廖天發(fā)，蔡昭權(quán)，薛家祥，朱曉軍

(1.惠州學(xué)院，廣東惠州516007；2.華南理工大學(xué)，廣東廣州510640)

局部遮擋下的自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法

廖天發(fā)1，蔡昭權(quán)1，薛家祥2，朱曉軍2

(1.惠州學(xué)院，廣東惠州516007；2.華南理工大學(xué)，廣東廣州510640)

在局部遮擋下，光伏陣列輸出功率—電壓(P-U)曲線呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法可能因收斂于局部最大值點(diǎn)而失效。在分析多種局部遮擋情況下P-U曲線模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法，能實(shí)現(xiàn)多峰值現(xiàn)象下的最大功率點(diǎn)跟蹤。在3 kW光伏并網(wǎng)逆變器的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行相關(guān)工程實(shí)驗(yàn)，理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了控制算法的有效性和快速性。

局部遮擋；多峰值；擾動(dòng)觀察法；最大功率跟蹤

在光照度和溫度恒定的條件下，光伏陣列的P-U特性曲線為單峰值，傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，如擾動(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法能很好地跟蹤到最大功率點(diǎn)。但在光伏陣列局部被遮擋情況下，光伏陣列的電流-電壓(I-U)輸出特性曲線呈階梯狀，P-U曲線出現(xiàn)多個(gè)局部峰值，此時(shí)傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)可能會(huì)陷入局部最大功率點(diǎn)[1]，而不能準(zhǔn)確捕獲到全局最大功率點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率降低。因此，研究局部遮擋下光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤算法，對提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率具有重大意義。

常用的MPPT算法有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法等[2-6]，而適應(yīng)多峰值條件下的MPPT算法可以分為四類：添加硬件電路、改進(jìn)傳統(tǒng)算法、兩步式、智能算法?？紤]硬件成本和算法復(fù)雜度，改進(jìn)傳統(tǒng)算法在實(shí)際工程中的運(yùn)用最為廣泛。因此本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法，能實(shí)現(xiàn)多峰值現(xiàn)象下的最大功率點(diǎn)跟蹤。

1 局部遮擋下的光伏陣列輸出特性分析

實(shí)際使用中光伏電池被遮擋時(shí)，其所接收的光照強(qiáng)度減少，降低了光伏電池特性曲線上的短路電流和開路電壓。這時(shí)整個(gè)光伏陣列的U-I特性曲線會(huì)出現(xiàn)多個(gè)膝點(diǎn)，而對應(yīng)的P-U特性曲線上則可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)如圖1所示。

圖1 局部遮擋下的光伏陣列的輸出特性曲線

2 自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法

2.1 自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法的基本思想

為了解決多峰P-U特性曲線的最大功率點(diǎn)跟蹤問題，提出了自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法，算法流程如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法的流程圖

(1)搜索第一個(gè)峰值點(diǎn)

自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法基于傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法，引入步長調(diào)整器，其中α(k)為步長調(diào)整系數(shù)，ε為恒定值，決定了調(diào)整的靈敏度，DP為功率變化量。當(dāng)|DP<δ|時(shí)，表示系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)最大功率點(diǎn)附近，此時(shí)不再調(diào)整步長，減小了最大功率點(diǎn)附近的擾動(dòng)振蕩。當(dāng)功率變化量|DP|>δ時(shí)，通過步長調(diào)整器α(k)調(diào)整擾動(dòng)步長，|DP|越大擾動(dòng)步長相對也越大，當(dāng)達(dá)到最大功率點(diǎn)附近時(shí)P-U曲線斜率降低，|DP|變小，擾動(dòng)步長也變小。因此，改進(jìn)后的擾動(dòng)觀察法可自動(dòng)調(diào)整擾動(dòng)步長，以便于快速搜索最大功率點(diǎn)，并減小了最大功率點(diǎn)處的擾動(dòng)振蕩。

(2)定步長全局掃描

設(shè)定步長為ΔU，掃描方向?yàn)橄嚯妷簻p少方向，即Un=Un－1－ΔU。每掃描到目標(biāo)處，處理器都需記錄當(dāng)時(shí)的輸出功率Pn和Un，并將Pn和PTEMP作比較，若Pn≥PTEMP，則PTEMP=Pn，UTEMP=Un，否則，則丟棄數(shù)據(jù)Pn和Un。如此循環(huán)，直至掃描至輸出電壓U=0處，得出臨時(shí)最大功率點(diǎn)PTEMP。

(3)PTEMP處采用擾動(dòng)觀察法

系統(tǒng)回到臨時(shí)最大功率點(diǎn)PTEMP處，采用變步長的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率點(diǎn)的精確跟蹤，得到UMAX點(diǎn)附近的峰值，作為全局最大功率點(diǎn)PMAX。

2.2 自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法的重啟

當(dāng)外部環(huán)境如光照、溫度或者局部遮擋情況變化時(shí)，光伏陣列的輸出特性P-U曲線也會(huì)改變，若繼續(xù)使用前一時(shí)刻的峰值點(diǎn)作為最大功率點(diǎn)，則可能發(fā)生錯(cuò)誤。因此，需要重啟自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法，以使光伏系統(tǒng)重新找到最大功率工作點(diǎn)。以下為重啟自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法的兩個(gè)情形：

