CN103677063A - 基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法与装置 - Google Patents

基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法及其装置。由于在实际光伏组件串联的光伏发电***中，当多块光伏电池被遮挡或遮挡程度不同时，整个光伏阵列的I-U特性曲线会出现多个膝点，对应的P-U曲线则会可能出现多个峰值点，呈现多峰值曲线特性，使得传统的最大功率跟踪算法会失效。本发明利用各个膝点的电压和功率曲线的峰值点的关系，本发明采用定电压跟踪法和扰动观察法相结合的最大功率跟踪算法，除了更好地能准确的跟踪串联光伏电池组在阴影遮挡下的最大功率点外，还能消除过长的非最大功率点区域搜索造成的能量损失。

Description

基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法与装置
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，更具体地说，涉及一种基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法及其装置。
背景技术
在实际光伏***应用中，由于光伏组件的安装和应用环境严重制约着光伏组件的转换效率，特别是光伏阴影遮挡问题严重影响光伏组件的转换效率和可靠性。随着光伏发电***所处环境的越来越复杂化，尤其是在建筑比较密集的区域，或受光伏阵列外观造型的限制，有可能无法保证太阳光全天不被遮挡，从而产生光伏阵列的局部阴影，甚至是全天遮挡问题。光伏组件受遮阴影响严重，使得光伏组件之间的失配、傍路二极管的热能耗散令组件性能加速退化，给光伏组件带来诸多如输出功率急剧减小、“热斑效应”、最大功率点跟踪（maximumpower point tracking，MPPT）技术失效等问题。实际光伏***中光伏遮阴问题会造成光伏发电效率低于理论值15-20%，当一个太阳能光伏光伏电站中大约有10%的电池板受阴影遮挡，在极端情况下会造成光伏电站60%的功率损失，平均造成的功率损失在30%左右。同时长时间阴影遮挡会引起的旁路二极管过流、过温损害及寿命降低，严重的会导致光伏电池板烧毁，引起火灾。因此，消除或降低光伏阴影遮挡因素的影响是提高光伏***利用效能较直接有效的方法，其中阴影遮挡下的最大功率跟踪算法的研究就有着非常重要的意义。
现有的多峰值曲线最大功率跟踪方法主要有：
（1）两步法，从I-U的等效负载将光伏阵列的工作点控制在临近最大功率点附近，然后使用单峰值MPPT算法完成最大功率跟踪，该方法存在误判问题，很可能找到的是极小值点，准确度不高；
（2）全局扫描法，把各个峰值点的电压和功率都进行扫描，然后确定最大功率点，该方法虽然可以准确地搜索到最大功率点，但过长的非最大功率点区域搜索会造成相应的能量损失；
（3）改进的固定电压比例扫描法，与全局扫描方法类似，只是其电压的步长采用n分子之一最接近开路电压值处的一个峰值点的工作电压，该方法电压步长会随峰值点的电压变化，存在漏过最大功率点的可能。
2012年4月公布的发明专利申请CN102419599A，提出了一种基于人工鱼群算法的太阳能电池最大功率点跟踪方法。其发明思想如下：当太阳能电池组件在有阴影遮蔽情况下，其输出P-V特性曲线将出现多峰值的情况，采用人工鱼群算法与扰动观察法相结合，实现对太阳能电池多峰输出特性情况下的最大功率点跟踪，其中的人工鱼群算法就是一种群智能随机全局优化算法，能快速、精确地搜索到全局最大功率点，然后由扰动观察法实现最大功率点的跟踪。
上述技术方案能克服了传统的爬山法、扰动观察法等只能对单峰曲线进行跟踪，易陷入局部极值的缺点，能有效的提高了光伏***的发电效率。但是鱼群数即迭代数n的大小会直接影响非最大功率点区域搜索次数，过长的搜索次数会造成相应的能量损失，而过短的全局搜索由会导致峰值点的准确度下降。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结合定电压跟踪法和扰动观察法，利用光伏串联电池组在阴影遮挡下I-V曲线各个膝点等功率曲线上的电压和P-V功率曲线的峰值点的一一对应关系，快速准确的测定多个功率峰值点，从而可测定多峰值曲线的最大功率点，降低MPPT搜索过程的能量损耗的基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法，并提供所述的方法所应用的装置。
本发明的技术方案如下：
一种基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法，步骤如下：
1）设定电池组件参数：单元数m、最大功率点电压值UMPPT、最大功率点功率值PMPPT、开路电压Uoc值；
2）设定电压跟踪法UMPPT(n)≤kUoc中的参数k值；
3）用扰动观察法搜索第一个最大功率点，并记录该点的电压UMPPT(n)和功率PMPPT(n)；
4）根据记录的电压UMPPT(n)值与设定的kUoc进行对比，判断UMPPT(n)是否小于等于kUoc，如果小于等于kUoc，则转入步骤5），进行下一个峰值的搜索；
