一种光伏组件串多峰最大功率点跟踪方法

技术领域

本发明涉及光伏发电相关技术领域，具体的说是一种光伏组件串多峰最大功率点跟踪方法，是一种基于波峰区间划分与扰动观察法结合的方法。

背景技术

近年来，使人们越来越倾向于使用储量大、清洁无污染、易获取的电力能源来代替传统碳能源。光伏等低碳可再生能源将迎来跨越式发展。

组串式电站与集中式电站相比，组串式电站具有明显的优势，主要体现在：抗热斑和抗阴影能力强，运行可靠，维护方便，简单等。在组串式电站运行过程中，光伏组件串易被乌云、周围建筑、树叶、鸟粪等部分遮挡，使得光伏组件串受光不均匀。为避免局部阴影的热斑效应，在光伏组件串中每个组件上并联一个旁路二极管，但由此带来光伏组件串在局部遮挡时其P-U特性曲线会出现多个波峰，这使得基于单峰值的MPPT方法，如扰动观察法、电导增量法等有可能失效，陷入局部最大功率点，得不到全局最大功率点，造成系统效率降低。针对多峰情况，有学者提出粒子群、人工鱼群、蚁群、布谷鸟搜索等算法，但这些算法在全局搜索时存在不易确定参数初始值、易陷入局部最优等问题，《基于直线方程求解与波峰区间划分的串联光伏组件多峰MPPT方法》(太阳能学报,2020,41(1):125-131，卫东,常亚文,臧健康等)提出了一种基于直线方程求解与波峰区间划分的多峰MPPT算法，但直线方程求解的方式较为复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种光伏组件串多峰最大功率点跟踪方法，该方法搜索范围小，计算简单，易于实现。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种光伏组件串多峰最大功率点跟踪方法，所述光伏组件串由多个光伏组件串联组成，每个所述光伏组件上并联一个电容和一个旁路二极管，所述电容用于稳定工作点，所述旁路二极管用于防止热斑效应；所述光伏组件串和负载之间通过变换器连接，所述方法包括以下步骤：

采用波峰区间划分的方法确定波峰区间个数与范围；

根据每个区间起点和终点光伏组件串输出电流的变化量来判断该区间内是否存在局部峰值，若有，采用扰动观察法在缩小的区间上搜索局部最大功率点；

对各局部最大功率点进行比较后确定全局最大功率点。

所述采用波峰区间划分的方法确定波峰区间个数与范围，包括以下步骤：

采集所述光伏组件串的短路电流I

将所述光伏组件串的P/U特性曲线按输出电压划分为m个第一区间，所述m为光伏组件串中光伏组件的个数；

通过负载和变换器的占空比调节，恒压控制所述光伏组件串的输出电压到kU

所述m个第一区间分别为

所述根据每个区间起点和终点光伏组件串输出电流的变化量来判断该区间内是否存在局部峰值，若有，采用扰动观察法在缩小的区间上搜索局部最大功率点，包括以下步骤：

如果I

所述扰动观察法启动前，将第一区间[(k-1)U

所述估计误差△U取值根据光伏组件的参数来选择，取值范围为0.01U

所述对各局部最大功率点进行比较后确定全局最大功率点，包括以下步骤：

令k＝k+1；

如k>m，则比较得出P

所述m个第一区间中至少有一个区间光伏组件串的输出功率存在局部极值点，所述m个第一区间中至多有m个区间光伏组件串的输出功率存在局部极值点。

所述光伏组件串和负载之间的变换器采用Boost变换器。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明的基于波峰区间划分与扰动观察法结合的光伏组件串多峰最大功率点跟踪方法不存在不易确定参数初始值、不存在陷入局部最优等问题。

2、本发明通过区间划分和区间缩小的方法减少了搜索范围，且计算简单、编程容易、易于实现。

附图说明

图1为单个光伏电池的单二极管等值电路。

图2为单个光伏组件的I/U特性曲线示意图。

图3为单个光伏组件的P/U特性曲线示意图。

图4为在PSIM中搭建的光伏组件串仿真模型的示意图。

图5为在4种光照情况下光伏组件串的I/U特性曲线示意图。

图6为在4种光照情况下光伏组件串的P/U特性曲线示意图。

图7为本发明的方法流程图。

图8为均匀辐照情况下MPPT过程的模式图。

图9为均匀辐照情况下MPPT过程的光伏组件串输出电压图。

图10为均匀辐照情况下MPPT过程的变换器占空比图。

图11为均匀辐照情况下MPPT过程的光伏组件串输出功率及局部极值点图。

图12为遮挡情况1下MPPT过程的模式图。

图13为遮挡情况1下MPPT过程的光伏组件串输出电压图。

图14为遮挡情况1下MPPT过程的变换器占空比图。

图15为遮挡情况1下MPPT过程的光伏组件串输出功率及局部极值点图。

图16为遮挡情况2下MPPT过程的模式图。

图17为遮挡情况2下MPPT过程的光伏组件串输出电压图。

图18为遮挡情况2下MPPT过程的变换器占空比图。

图19为遮挡情况2下MPPT过程的光伏组件串输出功率及局部极值点图。

图20为遮挡情况3下MPPT过程的模式图。

图21为遮挡情况3下MPPT过程的光伏组件串输出电压图。

图22为遮挡情况3下MPPT过程的变换器占空比图。

图23为遮挡情况3下MPPT过程的光伏组件串输出功率及局部极值点图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图和表对本发明的技术方案作进一步描述，应当理解的是，此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。

