光伏系統(tǒng)自適應光照和局部遮光的MPPT跟蹤

全少理　樸哲勇　陳鵬浩　王靜　孫義豪　劉文霞　李海燕　楊艷會　富夢迪

摘 要：為了解決當前各類算法對光照強度快速變化和光伏系統(tǒng)局部遮光時最大功率點的跟蹤不準確的問題，提出了一種全新的、高性能跟蹤方法。首先，對所提方法的跟蹤原理進行了分析，從模型結構、掃描過程、占空比計算、觸發(fā)條件等方面展開了論述，從理論上分析了所提出的方法能準確跟蹤全局的最大值;其次，利用仿真軟件將提出的跟蹤方法與現(xiàn)階段應用較為成熟的擾動觀測法、電導增量法兩種方法進行了對比，對光照強度快速變化、局部遮光兩種工況進行了仿真，仿真結果表明此方法明顯優(yōu)于另外兩種方法;最后，搭建了試驗平臺，開展光照強度快速變化、局部遮光時系統(tǒng)最大功率點跟蹤試驗，試驗結果再次證實本文提出的方法在跟蹤時間和跟蹤效率上均優(yōu)于另外兩種方法。

關鍵詞：最大功率點跟蹤;光電板特性;局部遮光;跟蹤效率

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.008

中圖分類號： TM615

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）06-0053-10

MPPT Tracking of Adaptive Lighting and Partial

Shading in Photovoltaic Systems

QUAN Shao-li1， PIAO Zhe-yong3， CHEN Peng-hao4， WANG Jing2， SUN Yi-hao1，

LIU Wen-xia2， LI Hai-yan3， YANG Yan-hui2， FU Meng-di2

（1.State Grid Henan Electric Power Company Economic and Technical Research Institute， Zhengzhou 450052， China;

2.State Key Laboratory of New Energy Power System， North China Electric Power University， Beijing 102206， China;

3.State Grid Jilin Electric Power Co.， Ltd.， Changchun 132000， China;

4.State Grid Henan Electric Power Company， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：In order to solve the problem of inaccurate tracking of the maximum power point of the current various algorithms for rapid changes in light intensity and partial shading of the photovoltaic system， a new and high-performance tracking method was proposed. Firstly， the tracking principle of the proposed method was analyzed， and the discussion was carried out from the aspects of model structure， scanning process， duty cycle calculation， trigger conditions， etc.， and theoretically analyzed that the proposed method can accurately track the global maximum value. Secondly， using simulation software， the proposed tracking method was compared with the current application of the more mature disturbance observation method and the conductance increment method. The two conditions of rapid light intensity change and partial shading were simulated， and the simulation results shows that this method is significantly better than the other two methods. Finally， a test platform was built to carry out the tracking test of the maximum power point of the system when the light intensity changes rapidly and partial shading. The test results again confirmed that the method proposed in this paper is both in tracking time and tracking efficiency. Better than the other two methods.

Keywords：maximum power point tracking; photovoltaic panel characteristics; partial shading; tracking efficiency

0 引 言

近些年光伏發(fā)電量在不斷增加，從2017年的131GW增長到2018年的176.1GW，預計2030年前，光伏發(fā)電總量將占總發(fā)電量的10%[1]。目前，影響光伏發(fā)電技術的推廣的主要問題在于其安裝成本高、電能轉換效率低;但是，隨著光伏面板制造技術的改進和光伏物理技術的進步，光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝成本正在迅速下降，而目前商用太陽能電池板的最高轉換效率約為14～19%[2]。因此，可通過動態(tài)跟蹤各種工況下的最大功率點來提高光伏面板的利用效率，將能有效增加光伏發(fā)電量。

