多云及陰影遮擋時光伏系統的最大功率點跟蹤策略

王占永 趙愛光

摘 要：目前市場上的逆變器，在正常光照下，對電池板最大功率點的跟蹤效率已做到99.9%以上，但是，多云天氣或有陰影遮擋時的跟蹤效率，各廠家逆變器差距較大。在光伏系統的實際應用中，由于周圍建筑物以或樹木的遮擋、電池板表面的塵土或者多云天氣云層的遮擋，使得電池板很多情況下并不工作在均勻光照下。本文對陰影遮擋下電池板輸出特性做了分析，并研究出一種迅速準確找到最大功率點的策略。

關鍵詞：太陽能 逆變器 陰影遮擋 最大功率點跟蹤

0 引言

近年來，隨著全球人口和經濟的持續增長，人類對能源消的需求量也在不斷增長。傳統的礦物能源會產生大量的污染物，例如CO，SO2，CO2 和NO2等 ，嚴重影響大氣質量。21世紀，全球將面臨能源與環境問題的嚴峻挑戰，開發和利用清潔替代能源，是事關世界經濟可持續發展、能源安全和社會進步的重大課題。太陽能光伏發電以其清潔無污染、取之不盡用之不竭、安全性高等顯著優勢，遠遠超過風能、生物能、地熱能等其他新能源，成為關注重點，在新能源產業的發展中占有重要地位。

近年來，在各國政府的推動下，太陽能開發利用規模迅速增長，技術進步和產業升級也迅速提升，制造成本顯著降低。截至到2017年底，全球光伏裝機總量已超過400GW。其中2017年全球光伏新增裝機約102GW，比2016年同比增長約40%。2007至2016年全球光伏發電平均年增長率超過40%，成為全球增長速度最快的能源品種。

逆變器作為光伏系統的“大腦”，不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發揮太陽電池性能的功能和系統故障保護功能。包括自動啟動、自動停機停、最大功率跟蹤控制、交直流檢測、直流接地檢測以及漏電流檢測。隨著逆變器技術成熟，最大功率跟蹤控制成為影響發電量的關鍵因素。如何在多云天氣及陰影遮擋情況下，跟蹤到電池板的最大功率，成為目前逆變器技術的研究熱點。

1 部分遮擋時電池板的特性

在光伏系統的實際應用中，由于周圍建筑物以或數目的遮擋、電池板表面的塵土或者多云天氣云層的遮擋，使得電池板受到的太陽輻射不均勻，從而影響電池板輸出的PV曲線，最壞的情況會使PV曲線上產生多峰值，影響最大功率點跟蹤。（多云天氣可以看作一種動態陰影遮擋。分析PV曲線時不單獨討論。）

2 全局最大功率點跟蹤的實現

傳統跟蹤最大功率點的方法有定電壓跟蹤法、電導增量法、擾動觀察法和三點滯環法。定電壓跟蹤法固定認為0.8倍開路電壓為最大功率點電壓，明顯與實際情況差距較大；電導增量法當遇到第一個峰值的時候就會出現dP/dU=0，故而認為得到了最大功率點；擾動觀察法和三點滯環法會在第一個峰值時認為得到了最大功率點。

所以，傳統的MPPT策略在多云或者陰影遮擋下會失效。

有人提出可以定時做全局掃描，即，用擾動觀察法，全局掃描期間無論功率變化如何，先把電壓往開路電壓擾動，然后再擾到最低工作電壓。傳統的擾動觀察法每0.5-1 s擾動一次。這樣的話全局掃描期間，將有很長時間不能輸出真正的最大功率造成功率損失。改進的辦法是全局掃描期間擾動觀察的速度加快或步長加大，因受穩定性和精度的影響，速度和步長不能無限增加，改善不是很大。

筆者二人采用一種全新的方案，根據功率變化速度判斷是否有遮擋，如果有遮擋停止電池板工作，電池板電壓會迅速升至開路電壓，然后讓電池板以2V/1ms的速度降至最低工作電壓，并且1ms計算一次功率（因輸入濾波電容容值是已知的，計算功率時要可以完全去除電容的放電功率），然后找出最大功率點。

目前常用的系統為1000V系統，最低工作電壓200V，按按照每5分鐘掃描一次并且掃描期間功率為0計算，發電量的損失為（1000-200）/2/1000/（60*5）=0.133%。實際上掃描期間功率不為0，而且實際系統開路電壓一般為800V，掃描功率損失極小，并且相對于傳統方法可以帶來遠超過1%的發電量。

3 實驗驗證

為驗證上述辦法，筆者先采用公司已批量生產的10kw三相并網逆變器，直流輸入采用模擬直流源，進行模擬驗證。先設置為無遮擋模式，逆變器正常啟動，當逆變器找到最大功率點后，將直流源設置為遮擋模式，逆變器可以迅速判斷出遮擋情況，并在以2V/1ms的速度掃描找到新的最大功率點。

然后筆者又把逆變器接到公司實驗基地的電池板下測試（與老算法比較）。選取6臺10kw逆變器，3臺逆變器用新算法，3臺逆變器用傳統算法，分別接10kw的組件，選擇5天多云天氣（每天早7點和晚7點記錄發電量差值，只保留多云天氣的數據累加），然后更換逆變器，再選擇5天多云天氣。

4 實驗結果

先設置為無遮擋模式，逆變器正常啟動，當逆變器找到最大功率點后，將直流源設置為遮擋模式，逆變器可以迅速判斷出遮擋情況，并在1s之內掃描到新的最大功率點，跟蹤精度為99.97%。

在電池板下測試（與老算法比較）結果顯示新算法逆變器比傳統算法逆變器增加23.7%的電量。

5 結論

本文研究了串聯光伏組件在正常光照下和遮擋部分電池板下的V-P曲線。根據電池板遮擋時功率迅速下降的特性，逆變器通過對功率的判斷，確定是否有遮擋發生。當電池板上有遮擋發生時，先把電池板電壓抬升到開路電壓，然后迅速拉低電池板電壓至系統允許最低電壓，掃描出電池板的功率曲線。通過電壓功率曲線判斷電池板的最大功率點，然后用擾動觀察法或三點滯緩法維持跟蹤電池板的實際最大功率點。

該方法基于光伏陣列輸出特性，與實際陣列的結構無關，所以不需要設置或判斷檢測遮擋模式。不論光伏陣列組串數量，朝向是否一致，靜態還是動態，都可以跟蹤到真正的最大功率點。實驗結果表明，本方法能準確地跟蹤到電池板組串的實際最大功率點，所需時間以及掃描帶來的發電量損失都能滿足預期要求。