局部遮挡下的自适应变步长扰动观察法

廖天发，蔡昭权，薛家祥，朱晓军

(1.惠州学院，广东惠州516007；2.华南理工大学，广东广州510640)

局部遮挡下的自适应变步长扰动观察法

廖天发1，蔡昭权1，薛家祥2，朱晓军2

(1.惠州学院，广东惠州516007；2.华南理工大学，广东广州510640)

在局部遮挡下，光伏阵列输出功率—电压(P-U)曲线呈现多峰值现象，传统最大功率点跟踪方法可能因收敛于局部最大值点而失效。在分析多种局部遮挡情况下P-U曲线模型的基础上，设计了一种自适应变步长扰动观察法，能实现多峰值现象下的最大功率点跟踪。在3 kW光伏并网逆变器的实验平台上进行相关工程实验，理论分析及实验结果证明了控制算法的有效性和快速性。

局部遮挡；多峰值；扰动观察法；最大功率跟踪

在光照度和温度恒定的条件下，光伏阵列的P-U特性曲线为单峰值，传统的最大功率点跟踪技术，如扰动观察法和增量电导法能很好地跟踪到最大功率点。但在光伏阵列局部被遮挡情况下，光伏阵列的电流-电压(I-U)输出特性曲线呈阶梯状，P-U曲线出现多个局部峰值，此时传统的最大功率点跟踪控制技术可能会陷入局部最大功率点[1]，而不能准确捕获到全局最大功率点，导致系统输出功率降低。因此，研究局部遮挡下光伏阵列最大功率点跟踪算法，对提高光伏发电系统发电效率具有重大意义。

常用的MPPT算法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等[2-6]，而适应多峰值条件下的MPPT算法可以分为四类：添加硬件电路、改进传统算法、两步式、智能算法。考虑硬件成本和算法复杂度，改进传统算法在实际工程中的运用最为广泛。因此本文设计了一种自适应变步长扰动观察法，能实现多峰值现象下的最大功率点跟踪。

1 局部遮挡下的光伏阵列输出特性分析

实际使用中光伏电池被遮挡时，其所接收的光照强度减少，降低了光伏电池特性曲线上的短路电流和开路电压。这时整个光伏阵列的U-I特性曲线会出现多个膝点，而对应的P-U特性曲线上则可能会出现多个峰值点如图1所示。

图1 局部遮挡下的光伏阵列的输出特性曲线

2 自适应变步长扰动观察法

2.1 自适应变步长扰动观察法的基本思想

为了解决多峰P-U特性曲线的最大功率点跟踪问题，提出了自适应变步长扰动观察法，算法流程如图2所示。

图2 自适应变步长扰动观察法的流程图

(1)搜索第一个峰值点

自适应变步长扰动观察法基于传统的扰动观察法，引入步长调整器，其中α(k)为步长调整系数，ε为恒定值，决定了调整的灵敏度，DP为功率变化量。当|DP<δ|时，表示系统已经到达最大功率点附近，此时不再调整步长，减小了最大功率点附近的扰动振荡。当功率变化量|DP|>δ时，通过步长调整器α(k)调整扰动步长，|DP|越大扰动步长相对也越大，当达到最大功率点附近时P-U曲线斜率降低，|DP|变小，扰动步长也变小。因此，改进后的扰动观察法可自动调整扰动步长，以便于快速搜索最大功率点，并减小了最大功率点处的扰动振荡。

(2)定步长全局扫描

设定步长为ΔU，扫描方向为相电压减少方向，即Un=Un－1－ΔU。每扫描到目标处，处理器都需记录当时的输出功率Pn和Un，并将Pn和PTEMP作比较，若Pn≥PTEMP，则PTEMP=Pn，UTEMP=Un，否则，则丢弃数据Pn和Un。如此循环，直至扫描至输出电压U=0处，得出临时最大功率点PTEMP。

(3)PTEMP处采用扰动观察法

系统回到临时最大功率点PTEMP处，采用变步长的扰动观察法进行最大功率点的精确跟踪，得到UMAX点附近的峰值，作为全局最大功率点PMAX。

2.2 自适应变步长扰动观察法的重启

当外部环境如光照、温度或者局部遮挡情况变化时，光伏阵列的输出特性P-U曲线也会改变，若继续使用前一时刻的峰值点作为最大功率点，则可能发生错误。因此，需要重启自适应变步长扰动观察法，以使光伏系统重新找到最大功率工作点。以下为重启自适应变步长扰动观察法的两个情形：

情形一：定时重启。

由于光照强度会随着时间的变化而变化，采用定时重启的方式，让光伏系统每隔一定时间进行全局扫描。本系统设定的定时重启的时间间隔为4 min。

情形二：功率突变重启。

偶尔云层的遮挡或者其他外部环境的变化都会对局部遮挡情况产生较大的影响，功率突变重启的条件是输出功率的变化量ΔP>0.1，ΔP如式(1)所示：

式中：Preal为光伏阵列实时功率；Pmax为先前处理器记录的最大输出功率点。

3 实验结果与分析

实验使用光伏阵列模拟直流电源Topcon，模拟光伏阵列多峰效应时的输出特性曲线。设定四条不同的多峰值P-U曲线，使用同一款光伏并网逆变器对其进行了最大功率跟踪控制，设置扰动观察法的扰动步长的数字量为15(PV输入电压的A/D数字量)，扫描间隔时间为4 min，实验结果如图3所示。

