一種基于全局最優(yōu)MPPT算法的研究

李月芳，周皓

（1.常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，江蘇 常州213164；2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)跟蹤是提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)效率的一種非常有效措施［1-2］。同一系統(tǒng)的光伏陳列在相同輻照和溫度下，其輸出P—U曲線表現(xiàn)為單峰值特性，采用傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法（IC）、擾動(dòng)觀測(cè)法（P&O）等算法都可實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤［3］。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于光伏陣列會(huì)遇到局部遮擋、老化以及積塵覆蓋等原因會(huì)導(dǎo)致光伏陣列輸出的特性不一致，此時(shí)光伏陣列的P—U曲線將表現(xiàn)為多峰值特性［4］，傳統(tǒng)的單峰值算法將會(huì)使系統(tǒng)處于局部峰值點(diǎn)，導(dǎo)致光伏陣列不能持續(xù)工作在系統(tǒng)最大輸出功率點(diǎn)，減少了系統(tǒng)向電網(wǎng)或負(fù)荷注入的電能，從而造成系統(tǒng)的總體發(fā)電效率下降［5］。

本文提出一種基于局部掃描法與P&O 相結(jié)合的全局最優(yōu)MPPT 算法，該方法在系統(tǒng)啟動(dòng)后先采用固定大步長(zhǎng)進(jìn)行一次全局掃描來(lái)尋找全局最大功率點(diǎn)，當(dāng)掃描結(jié)束后使系統(tǒng)運(yùn)行于全局最大功率點(diǎn)附近，然后啟動(dòng)變步長(zhǎng)P&O算法變步長(zhǎng)掃描，找到精確的最大功率點(diǎn)。該方法解決了傳統(tǒng)的單峰值算法導(dǎo)致光伏陣列不能持續(xù)工作在系統(tǒng)最大輸出功率點(diǎn)的問(wèn)題，能使光伏陣列運(yùn)行在系統(tǒng)全局最大功率點(diǎn)。

1 局部陰影下的光伏輸出特性

圖1 為光伏陣列有/無(wú)陰影輸出特性示意圖。本文針對(duì)光伏陣列在有/無(wú)陰影輸出的特性進(jìn)行研究，假設(shè)初始時(shí)刻光伏陣列表面無(wú)陰影，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)陰影，其輸出特性的變化規(guī)律為：1）在正常情況下光伏陣列只有1個(gè)峰值點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)局部陰影后，光伏陣列輸出功率將會(huì)減小，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)2 個(gè)或2 個(gè)以上的峰值；2）光伏陣列從無(wú)陰影到出現(xiàn)陰影過(guò)程中，其輸出特性曲線上的全局最大功率點(diǎn)可能向電壓減小的方向移動(dòng)，或仍在原最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓附近；3）當(dāng)光伏陣列輸出呈現(xiàn)多峰特性時(shí)，一般情況下，各個(gè)局部峰值點(diǎn)呈階梯狀，即在全局MPP 點(diǎn)左右兩邊，局部MPP 點(diǎn)逐次減小，距離全局最大功率點(diǎn)越遠(yuǎn)，局部最大功率點(diǎn)的功率越小。特殊情況下會(huì)在2個(gè)較大局部峰值點(diǎn)之間存在一個(gè)較小峰值點(diǎn)。

圖1 光伏陣列有/無(wú)陰影輸出特性示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV array with/without shadow output

當(dāng)光伏陣列出現(xiàn)如圖1中所示的局部陰影下多峰輸出特性時(shí)，傳統(tǒng)的MPPT 算法可能會(huì)失效。基于以上輸出特性規(guī)律，本文提出了局部掃描法與P&O相結(jié)合的全局最優(yōu)MPPT算法。

2 全局MPPT算法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)階段

在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，有2種方案。

1）一般在全局最優(yōu)MPPT 算法中，默認(rèn)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)光伏陣列輸出為單峰值，故采用傳統(tǒng)的MPPT啟動(dòng)，當(dāng)陰影出現(xiàn)后，再使能全局MPPT算法。但是，系統(tǒng)在實(shí)際啟動(dòng)之前無(wú)法確定光伏陣列輸出處于單峰值還是多峰值狀態(tài)，所以本方法中系統(tǒng)啟動(dòng)后先進(jìn)行一次全局掃描來(lái)尋找全局最大功率點(diǎn)。由于全局掃描范圍較大，為減小功率損失，先采用固定大步長(zhǎng)掃描，掃描結(jié)束后使系統(tǒng)運(yùn)行于全局最大功率點(diǎn)附近，然后啟動(dòng)變步長(zhǎng)P&O算法變步長(zhǎng)掃描，找到較精確的最大功率點(diǎn)。

