基于全局扫描的局部遮挡下MPPT算法研究

聂新明, 赵新生*，薛家祥，田亚平

(1.江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏 徐州 221116;

2.华南理工大学 机械与汽车学院，广州 510640;3.江苏师范大学 后勤集团,江苏 徐州 221116)



基于全局扫描的局部遮挡下MPPT算法研究

聂新明1, 赵新生1*，薛家祥2，田亚平3

(1.江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏 徐州 221116;

2.华南理工大学 机械与汽车学院，广州 510640;3.江苏师范大学 后勤集团,江苏 徐州 221116)

摘要：局部遮挡下，由于光伏阵列输出功率—电压(P-U)曲线具有多峰值，致使MPPT技术因收敛于局部最大值点而无法发挥作用。鉴于此，采用扰动观察法的全局搜索方法克服上述问题，实现在多峰值情形下最大功率点有效跟踪。同时，测试实验表明该方法具有相对较好的快速性与有效性。

关键词：局部遮挡；多峰值；扰动观察法；全局扫描法；最大功率跟踪

0引言

在工作温度与光强保持不变的情形下，对于光伏阵列来说，其P-U曲线仅仅存在单一的峰值，过去的MPPT方法，可以非常有效地发挥作用，可以实现对最大功率点的跟踪，例如增量电导法。但是，具体的光伏发电实践之中，往往存在阵列局部被遮挡的不良现象，导致I-U曲线变成阶梯状；另一方面，P-U曲线存在若干峰值，停留在局部最大功率点(local maximum power point ,LMPP)[1]，而无法有效获得全局最优，从而减小了输出功率。因此，细致深入地探讨相关技术，在很大程度上关系光伏发电效率，实践作用非常显著。

针对此，理论界已经展开许多探讨，在局部遮挡情况下光伏阵列模型方面取得一系列的有益成果。具体来说，能够通过Matlab软件来进行建模[2-5]，或者通过难度较高的高维矩阵运算[6]与概率法[7]来获得其模型。到目前为止，适应峰情形下的MPPT算法主要涉及两步式、改进传统算法等。由于硬件方面的费用，所以在软件方面改进传统算法在具体实践之中的普及率最高，深受欢迎。鉴于此，我们提出了基于扰动观察法的全局搜索方法，有效克服了上述问题，成功实现多峰值情形下有效跟踪最大功率点，仿真测试的结果也表明该法具有相对较高的准确性和有效性。

1光伏阵列输出特性模型分析

1.1均匀日照条件下

通常来说，假定光伏阵列之中各个太阳能电池板接受的日照均匀，此时，其相关曲线如图1所示。曲线生成条件如下：太阳能模拟电源(TopCon，Regatron公司)，温度是25 ℃，光强是1000 W/m2。

图1　均匀日照条件下的光伏阵列的

从图1中可以明显看出，在日照强度保持不变的条件下，其输出的最大功率处于某一小电压区间，P-U曲线只具有一个峰值，峰值点为全局唯一的极值点。这是光伏阵列最具代表性的一种运行情况。

1.2局部遮挡条件下

在实际应用中还存在其他一些情形，例如局部遮光、材料老化等问题，导致光伏阵列中的部分与总体发生不匹配现象。图2分别给出了一块和两块光伏电被遮挡情况下光伏阵列的I-U 和P-U 曲线。

(a) 一块光伏电池被遮挡

(b) 两块光伏电池被遮挡

从图2中可以清晰看到，当某一电池片被遮时，它收到的光强有所下降，开路电压与短路电流因此有所下降。于是总体的U-I曲线产生了2个膝点，见图2(a)，P-U曲线上产生2个峰值点。

当两个及以上的电池被遮挡，同时遮挡程度差异非常明显的时候，U-I曲线上的膝点增多，见图2(b)。U-I曲线或许产生三个膝点，同时，其P-U曲线将产生三个峰值点。

由此可见，当总体存在若干电池被遮且情况不一致的时候，总体U-I曲线肯定将产生若干膝点，相应地，其P-U曲线肯定将产生若干峰值点。

2多峰效应时的最大功率点控制算法

2.1传统MPPT技术存在的不足之处

在上文中曾经提及，传统技术主要涉及电导增量法等，对于光伏阵列来说，其P-U曲线仅仅存在单一的峰值，常规的MPPT方法，可以非常有效地发挥作用，可以实现对最大功率点的跟踪。如果局部遮挡的情况下将出现若干个峰，传统的算法的准确率将降低，误判可能性增加。为此，我们在研究过程中设计了新的算法，弥补了上述的不足和缺陷，非常可靠、及时地实现局部遮挡下对最大功率点的有效跟踪。

