一種適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率獲取方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率獲取方法，屬光伏陣列輸出最大功率點跟蹤（MPPT）方法。該方法基于差異性光伏單元串聯電路（NPUCS）的工作原理分析，得到NPUCS輸出功率多峰值特征的原因，并計算峰值點數量，在獲得峰值點數后，利用已獲得的串聯電路開路電壓和各單元的近似峰值點電流，計算得到各峰值點近似功率值，比較獲得全局最大功率點所在區域，然后利用電導增量法得到最終的全局最大功率點，實現最大輸出功率的獲取。該方法利用少量計算和小區域搜索代替全局搜索，具有極快的最大功率點獲取速度，且不論多少個光伏單元串聯，其獲取速度基本是一樣的，因此尤其適用于多單元串聯高電壓光伏發電功率獲取場合。
【專利說明】一種適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率獲取方法
【技術領域】
[0001] 發明涉及一種光伏單元串聯電路輸出最大功率獲取方法，具體是一種適用于差異 性光伏單元串聯電路的快速MPPT方法。
【背景技術】
[0002] 單個光伏單元輸出電壓較低，為了獲得較高電壓，提高功率輸出等級，常將光伏單 元進行串聯。多個同樣的光伏單元串聯后，當光照和溫度條件相同時，串聯電路的輸出功率 特性與單個光伏單元輸出特性相似，即輸出功率只有一個峰值點，該峰值點即為光伏單元 的最大功率點；但當遭遇差異性條件如由于局部陰影導致光照不均勻或者溫度不同時，各 光伏單元的輸出特性不再一致，串聯后光伏單元電路的輸出功率特性大多有多個峰值點， 只有其中一個峰值點為全局最大功率點（Global Maximum Power Point，GMPP)，此時采用 常規的MPPT方法容易陷入某一局部功率極值點，不能準確地跟蹤到全局最大功率點，導致 光能利用率下降。
[0003] 目前，現有的對光伏功率輸出呈多峰值特征的最大功率獲取方法有兩類解決方 案。一類是通過附加硬件電路改變P-V多峰性質，使得NPUCS輸出呈現單峰特性，再用常規 的MPPT方法進行跟蹤。例如，給每個光伏單元并聯一個補償電路，當發生局部陰影時，補償 電路維持被遮擋單元的端電壓，使其工作于最大功率點附近，NPUCS的P-V特性被矯正為單 峰值的，避免了多峰的出現，可以用常規的電導增量等方法實現MPPT。但是，補償電路的加 入導致系統結構復雜，控制困難，成本增加。第二類是設計具有全局搜索能力的最大功率點 跟蹤算法，如采用基于粒子群算法的智能控制方法，在差異性條件下比常規算法有更好的 快速性和準確性。但該類方法參數設置依靠經驗，可移植性較差，工程中不易實現。也有采 用了兩步式的方法，第一步由光伏單元開路電壓和短路電流的比值得到等效電阻，并根據 等效電阻阻值和實時檢測到的電流大小設定一個工作點，第二步在設定的工作點附近運用 常規MPPT方法尋找最大功率點。該方法簡單易行，但不能保證在所有差異性條件下均能準 確跟蹤到全局最大功率點。綜合來看，現有的方法可以一定程度上提高光伏陣列的光能利 用率，但也或多或少存在著跟蹤準確性不高、跟蹤速度慢、過于復雜、需要添加硬件電路以 及應對環境突變能力較弱等不足，多峰特性下的全局MPPT跟蹤仍是一個亟待解決的問題。
[0004] 利用常規的全局搜索法固然可以得到多峰特性下的GMPP，但由于無論多少個局部 峰值點，也無論GMPP位于哪一個局部峰值點，都需對全電壓范圍全部搜索一遍，其過程耗 費較長時間和較多計算資源，效率較低。因此需要設計適用于NPUCS的快速MPPT方法，提 高光伏能源利用效率。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是：針對現有差異性光伏單元串聯電路的輸出最大功 率獲取控制方法存在的不足，設計方法計算輸出功率峰值點數量和各串聯單元峰值點功率 近似值，判斷各峰值點功率大小，得到全局最大功率點所在的區域，直至利用常規電導增量 法搜尋得到精確的GMPP。該方法只需在系統初始啟動時測量串聯電路的開路電壓和各單元 的短路電流，即可計算得到峰值數量和最大功率點的所在區域，然后運用電導增量法即可 得到精確的全局最大功率點位置。利用較少計算和小區域搜索代替全區域的搜索，該方法 具有極快的搜索速度。
