李剛，李超臣，王雅文，何一卓

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的生活與科技越來(lái)越依賴于能源的使用，但由于化石能源的存貯量愈發(fā)減少以及對(duì)煤炭類的一次能源的重度挖掘利用，能源危機(jī)已然化作為世界所需面對(duì)的嚴(yán)峻問(wèn)題。太陽(yáng)能作為一種綠色能源，以其永不枯竭、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛重視。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用最常見(jiàn)的形式之一，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)作為光伏電池發(fā)電的一個(gè)重要優(yōu)化領(lǐng)域備受關(guān)注。由于受房屋、植物等的投影覆蓋，局部烏云、表層塵土等的干擾，光伏陣列中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部陰影。在這種情況下，光伏系統(tǒng)具有多個(gè)局部最大功率點(diǎn)，即它的功率-電壓(P-V)曲線呈現(xiàn)出多峰的特性[1-2]。此時(shí)，簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)MPPT算法難以快速準(zhǔn)確地尋找到并工作在最大輸出功率點(diǎn)，從而極大地影響了系統(tǒng)的效率和可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在目前市場(chǎng)流通的光伏電池中，由非均勻光照導(dǎo)致的功率損失占總功率損失70%左右[3]。在光伏電池悠久的發(fā)展歷程中，效率一度成為衡量電池可用性的標(biāo)準(zhǔn)之一，其重要性不言而喻。本課題的研究目的就在于通過(guò)搭建仿真模型研究局部陰影對(duì)光伏電池工作特性的影響，分析光伏陣列最大功率點(diǎn)的特征，并結(jié)合電力電子變換器[4]，設(shè)計(jì)優(yōu)化在局部陰影條件下的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，從而提升效率，降低成本。

傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法有恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法[5-6]。恒壓法是早期研究出并廣泛應(yīng)用的方法，其主要依據(jù)是均勻光照下最大功率點(diǎn)處電壓一般在開路電壓的4/5左右，據(jù)此設(shè)計(jì)控制電路，使得系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定保持在0.8Voc附近，但在一些開路電壓變化較大的情況下控制精度差，所以現(xiàn)在工程上很少使用。擾動(dòng)觀察法基本工作原理是在每個(gè)控制間隔內(nèi)先增大或者減小光伏電池的電壓或電流，之后依據(jù)功率變化的方向決定下一步的電壓或電流變化的方向。擾動(dòng)觀測(cè)法易于實(shí)現(xiàn)，但由于“擾動(dòng)”的存在，會(huì)造成電路最終的狀態(tài)是波動(dòng)的，無(wú)法完全穩(wěn)定，導(dǎo)致?lián)p失功率、降低效率。電導(dǎo)增量法的依據(jù)是光伏系統(tǒng)的功率-電壓曲線在最大功率點(diǎn)處斜率等于零，此方法精確度高，但控制電路較為繁復(fù)，且對(duì)硬件要求較高。

上述的傳統(tǒng)MPPT算法均有效利用了光伏系統(tǒng)的各種特點(diǎn)，有不同的巧妙之處，但也均各自存在著缺陷，且僅適合于光照均勻輸出曲線單峰的情況，但另一方面，一些復(fù)雜光照條件適用的跟蹤算法常常與這些傳統(tǒng)算法的思路有著密不可分的聯(lián)系。

國(guó)內(nèi)外對(duì)局部陰影下最大功率點(diǎn)跟蹤的解決方法主要分為三類[7-10]。第一類：通過(guò)給陣列附加硬件補(bǔ)償電路來(lái)改變局部P-V曲線多峰的性質(zhì)，之后再利用傳統(tǒng)的跟蹤算法[7]。文獻(xiàn)[8]中給出各組件并聯(lián)補(bǔ)償電路，當(dāng)光伏陣列被遮擋一部分時(shí)，補(bǔ)償電路工作，受到陰影組件的端電壓就得以保持。通過(guò)此方法光伏電池的P-V曲線就被矯正為單峰，避免了多峰的出現(xiàn)，從而使用傳統(tǒng)方法能讓光伏系統(tǒng)工作在最大的功率點(diǎn)附近。但采用此方法時(shí)，由于并聯(lián)了大量的補(bǔ)償電路，整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致造價(jià)過(guò)高；第二類：對(duì)陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合法。文獻(xiàn)[9]采用重新構(gòu)建系統(tǒng)組件的方法削弱非均勻光照對(duì)系統(tǒng)輸出帶來(lái)的變化，但該方法的靈活性和應(yīng)對(duì)環(huán)境突變能力通常較弱；第三類：采用可以在多峰情況下搜索全局的MPPT算法。其中文獻(xiàn)[10]介紹了基于粒子群的跟蹤算法，在局部發(fā)生陰影的情況下比傳統(tǒng)的跟蹤算法更加高效、準(zhǔn)確。

