局部陰影下光伏陣列MPPT算法的研究*

成 杰，唐小亮，梁安江，趙春麗

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

0 引 言

光伏陣列受環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度影響較大，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)可以有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率[1]。理想情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的P-U特性曲線呈現(xiàn)單峰值狀態(tài)，擾動(dòng)觀察法(P&O)和電導(dǎo)增量法(INC)等經(jīng)典的MPPT算法可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)(MPP)的追蹤[2]。但是當(dāng)光伏陣列被局部遮擋時(shí)，P-U特性曲線呈現(xiàn)多峰值狀態(tài)，這些經(jīng)典的算法極易陷入局部最大值，造成能量的損失[3-4]。

隨著光伏電站容量的增加，多峰值狀態(tài)下全局最大功率點(diǎn)跟蹤(GMPPT)算法的研究得到了越來(lái)越多的重視。文獻(xiàn)[5]提出了改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法，該方法能夠有效地追蹤單峰值最大功率點(diǎn)，但是追蹤多峰值時(shí)極易陷入局部極值。文獻(xiàn)[6-7]在改進(jìn)的P&O方法上提出了改進(jìn)的全局掃描法，該方法有效解決了陷入局部極值的問(wèn)題，但是又出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)功率振蕩大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[8-10]提出了一種改進(jìn)型的粒子群算法(PSO)，該方法能夠有效地追蹤到全局最大功率點(diǎn)，追蹤精度高，但收斂不穩(wěn)定，并且追蹤速度較慢。文獻(xiàn)[11]利用光伏陣列MPP處電流與短路電流之間的近似關(guān)系提出了一種三步驟搜索法，該方法有效地提高了運(yùn)算速度，但是受比例關(guān)系影響較大，容易形成誤判[12]。

針對(duì)上述分析，本文提出了一種基于搜索-計(jì)算-判斷(SCD)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)GMPPT。該方法使用改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法從Uoc處反向?qū)ふ业谝粋€(gè)局部MPP，通過(guò)計(jì)算與判斷，不斷減小搜索區(qū)域，間接地將多峰值問(wèn)題簡(jiǎn)化為單峰值搜索，從而解決誤判問(wèn)題。通過(guò)建立與PSO及P&O等算法的對(duì)比仿真，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，可以得出SCD算法在有、無(wú)陰影狀態(tài)下均能實(shí)現(xiàn)GMPPT，能夠有效提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

1 光伏陣列建模與輸出特性分析

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池在建模的時(shí)候，需要從精確度和運(yùn)算速度2方面進(jìn)行考慮。本文選擇的光伏電池等效電路如圖1所示[13]。

圖1 光伏電池等效電路模型

結(jié)合圖1，可以推出光伏電池的數(shù)學(xué)模型為

Ipv=Iph-Id-Ish

(1)

(2)

(3)

因此，將式(2)、式(3)代入到式(1)可以得到：

(4)

Ud=Upv+IpvRs

(5)

式中：Ipv、Upv為光伏電池輸出的電流和電壓；Iph為光生電流；Id為二極管處的電流；Ish為等效并聯(lián)電阻處的電流；I0為二極管反向飽和電流；Rsh、Rs分別為等效后串、并聯(lián)電阻；Ud為并聯(lián)支路電壓；q為電子電荷常數(shù)；n為二極管品質(zhì)因子；k為玻爾茲曼常數(shù);T為外界環(huán)境溫度。

光伏陣列通常為多個(gè)電池串并聯(lián)構(gòu)成，將串并聯(lián)的數(shù)量分別記為Ns和Np，則式(4)、式(5)變?yōu)?/p>

Im_pv=Np×Ipv

(6)

(7)

式中:Im_pv、Um_d分別為多電池串并聯(lián)后輸出電流和并聯(lián)支路電壓。

1.2 光伏陣列的輸出特性

假設(shè)光伏陣列串并聯(lián)電池模塊個(gè)數(shù)均為4，結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了保護(hù)系統(tǒng)組件并提高整體輸出功率，光伏模塊均反并聯(lián)旁路二極管；為了避免產(chǎn)生環(huán)流，并聯(lián)支路均串聯(lián)阻塞二極管[14]。

圖2 光伏陣列結(jié)構(gòu)

