吳昊天，葛 強，談 磊，黃澄揚，萬海江，李丹萍，徐志堅

（揚州大學能源與動力工程學院，江蘇揚州225127）

局部陰影條件下光伏陣列最大功率點跟蹤研究

吳昊天，葛 強＊，談 磊，黃澄揚，萬海江，李丹萍，徐志堅

（揚州大學能源與動力工程學院，江蘇揚州225127）

以1／4陰影覆蓋下的光伏陣列為對象，用Matlab／Simulink仿真軟件，通過構建陰影條件下光伏陣列數(shù)學模型，分別采用瞬時掃描法和擾動觀察法進行最大功率點跟蹤研究.結果表明：在1／4陰影覆蓋情況下，擾動觀察法只能跟蹤到太陽能電池低壓側20V附近極大功率點，瞬時掃描法能跟蹤到高壓側60V左右最大功率點.采用新型的瞬時掃描法能對局部陰影覆蓋的光伏陣列實現(xiàn)更準確的最大功率點跟蹤.

光伏陣列；局部陰影；最大功率點跟蹤；瞬時掃描法；Matlab／Simulink仿真

在光伏發(fā)電過程中，陰影的存在使得光伏陣列的輸出特性曲線呈階梯狀，相應的功率電壓曲線出現(xiàn)多個局部峰值，導致光伏發(fā)電系統(tǒng)中常規(guī)的最大功率點跟蹤方法出現(xiàn)錯誤跟蹤，常規(guī)的電池仿真模型不再適用.當太陽能電池局部有x種不同輻射的光照時［1－2］，太陽能電池的功率輸出特性曲線出現(xiàn)了x個極大值，但每條曲線都只有一個最大值，采用傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤方法不一定能準確地對光伏陣列進行最大功率點跟蹤［3－4］.實際生活中，太陽能光伏陣列常會遭遇到局部輻射不均甚至完全陰影的情形，繼而導致功率失配現(xiàn)象.本文擬利用Matlab／Simulink軟件建立2種不同算法的最大功率點跟蹤（max power point tracking，MPPT）模型，分析瞬時掃描法相比于傳統(tǒng)的擾動觀察法在跟蹤有陰影覆蓋的太陽能電池的最大功率點的優(yōu)缺點［5］.

1 局部陰影條件下的光伏陣列仿真

1.1 光伏陣列數(shù)學模型

當光伏陣列工作在局部陰影條件下時，傳統(tǒng)的數(shù)學模型不再適用.為了簡便起見，由2個子串串聯(lián)的單串陣列在2種光照條件下的電流方程［6－7］可以表示為

其中Ns1，Ns2為光伏陣列中具有相同光照和溫度的電池板（又稱子串）.任意遮擋情況下陣列的數(shù)學模型可表述如下：

1.2 光伏陣列Matlab／Simulink仿真模型結構

基于上述數(shù)學模型和構造的仿真模塊結構［8－11］，對2塊子串串聯(lián)組成的單串陣列進行Maltab／Simulink仿真，仿真模塊結構如圖1所示.

圖1 不同光照條件下的光伏陣列仿真模型Fig.1 Under the conditions of different light photovoltaic array simulation structure

圖2 光伏陣列的I－V、P－V特性曲線Fig.2 PV array I－V、P－Vcharacteristic curve

1.3 仿真結果分析

仿真采用的電池參數(shù)Voc＝68V，Isc＝3A，Vm＝19.8V，Im＝2.05A.參考溫度設定25℃，參考太陽光輻射強度為1kW·m－2，遮擋部分光照強度為220W·m－2，太陽能電池表面1／4被陰影覆蓋.用圖1所建模型仿真，仿真結果如圖2所示.

