局部遮擋下的自適應變步長擾動觀察法

廖天發，蔡昭權，薛家祥，朱曉軍

(1.惠州學院，廣東惠州516007；2.華南理工大學，廣東廣州510640)

局部遮擋下的自適應變步長擾動觀察法

廖天發1，蔡昭權1，薛家祥2，朱曉軍2

(1.惠州學院，廣東惠州516007；2.華南理工大學，廣東廣州510640)

在局部遮擋下，光伏陣列輸出功率—電壓(P-U)曲線呈現多峰值現象，傳統最大功率點跟蹤方法可能因收斂于局部最大值點而失效。在分析多種局部遮擋情況下P-U曲線模型的基礎上，設計了一種自適應變步長擾動觀察法，能實現多峰值現象下的最大功率點跟蹤。在3 kW光伏并網逆變器的實驗平臺上進行相關工程實驗，理論分析及實驗結果證明了控制算法的有效性和快速性。

局部遮擋；多峰值；擾動觀察法；最大功率跟蹤

在光照度和溫度恒定的條件下，光伏陣列的P-U特性曲線為單峰值，傳統的最大功率點跟蹤技術，如擾動觀察法和增量電導法能很好地跟蹤到最大功率點。但在光伏陣列局部被遮擋情況下，光伏陣列的電流-電壓(I-U)輸出特性曲線呈階梯狀，P-U曲線出現多個局部峰值，此時傳統的最大功率點跟蹤控制技術可能會陷入局部最大功率點[1]，而不能準確捕獲到全局最大功率點，導致系統輸出功率降低。因此，研究局部遮擋下光伏陣列最大功率點跟蹤算法，對提高光伏發電系統發電效率具有重大意義。

常用的MPPT算法有恒定電壓法、電導增量法、擾動觀察法等[2-6]，而適應多峰值條件下的MPPT算法可以分為四類：添加硬件電路、改進傳統算法、兩步式、智能算法。考慮硬件成本和算法復雜度，改進傳統算法在實際工程中的運用最為廣泛。因此本文設計了一種自適應變步長擾動觀察法，能實現多峰值現象下的最大功率點跟蹤。

1 局部遮擋下的光伏陣列輸出特性分析

實際使用中光伏電池被遮擋時，其所接收的光照強度減少，降低了光伏電池特性曲線上的短路電流和開路電壓。這時整個光伏陣列的U-I特性曲線會出現多個膝點，而對應的P-U特性曲線上則可能會出現多個峰值點如圖1所示。

圖1 局部遮擋下的光伏陣列的輸出特性曲線

2 自適應變步長擾動觀察法

2.1 自適應變步長擾動觀察法的基本思想

為了解決多峰P-U特性曲線的最大功率點跟蹤問題，提出了自適應變步長擾動觀察法，算法流程如圖2所示。

圖2 自適應變步長擾動觀察法的流程圖

(1)搜索第一個峰值點

自適應變步長擾動觀察法基于傳統的擾動觀察法，引入步長調整器，其中α(k)為步長調整系數，ε為恒定值，決定了調整的靈敏度，DP為功率變化量。當|DP<δ|時，表示系統已經到達最大功率點附近，此時不再調整步長，減小了最大功率點附近的擾動振蕩。當功率變化量|DP|>δ時，通過步長調整器α(k)調整擾動步長，|DP|越大擾動步長相對也越大，當達到最大功率點附近時P-U曲線斜率降低，|DP|變小，擾動步長也變小。因此，改進后的擾動觀察法可自動調整擾動步長，以便于快速搜索最大功率點，并減小了最大功率點處的擾動振蕩。

(2)定步長全局掃描

設定步長為ΔU，掃描方向為相電壓減少方向，即Un=Un－1－ΔU。每掃描到目標處，處理器都需記錄當時的輸出功率Pn和Un，并將Pn和PTEMP作比較，若Pn≥PTEMP，則PTEMP=Pn，UTEMP=Un，否則，則丟棄數據Pn和Un。如此循環，直至掃描至輸出電壓U=0處，得出臨時最大功率點PTEMP。

(3)PTEMP處采用擾動觀察法

系統回到臨時最大功率點PTEMP處，采用變步長的擾動觀察法進行最大功率點的精確跟蹤，得到UMAX點附近的峰值，作為全局最大功率點PMAX。

2.2 自適應變步長擾動觀察法的重啟

當外部環境如光照、溫度或者局部遮擋情況變化時，光伏陣列的輸出特性P-U曲線也會改變，若繼續使用前一時刻的峰值點作為最大功率點，則可能發生錯誤。因此，需要重啟自適應變步長擾動觀察法，以使光伏系統重新找到最大功率工作點。以下為重啟自適應變步長擾動觀察法的兩個情形：

