一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法

摘要

一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法，是应用于光伏阵列处于复杂光照条件下时的一种最大功率点追踪优化算法。光伏阵列采用DMPPT电路结构，并得出了光伏阵列中单个光伏电池模组的简化等效输出特性曲线，推导出了由两个光伏电池模组串联连接成的光伏阵列处于不同光强中的工作电压预估值的计算公式。本发明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&O法，实现复杂光照条件下的最大功率点追踪。

说明书

技术领域

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

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&O)，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。

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

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&O法，实现复杂光照条件下的最大功率点 追踪。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法，包括以下步骤：

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_dcmax为电路允许的最大电压值，其中 对光伏电池模组MPPT选用P&O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U1和I1；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U2和I2；记光伏电池模组最大功率点电流、电压和功率分 别为IM、UM、PM，短路电流为Isc，由于Isc≈IM由于Isc≈IM，故假设0<U<UM时， 有I为常数，取I＝IM。

有：

$\left(\begin{array}{c}0<t<t_0\Rightarrow \left(\begin{array}{c}0<U_2<U_M\\ I_2=I_M\end{array}\right)\\ t_0<t<t_1\Rightarrow \left(\begin{array}{c}{U}_M<U_2<U_{dc\max }\\ P_2=P_M\end{array}\right)\\ t>t_1\Rightarrow U_2=U_{dc\max }\end{array}\right)---\left(1\right)$

t＝t0是Boost电路的输出电压达到UM的时刻；t＝t1是Boost电路的输出电压达到Udc max的时刻；t＝t₂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U₂和I₂关系如式(2)所示：

$I_2=\left(\begin{array}{cc}{I}_M,& U_2<U_M\\ \frac{P_M}{U_2},& U_M\le U_2<U_{dcmax}\end{array}\right)---\left(2\right)$

Boost电路的输出功率P₂，可用式(3)表示：

$P_2=\left(\begin{array}{cc}{I}_M*U_M,& U_2<U_M\\ P_M,& U_M\le U_2<U_{dc\max }\end{array}\right)---\left(3\right)$

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。

步骤2：复杂光照下的MPPT，故可以假设温度不变，S不同对U_M的影响较小，对P_M的影响较大，因此可以近似认为不同S下，U_M值不变，U_M与开路电压的关系式如式(4) 所示：

U_M≈KU_oc(4)

式(4)中开路电压U_oc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0.71～0.80，由此能确定U_M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。

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R_u；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S_A和 S_B，令模组A和模组B的其它运行参数相同；

假设S_A>S_B，则有I_MPPA>I_MPPB；且由于：

$\{\begin{array}{c}{U}_{MPPA}\approx U_{MPPB}\\ P_{MPPA}=U_{MPPA}*I_{MPPA}=U_{dc\max }*I_{OA}\\ P_{MPPB}=U_{MPPB}*I_{MPPB}=U_{dc\max }*I_{OB}\end{array}---\left(5\right)$

故I_OA>I_OB，其中I_OA和I_OB分别为模组A和模组B电压取U_dcmax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：

情况1：I_MPPA>I_OA>I_MPPB>I_OB

情况2：I_MPPA>I_MPPB>I_OA>I_OB。

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：

①、0<U₂<U_M时，随电压U₂升高，对应输出功率P₂变大，此时电流I＝I_M，称该阶段为恒 流区；

②、U_M≤U₂<U_dcmax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；

③、U₂≥U_dcmax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。

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_MPPA>I_OA>I_MPPB>I_OB， 结果为：如果P_MPPA>(U_dcmax+U_M)*I_MPPB，则R_u＝[U_M,U_dcmax]；如果P_MPPA<(U_dcmax+U_M) *I_MPPB，则R_u＝(U_dcmax+U_M)；当电流关系满足情况1时，即I_MPPA>I_MPPB>I_OA>I_OB，结果 为对应最佳工作电压区间为：[P_MPPA/I_MPPB+U_M,U_dcmax+P_MPPB/I_OA]。

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：

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。

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

图1为本发明DMPPT电路组件结构图。

图2为发明光伏电池特性曲线。

图3为发明Boost电路输入/输出电压示意图。

图4为发明光伏电池模组输出等效特性曲线示意图。

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。

图6为实施例中的后级MPPT执行前的输出特性曲线图。

图7(a)为实施例中的电压预估值图。

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

为了实现上述目的，本发明算法提出具体实现步骤如下：

步骤一：分析DMPPT电路结构的光伏阵列。

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。

步骤2：光伏电池模组输出特性研究。

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％。U_dcmax为电路允许的最大电压值，其中对光伏电池模组MPPT 选用P&O法。

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，I_sc≈I_M，故假设0<U<U_M时，有I为常数，本文取I＝I_M。当对光伏电池组件实施P&O，稳定条件为：U＝U_M，I＝I_M； 且当U≥U_M时，有：P＝P_M。

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U₁和I₁，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U₂和I₂。根据Boost电路的升压特性，可知U₁和U₂示意图如图3所示。

分析图3中变量关系，有：

$\left(\begin{array}{c}0<t<t_0\Rightarrow \left(\begin{array}{c}0<U_2<U_M\\ I_2=I_M\end{array}\right)\\ t_0<t<t_1\Rightarrow \left(\begin{array}{c}{U}_M<U_2<U_{dc\max }\\ P_2=P_M\end{array}\right)\\ t>t_1\Rightarrow U_2=U_{dc\max }\end{array}\right)---\left(1\right)$

