一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)，其特征在于它包括光伏電池組和MPPT控制器；其工作方法包括：①數(shù)據(jù)準備；②在程序初始化；③陰影遮蔽判斷；④占空比調(diào)節(jié)；⑤尋找最大功率點；其優(yōu)越性在于：可迅速找到全局最大功率處的電壓，可以加快搜索速度和精度，無需另外添加組件即可實現(xiàn)陰影條件下光伏陣列的最大功率點快速尋優(yōu)。
【專利說明】一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)及方法(-)【技術領域】:
[0001]本發(fā)明屬于光伏發(fā)電【技術領域】，特別是提出了一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)及方法。
(二)【背景技術】:
[0002]太陽能發(fā)電作為一種新興的綠色能源，以永不枯竭、無污染、不受地域限制等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應用。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)利用一個或者多個光伏模組串/并聯(lián)將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，再經(jīng)過電力電子變換器轉(zhuǎn)化為各種形式的電能供負載使用。然而光伏陣列容易受到周圍建筑物、樹木、云層以及光伏板表面灰塵等產(chǎn)生的陰影(局部陰影)的影響，使得光伏陣列的輸出特性發(fā)生改變，P-V曲線不再是簡單的單峰曲線，而是含有多個局域最大峰值。多峰的輸出特性曲線。一方面導致光伏陣列整體的輸出功率降低，另一方面對最大功率點跟蹤控制產(chǎn)生干擾，使得一般常用的最大功率跟蹤(MPPT)算法，如擾動觀察法、導納增量法等將有可能在這種情況下失效，使工作點收斂于某個功率極值點上，而不是功率的最大點，從而使得光伏陣列的能量沒有被充分利用，系統(tǒng)效率將大大降低。而光伏面板上出現(xiàn)部分遮擋問題是，電池性能降低，還會造成不匹配問題。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0003]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，提供了一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)及方法，是一種遮蔭條件下可最大功率尋優(yōu)的光伏組件，這將顯著提供光伏組件的最大功率輸出，提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。
[0004]本發(fā)明的技術方案:一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)，其特征在于它包括光伏電池組和MP PT控制器；其中，所述MPPT控制器包括Α/D轉(zhuǎn)換模塊、Α/D控制模塊、尋優(yōu)MPPT模塊，PWM模塊、電橋驅(qū)動模塊和DC/DC模塊；所述Α/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端采集光伏電池組件的電壓和電流數(shù)據(jù)，其輸出端連接Α/D控制模塊的輸入端；所述MPPT模塊的輸入端連接Α/D控制模塊的輸出端，其輸出端與PWM模塊的輸入端連接；所述電橋驅(qū)動模塊的輸入端連接PWM模塊的輸出端，其輸出端連接輸出電壓信號的DC/DC模塊。
[0005]所述Α/D轉(zhuǎn)換模塊是8位ADC模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。
[0006]所述DC/DC模塊為傳統(tǒng)的BOOST電路。
[0007]所述PWM模塊帶驅(qū)動電路，且驅(qū)動電路由SG3524芯片構成。
[0008]一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它包括以下步驟:
