多功率峰值下的光伏陣列MPPT控制方法研究

薛競翔 黃瑞 從明 游家興

摘要：

光伏陣列的功率-電壓曲線在局部陰影下可能出現多峰值情況，導致傳統的MPPT算法的失效。本文對局部陰影下光伏電池陣列的輸出特性與功率特性進行了統計與分析，得出了功率特性曲線轉折點對應的輸出電壓為整個陣列與陣列并聯支路數比值的整數倍等規律，提出一種新的最大功率點跟蹤方法，能夠準確且較快地跟蹤到全局最優點，基于MATLABSimulink搭建仿真模型，仿真驗證了所提方法的正確性和有效性。

關鍵詞：

光伏陣列;MPPT;多功率峰值;統計規律

中圖分類號：

TM615

文獻標識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0038-01

引言：太陽能有著存儲量大、可持續、清潔無污染等優點，逐漸成為能源最受關注的選擇[1]。然而，太陽能電池輸出能力受外界因素影響較大，因此，需要通過最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT）方法提高發電效率[2]。

傳統的MPPT方法包括擾動觀察法、電導增量法、擾動-極值搜索算法等[3]，但當光伏電池陣列出現局部陰影情況下，光伏電池陣列的P-V曲線可能存在多個峰值，導致傳統MPPT方法的失效。為解決這個問題，業內專家學者提出了很多方法。然而，全局目標檢測算法的跟蹤時間較長[4]，智能算法控制方法極復雜，實際應用中難以實現[5]。文獻[6]提出了一種基于數據統計的最大功率跟蹤方法，控制簡單、追蹤快，但是仍存在有7.53%的實際最大功率點不在該區域中，0.09%的功率偏差大于15%。

本文對光伏陣列P-V曲線進行更深入分析并總結規律，并結合文獻[6]提出了一種基于新的MPPT控制方法。搭建基于MATLABSimulink工具的仿真模型，驗證該方法的準確性與快速性。

1光伏陣列多功率峰值情況

1.1光伏電池物理、數學模型。太陽能電池的特性可用一個等效電路來描述，包括電流源Iph、反并二極管Id、并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs。文獻[7]描述了各參數之間的關系，并給出了簡化的工程模型，可基于此搭建仿真模型。

1.2局部陰影下光伏陣列功率的多峰值。當存在局部陰影時，被遮擋部分的光伏電池輸出能力降低，P-V曲線可能存在多個峰值點。考慮最壞情況，被遮擋部分電池輸出為0，可等效為短路。本文選用MATLAB軟件中Simulink工具，搭建5×6光伏陣列仿真模型，通過枚舉法，對所有情況進行了仿真。對P-V曲線進行分析，可以看到：

1）P-V曲線存在的轉折點數量與光伏電池陣中出現故障或陰影的并聯支路數相等;2）P-V曲線峰值數量不大于轉折點數量+1;3）P-V曲線的轉折點處對應的電壓，剛好是開路電壓與并聯支路數比值的整數倍。

2基于統計的變步長最大功率跟蹤方法

2.1原理分析。依據1.2節的規律，結合文獻[6]的統計結果，提出了一種新的局部陰影下光伏陣列全局最大功率點跟蹤方法，原理如下：

1）根據當下光照強度，估測光伏陣列在無陰影情況下的開路電壓Uoc與短路電流Isc。常用的估測方法：查表法，通過事先測試編制開路電壓與短路電流表格，根據表格讀出目前的Uoc與Isc;光伏組件測算法，在無陰影處設置一塊用來測算的光伏組件，實時測量該組件的Uoc與Isc，由此計算光伏電池陣列的開路電壓與短路電流;

2）對光伏陣列輸出特性變化進行判斷。正常工作時，輸出的電壓、電流都維持不變;當輸出電流突然出現大幅度跳變時，判斷為輸出特性變化，重新進行尋優;

3）最大功率點跟蹤控制。根據統計分析，光伏電池陣的實際I-V特性曲線與一條過零點且斜率為Uoc/Isc的線相交的點，有極大概率落在實際最大功率點的所在的區域[6]。通過調整DC/DC電路占空比D改變光伏陣列的輸出阻抗為Uoc/Isc，并采用傳統擾動法進行最大功率點跟蹤，得到的局部最優點有較大概率為全局最優點。以該點為起點改變光伏陣列的輸出電壓，每次變化為Uoc/N，N表示整個陣列的并聯支路數。對每個輸出電壓進行一次傳統的擾動法，得到局部最優;最后將所有局部最優點進行比較，選出最大功率點。

2.2仿真驗證。根據模型，對共計461種情況進行仿真。根據仿真，該方法能準確定位最大功率點，且速度較快。

3結語

本文對局部陰影光伏電池陣列的P-V特性曲線進行統計分析，提出了一種多峰值P-V曲線下的MPPT控制方法。首先基于統計規律，定位最大功率點最可能落在的區間，并在此區間內進行局部尋優;其次，根據統計規律，以Uoc/N為單位，依次改變光伏陣列輸出電壓并進行局部尋優;最后，通過比較，確定全局最優，即為實際最大功率點。對5×6陣列模型所有情況進行仿真，驗證了該方法的可行性與快速性。

參考文獻：

[1]王培珍.光伏陣列故障狀態的識別研究[D].合肥工業大學，2005.

[2]韓海霞.局部陰影下的光伏陣列MPP算法研究[D].浙江大學，2014.HanHaixia.MaximumPowerPointTrackingSchemeforPVSystemsOperatingUnderPartiallyShadedConditions[D].ZhejiangUniversity，2014.

[3]安偉，趙劍峰.光伏發電系統最大功率追蹤算法及其仿真[J].電器與能效管理技術，2009（4）：53-56.

[4]許冰，肖海峰，高飛.基于無人機序列圖像的全局運動目標檢測[J].指揮信息系統與技術，2019，10（04）：55-60.

[5]柏鶴，于麗蓉，夏小添.基于人工蜂群優化的常模盲均衡算法[J].指揮信息系統與技術，2019，10（06）：66-70.

[6]戚軍，陳怡，周文委.局部陰影下光伏陣列自適應MPPT方法研究[J].太陽能學報，2015，36（5）：1182-1189.