專利名稱：有部分遮蔽的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以在有部分遮蔽狀況下光伏發(fā)電 系統(tǒng)最大功率輸出的優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
目前，可再生能源的開發(fā)和利用日益得到各國政府的關(guān)注，在不久的將來通過光 伏將太陽能轉(zhuǎn)換成電能具有很大的開發(fā)潛力。據(jù)2004年歐盟聯(lián)合研究中心預(yù)測，到本世紀(jì) 末，光伏發(fā)電在整個世界能源供應(yīng)中的比率將超過60%。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)(以下將簡稱 為“系統(tǒng)”)存在的問題是投資成本高、輸出效率低、輸出電能不穩(wěn)定等，對于較大規(guī)模的系 統(tǒng)而言，光伏被云、建筑物、樹影等部分遮蔽的情況經(jīng)常發(fā)生，被遮蔽的部分不但不能輸出 電能，還會成為系統(tǒng)的耗能負(fù)載，因此，研究提供一種適于在有部分遮蔽狀況下光伏發(fā)電系 統(tǒng)輸出最大功率的控制方法是十分必要的。目前，現(xiàn)有技術(shù)中在有部分遮蔽狀況下輸出最大功率的方法，多是非常復(fù)雜的優(yōu) 化算法或者是對電路進(jìn)行優(yōu)化的方法，雖然在一定程度上解決了輸出最大功率的問題，但 都存在精度差、適應(yīng)性差、跟蹤效率低和計算量大等不足。由檢索得知 G. Carannante 等在〈〈IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIALELECTRONICS))(美國電氣電子工程師協(xié)會工業(yè)電子期刊)(2009年56卷11 M, % 4374-4380 M ) ± ^ ^ W "Experimental Performance of MPPT Algorithmfor Photovoltaic Sources Subject to Inhomogeneous Insolation，，(光伏非均勻照身寸試驗(yàn) 性能的MPPT算法)一文中提出部分遮蔽情況下的跟蹤算法，但是該方法計算量很大，很難 在實(shí)際中得以應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種適用于在有部分遮蔽狀況下易于實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出 最大功率的控制方法，可以有效地克服現(xiàn)有技術(shù)存在的精度差、適應(yīng)性差、跟蹤效率低和計
算量大等缺點(diǎn)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，其基本電路中包括光伏電池PV、高頻電感Li、絕緣柵雙極 晶體管IGBT或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管M0SFET、肖恩特二極管D1、電容Cl、電壓采集傳 感器AVS、電流采集傳感器ACS、驅(qū)動芯片Q、直流負(fù)載R及單片機(jī)A，VS和CS分別代表電路 中直流負(fù)載端的電壓信號和電流信號，其中單片機(jī)A由A/D轉(zhuǎn)換端口 A3、擾動PWM掃描控制 模塊A2和變占空比PWM輸出模塊Al構(gòu)成，A/D表示為模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，Al通過驅(qū)動芯 片Q控制IGBT或MOSFET的開關(guān)，Li、Dl和IGBT或MOSFET組成升壓斬波Boost電路(見 圖1所示)。本發(fā)明實(shí)施過程的特征是首先是在上述光伏發(fā)電系統(tǒng)(以下簡稱為“系統(tǒng)”)開 始工作時，先給系統(tǒng)一個初始的脈寬調(diào)制波(以下簡稱“PWM”)PWMs，去控制Boost電路中 IGBT或MOSFET的開關(guān)，再通過AVS和ACS分別采集某一時刻的直流負(fù)載端輸出的電壓信息值VS和電流信息值CS，再根據(jù)采集到的VS和CS經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換并輸入單片機(jī)A，計算出此 時刻“系統(tǒng)”輸出的功率值P ；然后，當(dāng)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定后，再通過對系統(tǒng)輸出的PWM波占空比 的擾動，改變光伏電池的功率輸出，直到系統(tǒng)輸出一個最大的功率值，此時，如果系統(tǒng)沒有 被部分遮蔽，則系統(tǒng)輸出的最大功率值就位于系統(tǒng)實(shí)際的最大功率點(diǎn)A處，設(shè)此時輸出的 脈寬調(diào)制波為PWMa，而如果系統(tǒng)被部分遮蔽時，則上述最大功率值就不一定是系統(tǒng)實(shí)際的 