本發(fā)明涉及到光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種太陽能組件快速mppt方法。

背景技術(shù)：

太陽能是一種十分具有潛力的新能源，光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽能的主要方式之一。光伏器件的輸出功率受輻照度和溫度的影響，在外部環(huán)境穩(wěn)定的條件下，光伏器件存在唯一的最大輸出功率點(diǎn)。為了在同樣的輻照度和電池結(jié)溫條件下獲得盡可能多的電能，需要對(duì)最大功率點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤。

早期對(duì)光伏陣列mppt技術(shù)的研究主要是定電壓跟蹤法(cvt)、光伏陣列組合法以及實(shí)際測(cè)量法。目前光伏陣列的最大功率跟蹤(mppt)方法主要分為基于數(shù)學(xué)模型的方法、基于擾動(dòng)的自尋優(yōu)法和基于智能技術(shù)的方法。

基于數(shù)學(xué)模型的方法是以建立優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)造求解方法及光伏陣列特性曲線，從而得出光伏陣列的最大功率輸出，所以光伏電池的等效電路模型及各種參數(shù)的正確性是需要著重考慮的。

利用五參數(shù)模型時(shí)，生產(chǎn)廠家一般只會(huì)給出標(biāo)準(zhǔn)工況下，即輻照度為1000w/m2，電池工作溫度為25℃(298k)的開路電壓uoc，短路電流isc，最大功率點(diǎn)處的電壓vmp和電流imp值。現(xiàn)有技術(shù)中先利用上面的四個(gè)值求標(biāo)況下的五參數(shù)，再引入修正量，來確定在一般情況下的五個(gè)參數(shù)值，但輻照度的實(shí)際測(cè)量誤差可能會(huì)很大，可行性不高；且該方法是在假定二極管理想因子不變的情況下確定的，實(shí)際二極管理想因子對(duì)曲線的影響較大，對(duì)所有電池板沒有一個(gè)普遍適合的值。

基于擾動(dòng)的自尋優(yōu)法是目前研究最廣也是應(yīng)用較為普遍的控制方法，根據(jù)直接測(cè)量到的光伏陣列的電壓和電流等信息進(jìn)行最大功率跟蹤，括擾動(dòng)觀察法(p&o)、增加電導(dǎo)法和類似p&o法的波動(dòng)相關(guān)控制法(rcc)等。這類方法需要試探性的調(diào)整電路的工作狀態(tài)，邏輯簡(jiǎn)單，但比較盲目，時(shí)間不夠快。而智能法包括模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等建立在大數(shù)據(jù)的條件下，目前不易實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能組件快速mppt方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是根據(jù)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種太陽能組件快速mppt方法，包括如下步驟：

步驟s1：整點(diǎn)時(shí)，改變太陽能組件板外部buck電路5次，測(cè)量5組電壓、電流值，根據(jù)電壓情況確定相應(yīng)的遮蔽情況，從而確定相應(yīng)的5參數(shù)模型；

步驟s2：根據(jù)5參數(shù)模型和這5組電壓、電流值確定5個(gè)方程，用迭代法求解5參數(shù)，從而得到整點(diǎn)時(shí)的u-i關(guān)系；

步驟s3：對(duì)任意時(shí)刻，設(shè)定輻照度與上一整點(diǎn)時(shí)刻的相同，將5參數(shù)中只受溫度變化影響的3個(gè)參數(shù)用整點(diǎn)值代，對(duì)于2個(gè)受輻照度影響較大的參數(shù)，通過測(cè)量2組電壓、電流值確定2個(gè)方程，直接解出2參數(shù)的值，從而得到任意時(shí)刻的u-i關(guān)系；

步驟s4：利用u-i關(guān)系式和最大功率點(diǎn)處功率p對(duì)電壓u的導(dǎo)數(shù)為0確定最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓、電流值，繼而確定buck電路占空比，調(diào)節(jié)占空比，使得光伏組件板運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處；

