局部陰影條件下基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤方法*

陳玲玉，黃 磊，張繼元，王 浩，崔 瓊，舒 杰

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

局部陰影條件下基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤方法*

陳玲玉2，黃 磊1,3?，張繼元1,3，王 浩1，崔 瓊1，舒 杰1,3?

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

在局部陰影的情況下，由于串聯(lián)式光伏組件的輸出特性不同而產(chǎn)生多個(gè)極值點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的最大功率追蹤（maximum power point tracking,MPPT）方法陷入局部極值點(diǎn)而失效。文中提出一種針對(duì)兩級(jí)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的改進(jìn)電導(dǎo)增量法以適應(yīng)光伏陣列在局部陰影下的多峰值最大功率跟蹤，通過分析最大功率點(diǎn)電壓的變化范圍，設(shè)定最大功率電壓搜索范圍以提高搜索效率，并通過DC/DC Boost變換器占空比實(shí)現(xiàn)輸入電壓控制，保證算法不陷入局部極值點(diǎn)。最后利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法在有、無陰影情況下均能準(zhǔn)確地跟蹤光伏方陣最大功率，有效提高了光伏陣列輸出效率。

局部陰影；多峰值；MPPT；電導(dǎo)增量法；光伏發(fā)電

0 引 言

光伏發(fā)電是太陽能利用的主要方式之一，單個(gè)光伏電池輸出電壓和功率均較低，因此需要將多個(gè)光伏電池串并聯(lián)起來以獲得較高的電壓和功率。因制造工藝固化成一體的多光伏電池組稱為光伏發(fā)電組件（module）。光伏組件帶有強(qiáng)烈的非線性特征，當(dāng)光照均勻時(shí)，串聯(lián)線路功率只是簡單的疊加；當(dāng)光照不均勻時(shí)，由于各單元短路電流不同，疊加不再以倍數(shù)形式出現(xiàn)，在并聯(lián)旁路二極管后，會(huì)出現(xiàn)不同的峰值點(diǎn)。若光伏陣列不能運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，則其發(fā)電效率將會(huì)降低。

目前解決光伏陣列多峰值尋優(yōu)效率低的方法有兩類：一類是尋求具有多極值尋優(yōu)能力的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，找到全局最大功率點(diǎn)（global maximum power point，GMPP）；另一類是改變光伏陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如將集中式改為分布式，讓每個(gè)子光伏方陣達(dá)到各自的最佳工作狀態(tài)時(shí)都有獨(dú)立的DC/DC轉(zhuǎn)換，減少因光伏組件之間的功率不匹配造成的功率損失。針對(duì)第一類，學(xué)者們提出了多種多峰值MPPT算法[1-7]，這些方法多為智能算法。易芳[1]提出的偽功率擬合法將功率曲線擬合成一條連續(xù)的、單極值的曲線，且極值點(diǎn)落在真實(shí)功率曲線的最大功率點(diǎn)所在區(qū)域，在該區(qū)域?qū)ふ易畲蠊β庶c(diǎn)，但當(dāng)串聯(lián)組件個(gè)數(shù)較多時(shí)，曲線擬合困難。劉立群等[2]提出的模糊免疫算法有較強(qiáng)的魯棒性，但算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。朱艷偉等[3]提出的粒子群優(yōu)化算法能追蹤最大功率點(diǎn)，比普通粒子群算法更精確，但依賴經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)選取沒有具體依據(jù)。