由圖2可以看出，當太陽能電池受到2種不同光照模式時，相應的I－V曲線將出現(xiàn)2個膝形平臺，P－V曲線將出現(xiàn)2個峰值.由此可以得出，在太陽能電池中，當單串陣列組成的太陽能電池受到x種不同強度光照照射時，陣列的I－V曲線將出現(xiàn)x個膝形平臺，P－V曲線將出現(xiàn)x個極值點［12］.此時運用擾動觀察法進行最大功率點跟蹤將使太陽能電池工作在一個較小的峰值附近，從而無法達到最大功率跟蹤.同時不同陰影分布對陣列輸出功率影響差異很大.

2 陰影覆蓋的太陽能電池MPPT算法仿真分析

2.1 擾動觀察法實現(xiàn)最大功率點的跟蹤

擾動觀察法［4，13］的原理實現(xiàn)步驟如下：首先對太陽能電池的輸出電壓和輸出電流進行采樣并且計算出該時刻的太陽能電池的輸出功率，將采樣得到的功率與前一時刻的太陽能電池的輸出功率進行比較，再對比此時刻太陽能電池的輸出電壓與上一時刻太陽能電池的輸出電壓，來確定擾動的方向，控制功率管的占空比.太陽能電池模型采用圖1所示的結構圖.圖3為使用擾動觀察法實現(xiàn)最大功率點跟蹤的仿真圖.

圖3 擾動觀察法最大功率點跟蹤仿真圖Fig.3 Observation using the perturbation maximum power point tracking simulation diagram

圖4 擾動觀察法太陽能電池電壓、功率仿真曲線Fig.4 Voltage and power simulation curve of solar cells

仿真參數(shù)同1.3項下仿真時的參數(shù)，擾動觀察法太陽能電池電壓和功率仿真結果如圖4所示.

由圖4可知，太陽能電池采用擾動觀察法跟蹤的最大功率點出現(xiàn)在低壓側20V左右，但是實際上此時太陽能最大功率點出現(xiàn)在高壓側，而且由于功率始終是在最大功率點附近來回振動，故無法做到精確跟蹤，損失了部分太陽能電池輸出功率.

2.2 瞬時掃描法實現(xiàn)最大功率跟蹤

瞬時掃描法是指在一個掃描周期中，通過控制功率開關管的導通與關斷，控制太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，太陽能電池在一個周期中出現(xiàn)開路和短路，在開路和短路的過程中尋找最大輸出功率點，并使太陽能電池工作在該最大功率點.瞬時掃描法的每個周期可以分為追蹤期和最大功率檢出期.在最大功率檢出期，太陽能電池輸出電壓從開路電壓降至零，輸出電流則從零升至短路電流，在這個過程中不斷比較兩點功率的大小，得到最大功率點.追蹤期使太陽能電池工作在最大功率檢出期檢測出的最大功率點處.

瞬時掃描法太陽能電池的內部結構和電路結構與擾動觀察法相同，其MPPT結構圖如圖5所示.

圖6給出了一個周期的瞬時掃描法MPPT仿真結果.由圖6可知，太陽能電池的最大功率點出現(xiàn)在高壓側65V左右，此時太陽能電池的最大功率點確實是在高壓側.

2.3 實驗結果分析

由仿真結果圖4及圖6表明，MPPT算法采用擾動觀察法跟蹤時最大功率點出現(xiàn)在低壓側20V左右，此時最大功率點不是最大值而是局部極大值；但采用瞬時掃描法就能準確地跟蹤到太陽能電池的最大功率點；因此，瞬時掃描法優(yōu)于擾動觀察法.

3 結論

1）局部陰影覆蓋條件下的光伏陣列，輸出特性與陰影覆蓋面積密切相關，在覆蓋面積不同時有不同的輸出特性.

2）局部陰影條件下光伏陣列的數(shù)學模型可以用分段函數(shù)描述.當有x種不同強度的光照照射在太陽能電池上時，太陽能電池輸出功率將出現(xiàn)x個極大值.

3）用擾動觀察法進行最大功率點跟蹤可能會出現(xiàn)誤跟蹤的現(xiàn)象，不能跟蹤到真正的最大功率點.

