串聯(lián)光伏電池在局部陰影下的新型MPPT研究

王瀟然 邊敦新

摘 要：在部分陰影條件下，串聯(lián)光伏陣列P-U曲線有多個(gè)極大值，傳統(tǒng)的最大功率技術(shù)在這種情況下失效。在Matlab/SimuLink中搭建兩個(gè)光伏電池串聯(lián)的模型，其中一個(gè)光伏電池工作在正常光照強(qiáng)度下，通過(guò)改變另一個(gè)光伏電池所受光照強(qiáng)度來(lái)模擬局部陰影的大小。經(jīng)過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)P-U曲線變?yōu)殡p峰曲線，前波峰極值不隨陰影大小的改變而改變，且前后波峰極值在串聯(lián)光伏電池正常工作時(shí)最大功率點(diǎn)的兩側(cè)，根據(jù)以上特點(diǎn)可以將雙峰曲線假設(shè)為單峰。文中根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上提出一種適合簡(jiǎn)單局部陰影下串聯(lián)光伏電池的最大功率跟蹤算法。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)光伏電池；局部陰影；P-U曲線；最大功率跟蹤技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393；TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-0-03

0 引 言

光伏陣列發(fā)生局部遮陰的主要原因是由樹木、建筑物、鳥糞和云層等造成的灰塵積聚和陰影，陰影對(duì)陣列中的光伏組件性能具有主要影響，從而使光伏電池產(chǎn)生的功率變小。因此，如何改善光伏電池在部分陰影條件下的性能惡化也是近來(lái)研究的重點(diǎn)[1，2]。

文獻(xiàn)[3-6]研究局部陰影對(duì)光伏陣列輸出的影響，但都沒有很好的解決辦法。文獻(xiàn)[3]推導(dǎo)出適用于被部分遮擋的帶有旁路二極管串聯(lián)光伏組件的分段函數(shù)，指出傳統(tǒng)的MPPT在局部陰影下失效；文獻(xiàn)[4]提出一種適用于局部陰影，可有效降低光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型計(jì)算量的模型；文獻(xiàn)[5]給出局部最大功率與遮擋位置的定性關(guān)系，為多峰MPPT的研究提供新思路；文獻(xiàn)[6]提出一種可應(yīng)用于陰影下的最大功率跟蹤算法，但沒有對(duì)其方法進(jìn)行仿真研究。

本文利用Matlab/SimuLink仿真軟件模擬串聯(lián)光伏電池在部分陰影下的輸出特性，通過(guò)多次仿真對(duì)其輸出特性進(jìn)行歸納分析總結(jié)，希望找到輸出特性曲線的規(guī)律，并據(jù)其提出一種可行的最大功率跟蹤算法，達(dá)到能夠在局部陰影下跟蹤最大功率曲線的目的。

1 局部陰影情況下串聯(lián)光伏電池的特性分析

1.1 數(shù)學(xué)特性分析

圖1所示為兩個(gè)光伏電池串聯(lián)的等效電路圖，圖中Iph1，Iph2為光生電流，D1，D2為等效二極管，Rsh為并聯(lián)等效電阻，Rs1，Rs2為串聯(lián)等效電阻，Db1，Db2為并聯(lián)旁路二極管。旁路二極管反向并聯(lián)在每個(gè)光伏電池的兩端，其作用是當(dāng)某一個(gè)電池被遮擋而出現(xiàn)發(fā)電故障時(shí)，二極管兩端形成正向偏壓而導(dǎo)通，避免阻礙其他電池正常發(fā)電，同時(shí)也保護(hù)故障電池免受正向電壓和發(fā)熱而損壞[7]。

假設(shè)兩光伏電池工作在相同溫度下，當(dāng)光伏電池1受到遮擋時(shí)，光生電流Iph1

式中：ID1，ID2分別表示流過(guò)二極管D1和D2的電流；I0為電池反向飽和電流；q為電荷常數(shù)，一般為1.6×10-19；I，V分別為太陽(yáng)電池的輸出電流和輸出電壓；k為波爾茲曼常數(shù)，為1.38×10-23；A為P-N結(jié)理想因數(shù)；T為電池溫度，單位為K；Rs為光伏電池串聯(lián)等效電阻。