在目前的實(shí)際應(yīng)用中，光伏發(fā)電最大功率跟蹤多采用擾動(dòng)法和電導(dǎo)增量法。單峰值最大功率跟蹤的變步長改進(jìn)電導(dǎo)增量法能夠迅速適應(yīng)電壓變化，提高跟蹤效率，減小穩(wěn)定條件下的振蕩范圍，且比擾動(dòng)法速度更快，功率損耗更小[8-9]。但當(dāng)光照不均勻時(shí)，單峰值電導(dǎo)增量法將有可能陷入局部極值點(diǎn)，不能追蹤到最大功率點(diǎn)，從而影響系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此，本文基于電導(dǎo)增量法，提出一種適用于光伏方陣多峰值最大功率點(diǎn)跟蹤的改進(jìn)算法。首先分析光伏組件多峰值產(chǎn)生的原因和特性，針對(duì)局部陰影條件下的光伏陣列串聯(lián)結(jié)構(gòu)提出電壓搜索范圍，實(shí)現(xiàn)在各局部功率極大值附近采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行MPPT搜尋，用小區(qū)域搜索代替全局搜索，比較后取優(yōu)來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。最后利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提改進(jìn)電導(dǎo)增量法的有效性。

1 局部陰影條件下光伏陣列特性分析

1.1 光伏陣列等效電路模型

光伏組件等效電路模型是局部陰影條件下光伏陣列輸出特性分析的基礎(chǔ)，光伏組件的等效電路如圖1所示，I-V特性方程為[10-11]：

式中，I為光伏組件輸出電流，A；V為光伏組件輸出電壓，V；Iph為光伏組件的光生電流，A；Is為二極管的反向飽和電流，A；Rsh為等效并聯(lián)電阻，?；Rs為等效串聯(lián)電阻，?；n為二極管理想因數(shù)；T為電池絕對(duì)溫度，K；Ncell為光伏組件中串聯(lián)光伏電池個(gè)數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)，1.381×10-23J/K；q為電子電荷，1.6×10-19C。

圖1 光伏組件等效電路Fig.1 Equivalent circuit of the photovoltaic module

不考慮溫度變化，假定溫度為25℃，為求解不同輻照下的光伏電池I-V曲線，根據(jù)模型參數(shù)（Iph、Id、n、Rs、Rsh）隨輻照變化的半經(jīng)驗(yàn)公式，可得出各種條件下的光伏電池模型。

Iph與輻照呈線性關(guān)系，如式（2）所示。

式中，S為太陽輻照，W/m2；STC表示標(biāo)準(zhǔn)測試條件，太陽輻照為1 000 W/m2，電池溫度為25℃。

同樣兩個(gè)光伏組件，在不同光照條件下，由于組件的短路電流與光照強(qiáng)度近似成正比，開路電壓與光照強(qiáng)度的自然對(duì)數(shù)近似成正比[12]，將它們直接串聯(lián)，短路電流的差異會(huì)使部分電池輸出受到限制并產(chǎn)生熱斑，嚴(yán)重時(shí)可能損壞電池板，因此通常給光伏電池并聯(lián)旁路二極管。通常每72個(gè)光伏電池串聯(lián)成一個(gè)光伏組件時(shí)并聯(lián)3～9個(gè)旁路二極管[13]。

本文以SUNPOWER SPR-305-WHT光伏組件{8×41}陣列為例。STC條件下組件參數(shù)為：最大功率Pmp=305 Wp，開路電壓Voc=64.2 V，最大功率點(diǎn)電壓Vmp=54.7 V，短路電流Isc=5.96 A，最大功率點(diǎn)電流Imp=5.58 A，方陣最大功率為100 kWp。光伏方陣結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中旁路二極管是為了更直觀表達(dá)而畫出，實(shí)際情況是旁路二極管在光伏組件內(nèi)部并且數(shù)量有所增加。均勻光照下光伏陣列輸出特性如圖3所示。

圖2 光伏陣列排列結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of photovoltaic array

