最優(yōu)MPPT算法的研究范文

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《電氣傳動雜志》2015年第十一期

摘要：

針對光伏陣列出現(xiàn)多個局部功率峰值時，傳統(tǒng)的MPPT算法導致系統(tǒng)工作在某個局部最大功率點的問題，提出一種新的基于局部掃描法與P&O相結合的全局最優(yōu)mppt算法，該方法在系統(tǒng)啟動后先采用固定大步長進行全局掃描來找到全局最大功率點，當系統(tǒng)運行在全局最大功率點附近時，然后采用變步長P&O算法變步長掃描來找到精確的最大功率點。基于Matlab/Simulink的仿真模型，對全局最優(yōu)MPPT算法進行了仿真驗證；并搭建一個功率為6kW的實驗平臺驗證當系統(tǒng)出現(xiàn)多個峰值時的效果。仿真和實驗結果驗證了所提出的全局最優(yōu)MPPT算法在光伏陣列出現(xiàn)多峰值時具有很好的MPPT效果。

關鍵詞：

光伏陣列；全局優(yōu)化；最大功率點跟蹤；算法

實現(xiàn)全局最大功率點跟蹤是提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)效率的一種非常有效措施［1-2］。同一系統(tǒng)的光伏陳列在相同輻照和溫度下，其輸出P—U曲線表現(xiàn)為單峰值特性，采用傳統(tǒng)的電導增量法（IC）、擾動觀測法（P&O）等算法都可實現(xiàn)光伏陣列的最大功率點跟蹤［3］。但在實際工程應用中，由于光伏陣列會遇到局部遮擋、老化以及積塵覆蓋等原因會導致光伏陣列輸出的特性不一致，此時光伏陣列的P—U曲線將表現(xiàn)為多峰值特性［4］，傳統(tǒng)的單峰值算法將會使系統(tǒng)處于局部峰值點，導致光伏陣列不能持續(xù)工作在系統(tǒng)最大輸出功率點，減少了系統(tǒng)向電網(wǎng)或負荷注入的電能，從而造成系統(tǒng)的總體發(fā)電效率下降［5］。本文提出一種基于局部掃描法與P&O相結合的全局最優(yōu)MPPT算法，該方法在系統(tǒng)啟動后先采用固定大步長進行一次全局掃描來尋找全局最大功率點，當掃描結束后使系統(tǒng)運行于全局最大功率點附近，然后啟動變步長P&O算法變步長掃描，找到精確的最大功率點。該方法解決了傳統(tǒng)的單峰值算法導致光伏陣列不能持續(xù)工作在系統(tǒng)最大輸出功率點的問題，能使光伏陣列運行在系統(tǒng)全局最大功率點。

1局部陰影下的光伏輸出特性

圖1為光伏陣列有/無陰影輸出特性示意圖。本文針對光伏陣列在有/無陰影輸出的特性進行研究，假設初始時刻光伏陣列表面無陰影，在運行過程中出現(xiàn)陰影，其輸出特性的變化規(guī)律為：1）在正常情況下光伏陣列只有1個峰值點，當出現(xiàn)局部陰影后，光伏陣列輸出功率將會減小，系統(tǒng)會出現(xiàn)2個或2個以上的峰值；2）光伏陣列從無陰影到出現(xiàn)陰影過程中，其輸出特性曲線上的全局最大功率點可能向電壓減小的方向移動，或仍在原最大功率點對應的電壓附近；3）當光伏陣列輸出呈現(xiàn)多峰特性時，一般情況下，各個局部峰值點呈階梯狀，即在全局MPP點左右兩邊，局部MPP點逐次減小，距離全局最大功率點越遠，局部最大功率點的功率越小。特殊情況下會在2個較大局部峰值點之間存在一個較小峰值點。當光伏陣列出現(xiàn)如圖1中所示的局部陰影下多峰輸出特性時，傳統(tǒng)的MPPT算法可能會失效。基于以上輸出特性規(guī)律，本文提出了局部掃描法與P&O相結合的全局最優(yōu)MPPT算法。

2全局MPPT算法設計

2.1系統(tǒng)啟動階段在系統(tǒng)啟動階段，有2種方案。1）一般在全局最優(yōu)MPPT算法中，默認系統(tǒng)啟動時光伏陣列輸出為單峰值，故采用傳統(tǒng)的MPPT啟動，當陰影出現(xiàn)后，再使能全局MPPT算法。但是，系統(tǒng)在實際啟動之前無法確定光伏陣列輸出處于單峰值還是多峰值狀態(tài)，所以本方法中系統(tǒng)啟動后先進行一次全局掃描來尋找全局最大功率點。由于全局掃描范圍較大，為減小功率損失，先采用固定大步長掃描，掃描結束后使系統(tǒng)運行于全局最大功率點附近，然后啟動變步長P&O算法變步長掃描，找到較精確的最大功率點。2）若系統(tǒng)啟動時光伏陣列表面無局部陰影，則測量此時的開路電壓，并以0.9倍的開路電壓為參考電壓，啟動變步長P&O算法，此時無需進行全局MPPT掃描算法。

