局部遮挡条件下的光伏阵列最大功率点跟踪*

韩艳赞，马瑛

(河南工业职业技术学院，河南南阳473000)

局部遮挡条件下的光伏阵列最大功率点跟踪*

韩艳赞*，马瑛*

(河南工业职业技术学院，河南南阳473000)

针对局部遮挡条件下光伏阵列存在多个局部峰值的问题，以准确跟踪到光伏阵列的全局最大功率点为目标，提出一种新型的局部遮挡条件下光伏阵列最大功率点跟踪方法。首先深入分析了局部遮挡条件下的光伏阵列输出特性，并构建了相应的数学模型，然后采用改进扰动观察法搜索到全局最优的光伏阵列最大功率点，防止陷入局部最优点难题，最后采用Matlab 2014仿真软件对其性能进行分析。结果表明，本文方法可以快速、准确找到光伏阵列最大功率点，提高了光伏阵列的输出效率。

关键词:最大功率点跟踪;局部遮挡;光伏阵列;局域峰点;扰动观察法

随着科技技术的飞速发展，能源可持续发展与环保成为全球关注的问题，相对于其它能源，太阳能是一种无噪、无污染的能源，具有更加重要的实际应用价值［1］。太阳能工作环境具有多变性，导致太阳能光伏阵列输出具有强烈的非线性变化特性［2］。最大功率点跟踪控制MPPT(Maximum Power Point Tracking)可以对光伏阵列输出功率进行在线检测，并且实时改变阻抗以满足实际应用要求，因此光伏阵列最大功率点跟踪研究成为人们关注的一个焦点［3-5］。

针对光伏阵列最大功率点跟踪问题，相关领域的学者进行了广泛、深入的研究，提出许多有效的光伏阵列最大功率点跟踪方法［6］。当光伏阵列工作环境中的温度与光照变化比较平稳时，即理想的无遮蔽、光照条件下，可以得到唯一一个峰值的P-U曲线，从而准确实现对最大功率点的跟踪，主要有:电导增量法、间歇扫描跟踪法等［7-9］。然而在实际应用中，光伏发电系统受到乌云、建筑物等遮挡，在局部遮阴情况下，传统方法无法对最大功率点跟踪进行有效跟踪，导致光伏发电系统的工作效率大大降低，P-U曲线出现多个干峰值，易得到局部最大功率点LMPP(Local Maximum Power Point)［10］。为了解决该难题，许多学者展开了一系列的探讨，提出一些局部遮挡条件下的光伏阵列最大功率点跟踪方法，如将恒定电压法和电导增量法进行结合，采用克隆选择算法以及粒子群优化算法对其进行优化等，一定程度上提高了光伏发电系统的工作效率，然而这些方法也存在一定的不足，如优化精度差、寻优速度慢等［11-13］。

为了获得更加理想的伏阵列全局最大功率点，本文提出一种新型的局部遮挡条件下光伏阵列最大功率点跟踪方法，在MATLAB 2014平台的仿真结果表明，本文方法是一种快速快、性能优异的光伏阵列最大功率点跟踪方法，改善了光伏阵列的输出特性。

1 光伏阵列的数学模型

为了更好对光伏电池输出特性进行分析，首先构建光伏电池的等效电路，其相当于一个P-N结，主要由一个电流源和二极管构成，具体如图1所示。

图1 光伏电池的等效电路

光电流受到光照强度和温度的影响，并且二极管的反向饱和电流与温度变化相关，因此将电阻串联起来可以更好描述最大功率点与开路电压之间的输出特性，根据相关文献［12］，可以建立如下的光伏电池数学模型。

式中，I和U分别表示输出电流和电压;Iph表示光生电流;I0和Isc分别表示反相饱和电流和短路电流; Uoc表示开路电压;q表示电荷量;RS和Rsh分别表示串联和并联电阻;G和Gnom分别表示实际光照强度和标准光照强度;n表示二极管特性因子;k表示玻尔兹曼常数;Eg表示禁带宽度。

