适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法。

背景技术：

实际光伏发电系统运行中，光伏阵列容易受到的阴影遮挡等因素影响，这种光照不均匀的情形会造成发电功率大幅度下降，极端情形下，系统输出功率严重降低会带来电网稳定性问题，可能会对光伏阵列中的光伏元件造成热损伤；同时，局部阴影遮挡条件下，光伏组件输出功率曲线呈现出多峰值特点，为最大功率点跟踪带来了难度。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法，提升获取系统最大功率点的效率。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法，包括光伏组件、光伏优化器、集中逆变器，所述光伏组件通过光伏优化器与集中逆变器连接，所述光伏优化器包括功率电路和控制电路，所述功率电路为buck变换器，所述控制电路用于采集所述光伏组件的输入电压和输入电流，并根据所述光伏组件的输入电压和输入电流向所述buck变换器的开关管发送脉冲信号，以通过所述脉冲信号控制所述开关管的导通状态，所述方法包括以下步骤：s1：所述控制电路控制所述开关管导通，当满足预设启动条件时，进入步骤s2；s2：从指定初值开始连续改变脉冲占空比，比较得出全局最大功率及其对应的脉冲占空比；s3：以最大功率值对应的脉冲占空比为初始值开始，通过采集滞环宽度处的占空比对应的功率改变占空比，寻找局部功率极值；s4：重复步骤s3，每间隔预设时间重复执行步骤s2。

进一步地，所述连续改变的脉冲信号的占空比从小到大依次相差固定步长。

进一步地，步骤s3进一步包括：

s301：计算工作点a的功率pa，工作点a的占空比为第一占空比；

s302：向第一方向移动一个步长到达工作点b，工作点b的功率pb；

s303：向第二方向移动两个步长到达工作点c，工作点c的功率pc，所述第一方向和所述第二方向的方向相反；

s304：计算δp1＝pb-pa,δp2＝pa-pc,若δp1与δp2符号相同且为正号，则工作电压按照原方向进行扰动；若符号都为负号，工作电压向反方向进行扰动；若符号不同，工作电压不变。

根据本发明实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法，采用滞环扰动与全局扫描相结合的方式，能够在局部阴影遮挡等较为复杂的环境下能以较快的速度跟踪到全局最大功率点，系统启动时执行的启动条件判断有助于光伏系统的顺利启动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的光伏优化器的电路图；

图3是本发明一个实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法的程序执行流程图；

图4是本发明一个实施例的滞环效果的扰动观察法子程序的执行流程图；

图5(a)是本发明一个实施例的带滞环的扰动观察法的示意图，图5(b)为传统扰动法与带滞环扰动法的示意图；

图6是本发明一个实施例的全局扫描子程序的执行流程图；

图7是本发明的仿真中光伏组件的连接示意图；

图8是本发明仿真中buck型光伏优化器拓扑；

图9(a)是本发明仿真一中情形一中两种算法下优化器输出功率比较图，图9(b)是本发明仿真一中情形一中两种算法下算法中占空比变化波形图，图9(c)发明仿真一中情形二中两种算法下优化器输出功率比较图，图9(d)是本发明仿真一中情形二中两种算法下算法中占空比变化波形图；

图10(a)是本发明仿真二中两种算法下优化器输出功率比较图，图10(b)是本发明仿真二中两种算法下算法中占空比变化波形图；

图11是本发明仿真三中的光强变化波形图；

图12是本发明仿真三中的光伏组件电压功率曲线图；

图13(a)是本发明仿真三中的两种算法下优化器输出功率比较图，图13(b)是本发明仿真三中的两种算法下算法中占空比变化波形图；

图14(a)是本发明仿真四中光伏组件的连接示意图，图14(b)是本发明仿真四中单个光伏组件中光伏元连接示意图；

图15是本发明仿真四中单个光伏组件的输出特性图；

图16是本发明仿真四中光伏系统总输出功率图；

图17(a)是本发明仿真四中受阴影遮挡影响下两种算法输出功率比较图，图17(b)是本发明仿真四中两种算法下算法中占空比变化波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法的流程图，图2是本发明一个实施例的光伏优化器的电路图。如图1和图2所示，一种适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法，包括光伏组件pv、光伏优化器(包括功率电路和控制电路)和集中逆变器(即负载rl)。光伏组件pv通过光伏优化器与负载rl连接。功率电路为buck变换器，控制电路用于采集光伏组件pv的输入电压和输入电流，并根据光伏组件pv的输入电压和输入电流向buck变换器的开关管q发送脉冲信号，以通过脉冲信号控制开关管q的导通状态。适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法包括以下步骤：

