陰影遮擋對(duì)光伏陣列影響的解決方法

陳亞愛，劉明遠(yuǎn)，張榮鋼，周京華，邱歡

(1.北方工業(yè)大學(xué)北京市變頻技術(shù)工程研究中心，北京100144；2.中國寰球工程公司,北京100012)

陰影遮擋對(duì)光伏陣列影響的解決方法

陳亞愛1,2，劉明遠(yuǎn)1,2，張榮鋼2，周京華1,2，邱歡1,2

(1.北方工業(yè)大學(xué)北京市變頻技術(shù)工程研究中心，北京100144；2.中國寰球工程公司,北京100012)

光伏陣列易受陰影遮擋的影響，使輸出功率減小，為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，需解決陰影遮擋對(duì)光伏陣列影響的問題。對(duì)現(xiàn)有解決方法進(jìn)行分類，在分析各種方法的工作原理基礎(chǔ)上，總結(jié)它們的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，為提高光伏陣列輸出功率的研究和應(yīng)用提供參考。

光伏發(fā)電；陰影；解決方法

陰影遮擋的存在使光伏陣列輸出特性曲線呈現(xiàn)多峰值點(diǎn)，而傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方法只能跟蹤局部最大功率點(diǎn)(輸入文字或網(wǎng)址，即可翻譯局部LMPP)，無法實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)跟蹤(GMPPT)[1－2]。因此針對(duì)陰影遮擋對(duì)光伏陣列的影響，需要研究解決方法，解決方法可分為采用硬件即從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手和采用軟件即從MPPT方法入手兩大類，圖1所示為已有的各種解決方法分類示意圖。

1 MPPT方法

1.1 基于智能控制的MPPT方法

由圖1可見，基于智能控制的MPPT方法又分為基于模擬退火、基于粒子群優(yōu)化、基于模糊免疫、基于改進(jìn)人工魚群、基于差分進(jìn)化、基于蟻群算法及基于向量回歸的MPPT等方法。

1.1.1 基于模擬退火的MPPT方法

文獻(xiàn)[3]提出基于改進(jìn)模擬退火的MPPT方法，通過構(gòu)造合適擾動(dòng)值，對(duì)全局空間進(jìn)行搜索，而且對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)后，在輸出功率小于擾動(dòng)前功率時(shí)，利用Metropolis接受準(zhǔn)則控制功率穩(wěn)定在最大值。其優(yōu)點(diǎn)：能搜索全局空間最優(yōu)解；解決MPPT出現(xiàn)多極值功率前期震蕩問題；搜索時(shí)間對(duì)極值個(gè)數(shù)的敏感性小。

圖1 解決方法分類示意圖

1.1.2 基于粒子群優(yōu)化的MPPT方法

為避免控制方法陷入局部極值點(diǎn)，文獻(xiàn)[4]利用峰值功率對(duì)應(yīng)電壓規(guī)則[5]提出了基于粒子群優(yōu)化的MPPT方法，其目標(biāo)函數(shù)利用光伏陣列輸出電壓的信息來設(shè)置粒子群算法參數(shù)，結(jié)合迭代終止策略，能避免出現(xiàn)功率振蕩等問題。

1.1.3 基于模糊免疫的MPPT方法

光伏陣列被局部陰影遮擋時(shí)，輸出特性曲線呈現(xiàn)多個(gè)局部峰值，為此文獻(xiàn)[6]提出基于模糊免疫的MPPT方法，無需控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，利用免疫理論具有的魯棒性、適應(yīng)性等特點(diǎn)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。其優(yōu)點(diǎn)：與天氣狀況相匹配；輸出功率波動(dòng)小、靈敏度高、超調(diào)小、響應(yīng)速度快。

1.1.4 基于改進(jìn)人工魚群的MPPT方法

為解決光伏系統(tǒng)在局部陰影遮擋下出現(xiàn)時(shí)變不確定性、非線性及多峰值等問題，文獻(xiàn)[7]提出基于改進(jìn)人工魚群的MPPT方法，其基本思路：利用人工魚群算法對(duì)GMPP快速搜索，再由擾動(dòng)觀察法(P&O)實(shí)現(xiàn)MPPT。該方法既將MPP的跟蹤和搜索分開運(yùn)行，也考慮兩者之間的關(guān)聯(lián)性，提高光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出效率。

