減輕局部陰影對光伏系統影響的改進MPPT算法的製作方法
2024-03-23 10:16:05 1
本發明涉及一種減輕局部陰影對光伏系統影響的改進MPPT算法。
背景技術：
隨著能源危機和環境汙染日趨加重，光伏發電作為利用新興綠色能源的重要途徑，正越來越受到人們的重視。然而，光伏電池受外界環境影響較大而光電轉換效率較低，在現代光伏發電系統中，通常要求光伏陣列的輸出功率保持最大。因此，光伏系統的最大功率點跟蹤(MPPT)成為了光伏發電過程中必不可少的重要環節。
目前常用的MPPT算法主要有：恆定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、開路電壓法、短路電流法以及它們的改進算法等，在均勻光照下這些算法各具優勢，應用於不同場合。然而當光伏陣列受到部分遮擋而接收不均勻的光照時，P-U特性曲線會發生改變，產生多個峰值，此時常規的MPPT算法可能會陷入局部峰值而失效，使光伏系統無法工作在真正的最大功率點上。國內外學者針對這一問題提出了多種局部陰影下光伏系統多峰值MPPT算法，比如：電流掃描法、短路電流脈衝法、粒子群優化算法、Fibonacci搜索法、複合MPPT算法等。這些算法在原理上都具有全局峰值判定功能，但實際應用中也存在一定缺陷，比如：電流掃描法的掃描步長難以控制，而且容易受自身電氣參數變化的影響，過於依賴於算法，從而降低了算法的通用性和移植性；短路電流脈衝法需要周期性地引入電流脈衝，會對後級變流器的控制產生擾動；粒子群優化算法需要引入的狀態變量較多，控制方法複雜；Fibonacci搜索法由於算法複雜成本高昂而很少應用。複合MPPT算法雖然也比較依賴陣列參數，但是其具有跟蹤思路簡單、算法編寫容易、對環境突變響應較快、對後級控制擾動較小等諸多優點，因此應用較廣。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種效果好的減輕局部陰影對光伏系統影響的改進MPPT算法。
本發明的技術解決方案是：
一種減輕局部陰影對光伏系統影響的改進MPPT算法，其特徵是：
第一步：確定一個真正最大功率點的領域，將系統工作電壓移到此處，保證跟蹤的快速性；已知均勻光照下等效電阻線Rpm＝Vpm/Ipm與光伏陣列伏安特性曲線的交點即為最大功率點，利用此線與局部陰影下光伏陣列伏安特性曲線的交點來確定第一步結束時的工作電壓；為了防止局部最小值點和偽最大功率點對算法造成誤跟蹤，在第一步需要記錄掃描過程中跟蹤到的極值點並進行比較；
第二步是利用電導增量法從第一步確定的工作電壓開始進行最大功率點跟蹤。
所述的減輕局部陰影對光伏系統影響的改進MPPT算法，具體步驟：
第一步：初始化光伏陣列電池板的電氣參數和遮擋模式；
第二步：計算光伏陣列電阻：Rpv＝V/I；其中V為光伏陣列電壓，I為光伏陣列電流；
第三步：計算均勻光照下光伏電池的等效電阻：Rpm＝Vpm/Ipm；Vpm為等效電壓；Ipm為等效電流；
第四步：比較等效電阻Rpm與光伏陣列電阻Rpv的大小，若RpmIsc2時，大於Isc2的電流從有陰影的光伏電池並聯的旁路二極體流過，此時只有無陰影的光伏電池對外輸出功率，有陰影的光伏電池及其旁路二極體都成為消耗功率的負載，此時伏安特性為無陰影電池的伏安特性；當陣列輸出電流I≤Isc2時，對應的旁路二極體形成反向偏壓，此時伏安特性為有陰影電池的伏安特性。基於以上分析，該單串陣列的數學模型可以由如下的分段函數表示[12]：
I：單串陣列輸出電流；
Isc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的短路電流；