1.2 仿真分析

在Matlab/SimuLink環(huán)境下搭建兩個(gè)光伏電池串聯(lián)的模型，假設(shè)光伏電池正常工作的環(huán)境光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃。保持溫度不變，通過(guò)改變其中一個(gè)光伏電池的光照強(qiáng)度模擬局部陰影。光照強(qiáng)度相同時(shí)，兩個(gè)光伏電池均正常工作，反向并聯(lián)在電池兩端的旁路二極管，二極管截止，當(dāng)其中一個(gè)電池工作在部分陰影情況下時(shí)，由于旁路二極管的作用，P-U會(huì)出現(xiàn)多峰曲線，圖2所示為單個(gè)電池所受光照為1 000 W/m2，600 W/m2時(shí)，局部陰影下串聯(lián)的I-U曲線和P-U曲線。

由圖2（a）可知，兩光伏電池串聯(lián)在正常光照下最大功率點(diǎn)處坐標(biāo)為（58.8，460），對(duì)應(yīng)圖2（b）坐標(biāo)為（58.8，7.8）；單個(gè)電池受S=1 000 W/m2時(shí)最大功率點(diǎn)處坐標(biāo)為（30，230.3）；單個(gè)電池受S=600 W/m2時(shí)最大功率點(diǎn)處坐標(biāo)為（29.2，133）；兩光伏電池串聯(lián)在局部陰影情況下P-U曲線有兩個(gè)極值，兩個(gè)極值點(diǎn)坐標(biāo)分別為（29.4，224），（61.5，297），對(duì)應(yīng)I-U曲線坐標(biāo)分別為（29.4，7.6），（61.5，4.8）。

在第二個(gè)極值點(diǎn)處電池串輸出電流I=4.8 A，由圖2（b）可知，當(dāng)輸出電流I=4.8 A時(shí)，受S=1 000 W/m2光照的電池輸出電壓為34.4 V，對(duì)應(yīng)圖2（a）中的P-U曲線坐標(biāo)為（34.4，165.6）。很明顯，該點(diǎn)不是此電池單獨(dú)工作時(shí)的最大功率點(diǎn)，這一時(shí)刻，光伏電池串輸出電流很小，但輸出電壓很大，所以形成了光伏電池串極值點(diǎn)（61.5，297），由于此時(shí)電壓高，所以是第二個(gè)極值點(diǎn)，即后峰值點(diǎn)。同理分析第一個(gè)極值點(diǎn)，在第一個(gè)極值點(diǎn)處電池串輸出電流I=7.6 A，由圖2（b）可知，當(dāng)輸出電流I=7.6 A時(shí)，受S=600 W/m2照射的電池不工作，完全沒有功率輸出，其兩端并聯(lián)的旁路二極管導(dǎo)通，此時(shí)只有受S=1 000 W/m2照射的電池對(duì)外輸出功率，其輸出功率為224 W，此時(shí)電池串的輸出電壓小，輸出電流大，所以形成了第一個(gè)極值點(diǎn)，即前峰值點(diǎn)。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，在部分陰影下的串聯(lián)光伏電池的最大輸出功率是后峰極值，但不能說(shuō)明所有電池串的最大功率都是后峰極值。假設(shè)光伏電池串被遮擋部分的光伏電池光照強(qiáng)度分別為S=980 W/m2，S=950 W/m2，S=800 W/m2，S=600 W/m2，S=500 W/m2，S=400 W/m2，S=300 W/m2，未被遮擋部分的光照強(qiáng)度S=1 000 W/m2。仿真曲線如圖3所示（曲線由上到下被遮擋電池受光照強(qiáng)度越來(lái)越?。Ｓ蓤D3（b）可以看出：

（1）若兩串聯(lián)光伏電池部分受光照強(qiáng)度差別不大，則陰影對(duì)其影響甚微；

（2）多峰現(xiàn)象隨受陰影程度變大而愈加明顯，后波峰極值逐漸減小，直至小于前波峰極值，到達(dá)后波峰極值的輸出電壓越來(lái)越大；

（3）當(dāng)串聯(lián)光伏電池正常工作時(shí)，最大功率點(diǎn)在部分陰影下前后波峰極值之間；

（4）當(dāng)兩串聯(lián)光伏電池其中一只受陰影影響時(shí)，其兩端并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，使其停止工作，而另外一只光伏電池工作不受影響，所以P-U曲線的前波峰極值為定值。

（5）串聯(lián)光伏電池P-U曲線前波峰極值不隨光照情況變化，其坐標(biāo)始終為（29.4，224），即前波峰極值電壓始終等于串聯(lián)光伏電池不受部分陰影遮擋情況下最大功率點(diǎn)處電壓的一半，且由于光伏電池中其他組件也有能量消耗，所以前波峰極值功率約等于串聯(lián)光伏電池不受部分陰影遮擋情況下最大功率的一半。

