一种非均匀辐照下光伏逆变器最大功率跟踪方法与流程

本发明涉及到光伏发电技术领域，具体涉及到一种非均匀辐照下光伏逆变器最大功率跟踪方法。

背景技术：

随着光伏发电成本的下降和效率的提升，光伏发电近年来得到快速发展。光伏逆变器标称最大功率跟踪效率能达到99％以上，但该数据只是针对均匀辐照的情况而言。在辐照不均匀的情况下，光伏方阵可能会形成具有多个极值点的p-v曲线，从而使传统的最大功率跟踪方法失效。如图1所示为光伏方阵受到不均匀辐照两种情况的示意图，图2为两种不均匀辐照下光伏方阵所产生的p-v曲线。如图1(a)所示的辐照1的p-v曲线产生了多个极值点，图1(b)所示的辐照2的p-v曲线并未产生多个极值点。在图1(a)的辐照情况下，全局最大功率在p-v曲线右起第三个极值点，传统最大跟踪方法在辐照均匀的情况进入到辐照不均匀的情况一般搜索到的最大功率点为p-v曲线右起第一个极值点，因此在此情况下光伏方阵输出严重减少。

为解决光伏方阵在不均匀辐照下的最大功率跟踪问题，目前主要采用三类最大功率跟踪技术，即改进传统方法、智能算法和基于光伏方阵拓扑结构的方法。其中改进传统方法和智能算法是目前多极值点最大功率跟踪的常见方法，这两类方法均涉及算法重启判断过程，通常包括以下几种方法：(1)仅采用功率变化进行判断；(2)仅采用电流以及触发时间进行判断；(3)采用功率和电压进行判断；(4)采用功率和电流进行判断；(5)采用电压和电流的方式进行判断。这些方法多数不能区分是否发生了不均匀辐照，通常只是在辐照产生一定变化后重启算法搜索全局最大功率。所设定的判断参数如果过小则会造成算法多次重启，从而影响发电效率，参数过大则会造成算法重启敏感度下降，当辐照变化但算法未重启，若此时出现多个极值点且工作点不是最大功率点，则可能严重降低光伏方阵输出功率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非均匀辐照下光伏逆变器最大功率跟踪方法，解决非均匀辐照下光伏阵列的多极值点最大功率跟踪难题，使光伏逆变器的最大功率跟踪能力可以适应不同的辐照和温度，以提高光伏系统的功率输出。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种非均匀辐照下光伏逆变器最大功率跟踪方法，其包括以下步骤：

(1)逆变器参数初始化，初始化逆变器最大功率跟踪参数；

(2)判断逆变器当前的预设时间内功率波动、电压波动和工作状态(稳态/动态)，若预设时间内功率波动和电压波动大于预设值，且当前工作状态为稳态，则进行局部最大功率跟踪：采用pi变步长电导增量法搜索逆变器的局部最大功率，否则进入步骤(3)；

(3)通过辐照检测判断光伏矩阵是否发生不均匀辐照，若是，则进行全局最大功率扫描，执行步骤(4)，若否，则执行步骤(2)；

(4)全局最大功率扫描：根据电参数设定扫描顺序，在扫描过程中设定若干个参考电参数以及扫描终止条件，采用pi变步长电导增量法对每个参考电参数附近进行局部最大功率扫描，并获得每个参考电参数附近的功率极值点，直至触发终止条件，输出当前记录全局最大功率点的电压，进入步骤(2)。

本发明通过判断是否存在不均匀辐照，并对不均匀辐照情况采用全局最大功率扫描的方式，无需增加硬件设备，能够准确判断各种温度下不均匀辐照是否产生了多个功率极值，并且具有较高的灵敏度(能够实现0.01pm的功率变化检测)，能够高效启动全局最大功率扫描算法，解决了非均匀辐照下光伏阵列的多极值点最大功率跟踪难题，使光伏逆变器的最大功率跟踪能力可以适应不同的辐照和温度，以提高光伏系统的功率输出。