如果大于kUoc，则判断PMPPT(n)是否小于等于PMPPT，若小于等于PMPPT，则转入步骤6），否则返回步骤2）；
5）预设第二个峰值电压点Uref=UMPPT(n)+kUoc；
6）用扰动观察法搜索第二个最大功率点，并记录改点的电压UMPPT(n+1)和功率PMPPT(n+1)；
7）根据记录的电压UMPPT(n+1)值与设定的Uref=UMPPT(n)+kUoc进行对比，判断UMPPT(n+1)是否小于等于Uref，如果小于等于Uref，则转入步骤8）；
如果大于Uref，则判断PMPPT(n+1)是否小于等于PMPPT(n)，若小于等于PMPPT(n)，则转入步骤9），否则返回步骤2）；
8）继续预设下一个电压峰值点，直到第m个电压峰值点Uref=UMPPT(n+m)+kUoc；
9）比较各个峰值点的功率值PMPPT(n),PMPPT(n+1),…PMPPT(n+m)，获得最大峰值功率点下的电压值UMPPT。
作为优选，所述的电池组件为串联电池组。
作为优选，所述的电池组件与功率变换器相连，电池组件的输出与最大功率***相连，最大功率***的输出与功率变换器相连，所述的功率变换器受最大功率***控制。
作为优选，检测电池组件输出的电压和电流信号，输入到最大功率***，得到控制信号来控制功率变换器的开关占空比。
作为优选，步骤2）中所述的参数k值，其值为
Figure BDA00002098189200031
一种具备最大功率跟踪功能的光伏发电控制***，包括光伏电池组件、功率变换器、最大功率跟踪模块，所述的光伏电池组件与功率变换器相连，最大功率跟踪模块分别与光伏电池组件、功率变换器相连；所述的最大功率跟踪模块检测光伏电池组件输出的电压和电流信号，通过光伏电池组件最大功率跟踪方法，得到控制信号，控制功率变换器的开关占空比。
作为优选，所述的光伏电池组件为串联光伏电池组件。
本发明的有益效果如下：
本发明采用定电压跟踪法和扰动观察法相结合的最大功率跟踪算法，除了更好地能准确的跟踪串联光伏电池组在阴影遮挡下的最大功率点外，还能消除过长的非最大功率点区域搜索造成的能量损失。
附图说明
图1是本发明所述的方法的流程图；
图2是实施本发明所述的方法的设备结构示意图；
图3是本发明的光伏组件的实施例的输出I-V曲线；
图4是本发明的光伏组件的实施例的输出P-V曲线；
图中：1是光伏电池组件，2是功率变换器，3是最大功率跟踪模块。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
如图1所示的一种基于膝点等功率法串联光伏电池组件1最大功率跟踪方法，步骤如下：
1）设定电池组件参数：单元数m、最大功率点电压值UMPPT、最大功率点功率值PMPPT、开路电压Uoc值；
2）设定电压跟踪法UMPPT(n)≤kUoc中的参数k值，其值为
Figure BDA00002098189200041
3）用扰动观察法搜索第一个最大功率点，并记录该点的电压UMPPT(n)和功率PMPPT(n)；
4）根据记录的电压UMPPT(n)值与设定的kUoc进行对比，判断UMPPT(n)是否小于等于kUoc，如果小于等于kUoc，则转入步骤5），进行下一个峰值的搜索；
如果大于kUoc，则判断PMPPT(n)是否小于等于PMPPT，若小于等于PMPPT，则转入步骤6），否则返回步骤2）；
5）预设第二个峰值电压点Uref=UMPPT(n)+kUoc；
6）用扰动观察法搜索第二个最大功率点，并记录改点的电压UMPPT(n+1)和功率PMPPT(n+1)；
7）根据记录的电压UMPPT(n+1)值与设定的Uref=UMPPT(n)+kUoc进行对比，判断UMPPT(n+1)是否小于等于Uref如果小于等于Uref，则转入步骤8）；
如果大于Uref，则判断PMPPT(n+1)是否小于等于PMPPT(n)，若小于等于PMPPT(n)，则转入步骤9），否则返回步骤2）；
8）预设第m个电压峰值点Uref=UMPPT(n+m-1)+kUoc；
9）用扰动观察法搜索第m个最大功率点，并记录改点的电压UMPPT(n+m)和功率PMPPT(n+m)；
10）根据记录的电压UMPPT(n+m)值与设定的Uref=UMPPT(n+m)+kUoc进行对比，判断UMPPT(n+m)是否小于等于Uref，如果小于等于Uref，则转入步骤11），进行下一个峰值的搜索；
如果大于Uref，则判断PMPPT(n+m)是否小于等于PMPPT(n+m-1)，若小于等于PMPPT(n+m-1)，则返回开始新一轮的搜索，否则返回步骤2）；
11）继续预设下一个电压峰值点，直到第m个电压峰值点Uref=UMPPT(n+m)+kUoc；
12）比较各个峰值点的功率值PMPPT(n),PMPPT(n+1),…PMPPT(n+m)，获得最大峰值功率点下的电压值UMPPT。
所述的电池组件为串联电池组。所述的电池组件与功率变换器2相连，电池组件的输出与最大功率***相连，最大功率***的输出与功率变换器2相连，所述的功率变换器2受最大功率***控制。
检测电池组件输出的电压和电流信号，输入到最大功率***，得到控制信号来控制功率变换器2的开关占空比。
