阴影遮挡对光伏阵列影响的解决方法

陈亚爱，刘明远，张荣钢，周京华，邱欢

(1.北方工业大学北京市变频技术工程研究中心，北京100144；2.中国寰球工程公司,北京100012)

阴影遮挡对光伏阵列影响的解决方法

陈亚爱1,2，刘明远1,2，张荣钢2，周京华1,2，邱欢1,2

(1.北方工业大学北京市变频技术工程研究中心，北京100144；2.中国寰球工程公司,北京100012)

光伏阵列易受阴影遮挡的影响，使输出功率减小，为提高光伏发电系统的输出功率，需解决阴影遮挡对光伏阵列影响的问题。对现有解决方法进行分类，在分析各种方法的工作原理基础上，总结它们的特点和应用场合，为提高光伏阵列输出功率的研究和应用提供参考。

光伏发电；阴影；解决方法

阴影遮挡的存在使光伏阵列输出特性曲线呈现多峰值点，而传统的最大功率点跟踪(MPPT)方法只能跟踪局部最大功率点(输入文字或网址，即可翻译局部LMPP)，无法实现全局最大功率点跟踪(GMPPT)[1－2]。因此针对阴影遮挡对光伏阵列的影响，需要研究解决方法，解决方法可分为采用硬件即从优化结构设计入手和采用软件即从MPPT方法入手两大类，图1所示为已有的各种解决方法分类示意图。

1 MPPT方法

1.1 基于智能控制的MPPT方法

由图1可见，基于智能控制的MPPT方法又分为基于模拟退火、基于粒子群优化、基于模糊免疫、基于改进人工鱼群、基于差分进化、基于蚁群算法及基于向量回归的MPPT等方法。

1.1.1 基于模拟退火的MPPT方法

文献[3]提出基于改进模拟退火的MPPT方法，通过构造合适扰动值，对全局空间进行搜索，而且对光伏系统进行扰动后，在输出功率小于扰动前功率时，利用Metropolis接受准则控制功率稳定在最大值。其优点：能搜索全局空间最优解；解决MPPT出现多极值功率前期震荡问题；搜索时间对极值个数的敏感性小。

图1 解决方法分类示意图

1.1.2 基于粒子群优化的MPPT方法

为避免控制方法陷入局部极值点，文献[4]利用峰值功率对应电压规则[5]提出了基于粒子群优化的MPPT方法，其目标函数利用光伏阵列输出电压的信息来设置粒子群算法参数，结合迭代终止策略，能避免出现功率振荡等问题。

1.1.3 基于模糊免疫的MPPT方法

光伏阵列被局部阴影遮挡时，输出特性曲线呈现多个局部峰值，为此文献[6]提出基于模糊免疫的MPPT方法，无需控制对象的精确数学模型，利用免疫理论具有的鲁棒性、适应性等特点提高系统的动态性能。其优点：与天气状况相匹配；输出功率波动小、灵敏度高、超调小、响应速度快。

1.1.4 基于改进人工鱼群的MPPT方法

为解决光伏系统在局部阴影遮挡下出现时变不确定性、非线性及多峰值等问题，文献[7]提出基于改进人工鱼群的MPPT方法，其基本思路：利用人工鱼群算法对GMPP快速搜索，再由扰动观察法(P&O)实现MPPT。该方法既将MPP的跟踪和搜索分开运行，也考虑两者之间的关联性，提高光伏系统的稳定性和输出效率。

1.1.5 基于差分进化的MPPT方法

文献[8]提出基于差分进化算法实现GMPPT，它是一种随机并行的直接搜索法，对不可微连续空间函数进行最小化，以其稳定性、全局优化等特点应用到MPPT中，减弱局部阴影遮挡对光伏阵列输出功率的影响，准确追踪GMPP。其优点为原理简单、被控参数少、鲁棒性好。

1.1.6 基于蚁群算法的MPPT方法

针对阴影遮挡条件下光伏阵列输出特性曲线呈现多峰或非线性等问题，文献[9]提出基于蚁群算法的MPPT方法，在分析光伏阵列输出特性曲线基础上构建蚁群极值寻优过程，并搜索特定区间极值点，以比较极值点大小得到MPP。其优点：收敛速度和控制精度不受光伏阵列输出不同形状的曲线限制；有效跟踪GMPPT，避免出现局部收敛等问题。

1.1.7 基于向量回归的MPPT方法

文献[10]提出基于向量回归的MPPT方法，通过采集外界环境参数预测MPP对应工作电压，并将其设为目标值与采样的输出电压进行作差，其后续控制与恒压控制法相似。其优点：跟踪误差小、输出效率高、准确跟踪MPP；适用于真实外界条件，有良好应用前景。

