光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟踪装置及其跟踪方法

摘要

本发明公开了一种光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟踪装置及其跟踪算法，方法具体为当光伏阵列未出现遮挡时，利用电导增量法迅速搜索到最大功率点；当光伏阵列出现遮挡时，该方法首先构建出负载线函数，利用负载线函数，使工作点跳出局部最优区间，然后结合电导增量法，能够迅速定位出各个局部区间的最大功率点，从而实现全局最大功率点的跟踪。本发明结构清晰、功能明确、实现方便，尤其适用于光照强度出现突变情况，提高了最大功率点跟踪效率，减少了能量损失。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟踪装置，还涉及一 种光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟踪方法，属于光伏发电系统中最大功 率点跟踪技术领域。

背景技术

在光伏发电系统中，最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking, MPPT)问题是研究者最为关注的问题之一，即保持系统工作在功率曲线的峰值 点，最大效率地将太阳能转变为电能。

光伏组件在日照强度以及工作温度恒定的情况下，其P-V特性曲线存在唯一 的最大功率点，然而在局部阴影条件下，失配的电池不但对组件输出没有贡献， 而且会消耗其余电池产生的能量，导致局部过热，产生热斑效应。当若干个光 伏组件串联成光伏阵列时，为了避免产生“热斑”，需要在光伏组件两端并联旁 路二极管，当某组件被遮挡时，该旁路二极管导通，使组件的输出特性发生较 大变化，显示出多峰值特性。局部阴影下P-V曲线的多峰值特性使系统对最大功 率点的跟踪造成了一定的干扰，常规的MPPT算法会使系统陷于局部峰值而无法 跟踪到真正的最大功率点，降低了光伏组件对光能的利用率，导致系统的输出 功率大幅度降低，造成资源浪费。

本发明提出了一种光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟踪装置及其跟踪 方法，根据所设计的装置和方法，可解决传统跟踪方法容易存在振荡和陷入局 部最优的问题，使系统能够准确地跟踪到全局最大功率点，提高最大功率点跟 踪效率，降低能量损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种光伏发电系统局部 阴影下最大功率点跟踪装置及其跟踪方法，解决了现有技术中传统最大功率点 追踪易陷入局部最优的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏发电系统局部阴影下最大功 率点跟踪装置，其特征是，包括多个光伏单元串联组成的光伏阵列、用于检测 光伏阵列输出电压电流值的电压电流检测电路、用于调节光伏阵列输出电压的 Boost变换电路、用于检测光伏阵列输出的光照强度值的光照强度检测电路、用 于统计被遮挡光伏单元个数的统计遮挡数目电路、DSP单片机和上位机；

光伏阵列的输出端连接电压电流检测电路的相应输入端，电压电流检测电 路的输出端连接DSP单片机的相应模拟量输入端；

DSP单片机的PWM信号输出端通过PWM驱动电路连接Boost变换电路的 输入端，Boost变换电路的输出端连接光伏阵列；

光伏阵列的输出端还连接光照强度检测电路的相应输入端，光照强度检测 电路的输出端连接统计遮挡数目电路的输入端，统计遮挡数目电路的输出端连 接DSP单片机的相应输入端；

DSP单片机通过通讯接口与上位机实现双向通讯；

DSP单片机根据接收到的被遮挡光伏单元个数及电压电流值控制输出的 PWM信号的占空比，通过Boost变换电路调节光伏阵列的输出电压，实现光伏 阵列的最大功率点跟踪控制，同时将电压电流值上传至上位机。

进一步的，DSP单片机与上位机通讯的接口为RS232串行通讯接口。

进一步的，还包括信号处理电路，电压电流检测电路的输出端通过信号处 理电路连接DSP单片机的模拟输入端，信号处理电路对电压电流模拟信号进行 滤波处理和电平转换。信号处理电路采用低功耗四个运算放大器LM324AN进 行比例变换，四个运算放大器依次串联后连接稳压二极管，进而将采集的模拟 信号稳压到0-3.3V内。

进一步的，光照强度检测电路采用光照强度传感器，统计遮挡数目电路包 括依次串联的比较器单元、编码器单元和电平转换单元。

进一步的，DSP单片机采用TMS320F28335。

本发明还提供了一种光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟踪方法，其特 征是，包括以下步骤：

