基于光伏多电平逆变器并网发生局部遮阴时的最优功率点跟踪方法与流程

本发明涉及光伏多电平逆变器技术领域，具体涉及一种基于光伏多电平逆变器并网发生局部遮阴时的最优功率点跟踪(optimumpowerpointtracking,oppt)方法。

背景技术

很多学者致力于光伏阵列发生局部遮阴时的最大功率点跟踪，并且提出了很多寻优算法。传统拓扑结构下的mppt要考虑系统中的每一块光伏板的具体输出功率，因而当某一块光伏板发生了局部遮阴，其输出功率就会减小，对于总的输出功率来说，原来的电压等级对应的功率也不再是最大功率点mpp，局部mpp就会由一个变成两个。

如果是大量的光伏板串并联，那么多峰出现的几率就会极大地增加，寻找全局mpp的复杂度也会随之成倍增加。对于所有的光伏逆变器并网系统，调整mppt的输出电压，由于系统达到新的稳定状态也需要一定时间，因而并不能马上得到对应的功率。所以像粒子群算法(pso)，群搜索优化算法(gso)等这类需要获得大量样本数据、再从中筛选出最优值的算法就会耗时量非常大，不适合投入到实际运行中，即使后期使用强化学习(rl)来获取mpp，算法本身的复杂度也不低。还有很多动态寻优的算法，致力于调整搜索步长，缩短到达最大功率点的时间和避开陷入局部最优，但是多次进行大步长的电压调整，也会使系统不稳定，而且系统达到稳定的时候也要延长。这些算法的优化都是致力于减少搜索次数，并没有深入研究多峰出现的原因以及如何减少峰值。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于光伏多电平逆变器并网发生局部遮阴时的最优功率点跟踪方法，该方法根据拓扑结构的特点，实现了局部遮阴时系统的稳定过渡和迅速恢复。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于光伏多电平逆变器并网发生局部遮阴时的最优功率点跟踪方法，所述的最优功率点跟踪方法包括下列步骤：

s1、采集每一个级联单元的光伏电源输出电压vpvn和输出电流ipvn；

s2、计算光伏电源总的输出功率其中n表示级联单元的数量；

s3、判断是否发生遮阴，如果未发生遮阴，确定参考电压变化范围，通过mppt控制方法搜索最大功率点作为最优解；

s4、如果发生遮阴，判断每一个级联单元遮阴程度是否相同，如果遮阴程度相同，通过mppt控制方法搜索最大功率点作为最优解；

s5、如果遮阴程度不同，即发生不平衡的局部遮阴，只考虑有且仅有一个单元发生遮阴，在特征圆上查找到该值，通过余弦距离不变，找到遮阴单元对应的输出电压参考值；

s6、计算总的输出电压参考值，作为oppt的输出。

进一步地，所述的步骤s2包括：

s201、根据采样密度对采集的光伏电源的电压和电流数据串做预处理，选择合适大小的窗口划分数据串；

s202、在每个小窗口筛选出最具有代表性的数据用来代表该时段的值。

进一步地，所述的步骤s202中在每个小窗口筛选出最具有代表性的数据的方法如下：

选取窗口的中间值或者选取窗口的平均值作为最具有代表性的数据。

进一步地，所述的步骤s3包括：

s301、确定参考电压变化范围，将并网所需最低逆变电压作为oppt输出电压下限；

s302、比较基本单元内光伏电源电压的前后变化，判断是否发生遮阴；

s303、假设发生局部遮阴时，每一个级联单元内的串联光伏板的光照强度都一样，即最大功率点始终只有一个，基于该假设，改变所有单元内光伏电源的遮阴程度，计算用mppt搜寻方法确定oppt输出电压上限；

s304、通过同时改变所有基本单元的光照强度，确定在某一个光照强度下，有最大的输出功率，当光照强度减小时，输出功率也随之减小；当光照强度增大时，输出功率也减小，这个最大功率点记为pm(im，vm)。

进一步地，所述的步骤s4过程如下：

发生平衡的局部遮阴时，每一级联单元内的光伏电源遮阴情况相同，考虑单元内串并联的光伏可能出现的峰值个数以及每个峰值所在的电压范围，确定可行电压范围内最大功率点所在的电压区间，再用mppt搜寻方法在该电压区间内搜寻，找到的局部最优值作为全局最优值。

