针对局部阴影问题的最大功率跟踪控制方法对比

I C1
I out
Vout
Im
I Cm
图 2 并联功率补偿法结构图
文献[2]、[4]采用多级 Buck-boost 斩波器 作为功率补偿单元。 文中定义了一个关断占空 比 Di ，即斩波器开关的关断时间与开关周期 之比。分析知道，光伏模块输出电压之比等于 Di 之比，通过对 Di 的控制，每个模块的输出 电压可以单独控制。 为了控制每个光伏模块的 发电条件，不仅要控制每个模块的输出电压 比，而且还要控制后级变流器输入端的总电 压。为了到达这个目的，上述两者分别由多级 斩波器和后级变流器实现。当各级斩波器的 Di 之比一定时， 在总输出 P-I 曲线上只有一个 峰值点。那么，通过关断占空比控制与简单的 爬山法交替进行的方法，便可实现 Di 之比的 最优化以及在此条件下的整体最大功率跟踪。 为了避免利用 DC/DC 电路作为并联功率 补偿单元带来的功耗和元件冗余， 文献[1]、 [3] 提出了利用电力双层电容器（EDLC）作为功 率补偿单元的方案。 通过对继电器的适时控制 实现 EDLC 的充放电， 利用其放电电流对被遮 光伏模块的工作电流进行补偿。 由于 EDLC 的
dp(t ) dv(t ) df (t ) = k + v(t ) = 0 （3） dt dt dt
f（t）的微分在扫描范围内不为零，故在 MPP 处有：
d．Fibonacci 搜索法[10] Fibonacci 搜 索 法 基 于 （ 7 ） 式 所 示 的 Fibonacci 序列。搜索过程如图 3 所示，变量 x c n + 2 = c n +1 + c n ， c1 = c 2 = 1 （7）
I
PV 1
P
PA
A
PV 2
B
PV 1
PB
V
PV 2
V
V1MP V21MP
V1MP V21MP P
I C
PC
PD
D
Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V
图 1 光伏阵列输出特性曲线： （a）不同光照条件下的 V-I 曲线 （b）不同光照条件下的 P-V 曲线 （c）串联阵列在局部阴影下总的 V-I 曲线 （d）串联阵列在局部阴影下总的 P-V 曲线
1 引言
当光伏阵列上出现局部阴影或者类似情 况（如光伏阵列的局部损坏）时，其输出特性 会发生很大的变化， 在 P-V 曲线上会出现多于 一个的局部极值点。 一般常用的最大功率跟踪 （MPPT）算法，如扰动观察法（P&O） 、导纳 增量法（InCond）等将有可能在这种情况下失 效，使工作点收敛于某个功率极值点上，而不 是功率的最大点。此时，光伏阵列的能量没有 被充分利用，系统效率将大大降低。对于住宅 型光伏发电系统， 由于光伏阵列安装的位置和 环境特殊，局部阴影问题尤为突出。不少的研 究人员对局部阴影条件下的最大功率跟踪问 题进行过研究，也相应地提出了若干解决方 案。 本文分析了光伏阵列在局部阴影下的输出 特性，介绍了几种针对局部阴影问题提出的 MPPT 算法的原理和实现方法，并对相关各种 方法进行了分析和总结比较。
摘要：当光伏阵列表面出现局部阴影时，其输出 P-I、P-V 特性曲线上会出现多个的局部极值点。常规 的 MPPT 方法面对这种情况时将有可能不能正常收敛到最大功率点。本文对这种现象进行了分析，比较 详细地介绍了目前在文献中出现过的相应解决方法，并对其各自的优缺点进行了对比研究。 Abstract: The output P-I and P-V characteristics of the PV arrays show multi-local maximum points under the partial shading condition. Conventional MPPT methods can’t converge to the real maximum power point normally under that condition. In this paper, the author analyze the phenomenon above, the detail introduction of the correlative solutions mentioned in the literature, as well as the comparison of their individual advantages and disadvantages, are proposed. 