一种基于边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追踪控制方法及装置

1.本发明属于光伏新能源开发及应用技术领域，具体涉及一种基于 边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追踪控制方法及装置。


背景技术：

2.在“碳达峰、碳中和”目标背景下，国家实施了整县屋顶分布式光 伏推进工程。光伏系统在实际运行中，太阳能电池往往受到丛云、树 木、烟囱、设备或者其他结构的阴影的不利影响。此时，处于局部阴 影不均匀光照条件下的光伏系统，整体输出功率能力下降严重，光伏 系统中的每个太阳能电池无法同时达到最大功率点，只要有10％的阵 列面积被遮挡，光伏系统总发电量会下降50％。因此在不均匀辐照度 条件下对太阳能电池串联电路进行多极点追踪控制，有利于实现太阳 能电池串联电路在不均匀光照条件下的能量高效转换。
3.目前，光伏系统的多极点追踪控制多采用粒子群算法，这种方法 以功率突变为重启条件，功率突变并不是遮阴条件的充分条件，扩大 了重启范围；粒子群算法运行重启后的初始化条件大多是将光伏阵列 运行于开路状态或者短路状态进而获得所需要的信息，在环境变化剧 烈情况下，粒子群算法程序频繁重启造成光伏系统产生大量的能量浪 费。因此，研究一种新型的光伏系统多极点追踪控制方法是目前急需 解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种一种 基于边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追踪控制方法及装置。 该方法能够实时确定光伏系统全局最大功率点所在区间边界，避免光伏 系统开、短路运行状态的多极点最大功率点追踪控制，有利于实现光伏 系统能量高效转换。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追踪控制方 法，包括如下步骤：
7.步骤s1、通过数据采集模块采集各光伏电池阵列的任意时刻的 运行数据和环境数据；
8.步骤s2、建立光伏电池辐照度非量测计算模型；
9.步骤s3、通过步骤s2中所述的光伏电池辐照度非量测计算模型 对所述步骤s1中的光伏电池阵列运行数据进行计算，得出各个光伏 电池所接收的辐照度，将所述辐照度按照从低到高正向排列与计算， 构建正向辐照度向量和辐照度下标向量；
10.步骤s4、通过光伏阵列动态特性分析，构建光伏阵列多极点最 值区间定位模型和最大功率点电流解析模型，将正向辐照度向量输入 最值区间定位模型进行计算，得到全局最大功率区间所对应的辐照度； 将全局最大功率区间所对应的辐照度输入最大功率点电
流解析模型， 得到最大功率点参考运行电流，并基于电导增量法进行多极点追踪控 制。
11.进一步的，所述步骤s1中运行数据包括各光伏电池阵列任意时 刻的运行电压v和电流i；所述环境数据包括光伏电池阵列横向附近 10米内的空气温度数据t
air
。
12.进一步的，所述步骤s2中建立光伏电池辐照度非量测计算模型 包括以下步骤：
13.步骤s21、建立光伏电池辐照度非量测计算模型f(s)＝i，所述计 算模型具体如下式所示：
[0014][0015]
其中，i
sc
为太阳能电池板的短路电流、v
oc
为 开路电压、im为最大功率点电流，vm为最大功率点电压，i
sc
、v
oc
、im和vm在标准测试条件下由光伏电池供应商提供；s为光伏电池板接 受的辐照度，e为自然对数，v和i为光伏电池运行电压和电流，t
air
为环境温度；
[0016]
步骤s22、根据所述步骤s1中采集的电流i、电压v以及环境温 度t
air
，构建辐照度求解方程f(s)-i＝0。
[0017]
进一步的，所述步骤s3具体包括以下步骤：
[0018]
步骤s31、利用所述的辐照度求解方程f(s)-i＝0结合所述各个光 伏电池的运行电压v和电流i，计算得出各个光伏电池所接收的辐照 度si；
[0019]
步骤s32、将步骤1)中得到的辐照度si按照从小到大进行排列， 建立正向辐照度向量s；
[0020]