4）用瞬時掃描法進行最大功率點跟蹤比擾動觀察法更準確，不會出現(xiàn)誤跟蹤的現(xiàn)象.

圖5 瞬時掃描法MPPT結構圖Fig.5 Instantaneous scanning the internal structure of the MPPT

圖6 瞬時掃描法太陽能電池電壓、功率仿真曲線Fig.6 Voltage and power simulation curve of solar cells

［1］ 李丹萍，葛強，談磊.基于DSP光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤試驗［J］.揚州大學學報：自然科學版，2010，13（3）：58－60，78.

［2］ KOUTROULIS E，KALAITZAKIS K，VOULGARIS N C.Development of a microcontroller－based photovoltaic maximum power point tracking control system［J］.IEEE Trans Power Electron，2001，16（1）：46－54.

［3］ JAIN S，AGARWAL V.A new algorithm for rapid tracking of approximate maximum power point in photovoltaic’s systems［J］.IEEE Power Electron Lett，2004，2（1）：16－19.

［4］ PATEL H，AGARWAL V.Matlab－based modeling to study the effects of partial shading on PV array characteristics［J］.IEEE Trans Energy Convers，2008，23（1）：302－310.

［5］ 葛強，李丹萍，談磊，等.不同方位角太陽能電池陣列輸出特性的試驗［J］.可再生能源，2010，28（6）：6－9.

［6］ WALKER G.Evaluating MPPT converter topologies using a Matlab PV model［J］.J Electr Electron Eng Aust，2001，21（1）：49－55.

［7］ ALLEN E，LAWHITE N，YOON Y，et al.Interactive object－oriented simulation of interconnected power systems using SIMULINK［J］.IEEE Trans Educ，2001，44（1）：87－95.

［8］ 茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型［J］.系統(tǒng)仿真學報，2005，17（5）：1248－1251.

［9］ 劉邦銀，段善旭，康勇.局部陰影條件下光伏模組特性的建模與分析［J］.太陽能學報，2008，29（2）：188－192.

［10］ ALONSO－GARCA M C，RUZ J M，CHENLO F.Experimental study of mismatch shading effects in the I－V characteristic of a photovoltaic module［J］.Sol Energy，2006，90（3）：329－340.

［11］ REDDY N，AGARWAL V.Utility interactive hybrid distributed generation scheme with compensation feature［J］.IEEE Trans Energy Convers，2007，22（3）：666－673.

［12］ 肖景良，徐政，林崇，等.局部陰影條件下光伏陣列的優(yōu)化設計［J］.中國電機工程學報，2009，29（11）：119－124.

［13］ 李丹萍.光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率跟蹤研究及實現(xiàn)［D］.揚州：揚州大學，2011.

Abstract：In the base of 1／4shadow，this paper builds a shading conditions PV array model by Matlab software and studies maximum power tracking comparison using the instantaneous scanning，perturbation and observation method.The results show that，in the case of 1／4 photovoltaic array is covered，perturbation and observation method can only track to the solar cell low pressure side near 20Vwhich is the local maximum power point，while the instantaneous scanning method can trace to the high pressure side of about 60Vwhich is the maximum power point.Using a new type of instantaneous scanning method for partial shade covering the photovoltaic array，maximum power point can be tracked more accurately.

Keywords：photovoltaic array；partial shading；max power point tracking；instantaneous scanning method；Matlab／Simulink simulation

（責任編輯 賈慧鳴）

Photovoltaic array maximum power point tracking in the partial shading condition

WU Hao－tian，GE Qiang＊，TAN Lei，HUANG Cheng－yang，WAN Hai－jiang，LI Dan－ping，XU Zhi－jian
（Sch of Energy ＆Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

TK 513.4

A

1007－824X（2012）02－0052－04

2012－02－27

江蘇省科技支撐計劃項目資助（BE2010699）；揚州大學參照211工程建設專項基金

＊聯(lián)系人，E－mail：yzgeq＠yzu.edu.cn