进一步地，所述参数包括并联光伏组件数、串联光伏组件数、光伏组件功率温度系数、光伏组件电压温度系数、光伏组件串联电池数、光伏组件最大功率点电压、光伏组件最大功率点电流和最大功率。

进一步地，所述步骤2包括以下子步骤：

(2-1)判断逆变器当前的预设时间内功率波动、电压波动和工作状态(稳态/动态)，若预设时间内功率波动和电压波动大于预设值，且当前工作状态为稳态，则进入步骤(2-2)，否则进入步骤(3)；

(2-2)获得占空比d(k)：

若δd(k)δd(k-1)≥0，若占空比设置为d(k)＝d(k-1)+δd(k)，若占空比设置为d(k)＝d(k-1)+lδd(k)，其中δd(k)为占空比调整步长，根据p-v曲线斜率选择，k2为预设常数，l为步长调整系数，且

若当前工作点靠近极值点，即δd(k)δd(k-1)＜0，则δd(k)＝-δd(k-1)/2，占空比d(k)设置为d(k)＝d(k-1)+δd(k)；

(2-3)计算得到局部最大功率对应的电压vin(k)为第k次迭代的逆变器输入电压；

(2-4)输出当前记录局部最大功率及其对应的电压。

作为本发明的一种改进，所述步骤(3)通过辐照检测判断光伏矩阵是否发生不均匀辐照的具体方式为：若式(1)和(2)其中任一成立时，即为发生不均匀辐照，

|δv|＝|vpv-vmpc|＞δvset(1)

ndw＞1(2)

其中，vpv为逆变器输入电压，nser为光伏组串的串联组件数，t为光伏方阵温度，vmp,md,stc为标况下光伏组件最大功率点电压，ns为串联电池数，βoc为电压温度系数，n为二极管理想因子，k为玻耳茨曼常数，q为电子电荷，imp为光伏方阵最大功率点电流，imp,stc为标况下光伏方阵最大功率点电流，δvset为预设参考值，ndw为旁路光伏组件数，ndw通过光伏方阵输出电压进行判断得到。

作为本发明的一种改进，所述步骤(4)具体包括如下子步骤：

(4-1)按电压从大到小进行扫描，给定参考电压vset(nw)，参考电压为：

nw起始值为光伏组串串联组件数nser，t为光伏方阵温度，vmp,md,stc为标况下光伏组件最大功率点电压，ns为串联电池数，βoc为电压温度系数，n为二极管理想因子，k为玻耳茨曼常数，q为电子电荷，imp为光伏方阵最大功率点电流，imp,stc为标况下光伏方阵最大功率点电流；

(4-2)采用pi变步长电导增量法搜索给定参考电压vset(nw)附近的功率极值点，找到局部最大功率点后，记录该点功率及其对应的电压；

(4-3)令nw＝nw-1，给定下一个功率极值点的参考电压vset(nw)，执行步骤(4-2)；

(4-4)当新的参考电压小于逆变器最小的mppt电压或者逆变器当前输入功率大于下一个极值点功率的估算值时，停止搜索，输出当前全局最大功率点的电压，进入步骤(2)。

进一步地，所述步骤(4-2)包括以下子步骤：

(4-2-1)获得k次迭代的占空比δdg(k)为：

dg(k)＝dg(k-1)+kg(k)δdg(k)，

根据选择占空比调整步长δdg(k)，并计算步长调整系数kg(k)，

(4-2-2)计算得到局部最大功率对应的电压vin(k)为第k次迭代的逆变器输入电压；

(4-2-3)记录局部最大功率及其对应的电压。

进一步地，所述步骤(4-4)中，下一个极值点功率的估算值pc(t,nw-1)为：

式中nser为光伏组串的串联组件数，t为光伏方阵温度，nw起始值为光伏组串串联组件数nser，pmp,stc为太阳辐照的标况功率，tstc太阳辐照的标况温度，γm为光伏组件功率温度系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过判断是否存在不均匀辐照，并对不均匀辐照情况采用全局最大功率扫描的方式，无需增加硬件设备，能够准确判断各种温度下不均匀辐照是否产生了多个功率极值，并且具有较高的灵敏度(能够实现0.01pm的功率变化检测)，能够高效启动全局最大功率扫描算法，解决了非均匀辐照下光伏阵列的多极值点最大功率跟踪难题，使光伏逆变器的最大功率跟踪能力可以适应不同的辐照和温度，以提高光伏系统的功率输出。