2 電導(dǎo)增量法結(jié)合比較法（INCC）

2.1 理論分析

通過(guò)分析得出，有旁路二極管并聯(lián)的兩個(gè)光伏電池串聯(lián)，一個(gè)正常工作一個(gè)受陰影影響，P-U曲線有兩個(gè)波峰，前波峰極值不受陰影大小的變化而變化，近似等于串聯(lián)電池正常工作時(shí)最大功率的一半，且前后波峰極值在串聯(lián)光伏電池正常工作時(shí)最大功率的兩側(cè)。首先用電導(dǎo)增量法求出串聯(lián)電池正常工作時(shí)的最大功率及其對(duì)應(yīng)的輸出電壓，從該點(diǎn)向后尋找后波峰極值，然后將后波峰極值與串聯(lián)電池正常工作時(shí)最大功率的一半作比較，較大的一個(gè)即為所要尋找的局部陰影下的最大功率。電導(dǎo)增量法結(jié)合比較法（INCC）程序框圖如圖4所示。

（1）用電導(dǎo)增量法計(jì)算出串聯(lián)光伏電池正常工作時(shí)最大功率點(diǎn)處的電壓U0，電流為I0，P0=U0·I0，并設(shè)置一個(gè)電壓變化量ΔU=0.01，即電壓步長(zhǎng)為0.01；

（2）以U0為初始電壓，以0.01的步長(zhǎng)向下尋找最大功率點(diǎn)，即U=U0+ΔU，記錄每一個(gè)電壓下的功率值P，并與前一電壓下的功率值比較，若后者大于前者，則繼續(xù)以相同方向增加步長(zhǎng)ΔU，直至后者小于或等于前者，輸出最后記錄的功率P即為后峰極值；

（3）將第（2）步求出的后峰極值P與（1/2）P0比較，輸出較大的一個(gè)，即為部分陰影遮擋下串聯(lián)光伏電池的最大功率值。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電導(dǎo)增量法結(jié)合比較法（INCC）仿真實(shí)驗(yàn)分兩步進(jìn)行：第一步，用電導(dǎo)增量法測(cè)出串聯(lián)光伏電池最大輸出點(diǎn)坐標(biāo)；第二步，將第一步得到的坐標(biāo)帶入仿真模型中，并將上一章提出的算法寫入MPPT模塊中。

輸出功率曲線如圖5所示。曲線A是串聯(lián)電池不受陰影遮擋時(shí)用電導(dǎo)增量法跟蹤的輸出功率曲線；曲線B是其中一塊電池受光照強(qiáng)度S=600 W/m?照射，用電導(dǎo)增量法跟蹤到的輸出功率曲線；曲線C是其中一塊電池受光照強(qiáng)度S=600 W/m?照射，用INNC算法跟蹤的輸出功率曲線。

由圖2（a）及上文的分析可知，當(dāng)串聯(lián)光伏電池陰影遮擋下的電池所受光照強(qiáng)度S=600 W/m2時(shí)，其P-U曲線有兩個(gè)峰值，前后峰值坐標(biāo)分別為（29.4，224），（61.5，297），最大功率是后峰極值297 W。由圖5中的曲線B可以看出，在用電導(dǎo)增量法跟蹤部分陰影遮擋下的串聯(lián)光伏電池時(shí)，陷入了局部最大功率，即電導(dǎo)增量法跟蹤到前波峰極值時(shí)便停止跟蹤，所以輸出的最大功率為前波峰極值224 W，而非真正的最大功率值——后峰極值297 W。由圖5中的曲線C可以看出，本文提出的電導(dǎo)增量法結(jié)合比較法（INCC）在跟蹤到第一個(gè)波峰極值時(shí)不會(huì)停止跟蹤，而是繼續(xù)向后尋找，找到后一個(gè)波峰極值并與前波峰極值比較，最終輸出最大值，能準(zhǔn)確跟蹤到兩個(gè)光伏電池串聯(lián)且一個(gè)受部分陰影遮擋時(shí)的最大功率。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了串聯(lián)光伏電池在陰影下的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出電導(dǎo)增量法結(jié)合比較法（INCC）的最大功率跟蹤方法，通過(guò)運(yùn)用Matlab軟件對(duì)其仿真。仿真結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，可以準(zhǔn)確跟蹤到部分陰影遮擋下串聯(lián)電池的最大功率點(diǎn)。但是電導(dǎo)增量法結(jié)合比較法（INCC）在跟蹤最大功率的快速性上仍有欠缺，有待于后來(lái)讀者改進(jìn)。

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