1.2 基于优化数学模型的MPPT方法

基于优化数学模型的MPPT是以建立数学模型为基础，通过构造光伏阵列输出特性曲线求解输出最大功率的方法。

1.2.1 基于等功率曲线的全局扫描法

文献[11]提出基于等功率曲线的全局扫描法，先采用传统MPPT获得第一个MPP，并记录其电压、电流及功率；再依次从另一侧搜索每个局部功率曲线峰值点，通过各局部峰值点数值确定GMPP，其优点是引入的功率曲线能使系统快速掠过MPP较远区域，提高系统运行效率，但频繁进行MPPT会造成功率浪费。

1.2.2 基于等效面积的多峰MPPT方法

基于等效面积的多峰MPPT方法可分为组件串联和阵列多峰MPPT方法[11]。

(1)组件串联多峰MPPT方法

文献[11]以三个光伏组件串联进行仿真获得输出特性曲线的三个膝点，每个膝点包围曲线面积为MPP，通过比较三点对应面积得出GMPP。该方法简单快速，但只适用组件串联多峰值跟踪。

(2)阵列多峰MPPT方法

文献[11]提出了阵列多峰MPPT方法是先确定峰值点大概位置，再用传统MPPT确定LMPP，最后比较各局部峰值大小得出GMPP，其优点：设计思路简单清晰；跟踪速度快；功率损耗小。但需检测不易获得的各光伏阵列的光照参数。

1.2.3 聚拢峰值扫描判别法

在导纳增量法(IncCond)基础上，应用聚拢峰值扫描判别实现GMPPT[12]，该方法需快速扫描开路电压和短路电流之间的峰值，逐次比较对应功率大小以判定GMPP，避免在极端情况下无法实现MPPT，其优点是能迅速跟踪MPP，提高光伏阵列的输出效率。

1.2.4 瞬时扫描法

瞬时扫描法的每个周期包含最大功率检出期和追踪期，在检出期，光伏阵列输出电压从0升至开路电压，输出电流从短路电流降至0，该过程中不断比较功率大小得出最大功率；在追踪期，使光伏阵列工作于最大功率检出期的MPP处。以光伏阵列1/4阴影面积为对象，采用瞬时扫描法进行MPPT[13]，通过与P&O各项性能指标对比得出瞬时扫描法跟踪MPP更为精准、无误差等结论。但该方法未介绍在不规则阴影情况下能否进行MPPT。

1.3 基于非线性的MPPT方法

在不规则阴影遮挡下，光伏阵列输出特性曲线呈多峰值，将滑膜变结构与P&O相结合，解决阴影遮挡条件下多峰寻优问题[14]。该方法既有滑膜变结构响应速度快、鲁棒性好[15]，还有P&O易于实现、原理简单等优点[16]，但滑膜变结构控制在滑模面附近易出现高频抖动，因此需采用PI调节器控制抖动，以提高光伏阵列的输出效率。

1.4 基于扰动的自寻优MPPT方法

基于扰动的自寻优MPPT方法包括两步法、基于大步长扰动的扰动观察法等，它们无需考虑光伏阵列受外界环境变化等因素，而是通过检测光伏阵列输出电压或电流实现MPPT。

1.4.1 两步法

两步法的控制思路[17]：将工作点移到负载曲线与光伏阵列U-I特性曲线的交点处，再采用传统MPPT实现GMPPT。其优点：控制简单，易于实现。但MPP位于负载曲线左侧时，工作点电压运行于0.9倍的开环电压时无法实现MPPT。

1.4.2 基于大步长扰动的扰动观察法

采用基于大步长扰动的P&O实现GMPPT(简称GP)[18]，图2所示为其流程图，其原理为先在当前MPP加一个方向为负的大步长扰动，若检测斜率为负，则向左继续加大步长；若检测斜率为正，则采用P&O进行区间跟踪，同时将跟踪MPP的电压和功率保存下来。若当前最大功率大于之前保存的最大功率，则将之前保存的最大功率和电压进行更新，之后向左继续加大步长扰动，否则之前的最大功率和电压不会更新；若电压大于设定值，则搜索完毕。该方法的步长选取非常关键，若步长较小，其原理和P&O一样，无法实现GMPPT；若步长较大，跟踪时可能跳过MPP，使跟踪过程出现“盲区”。

图2 基于大步长扰动的P&O流程图

1.4.3 带检测环节的MPPT方法

文献[19]提出带检测环节的MPPT方法，其基本步骤：(1)采用P&O寻找MPP；(2)利用检测环节扫描光伏阵列输出特性曲线，寻找曲线的多个峰值点，利用P&O得到MPP是否为GMMP，若不是最大值，则从当前电压重新跟踪寻找全局最大值。

