局部阴影条件下光伏阵列最大功率点跟踪研究

吴昊天，葛 强，谈 磊，黄澄扬，万海江，李丹萍，徐志坚

（扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州225127）

局部阴影条件下光伏阵列最大功率点跟踪研究

吴昊天，葛 强＊，谈 磊，黄澄扬，万海江，李丹萍，徐志坚

（扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州225127）

以1／4阴影覆盖下的光伏阵列为对象，用Matlab／Simulink仿真软件，通过构建阴影条件下光伏阵列数学模型，分别采用瞬时扫描法和扰动观察法进行最大功率点跟踪研究.结果表明：在1／4阴影覆盖情况下，扰动观察法只能跟踪到太阳能电池低压侧20V附近极大功率点，瞬时扫描法能跟踪到高压侧60V左右最大功率点.采用新型的瞬时扫描法能对局部阴影覆盖的光伏阵列实现更准确的最大功率点跟踪.

光伏阵列；局部阴影；最大功率点跟踪；瞬时扫描法；Matlab／Simulink仿真

在光伏发电过程中，阴影的存在使得光伏阵列的输出特性曲线呈阶梯状，相应的功率电压曲线出现多个局部峰值，导致光伏发电系统中常规的最大功率点跟踪方法出现错误跟踪，常规的电池仿真模型不再适用.当太阳能电池局部有x种不同辐射的光照时［1－2］，太阳能电池的功率输出特性曲线出现了x个极大值，但每条曲线都只有一个最大值，采用传统的最大功率点跟踪方法不一定能准确地对光伏阵列进行最大功率点跟踪［3－4］.实际生活中，太阳能光伏阵列常会遭遇到局部辐射不均甚至完全阴影的情形，继而导致功率失配现象.本文拟利用Matlab／Simulink软件建立2种不同算法的最大功率点跟踪（max power point tracking，MPPT）模型，分析瞬时扫描法相比于传统的扰动观察法在跟踪有阴影覆盖的太阳能电池的最大功率点的优缺点［5］.

1 局部阴影条件下的光伏阵列仿真

1.1 光伏阵列数学模型

当光伏阵列工作在局部阴影条件下时，传统的数学模型不再适用.为了简便起见，由2个子串串联的单串阵列在2种光照条件下的电流方程［6－7］可以表示为

其中Ns1，Ns2为光伏阵列中具有相同光照和温度的电池板（又称子串）.任意遮挡情况下阵列的数学模型可表述如下：

1.2 光伏阵列Matlab／Simulink仿真模型结构

基于上述数学模型和构造的仿真模块结构［8－11］，对2块子串串联组成的单串阵列进行Maltab／Simulink仿真，仿真模块结构如图1所示.

图1 不同光照条件下的光伏阵列仿真模型Fig.1 Under the conditions of different light photovoltaic array simulation structure

图2 光伏阵列的I－V、P－V特性曲线Fig.2 PV array I－V、P－Vcharacteristic curve

1.3 仿真结果分析

仿真采用的电池参数Voc＝68V，Isc＝3A，Vm＝19.8V，Im＝2.05A.参考温度设定25℃，参考太阳光辐射强度为1kW·m－2，遮挡部分光照强度为220W·m－2，太阳能电池表面1／4被阴影覆盖.用图1所建模型仿真，仿真结果如图2所示.

由图2可以看出，当太阳能电池受到2种不同光照模式时，相应的I－V曲线将出现2个膝形平台，P－V曲线将出现2个峰值.由此可以得出，在太阳能电池中，当单串阵列组成的太阳能电池受到x种不同强度光照照射时，阵列的I－V曲线将出现x个膝形平台，P－V曲线将出现x个极值点［12］.此时运用扰动观察法进行最大功率点跟踪将使太阳能电池工作在一个较小的峰值附近，从而无法达到最大功率跟踪.同时不同阴影分布对阵列输出功率影响差异很大.

2 阴影覆盖的太阳能电池MPPT算法仿真分析

2.1 扰动观察法实现最大功率点的跟踪

扰动观察法［4，13］的原理实现步骤如下：首先对太阳能电池的输出电压和输出电流进行采样并且计算出该时刻的太阳能电池的输出功率，将采样得到的功率与前一时刻的太阳能电池的输出功率进行比较，再对比此时刻太阳能电池的输出电压与上一时刻太阳能电池的输出电压，来确定扰动的方向，控制功率管的占空比.太阳能电池模型采用图1所示的结构图.图3为使用扰动观察法实现最大功率点跟踪的仿真图.