2.2扰动观察法

扰动观察法是采取不停观察电池输出功率的大小以决定增大还是减小太阳能板的输出电压。其方法是给输出电压一个扰动值α(k)，其方向可正(α(k)=+△V)可负(α(k)=-△V))，然后根据测出的电压电流值计算出电池的输出功率P(k)，将其与上一个测量值P(k-1)进行比较，若输出功率增大，说明扰动所加的方向有利于输出功率的提高，则继续向这个方向施加扰动(α(k)=α(k-1))，若施加的扰动使得太阳能电池的输出功率减小，说明扰动的方向错误，则在下一次的扰动中使其方向相反(α(k)=-α(k-1))，如此不停地扰动调整，使太阳能电池始终工作在最大功率点附近[8]。

扰动观察法的主要原理：第一步，对光伏阵列的输出电压进行扰动；第二步，接着按照上一步中获得的电压电流值求解其输出功率P(k)；第三步，对P(k)与P(k-1)两者进行对比分析。若P(k) > P(k-1)，则表示扰动方向是增加P(k)的方向，若是P(k) < P(k-1)，则表示扰动方向是降低P(k)的方向。具体的流程图如图3所示。

图3　扰动观察法算法流程

2.3扰动观察法的实验结果

我们先开展扰动观察法的实验，自开路电压起进行搜索。图4是TopCon上位机显示的监视画面。

图4　扰动观察法在多峰情况下的缺陷

传统的技术仅仅能够得到1个峰值，最终得到的工作点仅仅可以处于距开路电压间距最小的1个极值位置(600W)，并不是全局极值位置(1400W)。因此，这种方法仅仅可以对首个极值点进行跟踪，而实际中，多峰现象非常繁琐，最大功率点并非仅仅处于首个极值点位置，通过这种方法非常容易漏掉很多功率点。

2.4基于扰动观察法的全局搜索算法

2.4.1全局搜索算法的原理

考虑到实际应用中光伏阵列被局部遮挡，设计了基于扰动观察法的全局搜索算法，用来处理存在若干个峰值的问题，主要涉及3个不同的阶段，具体步骤参见图5。

图5　基于扰动观察法的全局扫描算法流程

阶段一：对首个峰值所处位置进行搜索

具体来说，通过扰动观察法来进行搜索，从而能够得到距开路电压最小的极值点P1，如图6所示，自开路电压起启动该方法，通过这种方式获得首个点P1，该位置的电压与功率分别记做临时输出电压(UTEMP)与最大功率点(PTEMP)。

阶段二：应用定步长全局扫描法

设定步长是△U，向电压减少方向是扫描，即Un= Un-1-△U。处理器在各次扫描至目标位置时，均必须对此时的Pn与Un进行记录，把Pn与PTEMP两者进行对比分析。若满足Pn≥PTEMP，那么就有PTEMP=Pn，UTEMP=Un；若不满足Pn≥PTEMP，则把Pn与Un两者丢弃。这样往复进行，一直扫描到短路电流位置为止，即U=0的位置，从而获得PTEMP。

阶段三：在UTEMP位置应用扰动观察法

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，并将其当作Pmax。

图6P-U曲线下的基于扰动观察法的全局扫描过程

2.4.2算法重启条件

在外部环境有所改变的时候，所输出P-U曲线同样将有所变化，若仍然把前一时刻的峰值点当做作为Pmax，则会导致扫描结果不准确。所以，必须对全局扫描法进行重启，从而能够再次获得新的Pmax点。该方法重启的2种情况如下：

(1)定时重启

因光强将伴随时间而不断改变， P-U曲线随之发生改变。通过定时重启，使得系统定期启动全局扫描。需要提及的是，本文设置的时间间隔是4分钟。

(2)功率突变重启

有时候云遮挡等状况均能够在很大程度上影响到局部遮挡，使得输出功率的改变大小是△P，△P满足下面的公式：

(1)

上面的公式中，Preal是指系统实时输出功率；PMAX是指先前记录的位置。

功率突变重启的标准是△P>0.1。

3实验结果与分析

鉴于多峰效应，运用新算法来开展相应的跟踪实验。基于上述的理论分析结果和数据，对所开发单相1.5kW非隔离型光伏并网逆变器进行测试，通过对系统各部分进行实验与整机测试，对测试过程中系统的效率、安全性、稳定性进行分析，验证该结构及方法的可行性和高效性。通过Topcon进行模拟，该模拟器电源按照输入的任意曲线数据点，对设定的输出曲线进行模拟，利用其上位机的用户界面，就能够非常清晰地看到逆变器在曲线上的工作点，对该方法进行检验。具体实验器材和用途见表1。

