光伏系統(tǒng)多峰值MP P T控制方法研究

項(xiàng)麗，王冰，李笑宇，袁越

（1.寧夏電力調(diào)度中心，寧夏銀川 750001；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100）

光伏系統(tǒng)多峰值MP P T控制方法研究

項(xiàng)麗1，王冰2，李笑宇1，袁越2

（1.寧夏電力調(diào)度中心，寧夏銀川 750001；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100）

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隨著社會的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，能源短缺問題成為社會發(fā)展的瓶頸。許多國家開始重視風(fēng)電、太陽能等新能源和可再生能源的研究、開發(fā)和利用[1]。太陽能憑借永不枯竭、無污染、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，成為最具潛能的新能源之一，其中光伏發(fā)電又是太陽能利用最有效的方式，具有安全可靠、無噪聲、規(guī)模大小隨意等優(yōu)點(diǎn)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，充分利用太陽能資源，一個重要的途徑就是實(shí)時調(diào)節(jié)光伏電池的工作點(diǎn)，使之保持在最大功率點(diǎn)附近，該過程稱為最大功率點(diǎn)跟蹤（maximumpower point track，MPPT）[2]。

由于光伏電池的理論模型顯示為單峰特性，目前對于MPPT算法的研究還集中于P-V特性曲線的單峰尋優(yōu)，主要方法包括：恒定電壓法、擾動觀測法、導(dǎo)納增量法[3-6]。其中,擾動觀測法通過周期性的增加或減少系統(tǒng)的輸出電壓，尋找最大功率點(diǎn)[7-8]；導(dǎo)納增量法是通過光伏發(fā)電系統(tǒng)的增量電導(dǎo)和瞬時電導(dǎo)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參考電壓[9-10]。在實(shí)際的光伏系統(tǒng)中，當(dāng)若干個光伏組件串聯(lián)成光伏陣列時，為了避免產(chǎn)生“熱斑”，需要在光伏組件兩端并聯(lián)旁路二極管。當(dāng)某組件被遮擋時，該旁路二極管導(dǎo)通，組件或陣列的輸出特性將發(fā)生較大變化，顯示出多峰值特性[11]。相對于單峰值情況，MPPT算法眾多、研究成果豐富，對多峰值情況控制算法的研究還很少，鮮有論文發(fā)表[12]。

本文基于對以往單峰值MPPT算法的研究分析，提出多峰值情況下光伏系統(tǒng)的MPPT控制算法。文中給出的多峰值尋優(yōu)過程由4個步驟組成，依次為：確定谷值、谷值定界、多域比較、定域搜索，通過以上步驟實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的有效跟蹤。在提出的控制算法中，如何確定多峰值P-V輸出特性曲線的谷值是關(guān)鍵問題：通過尋找多峰值特性曲線的谷值，對曲線進(jìn)行定界和分區(qū)，進(jìn)而分區(qū)域加以搜索，得到全局最大功率點(diǎn)。最后，通過Matlab軟件進(jìn)行算例仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 光伏系統(tǒng)的多峰特性

通過對物理模型的分析，光伏電池可以看作一個二極管與太陽光電流源所并聯(lián)的等效電路。由于材料本身具有一定的電阻率，引入附加電阻，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗。光伏電池的等效電路如圖1所示，可以用串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh來表示。

圖1 光伏電池等效電路Fig.1 PV battery equivalent circuit

光伏電池單元的I-U方程為

其中，Iph為光生電流，其值正比于太陽能電池的面積和入射光的輻射度；I0為反向飽和電流；q為電子電荷；n為二極管因子；K為玻耳茲曼常數(shù)。

由于單個光伏電池所產(chǎn)生的能量很少，需將若干個光伏電池進(jìn)行并、串聯(lián)，搭接成光伏陣列加以使用。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)陰影落在光伏陣列某一支路中的某一光伏組件表面時，總的輸出功率會減少。對于串聯(lián)情況，若有一個光伏組件被遮擋，不但會損失該組件所輸出的電能，而且由于該組件被反向偏置，進(jìn)而變成損耗功率，產(chǎn)生“熱斑”現(xiàn)象。為了避免“熱斑”的產(chǎn)生，通常采用在光伏組件電池內(nèi)部或電池間的串聯(lián)電路中上并聯(lián)一個“旁路二極管”，如圖2所示。

