多云及陰影遮擋時(shí)光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤策略

王占永 趙愛(ài)光

摘 要：目前市場(chǎng)上的逆變器，在正常光照下，對(duì)電池板最大功率點(diǎn)的跟蹤效率已做到99.9%以上，但是，多云天氣或有陰影遮擋時(shí)的跟蹤效率，各廠家逆變器差距較大。在光伏系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于周?chē)ㄖ镆曰驑?shù)木的遮擋、電池板表面的塵土或者多云天氣云層的遮擋，使得電池板很多情況下并不工作在均勻光照下。本文對(duì)陰影遮擋下電池板輸出特性做了分析，并研究出一種迅速準(zhǔn)確找到最大功率點(diǎn)的策略。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能 逆變器 陰影遮擋 最大功率點(diǎn)跟蹤

0 引言

近年來(lái)，隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)能源消的需求量也在不斷增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的礦物能源會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，例如CO，SO2，CO2 和NO2等 ，嚴(yán)重影響大氣質(zhì)量。21世紀(jì)，全球?qū)⒚媾R能源與環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)和利用清潔替代能源，是事關(guān)世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、能源安全和社會(huì)進(jìn)步的重大課題。太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其清潔無(wú)污染、取之不盡用之不竭、安全性高等顯著優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)能、生物能、地?zé)崮艿绕渌履茉?，成為關(guān)注重點(diǎn)，在新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中占有重要地位。

近年來(lái)，在各國(guó)政府的推動(dòng)下，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用規(guī)模迅速增長(zhǎng)，技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)也迅速提升，制造成本顯著降低。截至到2017年底，全球光伏裝機(jī)總量已超過(guò)400GW。其中2017年全球光伏新增裝機(jī)約102GW，比2016年同比增長(zhǎng)約40%。2007至2016年全球光伏發(fā)電平均年增長(zhǎng)率超過(guò)40%，成為全球增長(zhǎng)速度最快的能源品種。

逆變器作為光伏系統(tǒng)的“大腦”，不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。包括自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)停機(jī)停、最大功率跟蹤控制、交直流檢測(cè)、直流接地檢測(cè)以及漏電流檢測(cè)。隨著逆變器技術(shù)成熟，最大功率跟蹤控制成為影響發(fā)電量的關(guān)鍵因素。如何在多云天氣及陰影遮擋情況下，跟蹤到電池板的最大功率，成為目前逆變器技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

1 部分遮擋時(shí)電池板的特性

在光伏系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于周?chē)ㄖ镆曰驍?shù)目的遮擋、電池板表面的塵土或者多云天氣云層的遮擋，使得電池板受到的太陽(yáng)輻射不均勻，從而影響電池板輸出的PV曲線(xiàn)，最壞的情況會(huì)使PV曲線(xiàn)上產(chǎn)生多峰值，影響最大功率點(diǎn)跟蹤。（多云天氣可以看作一種動(dòng)態(tài)陰影遮擋。分析PV曲線(xiàn)時(shí)不單獨(dú)討論。）

2 全局最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)跟蹤最大功率點(diǎn)的方法有定電壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法和三點(diǎn)滯環(huán)法。定電壓跟蹤法固定認(rèn)為0.8倍開(kāi)路電壓為最大功率點(diǎn)電壓，明顯與實(shí)際情況差距較大；電導(dǎo)增量法當(dāng)遇到第一個(gè)峰值的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)dP/dU=0，故而認(rèn)為得到了最大功率點(diǎn)；擾動(dòng)觀察法和三點(diǎn)滯環(huán)法會(huì)在第一個(gè)峰值時(shí)認(rèn)為得到了最大功率點(diǎn)。

所以，傳統(tǒng)的MPPT策略在多云或者陰影遮擋下會(huì)失效。

有人提出可以定時(shí)做全局掃描，即，用擾動(dòng)觀察法，全局掃描期間無(wú)論功率變化如何，先把電壓往開(kāi)路電壓擾動(dòng)，然后再擾到最低工作電壓。傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法每0.5-1 s擾動(dòng)一次。這樣的話(huà)全局掃描期間，將有很長(zhǎng)時(shí)間不能輸出真正的最大功率造成功率損失。改進(jìn)的辦法是全局掃描期間擾動(dòng)觀察的速度加快或步長(zhǎng)加大，因受穩(wěn)定性和精度的影響，速度和步長(zhǎng)不能無(wú)限增加，改善不是很大。