表1　具体实验器材和用途

我们设置了4条多峰值PV曲线，通过相同型号、相同版本的非隔离型并网逆变器来实施踪控制。扰动步长是15，每隔四分钟扫描一次，具体结果见图7。

图7(a)是1个电池板被遮，这时曲线上产生2个极点，同时最大值产自首极值点。图7(b)、(c)、(d)三者都是2个电池板被遮的时候，这时候曲线存在3个极点，三者的最大值分别产生于第一、二、三个极值点。

通过观察，我们能够非常清晰地看到各种条件下，逆变器都可以在最大功率点周围运行，还能够获得非常好的跟踪效果。

(a) 最大功率点在第一个峰值　　　　　　　　　　(b) 最大功率点在第一个峰值

(c) 最大功率点在第二个峰值　　　　　　　　　　(d) 最大功率点在第三个峰值

在实践中使用全局扫描法，完成1次扫描必须花费较多时间，多次进行扫描肯定将造成更多的时间浪费。扫描时并网电流改变状况见图8。跟踪的过程实为输出匹配不同负载的过程，所以，输出电流的改变可用来指示逆变器在PV曲线上的改变。图8中， b点以前是启动全局扫描法前的逆变器输出电流的状态，从b处开始，通过相应的电源使光强自500w/m2增加至1000w/m2，当检测出输出功率的变化时，开启了MPPT控制，直至a点时才实现整个一次全局扫描。

通过局部放大图能够得知，进行跟踪的时候，并网电流将处于随时改变的状态，这表明工作点同样在进行调整，该过程仅用时间3.75秒。相对于设定的扫描算法周期4分钟，扫描一次所用的时间相对较短。功率改变的全程中，直流母线电压的纹波也十分小，这充分说明该方法在跟踪过程中十分稳定，而且较为迅速。

通过以上的实验，可以看出，采用我们设计的算法，可以在局部遮挡的条件下能够及时、准确地跟踪到最大功率点，确保逆变器在多峰效应时输出最高功率。

图8　扫描过程中并网电流波形

4结论

综上所述，我们主要研究了局部遮挡与均匀日照两个不同条件下的输出特性。鉴于局部遮挡下存在的多峰现象，设计了新算法，展开了具体的实验研究。局部遮挡情况下输出P-U曲线出现若干个峰值，峰值数目与被遮电池数目、被遮严重性存在着一定的联系。

基于扰动观察法的全局搜索算法成功实现对全局最大功率点的准确、及时跟踪，并大幅提升了系统的效率。

参考文献:

[1] 张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社，2010.

[2] 曹冲,卢永杰.基于改进扰动法的光伏电池最大功率点跟踪研究[J].陕西电力,2011,12(6):62-67.

[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] 张宁,许承权,薛小铃,等.基于最小二乘支持向量机的短期负荷预测模型[J].现代电子技术,2010,18(3):31-38.

[5] VOLKER Quaschning,ROLF Hanitsch.Numerical simulationof current -voltage characteristics of photovoltaic Systems with shaded solar cells[J].Solar Energy,1996,56(6):513-520.

[6] Alonso M C,Ruiz J M,Herrmann W.Computersimulation of shading effects in photovoltaic arrays[J].Renewable Energy,2005,31(12):1986 -1993.

[7] 赵菲,焦彦军.基于粒子群算法的输电线路参数辨识[J].陕西电力,2011,9(7):30-34.

[8] 钟良文.高效单相非隔离型光伏并网逆变器的研制[D].广州：华南理工大学,2012.

(责任编辑：尹晓琦)

Research of MPPT Algorithm Based On Global Scan in Local Occlusion

NIE Xin-ming1, ZHAO Xin-sheng1*, XUE Jia-xiang2, TIAN Ya-ping3

(1.School of Physics and Electronic Engineering, Jiangsu Normal University,Xuzhou Jiangsu 221116,China;2.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640,China;3.Logistics Group,Jiangsu Normal University,Xuzhou Jiangsu 221116,China)

Abstract:When the output power-voltage (P-U) curve of PV array shows multi-peak phenomenon, the traditional maximum power point tracking(MPPT) may fail to converge due to the local maximum point. On the basis of analysis of P-U curve model under multi partial shading, a global scan method based on perturbation and observation was designed, which could achieve the MPPT under multi-peak phenomenon. Theoretical analysis and experimental results from related engineering test on 3 kW photovoltaic grid inverter experimental platform demonstrated that the control algorithm was a very effective and fast.

Key words:partial shading;multi-peak;perturbation;observation method;global scan processing;maximum power point tracking

中图分类号：TM615

文献标识码：A

文章编号：1009-7961(2016)01-0019-06

作者简介：聂新明(1988-)，男，江苏徐州人，讲师，主要从事光伏并网发电系统、 故障检测与诊断研究；*为通讯作者。

基金项目：国家自然科学基金项目(21376113)

收稿日期：2015-12-08