圖2 安裝旁路二極管的光伏電池組件串聯(lián)支路Fig.2 Serial branch of PV module with bypass diode

當(dāng)陣列中的部分組件被遮擋時，“旁路二極管”被激活，組件或陣列的輸出特性將發(fā)生較大變化，反映在P-V特性曲線上則是出現(xiàn)多峰情況，如圖3所示。對應(yīng)不同的光照強(qiáng)度，會產(chǎn)生相應(yīng)的波峰，所以光照強(qiáng)度的數(shù)目和波峰的數(shù)目是對應(yīng)的。

圖3 安裝旁路二極管的串聯(lián)光伏組件在非均勻光照下的特性曲線Fig.3 I-V and P-V curve of serial PV module with bypass diode under non-uniform illumination

目前傳統(tǒng)的MPPT方法針對單峰值曲線情況，技術(shù)上可以采用恒定電壓法、擾動觀測法以及導(dǎo)納增量法等算法。這些MPPT方法的共同思想是不斷地調(diào)整電流或電壓的采集點(diǎn)，并隨時計(jì)算采集點(diǎn)上的功率，然后將當(dāng)前時刻的功率與前一時刻的功率進(jìn)行比較，決定后續(xù)采集點(diǎn)的運(yùn)動方向。顯然，這些方法是建立在光伏陣列輸出功率具有“單峰”的基礎(chǔ)上。當(dāng)陣列并聯(lián)有二極管時，各組件的工作狀態(tài)不一致，使得功率特性曲線不再表現(xiàn)為單峰，上述方法會讓系統(tǒng)工作在某一個局部峰值附近，但無法確保系統(tǒng)工作在最大的峰值點(diǎn)上。因此，需要研究并提出新的最大功率跟蹤方法，在“多峰”情況下，仍然能夠找到全局的最大功率點(diǎn)。

2 基于谷值定界的多峰值MPPT控制方法

光伏電站中不同位置會安裝有光強(qiáng)傳感器，如果出現(xiàn)局部遮擋情況，即可及時觀測到，因此，根據(jù)不同的光強(qiáng)與波峰相對應(yīng)的原則，一般情況下，峰值的數(shù)目是可以知道的。在這一條件下，我們提出具體的多峰值MPPT控制方法。

在已知光伏系統(tǒng)P-V特性曲線中的峰值個數(shù)的信息后，MPPT控制方法二如圖4所示，按照以下步驟展開。

圖4 多峰值MPPT控制方法二Fig.4 Control method 2of multi-peak value MPPT

第一步，確定谷值：選取一定數(shù)量的初始值（不少于峰值的個數(shù)），按照等距離分布。根據(jù)這些電壓初始值，通過計(jì)算得到相應(yīng)的功率值。而后選取合適的步長（為提高搜索效率，步長不宜太小），沿著功率變小的方向進(jìn)行搜索，直到功率值不再變小為止。此時，可以確定這里存在一個最低點(diǎn)（谷值）。該過程中，如果出現(xiàn)搜索過界的情況，則可以停止這一初始值的搜索過程，因?yàn)樵摮跏贾蹬c另一初始值同處于一個峰值的區(qū)域范圍內(nèi)。

第二步，谷值定界：根據(jù)第一步所得到的多個谷值進(jìn)行定界，因?yàn)橐阎姆逯禂?shù)，可確定搜索過程是否有遺漏。如果有遺漏，則進(jìn)入彌補(bǔ)程序；如果沒有遺漏，則可以對搜索的整個區(qū)域進(jìn)行定界，從而確定各個峰值所在的范圍。

