本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，是一種在線修正開路電壓的光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法。

背景技術(shù)：

我國太陽能資源豐富，大力發(fā)展太陽能發(fā)電是增加我國能源供應(yīng)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的有效途徑。然而由于目前光伏電池成本相對(duì)高，而轉(zhuǎn)換效率較低，輸出功率隨光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載的變化而變化，因此如何實(shí)時(shí)跟蹤并控制光伏電池使其穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)，對(duì)提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率減少功率損失具有重要研究意義。

傳統(tǒng)的開路電壓法，更新開路電壓要中斷系統(tǒng)正常工作，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行存在干擾，且所采用的控制關(guān)系只是近似比例關(guān)系，控制精度較低，不能完全實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。通過一種在線近似計(jì)算開路電壓來不斷更新參考電壓初值，不需要中斷系統(tǒng)的正常工作，可以根據(jù)環(huán)境變化快速到達(dá)最大功率點(diǎn)附近，再結(jié)合增量電導(dǎo)法進(jìn)一步優(yōu)化提高算法的精度。在外界環(huán)境溫度變化較大時(shí)，該方法可以有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提出一種在線修正開路電壓的光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法，該方法考慮光伏系統(tǒng)輸出功率受外界溫度變化的影響，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，通過在線修正開路電壓，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)能迅速跟蹤最大功率點(diǎn)，以此來提高光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是，通過一種在線近似計(jì)算開路電壓來不斷更新參考電壓初值，使輸出功率可以根據(jù)環(huán)境變化快速到達(dá)最大功率點(diǎn)附近，再結(jié)合增量電導(dǎo)法進(jìn)一步優(yōu)化提高算法的精度。包括給定溫度和輻照度光伏電池模型的建立、不同溫度和輻照度光伏電池的模型建立、改進(jìn)開路電壓的最大功率跟蹤控制策略和并網(wǎng)逆變器控制策略等內(nèi)容，通過PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了包含光伏電池模型、升壓斬波電路和并網(wǎng)逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)。其特征是，根據(jù)外部環(huán)境變化更新開路電壓，使光伏系統(tǒng)快速穩(wěn)定于最大功率點(diǎn)；為進(jìn)一步提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，引入增量電導(dǎo)法改善最大功率點(diǎn)處的穩(wěn)態(tài)性能。它包括以下內(nèi)容：

1)給定溫度和輻照度的光伏電池模型的建立

基于光伏電池的外特性，根據(jù)環(huán)境變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下光伏電池的開路電壓V_oc、最大功率點(diǎn)電壓V_m和電流I_m進(jìn)行修正，擬合出不同環(huán)境下的輸出特性，用式(1)表示：

其中，I_L為光伏電池的電流(A)；I_sc為光伏電池的短路電流(A)；V為光伏電池的電動(dòng)勢(V)；

該模型只需要輸入光伏電池廠家提供的技術(shù)參數(shù)——短路電流I_sc、開路電壓V_oc、最大功率點(diǎn)電壓V_m和最大功率點(diǎn)電流I_m，就可以得出中間變量C₁、C₂，從而確定I-V特性曲線。

對(duì)于m×n節(jié)電池組成的光伏陣，其I-V方程為式(2)：

其中，m為串聯(lián)光伏電池個(gè)數(shù)，n為并聯(lián)光伏電池組數(shù)；

2)不同溫度和輻照度光伏電池的模型建立

在不同光強(qiáng)和溫度條件下，對(duì)式(1)或式(2)的各參數(shù)進(jìn)行修正以刻畫輸出特性：

ΔT＝T-T_ref (3)

V′_oc＝V_ocref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (6)

V′_m＝V_mref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (8)

其中，T為當(dāng)前電池板溫度，T_ref為電池板溫度的參考值，其值為25℃，△T為當(dāng)前環(huán)境溫度T與參考溫度T_ref的差值；S為當(dāng)前輻照強(qiáng)度，S_ref為輻照強(qiáng)度的參考值，其值為1000MW/m²，△S為當(dāng)前輻照強(qiáng)度S與參考輻照強(qiáng)度S_ref的差值；I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref為參考輻照強(qiáng)度和溫度下的短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)的電流和電壓的參考值，I′_sc、V′_oc、I′_m、V′_m分別為I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref在不同環(huán)境下的修正值；a與c為溫度補(bǔ)償系數(shù)，b為光強(qiáng)補(bǔ)償系數(shù)，本文取值為a＝0.0008/℃，c＝0.005/℃，b＝0.2；e為合理邊界誤差。

