局部陰影條件下光伏陣列GMPPT算法的研究

魏 超，施火泉，許偉梁

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

局部陰影條件下光伏陣列GMPPT算法的研究

魏 超，施火泉，許偉梁

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

針對局部陰影條件下光伏陣列的P-V曲線呈現多峰值的情況，提出了一種全局最大功率點追蹤（GMPPT）算法來解決傳統最大功率點追蹤（MPPT）算法失效的問題。該算法由子兩個子算法構成，通過提出的局部陰影檢測手段決定具體使用的子算法。最后將該算法在matlab中進行仿真驗證。仿真結果表明，在局部陰影條件下該算法能精確的追蹤到全局最大功率點，且避免了對整條P-V曲線的掃描。在均勻光照條件下比傳統MPPT算法能更快的定位到最大功率點。

光伏陣列；多峰值；GMPPT；MPPT

太陽能已經成為了一種很有發展前景的新能源，并被廣泛應用于發電中[1-2]。在均勻光照條件下，光伏陣列只有一個最大功率點。但在實際工作環境中由于受到樹木、建筑物等遮擋影響，光伏陣列可能處于局部陰影（PSC）中。此時光伏陣列的I-V曲線呈現階梯狀，P-V曲線呈現多峰值。傳統的最大功率點跟蹤（CMPPT）算法可能陷于局部極值點，因此需要提出一個全局最大功率點跟蹤（GMPPT）算法。文獻[3-5]、[8-9]利用觀察P-V曲線得出的最大功率點電壓分布規律以及恒流源特性設計相應的GMPPT算法。但是算法對系統參數的依賴性高。文獻[10-13]中將模糊邏輯控制、人工神經網絡控制等思想應用到GMPPT算法的設計當中，雖然算法的性能較好但是實現起來代價較大。本文分別設計了均勻光照和局部陰影條件下的兩種算法，通過檢測局部陰影是否發生決定使用哪一種算法。均勻光照條件下根據光伏陣列第一個工作點的位置，決定使用查表法還是恒壓法對最大功率點進行追蹤。局部陰影條件下的算法利用對大量光伏陣列P-V曲線觀察得出的規律，首先將工作點定位到全局最大功率點區域，之后再用傳統的擾動觀察法追蹤到全局最大功率點。

1 算法設計

1.1 局部陰影的檢測

某一光伏陣列由3個接受不同光照且相互串聯的組件組構成，每個組件都并聯有一個旁路二極管。圖1為該光伏陣列及每一個光伏組件的I-V曲當滿足ISC=IPV時，在曲線的開始處僅光照強度為1 000 W/m2的組件正常工作，另外兩個光伏組件具有負電壓。因此局部陰影是否發生可以通過檢測光伏組件所并聯的旁路二極管的電壓來實現。在ISC=IPV處如果光伏陣列中任何一個旁路二極管具有反向電壓則可以確定光伏陣列處于局部陰影中。要想滿足ISC=IPV，則buck-boost變換器中的占空比D必須滿足公式（1）中的條件。

式中ISC為光伏陣列的短路電流，Rload為負載電阻。如果ISC=IPV，則光伏陣列的電壓為零且占空比D也為零。但在實際條件下不可能實現D=0，所以在陰影檢測時只有盡可能的將buck-boost變換器的占空比設置的低一些。文中將該占空比的最小值設定為5%。在此過程中不需要利用光伏陣列的短路電流從而保證了所提出的算法對系統參數的依賴性更小。

圖1 光伏組件和光伏陣列的I-V曲線

1.2 均勻光照條件下的算法設計

均勻光照條件下的算法結合了傳統的恒壓法和新的查表法。第一步，確定負載電阻RLoad的值，為了決定第二步使用的方法，需要知道光伏陣列在I-V曲線上的第一個工作點在什么位置。如圖2所示，初始工作點隨著負載電阻數值的改變而改變。當負載電阻為RL1和RL2時第一個工作點在最大功率點（MPP）的左側，當負載電阻為RL3時第一個工作點在MPP的右側。因此需將兩個臨近的占空比輸入到buck-boost變換器中，測量所對應的電壓和電流值，再計算出相應的功率值。最后通過公式（2）決定第一個工作點的位置。

圖2 不同的負載線與I-V曲線的交點

如果a＞0，則第一個工作點在MPP的左側。在該側利用查表法定位到最大功率點附近。查表法的輸入參數是光伏陣列的電流IPV（k），輸出參數是光伏陣列的等效電阻RPV。所以在測得光伏陣列的電流之后通過查表法就確定了光伏陣列的等效電阻RPV。初始占空比的值可以通過公式（3）來計算[14-15]。

