多功率峰值下的光伏陣列MPPT控制方法研究

薛競翔 黃瑞 從明 游家興

摘要：

光伏陣列的功率-電壓曲線在局部陰影下可能出現(xiàn)多峰值情況，導(dǎo)致傳統(tǒng)的MPPT算法的失效。本文對局部陰影下光伏電池陣列的輸出特性與功率特性進行了統(tǒng)計與分析，得出了功率特性曲線轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的輸出電壓為整個陣列與陣列并聯(lián)支路數(shù)比值的整數(shù)倍等規(guī)律，提出一種新的最大功率點跟蹤方法，能夠準確且較快地跟蹤到全局最優(yōu)點，基于MATLABSimulink搭建仿真模型，仿真驗證了所提方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：

光伏陣列;MPPT;多功率峰值;統(tǒng)計規(guī)律

中圖分類號：

TM615

文獻標識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0038-01

引言：太陽能有著存儲量大、可持續(xù)、清潔無污染等優(yōu)點，逐漸成為能源最受關(guān)注的選擇[1]。然而，太陽能電池輸出能力受外界因素影響較大，因此，需要通過最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT）方法提高發(fā)電效率[2]。

傳統(tǒng)的MPPT方法包括擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、擾動-極值搜索算法等[3]，但當(dāng)光伏電池陣列出現(xiàn)局部陰影情況下，光伏電池陣列的P-V曲線可能存在多個峰值，導(dǎo)致傳統(tǒng)MPPT方法的失效。為解決這個問題，業(yè)內(nèi)專家學(xué)者提出了很多方法。然而，全局目標檢測算法的跟蹤時間較長[4]，智能算法控制方法極復(fù)雜，實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)[5]。文獻[6]提出了一種基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的最大功率跟蹤方法，控制簡單、追蹤快，但是仍存在有7.53%的實際最大功率點不在該區(qū)域中，0.09%的功率偏差大于15%。

本文對光伏陣列P-V曲線進行更深入分析并總結(jié)規(guī)律，并結(jié)合文獻[6]提出了一種基于新的MPPT控制方法。搭建基于MATLABSimulink工具的仿真模型，驗證該方法的準確性與快速性。

1光伏陣列多功率峰值情況

1.1光伏電池物理、數(shù)學(xué)模型。太陽能電池的特性可用一個等效電路來描述，包括電流源Iph、反并二極管Id、并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs。文獻[7]描述了各參數(shù)之間的關(guān)系，并給出了簡化的工程模型，可基于此搭建仿真模型。

1.2局部陰影下光伏陣列功率的多峰值。當(dāng)存在局部陰影時，被遮擋部分的光伏電池輸出能力降低，P-V曲線可能存在多個峰值點?？紤]最壞情況，被遮擋部分電池輸出為0，可等效為短路。本文選用MATLAB軟件中Simulink工具，搭建5×6光伏陣列仿真模型，通過枚舉法，對所有情況進行了仿真。對P-V曲線進行分析，可以看到：

1）P-V曲線存在的轉(zhuǎn)折點數(shù)量與光伏電池陣中出現(xiàn)故障或陰影的并聯(lián)支路數(shù)相等;2）P-V曲線峰值數(shù)量不大于轉(zhuǎn)折點數(shù)量+1;3）P-V曲線的轉(zhuǎn)折點處對應(yīng)的電壓，剛好是開路電壓與并聯(lián)支路數(shù)比值的整數(shù)倍。

2基于統(tǒng)計的變步長最大功率跟蹤方法

2.1原理分析。依據(jù)1.2節(jié)的規(guī)律，結(jié)合文獻[6]的統(tǒng)計結(jié)果，提出了一種新的局部陰影下光伏陣列全局最大功率點跟蹤方法，原理如下：

1）根據(jù)當(dāng)下光照強度，估測光伏陣列在無陰影情況下的開路電壓Uoc與短路電流Isc。常用的估測方法：查表法，通過事先測試編制開路電壓與短路電流表格，根據(jù)表格讀出目前的Uoc與Isc;光伏組件測算法，在無陰影處設(shè)置一塊用來測算的光伏組件，實時測量該組件的Uoc與Isc，由此計算光伏電池陣列的開路電壓與短路電流;

2）對光伏陣列輸出特性變化進行判斷。正常工作時，輸出的電壓、電流都維持不變;當(dāng)輸出電流突然出現(xiàn)大幅度跳變時，判斷為輸出特性變化，重新進行尋優(yōu);

3）最大功率點跟蹤控制。根據(jù)統(tǒng)計分析，光伏電池陣的實際I-V特性曲線與一條過零點且斜率為Uoc/Isc的線相交的點，有極大概率落在實際最大功率點的所在的區(qū)域[6]。通過調(diào)整DC/DC電路占空比D改變光伏陣列的輸出阻抗為Uoc/Isc，并采用傳統(tǒng)擾動法進行最大功率點跟蹤，得到的局部最優(yōu)點有較大概率為全局最優(yōu)點。以該點為起點改變光伏陣列的輸出電壓，每次變化為Uoc/N，N表示整個陣列的并聯(lián)支路數(shù)。對每個輸出電壓進行一次傳統(tǒng)的擾動法，得到局部最優(yōu);最后將所有局部最優(yōu)點進行比較，選出最大功率點。

2.2仿真驗證。根據(jù)模型，對共計461種情況進行仿真。根據(jù)仿真，該方法能準確定位最大功率點，且速度較快。

3結(jié)語

本文對局部陰影光伏電池陣列的P-V特性曲線進行統(tǒng)計分析，提出了一種多峰值P-V曲線下的MPPT控制方法。首先基于統(tǒng)計規(guī)律，定位最大功率點最可能落在的區(qū)間，并在此區(qū)間內(nèi)進行局部尋優(yōu);其次，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，以Uoc/N為單位，依次改變光伏陣列輸出電壓并進行局部尋優(yōu);最后，通過比較，確定全局最優(yōu)，即為實際最大功率點。對5×6陣列模型所有情況進行仿真，驗證了該方法的可行性與快速性。

參考文獻：

[1]王培珍.光伏陣列故障狀態(tài)的識別研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]韓海霞.局部陰影下的光伏陣列MPP算法研究[D].浙江大學(xué)，2014.HanHaixia.MaximumPowerPointTrackingSchemeforPVSystemsOperatingUnderPartiallyShadedConditions[D].ZhejiangUniversity，2014.

[3]安偉，趙劍峰.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤算法及其仿真[J].電器與能效管理技術(shù)，2009（4）：53-56.

[4]許冰，肖海峰，高飛.基于無人機序列圖像的全局運動目標檢測[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2019，10（04）：55-60.

[5]柏鶴，于麗蓉，夏小添.基于人工蜂群優(yōu)化的常模盲均衡算法[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2019，10（06）：66-70.

[6]戚軍，陳怡，周文委.局部陰影下光伏陣列自適應(yīng)MPPT方法研究[J].太陽能學(xué)報，2015，36（5）：1182-1189.