伏陣列端電壓的參考值U。7)測量并記錄tk時(shí)刻的Uk和Ik。8)以光伏陣列開路電壓U。。為基準(zhǔn)，計(jì)算tk及V1時(shí)刻光伏陣列輸出端電壓Uk和Uh的相對偏差A(yù)U%，即AU%= I Uk-Ulrl | /U。。；以光伏陣列短路電流Is。為基準(zhǔn)，計(jì)算tk及V1時(shí)刻光伏陣列輸出電流Ik和Ilri的相對偏差A(yù) I %，即A I % = I Ik-Ilri I/Isc09)如果滿足AU%< Su并且AI%> S1Jel^P e工為判斷閾值)，說明光伏陣列的輸出特性(I-U特性、P-U特性)發(fā)生了變化(可能由陰影、組件故障等原因引起)，那么跳轉(zhuǎn)至步驟3)，否則返回步驟6)。當(dāng)光伏陣列接收到的太陽光是均勻一致時(shí)，其輸出功率特性呈單峰值，本發(fā)明將在系統(tǒng)初始化時(shí)迅速跟蹤到uk/lk ^ Uoc/Isc所對應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)(Uk，Ik)，隨后從該點(diǎn)迅速轉(zhuǎn)移至全局最大功率點(diǎn)。當(dāng)受到陰影或組件故障影響，光伏陣列輸出特性驟變時(shí)，本發(fā)明根據(jù)AU%< ei^PAI%> ￡1這2個(gè)條件能夠立即檢測到該變化，此時(shí)需要重新跟蹤當(dāng)前光伏陣列I-U特性曲線上Uk/Ik 乂 Uoc/Isc所對應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)(Uk，Ik)，基于該點(diǎn)傳統(tǒng)MPPT方法能夠快速準(zhǔn)確尋找到真正的全局最大功率點(diǎn)，避免困于次最大功率點(diǎn)；而且在此跟蹤控制過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)幅度不會(huì)被MPPT方法明顯放大，避免了全局掃描法帶來的過大的功率波動(dòng)。本發(fā)明的有益效果在于，當(dāng)光伏陣列的P-U輸出特性因光照條件局部變化或者個(gè)別光伏組件故障等原因呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象時(shí)，可以準(zhǔn)確跟蹤到光伏陣列的全局最大功率點(diǎn)，從而避免光伏發(fā)電系統(tǒng)長期運(yùn)行在局部功率峰值點(diǎn)造成的較大功率損失；同時(shí)最大功率跟蹤過程中不會(huì)引起光伏發(fā)電系統(tǒng)功率因MPPT方法產(chǎn)生額外的長時(shí)間大范圍波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明只需要測量光伏陣列的輸出電壓和電流，并進(jìn)行一些簡單的加減乘除運(yùn)算，具有較好的應(yīng)用前景。


圖I為局部陰影條件下的光伏陣列MPPT控制方法流程圖。圖2為實(shí)施例中全局最大功率點(diǎn)跟蹤過程示意圖。圖3為實(shí)施例中最大功率點(diǎn)跟蹤過程仿真圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例中MPPT的控制流程圖如附圖I所示，包括以下步驟I)光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制啟動(dòng)時(shí)，設(shè)置當(dāng)前溫度下對應(yīng)的光伏陣列開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、迭代步長(Ustep)、判斷閾值(e s、e 和e工)、初始電壓(U0)、傳統(tǒng)單峰值MPPT方法中的參數(shù)，令采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)k為I。
2)測量并記錄初始時(shí)刻U1時(shí)刻)光伏陣列的端電壓Uk和輸出電流Ik (k = I)。3)計(jì)算光伏陣列I-U特性曲線上當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)(Uk，Ik)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線斜率的倒數(shù)(Uk/Ik)，以及點(diǎn)(Isc;，u。。)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線斜率的倒數(shù)(U。。/。，如果lUk/Ik-U。。/〗」> es，(e s為判斷閾值)，跳轉(zhuǎn)步驟4);否則令光伏陣列的輸出端電壓參考值U = Uk,并跳轉(zhuǎn)至步驟6)。