参照图1-图3，由单个光伏电池串并联组成的单个光伏组件其I/U特性在最大功率点左边近似是一条水平线，其输出电流下降较小，在特定光强下，存在一个唯一的输出最大功率点。采用PSIM自带的单个光伏组件的物理模型，在不同光照情况下仿真得到的电性能参数如表1所示。

表1单个光伏组件在不同光照情况下的电性能参数

参照图4，在PSIM中搭建了光伏组件串仿真模型，四个光伏组件串联组成光伏组件串，在每个光伏组件上并联一个小电容用来稳定工作点，小电容的容值范围是0.01uF到0.1uF；并联一个旁路二极管来防止热斑效应，旁路二极管的压降为1V。采用表2光伏组件串4种不同方案下的光照情况进行仿真，得到的光伏组件串的I/U特性曲线如图5所示，P/U特性曲线如图6所示。从图5-6可以看出，光伏组件串出现输出最大功率点时，其输出电流有一定程度的下降。光伏组件串在4种不同光照情况下的最大功率点分布如表3所示。

表2光伏组件串4种不同方案下的光照情况

表3光伏组件串4种不同光照情况下的最大功率点分布

参照图7，本发明提出的基于波峰区间划分与扰动观察法结合的光伏组件串多峰最大功率点跟踪方法，首先采用波峰区间划分的方法确定波峰区间个数与范围，然后根据每个区间起点和终点光伏组件串输出电流的变化量来判断该区间内是否存在局部峰值，若有，采用扰动观察法在缩小的区间上搜索局部最大功率点，最后对各局部最大功率点进行比较后确定全局最大功率点。本发明方法的工作流程具体包括如下步骤：

步骤1：开始；

步骤2：初始化；

步骤3：通过负载和变换器的占空比调节，采集所述光伏组件串的短路电流I

在均匀辐照时，采集到所述光伏组件串的开路电压U

步骤4：通过负载和变换器的占空比调节，恒压控制所述光伏组件串的输出电压到kU

步骤5：如果I

步骤6：将第一区间[(k-1)U

步骤7：通过扰动观察法搜索得到第k个第一区间光伏组件串的局部最大功率点电压U

步骤8：判断得出该第一区间不存在局部极值点，置第k个第一区间光伏组件串的最大功率为P

步骤9：k＝k+1；

步骤10：如k>m，转步骤11，否则，转步骤4；

步骤11：比较得出P

步骤12：结束。

为直观展示最大功率点跟踪过程，定义Mode变量来表示最大功率点跟踪方法处于的运行阶段，Mode为1表示处于恒压控制到U

参照图8-图11，在均匀辐照情况下，从Mode变量的变化可以看出，只在第四个区间进行了最大功率点搜索，光伏组件串的输出电压最终稳定在68.3V，Boost变换器占空比稳定在0.517，输出功率在242W，在0.3s内完成了MPPT控制。

参照图12-图15，在遮挡情况1下，从Mode变量的变化可以看出，在第三和第四个区间进行了最大功率点搜索，光伏组件串的输出电压最终稳定在71.5V，Boost变换器占空比稳定在0.397，输出功率在212W，在0.4s内完成了MPPT控制。

参照图16-图19，在遮挡情况2下，从Mode变量的变化可以看出，在第二、第三和第四个区间进行了最大功率点搜索，光伏组件串的输出电压最终稳定在73.1V，Boost变换器占空比稳定在0.184，输出功率在164W，在0.6s内完成了MPPT控制。

参照图20-图23，在遮挡情况3下，从Mode变量的变化可以看出，在第一、第二、第三和第四个区间进行了最大功率点搜索，光伏组件串的输出电压最终稳定在52.7V，Boost变换器占空比稳定在0.41，输出功率在118W，在0.7s内完成了MPPT控制。

本发明提供了一种基于波峰区间划分与扰动观察法结合的光伏组件串多峰最大功率点跟踪方法，通过区间划分和区间缩小的方法减少了搜索范围，且计算简单、编程容易、易于实现，将均匀辐照情况、遮挡情况1、遮挡情况2、遮挡情况3的最大功率点跟踪结果与表三中的最大功率点电压与最大功率进行比较，表明在各种情况下所采用的方法均能有效进行最大功率点跟踪。

以上结合附图详细说明和陈述了本发明的实施方式，但并不局限于上述方式。在本领域的技术人员所具备的知识范围内，只要以本发明的构思为基础，还可以做出多种变化和改进。