2.2穩(wěn)定運行階段變步長P&O算法：即在傳統(tǒng)的P&O算法上增加變步長算法，具體實施方法就是每改變一次搜索方向，步長變?yōu)樵介L的一半，該方法可以減小在最大功率點附近震蕩帶來的能量損失。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)此時的擾動步長可以判定系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定階段，當擾動步長足夠小時，認為系統(tǒng)已穩(wěn)定運行在全局最大功率點上。當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，使能光伏陣列陰影判斷功能，此時設定閾值ΔP0。另外，令ΔP=P（t）-P（t-1），其中P（t）和P（t-1）分別為當前功率值和上一次功率值，考慮到系統(tǒng)的響應時間及振蕩，故設P（t）和P（t-1）為某一時間段內功率的平均值。若光伏陣列輸出功率不發(fā)生突變，即|Δ|P<ΔP0時認為光伏陣列無陰影，則繼續(xù)執(zhí)行P&O算法；否則認為光伏陣列有陰影，需要啟動局部掃描法。

2.3變步長的P&O算法1）功率平均值的計算。在P&O算法執(zhí)行過程中，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，則無需進行頻繁的擾動，選取擾動時間間隔為500ms，而功率計算平均值的時間則為500ms中后半200ms。2）ΔP0的取值。因為P&O算法是在不停地進行擾動，當無局部陰影發(fā)生時，采用變步長P&O算法產生功率差值很小；在無陰影條件下，光伏陣列工作在全局最大功率點處時，擾動步長為ΔU，擾動帶來的功率變化ΔP與ΔU、最大功率點處電流成比例關系。因此設定ΔPmax=k•ΔU•Imax，其中k為系數(shù)，為防止太容易進入局部陰影掃描，故選取ΔU的最大值。當局部陰影發(fā)生時，若對光伏陣列輸出功率產生的影響比較小時，也無需啟動局部掃描算法，以避免掃描過程中帶來的功率損失。因出現(xiàn)局部陰影后，光伏陣列輸出功率變小，最大功率點保持在原工作電壓點附近或向電壓減小的方向移動，故進入局部掃描算法后，從當前工作電壓點處向電壓減小的方向掃描，并將當前工作點的功率、電壓分別記作Pmax，UPmax。由于掃描范圍較大，故掃描的固定步長可以略大于P&O算法中的最大步長。系統(tǒng)不斷向電壓減小的方向進行掃描，直到出現(xiàn)新的峰值，若新峰值的功率值大于Pmax，則更新UPmax的值，繼續(xù)向電壓增大的方向進行掃描，若新峰值的功率值小于Pmax，則停止掃描。另外，若搜索到掃描范圍的電壓下限值Umin，也停止掃描。局部掃描過程不宜太長，故在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，減小擾動時間間隔，相應計算P（t）和P（t-1）的平均值時間的減小，擾動時間間隔取為300ms以內。

3仿真和實驗結果

本文搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型，對全局最優(yōu)MPPT算法進行了仿真驗證。

3.1基于Matlab的仿真模型圖2為光伏陣列仿真模塊。光伏陣列的開路電壓、短路電流、最大功率點電壓、電流，以及溫度、光照強度和每個組件中被遮擋的光伏陣列個數(shù)具體見圖中給定的參數(shù)。其中2個階躍信號表示光伏陣列第2塊組件與第3塊組件在1s時突然出現(xiàn)陰影，這樣導致光伏陣列輸出特性出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。PV_3_531模塊為S-Function模塊，可根據(jù)輸入條件與當前工作電壓，得到光伏陣列對應的輸出電流值。其中，用Boost電路控制光伏陣列的輸出電壓，尋找光伏陣列的全局最大功率點。Boost電路的輸入端接光伏陣列，輸出端接直流電壓源，作為穩(wěn)定的母線電壓。