以下结合附图2、图3和图4为对一种基于膝点等功率法串联光伏电池组件1最大功率跟踪方法进行进一步的详细说明。
如图2所示，一种具备最大功率跟踪功能的光伏发电控制***，包括光伏电池组件1、功率变换器2、最大功率跟踪模块3，所述的光伏电池组件1与功率变换器2相连，最大功率跟踪模块3分别与光伏电池组件1、功率变换器2相连；所述的最大功率跟踪模块3检测光伏电池组件1输出的电压和电流信号，通过光伏电池组件1最大功率跟踪方法，得到控制信号，控制功率变换器2的开关占空比。
本实施例中，所述的光伏电池组件1为串联光伏电池组。串联光伏电池组与功率变换器2相连，功率变化器受最大功率跟踪算法控制。其中的跟踪控制算法为：检测串联光伏电池组输出的电压和电流信号，输入到最大功率***，然后根据图1的多峰值最大功率跟踪算，得到控制信号来控制功率变换器2的开关占空比。
图3是由三个串联电池组在不同阴影遮挡情况下的光伏组件输出I-V曲线，从图中I-V曲线可以看出，三个电池在不同光照下呈现三个膝点形状。利用三条等功率曲线，等功率线a对应光伏电池，等功率b对应光伏电池，等功率线c对应光伏电池，它们分别对应的三个最大功率点就可以获得最大功率点位置MPPT1、MPPT2、MPPT3，这样就可以获得整个光伏组件的最大功率点，如图3所示为MPPT2点，此时的电压为UMPPT2。
图4为是由三个串联电池组在不同阴影遮挡情况下的光伏组件输出P-V曲线，与图3的I-V曲线相对应，其中的最大功率点MPPT1、MPPT2、MPPT3也相对应，而电压UMPPT1、UMPPT2、UMPPT3也一样。
因此从图3和图4可以得到，只要从I-V搜索到最大功率点，也就相应的获得P-V曲线的最大功率点，而本发明就是基于这个原理得到了基于膝点等功率法串联光伏电池组件1最大功率跟踪方法算法，能准确快速获得最大功率点，同时也能减少长时间最大功率点搜索而导致的能量损耗。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法，其特征在于，步骤如下：
1）设定电池组件参数：单元数m、最大功率点电压值UMPPT、最大功率点功率值PMPPT、开路电压Uoc值；
2）设定电压跟踪法UMPPT(n)≤kUoc中的参数k值；
3）用扰动观察法搜索第一个最大功率点，并记录该点的电压UMPPT(n)和功率PMPPT(n)；
4）根据记录的电压UMPPT(n)值与设定的kUoc进行对比，判断UMPPT(n)是否小于等于kUoc，如果小于等于kUoc，则转入步骤5），进行下一个峰值的搜索；
如果大于kUoc，则判断PMPPT(n)是否小于等于PMPPT，若小于等于PMPPT，则转入步骤6），否则返回步骤2）；
5）预设第二个峰值电压点Uref=UMPPT(n)+kUoc；
6）用扰动观察法搜索第二个最大功率点，并记录改点的电压UMPPT(n+1)和功率PMPPT(n+1)；
7）根据记录的电压UMPPT(n+1)值与设定的Uref=UMPPT(n)+kUoc进行对比，判断UMPPT(n+1)是否小于等于Uref，如果小于等于Uref，则转入步骤8）；
如果大于Uref，则判断PMPPT(n+1)是否小于等于PMPPT(n)，若小于等于PMPPT(n)，则转入步骤9），否则返回步骤2）；
8）继续预设下一个电压峰值点，直到第m个电压峰值点Uref=UMPPT(n+m)+kUoc；
9）比较各个峰值点的功率值PMPPT(n),PMPPT(n+1),…PMPPT(n+m)，获得最大峰值功率点下的电压值UMPPT。
2.根据权利要求1所述的基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法，其特征在于，所述的电池组件为串联电池组。
3.根据权利要求2所述的基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法，其特征在于，所述的电池组件与功率变换器相连，电池组件的输出与最大功率***相连，最大功率***的输出与功率变换器相连，所述的功率变换器受最大功率***控制。
4.根据权利要求3所述的基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法，其特征在于，检测电池组件输出的电压和电流信号，输入到最大功率***，得到控制信号来控制功率变换器的开关占空比。
5.根据权利要求1所述的基于膝点等功率法光伏电池组件最大功率跟踪方法，其特征在于，步骤2）中所述的参数k值，其值为
Figure FDA00002098189100021
6.一种具备最大功率跟踪功能的光伏发电控制***，其特征在于，包括光伏电池组件、功率变换器、最大功率跟踪模块，所述的光伏电池组件与功率变换器相连，最大功率跟踪模块分别与光伏电池组件、功率变换器相连；所述的最大功率跟踪模块检测光伏电池组件输出的电压和电流信号，通过光伏电池组件最大功率跟踪方法，得到控制信号，控制功率变换器的开关占空比。
7.根据权利要求6所述的具备最大功率跟踪功能的光伏发电控制***，其特征在于，所述的光伏电池组件为串联光伏电池组件。
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