專利名稱：光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法
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跟蹤控制方法，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤方法。
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-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，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，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全局掃描來尋找全局最大功率點，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。雖然上述全局掃描方式可以尋找到真正的最大功率點，但是不可避免會使光伏陣列的輸出功率產(chǎn)生不必要的長時間大幅度波動，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間大幅度波動、產(chǎn)生額外的功率損失并對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊的缺點，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別光伏組件故障等原因呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象時，可以準(zhǔn)確跟蹤到光伏陣列的全局最大功率點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控制啟動時，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)，令采樣點計數(shù)k為I。
2)測量并記錄初始時刻U1時刻)光伏陣列的端電壓Uk和輸出電流Ik (k = I)。3)計算光伏陣列I-U特性曲線上當(dāng)前運(yùn)行點(Uk，Ik)與坐標(biāo)原點連線斜率的倒數(shù)(Uk/Ik)，以及點(Isc;，u。。)與坐標(biāo)原點連線斜率的倒數(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時刻光伏陣列端電壓的參考值U。7)測量并記錄tk時刻的Uk和Ik。8)以光伏陣列開路電壓U。。為基準(zhǔn)，計算tk及V1時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)，計算tk及V1時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，其輸出功率特性呈單峰值，本發(fā)明將在系統(tǒng)初始化時迅速跟蹤到uk/lk ^ Uoc/Isc所對應(yīng)的運(yùn)行點(Uk，Ik)，隨后從該點迅速轉(zhuǎn)移至全局最大功率點。當(dāng)受到陰影或組件故障影響，光伏陣列輸出特性驟變時，本發(fā)明根據(jù)AU%< ei^PAI%> ￡1這2個條件能夠立即檢測到該變化，此時需要重新跟蹤當(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(Uk，Ik)，基于該點傳統(tǒng)MPPT方法能夠快速準(zhǔn)確尋找到真正的全局最大功率點，避免困于次最大功率點；而且在此跟蹤控制過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動幅度不會被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。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別光伏組件故障等原因呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象時，可以準(zhǔn)確跟蹤到光伏陣列的全局最大功率點，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造成的較大功率損失；同時最大功率跟蹤過程中不會引起光伏發(fā)電系統(tǒng)功率因MPPT方法產(chǎn)生額外的長時間大范圍波動。實現(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為實施例中全局最大功率點跟蹤過程示意圖。圖3為實施例中最大功率點跟蹤過程仿真圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例中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控制啟動時，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)，令采樣點計數(shù)k為I。
2)測量并記錄初始時刻U1時刻)光伏陣列的端電壓Uk和輸出電流Ik (k = I)。3)計算光伏陣列I-U特性曲線上當(dāng)前運(yùn)行點(Uk，Ik)與坐標(biāo)原點連線斜率的倒數(shù)(Uk/Ik)，以及點(Isc;，u。。)與坐標(biāo)原點連線斜率的倒數(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時刻光伏陣列端電壓的參考值U。7)測量并記錄tk時刻的Uk和Ik。8)以光伏陣列開路電壓U。。為基準(zhǔn)，計算tk及V1時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)，計算tk及V1時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)生的信號可以作為實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中DC-DC變換器或逆變器的PWM調(diào)制信號。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，本發(fā)明跟蹤全局最大功率點的過程。本實施例中，SO — SI在
0.2s時發(fā)生跳變，SI — S2在0. 4s時發(fā)生跳變。DSO :無陰影時，光伏陣列的P-U特性曲線呈現(xiàn)單峰值，最大功率點在A點。0. 025s后，光伏陣列穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點A點,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(本實施例中共有3個峰值，其中全局最大功率點在D點)。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，輸出電流驟降至B點對應(yīng)的電流Ib，此時滿足 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。然后傳統(tǒng)MPPT方法從C點開始搜索本山峰中的最高點D，即全局最大功率點。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D點，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，實現(xiàn)了快速準(zhǔn)確平穩(wěn)地跟蹤全局最大功率點的目標(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。
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，輸出電流驟降至E點對應(yīng)的電流IE，此時滿足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。然后傳統(tǒng)MPPT方法從F點開始搜索本山峰中的最高點G，即全局最大功率點。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G點，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，實現(xiàn)了快速準(zhǔn)確平穩(wěn)地跟蹤全局最大功率點的目標(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。
如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的典型實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍，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控制啟動時，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)，令采樣點計數(shù)k的初始值為I。
2)測量并記錄初始時刻U1時刻)光伏陣列的端電壓Uk和輸出電流Ik(k = I)。
3)計算光伏陣列I-U特性曲線上當(dāng)前運(yùn)行點(Uk，Ik)與坐標(biāo)原點連線斜率的倒數(shù)(Uk/Ik)，以及點(Isc, UJ與坐標(biāo)原點連線斜率的倒數(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時刻光伏陣列端電壓的參考值U。
7)測量并記錄tk時刻的Uk和Ik。
8)以光伏陣列開路電壓U。。為基準(zhǔn)，計算tk及時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)，計算tk及V1時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，迅速將光伏陣列I-U輸出特性上的運(yùn)行點(U，I)調(diào)整到連接坐標(biāo)原點與(Uoc，Isc)點的直線上，然后從該點出發(fā)，采用傳統(tǒng)MPPT方法跟蹤至光伏陣列的最大功率點。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，而且跟蹤過程中光伏陣列輸出功率因MPPT方法引起的波動較小，具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號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)