一种光伏阵列多峰最大功率点跟踪方法

摘要

本发明提出了一种光伏阵列多峰最大功率点跟踪的方法。该方法基于光伏电池特性，对阵列的功率曲线快速采样，估计各峰值点的功率并确定全局峰值所在区间，进行区间内单峰MPPT，实现全局多峰MPPT。该方法主要包括如下步骤：(1)改变阵列输出电压，快速采样其功率曲线。(2)根据电池板特性参数与采样数据，分析阵列的峰值情况并估计峰值大小，确定全局峰值所在区间。(3)在该区间内进行变步长扰动观察法的单峰MPPT。并且进行定时，当跟踪超时或当实际功率偏离(3)中最大功率较大时重启该方法。该方法基于光伏电池板的特性参数，只采样光伏阵列功率曲线上的若干个点，简单运算即可得到各峰值的估计值，快速定位全局峰值所在区间，具有概念清晰，控制结构简单，容易工程实现等优点。

主权项

一种光伏阵列多峰最大功率点跟踪的方法，其特征在于，包括如下3个步骤：1)快速功率曲线采样：根据光伏阵列中每串模块数目n确定最大可能的峰值数目n，已知光伏阵列的开路电压为V_oc，在0～V_oc中平均取6*n个点，作为采样点，快速改变光伏阵列的输出电压，分别采样该6*n个采样点的输出电流；2)各局部峰值功率的简化估计：2.1)根据6*n个采样点的数据，各相邻采样点电流差值的局部最小点即为功率曲线的转折点，采用下式来进行转折点的选取：ΔI(k)＝I(k)‑I(k‑1)$\left\{\begin{array}{c}Is\left(x\right)=I\left(k\right),\Delta I\left(k\right)<\Delta I(k-1),\Delta I\left(k\right)<\Delta I(k+1)\\ Vs\left(x\right)=V\left(k\right),\Delta I\left(k\right)<\Delta I(k-1),\Delta I\left(k\right)<\Delta I(k+1)\end{array}\right.$V(k)、I(k)为第k个采样点的电压和电流大小，Vs(x)、Is(x)为电流曲线上第x个阶梯平滑阶段的转折点,每个转折点处的电流即为不同峰值点功率估计时的电流估计值I_sc__x：I_{sc_x}＝Is(x)2.2)相邻转折点之间的电压区间即为某功率峰值所处的电压区间，该区间的长度决定了处于相同光照情况下光伏模块的串联数目L_x，判断方法如下式：ΔVs(n)＝Vs(n‑1)‑Vs(n)$L_x=x,\left\{\begin{array}{c}\Delta Vs\left(n\right)>(x-1+0.4)\times V_{oc\_ref}\\ \Delta Vs\left(n\right)<(x+0.4)\times V_{oc\_ref}\end{array}\right.$上式中，V_{oc_ref}为参考条件下光伏电池模块的开路电压；2.3)已知电流估计值I_{sc_x}和各峰值对应的光伏模块串联数目L_x时，根据光伏阵列输出特性，根据下式计算得到进行各峰值点功率简化估计所需要的电压值：$V_{es\_x}=\underset{k=x}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_{k\_x}+F_F{V}_{oc\_x},x\in [1,n]$$\left\{\begin{array}{c}{V}_{k\_x}=V_{oc\_k}{F}_4\left(X_1\right),X_1=\frac{I_{sc\_x}}{I_{sc\_k}}\\ V_{oc\_x}=V_{oc\_sref}{L}_x{F}_3\left(X_2\right),X_2=\frac{I_{sc\_x}}{I_{sc\_sref}}\\ V_{oc\_sref}=F_1\left(T\right)\\ V_{sc\_sref}=F_2\left(T\right)\end{array}\right.