(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108170199 A(43)申请公布日 2018.06.15
(21)申请号 201710844185.8(22)申请日 2017.09.19
(71)申请人 河海大学常州校区
地址 213022 江苏省常州市晋陵北路200号(72)发明人 王光清 白建波 陈健豪 夏旭
曹飞 刘演华 王喜炜 丁洁 李华锋 张超 田胜 盛战 (74)专利代理机构 常州市科谊专利代理事务所
32225
代理人 孙彬(51)Int.Cl.
G05F 1/67(2006.01)
权利要求书3页 说明书7页 附图2页
(54)发明名称
一种快速实现MPPT的控制方法(57)摘要
本发明公开了一种快速实现MPPT的控制方法，包括如下步骤：（1）、建立光伏组件五参数模型；（2）、利用辐照仪和温度计测量光伏组件的实际运行条件下的辐照度和温度；（3）、利用五参数模型以及Lambert函数求解光伏组件实际辐照度以及温度下的最大功率点电压值；（4）、通过所求最大功率点电压值带入到DC/DC转换器实现光伏组件最大功率点的追踪。本发明提出的一种快速实现MPPT的控制方法，实现方式较为简单，且可以准确追踪到最大功率点的位置，实现最大功率点追踪。
CN 108170199 ACN 108170199 A
权 利 要 求 书
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1.一种快速实现MPPT的控制方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、建立光伏组件五参数模型；(2)、利用辐照仪和温度计测量光伏组件的实际运行条件下的辐照度和温度；(3)、利用五参数模型以及Lambert函数求解光伏组件实际辐照度以及温度下的最大功率点电压值；
(4)、通过所求最大功率点电压值带入到DC/DC转换器实现光伏组件最大功率点的追踪。
2.根据权利要求1所述的一种快速实现MPPT的控制方法，其特征在于所述步骤(1)中建立光伏组件五参数模型的步骤如下：
(2a)、根据单晶硅光伏组件的等效电路图建立光伏组件输出特性模型；(2b)、基于该模型利用基尔霍夫电流定律得到光伏组件电流特性方程，如等式(1)所示：
其中，Iph为光生电流，ID为二极管通过电流，Ish为流过并联电阻电流，I0为二极管反向饱和电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，a为曲线拟合因子，V为光伏组件输出电压，I为光伏组件输出电流；
(2c)、根据光伏组件铭牌上提供的标准测试条件下的参数值，获取电流方程所需的五个参数，具体算法如下：
首先建立光伏组件四参数模型及不考虑并联电阻Rsh，Iph,4＝Isc (2)
其中公式(2)～(5)中下标4表示是在四参数模型中求得的参数值，根据光伏组件铭牌上在标准条件下的Isc,s,Uoc,s,Imp,s,Ump,s求出四个参数的值；
(2d)、根据光伏组件I-V分区曲线，按电压划分为高、中、低三个区，在高电压区和低电压区，电压对电流的导数与直线的斜率近似相等：
选取坐标分别为(0，ISC)和(U2，0.5×(ISC+Imp)的两点，两点坐标均在低电压区；同理分别选取高电压区的两点，两点坐标为(U3，0.5×Imp)和(UOC，0)，因此：
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权 利 要 求 书
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其构造的封闭代数方程组如下所示：
以上公式(10)～(13)中的下标5表示是在五参数模型下的参数，根据光伏组件铭牌上在标准条件下的Isc,s,Uoc,s,Imp,s,Ump,s代入公式(9)～(13)，求出标准条件下的五个参数的值Iph,5,I0,5,Rs,5,Rsh,5,a5。
3.根据权利要求1所述的一种快速实现MPPT的控制方法，其特征在于所述步骤(3)中利用五参数模型以及Lambert函数求解光伏组件实际辐照度以及温度下的最大功率点电压值的步骤如下：
(3a)、根据标准情况下的光伏组件的Iph,5,I0,5,Rs,5,Rsh,5,a5值求解光伏组件在不同辐照度和温度下光伏组件的五个参数值，过程如下：
式中，Iph,5'为实际工作条件下的电流，Iph,5标准条件下的光生电流，E实际辐照强度，E0标准条件下的光照强度，μTc实际光伏组件温度，Tc,ref标准光伏组件I,sc短路电流温度系数，
