局部陰影條件下光伏陣列GMPPT算法的研究

魏 超，施火泉，許偉梁

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

局部陰影條件下光伏陣列GMPPT算法的研究

魏 超，施火泉，許偉梁

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

針對(duì)局部陰影條件下光伏陣列的P-V曲線(xiàn)呈現(xiàn)多峰值的情況，提出了一種全局最大功率點(diǎn)追蹤（GMPPT）算法來(lái)解決傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）算法失效的問(wèn)題。該算法由子兩個(gè)子算法構(gòu)成，通過(guò)提出的局部陰影檢測(cè)手段決定具體使用的子算法。最后將該算法在matlab中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，在局部陰影條件下該算法能精確的追蹤到全局最大功率點(diǎn)，且避免了對(duì)整條P-V曲線(xiàn)的掃描。在均勻光照條件下比傳統(tǒng)MPPT算法能更快的定位到最大功率點(diǎn)。

光伏陣列；多峰值；GMPPT；MPPT

太陽(yáng)能已經(jīng)成為了一種很有發(fā)展前景的新能源，并被廣泛應(yīng)用于發(fā)電中[1-2]。在均勻光照條件下，光伏陣列只有一個(gè)最大功率點(diǎn)。但在實(shí)際工作環(huán)境中由于受到樹(shù)木、建筑物等遮擋影響，光伏陣列可能處于局部陰影（PSC）中。此時(shí)光伏陣列的I-V曲線(xiàn)呈現(xiàn)階梯狀，P-V曲線(xiàn)呈現(xiàn)多峰值。傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（CMPPT）算法可能陷于局部極值點(diǎn)，因此需要提出一個(gè)全局最大功率點(diǎn)跟蹤（GMPPT）算法。文獻(xiàn)[3-5]、[8-9]利用觀(guān)察P-V曲線(xiàn)得出的最大功率點(diǎn)電壓分布規(guī)律以及恒流源特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的GMPPT算法。但是算法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴(lài)性高。文獻(xiàn)[10-13]中將模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等思想應(yīng)用到GMPPT算法的設(shè)計(jì)當(dāng)中，雖然算法的性能較好但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)代價(jià)較大。本文分別設(shè)計(jì)了均勻光照和局部陰影條件下的兩種算法，通過(guò)檢測(cè)局部陰影是否發(fā)生決定使用哪一種算法。均勻光照條件下根據(jù)光伏陣列第一個(gè)工作點(diǎn)的位置，決定使用查表法還是恒壓法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。局部陰影條件下的算法利用對(duì)大量光伏陣列P-V曲線(xiàn)觀(guān)察得出的規(guī)律，首先將工作點(diǎn)定位到全局最大功率點(diǎn)區(qū)域，之后再用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀(guān)察法追蹤到全局最大功率點(diǎn)。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 局部陰影的檢測(cè)

某一光伏陣列由3個(gè)接受不同光照且相互串聯(lián)的組件組構(gòu)成，每個(gè)組件都并聯(lián)有一個(gè)旁路二極管。圖1為該光伏陣列及每一個(gè)光伏組件的I-V曲當(dāng)滿(mǎn)足ISC=IPV時(shí)，在曲線(xiàn)的開(kāi)始處僅光照強(qiáng)度為1 000 W/m2的組件正常工作，另外兩個(gè)光伏組件具有負(fù)電壓。因此局部陰影是否發(fā)生可以通過(guò)檢測(cè)光伏組件所并聯(lián)的旁路二極管的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。在ISC=IPV處如果光伏陣列中任何一個(gè)旁路二極管具有反向電壓則可以確定光伏陣列處于局部陰影中。要想滿(mǎn)足ISC=IPV，則buck-boost變換器中的占空比D必須滿(mǎn)足公式（1）中的條件。

式中ISC為光伏陣列的短路電流，Rload為負(fù)載電阻。如果ISC=IPV，則光伏陣列的電壓為零且占空比D也為零。但在實(shí)際條件下不可能實(shí)現(xiàn)D=0，所以在陰影檢測(cè)時(shí)只有盡可能的將buck-boost變換器的占空比設(shè)置的低一些。文中將該占空比的最小值設(shè)定為5%。在此過(guò)程中不需要利用光伏陣列的短路電流從而保證了所提出的算法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴(lài)性更小。

圖1 光伏組件和光伏陣列的I-V曲線(xiàn)

1.2 均勻光照條件下的算法設(shè)計(jì)