关键字：局部阴影，多极值点，最大功率跟踪控制 Keywords: Partially shaded insolation, Multi-local maximum point, Maximum power tracking control
2 局部阴影问题的讨论
对于住宅型光伏发电系统， 光伏阵列一般 安装在屋顶或其他建筑结构上。 由于建筑周围 存在树木、电线杆、电缆线等障碍物，当光照 角度随着季节、时间发生变化时，以上的障碍 物就可能在光伏阵列上产生局部阴影[1]。另外 当光伏阵列上存在污垢或者部分电池元发生 损坏，也会产生类似的情况。 在不同的光照条件下，光伏阵列输出的 V-I 和 P-I 特性曲线如图 1（a） （b）所示。当 光照强度下降，输出 V-I 和 P-I 特性曲线将随 之下移。在相当一部分光伏发电系统中，为了 获得较大的输出功率和输出电压， 光伏阵列一 般由多个光伏电池模块串并联构成， 而对于每
dp dv(t ) =k + v(t ) = 0 di dt
微分方程（2）的解为：
（4）
（5） 其中常数 C 取光伏阵列最大电流 Imax，k 取负值，以获得递减的指数特性。 （5）式的特 性可以通过简单的电容放电来获取。 在 V-I 曲线获取期间，控制阵列的输出电 流按（5）式变化，并通过检测 v（t）和计算 （4）式来确定 MPP 时的电压 VMPP。在 MPP 计算单元工作期间，后级变流器的控制被屏 蔽，以避免不正常的工作状态，因此会造成一 定的功率损失。当 VMPP 被获取，后级变流器 被使能，控制光伏阵列输出电压在 VMPP。 c．短路电流脉冲法[8] 短路电流脉冲法的控制核心思想是光伏 阵列的最佳输出电流 Iop 与短路电流 Isc 存在一 定的比例关系，即 I op = kI sc （6） Isc 主要受到光照强度的影响， 而倍数 k 也 不是一个常数，它也随着外界环境条件而变 化，对光伏阵列表面的阴影情况尤其敏感。 该控制算法周期性地引入一个短路电流 脉冲，在这个过程中上述两个参数都可获得。 在光伏阵列的输出端并联上了一个 MOSFET， 其作用相当于一个可变电阻。每隔一段时间 （长度由外界环境变化快慢而定） ，在并联 MOSFET 的驱动极加上一个持续时间较短 （25ms）的斜坡信号，MOSFET 的等效电导 随之从 0％向 100％变化。 期间光伏阵列的 P-I 曲线被扫描，最大功率输出时刻将被检测出 来，相应的最佳电流 Iop 被采样。扫描结束， MOSFET 完全导通，短路电流 Isc 被采样，此 时可以获得（6）中的比例系数 K 的值。最后 通过对后级 Boost 变换器的控制，使光伏电池 输出电流等于 Iop，便可实现最大功率的跟踪。 类似于这种方法， 文献[9]提出了一种针对 多极值点问题的 MPPT 方法。该方法是基于 P-V 曲线扫描，利用光伏阵列最佳工作电压与 开路电压存在比例关系的特点来处理的。
f (t ) = C exp(t k )
图 3 Fibonacci 搜索法操作过程
可以是电压、电流或者占空比，f（x）是输出 功率。搜索范围按照以下（8）式中的条件进 行变化。ci 为（7）式中的 Fibonacci 序列的元 素。搜索范围将按照 Fibonacci 序列元素的变 化规律而逐步缩少。 a (i ) = a (i +1) + b (i +1) ， a (i +1) = b (i )
