局部陰影下光伏陣列全局最大功率跟蹤技術(shù)研究

國芳 夏帥 周靜超 薛林

摘 要：光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列在受到陰影遮擋時(shí)，其輸出功率和電壓特性不再是單一電池板的單峰值特性，采用以往的MPPT算法會(huì)使系統(tǒng)陷入局部的最大功率點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)多峰值最大功率點(diǎn)的跟蹤，文章首先建立了光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，仿真分析了其多峰值特性。研究了一種基于POC的全局最大功率點(diǎn)跟蹤算法，該算法從開路電壓、短路電流向中間搜索，在光伏陣列輸出特性的全范圍內(nèi)進(jìn)行最大功率點(diǎn)的搜索，可優(yōu)先避免陷入局部最大功率點(diǎn)的問題。

關(guān)鍵詞：局部陰影；多峰值；全局最大功率跟蹤

近年來，光伏發(fā)電憑借潔凈、無污染的優(yōu)勢成為新能源發(fā)電的研究熱點(diǎn)，無論是在集中式的光伏發(fā)電站，還是分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)中，均有著廣泛應(yīng)用。光伏太陽能電池板通過串并聯(lián)方式組合成光伏陣列，輸入光伏并網(wǎng)逆變器中，由光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)電能的變換。在實(shí)際應(yīng)用中，大規(guī)模的光伏陣列中的某些電池板會(huì)受到建筑物遮擋、云層飄過產(chǎn)生的陰影等的影響，使得光伏陣列的輸出功率和輸出電壓之間表現(xiàn)出多個(gè)極值的現(xiàn)象[1]，傳統(tǒng)的MPPT算法無法正確追蹤系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率。

考慮到光伏陣列所處環(huán)境的時(shí)變及不可預(yù)知特性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面對光伏陣列的MPPT算法進(jìn)行考察和評價(jià)：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)多峰值P-U特性光伏陣列的全局MPPT。（2）跟蹤速度快、跟蹤精度高。（3）直流電壓的紋波小、能量損失小。（4）易于實(shí)現(xiàn)。

本文通過對光伏陣列數(shù)學(xué)模型的建立，分析了光伏陣列在局部陰影情況下的多峰值P-U特性。研究了一種基于最小電壓差的改進(jìn)全局MPPT算法，該算法通過“縮小掃描范圍+擾動(dòng)觀察法”，實(shí)現(xiàn)對光伏陣列的MPPT。該算法原理簡單，跟蹤速度快，易于實(shí)現(xiàn)。最后，通過Matlab仿真驗(yàn)證研究最大功率跟蹤算法的正確性和有效性。

1 局部陰影下光伏陣列建模與特性分析

為了更好地對光伏陣列全局最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)進(jìn)行研究，建立光伏陣列的數(shù)學(xué)模型是十分必要的。為了保證光伏并網(wǎng)逆變器工作需要的直流電源電壓，需要先將n塊太陽能電池板串聯(lián)，然后將串聯(lián)后的m串太陽能電池板并聯(lián)，組成光伏陣列，提供給光伏并網(wǎng)逆變器。當(dāng)光伏陣列中的某一塊太陽能電池板受到建筑物或云層遮擋后，由于沒有太陽光的照射，處在陰影處的太陽能電池板不僅沒有功率輸出，反而會(huì)消耗系統(tǒng)的能量，造成處在陰影下的太陽能電池板溫度過高，即產(chǎn)生所謂的熱斑現(xiàn)象。因此，在實(shí)際的光伏陣列中，每個(gè)太陽能電池板均會(huì)并聯(lián)旁路二極管，同時(shí)在每一串中串聯(lián)阻塞二極管，圖1給出了實(shí)際光伏陣列的組成。

圖1所示的光伏陣列中，局部陰影不僅影響到處于陰影下的太陽能電池板，而且陰影下的整串太陽能電池板均有影響，但對處于均勻光照下的其他各串光伏陣列沒有影響。將光伏陣列第j串的輸出電壓記為Uj∑，輸出電流記為Ij∑，輸出電壓為電流之間的函數(shù)關(guān)系式表示為Ij∑=f（Uij），對n×m的光伏陣列（m串，每串n塊）具體分析如下[2]。

