新型自適應算法在復雜遮陰條件下MPPT中的應用

盛四清， 陳玉良

(華北電力大學 電氣與電子工程學院, 河北 保定 071003)

新型自適應算法在復雜遮陰條件下MPPT中的應用

盛四清， 陳玉良

(華北電力大學 電氣與電子工程學院, 河北 保定 071003)

光伏陣列輸出特性具有明顯的非線性特征，并且當光伏陣列被部分遮擋時其輸出特性出現(xiàn)多個峰值。傳統(tǒng)變步長MPPT方法對均勻光照條件下的單峰值特性尋優(yōu)問題取得了良好的效果，但其在處理多峰值尋優(yōu)問題時可能會失效。針對上述情況，提出了一種新型自適應變步長MPPT方法。首先建立部分遮陰情況下光伏陣列數(shù)學模型，然后根據(jù)最大功率點所在電壓區(qū)間與開路電壓和短路電流呈現(xiàn)出的特殊規(guī)律，將多峰值尋優(yōu)問題轉(zhuǎn)化為單峰值尋優(yōu)問題。找到其所在區(qū)間后啟用改進自適應算法搜索全局最大功率點，仿真結(jié)果表明該算法在無遮陰和部分遮陰情況下均能有效找到全局最大功率點。

光伏系統(tǒng)； 局部遮陰； 最大功率點跟蹤； 自適應； 開路電壓； 短路電流

0 引 言

隨著社會的進步，太陽能發(fā)電已經(jīng)成為我國電能的主要來源之一[1]。與傳統(tǒng)的化石能源相比，光伏發(fā)電作為一種無污染可再生新能源具有巨大的發(fā)展前景。然而，光伏電池的輸出特性隨外界環(huán)境變化呈明顯的非線性，并且其光電轉(zhuǎn)換效率非常低。因此，最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)技術(shù)已經(jīng)成為人們研究的熱點問題。

到目前為止，人們已經(jīng)提出多種MPPT控制策略[2-5]。經(jīng)典的方法有恒定電壓法、擾動觀測法[6]以及電導增量法[7]等。其中電導增量法和擾動觀測法是目前應用最為廣泛的兩種方法。傳統(tǒng)定步長MPPT方法在步長選取時難以解決穩(wěn)態(tài)精度與瞬態(tài)響應速度之間的矛盾。因此文獻[8]提出梯度式變步長MPPT策略，該方法采用定電圧斜率啟動方式，將步長因子定義為前后兩次功率差的比值，并且加入功率預測算法，動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能都取得了良好的效果。然而，當光伏陣列發(fā)生遮陰情況時，其輸出特性呈現(xiàn)多峰特性[9-10]，此時上述MPPT方法在尋找全局最大功率點(Global Peak,GP)時可能會失效。文獻[11]提出改進型電導增量法，利用開路電壓和最大功率點電壓之間的近似關(guān)系來尋找最大功率點，但是該方法要搜索所有可能出現(xiàn)局部極值點的電壓區(qū)間才能找到MPP，因此其動態(tài)響應速度較慢。論文中提出新型自適應MPPT算法，當檢測到光伏陣列發(fā)生遮陰現(xiàn)象時，通過所提算法快速將工作點調(diào)整到最大功率點所在的電壓區(qū)間，此時多峰值尋優(yōu)轉(zhuǎn)化為單峰值尋優(yōu)問題，然后通過自適應變步長方法即可找到全局最大功率點。同時，為了避免光伏電池輸出功率在最大功率點處振蕩，在上述算法中加入擾動終止策略。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明該算法在無遮陰和部分遮陰情況下均能有效找到全局最大功率點，并且能夠有效防止光伏陣列輸出功率在MPP處振蕩，提高光伏電池輸出效率。

1 部分陰影條件下光伏陣列數(shù)學模型

光伏陣列由多個光伏模塊串并聯(lián)構(gòu)成。光伏系統(tǒng)在部分遮蔽條件下，被遮擋部分接收到的光照強度小于其他光伏模塊，因此其輸出電流較接受均勻光照部分要小很多。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，流過每一個光伏陣列的電流是相同的，被遮擋部分需要一個反向電壓以保證正常工作。被遮擋的光伏組件將被當做負載消耗其他光伏電池產(chǎn)生的電能，此時就會出現(xiàn)“熱斑效應”。在實際應用中，通過并聯(lián)一個旁路二極管來解決此問題。圖1為m行n列光伏陣列示意圖。

