一種光伏陣列全局最大功率點(diǎn)跟蹤方法
【專利摘要】一種光伏陣列全局最大功率點(diǎn)跟蹤方法：首先將光傳感器分散布置于光伏陣列之中，設(shè)置圖像采集裝置的安裝位置，將圖像及其同步的輻照度測量數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心，光伏發(fā)電控制中心對光伏陣列運(yùn)行圖像進(jìn)行分析處理，辨識出局部陰影是否存在，及其分布范圍；然后結(jié)合光傳感器同步測量的輻照度數(shù)據(jù)，辨識光伏陣列中各個位置的輻照度；最后通過計(jì)算機(jī)仿真分析獲取當(dāng)前光照條件下光伏陣列的輸出功率-電壓特性，找出當(dāng)前最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓，若該電壓與實(shí)際運(yùn)行電壓偏差超過閾值，則重新設(shè)置MPPT的參考電壓，并從此出發(fā)利用傳統(tǒng)MPPT方法動態(tài)跟蹤最大功率點(diǎn)。本發(fā)明不僅可以顯著提高光伏陣列MPPT的跟蹤準(zhǔn)確度，而且可以避免全局最大功率點(diǎn)跟蹤過程中產(chǎn)生額外的大幅度功率振蕩，實(shí)現(xiàn)高性能的全局最大功率點(diǎn)跟蹤。
【專利說明】一種光伏陣列全局最大功率點(diǎn)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】:
[0002]太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，因其清潔無污染、安裝方便、不受地域限制、運(yùn)行維護(hù)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為繼風(fēng)力發(fā)電之后的主要新能源發(fā)電方式。隨著各國光伏補(bǔ)貼政策的逐漸退出，光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行對于降低光伏電力成本變得尤為重要。
[0003]光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏陣列由大量光伏電池以一定的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，具有光電轉(zhuǎn)換功能。光伏陣列的輸出功率不僅與其所處的環(huán)境和陣列結(jié)構(gòu)等客觀因素有關(guān)，還與光伏陣列的輸出端電壓密切相關(guān)。對于特定結(jié)構(gòu)的光伏陣列，每種運(yùn)行環(huán)境下都存在使輸出功率最大的端電壓，該運(yùn)行點(diǎn)稱作最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point，MPP)。考慮到實(shí)際光伏陣列的運(yùn)行環(huán)境處于不斷變化中，包括日出日落、陰晴雨雪、局部陰影遮擋等，光照和溫度的變化會引起光伏陣列MPP運(yùn)行點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，具有實(shí)際應(yīng)用意義的光伏發(fā)電系統(tǒng)都安裝有最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制裝置,實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)行條件下MPP的實(shí)時跟蹤。
[0004]當(dāng)光伏陣列的輸出功率-電壓(P-U)特性曲線呈現(xiàn)單峰時，利用爬山法、導(dǎo)數(shù)增量法等傳統(tǒng)MPPT方法可以較好地實(shí)現(xiàn)MPP的準(zhǔn)確快速跟蹤；受局部陰影影響，光伏陣列的輸出P-U特性曲線極有可能呈現(xiàn)多峰，此時傳統(tǒng)MPPT方法可能無法區(qū)分全局MPP與局部MPP，從而導(dǎo)致光伏陣列運(yùn)行于局部MPP、引起輸出功率的大幅度減少。目前，有一些多峰MPPT方法雖然較傳統(tǒng)MPPT方法有一定的改進(jìn)，但可能存在跟蹤失效、功率振蕩劇烈、零功率輸出等問題。
[0005]若能實(shí)時獲取光伏陣列的輸出P-U特性曲線，那么就能知道光伏陣列的全局MPP點(diǎn)電壓，通過MPPT控制器可以讓光伏陣列運(yùn)行在全局MPP。考慮到光伏陣列中溫度差異不大且溫度對光伏組件輸出特性影響較小，因此可以不考慮光伏陣列中的溫度差異。受局部陰影影響，光伏陣列中光伏組件的光照可能存在較大差異，從而導(dǎo)致光伏組件輸出特性出現(xiàn)顯著差異。若要掌握整個光伏陣列的局部陰影狀況，通常需要安裝大量的光傳感器，以實(shí)現(xiàn)對輻照度的精細(xì)化測量。大量的傳感器意味著建設(shè)成本高和系統(tǒng)復(fù)雜，對局部陰影測量精細(xì)度要求越高，傳感器的數(shù)量亦將成倍增加。