1.1.5 基于差分進(jìn)化的MPPT方法

文獻(xiàn)[8]提出基于差分進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)GMPPT，它是一種隨機(jī)并行的直接搜索法，對(duì)不可微連續(xù)空間函數(shù)進(jìn)行最小化，以其穩(wěn)定性、全局優(yōu)化等特點(diǎn)應(yīng)用到MPPT中，減弱局部陰影遮擋對(duì)光伏陣列輸出功率的影響，準(zhǔn)確追蹤GMPP。其優(yōu)點(diǎn)為原理簡單、被控參數(shù)少、魯棒性好。

1.1.6 基于蟻群算法的MPPT方法

針對(duì)陰影遮擋條件下光伏陣列輸出特性曲線呈現(xiàn)多峰或非線性等問題，文獻(xiàn)[9]提出基于蟻群算法的MPPT方法，在分析光伏陣列輸出特性曲線基礎(chǔ)上構(gòu)建蟻群極值尋優(yōu)過程，并搜索特定區(qū)間極值點(diǎn)，以比較極值點(diǎn)大小得到MPP。其優(yōu)點(diǎn)：收斂速度和控制精度不受光伏陣列輸出不同形狀的曲線限制；有效跟蹤GMPPT，避免出現(xiàn)局部收斂等問題。

1.1.7 基于向量回歸的MPPT方法

文獻(xiàn)[10]提出基于向量回歸的MPPT方法，通過采集外界環(huán)境參數(shù)預(yù)測MPP對(duì)應(yīng)工作電壓，并將其設(shè)為目標(biāo)值與采樣的輸出電壓進(jìn)行作差，其后續(xù)控制與恒壓控制法相似。其優(yōu)點(diǎn)：跟蹤誤差小、輸出效率高、準(zhǔn)確跟蹤MPP；適用于真實(shí)外界條件，有良好應(yīng)用前景。

1.2 基于優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的MPPT方法

基于優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的MPPT是以建立數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過構(gòu)造光伏陣列輸出特性曲線求解輸出最大功率的方法。

1.2.1 基于等功率曲線的全局掃描法

文獻(xiàn)[11]提出基于等功率曲線的全局掃描法，先采用傳統(tǒng)MPPT獲得第一個(gè)MPP，并記錄其電壓、電流及功率；再依次從另一側(cè)搜索每個(gè)局部功率曲線峰值點(diǎn)，通過各局部峰值點(diǎn)數(shù)值確定GMPP，其優(yōu)點(diǎn)是引入的功率曲線能使系統(tǒng)快速掠過MPP較遠(yuǎn)區(qū)域，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，但頻繁進(jìn)行MPPT會(huì)造成功率浪費(fèi)。

1.2.2 基于等效面積的多峰MPPT方法

基于等效面積的多峰MPPT方法可分為組件串聯(lián)和陣列多峰MPPT方法[11]。

(1)組件串聯(lián)多峰MPPT方法

文獻(xiàn)[11]以三個(gè)光伏組件串聯(lián)進(jìn)行仿真獲得輸出特性曲線的三個(gè)膝點(diǎn)，每個(gè)膝點(diǎn)包圍曲線面積為MPP，通過比較三點(diǎn)對(duì)應(yīng)面積得出GMPP。該方法簡單快速，但只適用組件串聯(lián)多峰值跟蹤。

(2)陣列多峰MPPT方法

文獻(xiàn)[11]提出了陣列多峰MPPT方法是先確定峰值點(diǎn)大概位置，再用傳統(tǒng)MPPT確定LMPP，最后比較各局部峰值大小得出GMPP，其優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)思路簡單清晰；跟蹤速度快；功率損耗小。但需檢測不易獲得的各光伏陣列的光照參數(shù)。

1.2.3 聚攏峰值掃描判別法

在導(dǎo)納增量法(IncCond)基礎(chǔ)上，應(yīng)用聚攏峰值掃描判別實(shí)現(xiàn)GMPPT[12]，該方法需快速掃描開路電壓和短路電流之間的峰值，逐次比較對(duì)應(yīng)功率大小以判定GMPP，避免在極端情況下無法實(shí)現(xiàn)MPPT，其優(yōu)點(diǎn)是能迅速跟蹤MPP，提高光伏陣列的輸出效率。

1.2.4 瞬時(shí)掃描法

瞬時(shí)掃描法的每個(gè)周期包含最大功率檢出期和追蹤期，在檢出期，光伏陣列輸出電壓從0升至開路電壓，輸出電流從短路電流降至0，該過程中不斷比較功率大小得出最大功率；在追蹤期，使光伏陣列工作于最大功率檢出期的MPP處。以光伏陣列1/4陰影面積為對(duì)象，采用瞬時(shí)掃描法進(jìn)行MPPT[13]，通過與P&O各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比得出瞬時(shí)掃描法跟蹤MPP更為精準(zhǔn)、無誤差等結(jié)論。但該方法未介紹在不規(guī)則陰影情況下能否進(jìn)行MPPT。