圖1 光伏陣列示意圖Fig.1 Schematic of photovoltaic array

假設(shè)上圖中二極管具有理想二極管特性，則每個光伏陣列串聯(lián)結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型[12]可以表示為

(1)

式中：Ij、Vj分別為光伏串聯(lián)結(jié)構(gòu)第j列的輸出電流和輸出電壓。其中，Iij=f(Vij)為單個光伏電池輸出特性關(guān)系式，其可以表示為

(2)

式中：Isc、Voc分別為標準測試條件下光伏電池短路電流和開路電壓；Vm、Im分別為光伏電池最大功率點電壓和電流。由圖1可知，上述光伏陣列由n列光伏電池并聯(lián)組成，則光伏陣列的數(shù)學模型可以被描述為

(3)

式中：I、V分別為光伏陣列輸出電流和輸出電壓。實際上，光伏陣列由多個光伏模塊組成，由于模塊本身或陰影等原因，導致每個模塊的輸出特性各不相同，加入旁路二極管后光伏陣列輸出特性曲線出現(xiàn)多個峰值。

2 新型自適應MPPT算法

常規(guī)變步長MPPT算法(Conventional MPPT,CMPPT)在環(huán)境光照不變的條件下具有良好的穩(wěn)態(tài)精度以及響應速度，當發(fā)生局部遮擋時，光伏陣列輸出特性曲線呈現(xiàn)多峰值特性，此時常規(guī)變步長MPPT方法在最大值尋優(yōu)時可能會失效[13-14]。利用Matlab/Simulink對不同陣列在不同溫度及光照下的輸出特性進行仿真，歸納了光伏陣列在局部陰影條件下輸出特性的變化規(guī)律。論文中提出一種先搜索全局最大值點所在區(qū)間(Global Peak Interval,GPI),然后與自適應變步長(Adaptive MPPT,AMPPT)算法相結(jié)合的MPPT算法。

2.1搜索全局最大功率點所在區(qū)間

圖2 GPI搜索原理圖Fig.2 Search schematic of GPI

2.2算法重啟條件

當光照條件為均勻光照或者發(fā)生遮蔽情況時，光伏陣列的I-V特性曲線總是呈現(xiàn)出單調(diào)遞減特性。當MPPT算法沿著I-V特性曲線搜索全局最大值時，電壓的升高伴隨著電流的下降，反之亦然。當光照條件發(fā)生變化時，光伏陣列輸出特性曲線也會隨之發(fā)生改變。如圖3所示，環(huán)境光照條件發(fā)生變化時，光伏電池I-V特性曲線由S1變?yōu)镾2。若光伏陣列與恒定阻抗負載相連接，工作點由A點變?yōu)锽點，此時光伏陣列的輸出電壓和輸出電流同時減小，反之光伏電池特性曲線由S2變?yōu)镾1時，其輸出電壓和輸出電流同時增大；當光伏陣列與恒定電壓負載(如DC-AC逆變器)相連接時，電壓變化量ΔV幾乎為0，電流變化量ΔI則非常顯著。由以上分析可知，當式(4)得到滿足時認為外界光照發(fā)生變化，需要重新啟動上述MPPT算法。式中，ε1為電流偏差閾值。

(4)

圖3 算法重啟條件原理圖Fig.3 Schematic diagram of the algorithm restart

2.3新型自適應MPPT算法

通過式(4)檢測到外界光照條件發(fā)生變化時，所提算法將工作點快速調(diào)整到V/I等于VOC/ISC的位置，此時工作點將會位于最大功率點所在的GPI。然后啟動自適應變步長算法快速定位到全局最大功率點MPP。

論文中對常規(guī)變步長MPPT算法進行改進，常規(guī)變步長算法不能同時滿足瞬態(tài)響應速度和穩(wěn)態(tài)精度的要求，為了提高最大功率點跟蹤的精確性和快速性，論文中采用新的步長因子λstep=α|ΔP|。式中，α為步長調(diào)節(jié)因子。并且為了防止在最大功率點附近振蕩，設(shè)置功率偏差閾值ε3，認為當|ΔP|<ε3時達到最大功率點，停止對步長的擾動，從而有效避免輸出功率在MPP附近來回振蕩的現(xiàn)象。