步驟s5：結(jié)合擾動(dòng)觀察法小范圍精細(xì)調(diào)整，跟蹤最大功率點(diǎn)。

上述技術(shù)方案中，所述光伏電池組件板包括60個(gè)電池單體，一個(gè)電池單體等效的5參數(shù)模型如公式(1)所示：

式中：q為電子電量常量，為1.602×10^-19c；k為玻爾茲曼常量，為1.381×10^-23j/k；a為二極管特性擬合系數(shù)，是一個(gè)變量，其值在1到2之間；

所述5參數(shù)分別是iph為光生電流、rsh為等效并聯(lián)電阻、is為二極管飽和電流、rs為等效串聯(lián)電阻以及為系數(shù)，其中q為電子電量常量，a為二極管特性擬合系數(shù)，t為實(shí)時(shí)的溫度，標(biāo)準(zhǔn)工況為輻照度為1000w/m²，電池工作溫度為25℃；

其中，光生電流iph在不同照度和輻照度下的修正量如式(2)所示：

式中：iphref是標(biāo)準(zhǔn)工況下的光生電流；s為實(shí)時(shí)的輻照度，sref為標(biāo)況下的輻照度；ct為溫度系數(shù)；

二極管飽和電流is在不同溫度下的修正量如公式(3)所示：

式中：isref是標(biāo)況下的二極管飽和電流，tref為標(biāo)況下的溫度，eg為禁帶寬度；

等效串聯(lián)電阻rs的修正式如公式(4)所示：

式中：β＝0.217，rsref為標(biāo)準(zhǔn)工況下的等效串聯(lián)電阻，計(jì)算可知，輻照度變化，rs變化不大；

等效并聯(lián)電阻rsh的修正式如公式(5)所示：

式中：rshref為標(biāo)準(zhǔn)工況下的等效并聯(lián)電阻。

所述5參數(shù)中，短時(shí)間內(nèi)溫度以及輻照度不對(duì)參數(shù)is和rs產(chǎn)生影響，對(duì)參數(shù)iph、rsh受輻照度影響較大，從而在確定某一特定時(shí)刻的五參數(shù)值時(shí)，is和rs參數(shù)為整點(diǎn)處的值，只需確定iph、rsh的值。

上述技術(shù)方案中，所述太陽能組件板中，每20個(gè)電池單體為1組，每組串聯(lián)一個(gè)旁路二極管，記n＝60，太陽能組件板輸出電流和電壓的關(guān)系式如公式(6)所示：

所述考慮遮蔽情況，當(dāng)一組電池單體中有一個(gè)單體或幾個(gè)單體被遮蔽，電流將直接通過旁路二極管，每組的端電壓將是二極管的正向?qū)妷海?/p>

假設(shè)一塊電池板有n1個(gè)硅片沒有遮蔽，n2個(gè)硅片被遮蔽，從而考慮遮蔽情況下u-i關(guān)系式如式(7)所示：

udd是一個(gè)二極管的正向?qū)妷骸?/p>

上述技術(shù)方案中，所述的在整點(diǎn)時(shí)求取5個(gè)參數(shù)的方法是，光伏電池外接buck電路，任意時(shí)刻通過改變buck電路占空比，得到同一u-i曲線上不同運(yùn)行點(diǎn)，在每個(gè)整點(diǎn)測(cè)量五組u-i值，分別是：

(u1，i1)，(u2，i2)，(u3，i3)，(u4，i4)，(u5，i5)

通過newton法迭代確定五個(gè)參數(shù)，從而確定每個(gè)整點(diǎn)的u-i關(guān)系式，具體方法如下：

首先，由五組值得到五個(gè)方程，如式(8)所示：

記關(guān)于這五個(gè)參數(shù)的五個(gè)函數(shù)分別為式(9)所示：

即求多元非線性方程組(9)的零點(diǎn)，其jacobi矩陣如下：

該矩陣非奇異，newton法局部線性收斂；

記f＝(f1,f2,f3,f4,f5)′

則迭代公式如式(10)所示：

取上個(gè)整點(diǎn)測(cè)得的值作為初始值進(jìn)行迭代；

所述的在任意時(shí)刻求取5個(gè)參數(shù)的方法是，is和rs參數(shù)取最近整點(diǎn)處的值，通過改變外部電路的工作狀態(tài)2次，測(cè)量兩組值：

