基于组态优化的光伏阵列最大输出功率控制

可再生能源
ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｓｏｕｒｃｅｓ
第２６卷第３期２００８年６月
Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２００８
０
引言
目前，对光伏系统的最大功率跟踪的研究，大多数是针对在环境温度和太阳辐射强度相同的特定条件下进行的。

但在实际应用上，光伏系统通常是由多个太阳电池组件按特定的支路串联后再并联，在要求的电压范围内进行功率输出的。

每条支路的电池组件的方位和倾角的不同，会引起太阳能组件表面温度和所接收太阳辐射强度的差异，而太阳电池组件表面温度和太阳辐射强度恰恰是影响太阳电池阵列Ｉ－Ｕ特性的主要因素。

考虑到
太阳能电池组件表面温度和太阳辐射强度对光伏发电的影响，因此，对于由不同输出特性的太阳能电池组件构成的方阵的最大功率输出控制的要求更高。

对太阳能电池方阵组态的优化控制是提高光伏电池输出功率的有效手段。

１太阳能光伏组件输出特性
１．１光伏阵列数学模型
在实际应用中，光伏方阵的工作并不是以单个电池输电的，而是多个光伏组件被固定在支架上，并用导线将其联在一起形成一个光伏阵列。

光
基于组态优化的光伏阵列最大输出功率控制
岑长岸，张
淼
（广东工业大学自动化学院，广东广州
５１００７５２）
摘
要：大规模太阳能光伏阵列的输出功率不仅受入射光强和环境温度的影响，还受安装环境和安装位置的
影响。

随着太阳光入射角度的变化，不同位置的光伏阵列的输出变化也有明显差别。

在外部环境发生变化时，对光伏阵列进行合理地重新组态，可提高光伏阵列的输出功率。

文章在梯度法实现最大功率点追踪的基础上，提出了采用组态优化的方法来进一步提高输出功率。

仿真结果表明，组态优化方法能有效地提高光伏阵列的输出功率。

关键词：光伏组件；光伏阵列；梯度法；组态优化中图分类号：ＴＫ５１４
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１－５２９２（２００８）０３－００２７－０４
Ｍａｘｉｍｕｍｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙ
ＣＥＮＣｈａｎｇ－ａｎ，ＺＨＡＮＧＭｉａｏ
（ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏｌｌｅｇｅ，ＧｕａｎｇＤｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１００７５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｅｎｖｉｒｏｎ－ｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｒａｄｉａｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｉｄｅｎｃｅｓｕｎｌｉｇｈｔａｎｇｌｅ．Ｆｏｒｏｂｔａｉｎｉｎｇｂｅｔｔｅｒｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙ，ａｌｏｇｉｃａｌｒｅ－ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｃａｎｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙｗｈｅｎｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｈａｓｃｈａｎｇｅｄ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏｔｒａｃｋＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔａｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏｅｎｈａｎｃｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｃｏｎｆｉｇｕ－ｒａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｃａｎｅｎｈａｎｃｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙｍａｘｉｍｕｍｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｍｏｄｕｌｅｓ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙ；ｇｒａｄｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｅ收稿日期：２００７－０６－２１。

基金项目：国家重点自然科学资金（６０５３４０４０）。

作者简介：岑长岸（１９８０－），男，汉族，广东阳江人，硕士研究生，研究方向为控制理论在电力电子技术中的应用。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｌｏｎｇｂａｎｋ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
伏电池的输出电压Ｕ和电流Ｉ的关系如下［２］。

其中：
ｃ２＝（
Ｕｍ
Ｕｏｃ－１）ｌｎ（１－ＩｍａｘＩｓｃ
）（３）ｄｉ＝αＲＲｒｅｆｄｉ＋（ＲＲｒｅｆ
－１）Ｉｓｃ
（４）ｄＵ＝－βｄｉｑ－Ｒｓ－ｄｉ（５）ｄｔ＝Ｔｃ－Ｔｒｅｆ
（６）
式中：Ｒ———太阳辐射值；
Ｒｒｅｆ———
光伏接收辐射参考值，Ｒｒｅｆ＝１ｋＷ／ｍ２；Ｔｒｅｆ———
光伏电池温度参考值，Ｔｒｅｆ＝２９８Ｋ；α
———电流变化系数；β
———电压变化系数；Ｉｓｃ———
短路电流；Ｕｏｃ为开路电压；Ｉｍ，Ｕｍ———
最大功率点的电流，电压；Ｒｓ———
光伏组件的串联电阻，它受光伏阵列组件的串联数和并联数影响。

