局部阴影条件下光伏阵列GMPPT算法的研究

魏 超，施火泉，许伟梁

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

局部阴影条件下光伏阵列GMPPT算法的研究

魏 超，施火泉，许伟梁

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

针对局部阴影条件下光伏阵列的P-V曲线呈现多峰值的情况，提出了一种全局最大功率点追踪（GMPPT）算法来解决传统最大功率点追踪（MPPT）算法失效的问题。该算法由子两个子算法构成，通过提出的局部阴影检测手段决定具体使用的子算法。最后将该算法在matlab中进行仿真验证。仿真结果表明，在局部阴影条件下该算法能精确的追踪到全局最大功率点，且避免了对整条P-V曲线的扫描。在均匀光照条件下比传统MPPT算法能更快的定位到最大功率点。

光伏阵列；多峰值；GMPPT；MPPT

太阳能已经成为了一种很有发展前景的新能源，并被广泛应用于发电中[1-2]。在均匀光照条件下，光伏阵列只有一个最大功率点。但在实际工作环境中由于受到树木、建筑物等遮挡影响，光伏阵列可能处于局部阴影（PSC）中。此时光伏阵列的I-V曲线呈现阶梯状，P-V曲线呈现多峰值。传统的最大功率点跟踪（CMPPT）算法可能陷于局部极值点，因此需要提出一个全局最大功率点跟踪（GMPPT）算法。文献[3-5]、[8-9]利用观察P-V曲线得出的最大功率点电压分布规律以及恒流源特性设计相应的GMPPT算法。但是算法对系统参数的依赖性高。文献[10-13]中将模糊逻辑控制、人工神经网络控制等思想应用到GMPPT算法的设计当中，虽然算法的性能较好但是实现起来代价较大。本文分别设计了均匀光照和局部阴影条件下的两种算法，通过检测局部阴影是否发生决定使用哪一种算法。均匀光照条件下根据光伏阵列第一个工作点的位置，决定使用查表法还是恒压法对最大功率点进行追踪。局部阴影条件下的算法利用对大量光伏阵列P-V曲线观察得出的规律，首先将工作点定位到全局最大功率点区域，之后再用传统的扰动观察法追踪到全局最大功率点。

1 算法设计

1.1 局部阴影的检测

某一光伏阵列由3个接受不同光照且相互串联的组件组构成，每个组件都并联有一个旁路二极管。图1为该光伏阵列及每一个光伏组件的I-V曲当满足ISC=IPV时，在曲线的开始处仅光照强度为1 000 W/m2的组件正常工作，另外两个光伏组件具有负电压。因此局部阴影是否发生可以通过检测光伏组件所并联的旁路二极管的电压来实现。在ISC=IPV处如果光伏阵列中任何一个旁路二极管具有反向电压则可以确定光伏阵列处于局部阴影中。要想满足ISC=IPV，则buck-boost变换器中的占空比D必须满足公式（1）中的条件。

式中ISC为光伏阵列的短路电流，Rload为负载电阻。如果ISC=IPV，则光伏阵列的电压为零且占空比D也为零。但在实际条件下不可能实现D=0，所以在阴影检测时只有尽可能的将buck-boost变换器的占空比设置的低一些。文中将该占空比的最小值设定为5%。在此过程中不需要利用光伏阵列的短路电流从而保证了所提出的算法对系统参数的依赖性更小。

图1 光伏组件和光伏阵列的I-V曲线

1.2 均匀光照条件下的算法设计

均匀光照条件下的算法结合了传统的恒压法和新的查表法。第一步，确定负载电阻RLoad的值，为了决定第二步使用的方法，需要知道光伏阵列在I-V曲线上的第一个工作点在什么位置。如图2所示，初始工作点随着负载电阻数值的改变而改变。当负载电阻为RL1和RL2时第一个工作点在最大功率点（MPP）的左侧，当负载电阻为RL3时第一个工作点在MPP的右侧。因此需将两个临近的占空比输入到buck-boost变换器中，测量所对应的电压和电流值，再计算出相应的功率值。最后通过公式（2）决定第一个工作点的位置。

图2 不同的负载线与I-V曲线的交点

如果a＞0，则第一个工作点在MPP的左侧。在该侧利用查表法定位到最大功率点附近。查表法的输入参数是光伏阵列的电流IPV（k），输出参数是光伏阵列的等效电阻RPV。所以在测得光伏阵列的电流之后通过查表法就确定了光伏阵列的等效电阻RPV。初始占空比的值可以通过公式（3）来计算[14-15]。

RPV（Q）：光照强度为Q的条件下光伏阵列的等效电阻，η：额定功率下buck-boost变换器的效率。查表法中的表格在设计时要确定数据对（IPV，RPV）的数量，可以根据公式（4）来计算。其中KSC为不同光照条件下Im和ISC的比，从表1可知比值KSC的变化范围为0.92～0.94。KSC的平均值KSCavg为0.934 0。对于文中选择的光伏组件，数据对的数量是15对。