进一步地，所述的mppt搜寻方法为扰动观察法。

进一步地，所述的步骤s5包括：

s501、选取一个级联单元进行遮阴实验，只改变其光照强度，而让其他级联单元都处于最合适的光照强度；

s502、根据遮阴单元的光照强度不同，每个级联单元的输出电压也不同，未遮阴电压的输出电压会自动上升，并且上升到一个特定值，设置光照强度改变步长，测量对应的电压值；

s503、拟合上述电压值，获得拟合函数，这是一个圆心为c(-n·im，vm)，半径为(n+1)im的圆，点pm(im，vm)作为最大功率点，记为参考点，定义光照强度低于pm对应的光照强度为光伏板发生局部遮阴，连接原点o和pm，直线即为遮阴单元参考电压的变化范围；

s504、当发生不平衡局部遮阴时，在圆心为c的圆上找到非遮阴单元电压值对应的点，过该点作直线平行于y轴，与的交点即为该遮阴单元的输出电压参考值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明提出了oppt控制器，在该拓扑结构下有且只有一个oppt控制器，而且在平衡或者不平衡局部遮阴时都支持使用最传统的mppt控制方法。

(2)在发生不平衡的局部遮阴时，发现了未遮阴单元电压变化规律是一个特殊的圆，提出余弦距离选取oppt输出电压最低值，只需让系统在最低值运行，既可稳定过渡。

附图说明

图1是本发明的实际拓扑结构与控制算法示意图，以4级联单元的拓扑结构为研究对象；

图2是本发明的逆变器直流侧输出功率和输出电压的关系图；

图3是本发明的4级联单元内，某一级中三块串联光伏板发生局部遮阴时可能出现的电压、电流和功率的不同情况示意图；其中，图3(a)表示发生局部遮阴时出现3个mpp，图3(b)表示发生局部遮阴时出现2个mpp，图3(c)表示发生局部遮阴时只有一个mpp；

图4是单级的光伏阵列在不同光照强度下即在不同输出电流下，其峰值落在的电压区间图；

图5是某一级联单元发生局部遮阴时功率变化，以及通过控制电压和电流来达到每一级的输出功率平衡图，已知正常运行时各级输出功率为p0，发生局部遮阴时，遮阴单元的输出功率下降为p1'，通过对电压电流控制使得遮阴单元达到其自身最大功率点p1；

图6是发生单级局部遮阴时，未遮阴单元电压上升规律示意图，其中，图6(a)定义该圆为特征圆，改变遮阴单元的光照强度，电压将沿着特征圆变化，图6(b)引入余弦距离确定遮阴单元输出电压的参考值；

图7是4级联单元并网拓扑结构下，逆变单元发生局部遮阴时，各级输出电压实测值和参考值示意图；其中图7(a)是遮阴单元的光伏电源输出电压示意图，图7(b)是未遮阴单元的光伏电源输出电压示意图；

图8是4级联单元并网拓扑结构下，逆变单元发生局部遮阴时，电网电压和电流实测值示意图；

图9是4级联单元并网拓扑结构下，逆变器输出电压示意图，其中，图9(a)是某一单元发生局部遮阴时，逆变器输出电压实测值示意图，图9(b)所示为正常光照下逆变器输出电压实测值示意图；

图10是本发明公开的基于光伏多电平逆变器并网发生局部遮阴时的最优功率点跟踪方法的流程图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

下面对oppt进行简单介绍。

oppt，即最优功率点跟踪(optimumpowerpointtracking,oppt)简称oppt算法。oppt与传统的最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,mppt)的区别在于，同样是寻找最大功率点，oppt是根据实际条件约束下选取全局最优值，这个解不一定是全局最大功率点。这个算法的特点在于，不用花费大量的资源去寻找功率增量很小的全局最优值。

如图1所示，本拓扑结构是一种开关管——二极管级联型多电平逆变器，由前、后级变换器串联构成，所述前级变换器由n个开关管——二极管单元级联构成，具体为全控型电力电子开关s1n和不控型二极管d1n串联而成。

所述后级变换器为单相全桥逆变电路，具体为由4个全控型电力电子开关所组成的单相全桥逆变电路，由全控型电力电子开关s21、s23串联得到桥臂1，s22、s24串联而成桥臂2，逆变器的输出与五阶rlc滤波器相连接。

在本实施例中，n选择4，即级联单元个数为4个。每个级联单元内，光伏电源是由三块型号为trinasolartsm-250pa05.08的光伏板串联而成。滤波器是五阶lc滤波器，其对称的拓扑结构可实现能量的双向流动。电网参数是110v，60hz，连接两个负载1和2。