[0006] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案： 一種適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率獲取方法，具體包括如下步驟： 步驟一、測量串聯電路的開路電壓V。。，根據公式ν^=ν。。/!!計算各單元的開路電壓V。# 式中，V。。表示串聯電路開路電壓，η表示串聯單元個數； 使電路的工作電壓維持在開路電壓的60%，得出各光伏單元的短路電流Isc;i，將所 述各光伏單元的短路電流Isc;i按照從小到大的順序排列，建立短路電流向量； 步驟二、將步驟一中得到的短路電流Isc;i乘以固定系數，得出峰值點電流向量的近似值 Imi ； 步驟三、將步驟一得到的短路電流向量與步驟二得到的峰值點電流向量交叉相減，計 算出差異性光伏單元串聯電路的峰值點數Npk ; 步驟四、計算Npk個峰值點的近似功率值： Pmaxi=[ (i-0. 24)/!!]^，公式中Pmaxi、Imi分別為第i個單元的峰值點功率和電流；在 計算得出的Npk個峰值點功率中選取最大值Pmax所對應的峰值點，則此峰值點即為全局最大 功率點； 步驟五、將步驟四得到的Pmax對應的峰值點所在區域作為電導增量法的作用范圍，采用 電導增量法搜索得出最大功率點的精確位置。
[0007] 作為本發明的進一步優選方案，在步驟三中，所述差異性光伏單元串聯電路的峰 值點數N pk的計算過程程具體如下： 將第j個短路電流Iscu與第k個峰值點電流Imk相減，當結果大于或者等于0時，將峰 值點數Npk減少1個，然后，將下標j增加1，繼續運算比較； 當結果小于〇時，維持則峰值點數Npk不變，然后，將下標j和k均增加1，繼續運算比 較； 上述計算過程中，j的取值范圍為1到n-1, k的取值范圍為2到n, Npk的初始值為η。
[0008] 作為本發明的進一步優選方案，所述步驟四中，根據差異性光伏串聯電路中每個 單元的電壓近似特性，判定峰值點電壓與開路電壓之間的比例關系近似不變。
[0009] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果： 1、 極快的跟蹤速度。本方法只需在初定位GMPP所在區域后采用電導增量法搜尋精確 的最大功率點，其余的環節都是通過計算完成，用少量的計算和小區域的搜素代替全區域 的搜素，節省了搜索時間，因此具有極快的跟蹤速度，適用于對環境條件變化較快的光伏使 用場合； 2、 更適用于串聯光伏單元數量較多的高電壓應用場合。本方法并不限定串聯電路中的 光伏單元數量，電流分界系數也是提前存入的，不需在線計算。本方法對于光伏單元數量變 化的唯一區別是計算各單元短路電流比值，而這個計算時間是極短的，在其他環節都是一 樣的，所以串聯光伏單元數量越多，本方法的快速優勢體現得越明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明的整體流程框圖。
[0011] 圖2是本發明中計算差異性光伏單元串聯電路輸出功率峰值點數的流程框圖。
[0012] 圖3是三個光伏單元串聯時的電路圖。
[0013] 圖4是三個光伏單元串聯時電路的輸出特性示意圖。
[0014] 圖5是使用本方法時，三個光伏單元串聯電路中，當全局最大功率點位于第一個 局部峰值點處時，最大功率跟蹤的過程示意圖。
[0015] 圖6是使用本方法時，三個光伏單元串聯電路中，當全局最大功率點位于第二個 局部峰值點處時，最大功率跟蹤的過程示意圖。