一块光伏电池模块， 其内部也是由许多的电池 元串联而成。 局部阴影对于并联结构的输出特 性影响不大[2]，但对于含有串联结构的情况， 其总输出特性将发生较大的变化。 以两个光伏 电池模块（PV1、PV2）串联为例，如图 1， PV2 受到的光照强度相对较弱，PV1、PV2 各 自的输出特性曲线如图 1（a） （b） 。两模块串 联后的总输出特性曲线如（c） （d） ，可以看到 P-V 曲线上出现了两个极值点，而且这两个极 值点的功率值 PC、PD 都将小于这两个光伏电 池模块分别在相应的光照条件下单独工作时 的最大功率之和（ PA + PB ） 。
3 局部阴影条件下的 MPPT 解决方法
在局部阴影条件下 , 由于输出功率特性曲 线上多极值点的出现，常规的 MPPT 算法（如 P&O、InCond 等）将有可能稳定在某个非最
大的极值点上， 从而不能实现真正意义的最大 功率跟踪。 针对局部阴影问题的 MPPT 控制方 法从总体上可以分为两大类： 一类是在每个光 伏电池模块上并联功率补偿单元， 使并联后的 整体输出特性只存在单一极值点， 然后通过常 用算法实现 MPPT；另外一类是在不改变多极 值点输出特性条件下的新型 MPPT 算法。 3.1 并联功率补偿法 并联功率补偿法的结构图如图 2，这种方 法的原理是通过并联的功率补偿单元， 给受到 阴影覆盖的光伏模块提供一个补偿电流 ICi， 其 大小等于被遮模块与正常工作模块工作电流 之差， 从而使输送到后级变流器的功率在特性 曲线上不出现多极值点特性。
a (i ) = c n +1 ， b (i ) = c n
（8）
I1
存在， 后级完成 MPPT 的 Boost 变换器的占空 比需进行适时的初始化，以避免 MPPT 失败。 另外为了避免 EDLC 与 Boost 电感串联谐振， 控制回路中需加入谐振控制环。 3.2 多极值点输出特性下的 MPPT 算法 在这种情况下，MPPT 算法应具有避免收 敛于局部极值点的能力。主要方法有以下几 种： a．结合常规算法的复合 MPPT 算法 复合 MPPT 算法的思想是先把光伏阵列 的工作点设在最大功率点 （MPP） 的附近范围， 再利用 P&O、 InCond 等常规算法进行 MPP 的 定位。 文献[5]提到一种两级的 MPPT 算法，第 一级的控制参考设为由（1）式定义的等效负 载线。它是在一定光照条件下，最佳工作电压 （1） R pm = V pm I pm 和电流的比值。 文献提到光伏阵列的最佳工作 电压和电流与其开路电压和短路电流有一定 的比例关系，而开路电压 Voc、短路电流 Isc 通 过在线测量获取。前级控制结束时，光伏阵列 的工作点在等效负载线和输出 V-I 曲线的交 点。 在前级控制期间所能达到的最大功率点处 的数据被保存下来。后级采用 InCond 实现 MPP 的最终定位。但由于等效负载线与输出 V-I 曲线的交点有可能落到局部极值点的邻域 范围，从而使 InCond 收敛于局部极值点，此 时通过对比前级控制过程中保存的数据来确 定收敛点是否为真正的 MPP。当然，如果上 述方案的后级采用 P&O 算法，也可得到类似 的效果。另外，一种以 InCond 为主体，周期 性地加入 P&O 扰动的方法在文献[6]中也有所 提及。 b．电流扫描法 电流扫描法是利用一个扫描函数对光伏 阵列的输出电流进行控制， 从而获得光伏阵列 的输出 V-I 特性，用以确定 MPP 处的电压 VMPP， 并且在一个固定的时间间隔内对其进行 更新。 选取其自身微分的 k 倍作为电流扫描函 数： f (t ) = k (df (t ) dt ) （2） 利用（2）和 MPP 处功率微分为 0 的条件 可以得到微分方程：
针对局部阴影问题的最大功率跟踪控制方法对比
Comparison of Maximum Power Tracking Control Methods for Solving Partial Shading Problem
华中科技大学
梁超辉，段善旭，刘邦银，虞正琦
E-mail:lchgua@hotmail.com