CN104536509B - 一种光伏组件电能输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组件电能输出控制方法，为：当功率调度指令大于等于光伏电池最大输出功率时，根据当前工况下光伏电池的最大功率点进行跟踪控制；当功率调度指令小于光伏电池最大输出功率时，根据当前工况下光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配进行输出控制。本发明具有功率可调度、在功率调度过程中能够进行有效的输出功率点跟踪、不受环境因素影响等优点。

Description

一种光伏组件电能输出控制方法

技术领域

本发明主要涉及到光伏发电系统领域，特指一种适用于光伏组件的电能输出控制方法。

背景技术

在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(MaximumPowerPoint，MPP)上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)技术。

在光伏发电系统中，光伏电池是一个非线性电源，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境如辐照度、负载和温度等因素的影响，即其输出电压和电流不仅受光强及温度的影响，而且也由负载的性质和状况决定。如果能使光伏电池阵列在外界环境改变的同时还能够处于最大功率点，这样就能最大限度的利用太阳能，提高光伏发电系统的效率，减少资源的浪费。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(MaximumPowerPoint，MPP)上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)技术。在光伏发电技术领域，通常需要使用光伏并网逆变器将光伏电池组件发出的直流电能转换成与电网同频同相的交流电能，同时采用控制方法对光伏组件进行电能输出优化，实现最大输出功率点跟踪。

已有的典型自寻优类MPPT算法有扰动观测法和电导增量法，其实际中常用对光伏电池端电压进行步进搜索的方法，计算前后两次输出功率全增量值以判断光伏电池输出功率的变化趋势，从而实时调节直流工作电压，使光伏电池最终工作于最大功率点。但是，在进行光伏电池输出功率调度过程中，这种MPPT控制方法容易受到使用环境如辐照度等因素的影响，会出现MPPT控制失效，直流电压不受控等情况。

最大功率点跟踪(MPPT)实质上是一个寻优过程，即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。并网逆变器的有功功率输出P_OUT与逆变器输出电流的d轴分量成正比，因此，并网逆变器直流侧电压U_pv的控制可通过对有功电流分量I_d的控制来实现。在并网光伏系统中，一般采用如图1所示控制结构。MPPT功率环的输出U_pv*作为直流电压环的电压指令，通过直流电压环的电压调节来搜索光伏电池的PPT，从而实现光伏系统的有功功率控制。

光伏电池的输出功率调度往往通过对有功电流I_d的限制来实现，当光伏电池的输出功率大于功率指令值时，电压调节器输出电流I_d将受有功电流限幅值I_LMT的限制，最终输出和限流值等值的有功指令电流I_d*。实际上，光伏电池的外部环境因数是不断变化的，特别是一天当中的光照辐照度甚至瞬息万变，因此对于光伏电池来说，其P-U特征曲线具有时变性。当辐照度发生一定幅度的突变时，如果采用上述MPPT控制方式，在进行光伏电池的输出功率调度过程中就存在MPPT失效，直流电压不受控的情况，具体分析如下：

如图2、图3所示，光伏电池输出功率指令为P_REF(对应有功电流限幅值I_LMT)，光伏系统由开路状态运行至a点，P-U特性如曲线1，此时工作电压记U_a，光伏电池输出功率P_a等于功率指令值P_REF并维持不变，光伏电池实际工作电压U_a等于电压指令值U_PV*。若此时辐照度突然变强，如图3a′b段曲线所示，由于有功电流I_d受到限幅值I_LMT限制，有功指令电流I_d*等于I_LMT，输出功率值等于功率指令值P_REF仍维持不变，则电压指令值U_PV*等于U_a值并维持不变。P-U特性如曲线2，光伏电池实际工作电压U_PV则由U_a变化至U_b，光伏系统的工作点由a点右移至b点，出现MPPT控制失效，直流电压U_PV和直流指令电压U_PV*偏离，即直流电压不受控，同时由于电压调节器的积分作用，有功电流I_d值将逐渐增大。若随后辐照度突然变弱，P-U特性如曲线3，光伏系统的工作点由b点右移至c点，光伏电池实际工作电压U_PV由U_b变化至U_c。如图3b′c段曲线所示，有功电流I_d值在光伏电池实际工作电压小于电压指令值U_PV*后逐渐递减，同样由于有功电流限幅值I_LMT的限制，输出功率值等于功率指令值仍维持不变，电压指令值U_PV*仍维持U_a值不变。如果辐照度持续减弱，则由于电压调节器在之前的正积分作用，在一定的时间段内有功电流I_d值仍大于限幅值I_LMT，此时将出现逆变器的瞬时输出功率会大于光伏电池的瞬时输出功率，从而导致光伏电池的工作电压降低。这样光伏电池的工作点由最大功率点向左移动，光伏电池的输出功率进一步减小，又导致直流电压的进一步下降，直到直流电压无法维持并网光伏逆变器的电流控制，即造成直流电压崩溃。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种功率可调度、在功率调度过程中能够进行有效的输出功率点跟踪、不受环境因素影响的光伏组件电能输出控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种光伏组件电能输出控制方法，当功率调度指令大于等于光伏电池最大输出功率时，根据当前工况下光伏电池的最大功率点进行跟踪控制；当功率调度指令小于光伏电池最大输出功率时，根据当前工况下光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配进行输出控制。

