局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法

摘要

本发明申请了局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法。该方法首先判断是否发生局部阴影，在确定局部阴影发生时基于电导增量法快速确定第一个局部功率最大的极值点。接着利用局部阴影下P‑U曲线各峰值点间的电压差约为0.9倍开路电压的整数倍的原理，结合电导增量法，采用该种特定的步长来快速跟踪找到所有极值点处的功率。通过对比，从而使得电路工作于全局最优的最大功率点处，实现最大输出功率的跟踪。本方法能快速准确地跟踪到全局最大功率点处，相比常规的全局搜索法所需检索得点数大幅减少，跟踪速度更快，提高了跟踪效率。同时该算法不需额外增加传感器数量和其他辅助电路，实现简单，具有较大的市场价值和实用价值。

说明书

技术领域

本申请涉及光伏阵列的技术领域，尤其涉及局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法。

背景技术

随着环境问题的日益突出，以光伏发电为代表的光伏发电问题得到了广泛的关注。通过对光伏发电系统的最大功率点跟踪，提高大阳能的利用率存在着较大的市场价值与实际价值。在均匀光照的条件下，光伏发电系统输出的P-U特性曲线呈现出单峰值状态。目前存在的最大功率跟踪算法有爬山法，扰动观察法和电导增量法，变步长电导增量法等经典的MPPT算法，这些方法在均匀光照的条件下各具优势，可以较准确地跟踪阵列的最大功率点，保证光能的充分利用。但当光伏阵列存在局部遮挡的情况下，即当实际环境中存在云层阴影，周围建筑物阴影以及光伏阵列表面灰尘影响的情况下，光伏系统输出的P-U特性曲线呈现多峰值状态，此时采用传统的算法极易陷于某一局部功率极值点处，从而导致光能利用率的降低。

相关技术中，对光伏阵列局部阴影下的最大功率点跟踪的解决方法主要分为三种。一是对光伏阵列进行重构。光伏阵列重构可均衡各受遮蔽光伏组件在整个阵列中的分布,提高光伏阵列平均输出功率,有效缓解热斑效应对光伏阵列的影响。但该类方法在应用于不同光伏组件时灵活性较差，且应对环境突变的能力较弱。二是通过并联入补偿电路使得局部阴影发生时P-U多峰曲线矫正为单峰曲线，再采用传统MPPT算法进行跟踪。此种办法利用补偿电路来维持被遮挡光伏组件的端电压，从而实现矫正，避免多峰情况的发生。但缺点是加入补偿电路会导致电路结构复杂，难以控制，而且实现成本也会大幅增加。三是对于最大功率点跟踪算法进行优化改进。如在改进的全局扫描法，该方法有效解决了陷入局部极值的问题，但会出现稳态功率振荡大的问题。如粒子群算法，其在局部阴影条件下比传统算法有更好的快速性和准确性。但该类方法参数设置依靠经验，可移植性较差，工程中不易实现。又如利用光伏阵列处电流与短路电流之间的近似关系提出的一种三步骤搜索法，该方法有效地提高了运算速度，但是受比例关系影响较大，容易形成误判。综合国内外现有研究来看，目前的方法可以在一定程度上提高光伏阵列的光能利用率，但也存在着跟踪不准确、跟踪速度慢、电路结构复杂、应对环境突变能力较弱等缺陷，因此局部阴影下的最大功率跟踪仍是一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供基于局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法，能够有效提高跟踪效率。

一种局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法，包括：

获取光伏阵列在局部阴影条件下P-U特性曲线中的第一峰值点，其中所述P-U特性曲线为以电压为自变量、以功率为因变量的对应关系；

基于所述第一峰值点，以0.9倍开路电压为步长在所述P-U特性曲线中查找，以获取至少一第二峰值点；

从所述第一峰值点、第二峰值点中获得最大功率。

可选地，所述“从所述第一峰值点、第二峰值点中获得最大功率”包括：

从所述第一峰值点、第二峰值点各自对应的实际功率值中选择实

际最大值；

当所述实际最大值对应于所述第二峰值点时，根据所述实际最大值对应的电压值获得最大功率。

可选地，所述“根据所述实际最大值对应的电压值获得最大功率”的方式为电导增量法。

可选地，所述“获取第一峰值点”的方式为电导增量法。

可选地，所述局部阴影条件按照以下公式来判断：

U

其中n为串联光伏支路中电池板总个数，U

可选地，当检测第二峰值点的实际电压值超过0.9倍开路电压时，结束所述查找。

以上提供局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法，与相关技术相比，具有以下技术效果：

1、利用本跟踪方法，由于在局部阴影发生时P-U曲线峰值点的个数等于或少于光伏电池板串联支路中电池板的个数，所以步长改变为0.9Uoc后，实际所需扫描比较的点数仅仅取决于串联支路中电池板的个数。通过跳过一些不必搜索的点所在的区域，节省了搜索时间，提高了搜寻效率，也增大了光伏能源的利用率。