[0009]①數(shù)據(jù)準備:存儲光伏電池板在無陰影遮蔽的情況下的開路電壓Ura和短路電流ISCA，以上數(shù)據(jù)亦可從光伏電池板使用手冊上查詢到，并計算短路電流比上開路電壓的斜率，記為kA;
[0010]②在程序初始化時，設定變換器電流占空比D，由Α/D轉(zhuǎn)換模塊采集光伏陣列在均一光照無陰影時的最大功率點工作電壓Umax，工作電流Imax ;采集當前光伏陣列的電壓和電流U(k)，I(k)，計算ΛΙ = Imax-1 (k) I ;設定檢測光伏陣列電流突變閾值Κ1，若ΛΙ <K1；則光伏陣列未收到陰影遮蔽，采用傳統(tǒng)方法尋找最大功率點；若△〗> K1，則發(fā)生了陰影遮蔽情況；
[0011]③當發(fā)生陰影遮蔽情況時，計算第一輔助判斷電壓量，其中Is表
示當太陽能電池工作點電壓U=U-時對應的工作S電CA流；根據(jù)相似三角形法則，可以得出陰影遮蔽時光伏板最大功率點的電壓必介于Usl和U-之間；
[0012]④調(diào)整變換器電路開關占空比，使光伏陣列工作電壓逐漸接近Usl，當Is2 =I (k+1) = U (k+1) XkA = O時，記Us2 = U (k+1)，其中Us2為第二輔助判斷電壓量，Un+1為當前工作點電壓量；
[0013]⑤調(diào)整占空比直到找到Us2時，記錄電壓變化時最大的功率點Pk=Uk*Ik ;陰影條件下，影響電池板功率輸出的影響因素主要有陰影分布面積、陰影部分光強大小和陰影排
列方式；可通過陰影系數(shù)來平均上述三個條件的平均影響，設陰影系數(shù)為w ;,,，
US2 s\
若m>l，可判斷陰影遮蔽時光伏板最大功率點處的電壓必介于Us2和Umax之間，否則，電池最大功率點處的電壓必介于Usl和Us2之間；
[0014]⑥若陰影系數(shù)m>l，則從U=U(k)處采用電導增量法尋找最大功率點，若m〈l，則繼續(xù)調(diào)節(jié)占空比，使工作電壓朝Usl移動，判斷ΛΙ >K1若滿足該條件，則繼續(xù)調(diào)整占空比使得Uk接近Usl ;若不滿足，從目前工作點U=Uk處可采用電導增量法尋找最大功率點，最后，將確定選取了的Uk賦值給U*進行下一步的計算；
[0015]⑦以U*作為變步長電導增量法的初始值，以AU=0.1V-0.5V的步長對U*進行擾動，測量電池板的輸出電流 I (k)，計算 dU=U (k) -U (k-1)，dl=l (k) -1 (k-1)，dP=U (k) *1 (k) -U(k—I) *1 (k—I)；
[0016]⑧如果步驟⑦計算出的dU為0，則可判斷dl的正負，若dl大于0，則電壓增加AU，否則減小Λ U ;如果dU不為0，則判斷di/du+1/u的正負，若di/du+1/u大于零，則電壓增加(dP/dU)*AU，反之減小(dP/dU)*AU。
[0017]所述步驟①中的無陰影遮蔽條件是光強為1000W/m2，溫度為25攝氏度條件下的環(huán)境。
[0018]本發(fā)明的工作原理:采用變步長電導增量法是為了加快電導增量法的追蹤速度，給步長Λ U前加一個系數(shù)dP/dU，其作用機理是當遠離最大功率點時，P-V曲線斜率dP/dU較大，步長也較大，搜索速度更快；隨著與最大功率點的靠近，P-V曲線的斜率dP/dU減小，步長也逐漸減小，搜索精度更高。
[0019]本發(fā)明自帶MPPT控制器的光伏組件，包括一個8位ADC芯片、Α/D控制模塊、尋優(yōu)MPPT模塊、PWM模塊、電橋驅(qū)動模塊和DC/DC模塊；所述8位ADC芯片的輸入端采集光伏電池組的電壓和電流值；所述Α/D控制模塊控制8位ADC芯片對所述電壓和電流數(shù)據(jù)的采樣，并將采樣得到的電壓和電流值輸入到尋優(yōu)MPPT模塊中；無遮蔭時，所述尋優(yōu)MPPT模塊計算輸入的電壓和電流值，采用傳統(tǒng)導納增量法追蹤`到功率最大點的電壓值，進而控制PWM模塊中PWM輸出波形占空比。有遮蔭時，所述尋優(yōu)MPPT模塊通過控制PWM調(diào)節(jié)占空比，分段采樣輸出電壓，并尋找到近似全局最大功率點，然后在該電壓點處再采用導納增量法追蹤到功率最大點的電壓值，使組件運行于最大功率點處。