步骤s33、将步骤2)中得到的辐照度向量s中各元素按照如下 不等式进行筛选，然后记录满足所述不等式辐照度si的下标号，构成 所述的辐照度下标向量并且统计满足不等式计算的次数q，即是 极点个数。
[0021][0022]
进一步的，所述步骤s4具体包括如下步骤：
[0023]
步骤s41、通过光伏阵列动态特性分析，构建光伏阵列多极点最 值区间定位模型如下：
[0024][0025]
其中，i和j是辐照度下标向量的元素，p是光伏阵列串联的电 池板个数，为局部最大功率值大小的分界系数；
[0026]
步骤s42、重复判断所述步骤s33中的不等式，以最终满足条件 的辐照度s下标号记为“max”，则全局最大功率点所在区域为(s
max-1
， s
max
)，称为光伏阵列多极点最值区间；
[0027]
步骤s43、构建最大功率点电流i
pmax
解析模型，所述解析模型如 下式所示：
[0028][0029]
步骤s44、将全局最大功率区间所对应的辐照度输入步骤s43中 所述的最大功率点电流解析模型，得到最大功率点参考运行电流，并 基于电导增量法进行多极点追踪控制。
[0030]
进一步的，一种基于边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追 踪控制装置，所述装置用于1-5任一项权利要求中所述的方法，包括：
[0031]
数据采集模块，用于收集步骤s1中所述的光伏电池阵列运行数 据和环境数据；
[0032]
光伏电池辐照度非量测计算模块，用于建立光伏电池辐照度计算 函数，通过利用光伏电池运行电压、电流和环境温度计算得出各个光 伏电池所接收的辐照度；
[0033]
光伏阵列多极点最值区间定位模块，用于将辐照度按照从低到高 正向排列与计算，构建正向辐照度向量、辐照度下标向量，将正向辐 照度向量和辐照度下标向量输入最值区间定位模型进行计算得到全 局最大功率区间所对应的辐照度；
[0034]
最大功率点电流解析计算模块，用于构建所述步骤s43中的最大 功率点电流i
pmax
解析模型，将全局最大功率区间所对应的辐照度输入 所述最大功率点电流解析模型。得到最大功率点参考运行电流；
[0035]
pwm追踪控制模块，用于将最大功率点参考运行电流作为电导 增量法的初值，通过软件编程嵌入到pwm控制器中，进行最大极点 追踪控制。
[0036]
进一步的，所述光伏电池辐照度非量测计算模块根据光伏电池运 行电压v、电流i和环境温度t
air
数据，利用所述步骤s21中的公式， 计算得到辐照度s＝f-1
(i)。
[0037]
进一步的，所述光伏阵列多极点最值区间定位模块包括：
[0038]
辐照度向量正向排列子模块，用于将si从小到大排列建立辐照度 向量s；
[0039]
辐照度下标向量子模块，用于将辐照度向量s按顺序进行如下不 等式筛选；
[0040][0041]
光伏阵列多极点最值区间定位子模块，用于通过光伏阵列动态特 性分析，构建所述步骤s41中的光伏阵列多极点最值区间定位模型。
[0042]
与现有技术相比，本发明具备的有益效果在于：
[0043]
(1)本发明能够迅速确定全局最大功率峰值点所在区间及其上 下边界，将全局最大功率区间所对应的辐照度输入最大功率点电流解 析模型，得到最大功率点参考运行电流，并作为电导增量法的初值， 在最大功率区间内运用电导增量法可迅速追踪到全局最大功率点；本 发明的全局最大功率区间边界能够实时更新，保证最大功率点区间跟 随改变，运行电流只要在该区间，电导增量控制原则会自动寻找到最 大功率点，具有良好的鲁棒性和自适应性；而且本发明的方法在光伏 系统启动时，不需要将整个电路运行至短路或者开路状态，只需要测 量各个太阳能电池板的运行电压电流，即可得到最大功率点区间，可 以避免能量损失。
[0044]
(2)本发明当运行电流i在最大功率点区间外时，输出δi(系 统实际输出电流与参考输出电流之差)使系统快速运行到最大功率点 区间，具有良好的快速性。
[0045]
(3)本发明的控制装置根据实时采集的运行电压和电流计算出 当前的辐照度作为i
pma
x计算的数据来源，避免了辐照度传感器的运 用。