典型的光伏组件特性如图１，２所示。

图１为Ｉ－Ｕ随太阳辐射和环境温度变化而变化的规律。

图２为Ｐ－Ｕ随环境温度和太阳辐射变化的规律。

２光伏阵列最大功率输出控制
本文所设计的系统光伏组件特性如下：在
Ｒｒｅｆ＝１ｋＷ／ｍ２，Ｔｒｅｆ＝２９８Ｋ时，Ｕｏｃ＝２１．７Ｖ，Ｉｏｃ＝４．８Ａ，
Ｕｍ＝１７Ｖ，Ｉｍａｘ＝４．４Ａ，Ｒｓ＝１．０６８Ω
［５］。

假设某栋建筑的屋顶在东、南、西３个方向上安装了３列电池组件，每列有３３块光伏组件，即整个方阵为３３个光伏组件串联，３列串联电池组
件并联。

２．１特定光伏阵列输出
光伏电池最大功率跟踪控制是最大限度地利用太阳能的重要技术措施。

由于光伏阵列的伏安特性受日照及温度影响，因此太阳能电池的最大功率点是变化的，当太阳能电池的输出偏离最大功率点时，太阳能就不会全部被利用。

光伏电池最大功率跟踪控制是通过跟踪太阳能电池的最大功率点来调节光伏电池的输出，最大限度地利用太阳能。

假设在某一时刻，整个光伏阵列的入射光强和环境温度是一致的（Ｒ＝０．９ｋＷ／ｍ２，Ｔ＝２５
℃）。

若使其功率输出最大，须进行最大功率追
踪控制。

光伏阵列Ｐ－Ｕ曲线如图３。

在某太阳辐射强度和环境温度下的功率为
可再生能源
２００８，２６（３）
Ｐ＝ＵＩ＝Ｕ（Ｉｏｃ（１－ｃ１（ｅ
－１））＋ｄｉ）（７）
Ｕ－ｄＵ
ｃ２Ｕｏｃ
Ｕ－ｄＵｃ２Ｕｏｃ
Ｉ＝Ｉｓｃ（１－ｃ１（ｅ
－１））＋ｄｉ
（１）Ｕｏｃ
ｃ２
Ｕ
ｏｃ
ｃ１＝（１－ＩｍａｘＩｓｃ）ｅ
（２）
岑长岸，等基于组态优化的光伏阵列最大输出功率控制
根据Ｐ－Ｕ曲线特性，可选用梯度法进行功率最大追踪，其控制流程图如图４所示。

当环境温度为２５℃，光强为０．９ｋＷ／ｍ２，步长取Ｋ＝１，斜率取Ｅ＝０．１时，通过Ｍａｔｌａ仿真得出的最大功率Ｐ为７１１９．３Ｗ，此时电压Ｕ取６０３Ｖ，即当控制输出电压Ｕ为６０３Ｖ时，便可获得光伏阵列的最大输出功率Ｐ为７１１９．３Ｗ。

２．２组态优化后光伏阵列输出
在实际应用中，对于一些庞大的光伏阵列，由于安装环境的光照、通风等条件限制，难以保证每列电池组件的温度和入射光强一致，有时候还会出现相当大的偏差。

如在某栋建筑的屋顶的东、南、西３个方向上安装的３列电池组件，在不同时刻所接收的入射光强度存在很大偏差，如果仍然按照固定的Ｍ×Ｎ模式阵列输出，就会因各电池组件的温度和入射光强的差异而导致每列电池组件在最大功率输出下的电压不一致。

此时只有通过调节每列电池组件的等效负载来改变输出功率点，使得每列电池组件的总输出电压一致。

这样，会使大多数的电池组件的功率输出偏离了最大功率点，往往使阵列总体输出的功率较低，同时也使
输出电压的范围变化较大。

为了使光伏阵列输出功率在每列电池组件的温度和入射光强的差异下达到最优，本文提出了一种组态优化的方法，即在各电池组件温度和入射光强差异较大的情况下，通过分析每列电池组件的特性，对每列的光伏组件进行交叉组合，使每个电池组输出最大功率点处的输出电压接近一致，从而使组态优化后的阵列输出总功率达到最优。

设上面所述的３列不同方向的光伏组件在某一时刻的的光强与温度分别如下：Ｒ１＝０．８ｋＷ／ｍ２，
Ｔ１＝２５℃；Ｒ２＝０．９５ｋＷ／ｍ２，Ｔ２＝２８℃；Ｒ３＝１．１ｋＷ／ｍ２，Ｔ３＝３３℃。

