一種局部陰影遮擋下提高光伏優(yōu)化器調(diào)整速度和準(zhǔn)確度的前饋mppt控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種局部陰影遮擋下提高光伏優(yōu)化器調(diào)整速度和準(zhǔn)確度的前饋MPPT控制方法，當(dāng)光伏陣列中有組件受到陰影遮擋，該組件所連接的優(yōu)化器進(jìn)行MPPT調(diào)整后，將調(diào)整的過程參數(shù)和結(jié)果參數(shù)傳輸給其余暫未受到遮擋的光伏優(yōu)化器，作為前饋信號，供其在受到遮擋時加入調(diào)整環(huán)節(jié)，從而快速、準(zhǔn)確地調(diào)整到最大功率輸出點(diǎn)。本發(fā)明提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)在復(fù)雜光照條件下的發(fā)電效率，操作簡單，在已實(shí)現(xiàn)優(yōu)化器通信的系統(tǒng)中不需要額外布線和硬件升級，僅需對軟件升級，使用和后期維護(hù)便捷。
【專利說明】
一種局部陰影遮擋下提高光伏優(yōu)化器調(diào)整速度和準(zhǔn)確度的前饋MPPT控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光伏發(fā)電及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種局部陰影遮擋下提高光伏優(yōu)化器調(diào)整速度和準(zhǔn)確度的前饋MPPT控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為解決光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個或多個光伏組件存在局部陰影遮擋時，各個光伏組件之間的特性失配將導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率顯著下降的問題，目前較為成熟的方法是將每個光伏組件的輸出經(jīng)功率優(yōu)化器(Power Optimizer)或稱模塊集成變換器(Module IntegratedConverter，MIC)進(jìn)行分布式最大功率點(diǎn)跟蹤(DMPPT)后，再串聯(lián)輸出。光伏優(yōu)化器是一種DC/DC設(shè)備，其內(nèi)部執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法，可以在一串光伏組件中的一個或多個組件在光照不均或組件老化導(dǎo)致的特性曲線失配情況下，使其對應(yīng)的光伏組件保持最大功率輸出。將光伏組件及其相連的光伏優(yōu)化器視為一個光伏單元，從圖1可以看出，相比獨(dú)立的光伏組件，光伏單元可以在很寬的電壓輸出范圍內(nèi)均工作于最大功率點(diǎn)。
[0003]以BUCK型光伏優(yōu)化器為例，電路拓?fù)浜涂刂骗h(huán)節(jié)如圖2所示，光伏優(yōu)化器的控制由電壓控制環(huán)和MPPT控制環(huán)共同構(gòu)成。為了使光伏組件有更大的功率傳輸，光伏優(yōu)化器必須實(shí)時檢測組件的輸出功率，以及時調(diào)整光伏組件的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，即進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT。優(yōu)化器常用的MPPT控制技術(shù)有:恒電壓控制、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法和雙模式MPPT控制技術(shù)。
[0004]MPPT控制技術(shù)中最常用的為擾動觀察法，其控制過程為:先初設(shè)一個光伏組件工作電壓，然后通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的占空比給光伏陣列輸出電壓周期性的擾動，例如使其增加，然后比較擾動前后光伏的輸出功率，如果輸出功率因此增加，說明光伏工作于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，則應(yīng)在下一擾動周期繼續(xù)保持當(dāng)前的擾動方向，增大光伏組件的輸出電壓;反之若輸出功率減小，則說明光伏工作于最大功率點(diǎn)的右側(cè)，當(dāng)前擾動方向使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，所以應(yīng)改變擾動方向，使光伏組件輸出電壓減小。經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整，最后使光伏組件的工作點(diǎn)逼近最大功率點(diǎn)。