作为本发明的进一步改进：具体步骤为：

(1)检测当前太阳能电池板输出电压U(k)和当前太阳能电池板输出电流I(k)；

(2)计算功率P(k)：P(k)＝U(k)×I(k)；

(3)计算功率差值P_e(k)：P_e(k)＝|P(k)-P_REF|，P_REF为光伏电池输出功率指令；

(4)当功率差值P_e(k)大于或等于前一采样周期的功率差值P_e(k-1)时，执行步骤(5)，否则执行步骤(6)；

(5)如当前太阳能电池板输出电压U(k)大于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref-△U；如当前太阳能电池板输出电压U(k)小于或等于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref+△U；其中，U_ref光伏电池板参考工作电压；△U为电池板扰动电压；

(6)如当前太阳能电池板输出电压U(k)大于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref+△U；如当前太阳能电池板输出电压U(k)小于或等于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref-△U；其中，U_ref光伏电池板参考工作电压；△U为电池板扰动电压；

(7)循环执行上述控制流程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的方法不依赖于系统硬件，根据光伏电池不同端电压点的输出功率和功率调度指令之间的功率差值来实时动态调节直流工作电压，从而实现光伏电池的最大功率跟踪。

2、本发明的方法从起始状态开始，通过扰动光伏电池的工作电压，然后测量工作电压变化引起的功率输出变化的大小及方向，再次调节光伏电池工作电压的扰动方向，从而实现自寻最优控制。

3、本发明是根据功率差值比较来调节工作电压，从而实现MPPT。传统的控制方法是根据当前输出功率值比较来调节工作电压，从而实现MPPT，那么在进行功率调度时，这种传统控制方法容易产生误判。

附图说明

图1是现有技术中并网逆变器MPPT控制结构的示意图。

图2是光伏电池进行MPPT过程示意图。

图3是在辐照度变化时工作点参数变化情况示意图。

图4是采用扰动观测法观测MPPT的过程示意图；图中(a)、(b)、(c)、(d)分别代表四种不同状态下的控制示意图。

图5是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的光伏组件电能输出控制方法，为一种功率可调度的MPPT控制方法。本发明的基本原理是根据光伏电池不同端电压点的输出功率和功率调度指令之间的功率差值来实时动态调节直流工作电压，实现光伏电池的输出功率跟踪。换言之，本发明是将功率调度和MPPT功能相结合的控制方法，不仅能够实现功率调度，而且能够有效地完成光伏电池的输出功率点跟踪。当功率调度指令大于等于光伏电池最大输出功率时，实现当前工况下光伏电池的最大功率点跟踪，即MPPT；当功率调度指令小于光伏电池最大输出功率时，则实现当前工况下光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配，即功率调度。

假设光伏电池输出功率指令为P_REF，上一次光伏电池工作电压记为U₁，光伏电池输出功率和功率指令P_REF之间功率差值(|P₁-P_REF|)记为P_e1，当前光伏电池工作电压记为U₂，对应的光伏电池输出功率和功率指令P_REF之间功率差值(|P₂-P_REF|)记为P_e2，光伏电池工作电压扰动步长记△U，参见图4显示了MPPT的过程，具体描述如下：

1)当增大参考电压U(U₂＝U₁+△U)时，若P_e2>P_e1，则表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时系统应该以减小参考电压的扰动方式继续调节工作电压，如图4a所示。

2)当增大参考电压U(U₂＝U₁+△U)时，若P_e2<P_e1，则表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时系统应该以保持增大参考电压的扰动方式继续调节工作电压，如图4b所示。