圖4 尋優(yōu)過程原理圖Fig.4 Schematic diagram of the optimization process

圖5 MPPT算法流程圖Fig.5 MPPT algorithm flow chart

3 仿真驗證

根據(jù)上述算法在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，仿真模型由光伏陣列、升壓變換器、MPPT模塊以及恒定負載組成。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，仿真中所用光伏電池參數(shù)如表1所示。

以圖7(a)所示的四種遮陰情況為例進行仿真驗證。如圖7(a)所示，四種遮陰情況全局最大功率點分別記為A～D。在本次仿真中，設(shè)置仿真時間為0.8 s，并且每過0.2 s對光伏陣列遮陰模式進行一次改變，光照改變的順序為S1-S2-S3-S4。本次仿真中與上述自適應MPPT算法有關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖6 仿真電路拓撲圖Fig.6 Simulation circuit topology diagram

參數(shù)(1000W/m2，25℃)最大功率Pmax/W8328開路電壓UOC/V3792短路電流ISC/A862最大功率點電壓UM/V3096最大功率點電流IM/A807電壓溫度系數(shù)KV/℃-00033969電流溫度系數(shù)KI/℃000063701

表2 自適應MPPT算法相關(guān)參數(shù)

圖7(b)為采用常規(guī)變步長算法與新型自適應變步長算法光伏陣列輸出功率對比圖。首先，從圖中可以看出在0～0.2 s以及0.6～0.8 s的時間內(nèi)，光伏電池輸出特性曲線為單峰值曲線，即當外界光照無陰影時，上述兩種方法均能搜索到最大功率點，但所提自適應MPPT方法動態(tài)響應速度更快，并且在最大功率點時的功率輸出振蕩較小，穩(wěn)態(tài)性能得到提高；而在0.2～0.4 s以及0.4～0.6 s時間內(nèi)，光伏陣列發(fā)生遮陰情況，常規(guī)變步長MPPT方法搜索最大功率點失敗，尤其是在0.4～0.6 s時間內(nèi)，其輸出為局部最大功率點功率，與全局最大功率點功率相比大約造成31.1%的功率損失，使得光伏陣列輸出效率大幅度降低。

圖7 輸出功率對比結(jié)果Fig.7 Output power comparison results

4 結(jié) 論

本文通過分析光伏陣列在不同遮陰模式下輸出特性的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在光伏陣列P-V特性曲線中全局最大功率點所在區(qū)間(GPI)與光伏電池開路電壓和短路電流呈現(xiàn)出一定規(guī)律。該規(guī)律適用于絕大多數(shù)遮陰情況，根據(jù)該規(guī)律將多峰值尋優(yōu)問題轉(zhuǎn)化為單峰值最優(yōu)問題，然后通過改進自適應算法找到全局最優(yōu)點。在Matlab/Simulink搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明該算法在無遮陰和部分遮陰情況時均能有效找到全局最大功率點，并且能夠有效防止光伏陣列輸出功率在MPP處振蕩，提高光伏電池輸出效率。

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Application of New Adaptive Algorithm in MPPT Under Complex Shading Conditions

SHENG Siqing, CHEN Yuliang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The output characteristics of the PV array are significantly non-linear, and there appear multiple peaks when the PV array is partially shaded. The conventional variable step-size MPPT method has a good effect on the optimization of the single peak value under the condition of uniform light, but it may fail when dealing with the multi peak optimization problem. Considering the above situation, this paper proposes a new adaptive variable step size MPPT method. Firstly, a mathematical model of PV array under partial shading is established, and then the multi-peak optimization problem is transformed into a single peak optimization problem based on the interval of voltage where maximum power point is located as well as the special discipline represented by open circuit voltage and short circuit current. Use the improved adaptive algorithm to search for overall maximum power point after finding the interval of the MPP. The simulation results show that the algorithm can accurately find the overall maximum power point under both none and partial shading conditions.

photovoltaic system; partial shading; maximum power point tracking; adaptive; open circuit voltage; short circuit current

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.05.05

TM914

A

1007-2691(2017)05-0034-06

2017-02-26.

盛四清(1965-)，男，教授，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；陳玉良(1993 -)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。