一种光照不均匀下的全局MPPT方法与装置与流程

本发明涉及光伏发电系统最大功率点跟踪技术领域，特别涉及一种不均匀光照下全局最大功率点跟踪方法。

背景技术：

在光伏发电系统中，MPPT(即最大功率点跟踪)一直是研究者最关注的核心问题之一，但在实际运行中，由于尘土、树木、建筑等造成的临时性或经常性局部阴影遮挡，以及同时发生多个局部阴影遮挡形成的光照不均匀会时有发生和普通存在。局部阴影和光照不均匀会引起光伏阵列输出电压失配和热斑现象，这不仅造成了光伏发电系统的功率损失，甚至升级成为严重的系统故障和安全问题。实际应用中为了避免光伏阵列出现热斑现象，光伏列阵中每块光伏组件都并联着一个旁路二极管，当出现局部阴影遮挡时相应光伏组件的旁路二极管导通，使光伏阵列输出P-V曲线呈现多峰值。

常规MPPT方法(本文中所指的常规MPPT方法，是指如扰动观察法、导纳增量法等不考虑局部阴影的方法)可能会使光伏阵列工作点陷于局部峰值而无法跟踪到全局最大功率点，从而造成功率损失。

目前针对不均匀光照下多峰值现象采用主要是全局扫描法和基于粒子群等智能算法。

粒子群等智能算法目前尚不成熟，而且算法过于复杂，难以在微处理器上实现。

全局扫描法，需要扫描整个P-V或I-V特性曲线以寻找全局的最大功率点，跟踪所花费的时间很长，造成光伏发电功率浪费，而且实用价值不高。

技术实现要素：

本发明提供一种光照不均匀下的全局MPPT方法，用于解决全局扫描法效率低造成光伏发电功率浪费的问题。同时，还提供了一种光照不均匀下的全局MPPT装置。

一种光照不均匀下的全局MPPT方法，步骤如下：

1)对光伏系统进行诊断，判断是否出现两个或两个以上不同光照强度的区域，所述每个光照强度对应一类光照条件；

2)当判断出现两个或两个以上不同光照强度的区域时，离散的选择参考电压，确定各参考电压对应的短路电流，根据短路电流区分出每一类光照条件，根据参考电压和对应的短路电流计算出每一类光照条件下的近似最大功率；

3)根据每一类光照条件下的近似最大功率，通过比较和施加扰动的方式确定全局最大功率点；

4)在所述全局最大功率点执行常规MPPT方法。

进一步的，所述步骤2)中，所述选择的参考电压表达式为：y+a*x*Voc_sin，其中Voc_sin为1块光伏组件的开路电压，x为属于同一光照条件的光伏组件数量，y为从低压到高压，当前参考电压值之前的所有光伏组件数量；a为系数，a*Voc_sin表示一块组件最大功率点的峰值电压。

进一步的，所述步骤2)中，所述根据短路电流区分出每一类光照条件的手段是：从低压到高压，检测相邻的两个参考电压下的短路电流，若短路电流的变化超过设定比例，则判断对应的两组件处于不同类的光照条件，若短路电流的变化超过没有设定比例，则判断对应的两组件处于同类的光照条件。

进一步的，所述步骤1)中，对光伏系统进行诊断的方式为：当检测到功率电压变化率|ΔP/ΔV|超过μ1时，并且功率变化量超出设限，判定光照条件改变导致光伏发电系统功率发生了突变；这时检测I_first与I_last的比值，I_first是光伏阵列输出1块组件峰值电压时的电流，I_last是光伏阵列输出N-1块组件开路电压时的电流，当该比值超过μ2，判定光伏阵列出现了不同光照条件区域。N为光伏阵列的光伏组件数量；μ1、μ2为相应的系数。

进一步的，所述步骤2)中，每类光照条件的近似最大功率是通过每类光照条件下的各参考电压与对应短路电流计算得到功率的最大值。

进一步的，所述步骤3)中，确定全局最大功率点的方式包括：

在每类光照条件的近似最大功率中选择最大值为近似全局最大功率Pm_old；以低压到高压为正向；

首先，在第j-1类光照条件下采用局部MPPT跟踪到峰值功率Pm，j>＝2，Pm与所述近似全局最大功率Pm_old比较取较大值，记为等功率曲线常数Pm_new；所述局部MPPT为在一类光照条件下进行的最大功率点跟踪方法；

