局部陰影遮蔽下光伏陣列MPPT算法的研究綜述

2014-07-28 05:19:22孫成正朱孝立趙春柳

電腦知識(shí)與技術(shù) 2014年17期

孫成正　朱孝立　趙春柳

摘要：光伏陣列作為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本發(fā)電單元，在局部陰影條件下，它的輸出特性發(fā)生改變，相應(yīng)的功率曲線含有多個(gè)局域峰值，使常規(guī)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法很難準(zhǔn)確地跟蹤到真正的最大功率點(diǎn)，在分析常規(guī)最大功率點(diǎn)跟蹤方法（恒定電壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法）的基礎(chǔ)上，對(duì)多峰值最大功率點(diǎn)跟蹤方法做了比較全面的比較和分析（模糊免疫算法、粒子群優(yōu)化算法PSO等），為實(shí)現(xiàn)光伏陣列在部分遮蔽下實(shí)現(xiàn)最大MPPT設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏陣列；多峰值；最大功率點(diǎn)跟蹤；光伏發(fā)電

中圖分類號(hào)：TM83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）17-4140-03

Review of the MPPT Algorithms of Photovoltaic Array in Partial Shadow

SUN Cheng-zheng， ZHU Xiao-li， ZHAO Chun-liu

（Anhui Finance and Trade Vocational College， Hefei 230601， China）

Abstract： Photovoltaic array as the basic units of solar photovoltaic power generation system， under partially shaded conditions， its output characteristics change， power curve corresponding with multiple local peak， the maximum power point tracking algorithm routine is difficult to accurately track the maximum power point tracking method for real， in the analysis of conventional maximum power point （constant voltage ， perturb & observe algorithms， incremental conductance ） based on the multi peak， maximum power point tracking method makes a comprehensive comparison and analysis （fuzzy immune algorithm， particle swarm optimization algorithm PSO）， for the realization of PV array under partial shade under the maximum design and implementation of MPPT

Key words： photovoltaic（PV）array； Ones credentials the exercise； maximum power point tracking（MPPT）； photovoltaic power generation

光伏陣列是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓、電流及功率容易受光照、溫度、電池結(jié)溫等影響，具有很強(qiáng)的非線性特性。當(dāng)光伏陣列受到云層、灰塵、鳥(niǎo)的排泄物等產(chǎn)生的局部陰影影響時(shí)，其輸出特性發(fā)生改變，表現(xiàn)為P-V曲線不再是簡(jiǎn)單的單峰曲線，而是呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象[1]。光伏陣列的多峰值會(huì)使一般常用的最大功率跟蹤（MPPT）算法可能失效，找不到真正的最大功率點(diǎn)，也會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的輸出功率降低，其能量沒(méi)有被充分利用，效率將將會(huì)降低。因此，研究適應(yīng)局部陰影條件的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，為實(shí)現(xiàn)光伏陣列在部分遮蔽下實(shí)現(xiàn)最大MPPT的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供理論參考。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成，光伏電池組件的I-V特性隨太陽(yáng)輻照度E（W·m-2）和電池溫度（K）而變化，即I=F（U，E，T）。根據(jù)電子學(xué)理論，光伏電池的實(shí)際等效電路如圖1所示：其中，二極管端電壓為Vd，太陽(yáng)能電池的輸出電壓為V，太陽(yáng)能電池的輸出電流為I，二極管飽和電流為Id，Iph為光生電流，n為二極管特征因子，k為波爾茲曼常數(shù)，q為電子的電荷量，T為太陽(yáng)能電池的絕對(duì)溫度，Rs為太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻，Rsh為電池的并聯(lián)電阻，通常，對(duì)單晶硅或者多晶硅太陽(yáng)能電池，Rsh的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)應(yīng)的IV函數(shù)為[2-3]

[I=Iph-IdexpqnKTVd+IRs-1-Vd+IRsRsh]

對(duì)于光伏電池板和陣列的在局部陰影遮蔽下的特性和模型，已有不少研究，文獻(xiàn)[4]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了光伏電池板在陰影影響下的輸出特性，總結(jié)了影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5-7]指出了陰影形狀和陣列結(jié)構(gòu)對(duì)PV陣列輸出特性的影響，利用并聯(lián)旁路二極管來(lái)減少陰影的影響并建立了相應(yīng)的仿真模型。文獻(xiàn)[8]給出了一種基于支持向量機(jī)的局部陰影下PV陣列模型。文獻(xiàn)[9]利用分段函數(shù)建立局部陰影下的PV陣列模型。文獻(xiàn)[10]對(duì)傳統(tǒng)集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)。文獻(xiàn)[11]利用開(kāi)關(guān)管與二極管電路連接PV模塊，實(shí)現(xiàn)了小型光伏陣列結(jié)構(gòu)布局的電氣重構(gòu)，但需增加額外硬件和軟件成本。文獻(xiàn)[12]指出對(duì)于BIPV系統(tǒng)需要選取合適的安裝位置。