附图说明

图1为光伏方阵接收不均匀辐照的两种情况(a)和(b)；

图2为两种不均匀辐照(a)和(b)的p-v曲线；

图3为本发明非均匀辐照下光伏逆变器最大功率跟踪方法的流程图；

图4为光伏并网系统结构的示意图；

图5为光伏逆变器控制框图；

图6为本发明分别在25℃和50℃时辐照突变条件下的最大功率跟踪结果图；

图7为本发明分别在25℃和50℃时辐照渐变条件下的最大功率跟踪结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明适用于辐照复杂以及受不均匀辐照影响较大的光伏发电场合，例如大型光伏电站和光伏建筑一体化应用模式，本发明可应用于单级和双级光伏并网逆变器。这里以双级并网逆变器为例进行说明，光伏并网系统结构及光伏逆变器控制框图如图4和5所示。本发明主要针对光伏方阵在不均匀辐照下，因旁路二极管和各串联光伏组件输出特性不匹配而形成多个功率极值点，采用判断步骤实现不均匀辐照的检测，并采用pi变步长电导增量法在触发全局最大功率扫描后快速对最大功率进行粗扫描，搜索结束后进入局部最大功率跟踪过程，采用pi变步长电导增量法对最大功率点精确跟踪，实现不同温度和辐照下的光伏方阵的最大功率跟踪。在本发明中所提及的标况下是指太阳辐照为1000w/m²,温度为20℃的工况。

实施例1

请参考图3，一种非均匀辐照下光伏逆变器最大功率跟踪方法，其包括以下步骤：

(1)逆变器参数初始化，初始化逆变器最大功率跟踪参数；

所述参数包括并联光伏组件数、串联光伏组件数、光伏组件功率温度系数、光伏组件电压温度系数、光伏组件串联电池数、光伏组件最大功率点电压、光伏组件最大功率点电流和最大功率。

(2)判断逆变器当前的预设时间内功率波动、电压波动和工作状态(稳态/动态)，若预设时间内功率波动和电压波动大于预设值，且当前工作状态为稳态，则进行局部最大功率跟踪：采用pi变步长电导增量法搜索逆变器的局部最大功率，否则进入步骤(3)；

具体地，所述步骤2包括以下子步骤：

(2-1)判断逆变器当前的预设时间内功率波动、电压波动和工作状态(稳态/动态)，若预设时间内功率波动和电压波动大于预设值，且当前工作状态为稳态，则进入步骤(2-2)，否则进入步骤(3)；

(2-2)获得占空比d(k)：

若δd(k)δd(k-1)≥0，若占空比设置为d(k)＝d(k-1)+δd(k)，若占空比设置为d(k)＝d(k-1)+lδd(k)，其中δd(k)为占空比调整步长，根据p-v曲线斜率选择，k2为预设常数，l为步长调整系数，且

若当前工作点靠近极值点，即δd(k)δd(k-1)＜0，则δd(k)＝-δd(k-1)/2，占空比d(k)设置为d(k)＝d(k-1)+δd(k)；

(2-3)计算得到局部最大功率对应的电压vin(k)为第k次迭代的逆变器输入电压；

(2-4)输出当前记录局部最大功率及其对应的电压。

(3)通过辐照检测判断光伏矩阵是否发生不均匀辐照，若是，则进行全局最大功率扫描，执行步骤(4)，若否，则执行步骤(2)；

所述步骤(3)通过辐照检测判断光伏矩阵是否发生不均匀辐照的具体方式为：若式(1)和(2)其中任一成立时，即为发生不均匀辐照，

|δv|＝|vpv-vmpc|＞δvset(1)

ndw＞1(2)