然后，从第j-1类光照条件下的峰值功率Pm对应的电压开始正向扰动，找到突变到第j类光照条件的电压参考值，并且记录第j类光照条件的短路电流Iscj；

接着用等功率曲线常数Pm_new除以第j类短路电流Iscj，得到的一个电压参考值；若该电压参考值对应点的输出电流值大于θ*Iscj，且该处P-V曲线斜率为正，则以局部MPPT继续执行，寻找第j类光照条件下的峰值功率，否则继续单向正向扰动，寻找第j+1类光照条件短路电流；

若所述等功率曲线常数Pm_new除以第j类短路电流Iscj，得到的电压参考值大于设定电压值，则结束并且以等功率曲线Pm_new为全局最大功率。

进一步的，所述突变到第j类光照条件的电压参考值的特征是：该电压参考值处于局部功率极小值，其P-V斜率由负变正。

进一步的，在所述步骤3)之前，将近似全局最大功率Pm_old与Pm_mppt进行比较，若Pm_old提升幅度超过μ3时，执行步骤3)；Pm_mppt为故障诊断前记录的最大功率，μ3为相应的系数。

本发明还提供了一种光照不均匀下的全局MPPT装置，包括：

诊断模块：对光伏系统进行诊断，判断是否出现两个或两个以上不同光照强度的区域，所述每个光照强度对应一类光照条件；

扫描各类光照条件的模块：当判断出现两个或两个以上不同光照强度的区域时，离散的选择参考电压，确定各参考电压对应的短路电流，根据短路电流区分出每一类光照条件，根据参考电压和对应的短路电流计算出每一类光照条件下的近似最大功率；

确定全局最大功率点的模块：根据每一类光照条件下的近似最大功率，通过比较和施加扰动的方式确定全局最大功率点；

最大功率跟踪模块：在所述全局最大功率点执行常规MPPT方法。

进一步的，所述扫描各类光照条件的模块中，所述选择的参考电压表达式为：y+a*x*Voc_sin，其中Voc_sin为1块光伏组件的开路电压，x为属于同一光照条件的光伏组件数量，y为从低压到高压，当前参考电压值之前的所有光伏组件数量；a为系数，a*Voc_sin表示一块组件最大功率点峰值电压。

进一步的，所述扫描各类光照条件的模块中，所述根据短路电流区分出每一类光照条件的手段是：从低压到高压，检测相邻的两个参考电压下的短路电流，若短路电流的变化超过设定比例，则判断对应的两组件处于不同类的光照条件，若短路电流的变化超过没有设定比例，则判断对应的两组件处于同类的光照条件。

进一步的，所述扫描各类光照条件的模块中，每类光照条件的近似最大功率是通过每类光照条件下的各参考电压与对应短路电流计算得到功率的最大值。

进一步的，所述确定全局最大功率点的模块中，确定全局最大功率点的方式包括：

在每类光照条件的近似最大功率中选择最大值为近似全局最大功率Pm_old；以低压到高压为正向；

首先，在第j-1类光照条件下采用局部MPPT跟踪到峰值功率Pm，j>＝2，Pm与所述近似全局最大功率Pm_old比较取较大值，记为等功率曲线常数Pm_new；所述局部MPPT为在一类光照条件下进行的最大功率点跟踪方法；

然后，从第j-1类光照条件下的峰值功率Pm对应的电压开始正向扰动，找到突变到第j类光照条件的电压参考值，并且记录第j类光照条件的短路电流Iscj；

接着用等功率曲线常数Pm_new除以第j类短路电流Iscj，得到的一个电压参考值；若该电压参考值对应点的输出电流值大于θ*Iscj，且该处P-V曲线斜率为正，则以局部MPPT继续执行，寻找第j类光照条件下的峰值功率，否则继续单向正向扰动，寻找第j+1类光照条件短路电流；所述θ为设定系数；

若所述等功率曲线常数Pm_new除以第j类短路电流Iscj，得到的电压参考值大于设定电压值，则结束并且以等功率曲线Pm_new为全局最大功率。

进一步的，所述突变到第j类光照条件的电压参考值的特征是：该电压参考值处于局部功率极小值，其P-V斜率由负变正。

进一步的，所述诊断模块中，对光伏系统进行诊断的方式为：

当检测到功率电压变化率|ΔP/ΔV|超过μ1时，并且功率变化量超出设限，判定光照条件改变导致光伏发电系统功率发生了突变；这时检测I_first与I_last的比值，I_first是光伏阵列输出1块组件峰值电压时的电流，I_last是光伏阵列输出N-1块组件开路电压时的电流，当该比值超过μ2，判定光伏阵列出现了不同光照条件区域；N为光伏阵列的光伏组件数量；μ1、μ2为相应的系数。