針對最大功率點的跟蹤（MPPT）已經有很多相應的算法，Esram等將已知方法進行了對比。目前最廣泛使用的方法是擾動觀測法（P&O）和電導增量（INC）算法，能適應光照強度和溫度穩(wěn)定或緩慢變化時的最大功率點跟蹤[1-3]。但是這些算法也存在一個致命缺點是，當光照或者溫度出現(xiàn)多個峰值時，那么系統(tǒng)將在最大功率點附近振蕩，甚至局部遮光時算法失效并且在局部陰影條件下失敗[4-8]。與P&O相比，INC方法較為復雜，但可提供更穩(wěn)定的MPPT[9]。只要ΔP/ΔV能準確地測量出距離最大功率點的距離，這個算法就能實現(xiàn)準確跟蹤;這種方法只適用于光照強度緩慢變化的情況。每種算法均要在最大功率點的跟蹤精度以及跟蹤速度之間尋求平衡，因此有學者對這些算法進行了改進[10-14]。基于光伏組件最大功率點（MPP）軌跡特征和單參數(shù)控制算法在不同角度對傳統(tǒng)的MPPT方法進行了改進，取得了明顯效果，但是這幾種方法的實現(xiàn)難度較大[1，15-17]。此外其他廣泛使用的MPPT技術有恒壓（CV）和恒流（CC）最大功率點跟蹤，MPCC和MPCV分別與短路電流和短路電壓呈線性關系，這兩種辦法雖然跟蹤方法較快但是追蹤精確度不足[18]。在城區(qū)使用光伏系統(tǒng)時極易出現(xiàn)遮陽問題，極大地降低光伏系統(tǒng)的輸出功率。光伏系統(tǒng)也極易接收不均勻光照，此時不同的光伏面板出現(xiàn)多峰值P-V曲線[19]。

針對上面分析的最大功率點跟蹤算法存在問題，文章提出了一種新的方法克服了上述存在的問題。根據本文算法的拓撲結構，分析了跟蹤過程中的掃描原理、占空比計算方法、觸發(fā)跟蹤的設置。基于此在仿真軟件中構建了仿真模型，對比本文的算法與擾動觀測法、電導增量法的跟蹤效果

1 算法原理分析

本文提出的MPPT算法基于兩級拓撲結構。圖1展示了500W光伏板系統(tǒng)的電路圖，與單級拓撲相比，帶有附加升壓轉換器跟蹤MPP的兩級拓撲具有較好的直流電壓穩(wěn)定性和較低的交流側電壓總諧波失真（THD）。在本節(jié)設計的控制器中使用了單步電壓調節(jié)技術，由一個普通的比例積分（PI）元件組成，產生一個電壓基準到升壓變換器的脈寬調制信號。當光伏板通過開關S短路時，面板Vpv的電壓下降到0V，電流Ipv上升到短路電流Isc。電壓Vpv下降0V和電流Ipv升高Isc所用的時間取決于系統(tǒng)電阻的變化，這是由于短路電流回路中存在濾波電容Cpv和升壓電感Lboost，這一整個過程稱之為掃描過程。該控制器利用掃描來跟蹤光伏系統(tǒng)在各種運行條件下的最大功率和相應的電壓。

1.1 掃描過程

在任何給定的工作條件下（Vpv>0），通過閉合升壓轉換器的開關S，將占空比（D1）設置為1來執(zhí)行掃描過程。此時，PV面板的電流Ipv路徑短路，因此面板電壓Vpv趨于0V，電流Ipv上升至短路值IscA。但電感器Lboost不允許電流突然變化、電容器Cpv不允許電壓突然變化，導致這一過程不會瞬間完成。對于任何光伏面板而言，電壓下降和電流上升所需時間通常為毫秒級別[21]。在該掃描期間，測量電壓Vpv和電流Ipv，并通過將這兩個值做乘法運算獲得相應的功率Ppv。通過對Ppv信號利用峰值檢測器獲得掃描期間的功率Pmpp的最大值，并通過觸發(fā)采樣保持電路獲得Pmpp對應的電壓Vmpp。在掃描光伏面板過程中，開關S保持閉合狀態(tài)，直到面板Vpv的電壓達到Vsc極限為止，該極限指示PV曲線的掃描并在出現(xiàn)多個峰值的陰影情況下提取全局MPP[22]。掃描過程的框圖如圖2所示。