2 單峰值下常規(guī)MPPT算法

在均一光照下，常規(guī)的單峰值MPPT算法隨著光伏技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，并且種類繁多、成效明顯，已被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的MPPT控制算法：擾動(dòng)觀察法、恒電壓控制法、電導(dǎo)增量法的效率都在99%以上[13]，還有滯環(huán)比較法、間歇掃描法、最優(yōu)梯度法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、功率回授法等。endprint

2.1 恒定電壓法

恒定電壓法（Constant Voltage Tracking，CVT）是利用光伏陣列輸出最大功率時(shí)工作電壓與開(kāi)路電壓存在近似的比例關(guān)系這一特性進(jìn)行控制的一種方法。在最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程中，就是要不斷調(diào)整輸出電壓，使得dp/du=0。由光伏陣列的輸出特性可知，當(dāng)在溫度一定時(shí)，光伏陣列在不同的日照下，其輸出曲線的最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓總是近似靠近某一特定的電壓Um。因此，可以近似的認(rèn)為光伏陣列輸出電壓為一常數(shù)，這說(shuō)明只要保持光伏陣列的輸出電壓恒定，就可以大致保證光伏陣列在該溫度下總是工作在最大功率點(diǎn)附近[14]。恒定電壓法適用于當(dāng)在外部環(huán)境比較穩(wěn)定或溫度變化很小時(shí)，容易追蹤到最大功率點(diǎn)，對(duì)于在有些情況下，光伏陣列的結(jié)溫比較高或四季溫差、日溫差較大的地區(qū)，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生震蕩，該方法不能準(zhǔn)確跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

2.2 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法是目前最常用的單峰值MPPT跟蹤方法，其原理是周期性地的給光伏陣列增加或者減小電壓，并觀測(cè)其后的功率變化方向決定下一步的控制信號(hào)，如果P增大，說(shuō)明未達(dá)到最大功率點(diǎn)，則繼續(xù)朝著原來(lái)的方向擾動(dòng)；反之，則朝著相反的方向擾動(dòng)。由此不斷尋找和逼近光伏陣列的最大Pmax，直至在其附近小的范圍內(nèi)反復(fù)震蕩運(yùn)行達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。擾動(dòng)觀察法其優(yōu)點(diǎn)是控制思路簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的邏輯推理，被測(cè)參數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)傳感器的要求也不高。但其缺點(diǎn)是系統(tǒng)在光伏陣列最大功率點(diǎn)附近小幅震蕩運(yùn)行，會(huì)有一定的功率損耗；當(dāng)光照強(qiáng)度突變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“誤判”，發(fā)生跟蹤錯(cuò)誤；跟蹤步長(zhǎng)的設(shè)定也不能兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度等。該方法比較適用于日照強(qiáng)度變化緩慢的場(chǎng)合。

2.3 電導(dǎo)增量法

通過(guò)光伏陣列的P-U曲線可知最大Pmax的斜率為零，所以有

[dPdU=I+U·dIdU=0dIdU=-IU]

上式是達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。這種跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，能夠快速跟蹤其變化，并且陣列電壓擺動(dòng)較擾動(dòng)觀察法??；缺點(diǎn)是算法較復(fù)雜，并且在用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)最大功率點(diǎn)的判斷容易出現(xiàn)誤差。

3 多峰值下MPPT算法

由于受到光伏組件結(jié)構(gòu)特性的差異和越來(lái)越復(fù)雜的環(huán)境條件的影響，局部陰影條件下光伏組件中部分單體光伏電池接收的光照強(qiáng)度要小于其他正常的單體光伏電池，失配的電池不但對(duì)組件輸出沒(méi)有貢獻(xiàn)，而且會(huì)消耗其余電池產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致光伏組件呈現(xiàn)明顯的多波峰特性，常規(guī)的單峰MPPT算法無(wú)法跟蹤到真正的最大功率點(diǎn)，造成資源浪費(fèi)和功率損耗，若系統(tǒng)內(nèi)部?jī)H有10%的陣列面積受到陰影遮擋而無(wú)法同時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，其功率就會(huì)下降50%[15]。因此針對(duì)局部陰影條件下的光伏組件需要建立新的MPPT算法。國(guó)內(nèi)外對(duì)部分遮陰情況下的MPPT控制也有一定研究，已有的控制方法如Fibonacci搜索法[4]、傳統(tǒng)粒子群搜索算法[16]等，這些可以較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)最大功率跟蹤方法在多峰值上的不足，但是算法規(guī)律固定，不能同時(shí)靈活的避免局部極值或保證搜索精度，不能較好的完成多峰值最大功率跟蹤。

3.1 模糊免疫控制法

模糊免疫控制是擁有模糊和免疫的共同優(yōu)點(diǎn)，是將模糊語(yǔ)言、模糊集合、邏輯推理作為數(shù)學(xué)工具的控制算法，是用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的一種智能控制，具體是根據(jù)功率變化的幅度自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比，并迅速感知外界的環(huán)境變化，找到最大功率點(diǎn)；它是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制知識(shí)模型，把最大功率探索方法模糊化，即按模糊規(guī)則控制DC/DC變換器流通率的變化量，從而找到最大功率點(diǎn)。文獻(xiàn)[17]對(duì)免疫理論控制策略進(jìn)行了表述，文獻(xiàn)[18]介紹了模糊免疫控制的設(shè)計(jì)，具體方法是輸入為相鄰采樣時(shí)刻的功率變化，輸出為給定輸出功率，然后，給定輸出控制PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)PV系統(tǒng)的MPPT算法，該方法能克服非線性影響，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，但響應(yīng)速度較慢，控制算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