彌補(bǔ)程序：如果發(fā)現(xiàn)所得谷值的數(shù)目不夠，這時搜索可能遺漏峰值，需要進(jìn)行彌補(bǔ)。通過分析，在局部區(qū)域插入初始值，進(jìn)行重新搜索，直到找到所缺的谷值為止。

這里選擇谷值定界的原因在于：（1）谷值的數(shù)目少于峰值數(shù)目，例如特性曲線中有4個峰值，只有3個谷值，這樣可以減少工作量；（2）運(yùn)用谷值進(jìn)行定界時，對谷值的準(zhǔn)確度要求較低，知道大概的數(shù)值即可，因此步長可以選取較大的值，加快搜索速度。

第三步，多域比較：根據(jù)第二步定界的多個區(qū)域，分別進(jìn)行最大值搜索。在每個區(qū)域內(nèi)，從第一步的初始值開始，進(jìn)行反向搜索；為提高效率，選取合適的步長值（小于確定谷值的步長，大于定域搜索的步長），搜索到該區(qū)域內(nèi)局部最大值（峰值）的粗略值；最后，將不同區(qū)域內(nèi)搜索得到的局部最大值進(jìn)行比較，確定全局最大值所在的波峰范圍，而后進(jìn)入選定區(qū)域進(jìn)行精確搜索。

在多域比較中，由于所得的局部最大值為粗略值，可能由于其偏差，錯誤選擇了全局最大值所在的波峰，這主要與步長值選取偏大有關(guān)。但產(chǎn)生這樣的問題時，發(fā)生誤判的兩個局部最大值相差不會太大，所以對最大功率點(diǎn)發(fā)電造成的損失也是有限的。

第四步，定域搜索：在確定的區(qū)域進(jìn)行搜索時，為提高搜索效率，以第三步的搜索結(jié)果作為初始點(diǎn)開始，進(jìn)行反向搜索，即沿著功率變大的方向進(jìn)行搜索。這時可采用研究較為成熟的單峰值MPPT方法，例如變步長搜索方法、擾動觀察法或電導(dǎo)增量法，力求在較短時間內(nèi)，最為準(zhǔn)確地得到全局最大值。

少數(shù)光伏電站不具有多點(diǎn)光強(qiáng)測試條件時，則需要對控制算法進(jìn)行修正。這時由于光照強(qiáng)度未知，所以P-V特性曲線中的峰值個數(shù)未知，需要對MPPT控制方法做出調(diào)整，在第一步前增加一個步驟：全程掃描。具體過程如下：以一個合適步長，對P-V特性曲線進(jìn)行掃描，記錄不同電壓下的輸出功率，通過分析可以確定峰值的個數(shù)。而選擇合適的步長是該步的關(guān)鍵，步長太大，容易遺漏波峰，步長太小，又會浪費(fèi)掃描時間。

3 仿真驗(yàn)證

利用Matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證本文中算法的可行性。首先，如圖5所示，當(dāng)帶有旁路二極管的串聯(lián)光伏組件受到3個不同強(qiáng)度的入射光強(qiáng)照射時，光伏系統(tǒng)的P-V特性曲線將出現(xiàn)3個峰。

圖5 三峰的光伏系統(tǒng)P-V曲線Fig.5 Three peak value P-V curve of PV system

1）根據(jù)MPPT控制方法，首先尋找3個波峰存在的2個波谷。尋找波谷過程如圖6和圖7所示，由圖6可知，在0.005s找到波谷一，由圖7可知，在0.010s找到波谷二。