情形一：定時重啟。

由于光照強度會隨著時間的變化而變化，采用定時重啟的方式，讓光伏系統每隔一定時間進行全局掃描。本系統設定的定時重啟的時間間隔為4 min。

情形二：功率突變重啟。

偶爾云層的遮擋或者其他外部環境的變化都會對局部遮擋情況產生較大的影響，功率突變重啟的條件是輸出功率的變化量ΔP>0.1，ΔP如式(1)所示：

式中：Preal為光伏陣列實時功率；Pmax為先前處理器記錄的最大輸出功率點。

3 實驗結果與分析

實驗使用光伏陣列模擬直流電源Topcon，模擬光伏陣列多峰效應時的輸出特性曲線。設定四條不同的多峰值P-U曲線，使用同一款光伏并網逆變器對其進行了最大功率跟蹤控制，設置擾動觀察法的擾動步長的數字量為15(PV輸入電壓的A/D數字量)，掃描間隔時間為4 min，實驗結果如圖3所示。

圖3(a)為一塊光伏電池板被遮擋的情況，此時光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現兩個極點，且最大值出現在第一個極值點上。圖3(b)為兩塊光伏電池板被遮擋的情況，此時光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現三個極點，且最大值出現在第一個極值點上。圖3(c)為兩塊光伏電池板被遮擋的情況，此時光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現三個極點，且最大值出現在第二個極值點上。圖3(d)為兩塊光伏電池板被遮擋的情況，此時光伏陣列的功率輸出特性曲線上出現三個極點，且最大值出現在第三個極值點上。由圖3的輸出曲線可知，在四種不同的局部遮擋情況下，光伏逆變器均能工作在最大功率點附近，且跟蹤效果良好。

圖4為自適應變步長擾動觀察法的啟動效果圖，光伏并網逆變器的前級以最大功率輸出能量，由后級逆變部分維持母線電壓。通道1為并網電流波形，通道2為并網電壓波形，并網模式下啟動MPPT約0.6 s系統即可跟蹤到最大功率點。

最大功率跟蹤的過程實際上是光伏陣列輸出匹配不同負載的過程，因此輸出電流的變化表示逆變器在P-U曲線上的工作點發生變化。圖5中a點處，光伏陣列的日照強度從1 000 W/m2變為500 W/m2，逆變器檢測到輸出功率的變化而啟動自適應變步長擾動觀察法進行MPPT控制，到a點完成最大功率跟蹤。

由圖5可見，自適應變步長擾動觀察法進行MPPT控制的過程中，只需耗時約3.0 s，相比于全局搜索算法的間隔時間4 min，算法的耗時非常短。并且在整個功率振蕩的過程中，直流母線電壓的紋波也非常小，表明實現了快速、穩定的最大功率跟蹤控制。

上述實驗表明，使用自適應變步長擾動觀察法進行最大功率跟蹤控制，能夠在光伏陣列發生局部遮擋下快速穩定地實現高效率的最大功率跟蹤，保證逆變器在多峰效應時實現最高功率的輸出。

圖3 不同峰值P-U曲線的MPPT效果

圖4 自適應變步長擾動觀察法的啟動效果圖

圖5 自適應變步長擾動觀察法的擾動效果圖

4 結論

本文分析了在局部遮擋情況下光伏陣列的輸出特性，針對局部遮擋下出現的多峰問題，提出了自適應變步長擾動觀察法，在3 kW光伏并網發電系統中進行了相關應用實驗，得出以下結論：自適應變步長擾動觀察法能在局部遮擋出現多峰P-U曲線的情況下，有效克服傳統的MPPT算法收斂于局部最大值的存在缺陷，使光伏發電系統快速、準確地跟蹤到全局最大功率點，有效地提高了光伏系統的效率。

[1]朱菊，王金梅，韓世軍，等.基于PVsyst的光伏電池轉換效率仿真研究[J].電源技術，2013，37(5)：774-777.

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[3]劉邦銀，段善旭，康勇.局部陰影條件下光伏模組特性的建模與分析[J].太陽能學報，2008，29(2)：188-192.

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[5]陳阿蓮，馮麗娜，杜春水，等.基于支持向量機的局部陰影條件下光伏陣列建模[J].電工技術學報，2011，26(3)：140-146.

[6]ALONSO M C,RUIZ J M,HERRMANN W.Computer simulation of shading effects in photovoltaic arrays[J].Renewable Energy,2005,31(12):1986-1993.

Adaptive variable step size perturbation and observation method under partial shading

LIAO Tian-fa1,CAI Zhao-quan1,XUE Jia-xiang2,ZHU Xiao-jun2
(1.Huizhou University,Huizhou Guangdong 516007,China;2.South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China)

Under partial shading,the PV array output power-voltage(P-U)curve shows multi-peak phenomenon.The traditional maximum power point tracking(MPPT)may fail due to converge to a local maximum point.On the basis of analysis of P-U curve model under multi partial shading,the adaptive variable step size perturbation and observation method was designed and can achieve the MPPT under multi-peak phenomenon.Related engineering test was conducted on 3 kW PV grid inverter experimental platform.The theoretical analysis and experimental results demonstrate the effectiveness and fast performance of the control algorithm.

partial shading;multi-peak;perturbation and observation method;MPPT

TM 464

A

1002-087 X(2016)08-1657-03

2016-01-28

廣東省自然科學基金項目(2016ZX014)

廖天發(1977—)，男，江西省人，博士，講師，主要研究方向為逆變器及智能控制。