所述PWM模塊通過電橋驅(qū)動模塊控制DC/DC模塊中的開關的導通時間，從而調(diào)整DC/DC的升壓比。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)越性在于:通過改進的最大功率尋優(yōu)方法，可迅速找到全局最大功率處的電壓，采用該電壓作為初值的變步長電導增量法可以加快搜索速度和精度，無需另外添加組件即可實現(xiàn)陰影條件下光伏陣列的最大功率點快速尋優(yōu);A/D轉(zhuǎn)換模塊是8位ADC模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片；實現(xiàn)對太陽能電池板電壓和電流數(shù)據(jù)的采集。
(四)【專利附圖】

【附圖說明】:
[0021]圖1為本發(fā)明所涉一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)的整體結(jié)構框圖。
[0022]圖2為本發(fā)明所涉一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)工作過程的原理流程結(jié)構圖。
(五)【具體實施方式】:
[0023]實施例:一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)(見圖1)，其特征在于它包括光伏電池組和MPPT控制器；其中，所述MPPT控制器包括Α/D轉(zhuǎn)換模塊、Α/D控制模塊、尋優(yōu)MPPT模塊，PWM模塊、電橋驅(qū)動模塊和DC/DC模塊；所述Α/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端采集光伏電池組件的電壓和電流數(shù)據(jù)，其輸出端連接Α/D控制模塊的輸入端；所述MPPT模塊的輸入端連接Α/D控制模塊的輸出端，其輸出端與PWM模塊的輸入端連接；所述電橋驅(qū)動模塊的輸入端連接PWM模塊的輸出端，其輸出端連接輸出電壓信號的DC/DC模塊。
[0024]所述Α/D轉(zhuǎn)換模塊 是8位ADC模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。
[0025]所述DC/DC模塊為傳統(tǒng)的BOOST電路。
[0026]所述PWM模塊帶驅(qū)動電路，且驅(qū)動電路由SG3524芯片構成。
[0027]—種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)的工作方法(見圖2)，其特征在于它包括以下步驟:
[0028]①數(shù)據(jù)準備:存儲光伏電池板在無陰影遮蔽的情況下的開路電壓Ura和短路電流ISCA，以上數(shù)據(jù)亦可從光伏電池板使用手冊上查詢到，并計算短路電流比上開路電壓的斜率，記為kA;
[0029]②在程序初始化時，設定變換器電流占空比D，由Α/D轉(zhuǎn)換模塊采集光伏陣列在均一光照無陰影時的最大功率點工作電壓Umax，工作電流Imax ;采集當前光伏陣列的電壓和電流U(k)，I(k)，計算ΛΙ = Imax-1 (k) I ;設定檢測光伏陣列電流突變閾值K1，若ΛΙ <K1；則光伏陣列未收到陰影遮蔽，采用傳統(tǒng)方法尋找最大功率點；若△〗> K1，則發(fā)生了陰影遮蔽情況；
[0030]③當發(fā)生陰影遮蔽情況時，計算第一輔助判斷電壓量i/sl = t^xZvi，其中Is表
示當太陽能電池工作點電壓U=U-時對應的工作S電CA流；根據(jù)相似三角形法則，可以得出陰影遮蔽時光伏板最大功率點的電壓必介于Usl和U-之間；
[0031]④調(diào)整變換器電路開關占空比，使光伏陣列工作電壓逐漸接近Usl，當Is2 =I (k+1) = U (k+1) XkA = O時，記Us2 = U (k+1)，其中Us2為第二輔助判斷電壓量，Un+1為當前工作點電壓量；
[0032]⑤調(diào)整占空比直到找到Us2時，記錄電壓變化時最大的功率點Pk=Uk*Ik ;陰影條件下，影響電池板功率輸出的影響因素主要有陰影分布面積、陰影部分光強大小和陰影排
U -U ?