3.2Matlab仿真結果1）仿真條件。在光照度為1000W/m2時系統(tǒng)啟動，輸出單峰特性曲線。在1s時第2個與第3個組件都有4個陣列出現(xiàn)陰影。因為6kW逆變器的MPPT最低電壓為200V，最高電壓為500V，故設置P—V曲線的掃描范圍為220~480V。2）仿真過程。①系統(tǒng)啟動后從0.9倍的開路電壓處開始進行P&O算法，算法初始步長為20V，尋找最大功率點并保存；②當P&O算法的步長足夠小時，認為光伏陣列已穩(wěn)定運行于最大功率點，啟動功率判斷功能，在功率發(fā)生突變時執(zhí)行步長為20V的局部掃描法，尋找全局最大功率點并保存，若功率沒有發(fā)生突變，繼續(xù)執(zhí)行P&O算法；③在1s功率發(fā)生突變，啟動局部掃描法；④啟動局部掃描法擾動結束后，參考電壓給定為全局最大功率點處電壓，執(zhí)行P&O算法，算法初始步長為20V；⑤返回步驟③。3）仿真結果。圖3為仿真過程中，全局最優(yōu)MPPT算法給定的參考電壓變化過程。正常情況時，光伏陣列輸出特性如曲線①所示，系統(tǒng)運行于最大功率點O。曲線②為出現(xiàn)局部陰影時的光伏輸出特性。系統(tǒng)啟動后開始進行P&O算法，經(jīng)過t1時間，系統(tǒng)掃描到最大功率點O，此時輸出功率大約為6.2kW。t2=1s時出現(xiàn)局部陰影，光伏陣列輸出電壓不變，電流減小，輸出功率降為4.4kW左右，光伏陣列工作于A點。隨后啟動局部掃描法，將A點記為功率最大點Pmax，并從A點開始向電壓減小的方向進行擾動掃描。掃描到局部功率最大B點后，由于B點功率小于A點，繼續(xù)向電壓減小的方向掃描，但由于B點左邊沒有功率減小的局部峰值點，故需掃描到MPPT的電壓下限Umin處時停止掃描，然后回到記錄中的最大功率點A后附近掃描，由于C點功率為4.42kW，并且右邊沒有功率減小的局部峰值點，t3時刻將C點的電壓作為參考電壓，啟動P&O算法，使光伏陣列工作在C點左右，等待下次功率突變的發(fā)生。此時光伏陣列輸出最大功率為4.42kW。至此，此種全局最優(yōu)MPPT算法已完成，其工作點依次為O→A→B→A→C。

3.3實驗裝置及結果為驗證本文的算法，搭建了功率為6kW的單相光伏并網(wǎng)逆變器，圖6為用毛毯遮住部分電池組件。裝置的主要參數(shù)為：PV輸入功率6kW，升壓電感0.22mH，BoostIGBT型號IKW40N65H5，Boost二極管型號APT30DQ120BG，母線DC-link315V/1000μF。圖7和圖8是系統(tǒng)開始無陰影時工作電壓、輸出功率分別約520V，6000W，在150s時用毛毯遮住部分電池組件，在270s時移去毛毯后系統(tǒng)電壓、功率的動態(tài)變化波形。從圖中可以看出：在出現(xiàn)陰影的情況下，系統(tǒng)立即對光伏輸出特性曲線不斷的掃描，當掃描結束后使系統(tǒng)運行于全局最大功率點附近，這樣減少系統(tǒng)能量的損失，與仿真及理論分析相符。圖9為光伏模擬器模擬當光伏組件有2個峰值時光伏陣列全局最大輸出功率點時波形圖。從圖9可以看出，當系統(tǒng)存在2個局部最大功率點時，通過本文提出的算法能很快找到全局最大功率點，如圖9中圓點所示。通過同樣的方法，當系統(tǒng)存在2個及2個以上的局部最大功率點時也能通過比較找到全局最大功率點。

4結論

本文提出一種新的基于局部掃描法與P&O相結合的全局最優(yōu)MPPT算法，通過仿真與實驗說明了采用全局最優(yōu)MPPT算法的過程，該算法有以下優(yōu)點：1）相較于全局MPPT掃描算法，此算法掃描范圍較小，減少了掃描過程中功率的損失；2）此算法避免了短路電流的在線測量，而開路電壓值也只需在開機前讀取即可；3）結合傳統(tǒng)的P&O算法，不需要在無陰影的情況下對光伏輸出特性曲線不斷的掃描，從而減少了功率損失，同時有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

參考文獻

［1］KjaerSB.EvaluationoftheHillClimbingandtheIncrementalConductanceMaximumPowerPointTrackersforPhotovoltaicPowerSystems［J］.IEEETransactionsonEnergyConversion，2012，27（4）：922-929．

［2］JiYH，JungDY，KimJG，etal.ARealMaximumPowerPointTrackingMethodforMismatchingCompensationinPVArrayUnderPartiallyShadedConditions［J］.IEEETransactionsonPowerElectronics，2011，26（4）：1001-1009．

［3］張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011．

［4］HirenPatel，VivekAgarwal.MaximumPowerPointTrackingSchemeforPVSystemsOperatingUnderPartiallyShadedConditions［J］.IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2008，55（4）：1689-1698.

［5］MakiA，ValkealahtiS.PowerLossesinLongStringandParallel-connectedShortStringsofSeries-connectedSilicon-basedPhotovoltaicModulesDuetoPartialShadingConditions［J］.IEEETransactionsonEnergyConversion，2012，27（1）：173-183．

作者：李月芳 周皓 單位：常州輕工職業(yè)技術學院 電子電氣工程系 北京交通大學 電氣工程學院