[0005]使用擾動觀察法需要反復(fù)地增大或減小輸出電壓使組件的工作點(diǎn)逼近最大功率點(diǎn)，需要進(jìn)行多次的功率計算比較，運(yùn)算量大，運(yùn)算時間長，因此光伏優(yōu)化器對光伏組件進(jìn)行MPPT調(diào)整時存在速度較慢、不夠精確的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏組件受陰影遮擋時，光伏組件的輸出電壓和輸出功率會急劇下降；但幾乎同時，由于電壓環(huán)的調(diào)整，優(yōu)化器輸出電壓會迅速提升至之前電壓;在MPPT環(huán)的調(diào)整下，電壓再次緩慢下降直至到當(dāng)前光照條件下最大功率輸出電壓；當(dāng)光照恢復(fù)時，過程與之類同，如圖3所示。因此可看到在動態(tài)條件下，MPPT過程會影響到MPPT平均效率，調(diào)整速度越慢，平均MPPT效率越低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于上述，本發(fā)明提供了一種局部陰影遮擋下提高光伏優(yōu)化器調(diào)整速度和準(zhǔn)確度的前饋MPPT控制方法，在光伏優(yōu)化器之間實(shí)現(xiàn)互相通信的條件下，最先受到陰影遮擋的優(yōu)化器可以將MPPT調(diào)整參數(shù)作為前饋信號傳輸給即將接受到同樣陰影遮擋的優(yōu)化器，通過前饋MPPT調(diào)整，其它優(yōu)化器的MPPT調(diào)整將更為精確、迅速。
[0007]一種局部陰影遮擋下提高光伏優(yōu)化器調(diào)整速度和準(zhǔn)確度的前饋MPPT控制方法，如下:
[0008]當(dāng)陰影遮擋開始影響光伏陣列時，使光伏陣列中首個受遮擋影響的光伏組件通過其所連的光伏優(yōu)化器進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)控制，從而在遮擋條件下將輸出電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上；
[0009]進(jìn)而該光伏優(yōu)化器將相應(yīng)的調(diào)整信息發(fā)送給光伏陣列中其余光伏優(yōu)化器，并作為這些光伏優(yōu)化器的前饋信號；
[0010]當(dāng)接下來光伏陣列中其他光伏組件陸續(xù)受遮擋影響時，這些光伏組件通過各自所連的光伏優(yōu)化器根據(jù)所述的前饋信號進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)控制，快速將輸出電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上。
[0011]所述的調(diào)整信息包括:受遮擋影響瞬間下降后的輸出電壓值、經(jīng)MPPT調(diào)節(jié)控制后穩(wěn)定在遮擋條件下最大功率點(diǎn)上的輸出電壓值、受遮擋消失瞬間上升后的輸出電壓值、光伏優(yōu)化器的輸入/輸出電壓比值以及MPPT調(diào)節(jié)控制過程中關(guān)于PID(比例-積分-微分)以及MPPT的參數(shù)值。
[0012]對于接下來光伏陣列中陸續(xù)受遮擋影響的任一光伏組件，其首先通過所連的光伏優(yōu)化器根據(jù)輸入電壓Vpv和輸入電流Ipv進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)，從而計算出在遮擋條件下對應(yīng)最大功率點(diǎn)上的輸出電壓值Vref;然后根據(jù)所述的前饋信號將首個受遮擋影響的光伏組件經(jīng)光伏優(yōu)化器MPPT調(diào)節(jié)控制后穩(wěn)定在遮擋條件下最大功率點(diǎn)上的輸出電壓值￥1減去輸出電壓值Vref得到電壓誤差Δ V;最后將Vref+Δ V-Vpv的結(jié)果經(jīng)PID調(diào)節(jié)得到占空比d，進(jìn)而通過P麗(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)生成控制信號以對光伏優(yōu)化器中的開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)控制。