在检测环节中，通过光伏阵列后缀电路(如DC/DC)改变其工作点，为避免错过MPP，检测环节从光伏阵列最小输出电压开始，直到开路电压结束。检测环节每次采集电压和电流后，都将计算结果与先前功率值进行比较，若大于先前功率值，检测环节停止检测，继续采用P&O寻找MPP；反之继续计算新的功率值与先前功率值进行比较。该方法通过后缀电路直接控制，在追踪MPP上有较好的稳定性。

1.5 其它控制方法

1.5.1 基于Fibonacci的MPPT方法

文献[20-21]提出基于Fibonacci的MPPT方法，它以Fibonacci数列为参考，通过反复限制和调整搜索范围确定MPP在搜索范围内，同时引入新的校正功能，判断日照突变程度确定搜索范围，保证GMPPT的精确性。其优点：追踪性能快，追踪范围宽；无需检测光照强度和温度；无需光伏阵列精确的数学模型。但光照强度发生变化时，该方法需初始化搜索条件实现搜索范围，确保MPP在搜索范围内。

1.5.2 复合型MPPT方法

文献[22]提出结合IncCond、全局扫描法及逼近公式的复合型MPPT方法，在任何阴影遮挡下搜索GMPP，避免出现传统控制方法收敛于局部最大值的问题。由于逼近公式的引入，光伏系统能快速越过MPP不可能出现的区域，提高搜索效率。该方法能快速实现最优控制，提高系统输出效率，在实际工程中有一定使用价值。

文献[23]以GMPPT为基础，提出基于P&O和IncCond改进的GMPPT方法，其原理：当光伏阵列输出电压接近开路电压时，采用大步长P&O靠近LMPP；当光伏阵列的工作点达到LMPP附近时，用小步长IncCond搜索并记录LMPP；之后给一个跳跃电压ΔU到下一个可能出现的LMPP附近，并施加一定扰动，若dP/dU＜0，说明存在LMPP，否则不存在LMPP。依照上述过程寻找并比较LMPP的大小，最后得到GMPP，并利用IncCond保持该点处。其优点：快速搜索LMPP，准确跟踪GMPP，消除功率振荡；有较快的响应速度和较好的稳定性能。

2 优化结构设计方法

2.1 优化光伏阵列组态的方法

文献[24]介绍了各种光伏阵列组态优化的方法，并对开关矩阵的结构图和光伏阵列的结构图进行分析，得到各种光伏阵列组态优化控制策略及其优缺点等，为光伏阵列组态优化的研究提供参考。

2.2 添加有源补偿方法

MPPT方法虽在阴影遮挡下能实现GMPPT，但未改变光伏阵列结构，使各结构支路不能输出最大功率，为此提出支路串联电压源的方法[25]，利用电压源对各支路进行补偿，提高光伏阵列输出效率，其优点：结构简单、易于实现，有较好的适应性和使用价值；缺点为增添了硬件电路，导致成本增多。

3 展望

本文详细介绍了阴影遮挡对光伏阵列影响的解决方法，归纳了它们的基本工作原理、优缺点及适用场合等。根据光伏发电系统的研究状况和存在问题，有待展开的工作有：(1)加强大容量光伏并网的研究。国内外研究者对阴影遮挡条件下光伏阵列输出特性的研究已取得较大进展，但尚未完善，尤其在大容量光伏并网方面需进一步展开研究；(2)将已取得的各种方法应用于实际工程。为适应外界环境，针对阴影遮挡对光伏阵列的影响，各种智能控制算法被提出，但这些算法还需实际工程验证，将研究成果尽快转化为产品，应用于实际工程中。

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Method for solving influence of shading on photovoltaic array

CHEN Ya-ai1,2,LIU Ming-yuan1,2,ZHANG Rong-gang2,ZHOU Jing-hua1,2,QIU Huan1,2
(1.Inverier Technology Engineering Research Center of Beijing,North China University of Technology,Beijing 100144,China; 2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corp,Beijing 100012,China)

PV arrays are susceptible to shadow,leading the output power is greatly reduced.In order to improve the output power of photovoltaic power generation system,the effect of shading on PV arrays needs to be solved.The existing solutions were classified.Based on analyzing the working principle of various solutions,the characteristics and applications were summarized,providing reference for improving the output power of PV arrays.

photovoltaic power generation;shadow;solution

TM914

A

1002-087X(2017)05-0830-04

2016-10-12

中国石油工程建设科学研究与技术开发项目(2014-GJTC-04-05)

陈亚爱(1961—)，女，广东省，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力电子应用及电气传动，新能源发电控制技术。