(u1，i1)，(u2，i2)

得到相應(yīng)的方程如式(11)所示：

從而可以求出iph和rsh，從而確定了任意時(shí)刻的五參數(shù)值，從而確定任意時(shí)刻形如式(7)的u-i關(guān)系式。

上述技術(shù)方案中，所述求最大功率點(diǎn)的方法的依據(jù)是，一定光照條件和溫度條件下i-u曲線和p-u曲線是確定的，功率表達(dá)式如式(12)所示：p＝ui(12)

最大功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)輸出功率最大值點(diǎn)，p對(duì)u的導(dǎo)數(shù)為0，即式(13)所示：

此時(shí)輸出功率是最大輸出功率；

所述求最大功率點(diǎn)的方法是，將u-i曲線式(7)變形得到式(14)如下：

式(12)和式(14)兩邊對(duì)u求導(dǎo)化簡(jiǎn)可得到式(15)如下：

將式(15)與式(14)聯(lián)立，由式(15)求得最大功率點(diǎn)(ump，imp)；

上述技術(shù)方案中，所述步驟s5中，負(fù)載模型恒功率、恒電壓、恒電阻的組合通過buck電路與光伏組件板連接，由buck電路前后功率相等，得該系統(tǒng)端電壓電流與占空比的關(guān)系式如式(16)所示：

求出最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的u-i值后，求出相應(yīng)的占空比，調(diào)節(jié)占空比直接將工作點(diǎn)跳到最大功率點(diǎn)附近。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

本發(fā)明基于光伏電池組件板的5參數(shù)模型，通過調(diào)節(jié)組件板外部的buck電路獲得電壓電流的不同測(cè)量值，利用測(cè)量值計(jì)算任意時(shí)刻的5參數(shù)的值，求取任意時(shí)刻的u-i方程，利用u-i方程直接求解最大功率點(diǎn)。與現(xiàn)有的采用跟蹤最大功率點(diǎn)的方法相比，所述方法不需要對(duì)電路做多次的調(diào)節(jié)，一步到位，具有快速、簡(jiǎn)單易操作的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為光伏電池單體等效電路；

圖2為光伏電池組件板示意圖及外部buck電路等效電路；

圖3為示意圖光伏陣列i-u曲線和p-u曲線；

圖4為外接buck電路及負(fù)載等效電路圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

一種太陽能組件快速mppt方法，包括如下步驟：

步驟s1：整點(diǎn)時(shí)，改變太陽能組件板外部buck電路5次，測(cè)量5組電壓、電流值，根據(jù)電壓情況確定相應(yīng)的遮蔽情況，從而確定相應(yīng)的5參數(shù)模型；

步驟s2：根據(jù)5參數(shù)模型和這5組電壓、電流值確定5個(gè)方程，用迭代法求解5參數(shù)，從而得到整點(diǎn)時(shí)的u-i關(guān)系；

步驟s3：對(duì)任意時(shí)刻，設(shè)定輻照度與上一整點(diǎn)時(shí)刻的相同，將5參數(shù)中只受溫度變化影響的3個(gè)參數(shù)用整點(diǎn)值代，對(duì)于2個(gè)受輻照度影響較大的參數(shù)，通過測(cè)量2組電壓、電流值確定2個(gè)方程，直接解出2參數(shù)的值，從而得到任意時(shí)刻的u-i關(guān)系；

步驟s4：利用u-i關(guān)系式和最大功率點(diǎn)處功率p對(duì)電壓u的導(dǎo)數(shù)為0確定最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓、電流值，繼而確定buck電路占空比，調(diào)節(jié)占空比，使得光伏組件板運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處；

步驟s5：結(jié)合擾動(dòng)觀察法小范圍精細(xì)調(diào)整，跟蹤最大功率點(diǎn)。

上述技術(shù)方案中，所述光伏電池組件板包括60個(gè)電池單體，一個(gè)電池單體等效如圖1所示，5參數(shù)模型如公式(1)所示：

式中：q為電子電量常量，為1.602×10^-19c；k為玻爾茲曼常量，為1.381×10^-23j/k；a為二極管特性擬合系數(shù)，是一個(gè)變量，其值在1到2之間；