2）若系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)光伏陣列表面無(wú)局部陰影，則測(cè)量此時(shí)的開路電壓，并以0.9 倍的開路電壓為參考電壓，啟動(dòng)變步長(zhǎng)P&O 算法，此時(shí)無(wú)需進(jìn)行全局MPPT掃描算法。

2.2 穩(wěn)定運(yùn)行階段

變步長(zhǎng)P&O 算法：即在傳統(tǒng)的P&O 算法上增加變步長(zhǎng)算法，具體實(shí)施方法就是每改變一次搜索方向，步長(zhǎng)變?yōu)樵介L(zhǎng)的一半，該方法可以減小在最大功率點(diǎn)附近震蕩帶來(lái)的能量損失。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)此時(shí)的擾動(dòng)步長(zhǎng)可以判定系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定階段，當(dāng)擾動(dòng)步長(zhǎng)足夠小時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行在全局最大功率點(diǎn)上。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，使能光伏陣列陰影判斷功能，此時(shí)設(shè)定閾值ΔP0。另外，令ΔP=P（t）-P（t-1），其中P（t）和P（t-1）分別為當(dāng)前功率值和上一次功率值，考慮到系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間及振蕩，故設(shè)P（t）和P（t-1）為某一時(shí)間段內(nèi)功率的平均值。若光伏陣列輸出功率不發(fā)生突變，即時(shí)認(rèn)為光伏陣列無(wú)陰影，則繼續(xù)執(zhí)行P&O 算法；否則認(rèn)為光伏陣列有陰影，需要啟動(dòng)局部掃描法。

2.3 變步長(zhǎng)的P&O算法

1）功率平均值的計(jì)算。在P&O 算法執(zhí)行過(guò)程中，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，則無(wú)需進(jìn)行頻繁的擾動(dòng)，選取擾動(dòng)時(shí)間間隔為500 ms，而功率計(jì)算平均值的時(shí)間則為500 ms中后半200 ms。

2）ΔP0的取值。因?yàn)镻&O 算法是在不停地進(jìn)行擾動(dòng)，當(dāng)無(wú)局部陰影發(fā)生時(shí)，采用變步長(zhǎng)P&O 算法產(chǎn)生功率差值很??；在無(wú)陰影條件下，光伏陣列工作在全局最大功率點(diǎn)處時(shí)，擾動(dòng)步長(zhǎng)為ΔU，擾動(dòng)帶來(lái)的功率變化ΔP 與ΔU、最大功率點(diǎn)處電流成比例關(guān)系。因此設(shè)定ΔPmax=k·ΔU·Imax，其中k 為系數(shù)，為防止太容易進(jìn)入局部陰影掃描，故選取ΔU的最大值。當(dāng)局部陰影發(fā)生時(shí)，若對(duì)光伏陣列輸出功率產(chǎn)生的影響比較小時(shí)，也無(wú)需啟動(dòng)局部掃描算法，以避免掃描過(guò)程中帶來(lái)的功率損失。

因出現(xiàn)局部陰影后，光伏陣列輸出功率變小，最大功率點(diǎn)保持在原工作電壓點(diǎn)附近或向電壓減小的方向移動(dòng)，故進(jìn)入局部掃描算法后，從當(dāng)前工作電壓點(diǎn)處向電壓減小的方向掃描，并將當(dāng)前工作點(diǎn)的功率、電壓分別記作Pmax，UPmax。由于掃描范圍較大，故掃描的固定步長(zhǎng)可以略大于P&O 算法中的最大步長(zhǎng)。系統(tǒng)不斷向電壓減小的方向進(jìn)行掃描，直到出現(xiàn)新的峰值，若新峰值的功率值大于Pmax，則更新UPmax的值，繼續(xù)向電壓增大的方向進(jìn)行掃描，若新峰值的功率值小于Pmax，則停止掃描。另外，若搜索到掃描范圍的電壓下限值Umin，也停止掃描。局部掃描過(guò)程不宜太長(zhǎng)，故在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，減小擾動(dòng)時(shí)間間隔，相應(yīng)計(jì)算P（t）和P（t-1）的平均值時(shí)間的減小，擾動(dòng)時(shí)間間隔取為300 ms以內(nèi)。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文搭建了基于Matlab/Simulink 的仿真模型，對(duì)全局最優(yōu)MPPT算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

