光伏发电实物参考控制法

摘要

本发明涉及一种光伏发电实物参考控制法，特别是采用了实物参考的控制法，属于光伏发电或最优控制方法领域。光伏发电实物参考控制法实现光伏电池的输出最大功率。方法一，测量参考光伏电池的开路电压和短路电流，计算最优参考电阻，控制工作光伏电池达到最大输出功率。方法二，测量参考光伏电池的开路电压和短路电流，测量80％开路电压时电流和80％短路电流时电压，计算最优参考电阻，控制工作光伏电池达到最大输出功率。方法三，测量参考光伏电池的开路电压或短路电流，在50％至100％开路电压或短路电流范围内扫描，同时测量电流或电压，计算记录最大输出功率时的电压电流或最优参考电阻，控制工作光伏电池达到最大输出功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏发电实物参考控制法，特别是采用了实物参考而非模型参考的控制方法，属于光伏发电或最优控制方法领域。

背景技术

绿色环保的光伏发电是清洁能源重要的发展方向之一。

光伏发电将太阳能转化为电能，一项重要的技术是在同样的光照条件下发出尽可能多的电能，光伏电池的简单电路模型和普通电路模型如图1a、1b所示。

光伏电池的简约电路模型如图2所示，对应的数学模型为

目前采用对光伏电池工作状态的监控和控制器预置的算法调整负载率实现光伏发电最大功率输出，电路示意图如图3所示，这种方法电路结构虽然较简单，但控制算法更为复杂，寻优速度较慢，在天气变化较快时效果较差，甚至有时会出现稳定性问题。

探索一种实现简单稳定且寻优速度快的光伏发电最大功率输出控制法是非常有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1、构造一种简单高速的光伏发电最大功率输出控制方法；

2、构造一种快速高精度的光伏发电最大功率输出控制方法；

3、构造一种简单高精度的光伏发电最大功率输出控制方法。

本发明提供了一种光伏发电实物参考控制法。

本发明所要解决的技术问题是通过下述技术方案实现的。

一种简约型光伏发电实物参考控制法，用于控制光伏电池输出最大功率；

光伏发电系统主要由工作光伏电池、参考光伏电池、控制器与负载构成，工作光伏电池连接控制器的能量输入端口，控制器的能量输出端口连接负载；

参考光伏电池采用与工作光伏电池同质的单片实物，参考光伏电池放置在工作光伏电池的近旁，参考光伏电池与控制器的信号输入端口连接；

控制器直接测量或通过传感器测量参考光伏电池的开路电压和短路电流，并计算参考光伏电池的开路电压与短路电流之比得到最优参考电阻；

控制器控制其能量输入端口的电压与电流之比等于最优参考电阻的串并系数倍，由此控制工作光伏电池达到最大输出功率。

参考光伏电池为一块电池，开路电压与短路电流分时测量。

参考光伏电池为两块电池，一块电池用于测量开路电压，另一块电池用于测量短路电流。

一种均值型光伏发电实物参考控制法，用于控制光伏电池输出最大功率；

光伏发电系统主要由工作光伏电池、参考光伏电池、控制器与负载构成，工作光伏电池连接控制器的能量输入端口，控制器的能量输出端口连接负载；

参考光伏电池采用与工作光伏电池同质的单片实物，参考光伏电池放置在工作光伏电池的近旁；

离线测量参考光伏电池在各种情况下最大输出功率时电压与开路电压之比的平均值即最优电压比值、最大输出功率时电流与短路电流之比的平均值即最优电流比值；

控制器直接测量或通过传感器测量参考光伏电池的开路电压，并根据最优电压比值计算最优电压值；控制器直接测量或通过传感器测量参考光伏电池的短路电流，并根据最优电流比值计算最优电流值；

控制器测量参考光伏电池在最优电压值时电流值并求得与最优电流值的最优电流平均值、在最优电流值时电压值并求得与最优电压值的最优电压平均值，并计算参考光伏电池的最优电压平均值与最优电流平均值之比得到最优参考电阻；

控制器控制其能量输入端口的电压与电流之比等于最优参考电阻的串并系数倍，由此控制工作光伏电池达到最大输出功率。

参考光伏电池为一块电池，开路电压与短路电流、最优电压值时电流值与最优电流值时电压值分时测量。

参考光伏电池为两块电池，一块电池用于分时测量开路电压和最优电流值时电压值，另一块电池用于分时测量短路电流和最优电压值时电流值；或者一块电池用于分时测量开路电压和最优电压值时电流值，另一块电池用于分时测量短路电流和最优电流值时电压值。

