一种局部阴影遮挡下提高光伏优化器调整速度和准确度的前馈MPPT控制方法

摘要

本发明公开了一种局部阴影遮挡下提高光伏优化器调整速度和准确度的前馈MPPT控制方法，当光伏阵列中有组件受到阴影遮挡，该组件所连接的优化器进行MPPT调整后，将调整的过程参数和结果参数传输给其余暂未受到遮挡的光伏优化器，作为前馈信号，供其在受到遮挡时加入调整环节，从而快速、准确地调整到最大功率输出点。本发明提高了光伏发电系统在复杂光照条件下的发电效率，操作简单，在已实现优化器通信的系统中不需要额外布线和硬件升级，仅需对软件升级，使用和后期维护便捷。

说明书

技术领域

本发明属于光伏发电及物联网通信技术领域，具体涉及一种局部阴影遮挡下提高光伏优化器调整速度和准确度的前馈MPPT控制方法。

背景技术

为解决光伏发电系统中的一个或多个光伏组件存在局部阴影遮挡时，各个光伏组件之间的特性失配将导致系统输出功率显著下降的问题，目前较为成熟的方法是将每个光伏组件的输出经功率优化器(Power Optimizer)或称模块集成变换器(Module Integrated Converter，MIC)进行分布式最大功率点跟踪(DMPPT)后，再串联输出。光伏优化器是一种DC/DC设备，其内部执行最大功率点跟踪(MPPT)算法，可以在一串光伏组件中的一个或多个组件在光照不均或组件老化导致的特性曲线失配情况下，使其对应的光伏组件保持最大功率输出。将光伏组件及其相连的光伏优化器视为一个光伏单元，从图1可以看出，相比独立的光伏组件，光伏单元可以在很宽的电压输出范围内均工作于最大功率点。

以BUCK型光伏优化器为例，电路拓扑和控制环节如图2所示，光伏优化器的控制由电压控制环和MPPT控制环共同构成。为了使光伏组件有更大的功率传输，光伏优化器必须实时检测组件的输出功率，以及时调整光伏组件的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，即进行最大功率点跟踪MPPT。优化器常用的MPPT控制技术有：恒电压控制、扰动观察法、电导增量法和双模式MPPT控制技术。

MPPT控制技术中最常用的为扰动观察法，其控制过程为：先初设一个光伏组件工作电压，然后通过调节功率开关管的占空比给光伏阵列输出电压周期性的扰动，例如使其增加，然后比较扰动前后光伏的输出功率，如果输出功率因此增加，说明光伏工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰动周期继续保持当 前的扰动方向，增大光伏组件的输出电压；反之若输出功率减小，则说明光伏工作于最大功率点的右侧，当前扰动方向使工作点远离最大功率点，所以应改变扰动方向，使光伏组件输出电压减小。经过反复的调整，最后使光伏组件的工作点逼近最大功率点。

使用扰动观察法需要反复地增大或减小输出电压使组件的工作点逼近最大功率点，需要进行多次的功率计算比较，运算量大，运算时间长，因此光伏优化器对光伏组件进行MPPT调整时存在速度较慢、不够精确的缺点。实验发现，当光伏组件受阴影遮挡时，光伏组件的输出电压和输出功率会急剧下降；但几乎同时，由于电压环的调整，优化器输出电压会迅速提升至之前电压；在MPPT环的调整下，电压再次缓慢下降直至到当前光照条件下最大功率输出电压；当光照恢复时，过程与之类同，如图3所示。因此可看到在动态条件下，MPPT过程会影响到MPPT平均效率，调整速度越慢，平均MPPT效率越低。

发明内容

基于上述，本发明提供了一种局部阴影遮挡下提高光伏优化器调整速度和准确度的前馈MPPT控制方法，在光伏优化器之间实现互相通信的条件下，最先受到阴影遮挡的优化器可以将MPPT调整参数作为前馈信号传输给即将接受到同样阴影遮挡的优化器，通过前馈MPPT调整，其它优化器的MPPT调整将更为精确、迅速。