為了不失一般性，本文選用1STH-215-P型號(hào)的光伏電池分析，該電池的參數(shù)如表1所示。

假設(shè)外界環(huán)境保持在25 ℃，單個(gè)PV板為最小輻照單元。通過(guò)改變PV板的光照強(qiáng)度來(lái)構(gòu)建光伏陣列的3種陰影狀況模型。

(1) 陰影狀況模型1。所有PV板光照強(qiáng)度均為1 000 W/m2。

表1 光伏電池參數(shù)

(2) 陰影狀況模型2。PV1～PV4光照強(qiáng)度為100 W/m2，PV5～PV7光照強(qiáng)度為200 W/m2，PV9～PV10光照強(qiáng)度為500 W/m2，PV13光照強(qiáng)度為600 W/m2，其余PV板光照強(qiáng)度為1 000 W/m2。

(3) 陰影狀況模型3。PV1～PV3光照強(qiáng)度為100 W/m2，PV5～PV7光照強(qiáng)度為500 W/m2，其余PV板光照強(qiáng)度為1 000 W/m2。

3種環(huán)境下的P-U特性曲線和I-U特性曲線如圖3所示。從圖3可以得出，當(dāng)光照強(qiáng)度不均勻時(shí)，P-U曲線會(huì)出現(xiàn)多峰值；電流I與電壓U成反比關(guān)系。模型1為單峰值狀況，最大功率約為3 382.93 W，通過(guò)參數(shù)計(jì)算功率應(yīng)該為3 410.40 W，功率損失約為0.8%；模型2為四峰值狀況，最大功率約為1 293.77 W；模型3為三峰值狀況，最大功率約為1 801.16 W。

圖3 不同狀態(tài)下的光伏特性仿真曲線

2 PV全局最大功率跟蹤算法

2.1 改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法，當(dāng)正向施加擾動(dòng)時(shí)，其原理為[15]

(8)

式中:U0、P0分別為上一次檢測(cè)的電壓和功率;U、P分別為此次檢測(cè)的電壓和功率；ΔU為電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)。

此方法具有控制概念簡(jiǎn)單、被測(cè)量參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，但受電壓的初始值和ΔU的影響較大。由于ΔU固定，在MPP附近振蕩，造成能量的損失。為了規(guī)避這種缺點(diǎn)，本文采用了基于逐步逼近法的擾動(dòng)觀察法，在保證速度的同時(shí)可以極大地提高跟蹤精度。其基本思路為，以較大步長(zhǎng)從開(kāi)路電壓Uoc處反向搜索，每當(dāng)搜索方向發(fā)生變化時(shí)，等比例縮小搜索步長(zhǎng)及搜索區(qū)域，再次進(jìn)行搜索，每改變一次步長(zhǎng)時(shí)，精度成倍提高[1]。

2.2 最大功率跟蹤算法

本文在2.1節(jié)改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上，提出了一種三步式GMPPT算法，通過(guò)對(duì)P-U曲線的搜索-計(jì)算-判斷實(shí)現(xiàn)全局最大功率的跟蹤。其過(guò)程如下。

第1步，搜索。從Uoc處應(yīng)用改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法進(jìn)行MPP搜索，搜索到第一個(gè)(下一個(gè))峰值點(diǎn)時(shí)停止，記為(Umi,Pmi)。

第2步，計(jì)算。Uref不斷反向減小，尋找拐點(diǎn)。當(dāng)dP/dU>0時(shí)，更新拐點(diǎn)電壓Usci，根據(jù)Pmi/Usci，求出下一個(gè)判斷點(diǎn)(次點(diǎn))Ni的電流INi。

第3步，判斷。判斷Ni點(diǎn)處dPNi/dUNi是否大于0，若大于0則回到第1步，否則回到第2步，當(dāng)Uref小于Uend時(shí)結(jié)束，得到最大功率。

SCD算法的具體操作流程如圖4所示。

圖4 SCD算法流程圖

為了更具體地介紹此算法的實(shí)現(xiàn)流程，下面將結(jié)合1.2節(jié)中模型2的P-U特性曲線進(jìn)行具體介紹，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。