参考光伏电池为四块电池，一块电池用于测量开路电压、一块电池用于测量最优电流值时电压值，一块电池用于测量短路电流、一块电池用于测量最优电压值时电流值。

一种扫描型光伏发电实物参考控制法，用于控制光伏电池输出最大功率；

光伏发电系统主要由工作光伏电池、参考光伏电池、控制器与负载构成，工作光伏电池连接控制器的能量输入端口，控制器的能量输出端口连接负载；

参考光伏电池采用与工作光伏电池同质的单片实物，参考光伏电池放置在工作光伏电池的近旁，参考光伏电池与控制器的信号输入端口连接；

控制器直接测量或通过传感器测量参考光伏电池的开路电压和短路电流；

控制器根据开路电压，采用电压扫描的方法从开路电压50％到开路电压100％的范围内或在离线实测最大功率确定的电压范围内测量电流并计算功率，记录最大输出功率时的电压值与电流值；或者控制器根据短路电流，采用电流扫描的方法从短路电流50％到短路电流100％的范围内或在离线实测最大功率确定的电流范围内测量电压并计算功率，记录最大输出功率时的电压值与电流值；

计算最大功率时的电压和电流的比值得到最优参考电阻，控制其能量输入端口的电压与电流之比等于最优参考电阻的串并系数倍；或者控制器直接控制其能量输入端口的电压为参考光伏电池最大输出功率时电压的串联系数倍，或控制器直接控制其能量输入端口的电流为参考光伏电池最大输出功率时电流的并联系数倍，由此控制工作光伏电池达到最大输出功率。

所述的参考光伏电池为一块电池，开路电压或短路电流与最大输出功率的扫描分时测量；或者参考光伏电池可以为两块电池，一块电池用于开路电压或短路电流的测量，另一块电池用于最大输出功率的扫描。

参考光伏电池采用与工作光伏电池同质的光伏电池，在与工作光伏电池相同的工作环境下，与工作光伏电池有着相同的特性，由此可以通过计算或测量得到最佳负载率。

参考光伏电池采用单片光伏电池，而工作光伏电池通常采用多块光伏电池的串并联。若工作光伏电池串联数为n、并联数为m，则串并系数为n/m。

由于采用了实物参考的方法测量光伏电池的工作状态，不会对工作光伏电池的正常运行产生干扰，控制系统的稳定性极好。

由于简约型光伏发电实物参考控制法通过测量参考光伏电池的开路电压和短路电流计算最优参考电阻，估算最大输出功率工作点，系统结构简单，测算速度极快，在天气光照快速变化时也能实现光伏电池最大输出功率的快速跟踪。

由于均值型光伏发电实物参考控制法通过测量参考光伏电池的开路电压和短路电流后通过再次测量最优电压值时电流值和最优电流值时电压值，计算最优参考电阻，测算速度快、精度高，在天气光照快速变化时也能实现光伏电池最大输出功率的快速高精度跟踪。

由于扫描型光伏发电实物参考控制法通过测量参考光伏电池的开路电压或短路电流并通过扫描的方式在一定范围内扫描得到最大输出功率工作点，系统结构简单，测算精度极高，在天气光照快速变化时也能实现光伏电池最大输出功率的高精度跟踪。

另外，参考光伏电池采用单片光伏电池，成本低廉，实现非常容易。

本发明光伏发电实物参考控制法，由参考光伏电池等构成，结构简单、系统稳定性好、响应速度快、跟踪精度高、实施方便、效果显著。

附图说明

图1a、1b简单光伏电池电路模型和普通光伏电池电路模型；

图2简约光伏电池电路模型；

图3常规光伏发电系统结构示意图；

图4简单实物参考控制的光伏发电系统结构示意图；

图5a、5b开路电压短路电流比值控制的伏安特性曲线及工作点；

图6实物参考固定平均测算法的光伏发电系统结构示意图；

图7a、7b固定比例开路电压短路电流比值控制的伏安特性曲线及工作点；

图8a、8b根据离线测算比例两点均值控制的伏安特性曲线及工作点；

图9a、9b实物参考最大输出功率电压扫描法和电流扫描法的光伏发电系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

简约型实物参考控制的光伏发电系统

简约型实物参考控制的光伏发电系统主要由工作光伏电池、两块参考光伏电池、控制器与负载构成，如图4所示，工作光伏电池连接控制器的能量输入端口，控制器的能量输出端口连接负载。

参考光伏电池采用A、B两块与工作光伏电池同质的单片实物，A块用于测量开路电压、B块用于测量短路电流，参考光伏电池放置在工作光伏电池的近旁，参考光伏电池通过受控源与控制器的信号输入端口连接。

参考光伏电池A开路电压的测量：控制器通过一个电压控制电压源VCVS测量参考光伏电池输出开路电压。

参考光伏电池B短路电流的测量：控制器通过一个电流控制电压源CCVS测量参考光伏电池输出短路电流。

控制器计算参考光伏电池开路电压与参考光伏电池短路电流的比值即为最优参考电阻，再乘以串并系数得到视在最优电阻。控制器控制其能量输入端口的电压与电流之比等于视在最优电阻，由此可控制工作光伏电池达到最大输出功率。

