一种太阳能组件快速MPPT方法与流程

本发明涉及到光伏发电技术领域，具体地，涉及一种太阳能组件快速mppt方法。

背景技术：

太阳能是一种十分具有潜力的新能源，光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一。光伏器件的输出功率受辐照度和温度的影响，在外部环境稳定的条件下，光伏器件存在唯一的最大输出功率点。为了在同样的辐照度和电池结温条件下获得尽可能多的电能，需要对最大功率点实时跟踪。

早期对光伏阵列mppt技术的研究主要是定电压跟踪法(cvt)、光伏阵列组合法以及实际测量法。目前光伏阵列的最大功率跟踪(mppt)方法主要分为基于数学模型的方法、基于扰动的自寻优法和基于智能技术的方法。

基于数学模型的方法是以建立优化的数学模型为出发点，构造求解方法及光伏阵列特性曲线，从而得出光伏阵列的最大功率输出，所以光伏电池的等效电路模型及各种参数的正确性是需要着重考虑的。

利用五参数模型时，生产厂家一般只会给出标准工况下，即辐照度为1000w/m2，电池工作温度为25℃(298k)的开路电压uoc，短路电流isc，最大功率点处的电压vmp和电流imp值。现有技术中先利用上面的四个值求标况下的五参数，再引入修正量，来确定在一般情况下的五个参数值，但辐照度的实际测量误差可能会很大，可行性不高；且该方法是在假定二极管理想因子不变的情况下确定的，实际二极管理想因子对曲线的影响较大，对所有电池板没有一个普遍适合的值。

基于扰动的自寻优法是目前研究最广也是应用较为普遍的控制方法，根据直接测量到的光伏阵列的电压和电流等信息进行最大功率跟踪，括扰动观察法(p&o)、增加电导法和类似p&o法的波动相关控制法(rcc)等。这类方法需要试探性的调整电路的工作状态，逻辑简单，但比较盲目，时间不够快。而智能法包括模糊理论和神经网络等建立在大数据的条件下，目前不易实施。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种太阳能组件快速mppt方法。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种太阳能组件快速mppt方法，包括如下步骤：

步骤s1：整点时，改变太阳能组件板外部buck电路5次，测量5组电压、电流值，根据电压情况确定相应的遮蔽情况，从而确定相应的5参数模型；

步骤s2：根据5参数模型和这5组电压、电流值确定5个方程，用迭代法求解5参数，从而得到整点时的u-i关系；

步骤s3：对任意时刻，设定辐照度与上一整点时刻的相同，将5参数中只受温度变化影响的3个参数用整点值代，对于2个受辐照度影响较大的参数，通过测量2组电压、电流值确定2个方程，直接解出2参数的值，从而得到任意时刻的u-i关系；

步骤s4：利用u-i关系式和最大功率点处功率p对电压u的导数为0确定最大功率点对应的电压、电流值，继而确定buck电路占空比，调节占空比，使得光伏组件板运行在最大功率点处；

步骤s5：结合扰动观察法小范围精细调整，跟踪最大功率点。

上述技术方案中，所述光伏电池组件板包括60个电池单体，一个电池单体等效的5参数模型如公式(1)所示：

式中：q为电子电量常量，为1.602×10^-19c；k为玻尔兹曼常量，为1.381×10^-23j/k；a为二极管特性拟合系数，是一个变量，其值在1到2之间；

所述5参数分别是iph为光生电流、rsh为等效并联电阻、is为二极管饱和电流、rs为等效串联电阻以及为系数，其中q为电子电量常量，a为二极管特性拟合系数，t为实时的温度，标准工况为辐照度为1000w/m²，电池工作温度为25℃；

其中，光生电流iph在不同照度和辐照度下的修正量如式(2)所示：

式中：iphref是标准工况下的光生电流；s为实时的辐照度，sref为标况下的辐照度；ct为温度系数；

二极管饱和电流is在不同温度下的修正量如公式(3)所示：

式中：isref是标况下的二极管饱和电流，tref为标况下的温度，eg为禁带宽度；

等效串联电阻rs的修正式如公式(4)所示：

式中：β＝0.217，rsref为标准工况下的等效串联电阻，计算可知，辐照度变化，rs变化不大；

等效并联电阻rsh的修正式如公式(5)所示：

式中：rshref为标准工况下的等效并联电阻。

所述5参数中，短时间内温度以及辐照度不对参数is和rs产生影响，对参数iph、rsh受辐照度影响较大，从而在确定某一特定时刻的五参数值时，is和rs参数为整点处的值，只需确定iph、rsh的值。

上述技术方案中，所述太阳能组件板中，每20个电池单体为1组，每组串联一个旁路二极管，记n＝60，太阳能组件板输出电流和电压的关系式如公式(6)所示：

所述考虑遮蔽情况，当一组电池单体中有一个单体或几个单体被遮蔽，电流将直接通过旁路二极管，每组的端电压将是二极管的正向导通电压；

假设一块电池板有n1个硅片没有遮蔽，n2个硅片被遮蔽，从而考虑遮蔽情况下u-i关系式如式(7)所示：

udd是一个二极管的正向导通电压。

上述技术方案中，所述的在整点时求取5个参数的方法是，光伏电池外接buck电路，任意时刻通过改变buck电路占空比，得到同一u-i曲线上不同运行点，在每个整点测量五组u-i值，分别是：