进一步的，在执行所述确定全局最大功率点的模块之前，将近似全局最大功率Pm_old与Pm_mppt进行比较，若Pm_old提升幅度超过μ3时，执行确定全局最大功率点的模块；Pm_mppt为故障诊断前记录的最大功率，μ3为相应的系数。

本发明在判断光伏阵列出现了不同光照条件区域，即有局部阴影遮挡时，并不像现有全局扫描方式扫描整个特性曲线以获得全局最大功率点，而是以跳跃的方式扫描各个光照条件区域的最大功率点附近短路电流，寻找各光照条件区域的最大功率点中的最大值，快速找到全局最大功率点之后执行常规最大功率点跟踪算法即可。

进一步的，结合等功率曲线和峰值电流Im与短路电流Isc的关系特点，可以快速、准确找到全局最大功率点。

本发明的方法既可以快速、准确跟踪全局最大功率点，又可对光伏阵列运行状态和阴影故障进行诊断分析。在全局MPPT跟踪过程同时实现阴影故障诊断分析，提高光伏系统发电效率的同时，通过监控系统还可以使运维人员迅速定位阴影故障，进一步提高运维效率和整体发电效益。

本发明通过离散的选择参考电压实现扫描，以及采用等功率曲线全局最大功率点跟踪，可实现光伏系统快速、准确地跟踪到全局最大功率点，并在此过程进行阴影故障诊断分析，因而具有较强的研究意义和使用价值。

附图说明

图1为主程序流程图。

图2为阴影故障诊断子程序流程图。

图3为全局最大功率点跟踪子程序流程图。

图4为光照不均匀全局MPPT算法的举例跟踪过程示意图。

具体实施方式

本发明的主要构思是：在判断光伏阵列出现了不同光照条件区域，即有局部阴影遮挡时，并不像现有全局扫描方式扫描整个特性曲线以获得全局最大功率点，而是以跳跃的方式扫描各个光照条件区域的最大功率点附近短路电流，寻找各光照条件区域的最大功率点中的最大值，然后相关方法找到全局最大功率点，之后执行常规最大功率点跟踪算法即可。

下面结合图1-图4进行具体说明。本发明的方法是以软件形式实现的，用于在光伏电站的控制系统中执行，软件的具体实现方式有很多，本发明不进行一一介绍。下面仅提供一种实现方式，即软件分为主程序、阴影故障诊断子程序和全局最大功率点跟踪子程序。图1、图2、图3分别是主程序、阴影故障诊断子程序和全局最大功率点跟踪子程序的流程图。图4上部分为I-V特性曲线，下部分为P-V特性曲线。

一、主程序

如图1所示，主程序首先进行常规最大功率跟踪，在满足相应条件后执行阴影故障诊断子程序，满足相应条件后执行全局最大功率点跟踪子程序，图中GMPP代表全局最大功率点。

主程序首先进行常规最大功率点跟踪，当检测到功率电压变化率|ΔP/ΔV|超过某一值μ1时，并且功率变化量超出设限，可判定光照条件改变导致光伏发电系统功率发生了突变。这时需要检测I_first与I_last的比值，I_first是光伏阵列(设光伏阵列由N块组件串联构成)输出1块组件峰值电压时的电流(1块组件峰值电压，本实施例中，取1块组件开路电压的80％，下文将具体解释)，I_last是光伏阵列输出N-1块组件开路电压时的电流，当该比值超过μ2，可判定光伏阵列出现了至少2种不同光照条件区域(即有局部阴影遮挡)，同时如果故障诊断定时超过设限，也将调用阴影故障诊断子程序。

需要说明的是，上述局部阴影遮挡的判断步骤中给出的是一种判断是否出现局部阴影遮挡的特别方法，该方法能够根据上述有限的信息判断出局部阴影遮挡。当然，本发明并不排斥其他类型的判断是否出现局部阴影遮挡的方式，例如通过不同的信息、判据而进行判断的方法。

执行阴影故障诊断子程序后，当诊断出存在不同光照强度的区域时，还能够得出全局最大功率近似值Pm_old(具体方式将在下文介绍)，将全局最大功率近似值Pm_old与调用故障诊断前记录的最大功率Pm_mppt进行比较，若Pm_old提升幅度超过μ3时，则进行全局最大功率点跟踪子程序，通过全局最大功率点跟踪子程序，找到全局最大功率点GMPP。若Pm_old提升幅度不超过μ3，则说明提升幅度很有限，没有必要进行全局最大功率点跟踪，继续执行常规最大功率跟踪即可。