4)如果Uk/Ik < Uoc/Isc,則令光伏陣列的端電壓參考值U = Uk+Ustep ;否則U =Uk-Ust印。Ustep為預(yù)設(shè)的迭代步長。5)令k = k+1,測量并記錄tk時(shí)刻的Uk和Ik。返回步驟3)。6)令k = k+1，并采用傳統(tǒng)MPPT方法(變步長P&0方法、電導(dǎo)增量法等)確定tk時(shí)刻光伏陣列端電壓的參考值U。7)測量并記錄tk時(shí)刻的Uk和Ik。8)以光伏陣列開路電壓U。。為基準(zhǔn)，計(jì)算tk及V1時(shí)刻光伏陣列輸出端電壓Uk和Uh的相對偏差A(yù)U%，即AU%= I Uk-Ulrl | /U。。；以光伏陣列短路電流Is。為基準(zhǔn)，計(jì)算tk及V1時(shí)刻光伏陣列輸出電流Ik和Ilri的相對偏差A(yù) I %，即A I % = I Ik-Ilri I/Isc09)如果滿足AU%< Su并且AI%> e^ejP e工為判斷閾值)，說明光伏陣列的輸出特性(I-U特性、P-U特性)發(fā)生了變化(可能由陰影、組件故障等原因引起)，那么跳轉(zhuǎn)至步驟3)，否則返回步驟6)。本實(shí)施例中采用3種光照條件，分別為SO (無陰影)、S1 (某種漸變陰影)和S2 (某種局部均勻陰影)，對應(yīng)的光伏陣列的輸出I-U特性和P-U特性如附圖2所示。上述局部陰影條件下的光伏陣列MPPT控制方法產(chǎn)生的信號(hào)可以作為實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中DC-DC變換器或逆變器的PWM調(diào)制信號(hào)。下面將對照附圖2和附圖3來詳細(xì)介紹當(dāng)光照條件按
SO— SI — S2順序變化時(shí)，本發(fā)明跟蹤全局最大功率點(diǎn)的過程。本實(shí)施例中，SO — SI在
0.2s時(shí)發(fā)生跳變，SI — S2在0. 4s時(shí)發(fā)生跳變。DSO :無陰影時(shí)，光伏陣列的P-U特性曲線呈現(xiàn)單峰值，最大功率點(diǎn)在A點(diǎn)。0. 025s后，光伏陣列穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點(diǎn)A點(diǎn),輸出功率約為20kW。2) SO — SI :受漸變陰影的影響，光伏陣列的P-U特性曲線呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象(本實(shí)施例中共有3個(gè)峰值，其中全局最大功率點(diǎn)在D點(diǎn))。當(dāng)光照條件由SO跳變到SI瞬間，光伏陣列的端電壓U按傳統(tǒng)MPPT方法小步長擾動(dòng)，輸出電流驟降至B點(diǎn)對應(yīng)的電流Ib，此時(shí)滿足 AU%= I U1i-Uh I/Uoc < %和八1%= I I1i-Ih I/Isc > e 工，因此，本發(fā)明以步長 Ustep迅速在SI曲線上搜索到滿足Uk/Ik ^ UocZIsc的C點(diǎn)。然后傳統(tǒng)MPPT方法從C點(diǎn)開始搜索本山峰中的最高點(diǎn)D，即全局最大功率點(diǎn)。陰影SI產(chǎn)生0.05s后，光伏陣列就已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行于全局最大功率點(diǎn)D點(diǎn)，輸出功率約為7. 2kff ;而且跟蹤過程中，光伏陣列輸出功率最小值為3. 5kW，如果不考慮持續(xù)時(shí)間小于1/10工頻周期的功率尖刺，那么光伏陣列輸出功率的最小值約為5kW。顯然SO — SI過程中，實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確平穩(wěn)地跟蹤全局最大功率點(diǎn)的目標(biāo)。之后，只要光照條件不發(fā)生改變，光伏陣列就一直穩(wěn)定運(yùn)行在D點(diǎn)。
3) SI — S2 :在漸變陰影轉(zhuǎn)變?yōu)榫植烤鶆蜿幱八查g，光伏陣列的端電壓U按傳統(tǒng)MPPT方法小步長擾動(dòng)，輸出電流驟降至E點(diǎn)對應(yīng)的電流IE，此時(shí)滿足A U% = I Uk-UH I /U。< 和AI%= Ik-Ik^11/Isc > S1，因此，本發(fā)明以步長Ustep迅速在S2曲線上搜索到滿足Uk/Ik UocZIsc的F點(diǎn)。然后傳統(tǒng)MPPT方法從F點(diǎn)開始搜索本山峰中的最高點(diǎn)G，即全局最大功率點(diǎn)。陰影S2產(chǎn)生0. 03s后，光伏陣列就已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行于全局最大功率點(diǎn)G點(diǎn)，輸出功率約為10. 2kff ;而且跟蹤過程中，光伏陣列輸出功率最小值為3. 8kW，如果不考慮持續(xù)時(shí)間小于1/10工頻周期的功率尖刺，那么光伏陣列輸出功率的最小值約為5. 2kW。顯然