進(jìn)行第一個(gè)峰值點(diǎn)搜索。從Uoc處應(yīng)用改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法進(jìn)行搜索，尋找第一個(gè)極值點(diǎn)M1(Um1,Pm1)，此時(shí)最大功率Pm=Pm1，通過(guò)式(9)求出Uend。然后，進(jìn)入計(jì)算環(huán)節(jié)。不斷反向減小電壓，當(dāng)dP/dU>0時(shí)，找到第一個(gè)拐點(diǎn)A(UA,PA)，根據(jù)式(10)求出次點(diǎn)B(UB,PB)：

Uend=Umin=Um1/N

(9)

式中:Uend為結(jié)束搜索點(diǎn)處電壓；Umin為相鄰極值點(diǎn)間最小電壓差；Um1為開(kāi)路電壓附近的極值點(diǎn)電壓；N為旁路二極管的個(gè)數(shù)。

第i個(gè)次點(diǎn)處的電流INi為

INi=Pmi/Usc

(10)

式中：Pmi為第i個(gè)極值點(diǎn)處的功率；Usc為拐點(diǎn)處電壓。

由前文結(jié)論可知，從B點(diǎn)到A點(diǎn)，電流單調(diào)遞減，電壓?jiǎn)握{(diào)遞增，因?yàn)樵趨^(qū)間[UB,UA]上，Umax=UA、Imax=IB，所以此區(qū)間所有的功率均小于Pm1=UA×IB。因此，可以從M1點(diǎn)直接跨到B點(diǎn)，省去中間部分的搜索。之后進(jìn)行判斷，若dP/dU>0，則說(shuō)明B點(diǎn)處于功率上升處，需要進(jìn)一步搜索，尋找M2點(diǎn)。若dP/dU≤0，則說(shuō)明B點(diǎn)處于M2點(diǎn)上或者是M2左側(cè)功率的下降沿，則可以直接忽略M2點(diǎn)，從B點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算尋找下一個(gè)拐點(diǎn)。重復(fù)上面的過(guò)程，直至完成全局搜索。

本例中B點(diǎn)位于M2點(diǎn)的右側(cè)，因此需要進(jìn)行搜索尋找M2(Um2,Pm2)，此時(shí)Pm=max{Pm1,Pm2}。

然后在M2點(diǎn)重復(fù)上述過(guò)程，尋找到拐點(diǎn)C(UC,PC)，通過(guò)式(10)找到次點(diǎn)D(UD,PD)，此時(shí)點(diǎn)M3(Um3,Pm3)在D點(diǎn)右側(cè)，忽略不計(jì)，從M2點(diǎn)直接跨越到D點(diǎn)。在D點(diǎn)繼續(xù)計(jì)算，當(dāng)Uref

因此本次追蹤的軌跡為Uoc-B-M2-D-Uend。可以看出SCD算法的應(yīng)用將一個(gè)三峰值問(wèn)題轉(zhuǎn)換成為單峰值搜索，通過(guò)計(jì)算的方式不斷縮小搜索區(qū)域，在避免誤判的基礎(chǔ)上提高了搜索速度。此外，此算法在應(yīng)用過(guò)程中無(wú)需增加外圍電路，并且運(yùn)算程序簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。

圖5 SCD算法示例圖

3 仿真對(duì)比分析

為了驗(yàn)證SCD算法的有效性，選取STH-215-P光伏組件進(jìn)行本次仿真試驗(yàn)。光伏陣列結(jié)構(gòu)為4×4，電池參數(shù)如表1所示，環(huán)境溫度保持25 ℃，光照強(qiáng)度如上文3種陰影模型所述，采用Boost電路作為主電路。通過(guò)與粒子群算法和擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真對(duì)比，其中PSO算法的參數(shù)設(shè)置為：個(gè)體學(xué)習(xí)因子c1=全局學(xué)習(xí)因子c2=1.2；最大迭代次數(shù)為60；慣性權(quán)重w=[0.15,0.85]；速度v=[-1,1]。其具體仿真情況及結(jié)果如下所示。

3.1 無(wú)陰影情況下仿真對(duì)比分析

圖6為單峰值最大功率跟蹤對(duì)比仿真結(jié)果。從圖6可以得出，使用SCD跟蹤算法在0.026 s左右跟蹤到峰值，輸出結(jié)果大約為3 382 W，幾乎為恒值輸出，跟蹤精度為99.97%。