根據(jù)參考輻照強(qiáng)度和溫度下的I_sc、V_oc、I_m、V_m推算出新輻照強(qiáng)度和溫度下的I_sc'、V_oc'、V_m'、I_m'，再代入式(1)或(2)中得到新輻照強(qiáng)度和溫度下的I-V特性曲線；

3)改進(jìn)開路電壓的最大功率跟蹤控制策略

由光伏電池的P-V曲線可以得出：當(dāng)溫度一定時(shí)，輻照強(qiáng)度的變化對(duì)I_sc的影響較大，對(duì)V_oc的影響較小；當(dāng)輻照強(qiáng)度一定時(shí)，溫度的變化對(duì)V_oc的影響較大，對(duì)I_sc的影響較小；因此，只需在外界溫度發(fā)生較大變化時(shí)在線計(jì)算更新V_oc大??；

不同環(huán)境條件下，當(dāng)光伏系統(tǒng)的V_oc發(fā)生改變時(shí)，光伏系統(tǒng)的V_m也近似地成比例變化，V_m和開路電壓V_oc之間存在著近似的線性關(guān)系V_m≈k₁×V_oc，對(duì)于不同的光伏系統(tǒng)k₁取值不同，本文取k₁＝0.79；忽略光照變化影響，則△S＝0，根據(jù)式(6)得ln(e+b△S)＝1，故可將(6)式改成下式(9)近似計(jì)算新環(huán)境下的V_oc'：

V′_oc≈V_oc-V_oc×c×ΔT (9)

當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，通過改進(jìn)開路電壓法可以將工作點(diǎn)迅速調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近，然后采用增量電導(dǎo)法逐步逼近最大功率點(diǎn)；

4)并網(wǎng)逆變器控制策略

單相兩級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，前級(jí)Boost斬波電路實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制，輸出電壓具有較廣的選擇范圍，后級(jí)DC/AC逆變電路的功能是穩(wěn)定直流側(cè)電壓和控制并網(wǎng)電流，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變和最大功率跟蹤獨(dú)立控制，兩級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，減小了裝置的復(fù)雜度，系統(tǒng)的可靠性提高，并網(wǎng)逆變器控制采用電流反饋雙閉環(huán)控制策略，為了提高交流側(cè)電流的響應(yīng)速度，在雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上引入功率平衡前饋環(huán)節(jié)，使得交流側(cè)輸出能夠更快地對(duì)直流側(cè)輸入功率變化做出響應(yīng)。

本發(fā)明為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的效率，其有益效果體現(xiàn)在：在外界環(huán)境溫度變化較大時(shí)，該方法可以有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。

附圖說明

圖1不同光照下I-V曲線(T＝25℃)；

圖2不同光照下P-V曲線(T＝25℃)；

圖3不同溫度下I-V曲線(S＝1000W/m2)；

圖4不同溫度下P-V曲線(S＝1000W/m2)；

圖5改進(jìn)MPPT算法流程圖；

圖6最大功率跟蹤算法仿真的跟蹤功率變化波形圖；

圖7改進(jìn)MPPT算法參考電壓波形；

圖8增量電導(dǎo)法參考電壓變化曲線；

圖9兩級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路；

圖10直流母線電壓波形；

圖11逆變輸出功率波形；

圖12逆變輸出電流與電網(wǎng)電壓波形；

圖13并網(wǎng)電流參考波幅值波形。

具體實(shí)施方式

下面利用附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明在線修正開路電壓的光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的一種在線修正開路電壓的光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法，包括以下內(nèi)容：

1)給定溫度和輻照度的光伏電池模型的建立

基于光伏電池的外特性，根據(jù)環(huán)境變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下光伏電池的開路電壓V_oc、最大功率點(diǎn)電壓V_m和電流I_m進(jìn)行修正，擬合出不同環(huán)境下的輸出特性，用式(1)表示：

其中，I_L為光伏電池的電流(A)；I_sc為光伏電池的短路電流(A)；V為光伏電池的電動(dòng)勢(V)；

該模型只需要輸入光伏電池廠家提供的技術(shù)參數(shù)——短路電流I_sc、開路電壓V_oc、最大功率點(diǎn)電壓V_m和最大功率點(diǎn)電流I_m，就可以得出中間變量C₁、C₂，從而確定I-V特性曲線。