步骤一，根据采集的被遮挡光伏单元个数判断光伏阵列是否出现部分遮挡， 若个数为0表明没有被遮挡，则采用电导增量法进行最大功率点跟踪，获得最 大功率点对应的电压值为U，功率值为P；否则，进入步骤二；

步骤二，根据采集的被遮挡光伏单元数目构建负载线函数，追踪最大功率 点；具体过程为：

S201)调节光伏阵列使输出电压保持电压值U，稳定后得到此时相应的电 流值I；

S202)获取被遮挡光伏单元数目N₁，N₁为正整数；

S203)根据光伏阵列输出的波峰数目与被遮挡光伏单元数目之间关系： N₂＝N₁+1，获取波峰数目N₂；

S204)根据负载线函数个数与波峰数目之间关系：N₃＝N₂-1，获取负载线 函数个数N₃；

S205)构建负载线函数：V_N＝I×V_OC×N/I_SC，其中：I为步骤S201中所计算 得到的值，表示遮挡前最大功率点处的电压值对应的遮挡之后的电流值，V_oc为 光伏阵列的开路电压，I_sc为光伏阵列的短路电流，N表示跳跃次数，且 N＝1,2......N₃；

S206)从N＝1开始循环直至N＝N₃，在电压值V_N范围内采用电导增量法进 行最大功率点跟踪，获得最大功率点对应的功率值P_N；

S207)调节光伏阵列使输出电压保持电压值在电压值范围内 采用电导增量法进行最大功率点跟踪，获得最大功率点对应的功率值

S208)选取中最大值作为最大功率点。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)本发明的局部阴影下最大功率点跟踪算法，当光伏阵列未出现遮挡时， 利用电导增量法迅速搜索到最大功率点；当光伏阵列出现遮挡时，该方法首先 构建出负载线函数，利用负载线函数，使工作点跳出局部最优区间，然后结合 电导增量法，能够迅速定位出各个局部区间的最大功率点，从而实现全局最大 功率点的跟踪。本发明结构清晰、功能明确、实现方便，尤其适用于光照强度 出现突变情况，提高了最大功率点跟踪效率，减少了能量损失。

2)本发明的局部阴影下最大功率点跟踪装置，DSP单片机根据接收到的被 遮挡光伏单元个数及电压电流值控制输出的PWM信号的占空比，通过Boost 变换电路调节光伏阵列的输出电压，实现光伏阵列的最大功率点跟踪控制，同 时将电压电流值上传至上位机，便于用户观察光伏阵列输出的电压、电流及功 率变化，实时监控MPPT(最大功率点)追踪过程。

附图说明

图1是本发明装置的原理结构图；

图2是本发明装置中信号处理电路的原理图；

图3是本发明装置中统计遮挡数目电路的原理图；

图4是本发明方法的流程图；

图5(a)、(b)是本发明方法实施例一的最大功率点追踪过程中光伏阵列输 出的I-V、P-V特性曲线；

图6(a)、(b)是本发明方法实施例二中光伏阵列输出的I-V、P-V特性曲 线；

图7是本发明实施例二中上位机中显示的电压曲线图；

图8是本发明实施例二中上位机中显示的电流曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本发明的一种光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟 踪装置，其特征是，包括多个光伏单元串联组成的光伏阵列、用于检测光伏阵 列输出电压电流值的电压电流检测电路、用于调节光伏阵列输出电压的Boost 变换电路、用于检测光伏阵列输出的光照强度值的光照强度检测电路、用于统 计被遮挡光伏单元个数的统计遮挡数目电路、DSP单片机和上位机；

光伏阵列的输出端连接电压电流检测电路的相应输入端，电压电流检测电 路的输出端连接DSP单片机的相应模拟量输入端；

DSP单片机的PWM信号输出端通过PWM驱动电路连接Boost变换电路的 输入端，Boost变换电路的输出端连接光伏阵列；

光伏阵列的输出端还连接光照强度检测电路的相应输入端，光照强度检测 电路的输出端连接统计遮挡数目电路的输入端，统计遮挡数目电路的输出端连 接DSP单片机的相应输入端；