图3中，t＝t0是Boost电路的输出电压达到UM的时刻；t＝t1是Boost电路的输出电 压达到Udcmax的时刻；t＝t₂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U₂和I₂关系如式(2)所示：

$I_2=\left(\begin{array}{cc}{I}_M,& U_2<U_M\\ \frac{P_M}{U_2},& U_M\le U_2<U_{dcmax}\end{array}\right)---\left(2\right)$

Boost电路的输出功率P₂，可用式(3)表示：

$P_2=\left(\begin{array}{cc}{I}_M*U_M,& U_2<U_M\\ P_M,& U_M\le U_2<U_{dc\max }\end{array}\right)---\left(3\right)$

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特示意图 如图4所示。结合式2、式3和图4，可对光伏电池模组等效输出特性曲线作如下分析：

①、0<U₂<U_M时，随电压U₂升高，对应输出功率P₂变大，此时电流I＝I_M，称该阶段 为恒流区。

②、U_M≤U₂<U_dcmax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。

③、U₂≥U_dcmax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。

因此，单个光伏模组输出等效I-U和P-U特性曲线，具有明显的三段性，且主要 由三个参数来确定，即I_M、U_M和U_dcmax。其中U_dcmax为设计参数，一旦光伏模组中Boost 电路的电压等级被确定后，此参数便可知；I_M和U_M除决定于光伏电池的硬件设计之外， 还受外界环境的光照强度S和温度T的影响，需进行测量获取其参数大小。

本发明主要研究是复杂光照下的MPPT，故可以假设温度不变，S不同对U_M的影响较 小，对P_M(即I_M)的影响较大，因此可以近似认为不同S下，U_M值不变，参考文献中给 出U_M与开路电压的关系式如式4所示：

U_M≈KU_oc(4)

式(4)中U_oc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0.71～0.80，由此能确定U_M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，本发明选用PSIM软件的SolarModule(physicalmodel)功能进行该参数的获 取。

综上所述，本发明中光伏模组输出等效特性曲线具有三段性，且能通过I_M、U_M和 U_dcmax三个可测量参数直接得到。

步骤3：光伏阵列最佳工作电压优化预估。

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S_A和S_B，令模 组A和模组B的其它运行参数相同。

假设S_A>S_B，则有I_MPPA>I_MPPB；且由于：

$\{\begin{array}{c}{U}_{MPPA}\approx U_{MPPB}\\ P_{MPPA}=U_{MPPA}*I_{MPPA}=U_{dc\max }*I_{OA}\\ P_{MPPB}=U_{MPPB}*I_{MPPB}=U_{dc\max }*I_{OB}\end{array}---\left(5\right)$

故I_OA>I_OB。其中I_OA和I_OB分别为模组A和模组B电压取U_dcmax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：

情况1：I_MPPA>I_OA>I_MPPB>I_OB

情况2：I_MPPA>I_MPPB>I_OA>I_OB

故本发明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 用前文式(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。推算过程比较繁琐，由于文本篇幅有限，本文直接 给出最终的推算结果。当电流关系满足情况1时，即I_MPPA>I_OA>I_MPPB>I_OB，结果为：如果 P_MPPA>(U_dcmax+U_M)*I_MPPB，则R_u＝[U_M,U_dcmax]；如果P_MPPA<(U_dcmax+U_M)*I_MPPB， 则R_u＝(U_dcmax+U_M)。当电流关系满足情况1时，即I_MPPA>I_MPPB>I_OA>I_OB，结果为对应最 佳工作电压区间为[P_MPPA/I_MPPB+U_M,U_dcmax+P_MPPB/I_OA]，且结果唯一，相比情况一要简单。

步骤4：一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法流程图的设计。

本发明一种基于电压预估法的光伏发电系统MPPT算法，将其应用图1所示电路中后 级MPPT装置上，算法流程图如图5所示。图5中后级MPPT的电压参考值直接取值在 Ru(电压预估值)附近，其中U_m(电压允许误差阈值)相比特性曲线的任意两个峰值之 间的电压差值足够小。

采用MATLAB/Simulink建立了图1所示电路结构的光伏系统仿真模型。仿真时，光伏 电池组件的外部参数设置如下：温度T＝25℃；两个串联电池组件的光照强度分别为 S_A＝1000W/m²，S_B＝800W/m²。仿真模型的内部参数取值如下：I_OA＝2.02A，I_MPPB＝2.84A， P_MPPA＝60.53W，P_MPPB＝48.3W，U_dcmax＝30V，U_M＝15.96V，U_m＝-3.28V。

仿真结果如图6和图7所示，图6是采用DMPPT电路结构的光伏阵列输出特性曲线。 由图7(a)可知，R_u＝33.95V。由图7(b)可知，光伏发电系统工作时，越过了次优点，最终稳 点在最佳工作点上，输出功率保持在最大值附近。

本发明通过仿真，给定运行参数，模拟本发明一种基于电压预估法的光伏发电系统 MPPT算法的实施过程，但上述实施例不以任何形式限定本发明，本发明适用于实际应用。