RPV（Q）：光照強度為Q的條件下光伏陣列的等效電阻，η：額定功率下buck-boost變換器的效率。查表法中的表格在設計時要確定數據對（IPV，RPV）的數量，可以根據公式（4）來計算。其中KSC為不同光照條件下Im和ISC的比，從表1可知比值KSC的變化范圍為0.92～0.94。KSC的平均值KSCavg為0.934 0。對于文中選擇的光伏組件，數據對的數量是15對。

表1 不同光照條件下光伏組件的短路電流和最大功率點電流

如果a＜0，則第一個工作點在MPP的右側。在最大功率點的右側光伏陣列的電壓變化很小，所以在這一側使用恒壓法定位到最大功率點附近，占空比的初始值可以用公式（5）來計算。其中Vmref，Imref為標準條件（T=25℃，G=1 000 w/m2）下光伏組件在最大功率點的電壓和電流值。

確定第一個工作點的位置后利用查表法或恒壓法定位到最大功率點附近，再利用傳統的擾動觀察法即可追蹤到最大功率點。

1.3 局部陰影條件下算法設計

對大量處于各種陰影模式下的光伏陣列輸出特性曲線進行仿真分析，發現在I-V曲線上全局最大功率點出現的區域都包括V/I=VOC/ISC這一點。VOC、ISC分別為均勻光照條件下光伏陣列的開路電壓和短路電流。如圖3所示為同一光伏陣列在5種不同光照條件下的I-V和P-V曲線。I-V曲線和負載線的交點分別為a-e，對應P-V曲線上的A-E點且A-E點都處于全局最大功率點附近。根據此規律在局部陰影發生時系統的工作點應該迅速的移動到I-V曲線上V/I=VOC/ISC這一點，移動到全局最大功率點區域之后再使用傳統的擾動觀察法（P&O）搜索到全局最大功率點。陰影算法的具體實現步驟為：

1）測量并記錄光伏陣列在開始時即k=1時的輸出電壓（Vk）和電流（Ik）的值，并檢測局部陰影情況是否發生。若光伏陣列處于局部陰影條件下則進入第2）步。

2）如果 |Vk/Ik-VOC/ISC|＞εS則進入第 3）步，否則將占空比設置為Dk+1=Dk，然后執行第5）步。

3）如果 Vk/Ik＜VOC/ISC，則占空比 Dk+1=Dk-Dstep；否則Dk+1=Dk+Dstep。

4）讓 k=k+1，測量并記錄 tk時的 Vk和 Ik的值。之后返回到第2）步。

5）讓k=k+1。然后在tk時刻利用傳統的擾動觀察法定位到全局最大功率點。

整個GMPPT算法流程圖如圖4所示，在算法啟動時需要設置的系數包括:光伏陣列開路電壓（VOC）和短路電流（ISC），在全局最大功率點區域搜索時的步長Dstep，界限值εS，以及傳統擾動觀察法中的其他系數。

圖3 不同光照條件下的I-V、P-V曲線

圖4 GMPPT算法流程圖

2 仿真分析

所選用光伏組件在標準測試條件下 （T=25°C，G=1 kw/m2）的參數如下：開路電壓Voc=21.1 V，短路電流Isc=3.8 A，最大功率點電壓Vm=17.15 V，最大功率點電流Im=3.5 A。仿真中負載電阻值RLoad為15 Ω，光伏陣列的結構為4*4，即每4塊組件相互串聯構成一個組件串，然后再將4個這樣的組件串相互并聯。局部陰影條件下[6]組件串中的4個組件一開始接受的光照強度均為1 000 w/m2，在t=0.15 s時4塊組件接受的光照強度分別為 300 W/m2、500 W/m2、700 W/m2、1 000 W/m2，組件的溫度均為T=25℃。均勻光照條件下組件串中4塊組件接受的光照強度一開始為500 W/m2在t=0.15 s時光照強度變為1 000 W/m2，組件的溫度均為T=25℃。圖5、6為均勻光照和局部陰影條件下光伏陣列的 P-V 曲線。圖 7（a）、（b）分別為均勻光照條件下傳統MPPT算法電導增量法[7]（INC）與GMPPT算法的仿真波形，GMPPT算法僅用0.005 s便可追蹤到最大功率點，追蹤的速度快于INC法。圖8為陰影情況下GMPPT算法與INC算法跟蹤效果的比較，INC在局部陰影發生時陷于局部極值點230 W處，而GMPPT算法追蹤到了功率為380 W的全局最大功率點。