對(duì)于m×n節(jié)電池組成的光伏陣，其I-V方程為式(2)：

其中，m為串聯(lián)光伏電池個(gè)數(shù)，n為并聯(lián)光伏電池組數(shù)；

2)不同溫度和輻照度光伏電池的模型建立

在不同光強(qiáng)和溫度條件下，對(duì)式(1)或式(2)的各參數(shù)進(jìn)行修正以刻畫輸出特性：

ΔT＝T-T_ref (12)

V′_oc＝V_ocref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (15)

V′_m＝V_mref(1-cΔT)ln(e+bΔS) (17)

其中，T為當(dāng)前電池板溫度，T_ref為電池板溫度的參考值，其值為25℃，△T為當(dāng)前環(huán)境溫度T與參考溫度T_ref的差值；S為當(dāng)前輻照強(qiáng)度，S_ref為輻照強(qiáng)度的參考值，其值為1000MW/m²，△S為當(dāng)前輻照強(qiáng)度S與參考輻照強(qiáng)度S_ref的差值；I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref為參考輻照強(qiáng)度和溫度下的短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)的電流和電壓的參考值，I′_sc、V′_oc、I′_m、V′_m分別為I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref在不同環(huán)境下的修正值；a與c為溫度補(bǔ)償系數(shù)，b為光強(qiáng)補(bǔ)償系數(shù)，本文取值為a＝0.0008/℃，c＝0.005/℃，b＝0.2；e為合理邊界誤差。

根據(jù)參考輻照強(qiáng)度和溫度下的I_sc、V_oc、I_m、V_m推算出新輻照強(qiáng)度和溫度下的I_sc'、V_oc'、V_m'、I_m'，再代入式(1)或(2)中得到新輻照強(qiáng)度和溫度下的I-V特性曲線；

3)改進(jìn)開路電壓的最大功率跟蹤控制策略

由光伏電池的P-V曲線可以得出：當(dāng)溫度一定時(shí)，輻照強(qiáng)度的變化對(duì)I_sc的影響較大，對(duì)V_oc的影響較小；當(dāng)輻照強(qiáng)度一定時(shí)，溫度的變化對(duì)V_oc的影響較大，對(duì)I_sc的影響較小；因此，只需在外界溫度發(fā)生較大變化時(shí)在線計(jì)算更新V_oc大??；

不同環(huán)境條件下，當(dāng)光伏系統(tǒng)的V_oc發(fā)生改變時(shí)，光伏系統(tǒng)的V_m也近似地成比例變化，V_m和開路電壓V_oc之間存在著近似的線性關(guān)系V_m≈k₁×V_oc，對(duì)于不同的光伏系統(tǒng)k₁取值不同，本文取k₁＝0.79；忽略光照變化影響，則△S＝0，根據(jù)式(6)得ln(e+b△S)＝1，故可將(6)式改成下式(9)近似計(jì)算新環(huán)境下的V_oc'：

V′_oc≈V_oc-V_oc×c×ΔT (18)

當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，通過改進(jìn)開路電壓法可以將工作點(diǎn)迅速調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近，然后采用增量電導(dǎo)法逐步逼近最大功率點(diǎn)；

4)并網(wǎng)逆變器控制策略

單相兩級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，前級(jí)Boost斬波電路實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制，輸出電壓具有較廣的選擇范圍，后級(jí)DC/AC逆變電路的功能是穩(wěn)定直流側(cè)電壓和控制并網(wǎng)電流，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變和最大功率跟蹤獨(dú)立控制，兩級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，減小了裝置的復(fù)雜度，系統(tǒng)的可靠性提高，并網(wǎng)逆變器控制采用電流反饋雙閉環(huán)控制策略，為了提高交流側(cè)電流的響應(yīng)速度，在雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上引入功率平衡前饋環(huán)節(jié)，使得交流側(cè)輸出能夠更快地對(duì)直流側(cè)輸入功率變化做出響應(yīng)。

實(shí)施例計(jì)算條件說明如下：

(1)忽略了串聯(lián)電阻R_s和旁漏電阻R_sh的影響；

(2)光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下(25℃，1000W/m²)參數(shù)為：V_oc＝21.5V，I_sc＝6.5A，V_m＝17V，I_m＝5.6A；