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明針對光伏陣列運(yùn)行過程中全局MPP隨光照條件動態(tài)變化的問題，利用圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真分析相結(jié)合的方式來獲取光伏陣列實(shí)時運(yùn)行光照數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)仿真快速得到光伏陣列的輸出P-U特性曲線及對應(yīng)的全局MPP電壓值，據(jù)此來設(shè)計(jì)MPPT算法。該方法只需要少量光傳感器就可以高精度、快速地獲取光伏陣列的輻照度分布，從而得到光伏陣列的全局MPP端電壓值，實(shí)現(xiàn)光伏陣列的實(shí)時全局MPP平穩(wěn)跟蹤控制。[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，本發(fā)明提出的技術(shù)方案包括光伏陣列、光傳感器、圖像采集裝置、光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心、MPPT控制器、光伏陣列輸出功率變換裝置、通信網(wǎng)絡(luò)等。光伏陣列由若干個光伏電池組件和二極管構(gòu)成，其作為一個整體通過功率變換裝置直接向負(fù)載供電或者連接外部電網(wǎng)。光伏陣列的輸出端電壓受控于MPPT控制器，通過調(diào)整光伏陣列的端電壓可以實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。光傳感器獲取的輻照度信息和圖像采集裝置獲取的光伏陣列圖像信息都通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦夥l(fā)電系統(tǒng)控制中心，辨識出當(dāng)前光伏陣列的輻照度分布數(shù)據(jù)，仿真計(jì)算光伏陣列的P-U曲線并獲取全局MPP電壓數(shù)據(jù)。若光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心計(jì)算出的全局MPP電壓與光伏陣列實(shí)際端電壓的偏差超過閾值，則重新設(shè)置MPPT控制器的參考電壓值為當(dāng)前的全局MPP電壓值，然后從此電壓值出發(fā)采取傳統(tǒng)的MPPT方法在小范圍內(nèi)繼續(xù)動態(tài)跟蹤光伏陣列的MPP。
[0008]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0009](I)確定光伏陣列的分布范圍、光伏組件的排列位置，并作標(biāo)記；
[0010](2)在光伏陣列中分散安裝光傳感器，在光伏陣列上方安裝圖像采集裝置，并將它們的安裝位置信息存儲于光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；
[0011](3)用光傳感器測量其安裝地點(diǎn)的輻照度，輻照度數(shù)據(jù)及其采集時間信息經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；
[0012](4)圖像采集裝置拍攝光伏陣列的運(yùn)行圖像，圖像及其拍攝時間信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；
[0013](5)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心對光伏陣列的圖像進(jìn)行分析，辨識局部陰影的分布范圍和均勻程度，并結(jié)合圖像拍攝時光傳感器采集的光伏陣列的輻照度數(shù)據(jù)，擬合出光伏陣列中各個位置的輻照度數(shù)據(jù)；
[0014](6)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心的計(jì)算機(jī)通過仿真分析得到光伏陣列的輸出P-U特性曲線，并找到該曲線上的全局MPP，記錄全局MPP的電壓值；
[0015](7)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心將光伏陣列當(dāng)前的全局MPP電壓數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給MPPT控制器；
[0016]⑶MPPT控制器比較剛接收到的全局MPP電壓與光伏陣列的實(shí)測端電壓，若兩者差值超過閾值，則跳至步驟(9);否者，跳至步驟(10)；
[0017](9)MPPT控制器調(diào)整光伏陣列輸出端電壓至全局MPP電壓；
[0018](10)利用傳統(tǒng)MPPT方法在小范圍內(nèi)動態(tài)跟蹤光伏陣列的MPP，同時繼續(xù)接收來自光伏發(fā)電控制中心的全局MPP電壓數(shù)據(jù)。