最大功率值，此時，根據(jù)最大功率點(diǎn)A處的PWMa的占空比，并以改變PWMa占空比士 1 %的步 長，掃描工作點(diǎn)A附近士25%區(qū)域的工作點(diǎn)，尋找新的最大功率點(diǎn)，如果掃描顯示該范圍內(nèi) 沒有比A點(diǎn)輸出功率值更大的工作點(diǎn)出現(xiàn)，則可以確定A點(diǎn)就是系統(tǒng)的實(shí)際最大功率點(diǎn)；而 如果掃描顯示在該范圍內(nèi)出現(xiàn)了比A點(diǎn)輸出功率更大的工作點(diǎn)B，則可將B定義為新的最大 功率點(diǎn)，并且再重復(fù)上述過程，直至得到系統(tǒng)的實(shí)際最大功率點(diǎn)C，C點(diǎn)的輸出功率值即為 系統(tǒng)的最大功率值，保存C點(diǎn)輸出的脈寬調(diào)制波PWMc值，并得到穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出功率值Pc， 如果系統(tǒng)輸出功率變化值超過5%，則說明系統(tǒng)有部分遮蔽的狀況發(fā)生了改變，或是系統(tǒng)照 射狀況發(fā)生了改變，此時，就必須再重復(fù)上述過程，直至找到系統(tǒng)實(shí)際的最大功率點(diǎn)，輸出 最大功率值，并得到相應(yīng)的優(yōu)化PWM ；如果系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，則說明系統(tǒng)有部分遮蔽的狀況沒 有改變，或系統(tǒng)處在均勻照射的情況，則系統(tǒng)的優(yōu)化PWM不需改變。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果(1)輸出效率高傳統(tǒng)方法是 只考慮均勻照射狀況的控制方法，由于不能確定系統(tǒng)是否發(fā)生了有部分遮蔽的狀況，所以 能量損失不可避免，而本發(fā)明方法中采用了擾動PWM及掃描控制方法，考慮了有部分遮蔽 狀況，所以輸出效率要比傳統(tǒng)的只考慮均勻照射控制方法的輸出效率要高；(2)對部分遮 蔽狀況的靈敏度高傳統(tǒng)控制方法沒有考慮系統(tǒng)有部分遮蔽的狀況，當(dāng)然也不可能確定系 統(tǒng)是否發(fā)生了有部分遮蔽的狀況，而本發(fā)明方法中采用了的擾動PWM及掃描控制方法考慮 到有部分遮蔽狀況，對部分遮蔽狀況的發(fā)生能做出快速的判斷，因此靈敏度大幅提高；(3) 跟蹤速度較快本發(fā)明所采用的是簡單的擾動PWM波結(jié)合掃描的方法，所以計算量較小，與 現(xiàn)有的一些的跟蹤方法如G. Carannante等提出的優(yōu)化算法相比較，原理簡答，實(shí)現(xiàn)容易， 跟蹤速度較快；(4)性價比高，整個系統(tǒng)主電路設(shè)計采用簡單的Boost電路，成本低廉，對于 提高昂貴的光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能具有積極意義。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成示意圖；圖2為本發(fā)明控制流程圖；圖3為傳統(tǒng)擾動PWM控制方法有部分遮蔽狀況下的跟蹤效果仿真結(jié)果示意圖。圖4為本發(fā)明在有部分遮蔽狀況下的擾動PWM及掃描控制方法跟蹤效果仿真結(jié)果 示意具體實(shí)施例方式如圖1所示，光伏電池PV輸出的電能通過由Li、Dl和IGBT組成的Boost電路中 IGBT的開關(guān)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變換，電流采集傳感器ACS和電壓采集傳感器AVS采集直流負(fù) 載R端輸出的電流信息CS和電壓信息VS，CS和VS輸入單片機(jī)A的A/D轉(zhuǎn)換端口 A3，通過 軟件編程實(shí)現(xiàn)所述的擾動PWM掃描控制模塊A2和變占空比PWM輸出模塊Al，并通過驅(qū)動芯片Q控制IGBT的開關(guān)，(其中如單片機(jī)無內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換功能可外部擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換)。本發(fā)明具體操作流程如下，如圖2所示