2 光伏阵列的输出特性

为了分析光伏电池阵列的输出特性，采用MATLAB 2014的仿真软件编写M函数，理想光照强度下，光伏电池阵列的输出特性的P-U曲线如图2所示。从图2的光伏电池阵列输出特性可以看出，在光照强度变化比较平稳的条件下，输出最大功率的值保持在一定的范围内，P-U曲线只具有一个峰值，其是全局最优的极值点，不存在多个峰值。

图2 理想条件下的光伏阵列输出特性曲线

在具体实际应用中，由于局部遮光等因素的影响，使得整个光伏阵列上的光照不均匀，光伏电池阵列输出特性的P-U曲线如图3所示。从图3可以看出，当发生局部遮挡时，在光伏电池收到的光强有所下降，开路电压与短路电流也相应减少，这样使P-U曲线上产生多个峰值点。

图3 遮挡条件下的光伏阵列输出特性曲线

3 新型局部遮挡的最大功率点跟踪方法

3.1 传统方法以及存在的缺陷

当前传统局部遮挡的最大功率点跟踪方法很多，最具有代表性的为:电导增量法、扰动观察法等，其中扰动观察法使最为广泛。当光伏阵列的P-U曲线只有一个峰值时，可以采用扰动观察法对光伏阵列输出特性的数学模型进行有效求解，能够有效跟踪光伏阵列的最大功率点，其工作原理为:每隔一定的时间增加或减少光伏阵列的输出电压，该过程称之为“干扰”，并观其输出功率变化的方向，然后确定电压的调整方向是否正确，从而调整干扰的方向，扰动观察法寻优过程如图4所示。

扰动观察法的工作步骤如下:

(1)对光伏阵列的输出电压进行扰动;

(2)对获得的电压电流值求解其输出功率P(k);

(3)比较P(k)与P(k-1)，如果P(k)＞P(k-1)，则表示向增加P(k)的方向扰动，不然就向降低P(k)的方向扰动。

图4 扰动观察法的寻优过程

扰动观察法的工作流程如图5所示。然而在局部遮挡的情况下，光伏阵列的P-U曲线出现若干个峰时，其求解性能急剧下降，易找到局部最大功率点，可能存在误判，为此本文对其进行改进，设计了一种新的局部遮挡条件下的光伏阵列最大功率点跟踪方法，以解决其存存的一些不足，从而保证准确、快速的进行最大功率点跟踪。

图5 传统方法的工作流程

3.2 本文方法

本文方法的工作步骤为(1)采用扰动观察法对首个峰值所处位置进行搜索，得到距开路电压最小的极值点P1，将该位置的电压与功率依次记做临时输出电压(UTEMP)与最大功率点(PTEMP)。

(2)设定步长是ΔU，设Un=Un-1-ΔU，处理器在逐次扫描至目标位置，并且记录此时的Pn与Un，然后比较Pn与PTEMP，如果Pn≥PTEMP，则PTEMP=Pn， UTEMP=Un，否则丢弃Pn与Un，不断重复该过程，一直到扫描到短路电流位置为止，即当U=0时获得PTEMP。

(3)对UTEMP进行扰动观察，使得系统回到UTEMP位置，通过小步长的扰动观察法来跟踪，获得UMAX点周围的峰值，将其当作PMAX。

仿真实验

3.3 仿真环境

为了分析本文提出的局部遮挡条件下的光伏阵列最大功率点跟踪性能，在Intel P44核2.80 GHz CPU，8G RAM，Win 7操作系统的计算机上，采用MATLAB 2014仿真软件进行光伏阵列最大功率点跟踪踪实验，其中扰动步长是15，每隔4min进行一次扫描。