均勻光照條件下的算法結(jié)合了傳統(tǒng)的恒壓法和新的查表法。第一步，確定負(fù)載電阻RLoad的值，為了決定第二步使用的方法，需要知道光伏陣列在I-V曲線(xiàn)上的第一個(gè)工作點(diǎn)在什么位置。如圖2所示，初始工作點(diǎn)隨著負(fù)載電阻數(shù)值的改變而改變。當(dāng)負(fù)載電阻為RL1和RL2時(shí)第一個(gè)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)（MPP）的左側(cè)，當(dāng)負(fù)載電阻為RL3時(shí)第一個(gè)工作點(diǎn)在MPP的右側(cè)。因此需將兩個(gè)臨近的占空比輸入到buck-boost變換器中，測(cè)量所對(duì)應(yīng)的電壓和電流值，再計(jì)算出相應(yīng)的功率值。最后通過(guò)公式（2）決定第一個(gè)工作點(diǎn)的位置。

圖2 不同的負(fù)載線(xiàn)與I-V曲線(xiàn)的交點(diǎn)

如果a＞0，則第一個(gè)工作點(diǎn)在MPP的左側(cè)。在該側(cè)利用查表法定位到最大功率點(diǎn)附近。查表法的輸入?yún)?shù)是光伏陣列的電流IPV（k），輸出參數(shù)是光伏陣列的等效電阻RPV。所以在測(cè)得光伏陣列的電流之后通過(guò)查表法就確定了光伏陣列的等效電阻RPV。初始占空比的值可以通過(guò)公式（3）來(lái)計(jì)算[14-15]。

RPV（Q）：光照強(qiáng)度為Q的條件下光伏陣列的等效電阻，η：額定功率下buck-boost變換器的效率。查表法中的表格在設(shè)計(jì)時(shí)要確定數(shù)據(jù)對(duì)（IPV，RPV）的數(shù)量，可以根據(jù)公式（4）來(lái)計(jì)算。其中KSC為不同光照條件下Im和ISC的比，從表1可知比值KSC的變化范圍為0.92～0.94。KSC的平均值KSCavg為0.934 0。對(duì)于文中選擇的光伏組件，數(shù)據(jù)對(duì)的數(shù)量是15對(duì)。

表1 不同光照條件下光伏組件的短路電流和最大功率點(diǎn)電流

如果a＜0，則第一個(gè)工作點(diǎn)在MPP的右側(cè)。在最大功率點(diǎn)的右側(cè)光伏陣列的電壓變化很小，所以在這一側(cè)使用恒壓法定位到最大功率點(diǎn)附近，占空比的初始值可以用公式（5）來(lái)計(jì)算。其中Vmref，Imref為標(biāo)準(zhǔn)條件（T=25℃，G=1 000 w/m2）下光伏組件在最大功率點(diǎn)的電壓和電流值。

確定第一個(gè)工作點(diǎn)的位置后利用查表法或恒壓法定位到最大功率點(diǎn)附近，再利用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀(guān)察法即可追蹤到最大功率點(diǎn)。

1.3 局部陰影條件下算法設(shè)計(jì)

對(duì)大量處于各種陰影模式下的光伏陣列輸出特性曲線(xiàn)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)在I-V曲線(xiàn)上全局最大功率點(diǎn)出現(xiàn)的區(qū)域都包括V/I=VOC/ISC這一點(diǎn)。VOC、ISC分別為均勻光照條件下光伏陣列的開(kāi)路電壓和短路電流。如圖3所示為同一光伏陣列在5種不同光照條件下的I-V和P-V曲線(xiàn)。I-V曲線(xiàn)和負(fù)載線(xiàn)的交點(diǎn)分別為a-e，對(duì)應(yīng)P-V曲線(xiàn)上的A-E點(diǎn)且A-E點(diǎn)都處于全局最大功率點(diǎn)附近。根據(jù)此規(guī)律在局部陰影發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)應(yīng)該迅速的移動(dòng)到I-V曲線(xiàn)上V/I=VOC/ISC這一點(diǎn)，移動(dòng)到全局最大功率點(diǎn)區(qū)域之后再使用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀(guān)察法（P&O）搜索到全局最大功率點(diǎn)。陰影算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1）測(cè)量并記錄光伏陣列在開(kāi)始時(shí)即k=1時(shí)的輸出電壓（Vk）和電流（Ik）的值，并檢測(cè)局部陰影情況是否發(fā)生。若光伏陣列處于局部陰影條件下則進(jìn)入第2）步。

2）如果 |Vk/Ik-VOC/ISC|＞εS則進(jìn)入第 3）步，否則將占空比設(shè)置為Dk+1=Dk，然后執(zhí)行第5）步。

3）如果 Vk/Ik＜VOC/ISC，則占空比 Dk+1=Dk-Dstep；否則Dk+1=Dk+Dstep。

4）讓 k=k+1，測(cè)量并記錄 tk時(shí)的 Vk和 Ik的值。之后返回到第2）步。

5）讓k=k+1。然后在tk時(shí)刻利用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀(guān)察法定位到全局最大功率點(diǎn)。