工作光伏电池的伏安特性如图5a所示，当环境条件发生变化时工作光伏电池的伏安特性如图5b所示，工作光伏电池的工作点一直固定在工作光伏电池伏安特性曲线与视在最优电阻伏安特性曲线的交点上。

实施例2

均值型实物参考控制的光伏发电系统

实物参考固定平均测算法的光伏发电系统主要由工作光伏电池、参考光伏电池、控制器与负载构成，如图6所示，工作光伏电池连接控制器的能量输入端口，控制器的能量输出端口连接负载。

参考光伏电池采用A、B、C、D四块与工作光伏电池同质的单片实物，A块用于测量开路电压、B块用于测量短路电流，C块用于测量α＝80％开路电压时电流、D块用于测量β＝80％短路电流时的电压，参考光伏电池放置在工作光伏电池的近旁，参考光伏电池通过受控源与控制器的信号输入端口连接。

参考光伏电池80％开路电压时的电压和电流测量：参考光伏电池A通过α＝80％的电压控制电压源VCVS强制参考光伏电池C的电压，控制器通过一个电压控制电压源VCVS测量参考光伏电池C的电压，通过一个电流控制电压源CCVS测量参考光伏电池C在80％开路电压时输出电流。

参考光伏电池80％短路电流时的电流和电压测量：参考光伏电池B通过β＝80％的电流控制电流源CCCS强制参考光伏电池D的电流，控制器通过一个电流控制电压源CCVS测量参考光伏电池D的电流，通过一个电压控制电压源VCVS测量参考光伏电池D在80％短路电流时输出电压。

控制器计算参考光伏电池C和D的电压平均值和电流平均值，并计算电压平均值与电流平均值的比值得到最优参考电阻，再乘以串并系数得到视在最优电阻。控制器控制其能量输入端口的电压与电流之比等于视在最优电阻，由此控制工作光伏电池达到最大输出功率。

工作光伏电池取90％开路电压与90％短路电流时的电压电流平均值计算视在最优电阻，伏安特性及工作点如图7a所示，当环境条件发生变化时伏安特性及工作点如图7b所示。

工作光伏电池取80％开路电压与80％短路电流时的电压电流平均值计算视在最优电阻，伏安特性及工作点如图8a所示，当环境条件发生变化时伏安特性及工作点如图8b所示，工作光伏电池的工作点一直固定在工作光伏电池伏安特性曲线与视在最优电阻伏安特性曲线的交点上。

光伏电池最大输出功率逼近电压与开路电压之比的取值、逼近电流与短路电流之比的取值可以通过离线测量取平均值或中位值得到。

实施例3

扫描型实物参考控制的光伏发电系统

扫描型实物参考控制的光伏发电系统由工作光伏电池、参考光伏电池、控制器与负载构成，电压扫描法如图9a所示，电流扫描法如图9b所示，工作光伏电池连接控制器的能量输入端口，控制器的能量输出端口连接负载。

电压扫描法：参考光伏电池采用A、C两块与工作光伏电池同质的单片实物，A块用于测量开路电压，C块用于电压扫描时测量电流，参考光伏电池放置在工作光伏电池的近旁，参考光伏电池通过受控源与控制器的信号输入端口连接。

参考光伏电池A通过电压控制电压源VCVS与控制器连接测量开路电压。控制器通过另一个电压控制电压源VCVS强制参考光伏电池C的电压从开路电压的50％到100％之间扫描，并同时通过一个电流控制电压源CCVS测量参考光伏电池C的电流，计算参考光伏电池C的输出功率，记录最大输出功率时的电压值与电流值。控制器直接控制其能量输入端口的电压为参考光伏电池C最大输出功率时电压的串联系数倍或直接控制其能量输入端口的电流为参考光伏电池C最大输出功率时电流的并联系数倍，由此控制工作光伏电池达到最大输出功率。

电流扫描法：参考光伏电池采用B、D两块与工作光伏电池同质的单片实物，B块用于测量短路电流，D块用于电流扫描时测量电压，参考光伏电池放置在工作光伏电池的近旁，参考光伏电池通过受控源与控制器的信号输入端口连接。

参考光伏电池B通过电流控制电压源CCVS与控制器连接测量短路电流。控制器通过另一个电压控制电流源VCCS强制参考光伏电池D的电流从短路电流的50％到100％之间扫描，并同时通过一个电压控制电压源VCVS测量参考光伏电池D的电压，计算参考光伏电池D的输出功率，记录最大输出功率时的电压值与电流值。控制器直接控制其能量输入端口的电压为参考光伏电池D最大输出功率时电压的串联系数倍或直接控制其能量输入端口的电流为参考光伏电池D最大输出功率时电流的并联系数倍，由此控制工作光伏电池达到最大输出功率。

测量用受控源为电压或电流传感器或变送器，强制用受控源为压控电压源或压控电流源。