DSP单片机通过通讯接口与上位机实现双向通讯；

DSP单片机根据接收到的被遮挡光伏单元个数及电压电流值控制输出的 PWM信号的占空比，通过Boost变换电路调节光伏阵列的输出电压，实现光伏 阵列的最大功率点跟踪控制，同时将电压电流值上传至上位机。

进一步的，DSP单片机与上位机通讯的接口为RS232串行通讯接口。上位 机通过RS232接口与DSP主控芯片双向连接，待上位机中的串口号与波特率均 设置正确后，可将DSP采集到的电压、电流值在上位机中以波形和实时值的形 式显示，实时监控MPPT(最大功率点)追踪过程。

进一步的，还包括信号处理电路，电压电流检测电路的输出端通过信号处 理电路连接DSP单片机的模拟输入端，信号处理电路对电压电流模拟信号进行 滤波处理和电平转换。信号处理电路对电压电流模拟信号进行滤波处理和调整 数值范围。此处信号处理电路的作用不仅仅是滤波，主要是DSP单片机的I/O 输入信号范围是0-3.3V，而电压电流检测电路测得值的大小通常不满足信号范 围，故需要信号处理电路将电压电流转到0-3.3V后，DSP的I/O才能接受。如 图2所示，信号处理电路采用低功耗四个运算放大器LM324AN进行比例变换， 四个运算放大器依次串联后连接稳压二极管，将采集的模拟信号稳压到0-3.3V 内。

进一步的，如图3所示，光照强度检测电路采用光照强度传感器，统计遮 挡数目电路包括依次串联的比较器单元、编码器单元和电平转换单元；比较器 单元采用比较器，具体电路参考现有技术，编码器单元采用74LS148芯片，电 平转换单元将编码器单元输出的电压转换为DSP的I/O口的0-3.3V电压范围， 具体电路参考现有技术。小型光伏阵列处理时，可将编码器信号经过电平转换 后的信号直接连接到DSP单片机I/O引脚，大型阵列则考虑先级联后再连接至 DSP的I/O引脚。首先光照强度传感器采集实时光照强度值，并将数值传送给比 较器单元；比较器单元将当前光照值与上一采样时刻进行比较，如果大小在误 差容限内，则认为光照相同，比较器单元输出低电平0；若光照大小不相同，则 比较器单元输出高电平1；进一步将比较结果送至编码器单元(例如74LS148) 进行编码；将编码器结果经过电平转换电路处理后送至DSP引脚处，DSP获 得被遮挡光伏单元个数，例如3个引脚连接，若为101，即被遮挡光伏单元数目 为5，若为000，即被遮挡光伏单元个数为0。

进一步的，DSP单片机采用TMS320F28335。TMS320F28335具有150MHz 的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC，有多达 18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)， 12位16通道ADC。具有成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及 程序存储量大，A/D转换更精确快速优点。

本发明还提供了一种光伏发电系统局部阴影下最大功率点跟踪方法，如图4 所示，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，根据采集的被遮挡光伏单元个数判断光伏阵列是否出现部分遮挡， 若个数为0表明没有被遮挡，则采用电导增量法进行最大功率点跟踪，获得最 大功率点对应的电压值为U，功率值为P；否则，进入步骤二；

步骤二，根据采集的被遮挡光伏单元数目构建负载线函数，追踪最大功率 点；具体过程为：

S201)调节光伏阵列使输出电压保持电压值U，得到此时相应的电流值I；

S202)获取被遮挡光伏单元数目N₁，N₁取正整数；

S203)根据光伏阵列输出的波峰数目与被遮挡光伏单元数目之间关系： N₂＝N₁+1，获取波峰数目N₂；

S204)根据负载线函数个数与波峰数目之间关系：N₃＝N₂-1，获取负载线 函数个数N₃；

S205)构建负载线函数：V_N＝I×V_OC×N/I_SC，其中：I为步骤S201中所计算 得到的值，表示遮挡前最大功率点处的电压值对应的遮挡之后的电流值，V_oc为 光伏阵列的开路电压，I_sc为光伏阵列的短路电流，N表示跳跃次数，且 N＝1,2......N₃；得到的V_N接近区域的极值点，缩短了整个最大功率点跟踪时间， 提高了效率；尤其是当遮挡数目较小时，对比专利CN201510867811中的负载线 函数公式，由于跌落后的电流值相对较大，此时得到的V_N更接近区域的极值点；