3.2 粒子群優(yōu)化算法PSO（Particle Swarm Optimization）

粒子群優(yōu)化算法又譯為粒子群算法、微粒群算法、或微粒群優(yōu)化算法，是通過(guò)模擬鳥(niǎo)群覓食行為而發(fā)展起來(lái)的一種基于群體協(xié)作的隨機(jī)搜索算法，通常認(rèn)為它是群集智能（Swarm intelligence， SI）的一種。PSO算法是一種多極值函數(shù)全局優(yōu)化的有效方法，通過(guò)群體中粒子間的合作與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的群體智能指導(dǎo)優(yōu)化搜索。每次迭代中，粒子通過(guò)2個(gè)極值點(diǎn)來(lái)更新自己，第一個(gè)是粒子本身所找到的最優(yōu)解，簡(jiǎn)稱為Pbest []，另一個(gè)是整個(gè)群體找到的最優(yōu)解，簡(jiǎn)稱為Gbest []。在找到這兩個(gè)最優(yōu)值時(shí)，粒子根據(jù)如下的公式來(lái)更新自己的速度和新的位置

v[] = v[] + c1 * rand（） * （Pbest [] - present[]） + c2 * rand（） * （Gbest [] - present[]）

present[] = persent[] + v[]

v[] 是粒子的速度， persent[] 是當(dāng)前粒子的位置， rand （）是介于（0，1）之間的隨機(jī)數(shù)，c1， c2 是學(xué)習(xí)因子，通常 c1 = c2 = 2。

粒子群MPPT算法與傳統(tǒng)算法的優(yōu)越之處體現(xiàn)在其能夠搜素全局的最大值，而被廣泛應(yīng)用在局部陰影的最大功率點(diǎn)跟蹤中，但是PSO算法有著收斂速度不足和搜索精度低的缺點(diǎn)。為此，文獻(xiàn)[19]提出了基于自適應(yīng)權(quán)重的粒子群優(yōu)化（APSO）算法，即在運(yùn)算過(guò)程中通過(guò)引入非線性動(dòng)態(tài)慣性權(quán)重系數(shù)，有效地提高整體算法的全局搜索能力和局部改良能力。

3.3 其他MPPT控制法

對(duì)于在局部陰影遮蔽下最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，除了上述兩種主要的算法外，文獻(xiàn)[5]提出了兩步法，該方法簡(jiǎn)單但建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上，不能保證準(zhǔn)確搜索到全局最大功率點(diǎn)。文獻(xiàn)[20]提出了通過(guò)聚攏峰值掃描判別法來(lái)實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)的跟蹤控制，該算法能夠快速掃描從短路電流處到開(kāi)路電壓處之間的所有峰值，并且逐次判斷比較對(duì)應(yīng)的功率大小，最終能夠準(zhǔn)確定位到真正的最大功率點(diǎn)，同時(shí)也避免了最大功率點(diǎn)出現(xiàn)在極端情況下（短路電流和開(kāi)路電壓附近處）捕捉失效而無(wú)法跟蹤的情況。文獻(xiàn)[21]提出將人工魚(yú)群算法與擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的、可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列部分遮擋時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤方法。文獻(xiàn)[22]提出了適用于局部陰影的帶檢測(cè)環(huán)節(jié)的MPPT算法，該方法在常規(guī)MPPT算法的基礎(chǔ)上增加一個(gè)檢測(cè)步驟：首先是用擾動(dòng)觀察法初步尋找最大功率點(diǎn)，然后通過(guò)檢測(cè)環(huán)節(jié)掃描光伏陣列的輸出特性，尋找多峰曲線的極大值點(diǎn)，再通過(guò)必要的計(jì)算驗(yàn)證是否真正達(dá)到全局的最大功率點(diǎn)，如果不是再?gòu)漠?dāng)前電壓開(kāi)始重新進(jìn)行跟蹤，尋找新的最大值。如此循環(huán)得到真正的最大功率點(diǎn)。endprint

由于光伏電池的非線性、環(huán)境條件的變化、局部陰影的遮蔽等因素影響，光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制成為一個(gè)研究難題，也是一個(gè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，但是，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、智能控制技術(shù)及應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展，各種跟蹤方法都有了比較大的優(yōu)化和提高，同時(shí)，跟蹤控制方法的簡(jiǎn)化和跟蹤速度、精度的提高及各種控制方法的有機(jī)結(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短等是目前和今后光伏陣列在局部陰影遮蔽下最大功率點(diǎn)跟蹤控制的研究方向和必然的發(fā)展趨勢(shì)。

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