s1：控制电路控制开关管导通，当满足预设启动条件时，进入步骤s2；

s2：从指定初值开始连续改变脉冲占空比，比较得出全局最大功率及其对应的脉冲占空比；

s3：以最大功率值对应的脉冲占空比为初始值开始，通过采集滞环宽度处的占空比对应的功率改变占空比，寻找局部功率极值；

s4：重复步骤s3，每间隔预设时间重复执行步骤s2。

具体地，图3是本发明一个实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法的程序执行流程图。如图3所示，优化器(即功率电路+控制电路)上电后，程序首先执行空载判断，若电流持续大于启动阈值电流指定时间，则开始执行最大功率点跟踪程序；若不满足启动条件，则设置输出占空比为1。tcnt的初始值为0，即程序首先执行全局扫描子程序。全局扫描从指定占空比初值开始，按固定步长间隔的序列记录下不同占空比下的优化器功率，每一次主循环中仅记录一个特定占空比下的功率。当优化器电压低于阈值电压时，则停止全局扫描算法，将功率点移动至之前功率最大点处。

程序结构为循环结构，tsam为最大功率点跟踪算法的定时器变量，tcnt为全局扫描子程序的定时器变量，ismp为电流采样值，ilim为进入全局扫描子程序或进入滞环扰动程序的启动电流阈值，usmp为电压采样值，ulim为进入滞环扰动程序的电压阈值，d为占空比。在优化器启动后，每次进入主循环时定时器变量自减1，直到定时器变量减为0，定时器变量重新装载初值，执行相应代码。tsam减为0时，带滞环扰动全局最大功率点跟踪法算法开始执行，tsam装载的值决定了采样频率以及滞环扰动子程序的频率；同理，tcnt决定了全局扫描子程序的频率。改变tsam、tcnt的值即可微调滞环扰动子程序以及全局扫描子程序的配合关系。在实际中，滞环扰动子程序与全局扫描子程序的配合关系影响了光伏优化器的工作效率。

在本发明的一个实施例中，多个脉冲信号的占空比从小到大依次相差固定步长。图4是本发明一个实施例的滞环效果的扰动观察法子程序的执行流程图。如图4所示，在本发明的一个实施例中，步骤s3包括：

s301：计算工作点a的功率pa(pa＝ua×ia)，工作点a的占空比为第一占空比；

s302：向第一方向移动一个步长δd到达工作点b(db为工作点b的占空比)，工作点b的功率pb(pb＝ub×ib)；

s303：向第二方向移动两个步长到达工作点c(dc为工作点c的占空比)，工作点c的功率pc(pc＝uc×ic)，第一方向和第二方向的方向相反；

s304：分别计算δp1＝pb-pa,δp2＝pa-pc,若δp1与δp2大于零，则中间变量t增加1，反之减1；t＝2即表示δp1与δp2符号相同且为正号，则工作电压按照原方向进行扰动；若t＝-2即表示δp1与δp2符号都为负号，工作电压向反方向进行扰动；若符号不同，t＝0，工作电压不变。

图5(a)是本发明一个实施例的带滞环的扰动观察法的示意图。如图5(a)所示，若当前工作点为a′，扰动方向为电压正方向，按照本发明的扰动观察法则会依次对b′、c′的功率进行采样，可以看到δp1与δp2符号相同且为正号，带滞环的扰动观察法会维持正方向的扰动电压直到寻找到最大功率点a″；对于跟踪功率下降的工作情形可以类比得出：算法会维持负方向的扰动电压直到寻找到最大功率点。本发明的带滞环的扰动观察法可以按照光伏组件的最大功率进行输出。

图5(b)为传统扰动法与带滞环扰动法的示意图。如图5(b)所示，对于带滞环的扰动观察法算法，若采样到a″，此时环境变化，光照强度降低，接下来采样到b″、c″，计算得δp1与δp2符号异号，算法将维持当前工作电压。

对比传统扰动法而言，若优化器工作在最大工作点左侧，电压向电压升高方向扰动，此时采样到a′时环境变化，光照强度降低，下一时刻采样到b′，算法判断电压扰动方向为电压降低方向，由图可以看出传统扰动法的扰动方向是背离最大功率点的。即扰动观察法误判，在辐照度持续下降的过程中，则可能出现连续误判的情况。与传统的扰动观察法相比较，在本发明的带有滞环的扰动观察法中，通过增加采集c点的功率信息形成滞环，进行带有滞环特性的双向扰动，从而抑制了传统扰动观察法的震荡现象。由上述分析可以推演出：在光照强度持续下降的情形下，带有滞环的扰动观察法不会出现传统的扰动观察法连续误判的情形。

