多波峰光伏MPPT算法研究與應(yīng)用

李海清，劉靜

（成都科達(dá)光電技術(shù)有限責(zé)任公司，四川成都，610040）

0 引言

光伏發(fā)電被廣泛認(rèn)為是清潔、安全、可靠的重要能源技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)其發(fā)電效率最大化一直是業(yè)界的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文提出一種多波峰光伏MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）算法，采用電壓記憶法，通過確定谷值、谷值定界、多域比較、定域搜索等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確跟蹤，突破現(xiàn)有單峰值算法或固定周期掃描法的缺陷，大幅提高了光伏發(fā)電效率和穩(wěn)定性，具有良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

光伏發(fā)電的光照特性曲線是一條PU曲線，表現(xiàn)為拋物線函數(shù)P＝f（U），光伏并網(wǎng)的一個(gè)主要技術(shù)點(diǎn)是控制工作電壓U在一個(gè)合理值Umax，使輸出功率P處于最大輸出點(diǎn)Pmax。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中帶有旁路二極管的光伏組件在局部陰影的遮蔽下，其輸出的P-V特性是由多個(gè)局部峰值構(gòu)成的非線性曲線，存在多個(gè)極值點(diǎn)U1max、U2max...UNmax，如圖1所示。

圖1 帶旁路二極管的串聯(lián)光伏組件在非均勻光照下的特性曲線

傳統(tǒng)的單峰值算法針對(duì)陰影遮蔽采用固定周期掃描法判斷工作狀態(tài)，這種方法避免了系統(tǒng)陷入局部不工作的問題，但是在實(shí)際使用中，陰影并不是一成不變的。當(dāng)陰影發(fā)生變化的時(shí)候，全周期掃描法是被動(dòng)的，沒法做到實(shí)時(shí)性，只能實(shí)現(xiàn)當(dāng)陰影發(fā)生之后某一時(shí)間段內(nèi)動(dòng)作，因此耗時(shí)長；同時(shí)整個(gè)掃描范圍涵蓋從零到系統(tǒng)最大電壓，掃描范圍大，沒有優(yōu)化算法比較簡單，所以無論是從陰影情況的轉(zhuǎn)變、系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性等方面都存在一定缺陷，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確跟蹤真正的最大功率點(diǎn)，從而造成功率損失，影響發(fā)電效率。鑒于此，本文旨在建立一種能夠大幅提高多波峰情況下的MPPT效率的算法，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的快速跟蹤，進(jìn)而提高發(fā)電的輸出效率。

2 多波峰光伏MPPT算法模型構(gòu)建

研究發(fā)現(xiàn)光伏件有兩個(gè)特性：一個(gè)是當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的最佳工作電壓點(diǎn)影響很小，對(duì)電流影響很大；另一個(gè)是前后一分鐘內(nèi)環(huán)境溫度不可能突變，任何一塊組件一分鐘之內(nèi)環(huán)境溫度變化不超過5度，一分鐘之內(nèi)環(huán)境溫度的影響頂多帶來3.3%的最佳工作電壓波動(dòng)。所以在該算法中可以定義下一分鐘同上一分鐘的最佳工作電壓發(fā)生5%以上變化時(shí)，光伏系統(tǒng)發(fā)生異常，即有陰影情況發(fā)生。當(dāng)判斷局部陰影時(shí)，通過確定谷值、谷值定界、多域比較、定域搜索方法迅速找出最大功率輸出值，跟蹤過程如圖2。下面簡要闡述該算法的關(guān)鍵步驟。

圖2 MPPT掃描過程圖

步驟一，系統(tǒng)工作電壓滿足公式的確定。如前文所述系統(tǒng)最佳工作電壓對(duì)環(huán)境溫度較敏感，且滿足公式Vmppt＝Vmppt0＊（1+0.64%＊ΔT）其中Vmppt為系統(tǒng)最佳工作電壓，T為環(huán)境溫度。當(dāng)溫度變化為5度時(shí)，電壓變化率不超過3.3%，算法中定義下一分鐘同上一分鐘的最佳工作電壓發(fā)生5%以上變化時(shí)，有陰影情況的發(fā)生。