二、阴影故障诊断子程序

以跳跃方式扫描各个最大功率点附近短路电流，当诊断出存在超过2个短路电流区间，并且比较出诊断后最大功率Pm_old比诊断前功率Pm_mppt提升幅度大于μ3，方可进行全局最大功率点跟踪子程序，否则返回常规MPPT跟踪。当跟踪到全局最大功率点后，要返回到常规MPPT跟踪算法。

“跳跃方式扫描”，是从低压到高压，离散的选取若干个参考电压，参考电压的选取利用了最大功率点峰值电压Vm在开路电压Voc的80％附近位置，而峰值电流Im约为短路电流Isc的90％。

图2为相关的程序流程，其中涉及初始化部分和根据上述最大功率点峰值电压Vm在开路电压Voc的80％附近位置，而峰值电流Im约为短路电流Isc的90％进行判断的部分，由于图2中变量较多(如x，y，i等是计数器，为局部变量；Num_Isc、Num_Vol[k]、Isc[k]为全局变量，定义参见图2左下部分)，为了使本领域技术人员更容易理解，下面根据图2的流程，以图4为例具体说明。

如图4，首先，选取参考电压Vref为0.8*Voc_sin，即使光伏阵列输出电压为0.8*Voc_sin，Voc_sin为单块光伏组件的开路电压，检测此时的输出电流Isc[1]，峰值电流Im1近似认作第一类光照条件下的短路电流Im1≈0.9*Isc[1]。

接着，选取参考电压Vref为2*0.8*Voc_sin，(为何删除？)检测输出电流为Isc[2]。如果|Isc[2]-Isc[1]|/|Isc[1]|<10％，则认为第2块组件与第1块组件输出短路电流一致，即处于相同的光照条件下。

从图4中可以看出，0.8*Voc_sin和2*0.8*Voc_sin对应的电流都非常接近Isc1，因此第2块组件与第1块组件属于相同的光照条件。而在参考电压Vref为3*0.8*Voc_sin时，对应电流Isc[3]明显降至Isc2以下，下降幅度很大，|Isc[3]-Isc[2]|/|Isc[2]|>10％，因此，判断第3块组件与第2块不属于相同的光照条件，即出现了组件被旁路的情况。

在接着选取参考电压时，选择参考对应Vref＝(y+0.8*x)*Voc_sin,(y≥1,x≥1)，y表示之前所有组件个数之和；x为当前光照条件下组件块数。

图4中，判断第3块组件与第2块不属于相同的光照条件，舍弃3*0.8*Voc_sin的参考电压，选择参考电压Vref为(2+0.8)*Voc_sin，记录相应的第二类光照条件的短路电流，接着选择参考电压为(2+0.8*2)*Voc_sin，再选择参考电压为(2+0.8*3)*Voc_sin，则又发现出现不同光照条件。因此舍弃(2+0.8*3)*Voc_sin的参考电压，选择参考电压为(4+0.8)*Voc_sin；依次类推。故障诊断程序的结束条件是参考工作电压Vref大于90％开路电压或者输出电流I小于5％最强光照条件下的短路电流Isc[1]。

如图4所示，最终可以判断出处于第一类光照条件的组件为2块，处于第二类光照条件的为2块，处于第三类光照条件的为1块，处于第四类光照条件为1块。上述的第1块、第2块、第3块组件只是为了方便理解，并不确指串联组件的串联顺序或位置。

由于记录了每类光照条件下对应的参考电压和短路电流，因此可以计算出每类光照条件下对应的最大功率，如图4中m1，m2，m3，m4点为各种光照条件下的最大功率点，对应的最大功率、电压分别Pm[1]、Vm[1]，Pm[2]、Vm[2]，Pm[3]、Vm[3]，Pm[4]、Vm[4]。然后再在各类光照条件下对应的最大功率中选一个最大值，以该最大值为近似全局最大功率Pm_old，对应电压为Vm_old。

当然，由于选择的参考电压有限，对应的功率点也有限，因此上述Pm[1]、Vm[1]，Pm[2]、Vm[2]，Pm[3]、Vm[3]，Pm[4]、Vm[4]并不一定是真正的每个光照条件的最大功率，只是每个光照条件下的近似最大功率，因此无法通过直接比较确定全局最大功率点。还需要通过下面的全局最大功率点跟踪子程序才能确定真正的、精确的全局最大功率点。

上述阴影故障诊断子程序中，当差异在10％以内可认定两块组件处于同一个光照条件下。直到最近两次近似短路电流的差异超过10％，认为开始有组件所处不同的光照。作为其他实施方式，10％也可以改为其他可以表征不同光照分界的值，例如8％、13％等等。