所述5參數(shù)分別是iph為光生電流、rsh為等效并聯(lián)電阻、is為二極管飽和電流、rs為等效串聯(lián)電阻以及為系數(shù)，其中q為電子電量常量，a為二極管特性擬合系數(shù)，t為實(shí)時(shí)的溫度，標(biāo)準(zhǔn)工況為輻照度為1000w/m²，電池工作溫度為25℃；

其中，光生電流iph在不同照度和輻照度下的修正量如式(2)所示：

式中：iphref是標(biāo)準(zhǔn)工況下的光生電流；s為實(shí)時(shí)的輻照度，sref為標(biāo)況下的輻照度；ct為溫度系數(shù)；

二極管飽和電流is在不同溫度下的修正量如公式(3)所示：

式中：isref是標(biāo)況下的二極管飽和電流，tref為標(biāo)況下的溫度，eg為禁帶寬度；

等效串聯(lián)電阻rs的修正式如公式(4)所示：

式中：β＝0.217，rsref為標(biāo)準(zhǔn)工況下的等效串聯(lián)電阻，計(jì)算可知，輻照度變化，rs變化不大；

等效并聯(lián)電阻rsh的修正式如公式(5)所示：

式中：rshref為標(biāo)準(zhǔn)工況下的等效并聯(lián)電阻；

所述5參數(shù)中，短時(shí)間內(nèi)溫度以及輻照度不對(duì)參數(shù)is和rs產(chǎn)生影響，對(duì)參數(shù)iph、rsh受輻照度影響較大，從而在確定某一特定時(shí)刻的五參數(shù)值時(shí)，is和rs參數(shù)為整點(diǎn)處的值，只需確定iph、rsh的值。

所述太陽能組件板中，每20個(gè)電池單體為1組，每組串聯(lián)一個(gè)旁路二極管，如圖2所示，記n＝60，太陽能組件板輸出電流和電壓的關(guān)系式如公式(6)所示：

所述考慮遮蔽情況，當(dāng)一組電池單體中有一個(gè)單體或幾個(gè)單體被遮蔽，電流將直接通過旁路二極管，每組的端電壓將是二極管的正向?qū)妷海?/p>

假設(shè)一塊電池板有n1個(gè)硅片沒有遮蔽，n2個(gè)硅片被遮蔽，從而考慮遮蔽情況下u-i關(guān)系式如式(7)所示：

其中，udd是一個(gè)二極管的正向?qū)妷骸?/p>

所述的在整點(diǎn)時(shí)求取5個(gè)參數(shù)的方法是，光伏電池外接buck電路，任意時(shí)刻通過改變buck電路占空比，得到同一u-i曲線上不同運(yùn)行點(diǎn)，在每個(gè)整點(diǎn)測(cè)量五組u-i值，分別是：

(u1，i1)，(u2，i2)，(u3，i3)，(u4，i4)，(u5，i5)

通過newton法迭代確定五個(gè)參數(shù)，從而確定每個(gè)整點(diǎn)的u-i關(guān)系式，具體方法如下：

首先，由五組值得到五個(gè)方程，如式(8)所示：

記關(guān)于這五個(gè)參數(shù)的五個(gè)函數(shù)分別為式(9)所示：

即求多元非線性方程組(9)的零點(diǎn)，其jacobi矩陣如下：

該矩陣非奇異，newton法局部線性收斂；

記f＝(f1,f2,f3,f4,f5)′，則迭代公式如式(10)所示：

取上個(gè)整點(diǎn)測(cè)得的值作為初始值進(jìn)行迭代；

所述的在任意時(shí)刻求取5個(gè)參數(shù)的方法是，is和rs參數(shù)取最近整點(diǎn)處的值，通過改變外部電路的工作狀態(tài)2次，測(cè)量兩組值：

(u1，i1)，(u2，i2)

