韓艷贊，馬瑛

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南南陽473000)

局部遮擋條件下的光伏陣列最大功率點跟蹤*

韓艷贊*，馬瑛*

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南南陽473000)

針對局部遮擋條件下光伏陣列存在多個局部峰值的問題，以準確跟蹤到光伏陣列的全局最大功率點為目標，提出一種新型的局部遮擋條件下光伏陣列最大功率點跟蹤方法。首先深入分析了局部遮擋條件下的光伏陣列輸出特性，并構(gòu)建了相應的數(shù)學模型，然后采用改進擾動觀察法搜索到全局最優(yōu)的光伏陣列最大功率點，防止陷入局部最優(yōu)點難題，最后采用Matlab 2014仿真軟件對其性能進行分析。結(jié)果表明，本文方法可以快速、準確找到光伏陣列最大功率點，提高了光伏陣列的輸出效率。

關(guān)鍵詞:最大功率點跟蹤;局部遮擋;光伏陣列;局域峰點;擾動觀察法

隨著科技技術(shù)的飛速發(fā)展，能源可持續(xù)發(fā)展與環(huán)保成為全球關(guān)注的問題，相對于其它能源，太陽能是一種無噪、無污染的能源，具有更加重要的實際應用價值［1］。太陽能工作環(huán)境具有多變性，導致太陽能光伏陣列輸出具有強烈的非線性變化特性［2］。最大功率點跟蹤控制MPPT(Maximum Power Point Tracking)可以對光伏陣列輸出功率進行在線檢測，并且實時改變阻抗以滿足實際應用要求，因此光伏陣列最大功率點跟蹤研究成為人們關(guān)注的一個焦點［3-5］。

針對光伏陣列最大功率點跟蹤問題，相關(guān)領(lǐng)域的學者進行了廣泛、深入的研究，提出許多有效的光伏陣列最大功率點跟蹤方法［6］。當光伏陣列工作環(huán)境中的溫度與光照變化比較平穩(wěn)時，即理想的無遮蔽、光照條件下，可以得到唯一一個峰值的P-U曲線，從而準確實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤，主要有:電導增量法、間歇掃描跟蹤法等［7-9］。然而在實際應用中，光伏發(fā)電系統(tǒng)受到烏云、建筑物等遮擋，在局部遮陰情況下，傳統(tǒng)方法無法對最大功率點跟蹤進行有效跟蹤，導致光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率大大降低，P-U曲線出現(xiàn)多個干峰值，易得到局部最大功率點LMPP(Local Maximum Power Point)［10］。為了解決該難題，許多學者展開了一系列的探討，提出一些局部遮擋條件下的光伏陣列最大功率點跟蹤方法，如將恒定電壓法和電導增量法進行結(jié)合，采用克隆選擇算法以及粒子群優(yōu)化算法對其進行優(yōu)化等，一定程度上提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，然而這些方法也存在一定的不足，如優(yōu)化精度差、尋優(yōu)速度慢等［11-13］。

為了獲得更加理想的伏陣列全局最大功率點，本文提出一種新型的局部遮擋條件下光伏陣列最大功率點跟蹤方法，在MATLAB 2014平臺的仿真結(jié)果表明，本文方法是一種快速快、性能優(yōu)異的光伏陣列最大功率點跟蹤方法，改善了光伏陣列的輸出特性。

1 光伏陣列的數(shù)學模型

為了更好對光伏電池輸出特性進行分析，首先構(gòu)建光伏電池的等效電路，其相當于一個P-N結(jié)，主要由一個電流源和二極管構(gòu)成，具體如圖1所示。

圖1 光伏電池的等效電路

光電流受到光照強度和溫度的影響，并且二極管的反向飽和電流與溫度變化相關(guān)，因此將電阻串聯(lián)起來可以更好描述最大功率點與開路電壓之間的輸出特性，根據(jù)相關(guān)文獻［12］，可以建立如下的光伏電池數(shù)學模型。

式中，I和U分別表示輸出電流和電壓;Iph表示光生電流;I0和Isc分別表示反相飽和電流和短路電流; Uoc表示開路電壓;q表示電荷量;RS和Rsh分別表示串聯(lián)和并聯(lián)電阻;G和Gnom分別表示實際光照強度和標準光照強度;n表示二極管特性因子;k表示玻爾茲曼常數(shù);Eg表示禁帶寬度。