步驟一、給系統(tǒng)輸入一個初始的脈寬調(diào)制波PWMs，讓系統(tǒng)可以輸出電壓和電流；步驟二、通過電流采集傳感器ACS和電壓采集傳感器AVS采集系統(tǒng)負(fù)載端口的電 流信息CS值和電壓信息VS值；步驟三、將測得的VS和CS值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并輸入單片機(jī)A ；步驟四、通過單片機(jī)A計算出該時刻的輸出功率Pl ；步驟五、采用占空比擾動PWM法改變系統(tǒng)的輸出功率，通過比較輸出功率的大小， 找到系統(tǒng)輸出一個最大的功率值；步驟六、判斷輸出功率是否穩(wěn)定，如果系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，則說明此時系統(tǒng)已經(jīng)找到了 一個穩(wěn)定的輸出功率峰值點(diǎn)P1，可執(zhí)行步驟七；否則說明系統(tǒng)還沒有找到一個穩(wěn)定的輸出 峰值點(diǎn)，返回步驟二，直至找到一個穩(wěn)定的輸出功率峰值點(diǎn)；步驟七、根據(jù)找到的峰值點(diǎn)保存并輸出對應(yīng)的PWM和輸出功率值Pl ；步驟八、以正負(fù)步長擾動保存的PWM波的占空比，并掃描該P(yáng)WM附近正負(fù)25% 區(qū)域；步驟九、判斷在掃描區(qū)域內(nèi)是否存在一個新峰值點(diǎn)的輸出功率P2大于原峰值點(diǎn) 的輸出功率值P1，如果不存在則說明該峰值點(diǎn)的輸出功率就是系統(tǒng)的最大輸出功率值， 執(zhí)行步驟十，否則說明該峰值點(diǎn)的輸出功率不是系統(tǒng)的最大輸出功率值，保存新峰值點(diǎn)的 PWMl和功率值P2，并返回步驟八，直至找到系統(tǒng)的最大輸出功率峰值點(diǎn)的PWM2和輸出功率 P3 ；步驟十、保存并輸出優(yōu)化的PWM2和功率P3值；步驟十一、判斷系統(tǒng)輸出的功率值是否存在超過5%的變化，如果沒有則表示系統(tǒng) 外部天氣或陰影狀況基本穩(wěn)定，輸出的優(yōu)化PWM2可以固定下來，如果超過了 5%則表示外 部天氣或陰影狀況發(fā)生了改變，就必須重新從步驟二開始調(diào)用程序。通過圖3和圖4的比較可以看出，在發(fā)生部分遮蔽時，采用本發(fā)明方法得到的最大 輸出功率輸出曲線的超調(diào)量較小，輸出特性較為穩(wěn)定，對部分遮蔽的發(fā)生非常靈敏，輸出振 動幅值較??；與之對應(yīng)，傳統(tǒng)的擾動電壓MPPT方法的最大輸出功率曲線超調(diào)量較大，輸出 特性不太穩(wěn)定，輸出振動幅值較大，對部分遮蔽的發(fā)生不靈敏。
權(quán)利要求
一種有部分遮蔽的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出優(yōu)化控制方法，其基本電路中包括光伏電池PV、高頻電感L1、絕緣柵雙極晶體管IGBT或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET、肖恩特二極管D1、電容C1、電壓采集傳感器AVS、電流采集傳感器ACS、驅(qū)動芯片Q、直流負(fù)載R及單片機(jī)A，VS和CS分別代表電路中直流負(fù)載端的電壓信號和電流信號，其中單片機(jī)A由A/D轉(zhuǎn)換端口A3，擾動PWM掃描控制模塊A2和變占空比PWM輸出模塊A1構(gòu)成，A/D表示為模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，A1通過驅(qū)動芯片Q控制IGBT或MOSFET的開關(guān)，L1、D1和T1組成升壓斬波Boost電路(見圖1所示)。本發(fā)明實(shí)施過程的特征是首先是在上述光伏發(fā)電系統(tǒng)(以下簡稱為“系統(tǒng)”)開始工作時，先給系統(tǒng)一個初始的脈寬調(diào)制波(以下簡稱“PWM”)PWMs，去控制Boost電路中IGBT或MOSFET的開關(guān)，再通過AVS和ACS分別采集某一時刻的直流負(fù)載端輸出的電壓信息值VS和電流信息值CS，再根據(jù)采集到的VS和CS經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換并輸入單片機(jī)A，計算出此時刻“系統(tǒng)”輸出的功率值P；然后，當(dāng)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定后，再通過對系統(tǒng)輸出的PWM波占空比的擾動，改變光伏電池的功率輸出，直到系統(tǒng)輸出一個最大的功率值，此時，如果系統(tǒng)沒有被部分遮蔽，則系統(tǒng)輸出的最大功率值就位于系統(tǒng)實(shí)際的最大功率點(diǎn)A處，設(shè)此時輸出的脈寬調(diào)制波為PWMA，而如果系統(tǒng)被部分遮蔽時，則上述最大功率值就不一定是系統(tǒng)實(shí)際的最大功率值，此時，根據(jù)最大功率點(diǎn)A處的PWMA的占空比，并以改變PWMA占空比±1％的步長，掃描工作點(diǎn)A附近±25％區(qū)域的工作點(diǎn)，尋找新的最大功率點(diǎn)，如果掃描顯示該范圍內(nèi)沒有比A點(diǎn)輸出功率值更大的工作點(diǎn)出現(xiàn)，則可以確定A點(diǎn)就是系統(tǒng)的實(shí)際最大功率點(diǎn)；而如果掃描顯示在該范圍內(nèi)出現(xiàn)了比A點(diǎn)輸出功率更大的工作點(diǎn)B，則可將B定義為新的最大功率點(diǎn)，并且再