列方式；可通過陰影系數(shù)來平均上述三個條件的平均影響，設陰影系數(shù)為= 二 TT ，
^sl s\
若m>l，可判斷陰影遮蔽時光伏板最大功率點處的電壓必介于Us2和Umax之間，否則，電池最大功率點處的電壓必介于Usl和Us2之間；
[0033]⑥若陰影系數(shù)m>l，則從U=U(k)處采用電導增量法尋找最大功率點，若m〈l，則繼續(xù)調(diào)節(jié)占空比，使工作電壓朝Usl移動，判斷ΛΙ >K1若滿足該條件，則繼續(xù)調(diào)整占空比使得Uk接近Usl ;若不滿足，從目前工作點U=Uk處可采用電導增量法尋找最大功率點，最后，將確定選取了的Uk賦值給U*進行下一步的計算；
[0034]⑦以U*作為變步長電導增量法的初始值，以Λ U=0.1V-0.5V的步長對U*進行擾動，測量電池板的輸出電流 I (k)，計算 dU=U (k) -U (k-1)，dl=l (k) -1 (k-1)，dP=U (k) *1 (k) -U(k—I) *1 (k—I)；
[0035]⑧如果步驟⑦計算出的dU為0，則可判斷dl的正負，若dl大于0，則電壓增加AU，否則減小Λ U ;如果dU不為0，則判斷di/du+1/u的正負，若di/du+1/u大于零，則電壓增加(dP/dU)* Λ U，反之減小(dP/dU)* Λ U。
[0036]所述步驟①中·的無陰影遮蔽條件是光強為1000W/m2，溫度為25攝氏度條件下的環(huán)境。
[0037]以30kw光伏陣列為例，其開路電壓為820V，短路電流49.3A，遮蔭情況為輻照分別為 1000W/m2 和 500W/m2 ；
[0038]①數(shù)據(jù)準備階段，得到kA=16.63，起始給陣列掃描ΛΙ < K1，如滿足則說明光伏電池有部分被遮擋；
[0039]②由當前電流值Isl=24A找到第一輔助判斷電壓量Usl=400V，并調(diào)節(jié)占空比D使輸出電壓向其移動直到找到第二輔助判斷電壓量Us2=500V，計算輸出功率P (k) =U (k) *1 (k)，通過與上一次的輸出功率P (k-1) =U (k-1) *1 (k-1)比較大小，將輸出功率較大處的電壓值賦給U* ；
[0040]③計算陰影系數(shù)m=3.2>l，可知陰影遮蔽時光伏板最大功率點處的電壓必介于Us2和U—之間,則之前記錄的最大功率點即為近似最大功率點；
[0041]④以返回的U*=695V作為電導增量法的初始值，步長采用AU=0.5V，測量電池板的輸出電流 I (k)，計算 du=u (k) -U (k-1)，dl=l (k) -1 (k-1)，dp=U (k) *1 (k) -U (k-1) *1 (k-1)；
[0042]⑤如果dU為0，判斷dl的正負，若dl大于0，則電壓增加AU,否則減小AU ;如果dU不為0，則判斷di/du+1/u的正負，若di/du+1/u大于零，則電壓增加(dP/dU) * Λ U，反之減小(dP/dU) * Λ U ;
[0043]⑥算法結(jié)束，返回u=688.6v，此電壓值處的輸出功率即為當前遮蔭條件下的最大輸出功率。
【權利要求】
1.一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)，其特征在于它包括光伏電池組和MPPT控制器；其中，所述MPPT控制器包括Α/D轉(zhuǎn)換模塊、Α/D控制模塊、尋優(yōu)MPPT模塊，PWM模塊、電橋驅(qū)動模塊和DC/DC模塊；所述Α/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端采集光伏電池組件的電壓和電流數(shù)據(jù)，其輸出端連接Α/D控制模塊的輸入端；所述MPPT模塊的輸入端連接Α/D控制模塊的輸出端，其輸出端與PWM模塊的輸入端連接；所述電橋驅(qū)動模塊的輸入端連接PWM模塊的輸出端，其輸出端連接輸出電壓信號的DC/DC模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)，其特征在于所述Α/D轉(zhuǎn)換模塊是8位ADC模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。