所研究的光伏板有216個電池串聯(lián)，其中一個旁路二極管模塊中含有72個串聯(lián)的光伏電池，這意味著光伏模塊中有3個旁路二極管模。因此，在局部遮光條件下，光伏組件最多可產生3個MPP，包括局部最大值和全局最大值。每個旁路二極管的開路電壓Voc為43.3V，是光伏組件開路電壓的三分之一。在局部遮光條件下，MPP始終接近0.8Voc。因此，掃描電壓限制在0.4Voc，即18V，以確保掃描所有的局部最大值。將面板電壓Vpv限制為18V，限制面板電流Ipv為光伏板的短路電流Isc。

1.2 占空比計算

一旦面板Vpv的電壓達到18V的Vsc極限，掃描過程中獲得的最大功率點跟蹤電壓Vmpp將作為參考電壓。Vmpp參考電壓和Vpv面板電壓之間的誤差信號通過P–I控制器控制，并生成相應的占空比D1，將升壓轉換器占空比更新為新的D1[20]。圖3展示了對應于100kHz開關頻率操作的升壓轉換器的占空比D1的計算的框圖。

1.3 改變操作條件的觸發(fā)器設置

一旦PCU更新了與新的最大功率點相對應的升壓轉換器D1的占空比，升壓轉換器就會以連續(xù)電流模式（CCM）運行，直到啟動下一個掃描周期。為了觸發(fā)掃描過程以適應太陽光照強度、負載和環(huán)境等工作條件的變化，設置了電流觸發(fā)Itrig，其與Impp對應，如等式（2）所示。

Impp=pmppVmpp（1）

Itrig=Impp（1-D1）（2）

Iout=Ipv（1-D1）（3）

PI控制器設置為Vmpp，直到Itrig等于PCU的Iout輸出電流。該條件確保在面板電壓Vpv達到MPP電壓Vmpp之前，控制器在掃描過程中不會對操作條件的變化做出響應。一旦面板電壓Vpv達到MPP電壓Vmpp，觸發(fā)電流Itrig等于PCU的輸出電流。

Itrig=Iout（4）

將升壓轉換器的輸出電流Iout與Itrig以及正常日照條件下Impp的5%閾值0.2A進行不斷比較，以感測日照、負載和環(huán)境條件的變化，即

Iout=Itrig±0.2（5）

當輸出電流Iout變化并滿足式（5）時，控制器控制電壓Vpv和電流Ipv的變化方向。變化方向決定了Iout變化的原因是由于負載變化或環(huán)境條件變化：

ΔI=Impp-Ipv（6）

ΔV=Vmpp-Vpv（7）

如圖4所示，日照條件發(fā)生變化，0.9Sun日照條件（本文以光伏面板所能接收到最大的光照強度為1Sun）下的電壓、電流分別為Vmpp、Impp。當光照條件發(fā)生變化，工作點從a移動到b或c。在1.0Sun的工作點b，電壓和電流都增加（ΔV>0，ΔI>0）;在1.0Sun的工作點c，電壓和電流都降低了（ΔV<0，ΔI<0）。如果在0.9Sun下運行時負載條件發(fā)生變化，則新的工作點將位于d或e位置，具體取決于負載變化的方向。工作點d時，工作電壓升高，電流減?。é>0，ΔI<0）;在工作點e時，電流增加（ΔV<0，ΔI>0）。因此，當光照條件發(fā)生變化時，電壓Vpv和電流Ipv的變化方向是相同的;當負載條件發(fā)生變化時，電壓Vpv和電流Ipv的變化方向是相反的。對于任何負載，均使工作電壓Vpv保持在相同的Vmpp下運行，無需對光伏面板啟動進行掃描;對于滿足等式（5）的日照條件變化，則控制器掃描新Vmpp的P-V曲線。當外界條件改變觸發(fā)掃描程序時，控制器感應到新的工作點并掃描整個曲線。新的工作電壓將始終大于式（8）中所示的最大功率點電壓Vmpp：