S206)从N＝1开始循环直至N＝N₃，在电压值V_N范围内采用电导增量法进 行最大功率点跟踪，获得最大功率点对应的功率值P_N；在之前存储的电压值V_N区域内进行搜索，存储的电压值为跳跃至的电压区间，不一定为所在区间的最 大功率点，需要进行搜索；

S207)调节光伏阵列使输出电压保持电压值在电压值范围内 采用电导增量法进行最大功率点跟踪，获得最大功率点对应的功率值

S208)选取中最大值作为最大功率点。根据获得的最大功率 点，将调节光伏阵列使输出电压保持最大功率点对应的电压值，即可使光伏阵 列工作在最大功率点，提高光伏阵列的能量转换效率。

本发明结构清晰、功能明确、实现方便，尤其适用于光照强度出现突变情 况，提高了最大功率点跟踪效率，减少了能量损失。

实施例一

下面以具体实施例说明本发明的具体工作过程，初始时刻，光照强度均匀， 统计遮挡数目电路未检测到光伏阵列出现遮挡，电压、电路检测电路采集光伏 阵列的电压电流值，经过装置中的信号调理电路处理后，传送到DSP的ADC 模块，此时DSP单片机一方面通过电导增量法输出相应占空比的PWM波，驱 动boost变换电路，另一方面通过RS232接口将电压、电流值传送到上位机；最 终追踪到光伏阵列的最大功率点位于点A，对应的电压值为V_A，功率值为P_A。 一段时间以后，当统计遮挡数目电路检测到光伏阵列出现遮挡时，统计到共有 两块光伏电池出现不同程度的遮挡，此时的光伏阵列I-V、P-V输出特性曲线如 图5(a)、(b)所示。此时DSP单片机根据局部遮挡时输出特性的波峰数目与串联 电池单元受遮挡的数目关系，以及负载线函数个数与波峰数目的关系式，得到 此时N₃＝2，DSP单片机首先保持最大功率点A处的电压值V_A不变，待输出特性 稳定以后，此时电流到达B点处，大小值为I_B；首先建立负载线函数1： V_C＝I_B×V_OC/I_SC，将I_B代入函数1中可得C点处的电压值V_C；DSP单片机对该点 区域进行电导增量法追踪，最终可得到最大功率点E，其输出的电流值为I_E，功 率值为P_E；然后同理建立负载线函数2:V_D＝2×I_B×V_OC/I_SC，将I_B代入函数2中 可得处理后D点处的电压值V_D，控制电路对该点区域进行最大功率点跟踪，最 终可得到最大功率点F，其输出的电流值为I_F，功率值为P_F；最后控制电路对B 点区域进行最大功率跟踪，可以搜索到该区域对应的最大功率点为G点，其输 出的电流值为I_G，功率值为P_G。搜索完成以后，DSP单片机会比较P_E、P_F和P_G 三者的大小，取其中最大的G点的值，作为全局最大功率点输出，从而完成GMPP 的追踪。

实施例二

为验证本发明方法实际的有效性，本发明实际模拟了两个光伏单元串联时 出现光照遮挡情况。图6(a)、(b)是光照强度为1/1(kW/m²)与1/0.8(kW/m²)时的I-V、 P-V输出特性曲线。基于上述实验平台，t＝80s时，在光伏阵列I-V模拟器中设 置光照强度由1/1(kW/m²)变为1/0.8(kW/m²)；t<80s时，按照本发明控制算法处理 后，经过电流电压检测电路以及信号处理电路后，此时追踪到最大功率点处电 压、电流值大约为76.50V，4.45A；当t≥80s时，搜索得到最大功率点的电压电 流值大约为80.80V，3.70A。整个搜索过程的电压、电流在上位机示波器中的波 形如图7和图8所示，将本发明在出现遮挡前后搜索到的最大功率点与图6(a)、 (b)中实际全局最大功率点处的电压、电流值进行对比，结果表明在合理的误差 范围内两者大小相等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。