[0019]由于光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心實(shí)時接收輻照度數(shù)據(jù)和光伏陣列圖像，并能快速仿真出光伏陣列的輸出P-U特性曲線，因此當(dāng)外部光照條件發(fā)生顯著改變時，MPPT控制器也能快速調(diào)整光伏陣列的運(yùn)行點(diǎn)至當(dāng)前的全局MPP，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)準(zhǔn)確的MPPT控制。本發(fā)明通過圖像采集裝置和少量光傳感器實(shí)現(xiàn)光伏陣列光照條件的快速辨識，不僅可以指導(dǎo)MPPT算法準(zhǔn)確跟蹤到全局MPP，而且跟蹤過程幾乎不存在額外的大幅度功率振蕩，對提高光伏陣列發(fā)電效率具有顯著效果。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:不僅可以顯著提高光伏陣列MPPT的跟蹤準(zhǔn)確度，而且可以避免全局最大功率點(diǎn)跟蹤過程中產(chǎn)生額外的大幅度功率振蕩，實(shí)現(xiàn)高性能的全局最大功率點(diǎn)跟
足示O【專利附圖】

【附圖說明】:
[0021]圖1光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤方法實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)
[0022]圖2光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤方法實(shí)現(xiàn)流程圖
[0023]圖3a實(shí)施例中無陰影時的光伏陣列圖像
[0024]圖3b實(shí)施例中有局部陰影時的光伏陣列圖像
[0025]圖4a實(shí)施例中無陰影時光伏陣列輻照度辨識結(jié)果
[0026]圖4b實(shí)施例中有局部陰影時光伏陣列輻照度辨識結(jié)果
[0027]圖5 實(shí)施例中光伏陣列的輸出功率-電壓(P-U)特性曲線及全局最大功率點(diǎn)(MPP)
[0028]圖6實(shí)施例中光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤軌跡【具體實(shí)施方式】:
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0030]光伏陣列MPPT方法實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏陣列采用典型的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即每個光伏組件并聯(lián)一個旁路二極管，每一串光伏組件都串聯(lián)一個防逆二極管，所有光伏組件先串聯(lián)后并聯(lián)，分別在陣列的四周和中心位置布置光傳感器，并在指定位置安裝攝像機(jī)一臺。光傳感器測量的輻照度數(shù)據(jù)和攝像機(jī)拍攝的光伏陣列圖像被實(shí)時傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心進(jìn)行輻照度分布數(shù)據(jù)辨識。光伏發(fā)電控制中心根據(jù)輻照度辨識結(jié)果，仿真分析當(dāng)前光伏陣列的輸出P-U特性曲線及對應(yīng)的全局MPP電壓，并使光伏陣列運(yùn)行點(diǎn)快速準(zhǔn)確調(diào)整到當(dāng)前的全局MPP點(diǎn)。
[0031]具體實(shí)施流程如圖2所示，包括如下步驟:
[0032](I)確定光伏陣列的分布范圍、光伏組件的排列位置，并作標(biāo)記；
[0033](2)在光伏陣列中分散安裝光傳感器，在光伏陣列上方安裝圖像采集裝置，并將它們的安裝位置信息存儲于光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；
[0034](3)用光傳感器測量其安裝地點(diǎn)的輻照度，輻照度數(shù)據(jù)及其采集時間信息經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；
[0035](4)圖像采集裝置拍攝光伏陣列的運(yùn)行圖像，圖像及其拍攝時間信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心；
[0036](5)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心對光伏陣列的圖像進(jìn)行分析，辨識局部陰影的分布范圍和均勻程度，并結(jié)合圖像拍攝時光傳感器采集的光伏陣列的輻照度數(shù)據(jù)，擬合出光伏陣列中各個位置的輻照度數(shù)據(jù)；
[0037](6)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心的計(jì)算機(jī)通過仿真分析得到光伏陣列的輸出P-U特性曲線，并找到該曲線上的全局MPP，記錄全局MPP的電壓值；
[0038](7)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心將光伏陣列當(dāng)前的全局MPP電壓數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給MPPT控制器；
[0039]⑶MPPT控制器比較剛接收到的全局MPP電壓與光伏陣列的實(shí)測端電壓，若兩者差值超過閾值，則跳至步驟(9);否者，跳至步驟(10)；[0040](9)MPPT控制器調(diào)整光伏陣列輸出端電壓至全局MPP電壓；