文中分析了光伏電池基本單元的等效模型，光伏陣列的輸出特性，研究了基于改進(jìn)粒子群算法的局部陰影下光伏電池最大功率跟蹤算法，建立仿真模型，進(jìn)行算法仿真驗(yàn)證。

1 光伏電池模型

單二極管光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的等效電路模型如圖1所示。圖1中Iph為光生電流源、Rsh為硅晶缺陷產(chǎn)生漏電流的電阻，Rs為等效的串聯(lián)電阻。

圖1 單二極管等效電路Fig.1 Single diode equivalent circuit

根據(jù) KCL 定律可得光伏電池輸出電流為:

I=Iph-Id-Ir

(1)

式中，

(2)

(3)

Id=I0(eq(U+IRs)/akT-1)

(4)

(5)

上式為單二極管模型的數(shù)學(xué)關(guān)系式[11-12]。其中，Isc為短路電流；I0為反向飽和電流；S為光照強(qiáng)度；T為所處環(huán)境溫度；α為二極管品質(zhì)因數(shù)；q為電子電量；K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38 ×10-23J/K)。

上述的單二極管模型精度較高，但若應(yīng)用于實(shí)際工程則顯得較為復(fù)雜。由于Rsh阻值極大且對(duì)輸出特性影響較小，為了簡(jiǎn)化，在工程應(yīng)用中可忽略漏電流。而Rs的改變會(huì)給P-V 特性曲線帶來(lái)很大變化，因此等效串聯(lián)電阻必須保留。綜上，簡(jiǎn)化后得工程數(shù)學(xué)模型關(guān)系式為：

I=Iph-I0(eq(U+IRs)/akT-1)

(6)

制造商通常在包裝上只提供用戶獲取光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試出的最大功率Pm、最大功率點(diǎn)電流Im、最大功率點(diǎn)電壓Um、開路電壓Uoc、短路電流Isc的值[11]。由此，常令I(lǐng)0=C1Isc，akT/q=C2Uoc，則式(6)可表示為：

(7)

其中，

(8)

(9)

dv=-βdt-Rsdi

(10)

(11)

dt=Tc-Tref

(12)

式中α表示電流變化溫度系數(shù)(A/℃)，β表示電壓變化溫度系數(shù)(V/℃)；S代表當(dāng)前的太陽(yáng)照度;Tc表示此時(shí)的環(huán)境溫度(℃);Sref、Tref分別為系統(tǒng)光照度和溫度的參考值，標(biāo)準(zhǔn)情況取值為1 000 W/m2和25 ℃。

2 光伏陣列局部陰影下輸出特性

首先分析相互串聯(lián)和并聯(lián)的兩個(gè)光伏組件發(fā)生局部陰影的情況。

圖2(a)是存在局部陰影的由兩個(gè)組件并聯(lián)組成的光伏陣列。其中，PV2受到遮擋，因此PV1的開路電壓、短路電流就會(huì)大于PV2的開路電壓和短路電流[17]，即Voc1>Voc2，Isc1>Isc2。VDs1和VDs2是針對(duì)熱斑效應(yīng)設(shè)置保護(hù)的阻塞二極管。

圖2 兩光伏組件串并聯(lián)陰影影響分析Fig.2 Analysis of shadow influence of two photovoltaic modules in series and parallel

圖3繪制出了兩個(gè)光伏組件PV1(光照強(qiáng)度1 000 W/m2)和PV2(光照強(qiáng)度500 W/m2)單獨(dú)運(yùn)行及并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的電流-電壓、功率-電壓輸出特性曲線。當(dāng)系統(tǒng)的總輸出電壓低于遮陰組件的開路電壓Voc2時(shí)，兩個(gè)光伏組件就都處于輸出的工作狀態(tài)，此時(shí)的電池總輸出電流為并聯(lián)組件PV1和PV2電流之和；而當(dāng)系統(tǒng)的總輸出電壓大于遮陰組件的開路電壓時(shí)，PV2將無(wú)法繼續(xù)工作，此時(shí)只有PV1處于輸出的工作狀態(tài)，電池總輸出特性就和PV1單獨(dú)工作時(shí)的輸出特性一致。因此，對(duì)于光伏陣列來(lái)說(shuō)，并聯(lián)的光伏電池串可以相對(duì)獨(dú)立的工作，當(dāng)僅僅是某條或某幾條并聯(lián)支路整體處于陰影情況時(shí)，整個(gè)電池的輸出P-V曲線仍呈現(xiàn)單峰值的特性。