3.4 结果与分析

当有1个电池板被遮挡时，光伏阵列输出特性曲线如图6所示，从图6可以看出，光伏阵列输出特性曲线存在2个极点，最大功率点在第一个峰值上，本文方法可以得到比较理想的最大功率点跟踪效果。

图6 1个电池板被遮挡的最大功率点跟踪结果

当有2个电池板被遮挡时，光伏阵列输出特性曲线如图7所示，从图7可以看出，光伏阵列输出特性曲线存在3个极点，最大功率点在第一个个峰值上，这表明逆变器可以在最大功率点周围运行，仍然可以获得比较理想的最大功率点跟踪效果。

图7 2个电池板被遮挡的最大功率点跟踪结果

为了使本文提出局部遮挡条件下的光伏阵列最大功率点跟踪方法的结果更具说服力，选择传统方法—扰动观察法进行对比实验，它们的光伏阵列最大功率点跟踪效率如表1所示，从表1可知，相对于扰动观察法，本文方法提高了光伏阵列最大功率点跟踪效率，具有更快的响应速度。

表1 与传统方法的跟踪效率对比

4 结论

针对当前方法在局部遮挡条件下，易获得局部最优最大功率点跟踪结果的缺陷，在分析当前研究现状的基础上，设计了一种新型局部遮挡条件的最大功率点跟踪方法，并通过具体的仿真实验测试了其有效性，可以得到如下结论:

(1)外界条件改变使得光伏电池出现局部遮挡情况，此时光伏电池阵列的输出P-U曲线会出现若干个峰值，峰值数目与被遮电池数目、被遮严重性之间有着紧密的联系，使得传统方法如扰动观察法难以进行有效的最大功率点跟踪，易收敛于局部的最大功率点，导致光伏系统的性能大大降低。

(2)本文方法在局部遮挡条件下，可以准确找到全局最大功率点，较好的解决了传统方法缺陷，有效提高了光伏系统的工作效率，具有良好的稳定性能。

(3)与传统方法的最大功率点跟踪效率进行了对比实验，本文方法避免了传统方法得到局部最优解的缺陷，获得更优的最大功率点跟踪效果，防止出现误跟踪的现象，具有更高的实际应用价值。

［1］杨帆，彭宏伟，胡为兵，等.太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨［J］.电子器件，2008，31(4):1081-1084.

［2］De Brito M A G，Galotto L，Sampaio L P，et al.Evaluation of the Main MPPT Techniques for Photovoltaic Applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(3):1156-1167.

［3］Subudhi B，Pradhan R.A Comparative Study on Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Power Systems［J］.IEEE Transactions on Sustainable Energy，2013，4(1):89-98.

韩艳赞(1984-)，男，汉，河南新野人，讲师，工程硕士，主要研究方向为电气自动化与电子测试应用，hanyanzan@ 163.com;

马瑛(1982-)，男，汉，河南南阳，讲师，工程硕士，主要研究方向为电子信息工程和电气自动化，2711746@163.com。

M aximum Power Point Tracking of PV Array under Partially Shaded Condition*

HAN Yanzan*，MA Ying*

(Henan Polytechnic Institute，Nanyang He’nan 473000，China)

There aremany local peak value of PV array under the condition of partial occlusion，in order to track the globalmaximum power point of the PV array，so a new method of maximum power point tracking is proposed.Firstly，partial occlusion of the output characteristics for PV array is analysied and the correspondingmathematical model is built，and secondly the perturbation method is used to search the maximum power point of the PV array which can prevent falling into the local maximum power point，finally，the performance is simulated in MATLAB 2014.The results show that the proposed method can quickly and accurately find themaximum power point，which can effectively improve the output efficiency of PV.

maximum power point tracking;partial shade;localmaximum point;photovoltaic array

C:4250

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.017

TM 615

:A

:1005－9490(2017)01－0087－04

项目来源:

河南省科技攻关项目(132102210208);南阳市科技局科技攻关项目(KJGG48)

2016-01-22修改日期:2016-03-10