3.1 基于Matlab的仿真模型

圖2為光伏陣列仿真模塊。光伏陣列的開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電壓、電流，以及溫度、光照強(qiáng)度和每個(gè)組件中被遮擋的光伏陣列個(gè)數(shù)具體見圖中給定的參數(shù)。其中2個(gè)階躍信號(hào)表示光伏陣列第2 塊組件與第3 塊組件在1 s 時(shí)突然出現(xiàn)陰影，這樣導(dǎo)致光伏陣列輸出特性出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。PV_3_531模塊為S-Function模塊，可根據(jù)輸入條件與當(dāng)前工作電壓，得到光伏陣列對(duì)應(yīng)的輸出電流值。其中，用Boost 電路控制光伏陣列的輸出電壓，尋找光伏陣列的全局最大功率點(diǎn)。Boost 電路的輸入端接光伏陣列，輸出端接直流電壓源，作為穩(wěn)定的母線電壓。

圖2 光伏陣列仿真模塊Fig.2 PV array simulation module

3.2 Matlab仿真結(jié)果

1）仿真條件。在光照度為1 000 W/m2時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)，輸出單峰特性曲線。在1 s時(shí)第2個(gè)與第3個(gè)組件都有4個(gè)陣列出現(xiàn)陰影。因?yàn)? kW逆變器的MPPT 最低電壓為200 V，最高電壓為500 V，故設(shè)置P—V曲線的掃描范圍為220～480 V。

2）仿真過(guò)程。①系統(tǒng)啟動(dòng)后從0.9倍的開路電壓處開始進(jìn)行P&O 算法，算法初始步長(zhǎng)為20 V，尋找最大功率點(diǎn)并保存；②當(dāng)P&O 算法的步長(zhǎng)足夠小時(shí)，認(rèn)為光伏陣列已穩(wěn)定運(yùn)行于最大功率點(diǎn)，啟動(dòng)功率判斷功能，在功率發(fā)生突變時(shí)執(zhí)行步長(zhǎng)為20 V的局部掃描法，尋找全局最大功率點(diǎn)并保存，若功率沒有發(fā)生突變，繼續(xù)執(zhí)行P&O算法；③在1 s 功率發(fā)生突變，啟動(dòng)局部掃描法；④啟動(dòng)局部掃描法擾動(dòng)結(jié)束后，參考電壓給定為全局最大功率點(diǎn)處電壓，執(zhí)行P&O 算法，算法初始步長(zhǎng)為20 V；⑤返回步驟③。

3）仿真結(jié)果。圖3 為仿真過(guò)程中，全局最優(yōu)MPPT算法給定的參考電壓變化過(guò)程。正常情況時(shí)，光伏陣列輸出特性如曲線①所示，系統(tǒng)運(yùn)行于最大功率點(diǎn)O。曲線②為出現(xiàn)局部陰影時(shí)的光伏輸出特性。

圖3 全局最優(yōu)MPPT算法給定的參考電壓變化過(guò)程Fig.3 Change process of the reference voltage for global optimal MPPT algorithm