圖3 SUNPOWER SPR-305-WHT光伏組件特性Fig.3 Characteristics of SUNPOWER SPR-305-WHT

1.2 局部陰影下光伏陣列輸出特性

設(shè)輻照1 000 W/m2為無陰影遮擋，輻照低于1 000 W/m2的情況視為存在陰影遮擋。為方便討論，本文將光伏陣列進(jìn)行分組，每組陰影均為均勻分布。如圖4所示，整個(gè)光伏方陣分為4組，每組中包括41列并聯(lián)的且每列為2個(gè)串聯(lián)的組件。每組的開路電壓Voc由于有兩個(gè)組件串聯(lián)的關(guān)系，可看作Voc=2×64.2=128.4 (V)。這里選取兩種陰影情況進(jìn)行討論，陰影情況1：四組光照分別為1 000、800、 600、400 W/m2；陰影情況2：四組光照分別為1 000、1 000、600、400 W/m2。兩種陰影情況下的P-V曲線如圖5和6所示。

圖4 光伏陣列分組Fig.4 Groups of PV array

如圖5所示，當(dāng)4組陣列分別接收到不同的太陽輻照時(shí)，P-V曲線中產(chǎn)生4個(gè)功率極值點(diǎn)P1、P2、P3、P4，分別對(duì)應(yīng)V1=106.6 V、V2=219.2 V、V3=334.2 V 、V4=431.8 V。其中，最大極值點(diǎn)為P3，P3=48.1 kW。假設(shè)K=V/(NVoc)，其中N為不大于串聯(lián)組件數(shù)量的正整數(shù)。則N取1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)K1=0.829、K2=0.854、K3=0.867、K4=0.840。如圖6所示，當(dāng)光伏陣列接收到3種不同輻照時(shí)，產(chǎn)生3個(gè)功率極值點(diǎn)，P1'、P2'、P3'分別對(duì)應(yīng)V1'=215.8 V，V2'=338.0 V，V3'=432.4 V。其中，最大極值點(diǎn)為P1'，P1'=49.6 kW。同樣，N取2、3、4分別對(duì)應(yīng)K1'=0.840、K2'=0.877、K3'=0.842。

由以上分析可知，串聯(lián)光伏組件數(shù)量為Ns，當(dāng)光伏陣列有M種輻照時(shí)會(huì)產(chǎn)生M個(gè)極值點(diǎn)，且M≤Ns。每個(gè)峰值點(diǎn)電壓都大于0.8NVoc，因此選擇搜索的起點(diǎn)電壓為：Vs=0.8NVoc，N=1,2,…,Ns。

圖5 陰影情況1下的P-V曲線Fig.5 P-V curve under partially shaded condition 1

圖6 陰影情況2下的P-V曲線Fig.6 P-V curve under partially shaded condition 2

2 改進(jìn)電導(dǎo)增量法在MPPT中的應(yīng)用

2.1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方式

光伏系統(tǒng)通常有幾種并網(wǎng)方式，如集中式單級(jí)并網(wǎng)和組串式雙級(jí)并網(wǎng)等。其中集中式并網(wǎng)直接采用DC/AC電力電子器件全橋逆變，具有器件簡單但控制復(fù)雜的特點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于局部陰影下光伏組件之間不匹配，不能使每一路組件都處于最佳工作點(diǎn)，阻塞二極管引起的功率損耗較大，尤其當(dāng)有一塊組件發(fā)生故障或者被陰影遮擋時(shí)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率。

組串式并網(wǎng)的逆變器采用DC/DC升壓和DC/AC全橋逆變兩級(jí)電力電子器件變換，可以靈活發(fā)電。此類逆變器有多種排列結(jié)構(gòu)，可以有效減少各支路功率不匹配造成的功率損失，顯著提高光伏陣列輸出功率，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。本文采用的是DC/DC+DC/AC雙級(jí)并網(wǎng)方式，MPPT在DC/DC部分實(shí)現(xiàn)。

圖7 集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)Fig.7 Centralized grid-connected PV system

圖8 組串式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.8 String grid-connected PV system

2.2 改進(jìn)電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是利用光伏輸出最大功率點(diǎn)處功率和電壓的關(guān)系進(jìn)行最大功率跟蹤。當(dāng)光伏輸出達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，有dP/dV=0。將P=VI代入dP/dV=0，可以得到如下關(guān)系式：