图3(a)为一块光伏电池板被遮挡的情况，此时光伏阵列的功率输出特性曲线上出现两个极点，且最大值出现在第一个极值点上。图3(b)为两块光伏电池板被遮挡的情况，此时光伏阵列的功率输出特性曲线上出现三个极点，且最大值出现在第一个极值点上。图3(c)为两块光伏电池板被遮挡的情况，此时光伏阵列的功率输出特性曲线上出现三个极点，且最大值出现在第二个极值点上。图3(d)为两块光伏电池板被遮挡的情况，此时光伏阵列的功率输出特性曲线上出现三个极点，且最大值出现在第三个极值点上。由图3的输出曲线可知，在四种不同的局部遮挡情况下，光伏逆变器均能工作在最大功率点附近，且跟踪效果良好。

图4为自适应变步长扰动观察法的启动效果图，光伏并网逆变器的前级以最大功率输出能量，由后级逆变部分维持母线电压。通道1为并网电流波形，通道2为并网电压波形，并网模式下启动MPPT约0.6 s系统即可跟踪到最大功率点。

最大功率跟踪的过程实际上是光伏阵列输出匹配不同负载的过程，因此输出电流的变化表示逆变器在P-U曲线上的工作点发生变化。图5中a点处，光伏阵列的日照强度从1 000 W/m2变为500 W/m2，逆变器检测到输出功率的变化而启动自适应变步长扰动观察法进行MPPT控制，到a点完成最大功率跟踪。

由图5可见，自适应变步长扰动观察法进行MPPT控制的过程中，只需耗时约3.0 s，相比于全局搜索算法的间隔时间4 min，算法的耗时非常短。并且在整个功率振荡的过程中，直流母线电压的纹波也非常小，表明实现了快速、稳定的最大功率跟踪控制。

上述实验表明，使用自适应变步长扰动观察法进行最大功率跟踪控制，能够在光伏阵列发生局部遮挡下快速稳定地实现高效率的最大功率跟踪，保证逆变器在多峰效应时实现最高功率的输出。

图3 不同峰值P-U曲线的MPPT效果

图4 自适应变步长扰动观察法的启动效果图

图5 自适应变步长扰动观察法的扰动效果图

4 结论

本文分析了在局部遮挡情况下光伏阵列的输出特性，针对局部遮挡下出现的多峰问题，提出了自适应变步长扰动观察法，在3 kW光伏并网发电系统中进行了相关应用实验，得出以下结论：自适应变步长扰动观察法能在局部遮挡出现多峰P-U曲线的情况下，有效克服传统的MPPT算法收敛于局部最大值的存在缺陷，使光伏发电系统快速、准确地跟踪到全局最大功率点，有效地提高了光伏系统的效率。

[1]朱菊，王金梅，韩世军，等.基于PVsyst的光伏电池转换效率仿真研究[J].电源技术，2013，37(5)：774-777.

[2]何人望，邱万英，吴迅，等.基于PSIM的新型扰动观察法的MPPT仿真研究[J].电力系统保护与控制，2012，40(7):56-59，65.

[3]刘邦银，段善旭，康勇.局部阴影条件下光伏模组特性的建模与分析[J].太阳能学报，2008，29(2)：188-192.

[4]胡义华，陈昊，徐瑞东，等.光伏电池板在阴影影响下输出特性[J].电工技术学报，2011，26(1)：123-128，134.

[5]陈阿莲，冯丽娜，杜春水，等.基于支持向量机的局部阴影条件下光伏阵列建模[J].电工技术学报，2011，26(3)：140-146.

[6]ALONSO M C,RUIZ J M,HERRMANN W.Computer simulation of shading effects in photovoltaic arrays[J].Renewable Energy,2005,31(12):1986-1993.

Adaptive variable step size perturbation and observation method under partial shading

LIAO Tian-fa1,CAI Zhao-quan1,XUE Jia-xiang2,ZHU Xiao-jun2
(1.Huizhou University,Huizhou Guangdong 516007,China;2.South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China)

Under partial shading,the PV array output power-voltage(P-U)curve shows multi-peak phenomenon.The traditional maximum power point tracking(MPPT)may fail due to converge to a local maximum point.On the basis of analysis of P-U curve model under multi partial shading,the adaptive variable step size perturbation and observation method was designed and can achieve the MPPT under multi-peak phenomenon.Related engineering test was conducted on 3 kW PV grid inverter experimental platform.The theoretical analysis and experimental results demonstrate the effectiveness and fast performance of the control algorithm.

partial shading;multi-peak;perturbation and observation method;MPPT

TM 464

A

1002-087 X(2016)08-1657-03

2016-01-28

广东省自然科学基金项目(2016ZX014)

廖天发(1977—)，男，江西省人，博士，讲师，主要研究方向为逆变器及智能控制。