(3)取溫度補(bǔ)償系數(shù)a＝0.0008，c＝0.005，光強(qiáng)補(bǔ)償系數(shù)b＝0.2；

(4)對(duì)于單片光伏電池板m＝1，n＝1；

根據(jù)實(shí)施例計(jì)算條件(1)-(4)，應(yīng)用本發(fā)明一種在線修正開路電壓的光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法，對(duì)在線修正開路電壓的光伏發(fā)電最大功率跟蹤動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能的結(jié)果如下：

1.光伏電池仿真建模

在給定計(jì)算條件下，光伏電池的仿真建模的具體形式由式(2)給出：

其中，

在標(biāo)準(zhǔn)條件下(25℃，1000W/m²)光伏電池參數(shù)：V_ocref＝21.5V，I_scref＝6.5A，V_mref＝17V，I_mref＝5.6A，根據(jù)當(dāng)前輻照強(qiáng)度和電池板的溫度再結(jié)合參考輻照強(qiáng)度和溫度下的I_scref、V_ocref、I_mref、V_mref代入(3)-(8)式推算出新輻照強(qiáng)度和溫度下的I_sc'、V_oc'、V_m'、I_m'，再代入式(2)中得到新輻照強(qiáng)度和溫度下的I-V特性，其結(jié)果如附圖1和附圖3所示；由附圖1-4可知光伏電池的輸出功率受輻照強(qiáng)度和溫度的影響比較顯著；當(dāng)T＝25℃，由附圖1可知，隨著輻照強(qiáng)度增加時(shí)，V_oc變化不大，I_sc增加明顯，最大輸出功率增加；當(dāng)S＝1000W/m²，由附圖3可知,光伏電池板的溫度增加時(shí)，V_oc下降明顯，I_sc略有增加，最大輸出功率減小。在給定輻照強(qiáng)度和溫度下，電池具有唯一的最大功率點(diǎn)。

2.改進(jìn)開路電壓的最大功率跟蹤控制策略

由附圖2和附圖4的P-V曲線可以看出，在不同環(huán)境條件下，當(dāng)光伏系統(tǒng)的V_oc發(fā)生改變時(shí)，光伏系統(tǒng)的V_m也近似地成比例變化，V_m和開路電壓V_oc之間存在著近似的線性關(guān)系V_m≈k₁×V_oc，對(duì)此，本文k₁取0.79。

忽略光照變化影響，根據(jù)式(9)，近似計(jì)算新環(huán)境下的V_oc'，然后采用增量電導(dǎo)法逐步逼近最大功率點(diǎn)。具體算法流程如附圖5所示。

表1環(huán)境變化的條件

外部環(huán)境變化條件如表1所示，附圖6為最大功率跟蹤算法仿真的跟蹤功率變化波形圖，從仿真驗(yàn)證結(jié)果可以看出，采用的改進(jìn)最大功率跟蹤算法可以有效地跟蹤最大功率點(diǎn)，當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，依然可以快速精確跟蹤最大功率點(diǎn)，具有較好的適應(yīng)性和有效性。

附圖7和附圖8為改進(jìn)最大功率跟蹤算法與增量電導(dǎo)法的響應(yīng)時(shí)間比較，從圖中可以看出在溫度變化了15℃時(shí)，采用在線修正開路電壓法動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間縮短了46ms，驗(yàn)證了該算法具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。同時(shí)通過設(shè)置合理邊界誤差e，有效克服了最大功率點(diǎn)處振蕩現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

3.光伏陣列并網(wǎng)逆變仿真驗(yàn)證

將多組光伏電池串并聯(lián)構(gòu)成光伏陣列，經(jīng)逆變器后接入單相220V/50Hz交流電源，單相兩級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如附圖9所示，在0.8s時(shí)光照增加400W/m²、溫度減小10℃，仿真結(jié)果如附圖10-13，由圖可知并網(wǎng)逆變器采用結(jié)合功率平衡的雙閉環(huán)控制策略，在保證直流母線電壓在一定波動(dòng)范圍內(nèi)的穩(wěn)定同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了控制逆變電路輸出的交流電流與電網(wǎng)電壓同相，保持功率因數(shù)接近于1。

本發(fā)明實(shí)施例中的計(jì)算條件、圖例、表等僅用于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，并非窮舉，并不構(gòu)成對(duì)權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲得的啟示，不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)就能夠想到其它實(shí)質(zhì)上等同的替代，均在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。