Vmpp=（0.8～0.92）Vpv（8）

因此，利用新的工作電壓Vpv掃描曲線可以確保Vmpp的精確跟蹤。圖5為整個過程的流程圖。通過掃描從面板電壓Vpv到短路電壓Vsc的整個PV曲線，該算法對引起多個峰值的陰影效應保持免疫，故可使功率Pmpp對應于光伏面板的全局最大值，而不是由于陰影導致的局部最大值。

2.4 系統(tǒng)部分參數(shù)確定

DC-DC轉換器的損耗（如開關損耗，傳導損耗，反向恢復損耗和銅損耗）不會影響與最大功率Pmpp相對應的Vmpp。掃描期間關鍵作用的損耗是開關S兩端的電壓降落，這是由于內部電阻Rint在15ms內約為0.01Ω，如式（10）所示。在掃描過程中，開關S在短路電壓Vsc設置為18V的情況下閉合，即使在最低的日照條件下，Vmpp也為45V，因此將掃描電壓限制為18V不會冒丟失Vmpp的風險，并且還減少了電源開關上的dV/dt和dI/dt效應。在PCUIout的輸出端設置觸發(fā)閾值為0.2A，因此面板電流Ipv的任何細微變化都會反映在Iout，從而啟動掃描過程。

Vmpp=Vpp-Vdrop（9）

Vdrop=IscRint（10）

由于直流電容Cdc的存在，掃描過程中的尖峰電壓不會影響升壓轉換器的負載或輸出功率。由于任何光伏模塊的掃描時間均為毫秒級別，在整個掃描過程中可根據式（11）設計電容器Cdc用于升壓操作。此外，在逆變器控制的作用下，濾除尖峰并保持直流母線電壓恒定。

Cdc（min）=Iout（max）D1fsVout（11）

式中：Iout（max）為光伏組件的最大輸出電流;ΔVout為輸出電壓中可接受的紋波;fs為最小掃描頻率。計算逆變器調制指數(shù)M，使升壓電容器直流側的參考直流母線電壓保持在180V，開關頻率為10kHz。

2 仿真分析

首先在仿真平臺中建立了等效PV模型進行仿真，假定溫度保持在25℃恒定時，考慮到輻照度變化的光伏板特性變化如圖6所示。表1給出了所研究太陽能電池板的規(guī)格，表2給出了系統(tǒng)中功率轉換器的規(guī)格。

利用仿真軟件對圖1所示的系統(tǒng)進行仿真，仿真時對比了不同的MPPT方法：擾動觀測、電導增量和所提出的掃描方法，在光照強度階躍變化下的跟蹤和局部遮光條件下的跟蹤進行系統(tǒng)仿真。

2.1 光照條件階躍變化

首先，系統(tǒng)處于0.5Sun條件下，然后將光照強度在0.15s時增加到1.0Sun（階躍變化）。

2.1.1 擾動觀測法（P&O）

擾動觀測法的MPPT控制系統(tǒng)仿真結果如圖7（a）所示。從光伏板電壓、電流和功率的仿真結果可以看出，此方法可感知到了光照強度的變化，并做出了相應的響應。在此太陽光照條件下光伏系統(tǒng)的最大功率為484.0W，在給定的工作條件下，此方法所需調整時間為0.05s。

2.1.2 電導增量法（INC）

采用電導增量法進行MPPT的系統(tǒng)仿真結果如圖7（b）所示。從光伏板電壓、電流和功率圖的仿真結果可以看出，此方法可感知到了輻照的變化，可做出了相應的響應。在此太陽光照條件下光伏系統(tǒng)的最大功率為486.0W。在給定的工作條件下，此方法所需的時間為0.04s。