（1）當(dāng)光伏陣列的第j串全部處在均勻光照情況下時(shí)，第j列光伏陣列正常輸出。

（2）當(dāng)光伏陣列中的某一串處于陰影時(shí)，由于處于陰影下的太陽能電池板在圖1所示的旁路二極管作用下，本塊太陽能電池板輸出電壓為零。

（3）處在陰影下的某串光伏陣列，由于其他串輸出電壓高于本串電壓，圖1中的阻塞二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，處在陰影下的整串光伏陣列輸出電流為零。

整個(gè)光伏陣列的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系式可表示為式（1）所示。

（1）

根據(jù)式（1）所示的局部陰影下光伏陣列的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。搭建了4×4光伏陣列的Matlab仿真模型，兩串處于1 000 W/m2的光照強(qiáng)度，另外兩串的光照強(qiáng)度分別為700 W/m2、400 W/m2，仿真結(jié)果如圖2所示。

從仿真波形中可以看出：

（1）輸出電流—輸出電壓（I-V）特性：光伏陣列受局部陰影的影響，I-U表現(xiàn)除了“多階梯”特性。

（2）輸出功率—輸出電壓特性：在局部陰影情況下，光伏陣列的“局部最大功率點(diǎn)”不唯一，但系統(tǒng)只有唯一的“最大功率點(diǎn)”。

2 基于POC法的全局最大功率跟蹤技術(shù)

針對圖2所示的多峰值光伏陣列輸出特性，傳統(tǒng)的基于單一最大功率點(diǎn)的MPPT算法無法追蹤到整個(gè)系統(tǒng)的“最大功率點(diǎn)”。因此，需要研究一種可以搜索全局最大功率點(diǎn)的MPPT（GMPPT）方法。基于兩步法的GMPPT方法建立在概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)際應(yīng)用中存在局限性，存在最大功率點(diǎn)跟蹤失敗的問題。而整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)全部進(jìn)行掃描的全局掃描GMPPT算法，由于掃描整個(gè)輸出電壓的范圍所需時(shí)間過長，追蹤的快速性指標(biāo)較差。本文介紹一種基于POC法的全局MPPT算法[3]，該算法的主要思想為：

（1）首先進(jìn)行光伏陣列開路電壓端的最大功率跟蹤。具體方法為：如圖2（b）所示，從開路電壓利用傳統(tǒng)的“擾動(dòng)觀察法”向左側(cè)搜索，記錄下搜索出的第一個(gè)MPP點(diǎn)（圖中的MPP3）對應(yīng)的輸出功率，功率值為PMPP3，第一步搜索完畢。

（2）改變搜索的方向，從光伏陣列的短路電流處開始搜索，即沿著圖2（b）向右搜索。在搜索出“局部最大功率點(diǎn)MPP1”后，與之前保存的最大功率點(diǎn)MPP2進(jìn)行比較，更新最大功率點(diǎn)的記錄值MPP1。然后繼續(xù)向右進(jìn)行最大功率點(diǎn)的搜索，直到搜索出所有的最大功率點(diǎn)，進(jìn)而確定整個(gè)系統(tǒng)的“全局最大功率點(diǎn)”MPP2。

從上述基于POC的全局最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的工作原理中不難發(fā)現(xiàn)，該方法可避免掃描法中對于整個(gè)光伏陣列電壓范圍內(nèi)的全部搜索，通過“開路電壓向左搜索”“短路電流向右搜索”，有效減小電壓搜索范圍，提高全局最大功率跟蹤的效率，基于POC的GMPPT算法流程如圖3所示[4]。

3 結(jié)語

光伏陣列在局部陰影條件下表現(xiàn)出多峰值特性，采用常規(guī)的最大功率點(diǎn)跟蹤方法會(huì)造成系統(tǒng)陷入局部最大功率點(diǎn)。本文所研究的基于POC的全局最大功率點(diǎn)跟蹤算法，可有效解決兩步法的誤判問題，減少電壓掃描范圍，實(shí)現(xiàn)多峰值光伏陣列全局最大功率點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確跟蹤。

[參考文獻(xiàn)]

[1]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)（自然科學(xué)版），2012（2）：52-55.

[2]夏帥，國芳，李德才，等.局部陰影下光伏陣列建模分析與輸出特性仿真研究[J].機(jī)電信息，2016（27）：114-117.

[3]戴華夏.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT方法及能量損失研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[4]張淵明，孫彥廣，張?jiān)瀑F.基于電壓掃描和電導(dǎo)增量法的局部遮蔭條件下多峰MPPT方法[J].電力建設(shè)，2012（6）：55-59.