1.3 基于非線性的MPPT方法

在不規(guī)則陰影遮擋下，光伏陣列輸出特性曲線呈多峰值，將滑膜變結(jié)構(gòu)與P&O相結(jié)合，解決陰影遮擋條件下多峰尋優(yōu)問題[14]。該方法既有滑膜變結(jié)構(gòu)響應(yīng)速度快、魯棒性好[15]，還有P&O易于實(shí)現(xiàn)、原理簡單等優(yōu)點(diǎn)[16]，但滑膜變結(jié)構(gòu)控制在滑模面附近易出現(xiàn)高頻抖動(dòng)，因此需采用PI調(diào)節(jié)器控制抖動(dòng)，以提高光伏陣列的輸出效率。

1.4 基于擾動(dòng)的自尋優(yōu)MPPT方法

基于擾動(dòng)的自尋優(yōu)MPPT方法包括兩步法、基于大步長擾動(dòng)的擾動(dòng)觀察法等，它們無需考慮光伏陣列受外界環(huán)境變化等因素，而是通過檢測光伏陣列輸出電壓或電流實(shí)現(xiàn)MPPT。

1.4.1 兩步法

兩步法的控制思路[17]：將工作點(diǎn)移到負(fù)載曲線與光伏陣列U-I特性曲線的交點(diǎn)處，再采用傳統(tǒng)MPPT實(shí)現(xiàn)GMPPT。其優(yōu)點(diǎn)：控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但MPP位于負(fù)載曲線左側(cè)時(shí)，工作點(diǎn)電壓運(yùn)行于0.9倍的開環(huán)電壓時(shí)無法實(shí)現(xiàn)MPPT。

1.4.2 基于大步長擾動(dòng)的擾動(dòng)觀察法

采用基于大步長擾動(dòng)的P&O實(shí)現(xiàn)GMPPT(簡稱GP)[18]，圖2所示為其流程圖，其原理為先在當(dāng)前MPP加一個(gè)方向?yàn)樨?fù)的大步長擾動(dòng)，若檢測斜率為負(fù)，則向左繼續(xù)加大步長；若檢測斜率為正，則采用P&O進(jìn)行區(qū)間跟蹤，同時(shí)將跟蹤MPP的電壓和功率保存下來。若當(dāng)前最大功率大于之前保存的最大功率，則將之前保存的最大功率和電壓進(jìn)行更新，之后向左繼續(xù)加大步長擾動(dòng)，否則之前的最大功率和電壓不會(huì)更新；若電壓大于設(shè)定值，則搜索完畢。該方法的步長選取非常關(guān)鍵，若步長較小，其原理和P&O一樣，無法實(shí)現(xiàn)GMPPT；若步長較大，跟蹤時(shí)可能跳過MPP，使跟蹤過程出現(xiàn)“盲區(qū)”。

圖2 基于大步長擾動(dòng)的P&O流程圖

1.4.3 帶檢測環(huán)節(jié)的MPPT方法

文獻(xiàn)[19]提出帶檢測環(huán)節(jié)的MPPT方法，其基本步驟：(1)采用P&O尋找MPP；(2)利用檢測環(huán)節(jié)掃描光伏陣列輸出特性曲線，尋找曲線的多個(gè)峰值點(diǎn)，利用P&O得到MPP是否為GMMP，若不是最大值，則從當(dāng)前電壓重新跟蹤尋找全局最大值。

在檢測環(huán)節(jié)中，通過光伏陣列后綴電路(如DC/DC)改變其工作點(diǎn)，為避免錯(cuò)過MPP，檢測環(huán)節(jié)從光伏陣列最小輸出電壓開始，直到開路電壓結(jié)束。檢測環(huán)節(jié)每次采集電壓和電流后，都將計(jì)算結(jié)果與先前功率值進(jìn)行比較，若大于先前功率值，檢測環(huán)節(jié)停止檢測，繼續(xù)采用P&O尋找MPP；反之繼續(xù)計(jì)算新的功率值與先前功率值進(jìn)行比較。該方法通過后綴電路直接控制，在追蹤MPP上有較好的穩(wěn)定性。