上述阴影故障诊断子程序中，最大功率点峰值电压Vm在开路电压Voc的80％附近位置，而峰值电流Im约为短路电流Isc的90％，此为经验设置，作为其他实施方式，例如还可以设计为Vm80％附近的其他值，例如75％、78％、81％、85％等等；同理90％也可以设计为附近的其他值。

上述阴影故障诊断子程序中，选择参考电压时，并没有选择0.8*Voc_sin一直到N*0.8*Voc_sin，是为了使选择的参考电压更加适合各光照条件的最大功率点。

三、全局最大功率点跟踪子程序

全局最大功率点跟踪子程序同样利用了峰值电流Im约为短路电流Isc的90％，以及利用等功率曲线实现参考电压跳跃跟踪。

结合上面的判断构成，以及根据输出特性I-V曲线可以看出，光伏阵列分为4个恒定短路电流区间，具有4个具备峰值点m1、m2、m3、m4。

如图3、图4所示。令Pm_new＝Pm_old，首先在第一类光照条件下采用局部MPPT(局部MPPT即为在某一类光照条件下进行的最大功率点跟踪方法，与常规MPPT方式相同，在此不再赘述；)跟踪到峰值功率Pm，比较Pm与Pm_new大小，更新Pm_new为Pm与Pm_new中的较大值。然后从第一类光照峰值电压正向扰动，找到电流突变到第二类光照条件的电压参考值，该电压参考处的显著特征是处于局部功率极小值，P-V斜率由负变正，记录此处电流为第二类光照条件的短路电流Iscj。接着用等功率曲线的常数Pm_new除以第二类短路电流Iscj，得到跳跃后的输出电压参考值。比较跳跃后电压参考值对应的输出电流值，如果其值大于θ*Iscj且P-V斜率为正，程序返回局部MPPT继续执行，否则返回正向扰动，寻找第三类光照条件短路电流。依次进行上面全局MPPT跟踪算法。这样就可以快速找到全局最大功率点。全局最大功率点跟踪子程序的结束条件是参考电压Vref大于0.9*Voc。程序执行完后，便可获得光照不均匀多峰值的全局最大功率点。

具体的，首先设置Vref＝Vm[1]，令Pm_new＝Pm_old，在第一类光照条件下采用常规MPPT跟踪到近似峰值功率Pm[1]，比较Pm[1]与Pm_new大小，更新为Pm_new其中的较大值。然后从S1位置的电压Vm[1]正向扰动(如图3所示，扰动量为ΔV，ΔV的大小关系到算法时间长短，可以根据需要设置)，达到P-V曲线斜率变正的S2位置(S2为局部功率极小值，功率电压斜率由负变正)，测量得到Isc2，取参考电压为Pm_new除以S2位置的短路电流Isc2，参考电压Vref跳跃到q1位置，测量该参考电压下的电流值，该电流值大于θ*Isc2且该点的P-V曲线斜率为正，程序返回局部MPPT跟踪，再次寻找最大功率Pm(即找到第二类光照条件下的近似峰值功率Pm[2])，与Pm_new进行比较，将Pm_new更新为较大值。从图4可以看出，局部MPPT跟踪持续一直正向扰动到q2位置，将Pm_new除以q2位置的短路电流Isc3，参考电压Vref跳跃到t1位置(对应电流Isc4)，t1位置对应电压超过0.9*Voc，则全局最大功率点跟踪子程序结束，获得GMPP为全局最大功率点Pm_new对应的参考电压(本例为Vm[2])，并将光伏阵列工作点稳定在该全局峰值点上。Voc是光伏阵列开路电压。从上述实际例子可以看出，程序结束时，获得的GMPP即对应第二类光照条件下的峰值Pm[2]。

其中，若q1位置不满足大于θ*Isc2并且P-V曲线斜率为正的双重条件，则进行单向正向扰动过程，直接扰动到q2位置，省略局部MPPT跟踪Pm[2]过程。

全局最大功率点跟踪是为了在多个峰值中选择一个最大的全局最大功率点。作为其他实施方式，还可以有其他的方式找到这个全局最大功率点，例如可以直接在Pm_old附近进行扰动以获取该全局最大功率点，当然这种方式相当于上述实施例的方式，其精度较低。

找到全局最大功率点GMPP后，在该全局最大功率点GMPP上，执行常规最大功率点跟踪算法即可。

上述实施例中的μ1、μ2、μ3和θ需要通过实验或者实际运行数据，结合具体工程设定。其中μ3可以选10％，μ2根据运行过程把其计算值记录下来。全局最大功率点跟踪子程序中的θ系数可选0.8-0.9之间，一般选取0.85。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。