图6是本发明一个实施例的全局扫描子程序的执行流程图。如图3图6所示，tcnt是定时变量，普通计数状态时，程序运行滞环扰动算法，tcnt自减，tcnt＝0时计数周期结束，进入全局扫描程序。每次进入全局扫描程序时，首先判断检测初始化标志位scaninit，对全局扫面起始占空比、用于记录最大功率的pmax以及最大功率对应的占空比dmax等参数赋初值，初始化标志位scaninit在全局扫描结束之后置1，用于标志下次全局扫描的参数初始化。从起始占空比开始测量优化器的输入功率，将初始占空比下的功率作为最大功率pmax以便下一次的比较，同理，起始占空比即为dmax。每次进入程序后占空比增加固定步长，测量占空比增加后的优化器输入功率，与pmax比较，若占空比变化后的功率更大，则记录较大的功率及其对应的占空比。在全局扫描中采用的步长较大，通过依次比较不同占空比下优化器的输出功率，最终可以得到从起始占空比至占空比上限区间中的最大功率点。到达占空比上限0.99时停止扫描，设置占空比为最大功率点对应的值，重新装载定时变量tcnt，等待下一次进入全局扫描程序。

本发明实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法具有如下特点：

1、优化器空载时占空比输出为1，优化器处于待机状态：这时程序即时采集通入优化器的电流，电流持续超出空载电流阈值时，以全局扫描结合以低电压判断的方式启动优化器；结束空载状态后，首先执行全局扫描程序，通过叠加固定步长的占空比逐步检测光伏组件输入电压，避免优化器由于输入电压低于系统工作电压而重新启动。启动时电流电压的复合判断条件，有助于集中逆变器并网，使得光伏系统的得以顺利启动。同时，首先执行的全局扫描算法可以保证光伏系统即使在阴影遮挡条件下能以较快的速度寻找最大功率点进行电能输出；

2、若系统通过了空载判断、低电压判断，则系统进入如下运行方式：正常工作条件下，按照滞环扰动方式运行，程序定时执行全局扫描算法。上文中提及了传统的扰动观察法、带滞环的扰动观察法、全局扫描法。可以看出三种算法不尽相同，带滞环扰动全局最大功率点跟踪法克服了传统的扰动观察法连续误判的问题，缺点是仅仅可以跟踪到局部功率最大点，而全局扫描的方法可以实现全局最大功率点的跟踪，但在扫描过程中会造成较大的功率损失。

本发明的特性在于采取了复合算法的优势，合适的全局扫描时机可以把当前工作点移动到全局功率最大点，全局扫描期间也可以对光伏组件输出能力做出一个简单的评估，以防止优化器输入电压不足引起优化器重新启动，优化器在正常运行时程序大部分时间在执行滞环扰动程序，这样就避免了全局扫描算法带来的功率损失。

以下将通过本发明实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法进行仿真，以进一步说明本发明的光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法的有益效果。

图7是本发明的仿真中光伏组件的连接示意图。如图7所示，仿真实验平台为psim，在仿真实验中以三个光伏组件串联为单位组串，仿真采用两组组串并联的形式，每个光伏组件输出侧均反并联有二极管。

图8是本发明仿真中buck型光伏优化器拓扑。如图8所示，仿真中使用的拓扑为buck型dc-dc变换器，c模块是psim中的一个仿真元件，通过c语言编程可以实现相应的算法逻辑。

仿真一：空载工况相关仿真

以三个带有光伏优化器的光伏组件串联为例进行空载工况下的仿真。第一种情形以空载条件启动，1.5s时负载侧合闸，模拟了光伏系统正常启动时这一工况；第二种情形初始状态为正常工作状态，在1.5s时负载侧跳闸，2s时负载侧重新合闸，模拟了负载侧故障时跳闸以及重合闸的情形。

图9(a)是本发明仿真一中情形一中两种算法下优化器输出功率比较图，图9(b)是本发明仿真一中情形一中两种算法下算法中占空比变化波形图，图9(c)发明仿真一中情形二中两种算法下优化器输出功率比较图，图9(d)是本发明仿真一中情形二中两种算法下算法中占空比变化波形图。由图9可以看出，在空载期间系统输入功率接近为零，普通扰动算法中占空比扰动方向是不确定的，在情形一中占空比是波动的，情形二中占空比持续上升；带滞环扰动全局最大功率点跟踪法在空载期间保持占空比为1，以保证系统重合闸时可以第一时间检测到直流母线上的电流变化，保证系统可以以一个较快的速度恢复至正常状态。

