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(fā)電被廣泛認為是清潔、安全、可靠的重要能源技術之一，實現(xiàn)其發(fā)電效率最大化一直是業(yè)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(xiàn)快速準確跟蹤，突破現(xiàn)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(fā)電效率和穩(wěn)定性，具有良好經(jīng)濟效益和社會效益。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

光伏發(fā)電的光照特性曲線是一條PU曲線，表現(xiàn)為拋物線函數(shù)P＝f（U），光伏并網(wǎng)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(gòu)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(lián)光伏組件在非均勻光照下的特性曲線

傳統(tǒng)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(tài)，這種方法避免了系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)當陰影發(fā)生之后某一時間段內(nèi)動作，因此耗時長；同時整個掃描范圍涵蓋從零到系統(tǒng)最大電壓，掃描范圍大，沒有優(yōu)化算法比較簡單，所以無論是從陰影情況的轉(zhuǎn)變、系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)最大功率點的快速跟蹤，進而提高發(fā)電的輸出效率。

2 多波峰光伏MPPT算法模型構(gòu)建

研究發(fā)現(xiàn)光伏件有兩個特性：一個是當光照強度變化時，對系統(tǒng)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(nèi)環(huán)境溫度不可能突變，任何一塊組件一分鐘之內(nèi)環(huán)境溫度變化不超過5度，一分鐘之內(nèi)環(huán)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(fā)生5%以上變化時，光伏系統(tǒng)發(fā)生異常，即有陰影情況發(fā)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(tǒng)工作電壓滿足公式的確定。如前文所述系統(tǒng)最佳工作電壓對環(huán)境溫度較敏感，且滿足公式Vmppt＝Vmppt0＊（1+0.64%＊ΔT）其中Vmppt為系統(tǒng)最佳工作電壓，T為環(huán)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(fā)生5%以上變化時，有陰影情況的發(fā)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?jīng)Q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(fā)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(xiàn)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(tài)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(xiàn)時，系統(tǒng)并不知道當前工作點是不是系統(tǒng)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(fā)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(xù)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(tǒng)的最佳工作點。此處開創(chuàng)性的通過記憶上一分鐘的最佳點工作電壓，作為系統(tǒng)陰影情況的判斷條件，并選擇谷值定界法，由于谷值的數(shù)目少于峰值數(shù)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(shù)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)總拓撲圖和兩級式電路結(jié)構(gòu)，通過光伏系統(tǒng)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(tǒng)監(jiān)控的云端互聯(lián)網(wǎng)技術和最大功率點跟蹤控制技術，設計出兩級式電路結(jié)構(gòu)，其中DC/DC（Buck-Boost變換器）部分實現(xiàn)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(wǎng)逆變功能，在逆變過程中充分利用寬禁帶半導體器件的優(yōu)點，采用碳化硅肖特基二極管作為續(xù)流二極管，提高電路工作效率和輸出波形質(zhì)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(diào)整電路中的一些參數(shù)，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(jié)束語

針對目前光伏發(fā)電應用中出現(xiàn)局部陰影遮擋，降低工作性能和發(fā)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(xiàn)了沒有陰影情況發(fā)生時，光伏系統(tǒng)按照正常模式全功率運行。當陰影情況發(fā)生時，多波峰算法能主動記憶、掃描、比較，提升動態(tài)跟蹤效率，增強光伏的穩(wěn)定接收能力，提高發(fā)電效率，適合推廣到分布式光伏發(fā)電、微電網(wǎng)發(fā)電等應用場景。