3)当减小参考电压U(U₂＝U₁-△U)时，若P_e2>P_e1，则表明当前工作点位于最大功率点左侧，此时系统应该以增大参考电压的扰动方式继续调节工作电压，如图4c所示。

4)当减小参考电压U(U₂＝U₁-△U)时，若P_e2<P_e1，则表明当前工作点位于最大功率点右侧，此时系统应该以保持减小参考电压的扰动方式继续调节工作电压，如图4d所示。

由上可知，基于本发明的原理，可以根据输出功率和功率调度指令之间的差值来反复调节太阳能电池板工作电压，使光伏电池的输出功率跟踪指令功率。如图5所示，本发明方法的具体流程为：

(1)检测当前太阳能电池板输出电压U(k)和当前太阳能电池板输出电流I(k)；

(2)计算功率P(k)：P(k)＝U(k)×I(k)；

(3)计算功率差值P_e(k)：P_e(k)＝|P(k)-P_REF|，P_REF为光伏电池输出功率指令，因此P_e(k)为当前光伏电池输出功率和功率指令之间差值；

(4)当功率差值P_e(k)大于或等于前一采样周期的功率差值P_e(k-1)时，执行步骤(5)，否则执行步骤(6)；

(5)如当前太阳能电池板输出电压U(k)大于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref-△U；如当前太阳能电池板输出电压U(k)小于或等于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref+△U；其中，U_ref光伏电池板参考工作电压；△U为电池板扰动电压；

(6)如当前太阳能电池板输出电压U(k)大于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref+△U；如当前太阳能电池板输出电压U(k)小于或等于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref-△U；其中，U_ref光伏电池板参考工作电压；△U为电池板扰动电压；

(7)循环执行上述控制流程。

在本发明的上述过程中，当光伏电池当前工作点位于最大功率点左侧时，MPPT控制会使工作点的电压升高；当工作点位于最大功率点右侧时，MPPT控制会使工作点的电压下降，如果持续这样的搜索过程，最终可使系统跟踪光伏电池的最大功率点。

在具体应用过程中，本发明根据当前工况下的功率指令值P_REF的设定，光伏电池功率输出P_OUT有以下两种形式：

1)当P_REF≥P_MAX时，P_OUT＝P_MAX，实现当前工况下光伏电池的最大功率跟踪，即MPPT。

2)当P_REF<P_MAX时，P_OUT＝P_REF，实现当前工况下光伏电池的输出功率和功率调度指令P_REF的匹配，即功率调度。

如图2所示，当采用功率可调度的MPPT控制算法，在辐照度发生突变时，光伏电池瞬时输出功率将会偏离功率指令值P_REF，MPPT控制算法将根据瞬时功率和功率指令之间的功率差值实时调节直流工作电压U_PV，从而使光伏电池输出功率维持在功率指令值P_REF。整个功率调度过程，光伏电池实际工作电压U_PV始终跟随电压指令值U_PV*，因此本发明能够有效避免因辐照度突变所造成MPPT失效，直流电压不受控等不利影响。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种光伏组件电能输出控制方法，其特征在于，当功率调度指令大于等于光伏电池最大输出功率时，根据当前工况下光伏电池的最大功率点进行跟踪控制；当功率调度指令小于光伏电池最大输出功率时，根据当前工况下光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配进行输出控制；

具体步骤为：

(1)检测当前太阳能电池板输出电压U(k)和当前太阳能电池板输出电流I(k)；

(2)计算功率P(k)：P(k)＝U(k)×I(k)；

(3)计算功率差值P_e(k)：P_e(k)＝|P(k)-P_REF|，P_REF为光伏电池输出功率指令；

(4)当功率差值P_e(k)大于或等于前一采样周期的功率差值P_e(k-1)时，执行步骤(5)，否则执行步骤(6)；

(5)如当前太阳能电池板输出电压U(k)大于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref-△U；如当前太阳能电池板输出电压U(k)小于或等于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref+△U；其中，U_ref光伏电池板参考工作电压；△U为电池板扰动电压；

(6)如当前太阳能电池板输出电压U(k)大于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref+△U；如当前太阳能电池板输出电压U(k)小于或等于前一采样周期太阳能电池板输出电压U(k-1)，那么实际光伏电池板参考工作电压U_ref1满足U_ref1＝U_ref-△U；其中，U_ref光伏电池板参考工作电压；△U为电池板扰动电压；

(7)循环执行上述控制流程。