一种基于电压预估法的光伏发电系统mppt算法
【技术领域】
[0001] 本发明一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法，涉及太阳能光伏发电应 用领域。
【背景技术】
[0002] 在光伏发电系统中，传统的最大功率追踪（MPPT)算法，如恒定电压法（CVT)、电导 增量法（INC)和扰动观测法（P&0)，在光照均匀的情况下能够达到比较理想的追踪结果。而 光伏发电在实际应用中，很难保证光照均匀分布，会由于云朵、树阴、灰尘等的影响，使光伏 阵列位于复杂光照强度中。当光伏阵列位于复杂光照中时，会使接受不同光强的组件之间 失匹，且在旁路二极管存在的情况下，光伏阵列的P-U特性曲线存在多个峰值。多峰现象会 使传统的MPPT算法执行时，极有可能追踪到的工作点保持在一个次优点附近，而不是靠近 全局最大功率点。
[0003] 针对传统MPPT算法应用于复杂光照条件下的光伏发电系统中存在局限性这一问 题，目前相关解决方案有：针对光伏电池阵列受阴影影响引起的失配问题，提出采用并联超 级电容器来改善阵列输出特性，但没考虑阴影持续时间较长等实际情况；此外有相关研究 采用分布式最大功率追踪（DMPPT)电路结构的光伏发电系统，来克服复杂光照条件下系统 出力减小的问题，证明了采用DMPPT电路结构确实能够提高系统运行效率，但对完整MPPT 算法的研究尚不成熟。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于电压预估法的光伏发电系统 MPPT算法，将光伏系统设计为DMPPT电路结构，应用该结构下光伏发电系统输出特性，根据 特性曲线规律，推算出光伏阵列工作点的最佳电压范围，优化的电压预估值，能使系统有效 跳过次优点。确定最佳电压范围后再结合P&0法，实现复杂光照条件下的最大功率点追踪。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1 :选用单个光伏电池组件，采用DMPPT组件电路结构，即对每个光伏电池模 组来实施最大功率追踪。光伏电池模组内DC/DC转换器采用Boost电路，Boost电路输出电 压和电流设有上限值，且具有有限升压转换率，U d。_为电路允许的最大电压值，其中对光 伏电池模组MPPT选用P&0法；以光伏电池模组为研究对象，光伏电池的输出电压和电流作 为Boost电路的输入，记为Ul和Il ;B〇〇st电路的输出电压和电流即为光伏电池模组的输 出电压和电流，记为U2和12 ;记光伏电池模组最大功率点电流、电压和功率分别为頂、UM、 PM，短路电流为Isc，由于Isc~頂由于Isc~頂，故假设0〈U〈UM时，有I为常数，取I = 頂。
[0008] 有： CN 105138065 A 兄明书 2/6 页
[0009] Cl)
[0010] t = to是Boost电路的输出电压达到UM的时刻；t = tl是Boost电路的输出电 压达到Udcmax的时刻；t = 1:2是Boost电路的输入电压达到Um的时刻，综合上述分析可知， Boost电路的输出的1]2和I 2关系如式（2)所示：
[0011]
C2)
[0012] Boost电路的输出功率P2，可用式（3)表示：
[0013]
〇')
[0014] 根据式（2)和式（3)，分别得到光伏电池模组输出等效I-U特性曲线和P-U特性示 意图。
[0015] 步骤2 :复杂光照下的MPPT，故可以假设温度不变，S不同对Um的影响较小，对PM的 影响较大，因此可以近似认为不同S下，U m值不变，Um与开路电压的关系式如式（4)所示：
[0016] Um ~KUcic (4)
[0017] 式⑷中开路电压U。。为光伏电池的设计参数，为已知参数，K取决于光伏电池的 特性，取值范围为〇. 71~0. 80,由此能确定Um值；至于I M，需进行测量获取其参数大小，但 测量结果易于获得。
[0018] 步骤3 :对于N个光伏模组串联连接的光伏阵列，一旦知道它的等效特性曲线，便 能很简单的预估出其最佳工作电压的范围，记为Ru;为了简便起见，取N = 2来进行具体分 析，可以推广到任意N个光伏模组串联后的一般情况，分别将这两个光伏模组命名为A和B， 模组A和模组B串联连接，工作在复杂光照条件下，光照强度不同，分别记为SJP S B，令模 组A和模组B的其它运行参数相同；
[0019] 假设 SA>SB，则有 IMPPA>IMPPB;且由于：
[0020]
(5)
[0021] 故ImMqb，其中1。纟和I。及别为模组A和模组B电压取U d。mx对应的电流值，从而 模组A和模组B之间的电流关系有且仅有以下两种情况：
[0022] 情况 1 :1 MPPA〉I〇A〉ImPPB〉I〇B
[0023] 情况 2 :IMPPA〉IMppB〉I0A〉I0B。
[0024] 所述步骤1中，对光伏电池模组等效输出特性曲线作如下分析：
[0025] ①、0〈U2〈UM时，随电压112升高，对应输出功率卩2变大，此时电流I = IM，称该阶段 为恒流区；
[0026] ②、UM< U2OJdcniax时，光伏电池模组输出功率P2不变，即P2= P M，随电压U2升高， 输出电流I2呈反比例减小，称此阶段为恒功率区；