若采用固定的Ｍ×Ｎ阵列输出，则其Ｐ－Ｕ图如图５所示。

图５为３列不同方向的３列光伏组件的Ｐ－Ｕ特性曲线，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３分别为东面、南面、西面３列光伏组件的Ｐ－Ｕ曲线图，Ｔ为光伏阵列按照固定Ｍ×Ｎ阵列输出的Ｐ－Ｕ特性曲线。

用梯度法仿真追踪最大功率点得到的，该时刻按固定Ｍ×Ｎ阵列输出的最大功率Ｐ为７５０１Ｗ，Ｕ＝５６６Ｖ。

从图５可见，在最大功率点输出时，光伏阵列输出电压为５６６Ｖ，仅仅在东面这一列电池组件的最大输出功率点处，而偏移南面和西面２个方向的电池组件的最大输出功率点较远，因此，整个光伏阵列的工作效率并没有达到最优。

为了能最大限度利用太阳能，使光伏阵列的工作效率达到最优，可以通过对３个方向的光伏组件进行合理地交叉重新组态，从而使组态优化后的每个光伏组件尽量在最大功率点输出。

图６分别为３个方向的单个电池组件的Ｐ－Ｕ，Ｉ－Ｕ特性图。

图中Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３分别表示东、
西和南面光伏阵列的输出Ｐ－Ｕ，Ｉ－Ｕ特性图。

通过用梯度法仿真追踪３个方向的单个电池组件的最大输出功
率点，得到的结果分别为：Ｐ１＝６５Ｗ，Ｕ１＝１８．６Ｖ，Ｉ１＝３．５Ａ；Ｐ２＝７８Ｗ，Ｕ２＝１７．４Ｖ，Ｉ２＝４．５Ａ；Ｐ３＝８８Ｗ，Ｕ３＝１６．９Ｖ，Ｉ３＝５．３Ａ。

此时３列电池组件的总输出电压分别为６１３．８Ｖ，５７４．２Ｖ，５５７．６Ｖ。

由上面分析可知，３个方向电池组件在最大输出功率点处的输出电压相差较大。

通过前面分析可知，如果仍然按照Ｍ×Ｎ阵列输出，将会使２列电池组件的输出偏离最大功率点，以致不能最大限度地利用太阳能。

因此，可以通过分析各列电池组件的输出特性，再对３个方向的光伏组件进行合理地交叉重新组态，以获得最优输出方阵。

本例子可以进行如下组态：保持第２列的组件不变，从第２列中取出２个电池组件并联接入第３列（图７）。

光伏阵列重新组合后，要使电池组件有效地输出，首先要控制支路上的电流一致。

因此接入第３列中第１列的２个光伏组件的总电流应等于第３列支路电流。

由于光伏组件是由２个第１列光伏组件组成的，则每个电池组件的电流应为２．６５Ａ。

当Ｉ＝２．６５Ａ，Ｔ１＝２５℃，Ｒ１＝０．８ｋＷ／ｍ２时，由公式（１）计算出Ｕ＝２１．４Ｖ。

此时，通过对电路分析，可知３列电池组件电压分别为Ｕ１＝５７６．６Ｖ，Ｕ２＝５７４．５Ｖ，Ｕ３＝５７９．１Ｖ。

由上面分析可以看出，交叉重新组态后的各支路的输出总电压相差不大，可以稍微调节每列组件的输出电压，便可使之达到一致，即通过调节光伏组件的等效负载，控制光伏阵列的总输出电压为２９１．４Ｖ。

通过计算可得组态优化后的光伏阵列总输出功率Ｐ为７９２８Ｗ。

从以上仿真可以看出，整个光伏阵列只有第１列的２个电池组件不在最大功率点输出，但从其输出特性可看出，其输出偏离最大功率点很小。

通过上面２种输出方式仿真比较可知：光伏阵列按照固定的３３×３阵列输出最大功率为７５０１Ｗ，组态优化后的输出最大功率为７９２８Ｗ，组态优化后使功率提高了５．６９％。

３结论
本文通过建立的光伏阵列数学模型，对最大功率跟踪的梯度法进行了分析和仿真，提出了以组态优化的方法来提高光伏阵列输出功率，并进行了仿真研究。

实验结果证明，本文提出的组态优化方法能有效地提高光伏阵列的输出功率，组态优化后的输出最大功率比按照Ｍ×Ｎ固定阵列输出最大功率提高了５．６９％。

参考文献：
［１］王长贵，王斯成．太阳能光伏发电使用技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５．
［２］ＤＳＨＭＩＬＯＢＩＴＺ．Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｌｉｎｇｅｍｐｌｏｙｉｎｇｌｏａｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＩＳＩＥ，２００５
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ＩＥＥＥＩＳＩＥ，２００５，２９：１５０１－１５０６．
可再生能源２００８，２６（３）。