SI— S2過程中，實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確平穩(wěn)地跟蹤全局最大功率點(diǎn)的目標(biāo)。之后，只要光照條件不發(fā)生改變，光伏陣列就一直運(yùn)行在G點(diǎn)。
如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的典型實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍，即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，包括如下步驟 1)光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制啟動(dòng)時(shí)，設(shè)置當(dāng)前溫度下對應(yīng)的光伏陣列開路電壓(U。。)、短路電流(Isc)、迭代步長(Ustep)、判斷閾值(e s、e u和E1)、初始電壓(U。)、傳統(tǒng)單峰值MPPT方法中的參數(shù)，令采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)k的初始值為I。
2)測量并記錄初始時(shí)刻U1時(shí)刻)光伏陣列的端電壓Uk和輸出電流Ik(k = I)。
3)計(jì)算光伏陣列I-U特性曲線上當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)(Uk，Ik)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線斜率的倒數(shù)(Uk/Ik)，以及點(diǎn)(Isc, UJ與坐標(biāo)原點(diǎn)連線斜率的倒數(shù)(U。。/〗」，如果Uk/Ik_U0C/lJ > e s, ( e s為判斷閾值)，跳轉(zhuǎn)步驟4);否則令光伏陣列的輸出端電壓參考值U = Uk,并跳轉(zhuǎn)至步驟6)。
4)如果Uk/Ik< Uoc/Isc,則令光伏陣列的端電壓參考值U = Uk+Ustep ;否則U = Uk-Ustep0Ustep為預(yù)設(shè)的迭代步長。
5)令k= k+1,測量并記錄tk時(shí)刻的Uk和Iko返回步驟3)。
6)令k= k+1，并采用傳統(tǒng)MPPT方法(變步長P&0方法、電導(dǎo)增量法等)確定tk時(shí)刻光伏陣列端電壓的參考值U。
7)測量并記錄tk時(shí)刻的Uk和Ik。
8)以光伏陣列開路電壓U。。為基準(zhǔn)，計(jì)算tk及時(shí)刻光伏陣列輸出端電壓Uk和Uh的相對偏差A(yù)U%,BP AU%= I U1i-Uh I /U。。;以光伏陣列短路電流Isc為基準(zhǔn)，計(jì)算tk及V1時(shí)刻光伏陣列輸出電流Ik和Ilri的相對偏差A(yù) I %，即A I % = I Ik-Ilri I/Isc0 9)如果滿足AU%<Su并且AI%> S1, (S1^P e工為判斷閾值)，說明光伏陣列的輸出特性(I-U特性、P-U特性)發(fā)生了變化(可能由陰影、組件故障等原因引起)，那么跳轉(zhuǎn)至步驟3)，否則返回步驟6)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方法。該方法在傳統(tǒng)MPPT方法的基礎(chǔ)上，增加了光伏陣列輸出特性變化的判斷依據(jù)，改進(jìn)了輸出特性變化后的MPPT控制策略。當(dāng)光伏陣列輸出特性因陰影或組件故障等原因發(fā)生顯著變化時(shí)，迅速將光伏陣列I-U輸出特性上的運(yùn)行點(diǎn)(U，I)調(diào)整到連接坐標(biāo)原點(diǎn)與(Uoc，Isc)點(diǎn)的直線上，然后從該點(diǎn)出發(fā)，采用傳統(tǒng)MPPT方法跟蹤至光伏陣列的最大功率點(diǎn)。本發(fā)明不僅可以快速準(zhǔn)確跟蹤至光伏陣列多峰輸出P-U特性曲線上的全局最大功率點(diǎn)，而且跟蹤過程中光伏陣列輸出功率因MPPT方法引起的波動(dòng)較小，具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02N6/00GK102624285SQ201210079260
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者戚軍 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)