一种局部阴影遮挡下提高光伏优化器调整速度和准确度的前馈MPPT控制方法，如下：

当阴影遮挡开始影响光伏阵列时，使光伏阵列中首个受遮挡影响的光伏组件通过其所连的光伏优化器进行MPPT调节控制，从而在遮挡条件下将输出电压稳定在最大功率点上；

进而该光伏优化器将相应的调整信息发送给光伏阵列中其余光伏优化器，并作为这些光伏优化器的前馈信号；

当接下来光伏阵列中其他光伏组件陆续受遮挡影响时，这些光伏组件通过各自所连的光伏优化器根据所述的前馈信号进行MPPT调节控制，快速将输出电压稳定在最大功率点上。

所述的调整信息包括：受遮挡影响瞬间下降后的输出电压值、经MPPT调节控制后稳定在遮挡条件下最大功率点上的输出电压值、受遮挡消失瞬间上升后的输出电压值、光伏优化器的输入/输出电压比值以及MPPT调节控制过程中关于PID(比例-积分-微分)以及MPPT的参数值。

对于接下来光伏阵列中陆续受遮挡影响的任一光伏组件，其首先通过所连的光伏优化器根据输入电压V_pv和输入电流I_pv进行MPPT调节，从而计算出在遮挡条件下对应最大功率点上的输出电压值V_ref；然后根据所述的前馈信号将首个受遮挡影响的光伏组件经光伏优化器MPPT调节控制后稳定在遮挡条件下最大功率点上的输出电压值V₁减去输出电压值V_ref得到电压误差ΔV；最后将V_ref+ΔV-V_pv的结果经PID调节得到占空比d，进而通过PWM(脉冲宽度调制)技术生成控制信号以对光伏优化器中的开关管进行开关控制。

所述的光伏阵列由多组光伏队列并联组成，每组光伏队列由多个光伏单元串联组成，每个光伏单元由一光伏组件和一光伏优化器连接组成。

所述光伏阵列中的光伏优化器具有相互通信的功能，所述通信的实现方式包括独立布线通信、电力线载波通信和无线通信。

所述的光伏优化器包括输入电容C_pv、开关管S、二极管D、电感L、输出电容C_o以及控制器；其中，输入电容C_pv的正极与开关管S的一端以及光伏组件的正极相连，开关管S的另一端与二极管D的阴极以及电感L的一端相连，电感L的另一端与输出电容C_o的正极相连，输入电容C_pv的负极与二极管D的阳极、输出电容C_o的负极以及光伏组件的负极共连，开关管S的控制极接控制器提供的控制信号，输出电容C_o两端电压即为所述的输出电压。

所述的控制器集成有MPPT模块、PID模块以及PWM模块。

相比现有技术，本发明采用前馈MPPT控制方法，简化了扰动观察法进行MPPT调节的过程，省去了输出电压逐渐逼近最大功率点电压的过程，缩短了调整时间，提高了调整精度，可以有效地改善光伏组件在动态遮挡条件下优化器MPPT调节的速度和准确度，提高光伏发电效率。此外，本发明操作简单，在已实现通信的系统中不需要额外布线和硬件升级，仅需对软件升级，使用和后期维护便捷。

附图说明

图1(a)为光伏组件的输出功率与电压曲线图。

图1(b)为光伏单元的输出功率与电压曲线图。

图2为BUCK型光伏优化器的电路拓扑及控制策略示意图。

图3为光伏组件受到阴影遮挡和阴影消失过程中优化器的电压调节和功率调节过程图。

图4为阴影遮挡过程光伏阵列的简化模型示意图。

图5为光伏组件受到阴影遮挡和阴影消失过程中光伏组件PV₁₂和PV₁₄的电压及功率调节过程示意图。

图6为加入前馈MPPT调节的光伏优化器控制策略示意图。

图7为动态阴影遮挡条件下有前馈MPPT调整和无前馈调整的光伏优化器平均效率对比示意图。

图8为动态阴影遮挡条件下有前馈MPPT调整和无前馈调整的光伏优化器调节时长对比示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

