局部阴影下光伏阵列全局最大功率跟踪技术研究

国芳 夏帅 周静超 薛林

摘 要：光伏发电系统中，光伏阵列在受到阴影遮挡时，其输出功率和电压特性不再是单一电池板的单峰值特性，采用以往的MPPT算法会使系统陷入局部的最大功率点。为了实现多峰值最大功率点的跟踪，文章首先建立了光伏阵列的数学模型，仿真分析了其多峰值特性。研究了一种基于POC的全局最大功率点跟踪算法，该算法从开路电压、短路电流向中间搜索，在光伏阵列输出特性的全范圍内进行最大功率点的搜索，可优先避免陷入局部最大功率点的问题。

关键词：局部阴影；多峰值；全局最大功率跟踪

近年来，光伏发电凭借洁净、无污染的优势成为新能源发电的研究热点，无论是在集中式的光伏发电站，还是分布式新能源发电系统中，均有着广泛应用。光伏太阳能电池板通过串并联方式组合成光伏阵列，输入光伏并网逆变器中，由光伏并网逆变器实现电能的变换。在实际应用中，大规模的光伏阵列中的某些电池板会受到建筑物遮挡、云层飘过产生的阴影等的影响，使得光伏阵列的输出功率和输出电压之间表现出多个极值的现象[1]，传统的MPPT算法无法正确追踪系统的最大功率点，影响整个系统的发电效率。

考虑到光伏阵列所处环境的时变及不可预知特性，应从以下几个方面对光伏阵列的MPPT算法进行考察和评价：（1）能够实现多峰值P-U特性光伏阵列的全局MPPT。（2）跟踪速度快、跟踪精度高。（3）直流电压的纹波小、能量损失小。（4）易于实现。

本文通过对光伏阵列数学模型的建立，分析了光伏阵列在局部阴影情况下的多峰值P-U特性。研究了一种基于最小电压差的改进全局MPPT算法，该算法通过“缩小扫描范围+扰动观察法”，实现对光伏阵列的MPPT。该算法原理简单，跟踪速度快，易于实现。最后，通过Matlab仿真验证研究最大功率跟踪算法的正确性和有效性。

1 局部阴影下光伏阵列建模与特性分析

为了更好地对光伏阵列全局最大功率点跟踪技术进行研究，建立光伏阵列的数学模型是十分必要的。为了保证光伏并网逆变器工作需要的直流电源电压，需要先将n块太阳能电池板串联，然后将串联后的m串太阳能电池板并联，组成光伏阵列，提供给光伏并网逆变器。当光伏阵列中的某一块太阳能电池板受到建筑物或云层遮挡后，由于没有太阳光的照射，处在阴影处的太阳能电池板不仅没有功率输出，反而会消耗系统的能量，造成处在阴影下的太阳能电池板温度过高，即产生所谓的热斑现象。因此，在实际的光伏阵列中，每个太阳能电池板均会并联旁路二极管，同时在每一串中串联阻塞二极管，图1给出了实际光伏阵列的组成。

图1所示的光伏阵列中，局部阴影不仅影响到处于阴影下的太阳能电池板，而且阴影下的整串太阳能电池板均有影响，但对处于均匀光照下的其他各串光伏阵列没有影响。将光伏阵列第j串的输出电压记为Uj∑，输出电流记为Ij∑，输出电压为电流之间的函数关系式表示为Ij∑=f（Uij），对n×m的光伏阵列（m串，每串n块）具体分析如下[2]。

（1）当光伏阵列的第j串全部处在均匀光照情况下时，第j列光伏阵列正常输出。

（2）当光伏阵列中的某一串处于阴影时，由于处于阴影下的太阳能电池板在图1所示的旁路二极管作用下，本块太阳能电池板输出电压为零。

（3）处在阴影下的某串光伏阵列，由于其他串输出电压高于本串电压，图1中的阻塞二极管处于截止状态，处在阴影下的整串光伏阵列输出电流为零。

整个光伏阵列的输出电压和输出电流之间的关系式可表示为式（1）所示。

（1）

根据式（1）所示的局部阴影下光伏阵列的数学模型进行仿真分析。搭建了4×4光伏阵列的Matlab仿真模型，两串处于1 000 W/m2的光照强度，另外两串的光照强度分别为700 W/m2、400 W/m2，仿真结果如图2所示。

从仿真波形中可以看出：

（1）输出电流—输出电压（I-V）特性：光伏阵列受局部阴影的影响，I-U表现除了“多阶梯”特性。

（2）输出功率—输出电压特性：在局部阴影情况下，光伏阵列的“局部最大功率点”不唯一，但系统只有唯一的“最大功率点”。

2 基于POC法的全局最大功率跟踪技术

针对图2所示的多峰值光伏阵列输出特性，传统的基于单一最大功率点的MPPT算法无法追踪到整个系统的“最大功率点”。因此，需要研究一种可以搜索全局最大功率点的MPPT（GMPPT）方法。基于两步法的GMPPT方法建立在概率统计的基础上，实际应用中存在局限性，存在最大功率点跟踪失败的问题。而整个输出电压范围内全部进行扫描的全局扫描GMPPT算法，由于扫描整个输出电压的范围所需时间过长，追踪的快速性指标较差。本文介绍一种基于POC法的全局MPPT算法[3]，该算法的主要思想为：

（1）首先进行光伏阵列开路电压端的最大功率跟踪。具体方法为：如图2（b）所示，从开路电压利用传统的“扰动观察法”向左侧搜索，记录下搜索出的第一个MPP点（图中的MPP3）对应的输出功率，功率值为PMPP3，第一步搜索完毕。

（2）改变搜索的方向，从光伏阵列的短路电流处开始搜索，即沿着图2（b）向右搜索。在搜索出“局部最大功率点MPP1”后，与之前保存的最大功率点MPP2进行比较，更新最大功率点的记录值MPP1。然后继续向右进行最大功率点的搜索，直到搜索出所有的最大功率点，进而确定整个系统的“全局最大功率点”MPP2。

从上述基于POC的全局最大功率点跟踪技术的工作原理中不难发现，该方法可避免扫描法中对于整个光伏阵列电压范围内的全部搜索，通过“开路电压向左搜索”“短路电流向右搜索”，有效减小电压搜索范围，提高全局最大功率跟踪的效率，基于POC的GMPPT算法流程如图3所示[4]。

3 结语

光伏阵列在局部阴影条件下表现出多峰值特性，采用常规的最大功率点跟踪方法会造成系统陷入局部最大功率点。本文所研究的基于POC的全局最大功率点跟踪算法，可有效解决两步法的误判问题，减少电压扫描范围，实现多峰值光伏阵列全局最大功率点的快速、准确跟踪。

[参考文献]

[1]吴昊天，葛强，谈磊，等.局部阴影条件下光伏阵列最大功率点跟踪研究[J].扬州大学学报（自然科学版），2012（2）：52-55.

[2]夏帅，国芳，李德才，等.局部阴影下光伏阵列建模分析与输出特性仿真研究[J].机电信息，2016（27）：114-117.

[3]戴华夏.光伏并网系统MPPT方法及能量损失研究[D].徐州：中国矿业大学，2015.

[4]张渊明，孙彦广，张云贵.基于电压扫描和电导增量法的局部遮荫条件下多峰MPPT方法[J].电力建设，2012（6）：55-59.