C1：參數方程，見式(2)；
V：單串陣列輸出電壓；
C2：參數方程，見式(3)；
Ns1個單串陣列中無陰影遮擋的光伏電池數量；
Voc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的開路電壓；
Isc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的短路電流；
Ns2個單串陣列中有陰影遮擋的光伏電池數量；
Voc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的開路電壓。
當單串陣列上存在多種不同的局部陰影遮擋時，不同光照強度下的電池串的短路電流也不相同。此時單串陣列的數學模型與式(5)的分段函數相似，分段範圍依然取決於陣列輸出電流I與各短路電流Iscn(n為單串陣列上接收的不同光照強度的數量)的大小關係。所以，式(5)即為局部陰影下單串陣列最基本的數學模型。對於式(5)模型的準確性，有文獻已通過實驗測量數據證明該模型能較準確地仿真局部陰影下單串陣列的輸出特性，本節分析局部陰影下單串陣列的輸出特性，主要是為引出改進複合MPPT算法提供理論依據，因此這裡不再描述對該模型的實驗驗證過程。
1.2局部陰影對單串陣列輸出特性的影響
根據式(5)模型的分段思想，利用MATLAB語言編寫仿真程序，可以仿真任意局部陰影遮擋下單串陣列的輸出特性。為了便於分析，首先引入遮光因子的概念[12-13]：
E：遮光因子；
Esh：陰影條件下的光照強度；
Eref：參考光照強度(1000W/m2)。
式中，Esh為陰影條件下的光照強度，Eref為參考光照強度，通常取1000W/m2。因此，遮光因子的取值範圍介於0～1之間。
選取一系列遮擋模式不同的單串陣列進行仿真，每條陣列串聯電池板數Ns＝10，並聯電池串數Np＝1，Ns1～Ns3部分的光照強度分別為1000W/m2、500W/m2、200W/m2，具體遮擋模式如表1所示：
表1仿真用單串陣列遮擋模式
P1～P5：仿真用的5條單串陣列的標號；
Ns1～Ns3：單串陣列分別在3種光照強度下串聯的光伏電池數量；
E：遮光因子。
選用無錫尚德公司的STP150S-24/Ac型太陽能電池板的標準參數：Voc＝43.3V、Isc＝4.72A、Vm＝34.5V、Im＝4.35A，溫度設為25℃。
結合表1和圖1、圖2可以看出，均勻光照下P1的I-U特性呈單膝形，P-U特性存在單峰值；
P2存在2種不同的光照強度，其I-U特性呈2個階梯形狀，P-U特性存在2個峰值；P3也同樣滿足這樣的規律。當單串陣列或其中一段因為陰影遮擋而多出一種光照強度時，陰影部分的輸出特性會有一段下降的過程，即輸出功率降低，從而導致I-U特性多出一個階梯形狀，P-U特性多出一個局部峰值。因此，單串陣列上接收幾種光照強度，其I-U特性就呈幾個階梯形狀，P-U特性就存在幾個峰值。
圖3、4中的P2、P4、P5均受到兩種光照強度的照射，遮光因子E＝0.5，仔細對比P2、P4、P5的兩個峰值，位置和大小受被遮擋電池板數量的影響。當遮擋電池板數Ns2>E×Ns時，最大功率點位於右側，即趨於電壓源區域，此時有遮擋部分的電池板處於最大功率點，如圖4中的P4所示；當遮擋電池板數Ns2<E×Ns時，最大功率點位於左側，即趨於電流源區域，此時無遮擋部分的電池板處於最大功率點，如圖4中的P5所示；若Ns2＝E×Ns，則兩部分的最大功率幾乎相等，如圖4中P2所示，此時最大功率點的選取取決於外部負載大小。