附图说明
[0046]
图1是本发明基于边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追 踪控制方法的流程图；
[0047]
图2是本发明辐照度变化曲线图；
[0048]
图3是本发明光伏电池温度变化曲线图；
[0049]
图4是本发明方法和全局扫描法对光伏系统多极点追踪性能对 比图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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。
[0051]
实施例
[0052]
一种基于边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追踪控制方 法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：
[0053]
步骤s1、通过数据采集模块采集各光伏电池阵列的任意时刻的 运行数据和环境数据；所述运行数据包括各光伏电池阵列任意时刻的 运行电压v和电流i，所述环境数据包括光伏电池阵列横向附近10 米内的空气温度数据t
air
，如图1中的步骤2所示；
[0054]
步骤s2、首先，建立光伏电池辐照度非量测计算模型f(s)＝i，如 图1中步骤3，所述计算模型具体如下式所示：
[0055][0056]
其中，i
sc
为太阳能电池板的短路电流、v
oc
为 开路电压、im为最大功率点电流，vm为最大功率点电压，i
sc
、v
oc
、im和vm在标准测试条件下由太阳能电池供应商提供；s为光伏电池板 接受的辐照度，e为自然对数，v和i为光伏电池运行电压和电流， t
air
为环境温度；
[0057]
本实施例选取太阳能电池板参数i
sc
、v
oc
、im、vm分别为25.44a、 66v、23.25a和54.2v；光伏电池板串联数量为3，3块光伏电池板 分别命名为pv1、pv2和pv3串联组成系统运行，其中，pv1按照 图2、图3中的s1和t1的趋势变化，pv2和pv3按照照图2、图3 中s2和t2的趋势变化；
[0058]
其次，根据所述步骤s1中采集的电流i、电压v以及环境温度 t
air
，构建辐照度求解方程f(s)-i＝0。
[0059]
步骤s3、首先，利用所述步骤s2中构建的辐照度求解方程 f(s)-i＝0结合步骤s1
中各个光伏电池的运行电压v和电流i，对f(s)＝i 进行快速求解，得到光伏电池pv1、pv2和pv3的辐照度s1、s2、 s3；其次，将得到的所述s1、s2、s3按照从小到大顺序进行排列，建 立正向辐照度向量s，如图1中步骤4所示；最后，将所述的正向辐 照度向量s中的各元素按照如下不等式进行筛选，如图1中步骤4 所示，记录满足所述不等式辐照度si的下标号,构成辐照度下标向量并且统计满足不等式计算的次数q，也就是极点个数；所述辐照度下 标向量的物理意义是物理意义是该向量中元素对应的电池板的im附近存在局部极值；
[0060][0061]
步骤s4、首先，通过光伏阵列动态特性分析，构建光伏阵列多 极点最值区间定位模型，如图1中步骤5所示，所述模型具体如下式 所示：
[0062][0063]
其中，i和j是向量的元素，p是光伏阵列串联的电池板个数， 为局部最大功率值大小的分界系数。
[0064]
实际中，(0.0005s
j-0.5)间没有数量级的差异，可忽略 ln(e 0.0005s
j-0.5)对的影响；通常情况下峰值电压vm约是开 路电压v
oc
的0.8倍，则的典型值如表1所示。
[0065]
表1局部最大功率分界系数的典型值
[0066][0067][0068]
其次，重复判断所述步骤s3中的不等式，以最终满足条件的辐 照度s下标号记为“max”，则全局最大功率点所在区域为(s
max-1
，s
max
)， 称为光伏阵列多极点最值区间(gmppz，global maximum power point zone)，如图1中的步骤5所示；
[0069]
然后，构建最大功率点电流i
pmax