在電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定啟動(dòng)電導(dǎo)增量法搜索的起點(diǎn)電壓Vs=0.8NVoc，減少搜索范圍以提高搜索效率。具體搜索過程如下：當(dāng)電導(dǎo)增量法從起點(diǎn)電壓開始找到一個(gè)局部最大功率點(diǎn)時(shí)，記錄當(dāng)前功率并跳至N+1所對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)電壓再繼續(xù)掃描，這樣保證了對(duì)每個(gè)峰值點(diǎn)的搜索。同時(shí)，若前一個(gè)掃描到的最大功率點(diǎn)電壓已經(jīng)大于當(dāng)前N+1所對(duì)應(yīng)的電壓，則通過Vmp反推出其所對(duì)應(yīng)的N值，推算公式為：

更新N值后，設(shè)定下一個(gè)起始搜索電壓為N+1對(duì)應(yīng)的起始電壓，這樣可以避免重復(fù)搜索。若N＜Ns，則可以將N+1繼續(xù)追蹤；若N=Ns，則表明當(dāng)前已對(duì)所有局部極值點(diǎn)完成了搜索。最后比較幾個(gè)局部最大功率點(diǎn)大小并使光伏方陣工作在全局最大功率點(diǎn)。

當(dāng)太陽輻照或者陰影發(fā)生改變時(shí)，由于光伏單元的輸出特性隨之改變，算法需要重新啟動(dòng)。這里參考文獻(xiàn)[3]，將重啟條件設(shè)為自然重啟和突變重啟。

式中，PΔ為功率波動(dòng)相對(duì)值；P為實(shí)時(shí)功率，kW；Pmp為在Vmp條件下的最大功率，kW。

自然重啟條件為當(dāng)自然穩(wěn)定條件下光照每分鐘輻照變化超過20 W/m2，對(duì)應(yīng)的功率變化量PΔ為0.02。突變重啟條件參考PΔ，根據(jù)各仿真結(jié)果將PΔ設(shè)為0.1，當(dāng)PΔ＞0.1時(shí)算法重啟。改進(jìn)電導(dǎo)增量法算法流程如圖9所示。

圖9 改進(jìn)電導(dǎo)增量法流程圖Fig.9 Flowchart of improved incremental conductance method

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

這里采用Matlab/Simulink搭建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型，仿真模型采用DC/DC升壓+DC/AC逆變雙級(jí)并網(wǎng)方式與電網(wǎng)連接，如圖10所示。其中光伏方陣由SUNPOWER SPR-305-WHT光伏組件構(gòu)成，為{8×41}陣列，方陣最大功率為100 kWp。光伏陣列經(jīng)DC/DC Boost變換器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤并升壓，然后通過DC/AC逆變器采用電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的VSC控制方式將光伏陣列輸出的最大直流功率逆變后輸送至電網(wǎng)。用S Function編寫MPPT程序，其模塊中含有脈沖發(fā)生器，以輸出占空比D驅(qū)動(dòng)，使光伏陣列工作在實(shí)時(shí)更新的電壓。所提改進(jìn)電導(dǎo)增量法通過控制占空比來控制電壓，占空比與電壓關(guān)系如式（6）所示。

圖10 光伏陣列DC/DC+DC/AC雙級(jí)并網(wǎng)系統(tǒng)模型Fig.10 Simulation model of DC/DC+DC/AC two-level gridconnected system

圖11 陰影情況1下最大功率跟蹤結(jié)果Fig.11 MPPT results under partially shaded condition 1

圖12 陰影情況2下最大功率跟蹤結(jié)果Fig.12 MPPT results under partially shaded condition 2

STC條件下，光伏單元開始工作，0.05 s時(shí)MPPT開始工作，在1 s時(shí)出現(xiàn)光照突變，按照1.2所述的兩種陰影情況進(jìn)行突變。將仿真結(jié)果與普通的電導(dǎo)增量法結(jié)果進(jìn)行比較，如圖11和12所示。