[0013]所述的光伏陣列由多組光伏隊(duì)列并聯(lián)組成，每組光伏隊(duì)列由多個光伏單元串聯(lián)組成，每個光伏單元由一光伏組件和一光伏優(yōu)化器連接組成。
[0014]所述光伏陣列中的光伏優(yōu)化器具有相互通信的功能，所述通信的實(shí)現(xiàn)方式包括獨(dú)立布線通信、電力線載波通信和無線通信。
[0015]所述的光伏優(yōu)化器包括輸入電容Cpv、開關(guān)管S、二極管D、電感L、輸出電容C。以及控制器;其中，輸入電容Cpv的正極與開關(guān)管S的一端以及光伏組件的正極相連，開關(guān)管S的另一端與二極管D的陰極以及電感L的一端相連，電感L的另一端與輸出電容C。的正極相連，輸入電容Cpv的負(fù)極與二極管D的陽極、輸出電容C。的負(fù)極以及光伏組件的負(fù)極共連，開關(guān)管S的控制極接控制器提供的控制信號，輸出電容C。兩端電壓即為所述的輸出電壓。
[0016]所述的控制器集成有MPPT模塊、PID模塊以及PffM模塊。
[0017]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用前饋MPPT控制方法，簡化了擾動觀察法進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)的過程，省去了輸出電壓逐漸逼近最大功率點(diǎn)電壓的過程，縮短了調(diào)整時間，提高了調(diào)整精度，可以有效地改善光伏組件在動態(tài)遮擋條件下優(yōu)化器MPPT調(diào)節(jié)的速度和準(zhǔn)確度，提高光伏發(fā)電效率。此外，本發(fā)明操作簡單，在已實(shí)現(xiàn)通信的系統(tǒng)中不需要額外布線和硬件升級，僅需對軟件升級，使用和后期維護(hù)便捷。
【附圖說明】
[0018]圖1(a)為光伏組件的輸出功率與電壓曲線圖。
[0019]圖1(b)為光伏單兀的輸出功率與電壓曲線圖。
[0020]圖2為BUCK型光伏優(yōu)化器的電路拓?fù)浼翱刂撇呗允疽鈭D。
[0021]圖3為光伏組件受到陰影遮擋和陰影消失過程中優(yōu)化器的電壓調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)過程圖。
[0022]圖4為陰影遮擋過程光伏陣列的簡化模型示意圖。
[0023]圖5為光伏組件受到陰影遮擋和陰影消失過程中光伏組件PV1WPPV14的電壓及功率調(diào)節(jié)過程示意圖。
[0024]圖6為加入前饋MPPT調(diào)節(jié)的光伏優(yōu)化器控制策略示意圖。
[0025]圖7為動態(tài)陰影遮擋條件下有前饋MPPT調(diào)整和無前饋調(diào)整的光伏優(yōu)化器平均效率對比示意圖。
[0026]圖8為動態(tài)陰影遮擋條件下有前饋MPPT調(diào)整和無前饋調(diào)整的光伏優(yōu)化器調(diào)節(jié)時長對比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028]光伏優(yōu)化器的控制由電壓環(huán)調(diào)整和MPPT環(huán)調(diào)整共同構(gòu)成。當(dāng)光伏組件受陰影遮擋時，首先光伏組件的輸出電壓和輸出功率會急劇下降。但幾乎同時，由于電壓環(huán)的調(diào)整，光伏優(yōu)化器輸出電壓會迅速提升至之前電壓。接著在MPPT環(huán)的調(diào)整下，電壓再次緩慢下降直至到當(dāng)前光照條件下最大功率輸出電壓。當(dāng)光照恢復(fù)時，過程與之類同。
[0029]本發(fā)明中光伏優(yōu)化器通過一定的通信方式，將其調(diào)節(jié)的過程參數(shù)和調(diào)節(jié)結(jié)果參數(shù)傳輸給其余暫時未受陰影影響的光伏優(yōu)化器，作為其余光伏優(yōu)化器的前饋調(diào)整參數(shù)。在接下來的時間里，當(dāng)其余光伏優(yōu)化器受到陰影遮擋時，如判斷影響的陰影與前述光伏優(yōu)化器遇到的陰影相同或相似，則會利用前饋調(diào)整參數(shù)，快速準(zhǔn)確地調(diào)整到最大功率輸出的位置。