$上式中，V_{es_x}表示第x个峰值的估计电压，F_F为光伏电池模块的填充参数，所述填充参数为出厂时提供，I_{sc_x}表示第x个峰值对应的估计电流，T表示当前温度，公式中的F₁(T)、F₂(T)、F₃(X₂)、F₄(X₁)分别为4个与光伏电池模块特性参数有关的运算式，如下公式(1)‑(4)所示：$\left\{\begin{array}{c}\left(1\right)V_{oc\_sref}=F_1\left(T\right)=V_{oc\_ref}+\beta \times (T-T_{ref})\\ \left(2\right)V_{sc\_sref}=F_2\left(T\right)=V_{sc\_ref}+\alpha \times (T-T_{ref})\\ \left(3\right)\frac{V_{oc}}{V_{oc\_sref}}=F_3\left(X_3\right)=\frac{1}{\ln (k_1+1)}\ln (k_1\times X_2+1)\\ \left(4\right)\frac{V}{V_{oc}}=F_4\left(X_1\right)=\frac{1-\frac{V_m}{V_{oc}}}{1-\frac{I_m}{I_{sc}}}(X_1-\frac{I_m}{I_{sc}})+\frac{V_m}{V_{oc}},0<I<I_m\end{array}\right.$上式中，β为光伏电池模块的开路电压温度系数，出厂时提供；α为光伏电池模块的短路电流温度系数，出厂时提供，V_{oc_ref}、I_{sc_ref}、V_m、I_m分别为光伏电池在参考光照与温度情况下的开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流，k₁通过下式计算获得：$k_1=\frac{1-\frac{I_{sc1}}{I_{sc\_t}}}{\exp \left(\frac{V_{oc1}}{V_{oc\_t}}\right)-\frac{I_{sc1}}{I_{sc\_t}}}-1$上式中，V_oc1、I_sc1为实验时电池模块的开路电压与短路电流，V_{oc_t}、I_{sc_t}为实验温度下参考光照时电池模块的开路电压与短路电流，其中V_{oc_t}＝F₁(T)，短路电流I_{sc_t}＝F₂(T)；上述四个运算式(1)、(2)、(3)、(4)的具体参数在已知光伏阵列具体参数时就已经确定并固化在控制器中；2.4)计算各峰值点的功率估计值，比较之后，其中最大的那个就是全局峰值的估计值，求出全局峰值所在的电压区间P_{es_x}＝I_{sc_x}V_{es_x}P_{m_gloable}＝max(P_{es_x}),x∈[1,n]上式中，P_{es_x}表示第x个峰值的功率估计值，P_{m_gloable}表示全局峰值的估计值；3)全局峰值附近的变步长扰动观察法最大功率点跟踪当跟踪过程中测量得到的实际功率与步骤2)中估计得到的全局峰值功率之差超过一定阈值时，采用大步长，使功率跟踪尽量快，当差值小于该阈值时，采用小步长，以降低功率振荡程度，公式如下：ΔP(n)＝P(n)‑P(n‑1)ΔV(n)＝V(n)‑V(n‑1)$V_{pv}^{*}(n+1)=\left\{\begin{array}{c}{V}_{pv}^{*}\left(n\right)+\Delta V,\Delta P\left(n\right)\times \Delta V\left(n\right)>0\\ V_{pv}^{*}\left(n\right)-\Delta V,\Delta P\left(n\right)\times \Delta V\left(n\right)<0\end{array}\right.$$\Delta V=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta V}}_{big},\Delta P\left(n\right)>{\mathrm{\Delta P}}_{th}\\ {\mathrm{\Delta V}}_{small},\Delta P\left(n\right)\le {\mathrm{\Delta P}}_{th}\end{array}\right.$上式中，表示电压指令值，ΔV表示步长；公式中的P(n)和P(n‑1)分别表示本步骤的跟踪过程中第n次和第n‑1次实际测量得到的功率；进入步骤3)之后定时器开始计时，当计时结束时回到步骤1)，开始新一轮的多峰最大功率点跟踪；另外，如果在步骤3)的过程中检测到最大功率点功率偏离步骤2)中的全局峰值较大时也回到步骤1)，即开始新一轮的多峰最大功率点跟踪。