[发明专利]一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法

摘要

本发明针对外界环境温度变化较大时，光伏阵列不能快速跟踪最大功率点的问题，提出了一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法，其特点是，包括给定温度和辐照度光伏电池模型的建立、不同温度和辐照度光伏电池的模型建立、改进开路电压的最大功率跟踪控制策略和并网逆变器控制策略等内容，通过PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了包含光伏电池模型、升压斩波电路和并网逆变器的光伏发电系统；根据外部环境变化更新开路电压，使光伏系统快速稳定于最大功率点；为进一步提高光伏发电系统的能量转换效率，引入增量电导法改善最大功率点处的稳态性能；为提高光伏阵列跟踪最大功率点的效率，减小光伏阵列的能量损失提供了有效手段。

主权项

一种在线修正开路电压的光伏发电最大功率跟踪方法，其特征是：根据外部环境变化更新开路电压，使光伏系统快速稳定于最大功率点；为进一步提高光伏发电系统的能量转换效率，引入增量电导法改善最大功率点处的稳态性能；它包括以下内容：1)给定温度和辐照度的光伏电池模型的建立基于光伏电池的外特性，根据环境变化对标准环境下光伏电池的开路电压Voc、最大功率点电压Vm和电流Im进行修正，拟合出不同环境下的输出特性，用式(1)表示：IL=ISC{1-C1[exp(VC2VOC)-1]}---(1)]]>其中，IL为光伏电池的电流(A)；Isc为光伏电池的短路电流(A)；V为光伏电池的电动势(V)；C1=(1-ImIsc)exp(-VmC2Voc),C2=(ImIsc-1)(ln(1-ImIsc))-1;]]>该模型只需要输入光伏电池厂家提供的技术参数——短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率点电压Vm和最大功率点电流Im，就可以得出中间变量C1、C2，从而确定I‑V特性曲线；对于m×n节电池组成的光伏阵，其I‑V方程为式(2)：IL=nISC{1-C1[exp(VmC2VOC)-1]}---(2)]]>其中，m为串联光伏电池个数，n为并联光伏电池组数；2)不同温度和辐照度光伏电池的模型建立在不同光强和温度条件下，对式(1)或式(2)的各参数进行修正以刻画输出特性：ΔT＝T‑Tref  (3)ΔS=SSref-1---(4)]]>Isc′=IscrefSSref(1+aΔT)---(5)]]>V′oc＝Vocref(1‑cΔT)ln(e+bΔS)  (6)Im′=ImrefSSref(1+aΔT)---(7)]]>V′m＝Vmref(1‑cΔT)ln(e+bΔS)  (8)其中，T为当前电池板温度，Tref为电池板温度的参考值，其值为25℃，△T为当前环境温度T与参考温度Tref的差值；S为当前辐照强度，Sref为辐照强度的参考值，其值为1000MW/m2，△S为当前辐照强度S与参考辐照强度Sref的差值；Iscref、Vocref、Imref、Vmref为参考辐照强度和温度下的短路电流、开路电压、最大功率点的电流和电压的参考值，I′sc、V′oc、I′m、V′m分别为Iscref、Vocref、Imref、Vmref在不同环境下的修正值；a与c为温度补偿系数，b为光强补偿系数，本文取值为a＝0.0008/℃，c＝0.005/℃，b＝0.2；e为合理边界误差；根据参考辐照强度和温度下的Isc、Voc、Im、Vm推算出新辐照强度和温度下的Isc'、Voc'、Vm'、Im'，再代入式(1)或(2)中得到新辐照强度和温度下的I‑V特性曲线；3)改进开路电压的最大功率跟踪控制策略由光伏电池的P‑V曲线可以得出：当温度一定时，辐照强度的变化对Isc的影响较大，对Voc的影响较小；当辐照强度一定时，温度的变化对Voc的影响较大，对Isc的影响较小；因此，只需在外界温度发生较大变化时在线计算更新Voc大小；不同环境条件下，当光伏系统的Voc发生改变时，光伏系统的Vm也近似地成比例变化，Vm和开路电压Voc之间存在着近似的线性关系Vm≈k1×Voc，对于不同的光伏系统k1取值不同，本文取k1＝0.79；忽略光照变化影响，则△S＝0，根据式(6)得ln(e+b△S)＝1，故可将(6)式改成下式(9)近似计算新环境下的Voc'：V′oc≈Voc‑Voc×c×ΔT  (9)当外部环境发生变化时，通过改进开路电压法可以将工作点迅速调整到最大功率点附近，然后采用增量电导法逐步逼近最大功率点；4)并网逆变器控制策略单相两级光伏并网发电系统，前级Boost斩波电路实现光伏电池的最大功率跟踪控制，输出电压具有较广的选择范围，后级DC/AC逆变电路的功能是稳定直流侧电压和控制并网电流，实现并网逆变和最大功率跟踪独立控制，两级控制系统设计相对简单，减小了装置的复杂度，系统的可靠性提高，并网逆变器控制采用电流反馈双闭环控制策略，为了提高交流侧电流的响应速度，在双闭环控制的基础上引入功率平衡前馈环节，使得交流侧输出能够更快地对直流侧输入功率变化做出响应。