[0030]本發(fā)明應(yīng)用于光伏優(yōu)化器的前饋MPPT控制方法，具體過程如下:
[0031 ] (I)當(dāng)陰影開始影響光伏陣列中的首個組件時，該組件所連光伏優(yōu)化器進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)，最終穩(wěn)定在該遮擋條件下的最大功率輸出點(diǎn)(MPP)。
[0032](2)該光伏優(yōu)化器通過一定的通信方式將受影響條件下的調(diào)整參數(shù)傳遞給其余暫時未受遮擋的光伏優(yōu)化器，作為其余光伏優(yōu)化器的前饋信號。
[0033]調(diào)整參數(shù)包括:受到該陰影遮擋瞬間電壓下降的值，遮擋消失瞬間電壓上升值，MPPT調(diào)節(jié)后最終穩(wěn)定的電壓值，光伏優(yōu)化器輸入輸出電壓比值，遮擋時間和遮擋過程中所進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和MPPT調(diào)節(jié)的參數(shù)值。
[0034](3)當(dāng)未受陰影影響的光伏組件開始受到影響時，其所連光伏優(yōu)化器判斷遮擋條件后在MPPT調(diào)整過程中使用前饋信號進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)，快速穩(wěn)定在最大功率輸出點(diǎn)。
[0035]簡化陰影遮擋模型，令PVmn代表光伏陣列第M行N列的組件，POmn代表第M行N列的光伏優(yōu)化器。為簡化動態(tài)陰影遮擋條件，將云層遮擋光伏陣列的過程分成若干個時間段。如圖4和圖5所示，PV1;^最先被移動云層影響的組件，受到遮擋后電壓快速下降至￥工，在電壓環(huán)的調(diào)整下，電壓又回復(fù)到Vo，接著進(jìn)行MPPT調(diào)整，最終在％電壓下實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。此時，PVi2通過PSDM控制策略，將電壓下降點(diǎn)VjPMPP最終電壓V2傳輸給其余可能接收到同樣陰影的光伏優(yōu)化器。當(dāng)PV14遇到陰影電壓下降時，會判斷下降瞬間的電壓是否為V1。如果是V1,則說明PV14接收到了與PV12ffi同的陰影遮擋，則可直接將電壓參考設(shè)為V2。依此方法，PV14將會快速而精確地工作于最大功率點(diǎn)。PV14使用前饋MPPT調(diào)整的控制環(huán)節(jié)如圖6所示。
[0036]本實(shí)施方式所用的光伏優(yōu)化器包括DC-DC變換器、信號采樣與調(diào)理電路、數(shù)字控制器和驅(qū)動電路，DC-DC變換器用于對光伏組件的輸出電壓進(jìn)行變換，以達(dá)到最大功率輸出。理想的光伏優(yōu)化器僅在局部陰影條件下才開始工作，通過電壓調(diào)整和MPPT調(diào)整使每個光伏組件均能工作在最大功率點(diǎn)；而當(dāng)光照均勻以及光伏特性一致時，光伏優(yōu)化器則停止工作，避免影響光伏發(fā)電效率。
[0037]實(shí)例驗(yàn)證:假設(shè)在陰影遮擋下，功率損失為50%。將光伏優(yōu)化器使用前饋MPPT控制方法和不使用時的平均MPPT效率做對比，如圖7所示。同時對光伏組件進(jìn)行遮擋和取消遮擋，觀察到使用了前饋MPPT控制方法的光伏優(yōu)化器的調(diào)節(jié)時間很短，而沒有使用前饋MPPT控制方法的光伏優(yōu)化器調(diào)節(jié)時間很長，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。由此可見，采用本發(fā)明前饋MPPT控制方法，使得光伏優(yōu)化器對最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和準(zhǔn)確度都得到了一定提升。