(u1，i1)，(u2，i2)，(u3，i3)，(u4，i4)，(u5，i5)

通过newton法迭代确定五个参数，从而确定每个整点的u-i关系式，具体方法如下：

首先，由五组值得到五个方程，如式(8)所示：

记关于这五个参数的五个函数分别为式(9)所示：

即求多元非线性方程组(9)的零点，其jacobi矩阵如下：

该矩阵非奇异，newton法局部线性收敛；

记f＝(f1,f2,f3,f4,f5)′

则迭代公式如式(10)所示：

取上个整点测得的值作为初始值进行迭代；

所述的在任意时刻求取5个参数的方法是，is和rs参数取最近整点处的值，通过改变外部电路的工作状态2次，测量两组值：

(u1，i1)，(u2，i2)

得到相应的方程如式(11)所示：

从而可以求出iph和rsh，从而确定了任意时刻的五参数值，从而确定任意时刻形如式(7)的u-i关系式。

上述技术方案中，所述求最大功率点的方法的依据是，一定光照条件和温度条件下i-u曲线和p-u曲线是确定的，功率表达式如式(12)所示：p＝ui(12)

最大功率点处对应输出功率最大值点，p对u的导数为0，即式(13)所示：

此时输出功率是最大输出功率；

所述求最大功率点的方法是，将u-i曲线式(7)变形得到式(14)如下：

式(12)和式(14)两边对u求导化简可得到式(15)如下：

将式(15)与式(14)联立，由式(15)求得最大功率点(ump，imp)；

上述技术方案中，所述步骤s5中，负载模型恒功率、恒电压、恒电阻的组合通过buck电路与光伏组件板连接，由buck电路前后功率相等，得该系统端电压电流与占空比的关系式如式(16)所示：

求出最大功率点对应的u-i值后，求出相应的占空比，调节占空比直接将工作点跳到最大功率点附近。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明基于光伏电池组件板的5参数模型，通过调节组件板外部的buck电路获得电压电流的不同测量值，利用测量值计算任意时刻的5参数的值，求取任意时刻的u-i方程，利用u-i方程直接求解最大功率点。与现有的采用跟踪最大功率点的方法相比，所述方法不需要对电路做多次的调节，一步到位，具有快速、简单易操作的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还根据这些附图获得其它附图。

图1为光伏电池单体等效电路；

图2为光伏电池组件板示意图及外部buck电路等效电路；

图3为示意图光伏阵列i-u曲线和p-u曲线；

图4为外接buck电路及负载等效电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种太阳能组件快速mppt方法，包括如下步骤：

步骤s1：整点时，改变太阳能组件板外部buck电路5次，测量5组电压、电流值，根据电压情况确定相应的遮蔽情况，从而确定相应的5参数模型；

步骤s2：根据5参数模型和这5组电压、电流值确定5个方程，用迭代法求解5参数，从而得到整点时的u-i关系；

步骤s3：对任意时刻，设定辐照度与上一整点时刻的相同，将5参数中只受温度变化影响的3个参数用整点值代，对于2个受辐照度影响较大的参数，通过测量2组电压、电流值确定2个方程，直接解出2参数的值，从而得到任意时刻的u-i关系；

步骤s4：利用u-i关系式和最大功率点处功率p对电压u的导数为0确定最大功率点对应的电压、电流值，继而确定buck电路占空比，调节占空比，使得光伏组件板运行在最大功率点处；

步骤s5：结合扰动观察法小范围精细调整，跟踪最大功率点。

上述技术方案中，所述光伏电池组件板包括60个电池单体，一个电池单体等效如图1所示，5参数模型如公式(1)所示：

式中：q为电子电量常量，为1.602×10^-19c；k为玻尔兹曼常量，为1.381×10^-23j/k；a为二极管特性拟合系数，是一个变量，其值在1到2之间；

所述5参数分别是iph为光生电流、rsh为等效并联电阻、is为二极管饱和电流、rs为等效串联电阻以及为系数，其中q为电子电量常量，a为二极管特性拟合系数，t为实时的温度，标准工况为辐照度为1000w/m²，电池工作温度为25℃；

其中，光生电流iph在不同照度和辐照度下的修正量如式(2)所示：

式中：iphref是标准工况下的光生电流；s为实时的辐照度，sref为标况下的辐照度；ct为温度系数；

二极管饱和电流is在不同温度下的修正量如公式(3)所示：

式中：isref是标况下的二极管饱和电流，tref为标况下的温度，eg为禁带宽度；

等效串联电阻rs的修正式如公式(4)所示：

式中：β＝0.217，rsref为标准工况下的等效串联电阻，计算可知，辐照度变化，rs变化不大；

等效并联电阻rsh的修正式如公式(5)所示：

式中：rshref为标准工况下的等效并联电阻；

所述5参数中，短时间内温度以及辐照度不对参数is和rs产生影响，对参数iph、rsh受辐照度影响较大，从而在确定某一特定时刻的五参数值时，is和rs参数为整点处的值，只需确定iph、rsh的值。