解析模型，如图1中步骤6中所 示，所述解析模型具体如下式所示：
[0070][0071]
最后，将全局最大功率区间所对应的辐照度输入所述的最大功率 点电流解析模
型，得到最大功率点参考运行电流，并基于电导增量法 进行多极点追踪控制，如图1中的步骤8所示。
[0072]
图4中展示了本发明的方法与全局扫描法对光伏系统多极点追 踪控制效对比效果。如图4所示，在0-0.1s时间段，光伏系统快速运 行到全局最大功率点区间，并结合电导增量法稳定运行在最值点；而 全局扫描法，将功率曲线运行至底部，导致功率损失加大，同时运行 到最大功率点的时间较长。0.3s时环境发生剧烈变化，多极点最值区 间边界发生改变，当前运行点与更新后的多极点最值区间相距较近， 经过短暂的暂态过程迅速稳定在新的最值点，在0.3s时刻几乎无波动 的过渡到新的工况，而全局扫描法有波动过程。0.5s时以同样的暂态 过程迅速过渡到新的平衡状态，保持全局最大功率输出。
[0073]
一种用于上述基于边界定位电导增量控制的光伏系统多极点追 踪控制方法的装置，包括：
[0074]
数据采集模块，用于收集步骤s1中所述的光伏电池阵列运行数 据和环境数据；所述光伏电池运行数据包括光伏电池运行电压、电流 数据，环境数据包括光伏电池横向附近10米内的空气温度数据；
[0075]
光伏电池辐照度非量测计算模块，用于建立光伏电池辐照度计算 函数，通过利用光伏电池运行电压、电流和环境温度，再根据步骤 s2中建立的光伏电池辐照度非量测计算模型，计算得出各个光伏电 池所接收的辐照度s，所述辐照度s的计算式如下：
[0076]
s＝f-1(i)[0077]
光伏阵列多极点最值区间定位模块，其包括辐照度向量正向排列 子模块、辐照度下标向量子模块和光伏阵列多极点最值区间定位子模 块；
[0078]
所述辐照度向量正向排列子模块，用于将辐照度si从小到大排列 建立正向辐照度向量s；
[0079]
所述辐照度下标向量子模块，用于将所述正向辐照度向量s按顺 序进行如下不等式筛选
[0080][0081]
记录满足不等式辐照度si的下标号,构成辐照度下标向量并 且统计满足不等式计算的次数q，也就是极点个数；
[0082]
所述光伏阵列多极点最值区间定位子模块：用于通过光伏阵列动 态特性分析，构建光伏阵列多极点最值区间定位模型，所述模型具体 如下式所示：
[0083][0084]
其中，i和j是辐照度下标向量的元素，p是光伏阵列串联的电 池板个数，为局部最大功率值大小的分界系数；
[0085]
重复判断所述步骤s3中的不等式，以最终满足条件的辐照度s 下标号记为“max”，则全局最大功率点所在区域为(s
max-1
，s
max
)，称 为光伏阵列多极点最值区间(gmppz，global maximum power point zone)；
[0086]
最大功率点电流解析计算模块，用于构建所述步骤s4中的最大 功率点电流i
pmax
解析模型，将全局最大功率区间所对应的辐照度输入 所述最大功率点电流解析模型，得到最大功率点参考运行电流；
[0087]
所述构建的最大功率点电流i
pmax
，具体如下式所示：
[0088][0089]
pwm追踪控制模块，用于将最大功率点电流作为光伏电池参考 运行电流，光伏电池参考运行电流作为电导增量追踪控制的初值，基 于电导增量法进行多极点追踪控制。
[0090]
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人 员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员 来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的 保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说 明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况 下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利 要求范围决定。