2 光伏陣列的輸出特性

為了分析光伏電池陣列的輸出特性，采用MATLAB 2014的仿真軟件編寫M函數(shù)，理想光照強度下，光伏電池陣列的輸出特性的P-U曲線如圖2所示。從圖2的光伏電池陣列輸出特性可以看出，在光照強度變化比較平穩(wěn)的條件下，輸出最大功率的值保持在一定的范圍內(nèi)，P-U曲線只具有一個峰值，其是全局最優(yōu)的極值點，不存在多個峰值。

圖2 理想條件下的光伏陣列輸出特性曲線

在具體實際應用中，由于局部遮光等因素的影響，使得整個光伏陣列上的光照不均勻，光伏電池陣列輸出特性的P-U曲線如圖3所示。從圖3可以看出，當發(fā)生局部遮擋時，在光伏電池收到的光強有所下降，開路電壓與短路電流也相應減少，這樣使P-U曲線上產(chǎn)生多個峰值點。

圖3 遮擋條件下的光伏陣列輸出特性曲線

3 新型局部遮擋的最大功率點跟蹤方法

3.1 傳統(tǒng)方法以及存在的缺陷

當前傳統(tǒng)局部遮擋的最大功率點跟蹤方法很多，最具有代表性的為:電導增量法、擾動觀察法等，其中擾動觀察法使最為廣泛。當光伏陣列的P-U曲線只有一個峰值時，可以采用擾動觀察法對光伏陣列輸出特性的數(shù)學模型進行有效求解，能夠有效跟蹤光伏陣列的最大功率點，其工作原理為:每隔一定的時間增加或減少光伏陣列的輸出電壓，該過程稱之為“干擾”，并觀其輸出功率變化的方向，然后確定電壓的調(diào)整方向是否正確，從而調(diào)整干擾的方向，擾動觀察法尋優(yōu)過程如圖4所示。

擾動觀察法的工作步驟如下:

(1)對光伏陣列的輸出電壓進行擾動;

(2)對獲得的電壓電流值求解其輸出功率P(k);

(3)比較P(k)與P(k-1)，如果P(k)＞P(k-1)，則表示向增加P(k)的方向擾動，不然就向降低P(k)的方向擾動。

圖4 擾動觀察法的尋優(yōu)過程

擾動觀察法的工作流程如圖5所示。然而在局部遮擋的情況下，光伏陣列的P-U曲線出現(xiàn)若干個峰時，其求解性能急劇下降，易找到局部最大功率點，可能存在誤判，為此本文對其進行改進，設計了一種新的局部遮擋條件下的光伏陣列最大功率點跟蹤方法，以解決其存存的一些不足，從而保證準確、快速的進行最大功率點跟蹤。

圖5 傳統(tǒng)方法的工作流程

3.2 本文方法

本文方法的工作步驟為(1)采用擾動觀察法對首個峰值所處位置進行搜索，得到距開路電壓最小的極值點P1，將該位置的電壓與功率依次記做臨時輸出電壓(UTEMP)與最大功率點(PTEMP)。

(2)設定步長是ΔU，設Un=Un-1-ΔU，處理器在逐次掃描至目標位置，并且記錄此時的Pn與Un，然后比較Pn與PTEMP，如果Pn≥PTEMP，則PTEMP=Pn， UTEMP=Un，否則丟棄Pn與Un，不斷重復該過程，一直到掃描到短路電流位置為止，即當U=0時獲得PTEMP。

(3)對UTEMP進行擾動觀察，使得系統(tǒng)回到UTEMP位置，通過小步長的擾動觀察法來跟蹤，獲得UMAX點周圍的峰值，將其當作PMAX。

仿真實驗

3.3 仿真環(huán)境

為了分析本文提出的局部遮擋條件下的光伏陣列最大功率點跟蹤性能，在Intel P44核2.80 GHz CPU，8G RAM，Win 7操作系統(tǒng)的計算機上，采用MATLAB 2014仿真軟件進行光伏陣列最大功率點跟蹤蹤實驗，其中擾動步長是15，每隔4min進行一次掃描。

3.4 結(jié)果與分析

當有1個電池板被遮擋時，光伏陣列輸出特性曲線如圖6所示，從圖6可以看出，光伏陣列輸出特性曲線存在2個極點，最大功率點在第一個峰值上，本文方法可以得到比較理想的最大功率點跟蹤效果。