圖4 、圖5分別為全局最優(yōu)MPPT算法過(guò)程中光伏陣列輸出電壓、功率變化仿真波形圖。

圖4 光伏陣列輸出電壓變化圖Fig.4 PV array output voltage variation chart

圖5 光伏陣列輸出功率變化圖Fig.5 PV array output power variation chart

系統(tǒng)啟動(dòng)后開始進(jìn)行P&O 算法，經(jīng)過(guò)t1時(shí)間，系統(tǒng)掃描到最大功率點(diǎn)O，此時(shí)輸出功率大約為6.2 kW。t2=1 s 時(shí)出現(xiàn)局部陰影，光伏陣列輸出電壓不變，電流減小，輸出功率降為4.4 kW 左右，光伏陣列工作于A點(diǎn)。隨后啟動(dòng)局部掃描法，將A點(diǎn)記為功率最大點(diǎn)Pmax，并從A點(diǎn)開始向電壓減小的方向進(jìn)行擾動(dòng)掃描。掃描到局部功率最大B點(diǎn)后，由于B點(diǎn)功率小于A點(diǎn)，繼續(xù)向電壓減小的方向掃描，但由于B 點(diǎn)左邊沒有功率減小的局部峰值點(diǎn)，故需掃描到MPPT 的電壓下限Umin處時(shí)停止掃描，然后回到記錄中的最大功率點(diǎn)A后附近掃描，由于C點(diǎn)功率為4.42 kW，并且右邊沒有功率減小的局部峰值點(diǎn)，t3時(shí)刻將C 點(diǎn)的電壓作為參考電壓，啟動(dòng)P&O 算法，使光伏陣列工作在C 點(diǎn)左右，等待下次功率突變的發(fā)生。此時(shí)光伏陣列輸出最大功率為4.42 kW。至此，此種全局最優(yōu)MPPT 算法已完成，其工作點(diǎn)依次為O→A→B→A→C。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

為驗(yàn)證本文的算法，搭建了功率為6 kW 的單相光伏并網(wǎng)逆變器，圖6 為用毛毯遮住部分電池組件。裝置的主要參數(shù)為：PV輸入功率6 kW，升壓電感0.22 mH，Boost IGBT型號(hào)IKW40N65H5，Boost 二極管型號(hào)APT30DQ120BG，母線DC-link 315 V/1 000 μF。

圖6 測(cè)試電池板Fig.6 The test panels

圖7 、圖8分別為全局最優(yōu)MPPT算法過(guò)程中光伏陣列輸出電壓、功率變化實(shí)際瞬態(tài)波形圖。

圖7 光伏陣列輸出電壓圖Fig.7 PV array output voltage chart

圖8 光伏陣列輸出功率圖Fig.8 PV array output power chart

圖7 和圖8 是系統(tǒng)開始無(wú)陰影時(shí)工作電壓、輸出功率分別約520 V，6 000 W，在150 s 時(shí)用毛毯遮住部分電池組件，在270 s 時(shí)移去毛毯后系統(tǒng)電壓、功率的動(dòng)態(tài)變化波形。從圖中可以看出：在出現(xiàn)陰影的情況下，系統(tǒng)立即對(duì)光伏輸出特性曲線不斷的掃描，當(dāng)掃描結(jié)束后使系統(tǒng)運(yùn)行于全局最大功率點(diǎn)附近，這樣減少系統(tǒng)能量的損失，與仿真及理論分析相符。

圖9為光伏模擬器模擬當(dāng)光伏組件有2個(gè)峰值時(shí)光伏陣列全局最大輸出功率點(diǎn)時(shí)波形圖。

從圖9 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)存在2 個(gè)局部最大功率點(diǎn)時(shí)，通過(guò)本文提出的算法能很快找到全局最大功率點(diǎn)，如圖9中圓點(diǎn)所示。通過(guò)同樣的方法，當(dāng)系統(tǒng)存在2個(gè)及2個(gè)以上的局部最大功率點(diǎn)時(shí)也能通過(guò)比較找到全局最大功率點(diǎn)。

圖9 有2個(gè)峰值時(shí)光伏陣列全局最大輸出功率圖Fig.9 GMPPT of two local maximum output power peak

4 結(jié)論

本文提出一種新的基于局部掃描法與P&O相結(jié)合的全局最優(yōu)MPPT 算法，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了采用全局最優(yōu)MPPT 算法的過(guò)程，該算法有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）相較于全局MPPT 掃描算法，此算法掃描范圍較小，減少了掃描過(guò)程中功率的損失；

2）此算法避免了短路電流的在線測(cè)量，而開路電壓值也只需在開機(jī)前讀取即可；

3）結(jié)合傳統(tǒng)的P&O算法，不需要在無(wú)陰影的情況下對(duì)光伏輸出特性曲線不斷的掃描，從而減少了功率損失，同時(shí)有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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