圖5 均勻光照下光伏陣列的P-V曲線

圖6 局部陰影條件下光伏陣列的P-V曲線

3 結 論

1）局部陰影條件發生時，在起始工作點（ISC=IPV）處光伏組件并聯的旁路二極管具有負電壓。據此設計了一種新的陰影檢測手段。

2）利用觀察光伏陣列輸出特性曲線得到的規律設計局部陰影條件下的算法，避免了傳統GMPPT算法對整條P-V曲線的掃描。

圖7 均勻光照條件下INC算法和GMPPT算法的仿真波形圖

圖8 局部陰影條件下INC算法和GMPPT算法仿真波形圖

3）均勻光照條件下的算法利用傳統的恒壓法和新的查表法對最大功率點進行初步定位，最后再利用擾動觀察法精確定位。提高了算法對最大功率點追蹤的快速性和精確度。

[1]趙輝，李會平，王紅君.局部遮光條件下光伏陣列的建模與分析研究[J].電源技術，2015，39（1）:71-74.

[2]聶曉華，賴家俊.局部陰影下光伏陣列全局最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].電網技術，2014，38（12）:3279-3285.

[3]廉小親，張曉力，王嵩.光伏系統在部分遮擋條件下的GMPPT算法研究[J].電源技術，2012，36（10）:1470-1473.

[4]高金輝，馬高峰，楊艷茜.局部陰影下光伏陣列呈多波峰特性的MPPT算法研究[J].電子技術應用，2013，39（12）:61-63，67.

[5]邵偉明，程樹英，林培杰.局部陰影下光伏陣列MPPT算法及實現[J].電源學報，2016，14（1）:27-34，42.

[6]牛拴寶，霍超，程林，等.基于ARX模型的局部陰影光伏陣列非機理建模研究[J].電子設計工程，2015，23（24）:60-63，66.

[7]湯濟澤，王叢林，房學法.一種基于電導增量法的MPPT實現策略 [J]. 電力電子技術，2011，45（4）:73-75.

[8]Alireza Kouchaki，Hossein Iman-Eini，Behzad Asaei.A new maximum power point tracking strategy for PV arrays under uniform and nonuniform insolation conditions [J].Solar Energy，2013，91（1）:221-232.

[9]K Ishaque，Z Salam.A review of maximum power point tracking techniques of PV system for uniform insolation and partial shading condition[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews，2013，19（1）:475-488.

[10]Lian Lian Jiang，Nayanasiri D R，Douglas L Maskell，et al.A hybrid maximum power point tracking for partially shaded photovoltaic systems in the tropics[J].Renewable Energy，2015，76（1）:53-65.

[11]Nilesh Shah，Chudamani Rajagopalan.Experimental evaluation of a partially shaded photovoltaic system with a fuzzy logic-based peak power tracking control strategy [J].IET Renewable Power Generation，2016，10（1）:98-107.

[12]S Daraban，D Petreus，C Morel.A novel MPPT（maximum power point tracking） algorithm based on a modified genetic algorithm specialized on tracking the global maximum power point in photovoltaic systems affected by partial shading[J].Energy，2014，75（4）:374-388.

[13]H Renaudineau，F Donatantonio，J Fontchastagner.A PSO-based global MPPT technique for distributed PV power generation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62 （2）:1047-1058.

[14]Mustafa Engin Basoglu，Bekir Cakir.An improved incremental conductance based MPPT approach for PV modules [J].Turkish Journal of Electrical Engineering&Computer Sciences，2015，23 （6）:1687-1697.

[15]Mustafa Engin Basoglu，Bekir Cakir.An improved incremental conductance based MPPT approach for PV modules [J].Turkish Journal of Electrical Engineering&Computer Sciences，2015，23 （6）:1687-1697.

Research on GMPPT algorithm of photovoltaic array under partial shading condition

WEI Chao，SHI Huo-quan，XU Wei-liang
（ School of IoT Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

P-V curves of PV arrays show multiple peaks under partial shading condition.A global maximum power point tracking （GMPPT） algorithm is proposed to solve the problem of the traditional maximum power point tracking （MPPT） algorithm.The algorithm consists of two subroutine，by means of detection of partial shadow which decided to use a subroutine.Finally，the algorithm is validated by simulation in matlab.Simulation results show that the algorithm can accurately track the global maximum power point and avoid the scan of the whole P-V curve.Compared with the traditional MPPT algorithm，the algorithm can locate the maximum power point more quickly than the traditional one.

photovoltaic array； multiple peak； GMPPT； MPPT

TN601

：A

：1674－6236（2017）14-0018-05

2016-07-07稿件編號：201607065

魏 超（1992—），男，安徽合肥人，碩士研究生。研究方向：光伏系統并網發電。