2、电路简洁，算法原理简单，不需额外增加传感器数量和辅助电路，成本下降。本发明方法只需要采集光伏阵列输出电压和电流两个数据，阵列中各模块的数据并不需要去采集，因此只需要各一副电压和电流传感器，也不需要任何其他的额外补偿电路，因此电路非常简洁，可靠性高，成本大为下降。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供局部阴影条件下P-U特性曲线。

图2为采用相关技术提供电导增量法的跟踪曲线。

图3为本申请实施例提供跟踪方法的跟踪曲线。

图4为本申请实施例提供跟踪方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。。

在介绍本申请的技术方案之前，有必要阐述下本申请的发明创造的创立背景。

相关技术中，光伏阵列局部阴影下的最大功率点跟踪的解决方法主要分为三种。一是对光伏阵列进行重构。光伏阵列重构可均衡各受遮蔽光伏组件在整个阵列中的分布,提高光伏阵列平均输出功率,有效缓解热斑效应对光伏阵列的影响。但该类方法在应用于不同光伏组件时灵活性较差，且应对环境突变的能力较弱。二是通过并联入补偿电路使得局部阴影发生时P-U多峰曲线矫正为单峰曲线，再采用传统MPPT算法进行跟踪。此种办法利用补偿电路来维持被遮挡光伏组件的端电压，从而实现矫正，避免多峰情况的发生。但缺点是加入补偿电路会导致电路结构复杂，难以控制，而且实现成本也会大幅增加。三是对于最大功率点跟踪算法进行优化改进。如在改进的全局扫描法，该方法有效解决了陷入局部极值的问题，但会出现稳态功率振荡大的问题。如粒子群算法，其在局部阴影条件下比传统算法有更好的快速性和准确性。但该类方法参数设置依靠经验，可移植性较差，工程中不易实现。又如利用光伏阵列处电流与短路电流之间的近似关系提出的一种三步骤搜索法，该方法有效地提高了运算速度，但是受比例关系影响较大，容易形成误判。综合国内外现有研究来看，目前的方法可以在一定程度上提高光伏阵列的光能利用率，但也存在着跟踪不准确、跟踪速度慢、电路结构复杂、应对环境突变能力较弱等缺陷，因此局部阴影下的最大功率跟踪仍是一个亟待解决的问题。

本发明人为了解决上述技术难题，创造性地提出了局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法。本发明人意外地发现，局部阴影条件下光伏阵列的P-U特性曲线中，相邻峰值点之间的电压差约等于0.9开路电压的整数倍的规律这一客观规律。基于该规律发现的创造性应用，在跟踪到第一个极值点后按0.9倍开路电压的步长进行搜索比较，从而能够搜寻出输出功率全局各峰值点中的最大功率点，并使电路工作于该功率点，实现最大输出功率的获取。该方法能准确地跟踪到全局最大功率点，且比常规的全局搜索法有更快的跟踪速度，提高了跟踪效率。同时该算法不需额外增加传感器数量和其他辅助电路，具有简洁、高效和实用性强等优点。由此，创立了本发明创造。

本申请年实施例提供局部阴影下光伏阵列最大功率的跟踪方法，包括以下步骤：

S1、获取光伏阵列在局部阴影条件下P-U特性曲线中的第一峰值点，其中所述P-U特性曲线为以电压为自变量、以功率为因变量的对应关系。

已为所属领域技术人员所熟知的是，局部阴影条件是指，光伏阵列存在局部遮挡的现象，例如实际环境中存在云层阴影，周围建筑物阴影以及光伏阵列表面灰尘等。

当局部阴影条件发生时，会出现此刻工作电压较前一分钟工作电压变化较大的情况。这样，可通过监测P-U特性曲线的电压值来界定局部阴影条件的产生。

具体而言，根据公式U

上述公式中，n为串联光伏支路中电池板总个数，U

第一峰值点的的获取方式为电导增量法。鉴于电导增量法已经为所属领域技术人员所了解，再次不再赘述。

S2、基于所述第一峰值点，以0.9倍开路电压为步长在所述P-U特性曲线中查找，以获取至少一第二峰值点。

可以理解的是，基于所述第一峰值点以0.9倍开路电压为步长在P-U特性曲线中查找，具体操作是：以第一峰值点对应的电压值为起始电压值，并在该起始电压值基础上以0.9倍开路电压为增幅逐次增加电压，此时每次增加电压后对应于P-U特性曲线上的某一点，该点即为第二峰值点。