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权 利 要 求 书
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温度；
式中，I0,5'为二极管在实际工作条件下的二极管反向饱和电流，I0,5为二极管在标准条件下的二极管反向饱和电流，Eg为单晶硅的带宽,Tc实际光伏组件温度，Tc,ref标准光伏组件温度，k为玻尔兹曼常数；
式中，Rsh,5'为实际工作条件下的并联电阻，Rsh,5为标准条件下的并联电阻，E实际辐照强度，E0标准条件下的光照强度为1000W/㎡；
Rs,5′＝Rs,5 (17)式中，Rs,5'为实际工作条件下的串联电阻，Rs,5为标准条件下的串联电阻；(3b)、公式(1)经Lambert函数x＝W(x)exp[W(x)]转换后的电压关于电流的表达式为：
其中：
将最大功率点工作电流Imp'，工作电压Ump'以及在特定辐照度和温度下的五参数值代入公式(18)可得：
其中：
在最大功率点处，功率对于电流的导数为0，获得：
根据公式(22)求解出最大功率点电流值Imp'，将最大功率点电流值以及在实际辐照度和温度条件下光伏组件五个参数代入公式(1)计算求解最大功率点电压值Ump'。
4.根据权利要求1所述的一种快速实现MPPT的控制方法，其特征在于所述步骤(4)中实现光伏组件最大功率点的追踪的步骤如下：
PID控制器中将最大功率点处电压值作为输入，将负载电压作为BOOST电路中的电压源，通过PID控制器输出占空比调节场效应管的开断，通过BOOST电路完成最大功率点的追踪。
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说 明 书
一种快速实现MPPT的控制方法
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技术领域
[0001]本发明涉及一种快速实现MPPT的控制方法，属于光伏技术领域。
背景技术
[0002]通常光伏电站运行时，都需要追踪光伏组件的最大功率点，要求光伏电站在最大功率点处运行，实现光伏电站的最大效率。光伏组件的I-V输出特性曲线是随着外界辐照度以及温度发生变化的，当外界辐照度以及温度发生变化时，最大功率点的位置就会发生变化，此时光伏系统就需要追踪最大功率点的位置，实现效率最大化。[0003]目前MPPT控制方法有恒压控制法，扰动观测法以及电导增量法。但是恒压控制法的效率较低，当辐照度、温度发生变化，很难追踪到最大功率点；扰动观测法是通过采集电压、电流等参数通过算法一步步逼近最大功率点，但是此方法在辐照度发生突变时容易系统失效且容易发生最大功率点左右扰动；电导增量法控制难度较大，实现起来较为困难。发明内容
[0004]为了解决上述问题，本发明提供一种快速实现MPPT的控制方法。[0005]一种快速实现MPPT的控制方法，包括如下步骤：[0006](1)、建立光伏组件五参数模型；
[0007]建立光伏组件五参数模型的步骤如下：[0008](a)、根据单晶硅光伏组件的等效电路图,如图2所示，建立光伏组件输出特性模型；[0009](b)、基于该模型利用基尔霍夫电流定律得到光伏组件电流特性方程，如等式(1)所示：
[0010]
其中，Iph为光生电流，ID为二极管通过电流，Ish为流过并联电阻电流，I0为二极管
反向饱和电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，a为曲线拟合因子，V为光伏组件输出电压，I为光伏组件输出电流；[0012](c)、根据光伏组件铭牌上提供的标准测试条件下的参数值，获取电流方程所需的五个参数，具体算法如下：
[0013]首先建立光伏组件四参数模型及不考虑并联电阻Rsh，[0014]Iph,4＝Isc (2)
[0015]
[0011]
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说 明 书
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[0016]
[0017]
其中公式(2)～(5)中下标4表示是在四参数模型中求得的参数值，根据光伏组件
铭牌上在标准条件下的Isc,s,Uoc,s,Imp,s,Ump,s求出四个参数的值；[0019](d)、根据光伏组件I-V分区曲线，按电压划分为高、中、低三个区，在高电压区和低电压区，电压对电流的导数与直线的斜率近似相等：
[0020]
[0018]
选取坐标分别为(0，ISC)和(U2，0.5×(ISC+Imp)的两点，两点坐标均在低电压区；同理分别选取高电压区的两点，两点坐标为(U3，0.5×Imp)和(UOC，0)，因此：