光伏优化器的控制由电压环调整和MPPT环调整共同构成。当光伏组件受阴影遮挡时，首先光伏组件的输出电压和输出功率会急剧下降。但几乎同时，由于电压环的调整，光伏优化器输出电压会迅速提升至之前电压。接着在MPPT环的调整下，电压再次缓慢下降直至到当前光照条件下最大功率输出电压。当光照恢复时，过程与之类同。

本发明中光伏优化器通过一定的通信方式，将其调节的过程参数和调节结果参数传输给其余暂时未受阴影影响的光伏优化器，作为其余光伏优化器的前馈调整参数。在接下来的时间里，当其余光伏优化器受到阴影遮挡时，如判断影响的阴影与前述光伏优化器遇到的阴影相同或相似，则会利用前馈调整参数，快速准确地调整到最大功率输出的位置。

本发明应用于光伏优化器的前馈MPPT控制方法，具体过程如下：

(1)当阴影开始影响光伏阵列中的首个组件时，该组件所连光伏优化器进行MPPT调节，最终稳定在该遮挡条件下的最大功率输出点(MPP)。

(2)该光伏优化器通过一定的通信方式将受影响条件下的调整参数传递给其余暂时未受遮挡的光伏优化器，作为其余光伏优化器的前馈信号。

调整参数包括：受到该阴影遮挡瞬间电压下降的值，遮挡消失瞬间电压上升值，MPPT调节后最终稳定的电压值，光伏优化器输入输出电压比值，遮挡时间和遮挡过程中所进行PID调节和MPPT调节的参数值。

(3)当未受阴影影响的光伏组件开始受到影响时，其所连光伏优化器判断遮挡条件后在MPPT调整过程中使用前馈信号进行MPPT调节，快速稳定在最大功率输出点。

简化阴影遮挡模型，令PV_MN代表光伏阵列第M行N列的组件，PO_MN代表第M行N列的光伏优化器。为简化动态阴影遮挡条件，将云层遮挡光伏阵列的过程分成若干个时间段。如图4和图5所示，PV₁₂是最先被移动云层影响的组件，受到遮挡后电压快速下降至V₁，在电压环的调整下，电压又回复到V₀，接着进行MPPT调整，最终在V₂电压下实现最大功率输出。此时，PV₁₂通过PSDM控制策略，将电压下降点V₁和MPP最终电压V₂传输给其余可能接收到同样阴影的光伏优化器。当PV₁₄遇到阴影电压下降时，会判断下降瞬间的电压是否为V₁。如果是V₁，则说明PV₁₄接收到了与PV₁₂相同的阴影遮挡，则可直接将电压参考设为V₂。依此方法，PV₁₄将会快速而精确地工作于最大功率点。PV₁₄使用前馈MPPT调整的控制环节如图6所示。

本实施方式所用的光伏优化器包括DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路，DC-DC变换器用于对光伏组件的输出电压进行变换，以达到最大功率输出。理想的光伏优化器仅在局部阴影条件下才开始工作，通过电压调整和MPPT调整使每个光伏组件均能工作在最大功率点；而当光照均匀以及光伏特性一致时，光伏优化器则停止工作，避免影响光伏发电效率。

实例验证：假设在阴影遮挡下，功率损失为50％。将光伏优化器使用前馈MPPT控制方法和不使用时的平均MPPT效率做对比，如图7所示。同时对光 伏组件进行遮挡和取消遮挡，观察到使用了前馈MPPT控制方法的光伏优化器的调节时间很短，而没有使用前馈MPPT控制方法的光伏优化器调节时间很长，实验波形如图8所示。由此可见，采用本发明前馈MPPT控制方法，使得光伏优化器对最大功率点跟踪的速度和准确度都得到了一定提升。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。