整个控制流程包括：oppt采集逆变器直流侧级联单元内光伏电源的电压值和电流值，经过oppt计算得到的逆变器直流侧参考电压；采集电网电压，通过pll锁相环获得当前电压频率，把采集到的电网电压和电流经过派克变换(parktransformation),连同oppt输出的参考电压，一起送入pwm发生器中，最终输出占空比随正弦变化的方波，用以控制直流侧级联单元内的开关管。

其中，oppt控制的流程如附图10所示，包括以下步骤：

s1、采集每一个级联单元的光伏电源输出电压vpvn和输出电流ipvn；

s2、计算光伏电源总的输出功率其中n表示级联单元的数量；

该步骤s2过程如下：

s201、根据采样密度对采集的光伏电源的电压和电流数据串做预处理，选择合适大小的窗口划分数据串；

s202、在每个小窗口筛选出最具有代表性的数据用来代表该时段的值，简单起见，一般选取的是中间值。

根据采样的误差和系统的波动，可以适当选择窗口大小，取平均值替代。通常情况下，系统比较稳定时，也可以不做预处理。

s3、判断是否发生遮阴，如果未发生遮阴，确定参考电压变化范围，通过传统的mppt控制方法搜索最大功率点作为最优解；

该步骤s3过程如下：

s301、确定参考电压的变化范围，将并网所需最低逆变电压作为oppt输出电压下限；

s302、比较基本单元内光伏电源电压的前后变化，判断是否发生遮阴；

s303、假设发生局部遮阴时，每一个级联单元内的串联光伏板的光照强度都一样，即最大功率点始终只有一个。基于该假设，改变所有单元内光伏电源的遮阴程度，计算用传统mppt搜寻方法，例如扰动观察法，确定oppt输出电压上限。

s304、通过同时改变所有基本单元的光照强度，可以确定在某一个光照强度下，有最大的输出功率。当光照强度减小时，输出功率也随之减小；当光照强度增大时，输出功率也减小。这个最大功率点记为pm(im,vm)。

其中，确定参考电压的变化范围，可以通过改变每个级联单元的光照强度，测量所有单元内光伏阵列输出的电压和电流，计算其输出功率，并对电压和功率关系进行描点和拟合。

每一个级联单元内有三块光伏板串联，当在同一个电压值取得最大功率时，三块光伏板的光照强度一样，取得最大功率。因此，在改变级联单元的光照强度进行输出功率范围计算时，仅考虑三块光伏板光照强度相同。

如图2所示，横向的曲线是指，在某一个光照强度下，改变oppt输出电压，测量直流侧输出功率，并绘制出电压——功率曲线。图中选取4个光照强度进行仿真，得到4条电压——功率曲线。从图中可以看出，oppt电压选取是有上下限的。纵向的曲线表示在不同光照强度下最大功率点出现的位置。由图可知，光照强度与最大功率之间并不是成正比的，而是有一个最合适的光照强度，这个光照强度下的最大功率点就是pm。以下的研究都不超过该电压等级。

s4、如果发生遮阴，判断每一个级联单元遮阴程度是否相同，如果遮阴程度相同，寻优方式同s3；

该步骤具体如下：发生平衡的局部遮阴时，每一级联单元内的光伏电源遮阴情况相同。考虑单元内串并联的光伏可能出现的峰值个数以及每个峰值所在的电压范围，结合步骤s301，确定可行电压范围内最大功率点所在的电压区间，再用扰动观察法在该范围内搜寻，找到的局部最优值作为全局最优值。

在本拓扑结构中，假设每一个级联单元的三块光伏板各项参数都是一样的，通过改变其各自的光照强度，从而改变其输出电流。这三块光伏板在不同的光照强度(输出电流)下，其峰值的个数也是不一样的，mpp有可能落在任何一个峰值。如图3中图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，这是发生局部遮阴时其中一种电压、电流和功率之间的关系。

假设出现三个峰值，则：

1、三个电压区间[0，v1]、[v1，v2]和[v2，v3]的宽度是相等的；

2、在三个电压区间内的电流都是常数；

3、三个局部最优值分别标记为①、②和③；

①、②和③对应[0，v1]、[v1，v2]和[v2，v3]。

若每一个峰值的最大功率点的功率都是一样的，则临界条件为

i1·v1＝i2·v2＝i3·v3(1)

其中，i1、i2和i3分别表示三个电压区间对应的电流大小，而且有i1＝ai，i2＝bi，i3＝ci；v1＝1.5v2＝3v3。

于是可以得到

aiv1＝biv2＝civ3(2)