[0041](10)利用傳統(tǒng)MPPT方法在小范圍內(nèi)動態(tài)跟蹤光伏陣列的MPP，同時繼續(xù)接收來自光伏發(fā)電控制中心的全局MPP電壓數(shù)據(jù)。
[0042]假設(shè)攝像機(jī)拍攝光伏陣列無陰影時的圖像如圖3(a)所示，有局部陰影時的圖像如圖3(b)所示，光伏組件編號分別用1-1、1-2、……、1-10、2-1、2-2、……2_10表示。根據(jù)匯集到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心的圖像信息與輻照度測量信息，辨識得到的光伏組件輻照度數(shù)據(jù)列于圖4中。基于光伏組件輻照度辨識結(jié)果，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心可以仿真出光伏陣列的輸出P-U特性曲線如圖5所示，無陰影時和有局部陰影時光伏陣列的全局MPP標(biāo)注于相應(yīng)曲線上。
[0043]本實(shí)施例中，光伏陣列MPPT跟蹤軌跡如圖6所示，假設(shè)無陰影時光伏陣列運(yùn)行于圖6中的A點(diǎn)(端電壓為Ua)，由于局部陰影發(fā)生后，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心仿真得到的全局MPP (圖6中B點(diǎn))的電壓UB與實(shí)際端電壓Ua偏差超過閾值，因此迅速調(diào)整光伏陣列的端電壓使運(yùn)行點(diǎn)從C點(diǎn)轉(zhuǎn)移至B點(diǎn)。之后，若局部陰影沒有發(fā)生顯著改變，則光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真得到的全局MPP電壓將在實(shí)測光伏陣列端電壓附近，因此，MPPT控制器將采取傳統(tǒng)MPPT方法中的小幅度擾動以動態(tài)跟蹤微小的輸出特性變化。
[0044]本發(fā)明提出的MPPT方案在傳統(tǒng)MPPT方法基礎(chǔ)上增加了光伏陣列輻照度實(shí)時測量與辨識環(huán)節(jié)，因此當(dāng)光照條件發(fā)生變化時總能快速仿真得到實(shí)時的全局MPP，避免了傳統(tǒng)MPPT方法受困于局部MPP的問題以及全局搜索MPPT方法跟蹤過程中大幅度功率波動的問題。
【權(quán)利要求】
1.光伏陣列全局最大功率點(diǎn)跟蹤方法，涉及光伏陣列、光傳感器、圖像采集設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心、MPPT控制器、光伏陣列輸出功率變換裝置、通信網(wǎng)絡(luò)，具體包括如下步驟: 步驟1，確定光伏陣列的分布范圍、光伏組件的排列位置，并作標(biāo)記； 步驟2，在光伏陣列中分散安裝光傳感器，在光伏陣列上方安裝圖像采集裝置，并將它們的安裝位置信息存儲于光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心； 步驟3，用光傳感器測量其安裝地點(diǎn)的輻照度，輻照度數(shù)據(jù)及其采集時間信息經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心； 步驟4，圖像采集裝置拍攝光伏陣列的運(yùn)行圖像，圖像及其拍攝時間信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心； 步驟5，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心對光伏陣列的圖像進(jìn)行分析，辨識局部陰影的分布范圍和均勻程度，并結(jié)合圖像拍攝時光傳感器采集的光伏陣列的輻照度數(shù)據(jù)，擬合出光伏陣列中各個位置的輻照度數(shù)據(jù)； 步驟6，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心的計(jì)算機(jī)通過仿真分析得到光伏陣列的輸出P-U特性曲線，并找到該曲線上的全局MPP，記錄全局MPP的電壓值； 步驟7，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心將光伏陣列當(dāng)前的全局MPP電壓數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給MPPT控制器； 步驟8，MPPT控制器比較剛接收到的全局MPP電壓與光伏陣列的實(shí)測端電壓，若兩者差值超過閾值，則跳至步驟(9);否者，跳至步驟(10)； 步驟9，MPPT控制器調(diào)整光伏陣列輸出端電壓至全局MPP電壓； 步驟10，利用傳統(tǒng)MPPT方法在小范圍內(nèi)動態(tài)跟蹤光伏陣列的MPP，同時繼續(xù)接收來自光伏發(fā)電控制中心的全局MPP電壓數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G06F19/00GK103472884SQ201310353404
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】戚軍, 張曉峰 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)