圖6 尋找波谷一的過程Fig.6 Process of searching for valley value 1

圖7 尋找波谷二的過程Fig.7 Process of searching for valley value 2

2）得到波谷后，經(jīng)過谷值定界，進(jìn)入分域搜索階段，如圖8所示，分別在3個波峰范圍內(nèi)進(jìn)行局部最大值搜索，在 0.005s（紅點(diǎn)虛線）、0.018s（藍(lán)虛線）和0.026s（藍(lán)實(shí)線）找到3個次波峰。通過比較3個局部最大值，可以知道全局最大功率點(diǎn)存在于第二個波峰，因此在0.026s進(jìn)入全局最大功率點(diǎn)精確尋優(yōu)階段，通過改變步長，在較快時間內(nèi)得到全局最大功率點(diǎn)為41.2W。

圖8 尋找次波峰及全局最大值的過程Fig.8 Process of searching for the second peak and the global maximum value

通過以上仿真過程可以知道，通過MPPT控制方法，可以順利找到光伏系統(tǒng)的全局最大功率點(diǎn)。從而驗(yàn)證了該控制算法的有效性。但以上尋優(yōu)過程并不是最高效、快捷的，改變步長后，仿真得到圖9。比較圖9中的2條尋優(yōu)曲線，可以發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整搜索步長，在0.014s就進(jìn)入精確尋優(yōu)過程，尋優(yōu)時間變短，尋優(yōu)效率提高。

圖9 調(diào)整步長尋找全局最大值過程Fig.9 Process of searching for the global maximum in adjusting step

4 結(jié)論

實(shí)際光伏系統(tǒng)中，光伏組件在部分被遮擋情況下會顯現(xiàn)出多峰值的P-V特性曲線，本文針對這類曲線的最大功率點(diǎn)提出了MPPT控制方法。其中的關(guān)鍵步驟在于：1）通過搜索確定谷值，對特征曲線進(jìn)行分區(qū)；2）通過分區(qū)域搜索比較，保證了系統(tǒng)工作在全局最大功率點(diǎn)。該控制算法解決了現(xiàn)有單峰值算法可能陷入局部最大值“陷阱”的問題，并可與單峰值的MPPT控制算法加以組合使用，能夠在復(fù)雜的環(huán)境變化下保證系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)，大大提高了光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率。

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Multi-Peak Maximum Power Point Track Control Method of Photovoltaic System

XIANG Li1，WANG Bing2，LI Xiao-yu1，YUAN Yue2
（1.Dispatching Center of Ningxia Electric Power Company，Yinchuan 750001，Ningxia，China；2.College of Energy and Electrical Engineering，Hehai University，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

In case that the photovoltaic（PV）system is partially blocked，the PV components connected in series and with a bypass diode，show produce the multi-peak output characteristics.To obtain the global maximum power point,the maximum power point track（MPPT）is needed.Based on the single-peak MPPT control algorithm,this paper proposes a new multi-peak MPPT control method to track the maximum power point via four steps.The key point of this algorithm is obtaining the valley values of the output characteristics，which can make it convenient to get the boundary and search for the point in the multi-zone.Validity of the proposed control algorithm proves is demonstrated throughtrue by simulations of actual cases.

photovoltaic （PV） system；multi-peak value；maximum power point track（MPPT）；valley value

實(shí)際光伏系統(tǒng)在被部分遮擋的情況下，帶有旁路二極管的串聯(lián)光伏組件呈現(xiàn)出多峰值的輸出特性。為得到全局最大功率點(diǎn)，需要對其進(jìn)行多峰值最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。在單峰值MPPT控制算法的基礎(chǔ)上，提出新的多峰值MPPT控制方法，能夠通過4步，實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的有效跟蹤。該算法的關(guān)鍵在于確定輸出特性的谷值，以便進(jìn)行定界和多區(qū)域搜索。最后通過仿真實(shí)例驗(yàn)證該算法的有效性。

光伏系統(tǒng)；多峰值；最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）；谷值

國家自然科學(xué)基金（51007019）。

1674-3814（2012）08-0068-05

TM 615

A

2012-01-18。

項(xiàng) 麗（1977—），女，高級工程師，碩士，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行方式工作；

王 冰（1975—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電控制技術(shù)、非線性系統(tǒng)魯棒控制。

（編輯 徐花榮）