其中，a＝b+x，b＝c+y，c＝z。

于是可以总结归纳得到：

根据上述电流之间的关系，可以很快地判断最大功率点落在哪一个电压区间。以至于发生局部遮阴时，可以快速调整搜索电压初值。

在实际应用中，如图3所示，出现峰值的个数不尽相同。为此们特意标注，如图3(a)所示，当有且仅有一个峰值时，其mpp标注为①；如图3(b)所示，当出现两个峰值时，高电压等级的mpp标注为①，低电压等级标注为②。如图3(c)所示，当出现两个峰值时，高电压等级的mpp标注为①，中等电压等级的mpp为②，低电压等级为③。

设置三块光伏板光照强度分别从完全黑暗到全亮(1000w/m²)，根据这三块光伏板对应输出电流与mpp所在区间①、②和③，可以绘制mpp电压区间分布图。如图4所示，三个坐标轴分别表示三块光伏板的输出电流，中间三种颜色三种形状的点代表3个电压等级区间。其中，mpp落在①区间时表示为方点，落在②区间表示为圆点，落在③区间表示为三角点。由于先前假设三块光伏板是完全一样的，因此三个坐标轴是轮换对称的，构成一个正方体。可见方点占据绝大部分，而且位于整个正方体图形的中间；圆点位于远离正方体原点的三个顶点；三角点位于靠近正方体原点的三个顶点。

图4对应的实际情况是：当三块光伏板发生局部遮阴的程度比较相近时，mpp总会落在①区间；当其中有一块光伏板发生较为严重的局部遮阴时，mpp会落在②区间；当其中有两块光伏板发生较为严重的局部遮阴时，mpp会落在③区间。因而我们可以根据遮阴后电流关系迅速找出mpp落在哪个区间，并进行电压调整。

对于并网的系统来说，为了并网顺利，mppt电压初始值总会设置得高一些，因此电压搜寻实际上是从高电压往低电压过渡，因此落在①区间的mpp总能用传统方法找到。落在②和③区间时，需要进行一次电压调整，再用传统方法搜寻。

值得注意的是，当mpp出现在②和③区间时，电压等级都过低，不满足逆变器直流侧最低电压的要求，而且此时全局最优的功率值与①区间的局部最优值相差不大，因此不需要也没必要进行电压调整。

并网运行中，改变逆变器直流侧电压的参考值，即改变mppt输出电压参考值时，电网需要一定的时间才能到达稳定。因此实际运行中，需要多次大步长修改电压值的算法并不适用。使用传统方法的好处是可以简化计算量，方便代码移植到芯片上。而这个功率点成为最优功率点opp。

s5、如果遮阴程度不同，即发生不平衡的局部遮阴，只考虑有且仅有一个单元发生遮阴，在特征圆上查找到该值，通过余弦距离不变，找到遮阴单元对应的输出电压参考值；

该步骤s5过程如下：

s501、选取一个级联单元进行遮阴实验，只改变其光照强度，而让其他级联单元都处于最合适的光照强度。

s502、根据遮阴单元的光照强度不同，每个级联单元的输出电压也不同。未遮阴电压的输出电压会自动上升，并且上升到一个特定值。设置光照强度改变步长，测量对应的电压值。

s503、拟合这些电压值，获得拟合函数，这是一个圆心为c(-n·im,vm)，半径为(n+1)im的圆，点pm(im,vm)作为最大功率点，记为参考点。定义光照强度低于pm对应的光照强度为光伏板发生局部遮阴。连接原点o和pm，直线即为遮阴单元参考电压的变化范围。

s504、当发生不平衡局部遮阴时，在圆c上找到非遮阴单元电压值对应的点，过该点作直线平行于y轴，与的交点即为该遮阴单元的输出电压参考值。

本拓扑结构有一个明显的缺点，对于每一个级联单元，输出的功率必须平衡才可以正常运行，否则系统将会崩溃。根据光伏板的电压-功率特性是一个上凸函数，也就意味着同一个功率值可以对应两个电压值。即可以通过电压的调控来使得这几个单元依旧保持平衡。如图5所示，原来各级的输出功率都是p0，当某一单元发生局部遮阴时，其功率曲线会下降,为了使得功率平衡，未遮阴单元就必须升高输出电压。mppt搜索结果是希望遮阴单元能输出最大功率，即功率变化为p0→p1'→p1。因此可以分别控制电压遮阴单元的输出电压从v0→v1'→v1，未遮阴单元的输出电压从v0→v2'→v2。实际运行时，由于级联拓扑结构的限制，电流被钳位，遮阴单元的实际输出电流无法测得，换言之，遮阴单元的最大功率无法直接得到。但是其电压变化规律是遵循上述结论的，因此可以采取对电压进行测量和调整从而达到功率平衡。控制电压只需要控制mppt的输出电压即可。