[0022]
[0021]
[0023]
[0024][0025]
其构造的封闭代数方程组如下所示：
[0026]
[0027]
[0028]
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说 明 书
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[0029]
以上公式(10)～(13)中的下标5表示是在五参数模型下的参数，根据光伏组件铭
牌上在标准条件下的Isc,s,Uoc,s,Imp,s,Ump,s代入公式(9)～(13)，求出标准条件下的五个参数的值Iph,5,I0,5,Rs,5,Rsh,5,a5。[0031](2)、利用辐照仪和温度计测量光伏组件的实际运行条件下的辐照度和温度；[0032](3)、利用五参数模型以及Lambert函数求解光伏组件实际辐照度以及温度下的最大功率点电压值；[0033]步骤如下：[0034](3a)、根据标准情况下的光伏组件的Iph,5,I0,5,Rs,5,Rsh,5,a5值求解光伏组件在不同辐照度和温度下光伏组件的五个参数值，过程如下：
[0035]
[0030]
式中，Iph,5'为实际工作条件下的电流，Iph,5标准条件下的光生电流，E实际辐照强度，E0标准条件下的光照强度，μTc实际光伏组件温度，Tc,ref标准光伏I,sc短路电流温度系数，组件温度；
[0037]
[0036]
式中，I0,5'为二极管在实际工作条件下的二极管反向饱和电流，I0,5为二极管在标
准条件下的二极管反向饱和电流，Eg为单晶硅的带宽,Tc实际光伏组件温度，Tc,ref标准光伏组件温度，k为玻尔兹曼常数；
[0039][0040]
[0038]
式中，Rsh,5'为实际工作条件下的并联电阻，Rsh,5为标准条件下的并联电阻，E实际辐照强度，E0标准条件下的光照强度为1000W/㎡；[0041]Rs,5′＝Rs,5 (17)[0042]式中，Rs,5'为实际工作条件下的串联电阻，Rs,5为标准条件下的串联电阻；[0043](3b)、公式(1)经Lambert函数x＝W(x)exp[W(x)]转换后的电压关于电流的表达式为：
[0044][0045][0046][0047]
其中：
将最大功率点工作电流Imp'，工作电压Ump'以及在特定辐照度和温度下的五参数
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值代入公式(18)可得：
[0048][0049][0050][0051][0052]
其中：
在最大功率点处，功率对于电流的导数为0，获得：
[0053]
根据公式(22)求解出最大功率点电流值Imp'，将最大功率点电流值以及在实际辐
照度和温度条件下光伏组件五个参数代入公式(1)计算求解最大功率点电压值Ump'。[0054](4)、通过所求最大功率点电压值带入到DC/DC转换器实现光伏组件最大功率点的追踪。
[0055]PID控制器中将最大功率点处电压值作为输入，将负载电压作为BOOST电路中的电压源，通过PID控制器输出占空比调节场效应管的开断，通过BOOST电路完成最大功率点的追踪。
[0056]本发明所达到的有益效果：
[0057]本发明提出的一种快速实现MPPT的控制方法，实现方式较为简单，且可以准确追踪到最大功率点的位置，实现最大功率点追踪。
附图说明
[0058]图1是本发明的流程示意图；
[0059]图2是单晶硅光伏组件的等效电路图；[0060]图3是光伏组件I-V分区曲线图；[0061]图4是最大功率点追踪流程图。
具体实施方式
[0062]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。[0063]如图1所示，一种快速实现MPPT的控制方法，包括如下步骤：[0064](1)、建立光伏组件五参数模型；
[0065]建立光伏组件五参数模型的步骤如下：[0066](a)、根据单晶硅光伏组件的等效电路图建立光伏组件输出特性模型；[0067](b)、基于该模型利用基尔霍夫电流定律得到光伏组件电流特性方程，如等式(1)所示：
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其中，Iph为光生电流，ID为二极管通过电流，Ish为流过并联电阻电流，I0为二极管
反向饱和电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，a为曲线拟合因子，V为光伏组件输出电压，I为光伏组件输出电流；[0070](c)、根据光伏组件铭牌上提供的标准测试条件下的参数值，获取电流方程所需的五个参数，具体算法如下：