所述太阳能组件板中，每20个电池单体为1组，每组串联一个旁路二极管，如图2所示，记n＝60，太阳能组件板输出电流和电压的关系式如公式(6)所示：

所述考虑遮蔽情况，当一组电池单体中有一个单体或几个单体被遮蔽，电流将直接通过旁路二极管，每组的端电压将是二极管的正向导通电压；

假设一块电池板有n1个硅片没有遮蔽，n2个硅片被遮蔽，从而考虑遮蔽情况下u-i关系式如式(7)所示：

其中，udd是一个二极管的正向导通电压。

所述的在整点时求取5个参数的方法是，光伏电池外接buck电路，任意时刻通过改变buck电路占空比，得到同一u-i曲线上不同运行点，在每个整点测量五组u-i值，分别是：

(u1，i1)，(u2，i2)，(u3，i3)，(u4，i4)，(u5，i5)

通过newton法迭代确定五个参数，从而确定每个整点的u-i关系式，具体方法如下：

首先，由五组值得到五个方程，如式(8)所示：

记关于这五个参数的五个函数分别为式(9)所示：

即求多元非线性方程组(9)的零点，其jacobi矩阵如下：

该矩阵非奇异，newton法局部线性收敛；

记f＝(f1,f2,f3,f4,f5)′，则迭代公式如式(10)所示：

取上个整点测得的值作为初始值进行迭代；

所述的在任意时刻求取5个参数的方法是，is和rs参数取最近整点处的值，通过改变外部电路的工作状态2次，测量两组值：

(u1，i1)，(u2，i2)

得到相应的方程如式(11)所示：

从而可以求出iph和rsh，从而确定了任意时刻的五参数值，从而确定任意时刻形如式(7)的u-i关系式。

上述技术方案中，所述求最大功率点的方法的依据是，一定光照条件和温度条件下i-u曲线和p-u曲线是确定的，如图3所示，功率表达式如式(12)所示：

p＝ui(12)

最大功率点处对应输出功率最大值点，p对u的导数为0，即式(13)所示：

此时输出功率是最大输出功率；

所述求最大功率点的方法是，将u-i曲线式(7)变形得到式(14)如下：

式(12)和式(14)两边对u求导可得化简可得式(15)如下：

将式(15)与式(14)联立，由式(15)求得最大功率点(ump，imp)；

上述技术方案中，所述步骤s5中，负载模型恒功率、恒电压、恒电阻的组合通过buck电路与光伏组件板连接，由buck电路前后功率相等，如图4所示，得该系统端电压电流与占空比的关系式如式(16)所示：

求出最大功率点对应的u-i值后，求出相应的占空比，调节占空比直接将工作点跳到最大功率点附近。。

本发明的一个具体实施例为:首先，对外接buck电路的光伏组件板添加实测装置，便于实时反馈组件板的端电流和端电压。利用下式

设计控制电路。在整点时，通过改变阳能组件板外部buck电路占空比，运行点跳5次，反馈每次的电压、电流值给控制芯片，芯片根据电压情况判断遮蔽情况，如果u为正常值，则取n1＝60,n2＝0；当有硅片被遮时，如果u的值变化为原来的三分之一左右时，取n1＝40,n2＝20；如果u的值变化为原来的三分之二左右时，取n1＝20,n2＝40；如果u非常小，电池板不工作，无需mppt。

判断出相应的u-i五参数模型后，用迭代法求解这五组值得到的方程组：

雅克比矩阵为：

迭代方程为：

确定了整点时的5参数模型。

任意时刻，将is和rs用前一整点值代，改变太阳能组件板外部buck电路占空比，运行点跳2次，反馈每次的电压、电流值给控制芯片，同整点方法一样先判断考虑遮蔽后的相应模型，用迭代法求解这2组值得到的方程组，得到iph、rsh：

从而确定了任意时刻的5参数模型。

得到任意时刻的5参数模型后，利用u-i关系式和最大功率点处功率p对电压u的导数为0，得到关于电压电流的两个方程，

用不动点迭代法用迭代法求解这两个方程，若记

i＝y

则迭代格式为：

约束条件是：

取上一时刻的最大功率点为迭代初值，代入迭代方程，再将x(k+1)带回约束条件，求出y(k+1)。利用u，i大于0这个条件舍取，若y(k+1)有两个值，则比较相应的功率值，取对应功率较大的一组值。迭代至误差在允许范围内，相应的u-i即最大功率处的u-i。

最后由最大功率点对应的电压电流值，根据

确定buck电路占空比，调节占空比，使得光伏组件板运行在最大功率点处。

本发明结合扰动观察法小范围精细调整，跟踪最大功率点。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。