发生局部遮阴时，遮阴单元的输出电压会自动下降，未遮阴单元的输出电压会自动上升。通过观测可知，未遮阴单元的输出电压会上升到一个特定值并在这个电压值保持稳定运行。改变遮阴单元的光照强度，可以测得不同光照下这个特定值的大小。

测试光伏板特性时，改变光照强度，从250w/m²变化到1000w/m²。当光照强度为750w/m²时，光伏板输出功率最大，升高或者降低光照强度都会降低光伏板的输出功率。因此该光照强度下对应的电压为vmax，对应的电流为imax。这个点记为最大功率点pmax(im,vm)。

改变遮阴单元的光照强度，从250w/m²变化到750w/m²，得到一组未遮阴单元的输出电压特定值，通过拟合可知，这些特定值均分布在一个圆心为(-4im,vm)，半径是5im的特征圆上，其拟合曲线如图6(a)所示，横坐标表示的是电流，纵坐标表示的是电压。

发生局部遮阴时，未遮阴单元的电压都是一个定值，因此计算oppt的输出电压也就是计算遮阴单元的电源输出参考电压。如图6(b)所示，发生局部遮阴时，未遮阴单元的电压上升到b点，由于电流钳位，此时遮阴单元的电压只能在与y轴平行的直线上变化。为了保持所选的电压值与pmax(im,vm)的特性相近，引入余弦距离：连接原点o和pmax(im,vm)并与圆交于点a，则与的交点为点c。点c与点a的余弦距离为1，即点b与点c的余弦距离cos∠boc和点b与点a的距离cos∠boa相等。该点c即为所求的遮阴单元的输出电压参考值。将每一个单元的电压参考值加起来，即为oppt的输出电压最低值。当发生同等程度的局部遮阴时，系统将在oppt输出电压的最低值稳定运行。当发生不同程度的局部遮阴时，根据所测电流值，在中对应选取电压值。特别地，由于oppt输出电压的最低值不得低于逆变器直流侧电压最低值，因此当oppt最低值过于小，将按照逆变器直流侧最低电压要求来运行。

经过仿真验证，证明某一单元发生局部遮阴时，按照图6(b)中所述规律选定参考电压，系统都能稳定运行。选定参考电压的方法不唯一，通过余弦距离确定遮阴单元参考电压只是其中一种最为简便可行的方法。

控制效果如图7所示，对于该四级联单元输出电压的参考值，是给出一个总的参考值。平均到每一级后为图7(a)和7(b)所示的预测值。在图7(a)中，遮阴单元的光伏电压急剧下降，图7(b)中，未遮阴单元的电压上升，其变化规律遵循图5。。为保证电压逆变器直流侧的电压的稳定，需要对单元内的电源输出电压进行控制，选取合适的运行电压。虽然此时未遮阴单元不是运行在传统意义下的最大功率点，但是其输出功率并不会减少太多，而且还能保持各个级联单元的功率平衡。

当光照突变时，电网侧的电压和电流变化规律如图8所示。电网侧电压基本不受影响，电流会稳步变化，直到达到新的稳定值。在实际中，光照是连续而且缓慢变化，因此系统受到的冲击更加小，变化过程会更加稳定。

当每个单元的电源供电不平衡时，虽然是病态运行，但是可以消除因逆变时滤波器中电感放电带来的电压尖峰。图9(a)中所示是某一单元发生局部遮阴时，逆变器输出电压实测值，图9(b)中所示是正常光照下逆变器输出电压实测值。可以看到，图9(a)的电压没有尖峰。因此可以考虑增加一级低功率电源来消除尖峰。

综上所述，本发明中前级级联开关管——二极管变换器与后级逆变电路的串联，可很好的实现近似正弦的多电平阶梯波，简化了功率单元系统拓扑结构的复杂性，分散了光伏板的大量串并联，减少功率多峰值的出现，减少搜寻次数。本发明中通过探寻全单元发生局部遮阴和一单元发生局部遮阴时电压和功率的变化规律，减少了mppt控制器的数量，由一级一个mppt控制器简化为无论级联数是多少，有且只有一个控制器，这个改进的mppt控制器称为oppt控制器。

s6、计算总的输出电压参考值，作为oppt的输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。