仿真二：低功率条件下的启动仿真

与仿真一类似，以三个带有光伏优化器的光伏组件串联为例进行低功率工况下的仿真，光伏组件所受光照强度为600w/m²；假设优化器最低工作电压为12v，当优化器工作电压低于12v时，优化器重新启动，即算法中各个变量恢复为初值值；普通滞环算法中初始占空比定为0.8。

图10(a)是本发明仿真二中两种算法下优化器输出功率比较图，图10(b)是本发明仿真二中两种算法下算法中占空比变化波形图。由图10可以得出，带滞环扰动全局最大功率点跟踪法在启动过程中占空比由向高扫描，当输入电压小于12v时，程序退出全局扫描子程序，以之前扫描到的最大功率点进行输出。同样可以看出，能保证优化器可以正常工作的占空比是低于0.8的，普通滞环算法中初始占空比定为0.8，这时优化器输入电压就会小于12v，优化器就会反复重新启动，出现图10所示情形。在这种情形下优化器输出功率会收到限制。

仿真三：带滞环扰动全局最大功率点跟踪法在光照连续下降情形下的仿真

图11是本发明仿真三中的光强变化波形图、图12是本发明仿真三中的光伏组件电压功率曲线图。与仿真一类似，以三个带有光伏优化器的光伏组件串联为例进行低功率工况下的仿真，光伏组件所受光照强度统一变化，变化波形如图11所示。在0.8s时刻，光照强度每秒下降400w/m²，到1.8s时刻光照强度停止下降。图12给出光伏组件功率-电压曲线，说明光照强度下降过程中最大功率点向电压减小的方向移动。

图13(a)是本发明仿真三中的两种算法下优化器输出功率比较图，图13(b)是本发明仿真三中的两种算法下算法中占空比变化波形图。由图13可以看出在光照持续下降过程中，普通扰动算法始终保持占空比不变，说明占空比扰动方向没有向最大功率点方向移动，在光照下降过程结束后，占空比才随之发生变化，这个过程反映了普通扰动法存在误判现象。相对与普通扰动观察法，带滞环扰动全局最大功率点跟踪法在光照持续下降的过程中占空比移动方向往最大功率移动，在这个过程中，可以看到带滞环扰动全局最大功率点跟踪法克服了传统扰动观察法的误判现象，并且在整个过程中具有更高的效率。

仿真四：带滞环扰动全局最大功率点跟踪法在多峰值条件下跟踪功率的仿真

图14(a)是本发明仿真四中光伏组件的连接示意图，图14(b)是本发明仿真四中单个光伏组件中光伏元连接示意图。与仿真一类似，以三个带有光伏优化器的光伏组件串联为例进行低功率工况下的仿真。图14(b)中给出了一个光伏组件中光伏元的连接方式，即12个光伏元串联与一个二极管反向并联，一个光伏组件中由三个这样的结构串联而成。当前述三个结构受光不同时，光伏组件的输出特性呈多峰值特性。在仿真中假设只有一个光伏组件受到阴影遮挡，前述三个结构分别受光为1000w/m²、800w/m²、600w/m²。为了使结果更具说明性，仿真采用空载启动的方式，即0.6s时负载侧合闸。

图15是本发明仿真四中单个光伏组件的输出特性图，图16是本发明仿真四中光伏系统总输出功率图。单个光伏组件的输出特性如图15所示。由图16可以看出采用带滞环扰动全局最大功率点跟踪法的光伏系统输出功率更高。

图17(a)是本发明仿真四中受阴影遮挡影响下两种算法输出功率比较图，图17(b)是本发明仿真四中两种算法下算法中占空比变化波形图。单独分析受阴影遮挡的优化器，其功率输出特性与占空比变化波形图如图17所示，在图17(a)中可以看到普通扰动算法跟踪功率为局部功率最大点，带滞环扰动全局最大功率点跟踪法保证了系统在启动后光伏系统就以全局最大功率点进行输出。这一点差异使得带滞环扰动全局最大功率点跟踪法在复杂工况有着更优异的输出。

另外，本发明实施例的适用于光伏优化器的带滞环扰动全局最大功率点跟踪方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。