1.5 其它控制方法

1.5.1 基于Fibonacci的MPPT方法

文獻(xiàn)[20-21]提出基于Fibonacci的MPPT方法，它以Fibonacci數(shù)列為參考，通過反復(fù)限制和調(diào)整搜索范圍確定MPP在搜索范圍內(nèi)，同時(shí)引入新的校正功能，判斷日照突變程度確定搜索范圍，保證GMPPT的精確性。其優(yōu)點(diǎn)：追蹤性能快，追蹤范圍寬；無需檢測光照強(qiáng)度和溫度；無需光伏陣列精確的數(shù)學(xué)模型。但光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，該方法需初始化搜索條件實(shí)現(xiàn)搜索范圍，確保MPP在搜索范圍內(nèi)。

1.5.2 復(fù)合型MPPT方法

文獻(xiàn)[22]提出結(jié)合IncCond、全局掃描法及逼近公式的復(fù)合型MPPT方法，在任何陰影遮擋下搜索GMPP，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)控制方法收斂于局部最大值的問題。由于逼近公式的引入，光伏系統(tǒng)能快速越過MPP不可能出現(xiàn)的區(qū)域，提高搜索效率。該方法能快速實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，提高系統(tǒng)輸出效率，在實(shí)際工程中有一定使用價(jià)值。

文獻(xiàn)[23]以GMPPT為基礎(chǔ)，提出基于P&O和IncCond改進(jìn)的GMPPT方法，其原理：當(dāng)光伏陣列輸出電壓接近開路電壓時(shí)，采用大步長P&O靠近LMPP；當(dāng)光伏陣列的工作點(diǎn)達(dá)到LMPP附近時(shí)，用小步長IncCond搜索并記錄LMPP；之后給一個(gè)跳躍電壓ΔU到下一個(gè)可能出現(xiàn)的LMPP附近，并施加一定擾動(dòng)，若dP/dU＜0，說明存在LMPP，否則不存在LMPP。依照上述過程尋找并比較LMPP的大小，最后得到GMPP，并利用IncCond保持該點(diǎn)處。其優(yōu)點(diǎn)：快速搜索LMPP，準(zhǔn)確跟蹤GMPP，消除功率振蕩；有較快的響應(yīng)速度和較好的穩(wěn)定性能。

2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 優(yōu)化光伏陣列組態(tài)的方法

文獻(xiàn)[24]介紹了各種光伏陣列組態(tài)優(yōu)化的方法，并對(duì)開關(guān)矩陣的結(jié)構(gòu)圖和光伏陣列的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，得到各種光伏陣列組態(tài)優(yōu)化控制策略及其優(yōu)缺點(diǎn)等，為光伏陣列組態(tài)優(yōu)化的研究提供參考。

2.2 添加有源補(bǔ)償方法

MPPT方法雖在陰影遮擋下能實(shí)現(xiàn)GMPPT，但未改變光伏陣列結(jié)構(gòu)，使各結(jié)構(gòu)支路不能輸出最大功率，為此提出支路串聯(lián)電壓源的方法[25]，利用電壓源對(duì)各支路進(jìn)行補(bǔ)償，提高光伏陣列輸出效率，其優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，有較好的適應(yīng)性和使用價(jià)值；缺點(diǎn)為增添了硬件電路，導(dǎo)致成本增多。

3 展望

本文詳細(xì)介紹了陰影遮擋對(duì)光伏陣列影響的解決方法，歸納了它們的基本工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合等。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究狀況和存在問題，有待展開的工作有：(1)加強(qiáng)大容量光伏并網(wǎng)的研究。國內(nèi)外研究者對(duì)陰影遮擋條件下光伏陣列輸出特性的研究已取得較大進(jìn)展，但尚未完善，尤其在大容量光伏并網(wǎng)方面需進(jìn)一步展開研究；(2)將已取得的各種方法應(yīng)用于實(shí)際工程。為適應(yīng)外界環(huán)境，針對(duì)陰影遮擋對(duì)光伏陣列的影響，各種智能控制算法被提出，但這些算法還需實(shí)際工程驗(yàn)證，將研究成果盡快轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，應(yīng)用于實(shí)際工程中。

參考文獻(xiàn)：

[1]PATEL H，AGARWAL V．MATLAB-based modeling to study the effects of partial shading on PV array characteristics[J]．IEEE Transaction on Energy Conversion，2008，23(1)：302-310．

[2]陳阿蓮，馮麗娜，杜春水，等．基于支持向量機(jī)的局部陰影條件下光伏陣列建模[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(3)：140-146．

[3]花京華.分布式光伏系統(tǒng)PV陣列功率優(yōu)化及預(yù)測方法研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]朱艷偉，石新春，但揚(yáng)清，等.粒子群優(yōu)化算法在光伏陣列多峰最大功率點(diǎn)跟蹤中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(4)：42-48.