整個(gè)GMPPT算法流程圖如圖4所示，在算法啟動(dòng)時(shí)需要設(shè)置的系數(shù)包括:光伏陣列開(kāi)路電壓（VOC）和短路電流（ISC），在全局最大功率點(diǎn)區(qū)域搜索時(shí)的步長(zhǎng)Dstep，界限值εS，以及傳統(tǒng)擾動(dòng)觀(guān)察法中的其他系數(shù)。

圖3 不同光照條件下的I-V、P-V曲線(xiàn)

圖4 GMPPT算法流程圖

2 仿真分析

所選用光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下 （T=25°C，G=1 kw/m2）的參數(shù)如下：開(kāi)路電壓Voc=21.1 V，短路電流Isc=3.8 A，最大功率點(diǎn)電壓Vm=17.15 V，最大功率點(diǎn)電流Im=3.5 A。仿真中負(fù)載電阻值RLoad為15 Ω，光伏陣列的結(jié)構(gòu)為4*4，即每4塊組件相互串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)組件串，然后再將4個(gè)這樣的組件串相互并聯(lián)。局部陰影條件下[6]組件串中的4個(gè)組件一開(kāi)始接受的光照強(qiáng)度均為1 000 w/m2，在t=0.15 s時(shí)4塊組件接受的光照強(qiáng)度分別為 300 W/m2、500 W/m2、700 W/m2、1 000 W/m2，組件的溫度均為T(mén)=25℃。均勻光照條件下組件串中4塊組件接受的光照強(qiáng)度一開(kāi)始為500 W/m2在t=0.15 s時(shí)光照強(qiáng)度變?yōu)? 000 W/m2，組件的溫度均為T(mén)=25℃。圖5、6為均勻光照和局部陰影條件下光伏陣列的 P-V 曲線(xiàn)。圖 7（a）、（b）分別為均勻光照條件下傳統(tǒng)MPPT算法電導(dǎo)增量法[7]（INC）與GMPPT算法的仿真波形，GMPPT算法僅用0.005 s便可追蹤到最大功率點(diǎn)，追蹤的速度快于INC法。圖8為陰影情況下GMPPT算法與INC算法跟蹤效果的比較，INC在局部陰影發(fā)生時(shí)陷于局部極值點(diǎn)230 W處，而GMPPT算法追蹤到了功率為380 W的全局最大功率點(diǎn)。

圖5 均勻光照下光伏陣列的P-V曲線(xiàn)

圖6 局部陰影條件下光伏陣列的P-V曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

1）局部陰影條件發(fā)生時(shí)，在起始工作點(diǎn)（ISC=IPV）處光伏組件并聯(lián)的旁路二極管具有負(fù)電壓。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種新的陰影檢測(cè)手段。

2）利用觀(guān)察光伏陣列輸出特性曲線(xiàn)得到的規(guī)律設(shè)計(jì)局部陰影條件下的算法，避免了傳統(tǒng)GMPPT算法對(duì)整條P-V曲線(xiàn)的掃描。

圖7 均勻光照條件下INC算法和GMPPT算法的仿真波形圖

圖8 局部陰影條件下INC算法和GMPPT算法仿真波形圖

3）均勻光照條件下的算法利用傳統(tǒng)的恒壓法和新的查表法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行初步定位，最后再利用擾動(dòng)觀(guān)察法精確定位。提高了算法對(duì)最大功率點(diǎn)追蹤的快速性和精確度。

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Research on GMPPT algorithm of photovoltaic array under partial shading condition

WEI Chao，SHI Huo-quan，XU Wei-liang
（ School of IoT Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

P-V curves of PV arrays show multiple peaks under partial shading condition.A global maximum power point tracking （GMPPT） algorithm is proposed to solve the problem of the traditional maximum power point tracking （MPPT） algorithm.The algorithm consists of two subroutine，by means of detection of partial shadow which decided to use a subroutine.Finally，the algorithm is validated by simulation in matlab.Simulation results show that the algorithm can accurately track the global maximum power point and avoid the scan of the whole P-V curve.Compared with the traditional MPPT algorithm，the algorithm can locate the maximum power point more quickly than the traditional one.

photovoltaic array； multiple peak； GMPPT； MPPT

TN601

：A

：1674－6236（2017）14-0018-05

2016-07-07稿件編號(hào)：201607065

魏 超（1992—），男，安徽合肥人，碩士研究生。研究方向：光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。