通過以上仿真和分析，局部陰影的存在的確會對單串陣列的輸出特性產生很大影響，尤其隨著陰影情況越複雜，產生的局部峰值也越多，這很容易造成常規MPPT算法對光伏系統最大功率點的誤跟蹤，影響光伏發電系統的輸出效率，因此需要針對局部陰影問題採取適當的解決措施，以減輕局部陰影對光伏系統的影響。
2複合MPPT算法的改進
減輕局部陰影對光伏系統影響的方法主要有兩種：第一種是改變系統的結構，將集中式的結構改為串式或者多串式的結構，甚至直接採用直流模塊化結構，這樣能夠同時解決全局峰值下降和局部峰值幹擾問題。不過，採用這樣的方法會導致系統中變換控制器數量大量增加，增加系統複雜程度，提高系統建設成本，所以不宜採用，目前實際應用的光伏系統仍基本採用光伏電池串並聯的結構；第二種是保留系統集中式結構，研究擁有全局峰值判定功能的MPPT算法，研究難點主要在於克服局部峰值的幹擾問題，快速準確地跟蹤到真正最大功率點。目前常見的光伏系統多峰值MPPT算法已在引言部分略作介紹，根據它們的優缺點，本文選擇複合MPPT算法做光伏系統多峰值最大功率點跟蹤研究，並針對其中一些問題稍加改進。
傳統複合MPPT算法的原理分為兩步：第一步需要確定一個真正最大功率點的領域，將系統工作電壓移到此處，保證跟蹤的快速性。已知均勻光照下等效電阻線Rpm＝Vpm/Ipm與光伏陣列伏安特性曲線的交點即為最大功率點，所以可以利用此線與局部陰影下光伏陣列伏安特性曲線的交點來確定第一步結束時的工作電壓；第二步是利用傳統的擾動觀察法從第一步確定的工作電壓開始進行最大功率點跟蹤。傳統複合MPPT算法在算法設計與程序編寫過程中，容易出現如下幾個問題：
1)當第一步確定的工作電壓落到局部最小值點時，此時dP/dI＝0也成立，算法會因此誤認為當前局部最小值點為真正的最大功率點，造成誤跟蹤；
2)當第一步確定的工作電壓落到偽最大功率點時，可能會將偽最大功率點當作真正的最大功率點，造成誤跟蹤；
3)第二步採用擾動觀察法雖然跟蹤效率較高且容易實現，但是在最大功率點附近的波動較大，無法滿足一定精度要求，而且可能由於外界環境突變而導致算法失效。
針對以上問題，需要對傳統複合MPPT算法稍作改進：
1)為了防止局部最小值點和偽最大功率點對算法造成誤跟蹤，在第一步需要記錄掃描過程中跟蹤到的極值點並進行比較；
2)第二步避免使用擾動觀察法，選擇跟蹤精度相對較高且受環境影響較小的電導增量法。
基於以上改進思想，改進後的複合MPPT算法流程圖如圖8所示，具體步驟：
第一步：初始化光伏陣列電池板的電氣參數和遮擋模式；
第二步：計算光伏陣列電阻：Rpv＝V/I；其中V為光伏陣列電壓，I為光伏陣列電流；
第三步：計算均勻光照下光伏電池的等效電阻：Rpm＝Vpm/Ipm；Vpm為等效電壓；Ipm為等效電流；
第四步：比較等效電阻Rpm與光伏陣列電阻Rpv的大小，若Rpm0，由Q形成的輸出紋波電壓為：
ΔUo：由電荷量形成的輸出紋波電壓；
Q：電荷量；
C：濾波電容值；
Io：輸出電流；
toff：開關管關斷時間；
D：佔空比；
T：工作周期。
C：濾波電容值；
Io：輸出電流；
D：佔空比；
T：工作周期；
ΔUo：由電荷量形成的輸出紋波電壓。
各變量數值都不變，輸出紋波電壓取輸出電壓的0.2％，帶入式(12)中並考慮一定的裕量，本文濾波電容值選擇為10μF。
4仿真結果
結合第1節局部陰影下單串陣列輸出特性的分析、第2節改進的複合MPPT算法以及第3節設計的光伏系統多峰值MPPT仿真電路，對單串陣列P-U特性曲線雙峰值兩種不同的局部陰影遮擋情況進行MPPT仿真，驗證改進後的複合MPPT算法。
4.1最大功率點趨於電壓源區域