[0016] 圖7是使用本方法時，三個光伏單元串聯電路中，當全局最大功率點位于第三個 局部峰值點處時，最大功率跟蹤的過程示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明： 本發明的整體流程框圖如圖1所示，所述適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率 獲取方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 步驟一、測量串聯電路的開路電壓V。。，根據公式ν^=ν。。/!!計算各單元的開路電壓V。# 式中，V。。表示串聯電路開路電壓，η表示串聯單元個數； 使電路的工作電壓維持在開路電壓的60%，得出各光伏單元的短路電流Isc;i，將所 述各光伏單元的短路電流Isc;i按照從小到大的順序排列，建立短路電流向量； 步驟二、將步驟一中得到的短路電流Isc;i乘以固定系數，得出峰值點電流向量的近似值 Imi ; 步驟三、將步驟一得到的短路電流向量與步驟二得到的峰值點電流向量交叉相減，計 算出差異性光伏單元串聯電路的峰值點數Npk ; 步驟四、計算Npk個峰值點的近似功率值： Pmaxi=[ (i-0. 24)/!!]^，公式中Pmaxi、Imi分別為第i個單元的峰值點功率和電流；在 計算得出的Npk個峰值點功率中選取最大值Pmax所對應的峰值點，則此峰值點即為全局最大 功率點； 步驟五、將步驟四得到的Pmax對應的峰值點所在區域作為電導增量法的作用范圍，采用 電導增量法搜索得出最大功率點的精確位置。
[0018] 本發明中計算差異性光伏單元串聯電路輸出功率峰值點數的流程框圖如圖2所 示，其計算過程為：將第j個短路電流Iscj與第k個峰值點電流I mk相減，當結果大于或者 等于0時，將峰值點數Npk減少1個，然后，將下標j增加1，繼續運算比較；當結果小于0時， 維持則峰值點數N pk不變，然后，將下標j和k均增加1，繼續運算比較；上述計算過程中，j 的取值范圍為1到n-1，k的取值范圍為2到n，Npk的初始值為η。
[0019] 在本發明的一個具體實施例中，對具有旁路二極管的三個光伏單元進行串聯，其 電路圖如圖3所示，三個光伏單元所受光照互有差異，且從上到下依次光照減弱，他們串聯 后的輸出輸出特性呈現多峰值特性，圖4為三個單元光照分別為1000、600、400W/ rtf串聯后 的輸出電流-電壓和功率-電壓特性。
[0020] 在上述具體實施例中，圖5、圖6和圖7分別是三個光伏單元串聯時其輸出功率曲 線的三種可能情況，對應最大功率點分別在第一、第二和第三個峰值點處的情況，最大功率 點跟蹤的具體過程如下： 如圖5所示，初始化以后，開路電壓為108V，光伏單元的開路電壓為36V，串聯電路短路 電流約為11A，被旁路的兩個光伏單元的短路電流分別為6. 5A、5A，他們的峰值點電流約為 9. 35A、5. 53A、4. 25A，經計算功率峰值點數為3個。光伏串聯電路工作于單元開路電壓60% 處的 A0 點，三個峰值點功率分別為 273. 60W (1*0. 76*36V*10A)、253. 44W (1. 76*36V*4A)、 278. 21W (2. 76*36V*2. 8A)，比較得知第一個峰值點功率值較大，將工作點變換為27. 4V (0. 76*36V)，即圖中的Ml點，然后在Ml左右運用電導增量法獲得精確的全局最大功率點 GMPP，即圖中的G1點。
[0021] 如圖6所示，初始化以后，開路電壓為113V，光伏單元的開路電壓為37. 7V，串聯 電路短路電流約為11A，被旁路的兩個光伏單元的短路電流分別為7A、3.8A，他們的峰值 點電流約為9. 35A、5. 95A、3. 23A，經計算功率峰值點數為3個。光伏串聯電路工作于開 路電壓60%處的A0點，三個峰值點功率分別為300. 85W (0. 76*37. 7V*10. 5A)、464. 46W (L 76*37. 7V*7A)、364. 18W (2· 76*37. 7V*3. 5A)，比較得知第二個峰值點功率值較大，將工 作點變換為66. 35V ((1+0. 76) *37. 7V)，即圖中的M2點，然后在M2點左右運用電導增量法 獲得精確的全局最大功率點GMPP，即圖中G 2點。