圖6 1個電池板被遮擋的最大功率點跟蹤結(jié)果

當有2個電池板被遮擋時，光伏陣列輸出特性曲線如圖7所示，從圖7可以看出，光伏陣列輸出特性曲線存在3個極點，最大功率點在第一個個峰值上，這表明逆變器可以在最大功率點周圍運行，仍然可以獲得比較理想的最大功率點跟蹤效果。

圖7 2個電池板被遮擋的最大功率點跟蹤結(jié)果

為了使本文提出局部遮擋條件下的光伏陣列最大功率點跟蹤方法的結(jié)果更具說服力，選擇傳統(tǒng)方法—擾動觀察法進行對比實驗，它們的光伏陣列最大功率點跟蹤效率如表1所示，從表1可知，相對于擾動觀察法，本文方法提高了光伏陣列最大功率點跟蹤效率，具有更快的響應速度。

表1 與傳統(tǒng)方法的跟蹤效率對比

4 結(jié)論

針對當前方法在局部遮擋條件下，易獲得局部最優(yōu)最大功率點跟蹤結(jié)果的缺陷，在分析當前研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設計了一種新型局部遮擋條件的最大功率點跟蹤方法，并通過具體的仿真實驗測試了其有效性，可以得到如下結(jié)論:

(1)外界條件改變使得光伏電池出現(xiàn)局部遮擋情況，此時光伏電池陣列的輸出P-U曲線會出現(xiàn)若干個峰值，峰值數(shù)目與被遮電池數(shù)目、被遮嚴重性之間有著緊密的聯(lián)系，使得傳統(tǒng)方法如擾動觀察法難以進行有效的最大功率點跟蹤，易收斂于局部的最大功率點，導致光伏系統(tǒng)的性能大大降低。

(2)本文方法在局部遮擋條件下，可以準確找到全局最大功率點，較好的解決了傳統(tǒng)方法缺陷，有效提高了光伏系統(tǒng)的工作效率，具有良好的穩(wěn)定性能。

(3)與傳統(tǒng)方法的最大功率點跟蹤效率進行了對比實驗，本文方法避免了傳統(tǒng)方法得到局部最優(yōu)解的缺陷，獲得更優(yōu)的最大功率點跟蹤效果，防止出現(xiàn)誤跟蹤的現(xiàn)象，具有更高的實際應用價值。

［1］楊帆，彭宏偉，胡為兵，等.太陽能電池最大功率點跟蹤技術(shù)探討［J］.電子器件，2008，31(4):1081-1084.

［2］De Brito M A G，Galotto L，Sampaio L P，et al.Evaluation of the Main MPPT Techniques for Photovoltaic Applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(3):1156-1167.

［3］Subudhi B，Pradhan R.A Comparative Study on Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Power Systems［J］.IEEE Transactions on Sustainable Energy，2013，4(1):89-98.

韓艷贊(1984-)，男，漢，河南新野人，講師，工程碩士，主要研究方向為電氣自動化與電子測試應用，hanyanzan@ 163.com;

馬瑛(1982-)，男，漢，河南南陽，講師，工程碩士，主要研究方向為電子信息工程和電氣自動化，2711746@163.com。

M aximum Power Point Tracking of PV Array under Partially Shaded Condition*

HAN Yanzan*，MA Ying*

(Henan Polytechnic Institute，Nanyang He’nan 473000，China)

There aremany local peak value of PV array under the condition of partial occlusion，in order to track the globalmaximum power point of the PV array，so a new method of maximum power point tracking is proposed.Firstly，partial occlusion of the output characteristics for PV array is analysied and the correspondingmathematical model is built，and secondly the perturbation method is used to search the maximum power point of the PV array which can prevent falling into the local maximum power point，finally，the performance is simulated in MATLAB 2014.The results show that the proposed method can quickly and accurately find themaximum power point，which can effectively improve the output efficiency of PV.

maximum power point tracking;partial shade;localmaximum point;photovoltaic array

C:4250

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.017

TM 615

:A

:1005－9490(2017)01－0087－04

項目來源:

河南省科技攻關(guān)項目(132102210208);南陽市科技局科技攻關(guān)項目(KJGG48)

2016-01-22修改日期:2016-03-10