圖6 單峰值全局跟蹤過(guò)程

使用PSO算法在0.043 s附近追蹤到峰值，峰值在3 365.1～3 383.0 W之間上下波動(dòng)，跟蹤平均精度約為99.74%。使用P&O算法大約在0.025 s追蹤到峰值，跟蹤精度為99.2%。由此可以得出，單峰值情況下，3種方法均能快速追蹤到最大值，SCD算法追蹤時(shí)間短、追蹤精度最高，P&O算法追蹤精度最差。

3.2 多峰值情況下仿真對(duì)比分析

圖7為三峰值最大功率跟蹤對(duì)比仿真結(jié)果。從圖7可以得出，P&O算法在局部峰值處上下振蕩，輸出功率范圍為1 097.22～1 120.1 W，追蹤精度僅為61.55%，功率損失非常大。SCD算法最終功率輸出大約為1 799 W，且上下波動(dòng)極小，追蹤精度為99.88%。PSO算法輸出功率穩(wěn)定在1 785.3～1 805.9W，追蹤精度約為99.69%。SCD算法的追蹤時(shí)間約為0.024 s，小于PSO算法的0.045 s。

圖7 三峰值全局跟蹤過(guò)程

圖8為四峰值最大功率跟蹤對(duì)比仿真結(jié)果。其仿真情況與三峰值基本相似，SCD算法、PSO算法和P&O算法輸出功率分別為1 293.7 W、1 271.6～1 302.2 W、1 043.4～1 011.04 W，實(shí)現(xiàn)MPPT的時(shí)間分別為0.021、0.046、0.014 s。

圖8 四峰值全局跟蹤過(guò)程

從上述3種情況的仿真結(jié)果可以看出，SCD算法具有最高的跟蹤精度和較快的跟蹤速度，并且隨著峰值個(gè)數(shù)的增加，能夠更快地跟蹤到全局最大峰值；PSO算法的跟蹤精度較好，但是跟蹤時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，并且隨著峰值個(gè)數(shù)的增加，追蹤的時(shí)間在不斷增加；P&O算法單峰值情況跟蹤效果良好，但是在多峰值情況下會(huì)陷入局部峰值，不能實(shí)現(xiàn)全局MPP跟蹤。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證SCD算法的可行性，搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示，試驗(yàn)選取的光伏電池板型號(hào)為XKD200，此型號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)狀況(環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2)的開(kāi)路電壓為41.5 V，最大功率點(diǎn)處電壓為36 V，光伏陣列結(jié)構(gòu)為4×1。

圖9 MPPT驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)

在陽(yáng)光充分照射的情況下，用白板對(duì)部分PV板進(jìn)行遮擋。由于MPP處電壓電流等參數(shù)一定，試驗(yàn)時(shí)僅測(cè)量了電壓變化曲線，所得的試驗(yàn)跟蹤的電壓波形如圖10所示。從圖10可以看出，應(yīng)用SCD算法能夠快速判斷出陰影的狀況，26 ms左右完成跟蹤，最終將電壓穩(wěn)定在17.7 V附近。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該算法在實(shí)際應(yīng)用中可行有效，滿足了預(yù)期的設(shè)想，在有陰影的狀況下，系統(tǒng)能夠快速地實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)的跟蹤，并且輸出電壓比較穩(wěn)定。

圖10 電壓跟蹤過(guò)程波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)光伏電池的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，建立4×4光伏陣列模型?；诖四Ｐ秃透倪M(jìn)的擾動(dòng)觀察法，提出了GMPP跟蹤的SCD算法。通過(guò)與現(xiàn)有的PSO和P&O算法在3種不同的工況下進(jìn)行對(duì)比仿真，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

(1) 本文提出的算法在單峰值(無(wú)陰影)和多峰值(有陰影)狀態(tài)下均能快速穩(wěn)定地跟蹤到最大功率點(diǎn)。

(2) 本文提出的算法與傳統(tǒng)的PSO和P&O算法對(duì)比分析表明，在全局最大功率跟蹤的過(guò)程中，此算法跟蹤精度高、跟蹤速度快。