重復(fù)上述過程，直至得到系統(tǒng)的實(shí)際最大功率點(diǎn)C，C點(diǎn)的輸出功率值即為系統(tǒng)的最大功率值，保存C點(diǎn)輸出的脈寬調(diào)制波PWMc值，并得到穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出功率值Pc，如果系統(tǒng)輸出功率變化值超過5％，則說明系統(tǒng)有部分遮蔽的狀況發(fā)生了改變，或是系統(tǒng)照射狀況發(fā)生了改變，此時，就必須再重復(fù)上述過程，直至找到系統(tǒng)實(shí)際的最大功率點(diǎn)，輸出最大功率值，并得到相應(yīng)的優(yōu)化PWM；如果系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，則說明系統(tǒng)有部分遮蔽的狀況沒有改變，或系統(tǒng)處在均勻照射的情況，則系統(tǒng)的優(yōu)化PWM不需改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有部分遮蔽的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出優(yōu)化控制方法，其 特征在于所述實(shí)施過程的操作流程是步驟一、給系統(tǒng)輸入一個初始的脈寬調(diào)制波PWMs，讓系統(tǒng)可以輸出電壓和電流； 步驟二、通過電流采集傳感器ACS和電壓采集傳感器AVS采集系統(tǒng)負(fù)載端口的電流信 息CS值和電壓信息VS值；步驟三、將測得的VS和CS值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并輸入單片機(jī)A ； 步驟四、通過單片機(jī)A計算出該時刻的輸出功率P1 ；步驟五、采用占空比擾動PWM法改變系統(tǒng)的輸出功率，通過比較輸出功率的大小，找到 系統(tǒng)輸出一個最大的功率值；步驟六、判斷輸出功率是否穩(wěn)定，如果系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，則說明此時系統(tǒng)已經(jīng)找到了一個 穩(wěn)定的輸出功率峰值點(diǎn)P1，可執(zhí)行步驟七，否則說明系統(tǒng)還沒有找到一個穩(wěn)定的輸出峰值 點(diǎn)，返回步驟二，直至找到一個穩(wěn)定的輸出功率峰值點(diǎn)；步驟七、根據(jù)找到的峰值點(diǎn)保存并輸出對應(yīng)的PWM和輸出功率值P1 ； 步驟八、以正負(fù)步長擾動保存的PWM波的占空比，并掃描該P(yáng)WM附近正負(fù)25%區(qū)域；步驟九、判斷在掃描區(qū)域內(nèi)是否存在一個新峰值點(diǎn)的輸出功率P2大于原峰值點(diǎn)的輸 出功率值P1，如果不存在則說明該峰值點(diǎn)的輸出功率就是系統(tǒng)的最大輸出功率值，執(zhí)行步 驟十，否則說明該峰值點(diǎn)的輸出功率不是系統(tǒng)的最大輸出功率值，保存新峰值點(diǎn)的PWMl和 功率值P2，并返回步驟八，直至找到系統(tǒng)的最大輸出功率峰值點(diǎn)的PWM2和輸出功率P3 ； 步驟十、保存并輸出優(yōu)化的PWM2和功率P3值；步驟十一、判斷系統(tǒng)輸出的功率值是否存在超過5%的變化，如果沒有則表示系統(tǒng)外部 天氣或陰影狀況基本穩(wěn)定，輸出的優(yōu)化PWM2可以固定下來，如果超過了 5%則表示外 部天 氣或陰影狀況發(fā)生了改變，就必須重新從步驟二開始調(diào)用程序。
全文摘要
一種有部分遮蔽的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出優(yōu)化控制方法，屬于光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，該方法的操控流程是在光伏發(fā)電電路中給定一個初始的PWMs→采集輸出端的電壓信號VS和電流信號CS→對VS、CS進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并輸入單片機(jī)A→計算出此時刻的輸出功率值→調(diào)用擾動PWM法→判斷系統(tǒng)輸出是否穩(wěn)定，否，重新返回第二步進(jìn)行；是，計算并保存PWM值和輸出功率→以±1％步長擾動并掃描PWM附近±25％區(qū)域→判斷是否有新的最大功率點(diǎn)，否，保存并輸出優(yōu)化的PWM波和最大功率；是，保存并輸出新的最大功率點(diǎn)的最大功率和PWM波→判斷系統(tǒng)輸出的最大功率是否存在超過5％的變化，是，返回第二步重新操控；否，結(jié)束。
文檔編號H02N6/00GK101873090SQ201010223039
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者于少娟, 劉春霞, 劉立群, 楊晉嶺, 蔡江輝 申請人:太原科技大學(xué)