[0027] ③、U2> Udcniax时，由于Boost电路过电压保护，光伏电池模组的输出被限制了，此 阶段为截断区。
[0028] 所述步骤3中，分两种情况来讨论光伏阵列的最佳工作电压预估范围，具体方法 是，首先运用式（1)中的结论，得到光伏模组的简化等效特性曲线，再根据简化等效特性曲 线来推算最大功率点与对应电压的关系；当电流关系满足情况1时，即I mppaMmMmppbMqb, 结果为：如果 Pmppa〉(Udc max+UM) *IMPPB，则 Ru - [U M, Udc max];如果 Pmppa〈 (Udc max+UM) *IMPPB，则 Ru- (ud。_+υΜ);当电流关系满足情况I时，即I mppaMmppbMmMi3b，结果为对应最佳工作电压区间 为：[Pmppa/Imppb+Um，Udc max+PMppB/l0A] O
[0029] 本发明一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法，技术效果如下：
[0030] 1)、采用基于电压预估法的MPPT算法进行最大功率点追踪。电压预估法与已有的 复合MPPT算法和特性扫描法进行比较，相比前者提高了追踪速度；相比后者降低了算法复 杂度，易于实现。
[0031] 2)、采用DMPPT电路结构。在光伏电池板被周围建筑物、树木及乌云等遮挡时，光 伏电池板中将有一部分电池处于阴影状态，DMPPT电路结构能够避免由此造成的输出效率 降低，容易发生热斑现象而损坏电池等问题。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明DMPPT电路组件结构图。
[0033] 图2为发明光伏电池特性曲线。
[0034] 图3为发明Boost电路输入/输出电压示意图。
[0035] 图4为发明光伏电池模组输出等效特性曲线示意图。
[0036] 图5为发明一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法流程图。
[0037] 图6为实施例中的后级MPPT执行前的输出特性曲线图。
[0038] 图7 (a)为实施例中的电压预估值图。
[0039] 图7(b)为实施例中的光伏电池阵列的输出功率图。
【具体实施方式】
[0040] 为了实现上述目的，本发明算法提出具体实现步骤如下：
[0041] 步骤一：分析DMPPT电路结构的光伏阵列。
[0042] DMPPT与集中式最大功率追踪（CMPPT)的主要区别是：采用DC/DC变换器替代旁 路二极管，将变换器与相并联的光伏电池组件称为光伏电池模组，每个模组都有带有MPPT 装置；通过分布式配置的DC/DC变换器和MPPT装置，把对光伏阵列整体实施的MPPT，分散 到各个模组进行，从而避免CMPPT下追踪结果停留在次优点，使光伏阵列总功率达到最佳 值。在光伏阵列后级电路还需要再执行MPPT，完成包括所有模组的阵列最大功率点的追踪。 DMPPT电路结构图如图1所示。由图1中DMPPT组件电路结构图可知，不仅每个光伏电池 模组配有一个MPPT装置对该模组的光伏组件实施MPPT法，对于整个光伏系统，还配有一个 MPPT装置对整个光伏阵列实施MPPT法，本发明称之为后级MPPT装置。后级MPPT装置的控 制效果直接影响到光伏发电系统的出力，本发明只要设计内容即是对后级MPPT算法进行 设计。要求本发明一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法，能有效解决了复杂光照 条件下，由于光伏阵列输出功率曲线具有多个峰值，控制器追踪结果停留在局部最大功率 点处这一难题。
[0043] 步骤2 :光伏电池模组输出特性研究。
[0044] 为便于具体分析，本发明选用单个光伏电池组件，采用DMPPT组件电路结构，即对 1个光伏电池模组来实施最大功率追踪。模组内DC/DC转换器采用Boost电路，同时为贴 近实际，Boost电路输出电压和电流设有上限值，且具有有限升压转换率，但为了简化分析， 其转换效率设置为100 %。Ud。_为电路允许的最大电压值，其中对光伏电池模组MPPT选用 P&0 法。
[0045] 已知，光伏电池 I-U和P-U特性曲线如图2所示。由图2可知，1%? I M，故假设 0〈U〈UM时，有I为常数，本文取I = I M。当对光伏电池组件实施P&0,稳定条件为：U = UM，I =IM;且当U彡Um时，有：P = P M。
[0046] 以光伏电池模组为研究对象，光伏电池的输出电压和电流作为Boost电路的输 入，记为仏和I i，Boost电路的输出电压和电流即为光伏电池模组的输出电压和电流，记为 仏和I 2。根据Boost电路的升压特性，可知仏和U 2示意图如图3所示。
[0047] 分析图3中变量关系，有：
[0048] (1)
[0049] 图3中，t = t0是Boost电路的输出电压达到UM的时刻；t = tl是Boost电路的 输出电压达到Udc max的时刻；t = 1:2是Boost电路的输入电压达到U M的时刻。综合上述 分析可知，Boost电路的输出的1]2和I 2关系如式（2)所示：