图3 扰动观察法最大功率点跟踪仿真图Fig.3 Observation using the perturbation maximum power point tracking simulation diagram

图4 扰动观察法太阳能电池电压、功率仿真曲线Fig.4 Voltage and power simulation curve of solar cells

仿真参数同1.3项下仿真时的参数，扰动观察法太阳能电池电压和功率仿真结果如图4所示.

由图4可知，太阳能电池采用扰动观察法跟踪的最大功率点出现在低压侧20V左右，但是实际上此时太阳能最大功率点出现在高压侧，而且由于功率始终是在最大功率点附近来回振动，故无法做到精确跟踪，损失了部分太阳能电池输出功率.

2.2 瞬时扫描法实现最大功率跟踪

瞬时扫描法是指在一个扫描周期中，通过控制功率开关管的导通与关断，控制太阳能电池的输出电压和输出电流，太阳能电池在一个周期中出现开路和短路，在开路和短路的过程中寻找最大输出功率点，并使太阳能电池工作在该最大功率点.瞬时扫描法的每个周期可以分为追踪期和最大功率检出期.在最大功率检出期，太阳能电池输出电压从开路电压降至零，输出电流则从零升至短路电流，在这个过程中不断比较两点功率的大小，得到最大功率点.追踪期使太阳能电池工作在最大功率检出期检测出的最大功率点处.

瞬时扫描法太阳能电池的内部结构和电路结构与扰动观察法相同，其MPPT结构图如图5所示.

图6给出了一个周期的瞬时扫描法MPPT仿真结果.由图6可知，太阳能电池的最大功率点出现在高压侧65V左右，此时太阳能电池的最大功率点确实是在高压侧.

2.3 实验结果分析

由仿真结果图4及图6表明，MPPT算法采用扰动观察法跟踪时最大功率点出现在低压侧20V左右，此时最大功率点不是最大值而是局部极大值；但采用瞬时扫描法就能准确地跟踪到太阳能电池的最大功率点；因此，瞬时扫描法优于扰动观察法.

3 结论

1）局部阴影覆盖条件下的光伏阵列，输出特性与阴影覆盖面积密切相关，在覆盖面积不同时有不同的输出特性.

2）局部阴影条件下光伏阵列的数学模型可以用分段函数描述.当有x种不同强度的光照照射在太阳能电池上时，太阳能电池输出功率将出现x个极大值.

3）用扰动观察法进行最大功率点跟踪可能会出现误跟踪的现象，不能跟踪到真正的最大功率点.

4）用瞬时扫描法进行最大功率点跟踪比扰动观察法更准确，不会出现误跟踪的现象.

图5 瞬时扫描法MPPT结构图Fig.5 Instantaneous scanning the internal structure of the MPPT

图6 瞬时扫描法太阳能电池电压、功率仿真曲线Fig.6 Voltage and power simulation curve of solar cells

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Abstract：In the base of 1／4shadow，this paper builds a shading conditions PV array model by Matlab software and studies maximum power tracking comparison using the instantaneous scanning，perturbation and observation method.The results show that，in the case of 1／4 photovoltaic array is covered，perturbation and observation method can only track to the solar cell low pressure side near 20Vwhich is the local maximum power point，while the instantaneous scanning method can trace to the high pressure side of about 60Vwhich is the maximum power point.Using a new type of instantaneous scanning method for partial shade covering the photovoltaic array，maximum power point can be tracked more accurately.

Keywords：photovoltaic array；partial shading；max power point tracking；instantaneous scanning method；Matlab／Simulink simulation

（责任编辑 贾慧鸣）

Photovoltaic array maximum power point tracking in the partial shading condition

WU Hao－tian，GE Qiang＊，TAN Lei，HUANG Cheng－yang，WAN Hai－jiang，LI Dan－ping，XU Zhi－jian
（Sch of Energy ＆Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

TK 513.4

A

1007－824X（2012）02－0052－04

2012－02－27

江苏省科技支撑计划项目资助（BE2010699）；扬州大学参照211工程建设专项基金

＊联系人，E－mail：yzgeq＠yzu.edu.cn