摘 要：光伏阵列受到局部阴影遮蔽时其P-V特性会呈现多峰特性，出现多个局部峰值。为了避免传统最大 功率点跟踪算法在此情况下难以找到全局的最大功率点，文章提出了一种优化最大功率点跟踪算法，该算法适用于局部和全局阴影发生的情况。在局部阴影情况下，通过MATLAB仿真和样机试验与传统最大功率点跟踪算法相比，该优化算法能够判断阴影遮蔽情况是否发生，在局部和全局均一阴影的情况下都能够跟踪到全局最大功率点，避免光伏阵列的功率损失，提高光伏系统效率。 关键词：光伏阵列；局部阴影；多峰特性；最大功率点跟踪 0 引言 由于光伏电池阵列输出具有非线性的特点，为了获得最大功率输出，必须让其工作在最大功率点。最大功率点跟踪方法是光伏发电系统重要技术之一，而跟踪速度和稳态特性是最大功率点跟踪方法的重要指标。传统的最大功率跟踪方法有扰动观察法、电导增量法、恒定电压法等。 当光伏阵列受到的光照不均一发生局部阴影时，由于其复杂的非线性特性，光伏阵列的P-V特性曲线会呈现多峰特性。如果采用传统的最大功率跟踪法，光伏阵列可能在一个局部的最大功率点工作，从而造成功率的损失。在实际应用中，一些商用光伏系统中因为局部阴影情况发生的能量损失高达70%。 目前，国内外关于局部阴影下的光伏阵列特性和最大功率算法已经有了相关的理论研究。文献[6]建立了阴影条件下光伏阵列的数学模型，深入研究了阴影情况下光伏阵列的输出特性与阴影数量、温度、光照、遮挡模式等因素之间的关系。文献[7]提出了一种需要实时测量光伏阵列开路电压和短路电流的局部阴影下MPPT算法，这种 MPPT算法易于实现，但是需要附加额外的电路。文献[8]提出了一种基于粒子群算法的局部阴影 光伏系统MPPT算法，该算法的准确性和收敛速度都优于传统的MPPT算法，但是引入的状态变量较多，控制方法复杂，不易于实现。文献[9]提出的一种局部阴影下光伏阵列MPPT算法，无需附加电路，实现也较为简单，但在极端情况下，该算法会失效，无法正确追踪到全局最大功率点。 1 传统MPPT方法在局部阴影下效果 光伏阵列通常由单个光伏组件串并联组成。 为了保护光伏组件，避免热斑效应，每个光伏组件并联了一个旁路二极管[10]~[12]。当光照均一时，传统的最大功率跟踪方法（扰动观察法、电导增量法、恒定电压法等）的效率都在99%以上。当光伏阵列所受光照非均一局部阴影条件下，光伏阵列输出特性是关于输出电流的分段函数，其P-V特性曲线为多峰曲线[13],[14]，会出现多个局部最大功率点，如图1所示。
图1局部阴影下传统MPPT方法情况 如图所示，当发生局部阴影情况时，光伏阵列的P-V特性曲线变为多峰曲线，出现全局最大功率点C和局部最大功率点D。由于光伏阵列的工作电压不能突变，其工作电压仍然为VA，此时光伏阵列电流突然减小，工作点从A点到B点，如果采用传统的最大功率点跟踪算法，最终光伏阵列会工作在局部最大功率点D附近。 2 局部阴影下优化MPPT算法 本文优化算法依据是，在无阴影遮蔽的情况 下，光伏阵列工作在A点，电压为VA，此时工作电流变为IB，由开路电压VOCA和短路电流ISCA计算出VC= VOCA ISCA ×IB。调整Boost电路占空比,使得光伏阵列工作电压逐渐接近VC。如图2所示。
本文采用的优化算法的程序流程见图3。
图3 局部阴影下优化算法流程图 图3中，在程序初始化时，设定Boost电路占空比，采集光伏阵列在均一光照无阴影时的最大功率点工作电压V0，工作电流IMAX,采集当前光伏阵列的电压、电流Vn，In，计算ΔI=|IAmax-In|。设定检测光伏阵列电流突变阈值K1，若ΔI 当光伏阵列出现极端的局部阴影情况时，某些光伏组件接收的光照极弱，导致光伏阵列在开路电压附近的电流很小，如果控制光伏阵列使其直接工作在C点（图4中虚线），则只能找到局部的最大功率点E，无法追踪到全局最大功率点D，但此时采用本文的优化算法后，通过改变Boost电路占空比，使工作点从B点逐渐向C点方向移动（图4中实线）。当接近D点时，由于ΔI>K1，停止向C点移动，而使用传统MPPT方法寻找 MPP。
当发生全局阴影情况时，如图5，光伏阵列的工作点从A点移动到B点，根据优化算法，工作电压会从VA变化到VC，工作点从B到C，最后再利用传统的MPPT算法找到最大功率点D，整个过程大致持续20～50ms，其间的能量损耗可以忽略不计。因此本文优化算法同样适用于全局阴影的情况。
图5优化算法在均一阴影下表现 3 仿真结果分析与验证 为了验证本文提出的优化算法,在MATLAB/ Simulink中搭建MPPT模型，对本文的优化算法 进行仿真。其均一光照和局部阴影下的I-V曲线及P-V曲线如图6所示。
图6 光伏阵列在输出特性 发生局部阴影的情况时，对传统电导增量法与优化算法进行仿真对比试验。优化算法中K1= 0.2，K2=0.5，如图7所示。
图7局部阴影下传统MPPT算法与优化算法比较 图7中（a），（b），（c）是传统电导增量MPPT算法仿真结果，（d），（e），（f）是优化算法仿真结果。比较发现，传统MPPT算法只找到了局部的最大功率点，输出功率小于35W。优化算法能够跟踪到全局的最大功率，约为40W。 4 样机试验结果验证 试验模拟光伏电池板如图6所示的特性曲 线。使用本文提出的优化算法之后，能正确追踪到全局的的最大功率点，光伏阵列工作在17V，输出功率约为40W。试验数据对本文的优化算法进行了验证。
5 结论 本文提出了适用于局部阴影情况的优化 MPPT算法。该算法可以检测光伏阵列是否被阴 影所遮蔽，适用多种极端条件。通过仿真、样机试验该优化MPPT算法与传统算法相比，在光伏阵列处于局部阴影情况下能够有效地追踪到光伏阵列的全局最大功率点，有效地提高光伏系统效率。 |