其中，vpv为逆变器输入电压，nser为光伏组串的串联组件数，t为光伏方阵温度，vmp,md,stc为标况下光伏组件最大功率点电压，ns为串联电池数，βoc为电压温度系数，n为二极管理想因子，k为玻耳茨曼常数，q为电子电荷，imp为光伏方阵最大功率点电流，imp,stc为标况下光伏方阵最大功率点电流，δvset为预设参考值，ndw为旁路光伏组件数，ndw通过光伏方阵输出电压进行判断得到。

(4)全局最大功率扫描：根据电参数设定扫描顺序，在扫描过程中设定若干个参考电参数以及扫描终止条件，采用pi变步长电导增量法对每个参考电参数附近进行局部最大功率扫描，并获得每个参考电参数附近的功率极值点，直至触发终止条件，输出当前记录全局最大功率点的电压，进入步骤(2)；

具体地，所述步骤(4)具体包括如下子步骤：

(4-1)按电压从大到小进行扫描，给定参考电压vset(nw)，参考电压为：

nw起始值为光伏组串串联组件数nser，t为光伏方阵温度，vmp,md,stc为标况下光伏组件最大功率点电压，ns为串联电池数，βoc为电压温度系数，n为二极管理想因子，k为玻耳茨曼常数，q为电子电荷，imp为光伏方阵最大功率点电流，imp,stc为标况下光伏方阵最大功率点电流；

(4-2)采用pi变步长电导增量法搜索给定参考电压vset(nw)附近的功率极值点，找到局部最大功率点后，记录该点功率及其对应的电压；

具体地，所述步骤(4-2)包括以下子步骤：

(4-2-1)获得k次迭代的占空比δdg(k)为：

dg(k)＝dg(k-1)+kg(k)δdg(k)，

根据选择占空比调整步长δdg(k)，并计算步长调整系数kg(k)，

(4-2-2)计算得到局部最大功率对应的电压vin(k)为第k次迭代的逆变器输入电压；

(4-2-3)记录局部最大功率及其对应的电压；

(4-3)令nw＝nw-1，给定下一个功率极值点的参考电压vset(nw)，执行步骤(4-2)；

(4-4)当新的参考电压小于逆变器最小的mppt电压或者逆变器当前输入功率大于下一个极值点功率的估算值时，停止搜索，输出当前全局最大功率点的电压，进入步骤(2)，其中

下一个极值点功率的估算值pc(t,nw-1)为：

式中nser为光伏组串的串联组件数，t为光伏方阵温度，nw起始值为光伏组串串联组件数nser，pmp,stc为太阳辐照的标况功率，tstc太阳辐照的标况温度，γm为光伏组件功率温度系数。

本发明通过判断是否存在不均匀辐照，并对不均匀辐照情况采用全局最大功率扫描的方式，无需增加硬件设备，能够准确判断各种温度下不均匀辐照是否产生了多个功率极值，并且具有较高的灵敏度(能够实现0.01pm的功率变化检测)，能够高效启动全局最大功率扫描算法，解决了非均匀辐照下光伏阵列的多极值点最大功率跟踪难题，使光伏逆变器的最大功率跟踪能力可以适应不同的辐照和温度，以提高光伏系统的功率输出。

按照以上控制步骤，以100kwdc/dc+dc/ac三相并网光伏逆变器为例，在matlab/simulink搭建光伏系统仿真模型，双级并网逆变系统的参数如表1所示。将光伏方阵每一组串平均分为4组，每组辐照均匀。对太阳辐照阶跃、线性变化以及两种工作温度下的最大功率跟踪进行仿真。太阳辐照如表2和表3所示，温度取25℃和50℃。本发明在辐照突变条件下最大功率点跟踪结果如图6所示，在辐照渐变条件下如图7所示。

表1双极并网逆变器仿真模型参数

表2仿真实验中太阳辐照阶跃变化设置

表3仿真实验中太阳辐照线性变化设置

其中，

上述实施例仅用以说明本专利而并非限制本专利所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本专利已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本专利进行修改或者等同替换；而一切不脱离本专利的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。