2.1.3 本文提出的方法

使用本文所提出的掃描MPPT方法的系統(tǒng)仿真結果如圖7（c）所示。從光伏板電壓、電流和功率圖的仿真結果可以看出，此方法可感知到了輻照的變化，并做出了相應的響應。在此太陽光照條件下光伏系統(tǒng)的最大功率為496.0W。在給定條件下，此方法所需的時間為0.005s。

對比以上3種方法的仿真結果，3種控制方法都能在1.0Sun光照條件下達到接近500W的最大功率，但本文所提出的方法能夠在最短時間0.005s內達到最大的功率496.0W，且系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，MPP周圍沒有振蕩。

2.2 系統(tǒng)存在局部遮光

系統(tǒng)受到如圖8所示的局部遮光條件的影響。同樣將3種MPPT控制方法用于檢測峰值功率，并提取出峰值功率。

2.2.1 擾動觀測法（P&O）

擾動觀測法進行MPPT的系統(tǒng)仿真結果如圖9（a）所示。從仿真結果可以看出，該控制方法通過調整占空比可獲得局部最大值260.0W。

2.2.2 電導增量法（INC）

電導增量法進行MPPT的系統(tǒng)仿真結果如圖9（b）所示。從仿真結果可以看出，該控制方法通過調整占空比可獲得局部最大值262.0W。

2.2.3 本文提出的方法

所提出的掃描MPPT方法的系統(tǒng)仿真結果如圖9（c）所示。從仿真結果可以看出，該控制方法通過調整占空比可獲得局部最大值330.0W。

通過上述仿真結果可知，與P&O和INC控制方法相比，本文所提出的控制方法所獲得的最大功率更高且在最大功率點附近無振蕩;且本文跟蹤到的最大功率330.0W對應于全局最大值，而P&O和INC方法獲得的260.0W功率對應于局部最大值，證明這兩種控制方法在局部遮光條件下失效而本文提出法的方法則能有效跟蹤到最大功率。

3 實驗驗證

為了驗證所提出的MPPT方法，搭建了如圖10所示的實驗裝置。該裝置包括安捷倫E4362A太陽能模擬器、DC-DC數(shù)字控制器、DC–AC轉換器以及示波器、負載和一臺個人計算機。

將面板Vpv的電壓調整為計算出的最大功率點參考電壓，分別使用本文提出的掃描算法、P&O和INC算法進行實驗研究。

3.1 太陽光照階躍變化

驗證算法的響應時間和效率：

1）使系統(tǒng)是在0.5Sun條件下運行的，未進行MPPT控制，隨后在仿真實驗開始后25s（5s/div）加入MPPT控制器，檢查控制器跟蹤MPP所用的時間;

2）將太陽光照條件從0.5Sun到1.0Sun來測試跟蹤效率。

3.1.1 擾動觀測法（P& O）

從圖11可以看出，此跟蹤方法能夠適應運行條件的變化，將光伏板電壓Vpv調整為Vmpp，并根據功率的計算公式獲得相應的Pmpp。從圖11（a）可以看到控制跟蹤MPP方法所用的時間是15s（圖11及以后的仿真圖中橫坐標均為時間，每格代表5s），圖11（b）顯示利用此方法能夠在1.0Sun條件下跟蹤得到的最高MPP達到485.36W。

3.1.2 電導增量法（INC）

從圖12可以看出，使用電導增量法可實現(xiàn)MTTP的跟蹤，能夠適應運行條件的變化，將光伏板電壓Vpv調整為Vmpp，并獲得相應的Pmpp。從圖12（a）中可以看到控制跟蹤MPP方法所用的時間是12s，圖12（b）利用此方法能夠在1.0Sun條件下跟蹤得到的最高MPP達到488.65W。