步驟二，陰影判斷公式的確定。在沒有陰影遮擋時(shí)，光伏板自身特性和組串方式?jīng)Q定了最開始工作時(shí)初始最佳工作電壓，當(dāng)某一串中某一些組件發(fā)生嚴(yán)重遮擋或這種遮擋消失時(shí)，工作電壓變化較大。而任何一塊組件出現(xiàn)陰影問題時(shí)，把上一分鐘的工作電壓記憶下來，作為下一分鐘陰影情況的判斷條件，是動(dòng)態(tài)且主動(dòng)的，確定判斷公式就是：U2≠U1＊（1±5%）其中U1為上一分鐘的工作電壓，U2為下一分鐘的工作電壓。

步驟三，陰影掃描。當(dāng)局部陰影出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)并不知道當(dāng)前工作點(diǎn)是不是系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)，需要進(jìn)行掃描并找出其他局部最佳工作點(diǎn)并比較。當(dāng)此種情況發(fā)生后，以當(dāng)前電壓為原點(diǎn)向上一分鐘最佳工作點(diǎn)掃描，掃描超過上一分鐘最佳工作點(diǎn)后繼續(xù)沿同一方向掃描，直到找到離上一分鐘最佳工作點(diǎn)最近的一個(gè)局部最佳點(diǎn)為止，然后進(jìn)行比較這個(gè)過程中所找到的最佳工作點(diǎn)功率，功率最大的地方就是系統(tǒng)的最佳工作點(diǎn)。此處開創(chuàng)性的通過記憶上一分鐘的最佳點(diǎn)工作電壓，作為系統(tǒng)陰影情況的判斷條件，并選擇谷值定界法，由于谷值的數(shù)目少于峰值數(shù)目，如圖1中有三個(gè)峰值，只有2個(gè)谷值，即可減少工作量。而且運(yùn)用谷值定界時(shí)，對(duì)谷值的準(zhǔn)確度要求較低，知道大概數(shù)值即可，因此步長可以選取較大值，加快搜索進(jìn)度。

3 多波峰光伏MPPT算法的應(yīng)用

■3.1 最大功率跟蹤（MPPT）裝置設(shè)計(jì)

為了配合實(shí)現(xiàn)多波峰MPPT跟蹤算法，設(shè)計(jì)了一種最大功率跟蹤裝置，其核心電路如圖3所示。此裝置特點(diǎn)在于采用多個(gè)溫度傳感器以及溫度信號(hào)放大模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的快速放大并傳輸，進(jìn)一步提高了最大功率跟蹤太陽能控制器控制箱效，降低了電能損耗，其溫度信號(hào)放大模塊原理如圖4所示。設(shè)計(jì)出的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)總拓?fù)鋱D和兩級(jí)式電路結(jié)構(gòu)，通過光伏系統(tǒng)工作電壓滿足公式，進(jìn)行陰影判斷公式的確定。

圖3 最大功率點(diǎn)跟蹤電路示意圖

圖4 溫度信號(hào)放大模塊原理圖

■3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的應(yīng)用

利用IOS/Android系統(tǒng)監(jiān)控的云端互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出兩級(jí)式電路結(jié)構(gòu)，其中DC/DC（Buck-Boost變換器）部分實(shí)現(xiàn)直流升降壓和MPPT控制器的功能，而DC/AC（單相全橋）部分則完成并網(wǎng)逆變功能，在逆變過程中充分利用寬禁帶半導(dǎo)體器件的優(yōu)點(diǎn)，采用碳化硅肖特基二極管作為續(xù)流二極管，提高電路工作效率和輸出波形質(zhì)量。最后在MATLAB軟件Simulink中建立相應(yīng)的單相逆變電路仿真模型，在仿真過程通過調(diào)整電路中的一些參數(shù)，最終得到正弦波信號(hào)輸出，從而達(dá)到設(shè)計(jì)額定功率的99.9%。

4 結(jié)束語

針對(duì)目前光伏發(fā)電應(yīng)用中出現(xiàn)局部陰影遮擋，降低工作性能和發(fā)電效率的問題，本文研究提出了一種多波峰光伏MPPT算法，實(shí)現(xiàn)了沒有陰影情況發(fā)生時(shí)，光伏系統(tǒng)按照正常模式全功率運(yùn)行。當(dāng)陰影情況發(fā)生時(shí)，多波峰算法能主動(dòng)記憶、掃描、比較，提升動(dòng)態(tài)跟蹤效率，增強(qiáng)光伏的穩(wěn)定接收能力，提高發(fā)電效率，適合推廣到分布式光伏發(fā)電、微電網(wǎng)發(fā)電等應(yīng)用場景。