得到相應(yīng)的方程如式(11)所示：

從而可以求出iph和rsh，從而確定了任意時(shí)刻的五參數(shù)值，從而確定任意時(shí)刻形如式(7)的u-i關(guān)系式。

上述技術(shù)方案中，所述求最大功率點(diǎn)的方法的依據(jù)是，一定光照條件和溫度條件下i-u曲線和p-u曲線是確定的，如圖3所示，功率表達(dá)式如式(12)所示：

p＝ui(12)

最大功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)輸出功率最大值點(diǎn)，p對(duì)u的導(dǎo)數(shù)為0，即式(13)所示：

此時(shí)輸出功率是最大輸出功率；

所述求最大功率點(diǎn)的方法是，將u-i曲線式(7)變形得到式(14)如下：

式(12)和式(14)兩邊對(duì)u求導(dǎo)可得化簡(jiǎn)可得式(15)如下：

將式(15)與式(14)聯(lián)立，由式(15)求得最大功率點(diǎn)(ump，imp)；

上述技術(shù)方案中，所述步驟s5中，負(fù)載模型恒功率、恒電壓、恒電阻的組合通過buck電路與光伏組件板連接，由buck電路前后功率相等，如圖4所示，得該系統(tǒng)端電壓電流與占空比的關(guān)系式如式(16)所示：

求出最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的u-i值后，求出相應(yīng)的占空比，調(diào)節(jié)占空比直接將工作點(diǎn)跳到最大功率點(diǎn)附近。。

本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例為:首先，對(duì)外接buck電路的光伏組件板添加實(shí)測(cè)裝置，便于實(shí)時(shí)反饋組件板的端電流和端電壓。利用下式

設(shè)計(jì)控制電路。在整點(diǎn)時(shí)，通過改變陽能組件板外部buck電路占空比，運(yùn)行點(diǎn)跳5次，反饋每次的電壓、電流值給控制芯片，芯片根據(jù)電壓情況判斷遮蔽情況，如果u為正常值，則取n1＝60,n2＝0；當(dāng)有硅片被遮時(shí)，如果u的值變化為原來的三分之一左右時(shí)，取n1＝40,n2＝20；如果u的值變化為原來的三分之二左右時(shí)，取n1＝20,n2＝40；如果u非常小，電池板不工作，無需mppt。

判斷出相應(yīng)的u-i五參數(shù)模型后，用迭代法求解這五組值得到的方程組：

雅克比矩陣為：

迭代方程為：

確定了整點(diǎn)時(shí)的5參數(shù)模型。

任意時(shí)刻，將is和rs用前一整點(diǎn)值代，改變太陽能組件板外部buck電路占空比，運(yùn)行點(diǎn)跳2次，反饋每次的電壓、電流值給控制芯片，同整點(diǎn)方法一樣先判斷考慮遮蔽后的相應(yīng)模型，用迭代法求解這2組值得到的方程組，得到iph、rsh：

從而確定了任意時(shí)刻的5參數(shù)模型。

得到任意時(shí)刻的5參數(shù)模型后，利用u-i關(guān)系式和最大功率點(diǎn)處功率p對(duì)電壓u的導(dǎo)數(shù)為0，得到關(guān)于電壓電流的兩個(gè)方程，

用不動(dòng)點(diǎn)迭代法用迭代法求解這兩個(gè)方程，若記

i＝y(tǒng)

則迭代格式為：

約束條件是：

取上一時(shí)刻的最大功率點(diǎn)為迭代初值，代入迭代方程，再將x(k+1)帶回約束條件，求出y(k+1)。利用u，i大于0這個(gè)條件舍取，若y(k+1)有兩個(gè)值，則比較相應(yīng)的功率值，取對(duì)應(yīng)功率較大的一組值。迭代至誤差在允許范圍內(nèi)，相應(yīng)的u-i即最大功率處的u-i。

最后由最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓電流值，根據(jù)

確定buck電路占空比，調(diào)節(jié)占空比，使得光伏組件板運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處。

本發(fā)明結(jié)合擾動(dòng)觀察法小范圍精細(xì)調(diào)整，跟蹤最大功率點(diǎn)。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。