[0038]上述的對實(shí)施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種局部陰影遮擋下提高光伏優(yōu)化器調(diào)整速度和準(zhǔn)確度的前饋MPPT控制方法，其特征在于: 當(dāng)陰影遮擋開始影響光伏陣列時，使光伏陣列中首個受遮擋影響的光伏組件通過其所連的光伏優(yōu)化器進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)控制，從而在遮擋條件下將輸出電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上； 進(jìn)而該光伏優(yōu)化器將相應(yīng)的調(diào)整信息發(fā)送給光伏陣列中其余光伏優(yōu)化器，并作為這些光伏優(yōu)化器的前饋信號； 當(dāng)接下來光伏陣列中其他光伏組件陸續(xù)受遮擋影響時，這些光伏組件通過各自所連的光伏優(yōu)化器根據(jù)所述的前饋信號進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)控制，快速將輸出電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前饋MPPT控制方法，其特征在于:所述的調(diào)整信息包括:受遮擋影響瞬間下降后的輸出電壓值、經(jīng)MPPT調(diào)節(jié)控制后穩(wěn)定在遮擋條件下最大功率點(diǎn)上的輸出電壓值、受遮擋消失瞬間上升后的輸出電壓值、光伏優(yōu)化器的輸入/輸出電壓比值以及MPPT調(diào)節(jié)控制過程中關(guān)于PID以及MPPT的參數(shù)值。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前饋MPPT控制方法，其特征在于:對于接下來光伏陣列中陸續(xù)受遮擋影響的任一光伏組件，其首先通過所連的光伏優(yōu)化器根據(jù)輸入電壓Vpv和輸入電流Ipv進(jìn)行MPPT調(diào)節(jié)，從而計算出在遮擋條件下對應(yīng)最大功率點(diǎn)上的輸出電壓值Vref;然后根據(jù)所述的前饋信號將首個受遮擋影響的光伏組件經(jīng)光伏優(yōu)化器MPPT調(diào)節(jié)控制后穩(wěn)定在遮擋條件下最大功率點(diǎn)上的輸出電壓值乂工減去輸出電壓值Vrrf得到電壓誤差A(yù)V;最后將Vrrf+ΔV-VpJ^結(jié)果經(jīng)PID調(diào)節(jié)得到占空比d，進(jìn)而通過PffM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)生成控制信號以對光伏優(yōu)化器中的開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)控制。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前饋MPPT控制方法，其特征在于:所述的光伏陣列由多組光伏隊(duì)列并聯(lián)組成，每組光伏隊(duì)列由多個光伏單元串聯(lián)組成，每個光伏單元由一光伏組件和一光伏優(yōu)化器連接組成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前饋MPPT控制方法，其特征在于:所述光伏陣列中的光伏優(yōu)化器具有相互通信的功能，所述通信的實(shí)現(xiàn)方式包括獨(dú)立布線通信、電力線載波通信和無線通信。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前饋MPPT控制方法，其特征在于:所述的光伏優(yōu)化器包括輸入電容Cpv、開關(guān)管S、二極管D、電感L、輸出電容C。以及控制器;其中，輸入電容Cpv的正極與開關(guān)管S的一端以及光伏組件的正極相連，開關(guān)管S的另一端與二極管D的陰極以及電感L的一端相連，電感L的另一端與輸出電容C。的正極相連，輸入電容Cpv的負(fù)極與二極管D的陽極、輸出電容C。的負(fù)極以及光伏組件的負(fù)極共連，開關(guān)管S的控制極接控制器提供的控制信號，輸出電容C。兩端電壓即為所述的輸出電壓。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的前饋MPPT控制方法，其特征在于:所述的控制器集成有MPPT模塊、PID模塊以及PffM模塊。
【文檔編號】G05F1/67GK105871325SQ201610362982
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】朱越, 杜進(jìn), 王志鹍, 吳建德, 何湘寧
【申請人】浙江大學(xué)