3.1.3 本文提出的方法

從圖13可以看出，使用本文提出的跟蹤方法也能適應光照條件的變化，將光伏板電壓Vpv調整為Vmpp，并獲得相應的Pmpp。從圖13（a）中可以看出，所提出的控制跟蹤MPP方法所用的時間是2.0s，圖13（b）利用此方法能夠在1.0Sun條件下跟蹤得到的最高MPP達到496.89W。

P&O跟蹤方法可以獲得MPP電壓為108.34V，產生的功率為485.36W;INC跟蹤方法可以獲得MPP電壓為108.83V，對應的功率為488.65W。相比這這三個跟蹤方法，本文所提出的跟蹤方法可以獲得MPP電壓為109.12V，對應輸出的功率為496.89W，并且在穩(wěn)態(tài)MPP周圍無振蕩，MPP跟蹤時間最短為2.0s，凸顯出本文所提方法的優(yōu)越性。

3.2 系統(tǒng)存在局部遮光

為了驗證本文所提方法在多個峰值下的有效性，并網光伏系統(tǒng)受到如圖8所示的局部遮陽條件的影響。

系統(tǒng)在1.0Sun條件下使用MTTP控制跟蹤運行，然后在運行25s（5s/div）后，系統(tǒng)突然處于局部遮光狀態(tài)。使用三種最大功率點跟蹤方法檢測峰值功率，以使工作點與最大功率點相匹配。

3.2.1 擾動觀測法（P& O）

使用擾動觀測法進行MPPT跟蹤結果如圖14所示。從結果中可以看出，獲得局部最大值為262.56W。

3.2.2 電導增量法（INC）

圖15顯示了電導增量法的MPPT跟蹤結果。從結果中可以看出，獲得局部最大值為263.14W。

3.2.3 本文提出的方法

本文所提出的MPPT跟蹤結果如圖16所示。從結果可以看出，獲得全局最大值為329.83W。

從結果可以清楚地看出，與P& O和INC相比，本文所提出的跟蹤方法所獲得的MPP功率更高且無振蕩，且所獲得的329.83W對應于全局最大值。而P& O和INC所獲得的功率分別僅為262.56W和263.14W，也即在系統(tǒng)存在局部遮光條件下這兩種辦法僅能獲得局部極大值，無法獲得全局最大值。

5 結 論

本文基于對目前MPPT方法進行分析，提出了一種可適應光照條件快速變化和局部遮光條件下光伏系統(tǒng)的動態(tài)MPPT控制方法，該方法使用掃描程序來跟蹤、檢測光伏面板在特定操作條件下所能提供的最大功率。將本文提出的方法分別于P&O和INC控制跟蹤方法進行仿真、實驗對比，得出以下結論：

1）使用仿真軟件分別進行系統(tǒng)在光照強度階躍變化、系統(tǒng)局部遮光條件下最大功率點的跟蹤，結果表明本文所提出的方法能在最短時間內實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，且獲得的MPP是全局最大值而不是局部的最大值;

2）通過搭建實驗平臺，在光照強度階躍變化、系統(tǒng)局部遮光條件進行實驗，相比P&O和INC方法，本文所提出的方法能在2s內實現(xiàn)MPP跟蹤，且跟蹤的到的功率值最大;在系統(tǒng)存在局部遮光時，所獲得的的最大功率也是全局的最大值，從而實現(xiàn)了有效的MPPT控制。

通過仿真、試驗均驗證了本文提出的算法可對光照強度階躍變化、系統(tǒng)局部遮光條件下MPPT的控制，但是未能研究局部遮光比例對此算法的影響，也即未能獲得此算法對于局部遮光的比例上、下限進行研究，因此后續(xù)將對此算法進行深入研究。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2020-08-25

基金項目： 北京市自然科學基金（3202032）.

作者簡介：

全少理（1981—），男，高級工程師;

樸哲勇（1975—），男，碩士，高級工程師.

通信作者：

王 靜（1995—），女，碩士研究生，E-mail：18511613551@163.com.