選取10塊無錫尚德公司的STP150S-24/Ac型太陽能電池板串聯起來組成單串陣列，電池板的標準參數為Voc＝43.3V、Isc＝4.72A、Vm＝34.5V、Im＝4.35A，溫度設為25℃，其中2塊電池板處於1000W/m2的均勻光照下，8塊電池板受陰影遮擋影響，光照強度為500W/m2，通過模型仿真得出其理論輸出特性曲線如圖3、4中的P4所示。利用第3節中設計的光伏系統多峰值MPPT仿真電路進行改進複合MPPT算法的最大功率跟蹤仿真，從示波器得到的跟蹤曲線如圖10-12所示：
當系統工作穩定時，輸出功率、工作電壓和工作電流的波動如圖13-15所示：
從圖3、4的仿真曲線P4可知，該遮擋模式下單串陣列的理論輸出功率約為720.68W，工作點電壓為328V，工作點電流為2.197A。從圖10-15的跟蹤曲線可以看出，改進複合MPPT算法仿真系統能在0.52s左右鎖定最大功率點，跟蹤到的最大功率點約為719.9W，功率波動幅度約為1.9W，工作點電壓穩定在328V左右，電壓波動幅度約為12V，工作點電流穩定在2.195A左右，電流波動幅度約為0.080A。
4.2最大功率點趨於電流源區域
選取的單串陣列與4.1節相同，電池板標準參數不變，溫度不變，遮擋模式改為其中8塊電池板處於1000W/m2的均勻光照下，2塊電池板受陰影遮擋影響，光照強度為500W/m2，通過模型仿真得出其理論輸出特性曲線如圖3、4中的P5所示。從MPPT仿真系統的示波器得到的跟蹤曲線如圖16-18所示；
當系統工作穩定時，輸出功率、工作電壓和工作電流的波動如圖19-21所示；
從圖3、4的仿真曲線P5可知，該遮擋模式下單串陣列的理論輸出功率約為1201.88W，工作點電壓為279V，工作點電流為4.295A。從跟蹤曲線可以看出，改進複合MPPT算法仿真系統能在0.5s左右鎖定最大功率點，跟蹤到的最大功率點約為1197W，功率波動幅度約為13W，工作點電壓穩定在280V左右，電壓波動幅度約為22V，工作點電流穩定在4.275A左右，電流波動幅度約為0.350A。
對比改進複合MPPT算法對單串陣列在兩種不同局部陰影遮擋情況下的最大功率點跟蹤仿真，無論最大功率點趨於電壓源區域還是趨於電流源區域，該算法具有良好的跟蹤性能，可以快速準確地跟蹤到實際最大功率點並鎖定最大功率點，沒有受到局部最小值點和偽最大功率點的幹擾，跟蹤誤差在工程允許的6％範圍內。
MPPT：最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking)；
Voc：光伏電池開路電壓；
Isc：光伏電池短路電流；
Vm：光伏電池最大功率點電壓；
Im：光伏電池最大功率點電流；
I-U特性：電流-電壓特性(伏安特性)；
P-U特性：功率-電壓特性；
Rpv：光伏電池電阻；
Rpm：等效電阻。
Vpm：等效電壓；
Ipm：等效電流；
PV：光伏(電池)；
DC-DC：直流-直流；
PWM：脈衝寬度調製((Pulse Width Modulation)；
Boost電路：升壓電路。
5總結
本文針對傳統複合MPPT算法在跟蹤光伏系統多峰值最大功率點時可能出現的問題，提出了改進型的複合MPPT算法，即在掃描最大功率點領域的過程中增加了保存局域最大值並比較的環節，在鎖定最大功率點的過程中利用精度相對較高且受環境變化影響較小的電導增量法來替代傳統的擾動觀察法。通過在MATLAB/Simulink中搭建仿真電路，利用改進後的複合MPPT算法，分別對局部陰影下單串光伏陣列最大功率點趨於電壓源區域和電流源區域兩種不同的情況進行跟蹤仿真。仿真結果證明，無論實際的最大功率點落於何處，改進後的複合MPPT算法都能夠快速準確地跟蹤並鎖定，而且不會受到局部最小值點和偽最大功率點的幹擾。