[0022] 如圖7所示，初始化以后，開路電壓為110V，光伏單元的開路電壓為36. 7V，串聯 電路短路電流約為10. 5A，被旁路的兩個光伏單元的短路電流分別為4. 8A、3.8A，他們的 峰值點電流約為8. 93A、4. 08A、3. 23A，經計算功率峰值點數為3個。光伏串聯電路工作于 開路電壓60%處的A0點，三個峰值點功率分別為284. 50W (0. 76*36. 7V*10. 2A)、303. 58W (1. 76*36. 7V*4. 7A)、405. 17W (2. 76*36. 7V*4A)，比較得知第三個峰值點功率值較大，將工 作點變換為101. 29V (2. 76*36. 7V)，即圖中的M3點，然后在M3左右運用電導增量法獲得精 確的全局最大功率點GMPP，即圖中的G 3點。
[0023] 上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施 方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下 做出各種變化。
【權利要求】
1. 一種適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率獲取方法，其特征在于，具體包括 如下步驟： 步驟一、測量串聯電路的開路電壓V。。，根據公式ν^=ν。。/!!計算各單元的開路電壓V。# 式中，V。。表示串聯電路開路電壓，η表示串聯單元個數； 使電路的工作電壓維持在開路電壓的60%，得出各光伏單元的短路電流Isc;i，將所 述各光伏單元的短路電流Isc;i按照從小到大的順序排列，建立短路電流向量； 步驟二、將步驟一中得到的短路電流Isc;i乘以固定系數，得出峰值點電流向量的近似值 Imi ; 步驟三、將步驟一得到的短路電流向量與步驟二得到的峰值點電流向量交叉相減，計 算出差異性光伏單元串聯電路的峰值點數Npk ; 步驟四、計算Npk個峰值點的近似功率值： Pmaxi=[ (i-0. 24)/!!]^，公式中Pmaxi、Imi分別為第i個單元的峰值點功率和電流；在 計算得出的Npk個峰值點功率中選取最大值Pmax所對應的峰值點，則此峰值點即為全局最大 功率點； 步驟五、將步驟四得到的Pmax對應的峰值點所在區域作為電導增量法的作用范圍，采用 電導增量法搜索得出最大功率點的精確位置。
2. 如權利要求1所述的一種適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率獲取方法， 其特征在于，步驟三中，所述差異性光伏單元串聯電路的峰值點數N pk的計算過程程具體如 下： 將第J個短路電流/scu與第々個峰值點電流/mk相減，當結果大于或者等于〇時，將峰 值點數Npk減少1個，然后，將下標J增加1，繼續運算比較； 當結果小于〇時，維持則峰值點數Npk不變，然后，將下標^/和A均增加1，繼續運算比 較； 上述計算過程中，J'的取值范圍為1到n-1,左的取值范圍為2到n, Npk的初始值為η。
3. 如權利要求1所述的一種適用于差異性光伏單元串聯電路的輸出功率獲取方法，其 特征在于：所述步驟四中，根據差異性光伏串聯電路中每個單元的電壓近似特性，判定峰值 點電壓與開路電壓之間的比例關系近似不變。
【文檔編號】G05F1/67GK104142703SQ201410405277
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】王云平, 阮新波, 李穎 申請人:南京航空航天大學