[5]ISHAQUE K，SALAM Z，TAHERI H，et al．Maximum power point tracking for PV system under partial shading condition via particle swarmoptimization[C]//Applied Power Electronics Colloquium (IAPEC).Johor Bahru：IEEE，2011：5-9．

[6]劉立群，王志新，張華強(qiáng)，等.部分遮蔽光伏發(fā)電系統(tǒng)模糊免疫M(jìn)PPT控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(7)：96-99，116.

[7]朱志宇，原琳.遮蔽條件下的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤算法[J].電力系統(tǒng)及自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，25(4)：63-67.

[8]林祺蓉，王俏俏，林祺蔚，等.基于差分進(jìn)化算法的陰影影響下光伏陣列MPPT控制研究[J].中國電力，2015，48(6)：39-44.

[9]王雅，曾成碧，付文霞.基于蟻群算法的局部陰影光伏最大功率跟蹤算法[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，44(4)：523-527.

[10]張智慧.基于支持向量回歸的光伏發(fā)電MPPT算法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[11]王冰清.光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[12]高金輝，馬高峰.局部陰影下光伏陣列呈多峰值的MPPT算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(12)：61-63.

[13]吳昊天，葛強(qiáng)，談磊，等.局部陰影條件下光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤研究[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，15(2)：52-55.

[14]周天沛，孫偉.不規(guī)則陰影影響下光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39(10)：42-49.

[15]尚磊，孫丹，胡家兵，等.三相電壓型并網(wǎng)逆變器滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(14)：79-83.

[16]FEMIA N，GRANOZIO G，PETRONE D，et al.Predictive&adaptive MPPT perturb and observe method[J].IEEE Transon Aerospace and Electronic Systems，2007，43(3)：934-950.

[17]KOBAYASHI K，TAKANO I，SAWADA Y．A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions[J].Solar Energy Material&Solar Cells，2006(90)：2975-2988．

[18]PATEL H，AGARWAL V.Maximum power point tracking scheme for PV systems operating under partially shaded conditions[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(4)：1689-1698.

[19]呂昌睿，李國杰.局部陰影最大功率點(diǎn)MPPT算法研究[J].電力科學(xué)與工程，2012，28(5)：12-15.

[20]楊飛，惠晶.基于Fibonacci搜索的光伏發(fā)電MPPT控制策略[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(8)：182-185.

[21]MIYATAKE M，INADA T，HIRATSUKA I，et al.Control characteristics of a Fibonacci-search-based maximum power point tracker when a photovoltaic array is partially shaded[C]//The 4th IPEMC. Riga，Latvia：IEEE，2004：816-821．

[22]朱嘯行，袁越，傅質(zhì)馨.考慮多點(diǎn)局部陰影的光伏陣列建模及復(fù)合型最大功率跟蹤算法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(9)：56-61.

[23]彭韜，丁坤，劉海皓，等.局部陰影下光伏陣列全局MPPT控制方法[J].可再生能源，2012，30(7)：8-11.

[24]馮麗娜，陳阿蓮，杜春水，等.光伏陣列組態(tài)優(yōu)化控制策略分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(22)：101-107.

[25]朱文杰，榮飛.局部陰影條件下基于支路串聯(lián)電壓源的光伏陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(36)：96-103.

Method for solving influence of shading on photovoltaic array

CHEN Ya-ai1,2,LIU Ming-yuan1,2,ZHANG Rong-gang2,ZHOU Jing-hua1,2,QIU Huan1,2
(1.Inverier Technology Engineering Research Center of Beijing,North China University of Technology,Beijing 100144,China; 2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corp,Beijing 100012,China)

PV arrays are susceptible to shadow,leading the output power is greatly reduced.In order to improve the output power of photovoltaic power generation system,the effect of shading on PV arrays needs to be solved.The existing solutions were classified.Based on analyzing the working principle of various solutions,the characteristics and applications were summarized,providing reference for improving the output power of PV arrays.

photovoltaic power generation;shadow;solution

TM914

A

1002-087X(2017)05-0830-04

2016-10-12

中國石油工程建設(shè)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(2014-GJTC-04-05)

陳亞愛(1961—)，女，廣東省，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮討?yīng)用及電氣傳動(dòng)，新能源發(fā)電控制技術(shù)。