多波峰光伏MPPT算法研究與應用

李海清，劉靜

（成都科達光電技術有限責任公司，四川成都，610040）

0 引言

光伏發電被廣泛認為是清潔、安全、可靠的重要能源技術之一，實現其發電效率最大化一直是業界的研究重點和難點。本文提出一種多波峰光伏MPPT（最大功率點跟蹤）算法，采用電壓記憶法，通過確定谷值、谷值定界、多域比較、定域搜索等技術來實現快速準確跟蹤，突破現有單峰值算法或固定周期掃描法的缺陷，大幅提高了光伏發電效率和穩定性，具有良好經濟效益和社會效益。

1 現狀及存在的問題

光伏發電的光照特性曲線是一條PU曲線，表現為拋物線函數P＝f（U），光伏并網的一個主要技術點是控制工作電壓U在一個合理值Umax，使輸出功率P處于最大輸出點Pmax。但是在實際應用過程中帶有旁路二極管的光伏組件在局部陰影的遮蔽下，其輸出的P-V特性是由多個局部峰值構成的非線性曲線，存在多個極值點U1max、U2max...UNmax，如圖1所示。

圖1 帶旁路二極管的串聯光伏組件在非均勻光照下的特性曲線

傳統的單峰值算法針對陰影遮蔽采用固定周期掃描法判斷工作狀態，這種方法避免了系統陷入局部不工作的問題，但是在實際使用中，陰影并不是一成不變的。當陰影發生變化的時候，全周期掃描法是被動的，沒法做到實時性，只能實現當陰影發生之后某一時間段內動作，因此耗時長；同時整個掃描范圍涵蓋從零到系統最大電壓，掃描范圍大，沒有優化算法比較簡單，所以無論是從陰影情況的轉變、系統響應的實時性等方面都存在一定缺陷，導致無法準確跟蹤真正的最大功率點，從而造成功率損失，影響發電效率。鑒于此，本文旨在建立一種能夠大幅提高多波峰情況下的MPPT效率的算法，實現最大功率點的快速跟蹤，進而提高發電的輸出效率。

2 多波峰光伏MPPT算法模型構建

研究發現光伏件有兩個特性：一個是當光照強度變化時，對系統的最佳工作電壓點影響很小，對電流影響很大；另一個是前后一分鐘內環境溫度不可能突變，任何一塊組件一分鐘之內環境溫度變化不超過5度，一分鐘之內環境溫度的影響頂多帶來3.3%的最佳工作電壓波動。所以在該算法中可以定義下一分鐘同上一分鐘的最佳工作電壓發生5%以上變化時，光伏系統發生異常，即有陰影情況發生。當判斷局部陰影時，通過確定谷值、谷值定界、多域比較、定域搜索方法迅速找出最大功率輸出值，跟蹤過程如圖2。下面簡要闡述該算法的關鍵步驟。

圖2 MPPT掃描過程圖

步驟一，系統工作電壓滿足公式的確定。如前文所述系統最佳工作電壓對環境溫度較敏感，且滿足公式Vmppt＝Vmppt0＊（1+0.64%＊ΔT）其中Vmppt為系統最佳工作電壓，T為環境溫度。當溫度變化為5度時，電壓變化率不超過3.3%，算法中定義下一分鐘同上一分鐘的最佳工作電壓發生5%以上變化時，有陰影情況的發生。

步驟二，陰影判斷公式的確定。在沒有陰影遮擋時，光伏板自身特性和組串方式決定了最開始工作時初始最佳工作電壓，當某一串中某一些組件發生嚴重遮擋或這種遮擋消失時，工作電壓變化較大。而任何一塊組件出現陰影問題時，把上一分鐘的工作電壓記憶下來，作為下一分鐘陰影情況的判斷條件，是動態且主動的，確定判斷公式就是：U2≠U1＊（1±5%）其中U1為上一分鐘的工作電壓，U2為下一分鐘的工作電壓。

步驟三，陰影掃描。當局部陰影出現時，系統并不知道當前工作點是不是系統最佳工作點，需要進行掃描并找出其他局部最佳工作點并比較。當此種情況發生后，以當前電壓為原點向上一分鐘最佳工作點掃描，掃描超過上一分鐘最佳工作點后繼續沿同一方向掃描，直到找到離上一分鐘最佳工作點最近的一個局部最佳點為止，然后進行比較這個過程中所找到的最佳工作點功率，功率最大的地方就是系統的最佳工作點。此處開創性的通過記憶上一分鐘的最佳點工作電壓，作為系統陰影情況的判斷條件，并選擇谷值定界法，由于谷值的數目少于峰值數目，如圖1中有三個峰值，只有2個谷值，即可減少工作量。而且運用谷值定界時，對谷值的準確度要求較低，知道大概數值即可，因此步長可以選取較大值，加快搜索進度。

3 多波峰光伏MPPT算法的應用

■3.1 最大功率跟蹤（MPPT）裝置設計

為了配合實現多波峰MPPT跟蹤算法，設計了一種最大功率跟蹤裝置，其核心電路如圖3所示。此裝置特點在于采用多個溫度傳感器以及溫度信號放大模塊，能夠實現對溫度信號的快速放大并傳輸，進一步提高了最大功率跟蹤太陽能控制器控制箱效，降低了電能損耗，其溫度信號放大模塊原理如圖4所示。設計出的光伏發電并網系統總拓撲圖和兩級式電路結構，通過光伏系統工作電壓滿足公式，進行陰影判斷公式的確定。

圖3 最大功率點跟蹤電路示意圖

圖4 溫度信號放大模塊原理圖

■3.2 最大功率點跟蹤技術的應用

利用IOS/Android系統監控的云端互聯網技術和最大功率點跟蹤控制技術，設計出兩級式電路結構，其中DC/DC（Buck-Boost變換器）部分實現直流升降壓和MPPT控制器的功能，而DC/AC（單相全橋）部分則完成并網逆變功能，在逆變過程中充分利用寬禁帶半導體器件的優點，采用碳化硅肖特基二極管作為續流二極管，提高電路工作效率和輸出波形質量。最后在MATLAB軟件Simulink中建立相應的單相逆變電路仿真模型，在仿真過程通過調整電路中的一些參數，最終得到正弦波信號輸出，從而達到設計額定功率的99.9%。

4 結束語

針對目前光伏發電應用中出現局部陰影遮擋，降低工作性能和發電效率的問題，本文研究提出了一種多波峰光伏MPPT算法，實現了沒有陰影情況發生時，光伏系統按照正常模式全功率運行。當陰影情況發生時，多波峰算法能主動記憶、掃描、比較，提升動態跟蹤效率，增強光伏的穩定接收能力，提高發電效率，適合推廣到分布式光伏發電、微電網發電等應用場景。