[0071]首先建立光伏组件四参数模型及不考虑并联电阻Rsh，光伏组件处于外电路短路状态时，等效二极管的电流I0相对于短路电流Isc非常小，可忽略；在开路状态时，电流I为0，式中指数向后面的“-1”很小，可以忽略；而在均匀辐照下，最大功率点处功率的偏微分方程
[0069]
考虑以上条件可得出四个参数的公式为：
[0072][0073]
Iph,4＝Isc (2)
[0074]
[0075]
其中公式(2)～(5)中下标4表示是在四参数模型中求得的参数值，根据光伏组件铭牌上在标准条件下的Isc,s,Uoc,s,Imp,s,Ump,s求出四个参数的值；[0077](d)、根据光伏组件I-V分区曲线，如图3所示，按电压划分为高、中、低三个区，在高电压区和低电压区，电压对电流的导数与直线的斜率近似相等：
[0078]
[0076]
选取坐标分别为(0，ISC)和(U2，0.5×(ISC+Imp)的两点，两点坐标均在低电压区；同理分别选取高电压区的两点，两点坐标为(U3，0.5×Imp)和(UOC，0)，因此：
[0080]
[0079]
[0081]
[0082]
与四参数模型相比，五参数模型考虑了并联电阻对组件性能的影响，加大了参数提取的难度。解析解法通过数学变换将超越方程转换为代数方程，构造了一个封闭的代数
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方程组，可以较为准确的地求解出五个参数的值。其构造的封闭代数方程组如下所示：
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
以上公式(10)～(13)中的下标5表示是在五参数模型下的参数，根据光伏组件铭牌上在标准条件下的Isc,s,Uoc,s,Imp,s,Ump,s代入公式(9)～(13)，求出标准条件下的五个参数的值Iph,5,I0,5,Rs,5,Rsh,5,a5。[0088](2)、利用辐照仪和温度计测量光伏组件的实际运行条件下的辐照度和温度；[0089](3)、利用五参数模型以及Lambert函数求解光伏组件实际辐照度以及温度下的最大功率点电压值；[0090]步骤如下：[0091](3a)、根据标准情况下的光伏组件的Iph,5,I0,5,Rs,5,Rsh,5,a5值求解光伏组件在不同辐照度和温度下光伏组件的五个参数值，过程如下：
[0087][0092]
式中，Iph,5'为实际工作条件下的电流，Iph,5标准条件下的光生电流，E实际辐照强度，E0标准条件下的光照强度，μTc实际光伏组件温度，Tc,ref标准光伏I,sc短路电流温度系数，组件温度；
[0093][0094][0095]
式中，I0,5'为二极管在实际工作条件下的二极管反向饱和电流，I0,5为二极管在标
准条件下的二极管反向饱和电流，Eg为单晶硅的带宽,Tc实际光伏组件温度，Tc,ref标准光伏
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组件温度，k为玻尔兹曼常数；
[0096][0097]
式中，Rsh,5'为实际工作条件下的并联电阻，Rsh,5为标准条件下的并联电阻，E实际辐照强度，E0标准条件下的光照强度为1000W/㎡；[0098]Rs,5′＝Rs,5 (17)[0099]式中，Rs,5'为实际工作条件下的串联电阻，Rs,5为标准条件下的串联电阻；[0100](3b)、公式(1)经Lambert函数x＝W(x)exp[W(x)]转换后的电压关于电流的表达式为：
[0101][0102][0103][0104]
其中：
将最大功率点工作电流Imp'，工作电压Ump'以及在特定辐照度和温度下的五参数
值代入公式(18)可得：
[0105][0106][0107][0108][0109]
其中：
在最大功率点处，功率对于电流的导数为0，获得：
根据公式(22)求解出最大功率点电流值Imp'，将最大功率点电流值以及在实际辐
照度和温度条件下光伏组件五个参数代入公式(1)计算求解最大功率点电压值Ump'。[0111](4)、通过所求最大功率点电压值带入到DC/DC转换器实现光伏组件最大功率点的追踪。
[0112]如图4所示，PID控制器中将最大功率点处电压值作为输入，将负载电压作为BOOST电路中的电压源，通过PID控制器输出占空比调节场效应管的开断，通过BOOST电路完成最大功率点的追踪。
[0113]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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