由圖11和圖12可知，在正常光照下，普通電導(dǎo)增量法和改進(jìn)電導(dǎo)增量法都能跟蹤到最大功率點(diǎn)。但當(dāng)光照發(fā)生突變時(shí)，普通的電導(dǎo)增量法在兩種陰影情況下都陷入了局部最大功率點(diǎn)，此時(shí)所有光伏單元都工作在能維持發(fā)電狀態(tài)的局部極值點(diǎn)；而改進(jìn)后的電導(dǎo)增量法能夠使部分旁路二極管導(dǎo)通，使得低輻照下的光伏組件被旁路而停止工作，并能成功找到全局最大功率點(diǎn)，局部陰影條件下所跟蹤的最大功率與理論最大功率僅相差0.2%。從速度上看，改進(jìn)后的電導(dǎo)增量法同樣保持了穩(wěn)定快速的搜尋，在光照突變后0.5 s以內(nèi)迅速重新找到全局最大極值點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)光伏發(fā)電DC/DC+DC/AC雙級(jí)并網(wǎng)系統(tǒng)提出了一種局部陰影情況下的多極值MPPT改進(jìn)電導(dǎo)增量法。分析了局部陰影情況下光伏陣列的輸出功率特性及功率極值點(diǎn)處電壓變化規(guī)律，利用此規(guī)律設(shè)定電壓搜索范圍后通過電導(dǎo)增量法尋找光伏功率局部極值點(diǎn)，最大功率即為局部極值點(diǎn)的最大值。仿真實(shí)驗(yàn)證明所提改進(jìn)電導(dǎo)增量法能夠利用少量計(jì)算和小區(qū)域搜索實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。在局部陰影情況下避免陷入局部極值點(diǎn)，通過減少電導(dǎo)增量法MPPT搜索范圍提高了搜索速度，并具有電導(dǎo)增量法的工程實(shí)用性。

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An Improved Incremental Conductance Method for MPPT Control of PV Systems under Partially Shaded Conditions

CHEN Ling-yu2,HUANG Lei1,3,ZHANG Ji-yuan1,3,WANG Hao1,CUI Qiong1,SHU Jie1,3
(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,CAS Key Laboratory of Renewable Energy,Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China;2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Under partially shaded conditions,traditional maximum power point tracking (MPPT) methods may be trapped in local maximum power point due to the multiple peaks of PV array output caused by different output characteristics of series-connected PV modules.This paper proposes an improved incremental conductance method for two-level grid-connected PV system under partially shaded conditions.By analyzing the variation range of maximum power point voltage,voltage searching range is set to improve searching efficiency.And the voltage is controlled by the duty cycle of DC/DC boost converter.The proposed method can search out every local maximum power point and ensure PV system working at global maximum power point.Simulation results confirm that the proposed method can find out maximum power point under partially shaded or unshaded conditions,and improve the PV generation efficiency significantly.

partially shaded conditions;multiple peaks;maximum power point tracking (MPPT);incremental conductance;PV generation

TK513；TM615

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.06.009

2095-560X（2016）06-0486-06

陳玲玉（1995-），女，主要從事電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

黃 磊（1986-），女，博士研究生，助理研究員，主要從事可再生能源發(fā)電預(yù)測及微網(wǎng)技術(shù)研究。

舒 杰（1969-），男，博士，研究員，主要從事可再生能源發(fā)電及微網(wǎng)技術(shù)研究。

2016-10-21

2016-11-30

佛山市院市合作項(xiàng)目（2014HK100051）；廣州市創(chuàng)新平臺(tái)與共享項(xiàng)目（201509010018）；廣東省自然科學(xué)基金（2014A030310191）

? 通信作者：黃 磊，E-mail：huanglei@ms.giec.ac.cn；舒 杰，E-mail：shujie@ms.giec.ac.cn