针对上述阐述，结合图1作出进一步说明。图中A点为第一峰值点，B、C、D点为第二峰值点。当然在查找(或搜索)过程中如遇到光伏阵列板的光照强度相同的情况，此时除了检测出极值点处电压还可能会多检测处极值点外的几个点，但很显然由于这多检测的几个点所对应的功率都低于最大电压所对应的功率，因而在步骤5的判断中不会对判断结果产生影响，并且这几个点数的检测并不会影响本算法的快速性。

当检测第二峰值点的实际电压值超过0.9倍开路电压时，结束所述查找。即当上述逐次增加电压后的实际电压值超过0.9倍开路电压，判定此时已超过最后一个峰值点，不再继续增加电压搜索峰值点。

S3、从所述第一峰值点、第二峰值点中获得最大功率。

具体地，所述“从所述第一峰值点、第二峰值点中获得最大功率”包括：

从所述第一峰值点、第二峰值点各自对应的实际功率值中选择实际最大值；

当所述实际最大值对应于所述第二峰值点时，根据所述实际最大值对应的电压值获得最大功率。

上述“实际最大值对应于所述第二峰值点”隐含地表明了本申请跟踪方法包含有将实际最大值是否为第二峰值点的判断。该判断的设置理由是：第二峰值之间的电压差约为0.9倍开路电压，或者第一峰值点和首次出现的第二峰值点之间的电压差约为0.9倍开路电压，所以采用0.9倍开路电压所获得的实际最大功率值，并非绝对地代表P-U特性曲线上真正意义上的“峰值”位置。也就是说，通过与0.9倍开路电压步长的查找确定的第二峰值，与理论上的峰值位置存在一定的偏差。

为了消除该偏差，由于0.9倍开路电压步长的查找确定的第二峰值与理论上的“峰值”较为接近。因而从上述将查找到的第二峰值点中的实际功率最大值对应的电压出发，通过预设模型进行计算从而获得理论上的最大的功率值。

此处，所述“根据所述实际最大值对应的电压值获得最大功率”的方式为电导增量法，或者其它方式。

应当知晓的是，开路电压的获取方式的操作可以是：初始化光伏阵列电池板的电气参数，得到串联支路中的光伏电池板总数n。并通过调节占空比使得光伏阵列输出电压为开路电压，记录下此时的开路电压值U

为了验证本发明提出的新型MPPT算法的有效性，在Matlab/Simulink软件环境下对现有电导增量法MPPT算法与本算法进行仿真对比，仿真效果如图2、3所示。

参考图4，现在针对一个常见的应用场景中，来阐述本申请跟踪方法的实施过程。应当注意的是，此常见的实施方案不可作为理解本申请所声称所要解决技术问题的必要性特征认定的依据，其仅仅是示范而已。

步骤1：初始化光伏阵列电池板的电气参数,得到串联支路中的光伏电池板总数n。并通过调节占空比使得光伏阵列输出电压为开路电压，记录下此时的开路电压值U

步骤2：基于电导增量法快速跟踪到第一个局部功率最大的极值点，并记录下该点的功率值P

步骤3：判断是否发生局部阴影，阴影判断公式的取决于阴影发生时，由于一块或多块光伏电池板被旁路掉，会出现此刻工作电压较前一分钟工作电压变化较大的情况，从而判断公式为:U

步骤4：先利用电导增量法跟踪到第一个局部功率峰值点，此时改设步长大小为0.9U

步骤5：通过对比各点处的功率，可以初步得到近似实际功率最大值点处相对应的电压值。此时再通过电导增量法进一步优化跟踪到功率值最大的全局最大功率点，最终使电路工作于所述全局最大功率点。

更为具体的，其具体实现过程如下：

在步骤四中利用电导增量法跟踪到光伏阵列输出功率的第一个局部功率峰值点如附图1中A点，并记录下该点的功率值P

接着设置步长大小为0.9U

在步骤五中，因为本算法利用的是各峰值点间的电压差约为0.9倍开路电压的整数倍的原理，所以本算法可搜索对比得到的最大功率对于的电压并不一定完全等于实际的最大功率处对应的电压，但由于此时搜索对比后得到的电压所对应的功率已十分接近于最大功率，所以并不会影响改变判断结果。在对比完成后再利用现有的电导增量法的技术即可进一步的优化得到实际最大功率对应的电压值，实现精确跟踪。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。