表1 不同光照条件下光伏组件的短路电流和最大功率点电流

如果a＜0，则第一个工作点在MPP的右侧。在最大功率点的右侧光伏阵列的电压变化很小，所以在这一侧使用恒压法定位到最大功率点附近，占空比的初始值可以用公式（5）来计算。其中Vmref，Imref为标准条件（T=25℃，G=1 000 w/m2）下光伏组件在最大功率点的电压和电流值。

确定第一个工作点的位置后利用查表法或恒压法定位到最大功率点附近，再利用传统的扰动观察法即可追踪到最大功率点。

1.3 局部阴影条件下算法设计

对大量处于各种阴影模式下的光伏阵列输出特性曲线进行仿真分析，发现在I-V曲线上全局最大功率点出现的区域都包括V/I=VOC/ISC这一点。VOC、ISC分别为均匀光照条件下光伏阵列的开路电压和短路电流。如图3所示为同一光伏阵列在5种不同光照条件下的I-V和P-V曲线。I-V曲线和负载线的交点分别为a-e，对应P-V曲线上的A-E点且A-E点都处于全局最大功率点附近。根据此规律在局部阴影发生时系统的工作点应该迅速的移动到I-V曲线上V/I=VOC/ISC这一点，移动到全局最大功率点区域之后再使用传统的扰动观察法（P&O）搜索到全局最大功率点。阴影算法的具体实现步骤为：

1）测量并记录光伏阵列在开始时即k=1时的输出电压（Vk）和电流（Ik）的值，并检测局部阴影情况是否发生。若光伏阵列处于局部阴影条件下则进入第2）步。

2）如果 |Vk/Ik-VOC/ISC|＞εS则进入第 3）步，否则将占空比设置为Dk+1=Dk，然后执行第5）步。

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

4）让 k=k+1，测量并记录 tk时的 Vk和 Ik的值。之后返回到第2）步。

5）让k=k+1。然后在tk时刻利用传统的扰动观察法定位到全局最大功率点。

整个GMPPT算法流程图如图4所示，在算法启动时需要设置的系数包括:光伏阵列开路电压（VOC）和短路电流（ISC），在全局最大功率点区域搜索时的步长Dstep，界限值εS，以及传统扰动观察法中的其他系数。

图3 不同光照条件下的I-V、P-V曲线

图4 GMPPT算法流程图

2 仿真分析

所选用光伏组件在标准测试条件下 （T=25°C，G=1 kw/m2）的参数如下：开路电压Voc=21.1 V，短路电流Isc=3.8 A，最大功率点电压Vm=17.15 V，最大功率点电流Im=3.5 A。仿真中负载电阻值RLoad为15 Ω，光伏阵列的结构为4*4，即每4块组件相互串联构成一个组件串，然后再将4个这样的组件串相互并联。局部阴影条件下[6]组件串中的4个组件一开始接受的光照强度均为1 000 w/m2，在t=0.15 s时4块组件接受的光照强度分别为 300 W/m2、500 W/m2、700 W/m2、1 000 W/m2，组件的温度均为T=25℃。均匀光照条件下组件串中4块组件接受的光照强度一开始为500 W/m2在t=0.15 s时光照强度变为1 000 W/m2，组件的温度均为T=25℃。图5、6为均匀光照和局部阴影条件下光伏阵列的 P-V 曲线。图 7（a）、（b）分别为均匀光照条件下传统MPPT算法电导增量法[7]（INC）与GMPPT算法的仿真波形，GMPPT算法仅用0.005 s便可追踪到最大功率点，追踪的速度快于INC法。图8为阴影情况下GMPPT算法与INC算法跟踪效果的比较，INC在局部阴影发生时陷于局部极值点230 W处，而GMPPT算法追踪到了功率为380 W的全局最大功率点。

图5 均匀光照下光伏阵列的P-V曲线

图6 局部阴影条件下光伏阵列的P-V曲线

3 结 论

1）局部阴影条件发生时，在起始工作点（ISC=IPV）处光伏组件并联的旁路二极管具有负电压。据此设计了一种新的阴影检测手段。

2）利用观察光伏阵列输出特性曲线得到的规律设计局部阴影条件下的算法，避免了传统GMPPT算法对整条P-V曲线的扫描。

图7 均匀光照条件下INC算法和GMPPT算法的仿真波形图

图8 局部阴影条件下INC算法和GMPPT算法仿真波形图

3）均匀光照条件下的算法利用传统的恒压法和新的查表法对最大功率点进行初步定位，最后再利用扰动观察法精确定位。提高了算法对最大功率点追踪的快速性和精确度。

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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稿件编号：201607065

魏 超（1992—），男，安徽合肥人，硕士研究生。研究方向：光伏系统并网发电。