情形一：定時(shí)重啟。

由于光照強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，采用定時(shí)重啟的方式，讓光伏系統(tǒng)每隔一定時(shí)間進(jìn)行全局掃描。本系統(tǒng)設(shè)定的定時(shí)重啟的時(shí)間間隔為4 min。

情形二：功率突變重啟。

偶爾云層的遮擋或者其他外部環(huán)境的變化都會(huì)對局部遮擋情況產(chǎn)生較大的影響，功率突變重啟的條件是輸出功率的變化量ΔP>0.1，ΔP如式(1)所示：

式中：Preal為光伏陣列實(shí)時(shí)功率；Pmax為先前處理器記錄的最大輸出功率點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)使用光伏陣列模擬直流電源Topcon，模擬光伏陣列多峰效應(yīng)時(shí)的輸出特性曲線。設(shè)定四條不同的多峰值P-U曲線，使用同一款光伏并網(wǎng)逆變器對其進(jìn)行了最大功率跟蹤控制，設(shè)置擾動(dòng)觀察法的擾動(dòng)步長的數(shù)字量為15(PV輸入電壓的A/D數(shù)字量)，掃描間隔時(shí)間為4 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)為一塊光伏電池板被遮擋的情況，此時(shí)光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現(xiàn)兩個(gè)極點(diǎn)，且最大值出現(xiàn)在第一個(gè)極值點(diǎn)上。圖3(b)為兩塊光伏電池板被遮擋的情況，此時(shí)光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現(xiàn)三個(gè)極點(diǎn)，且最大值出現(xiàn)在第一個(gè)極值點(diǎn)上。圖3(c)為兩塊光伏電池板被遮擋的情況，此時(shí)光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現(xiàn)三個(gè)極點(diǎn)，且最大值出現(xiàn)在第二個(gè)極值點(diǎn)上。圖3(d)為兩塊光伏電池板被遮擋的情況，此時(shí)光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現(xiàn)三個(gè)極點(diǎn)，且最大值出現(xiàn)在第三個(gè)極值點(diǎn)上。由圖3的輸出曲線可知，在四種不同的局部遮擋情況下，光伏逆變器均能工作在最大功率點(diǎn)附近，且跟蹤效果良好。

圖4為自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法的啟動(dòng)效果圖，光伏并網(wǎng)逆變器的前級以最大功率輸出能量，由后級逆變部分維持母線電壓。通道1為并網(wǎng)電流波形，通道2為并網(wǎng)電壓波形，并網(wǎng)模式下啟動(dòng)MPPT約0.6 s系統(tǒng)即可跟蹤到最大功率點(diǎn)。

最大功率跟蹤的過程實(shí)際上是光伏陣列輸出匹配不同負(fù)載的過程，因此輸出電流的變化表示逆變器在P-U曲線上的工作點(diǎn)發(fā)生變化。圖5中a點(diǎn)處，光伏陣列的日照強(qiáng)度從1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2，逆變器檢測到輸出功率的變化而啟動(dòng)自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法進(jìn)行MPPT控制，到a點(diǎn)完成最大功率跟蹤。

由圖5可見，自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法進(jìn)行MPPT控制的過程中，只需耗時(shí)約3.0 s，相比于全局搜索算法的間隔時(shí)間4 min，算法的耗時(shí)非常短。并且在整個(gè)功率振蕩的過程中，直流母線電壓的紋波也非常小，表明實(shí)現(xiàn)了快速、穩(wěn)定的最大功率跟蹤控制。

上述實(shí)驗(yàn)表明，使用自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率跟蹤控制，能夠在光伏陣列發(fā)生局部遮擋下快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)高效率的最大功率跟蹤，保證逆變器在多峰效應(yīng)時(shí)實(shí)現(xiàn)最高功率的輸出。

圖3 不同峰值P-U曲線的MPPT效果

圖4 自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法的啟動(dòng)效果圖

圖5 自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法的擾動(dòng)效果圖

4 結(jié)論

本文分析了在局部遮擋情況下光伏陣列的輸出特性，針對局部遮擋下出現(xiàn)的多峰問題，提出了自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法，在3 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：自適應(yīng)變步長擾動(dòng)觀察法能在局部遮擋出現(xiàn)多峰P-U曲線的情況下，有效克服傳統(tǒng)的MPPT算法收斂于局部最大值的存在缺陷，使光伏發(fā)電系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地跟蹤到全局最大功率點(diǎn)，有效地提高了光伏系統(tǒng)的效率。

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Adaptive variable step size perturbation and observation method under partial shading

LIAO Tian-fa1,CAI Zhao-quan1,XUE Jia-xiang2,ZHU Xiao-jun2
(1.Huizhou University,Huizhou Guangdong 516007,China;2.South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China)

Under partial shading,the PV array output power-voltage(P-U)curve shows multi-peak phenomenon.The traditional maximum power point tracking(MPPT)may fail due to converge to a local maximum point.On the basis of analysis of P-U curve model under multi partial shading,the adaptive variable step size perturbation and observation method was designed and can achieve the MPPT under multi-peak phenomenon.Related engineering test was conducted on 3 kW PV grid inverter experimental platform.The theoretical analysis and experimental results demonstrate the effectiveness and fast performance of the control algorithm.

partial shading;multi-peak;perturbation and observation method;MPPT

TM 464

A

1002-087 X(2016)08-1657-03

2016-01-28

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016ZX014)

廖天發(fā)(1977—)，男，江西省人，博士，講師，主要研究方向?yàn)槟孀兤骷爸悄芸刂啤?/p>