3.根據(jù)權利要求1所述一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)，其特征在于所述DC/DC模塊為傳統(tǒng)的BOOST電路。
4.根據(jù)權利要求1所述一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)，其特征在于所述PWM模塊帶驅(qū)動電路，且驅(qū)動電路由SG3524芯片構成。
5.一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它包括以下步驟: ①數(shù)據(jù)準備:存儲光伏電池板在無陰影遮蔽的情況下的開路電壓Ura和短路電流Isa，以上數(shù)據(jù)亦可從光伏電池板使用手冊上查詢到，并計算短路電流比上開路電壓的斜率，記為kA ； ②在程序初始化時，設定變換器電流占空比D，由Α/D轉(zhuǎn)換模塊采集光伏陣列在均一光照無陰影時的最大功率點工作電壓Umax，工作電流Imax ;采集當前光伏陣列的電壓和電流U(k)，I (k)，計算Λ I = I Imax-1 (k) I ;設定檢測光伏陣列電流突變閾值Kl，若Λ I < K1，則光伏陣列未收到陰影遮蔽，采 用傳統(tǒng)方法尋找最大功率點；若△〗> K1，則發(fā)生了陰影遮蔽情況； ③當發(fā)生陰影遮蔽情況時，計算第一輔助判斷電壓量=.^.χ/Λ?，其中Is表示當太陽能電池工作點電壓U=Umax時對應的工作電流；根據(jù)相似三角形法則，可以得出陰影遮蔽時光伏板最大功率點的電壓必介于Usl和Umax之間； ④調(diào)整變換器電路開關占空比，使光伏陣列工作電壓逐漸接近Usl，當Is2= I (k+1)=U(k+1) XkA = O時，記Us2 = U (k+1)，其中Us2為第二輔助判斷電壓量，Un+1為當前工作點電壓量; ⑤調(diào)整占空比直到找到Us2時，記錄電壓變化時最大的功率點Pk=Uk*Ik;陰影條件下，影響電池板功率輸出的影響因素主要有陰影分布面積、陰影部分光強大小和陰影排列


U -U1方式；可通過陰影系數(shù)來平均上述三個條件的平均影響，設陰影系數(shù)為若



si sim>l,可判斷陰影遮蔽時光伏板最大功率點處的電壓必介于化2和Uniax之間，否則，電池最大功率點處的電壓必介于Usl和Us2之間； ⑥若陰影系數(shù)m>l，則從U=U(k)處采用電導增量法尋找最大功率點，若m〈l，則繼續(xù)調(diào)節(jié)占空比，使工作電壓朝Usl移動，判斷ΛΙ >K1若滿足該條件，則繼續(xù)調(diào)整占空比使得Uk接近Usl ;若不滿足，從目前工作點U=Uk處可采用電導增量法尋找最大功率點，最后，將確定選取了的Uk賦值給U*進行下一步的計算； ⑦以U*作為變步長電導增量法的初始值，以ΛU=0.1V-0.5V的步長對U*進行擾動，測量電池板的輸出電流 I (k)，計算 dU=U (k) -U (k-1)，dl=l (k) -1 (k-1)，dP=U (k) *1 (k) -U (k-1)*1(k-1)； ⑧如果步驟⑦計算出的dU為0，則可判斷dl的正負，若dl大于0，則電壓增加ΛU，否則減小AU ;如果dU不為0，則判斷dI/dU+1/U的正負，若dI/dU+1/U大于零，則電壓增加(dP/dU)*AU，反之減小(dP/dU)*AU。
6.根據(jù)權利要求5所述一種陰影條件下光伏陣列最大功率點快速尋優(yōu)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于所述步驟①中的無陰影遮蔽條件是光強為1000W/m2，溫度為25攝氏度條件下的環(huán)境。
【文檔編號】G05F1/67GK103592992SQ201310576597
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權日:2013年11月18日
【發(fā)明者】岳巍澎, 周雪松, 沈雪波, 馬幼捷, 朱斯, 王婧, 任巍曦, 董文琦, 劉志豪, 楊猛, 李明, 翟化欣, 程東霞 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)新源張家口風光儲示范電站有限公司, 天津理工大學