筆者二人采用一種全新的方案，根據(jù)功率變化速度判斷是否有遮擋，如果有遮擋停止電池板工作，電池板電壓會(huì)迅速升至開(kāi)路電壓，然后讓電池板以2V/1ms的速度降至最低工作電壓，并且1ms計(jì)算一次功率（因輸入濾波電容容值是已知的，計(jì)算功率時(shí)要可以完全去除電容的放電功率），然后找出最大功率點(diǎn)。

目前常用的系統(tǒng)為1000V系統(tǒng)，最低工作電壓200V，按按照每5分鐘掃描一次并且掃描期間功率為0計(jì)算，發(fā)電量的損失為（1000-200）/2/1000/（60*5）=0.133%。實(shí)際上掃描期間功率不為0，而且實(shí)際系統(tǒng)開(kāi)路電壓一般為800V，掃描功率損失極小，并且相對(duì)于傳統(tǒng)方法可以帶來(lái)遠(yuǎn)超過(guò)1%的發(fā)電量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述辦法，筆者先采用公司已批量生產(chǎn)的10kw三相并網(wǎng)逆變器，直流輸入采用模擬直流源，進(jìn)行模擬驗(yàn)證。先設(shè)置為無(wú)遮擋模式，逆變器正常啟動(dòng)，當(dāng)逆變器找到最大功率點(diǎn)后，將直流源設(shè)置為遮擋模式，逆變器可以迅速判斷出遮擋情況，并在以2V/1ms的速度掃描找到新的最大功率點(diǎn)。

然后筆者又把逆變器接到公司實(shí)驗(yàn)基地的電池板下測(cè)試（與老算法比較）。選取6臺(tái)10kw逆變器，3臺(tái)逆變器用新算法，3臺(tái)逆變器用傳統(tǒng)算法，分別接10kw的組件，選擇5天多云天氣（每天早7點(diǎn)和晚7點(diǎn)記錄發(fā)電量差值，只保留多云天氣的數(shù)據(jù)累加），然后更換逆變器，再選擇5天多云天氣。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

先設(shè)置為無(wú)遮擋模式，逆變器正常啟動(dòng)，當(dāng)逆變器找到最大功率點(diǎn)后，將直流源設(shè)置為遮擋模式，逆變器可以迅速判斷出遮擋情況，并在1s之內(nèi)掃描到新的最大功率點(diǎn)，跟蹤精度為99.97%。

在電池板下測(cè)試（與老算法比較）結(jié)果顯示新算法逆變器比傳統(tǒng)算法逆變器增加23.7%的電量。

5 結(jié)論

本文研究了串聯(lián)光伏組件在正常光照下和遮擋部分電池板下的V-P曲線(xiàn)。根據(jù)電池板遮擋時(shí)功率迅速下降的特性，逆變器通過(guò)對(duì)功率的判斷，確定是否有遮擋發(fā)生。當(dāng)電池板上有遮擋發(fā)生時(shí)，先把電池板電壓抬升到開(kāi)路電壓，然后迅速拉低電池板電壓至系統(tǒng)允許最低電壓，掃描出電池板的功率曲線(xiàn)。通過(guò)電壓功率曲線(xiàn)判斷電池板的最大功率點(diǎn)，然后用擾動(dòng)觀察法或三點(diǎn)滯緩法維持跟蹤電池板的實(shí)際最大功率點(diǎn)。

該方法基于光伏陣列輸出特性，與實(shí)際陣列的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，所以不需要設(shè)置或判斷檢測(cè)遮擋模式。不論光伏陣列組串?dāng)?shù)量，朝向是否一致，靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)，都可以跟蹤到真正的最大功率點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法能準(zhǔn)確地跟蹤到電池板組串的實(shí)際最大功率點(diǎn)，所需時(shí)間以及掃描帶來(lái)的發(fā)電量損失都能滿(mǎn)足預(yù)期要求。