圖3 局部陰影下兩并聯(lián)組件輸出特性Fig.3 Output characteristics of two parallel modules under partial shadow conditions

圖2(b)是存在局部陰影的由兩個(gè)組件并聯(lián)組成的光伏陣列。其中，PV2受到遮擋，因此同樣的，Voc1>Voc2，Isc1>Isc2。VDp1和VDp2是針對(duì)熱斑效應(yīng)設(shè)置保護(hù)的旁路二極管。圖4繪制出了兩個(gè)光伏組件PV1(照度1 000 W/m2)和PV2(照度500 W/m2)單獨(dú)運(yùn)行及串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的I-V、P-V輸出特性曲線。當(dāng)系統(tǒng)的總電流小于短路電流Isc2時(shí)，則旁路二極管均不工作，兩組件上流經(jīng)的電流大小相同，它們一起處于輸出狀態(tài)，整個(gè)電池的輸出電壓為組件PV1與PV2的電壓之和；當(dāng)ipv>Isc2時(shí)，為防止PV2成為負(fù)載消耗功率，二極管VDp2開啟并將受遮擋組件旁路，此時(shí)只有未受遮擋組件PV1處于輸出狀態(tài)，整個(gè)電池的輸出特性和PV1輸出特性一致。

圖4 局部陰影下兩串聯(lián)組件輸出特性Fig.4 Output characteristics of two series modules under partial shadow conditions

由以上分析可知，當(dāng)串聯(lián)的光伏組件發(fā)生局部陰影時(shí)，若光伏系統(tǒng)的工作電流大于被遮擋組件的電流時(shí)，遮陰的組件將不再工作。這就導(dǎo)致了光伏電池的I-V曲線呈階梯狀，P-V曲線出現(xiàn)多個(gè)局部極值并會(huì)產(chǎn)生奇點(diǎn)。且結(jié)合式(7)，對(duì)于各光伏組件之間是串聯(lián)關(guān)系的陣列，局部遮陰情況下的表達(dá)式可體現(xiàn)為有關(guān)電流的分段函數(shù)：

(13)

式中N2為旁路二極管導(dǎo)通前參與發(fā)電的串聯(lián)組件數(shù)；N1為旁路二極管導(dǎo)通以后參與發(fā)電的串聯(lián)組件數(shù)。在圖2(b)所示情況中，N2=2，N1=1。

可由此推知由m個(gè)光伏組件串聯(lián)的光伏電池在局部陰影情況下P-V曲線的特性。假如這m個(gè)光伏組件受最多種(m種)不同光照強(qiáng)度的影響，隨著輸出電流的增大，陣列中工作的光伏組件將越來(lái)越少，導(dǎo)通的旁路二極管越來(lái)越多，最后直至受到陰影的m-1個(gè)組件全部被旁路。此時(shí)，整個(gè)光伏電池的輸出P-V特性曲線將呈現(xiàn)m個(gè)峰值，即由m個(gè)光伏組件串聯(lián)的光伏電池的輸出功率曲線至多存在m個(gè)峰值。

4串2并光伏陣列如圖5所示，對(duì)8個(gè)光伏單元設(shè)置了6種不同的陰影情況，如表1所示。不同陰影下4串2并光伏系統(tǒng)輸出特性如圖6所示。通過(guò)以上分析，4×2的光伏陣列最多有4個(gè)峰值。

表1 各光伏組件光照強(qiáng)度情況Tab.1 Light intensity of each photovoltaic module

圖5 局部陰影下4×2光伏系統(tǒng)Fig.5 4-series 2-parallel photovoltaic system under partial shadow conditions

圖6 不同陰影下4串2并光伏系統(tǒng)輸出特性Fig.6 Output characteristics of 4-series 2-parallel photovoltaic system under different shadows

3 局部陰影下光伏電池最大功率跟蹤算法

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)最初的目的是模擬社會(huì)行為，它也是基于迭代法，通過(guò)不斷嘗試來(lái)逐步優(yōu)化可能解，向更優(yōu)的位置逼近，從而最終確定最優(yōu)解。

從原理上來(lái)說(shuō)，粒子群算法[7]類似于模擬鳥群尋找食物。每個(gè)粒子的屬性包括其自身的位置、速度和適應(yīng)度函數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)根據(jù)具體目標(biāo)要求設(shè)定；粒子的速度決定其運(yùn)動(dòng)距離和方向[13]。每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)受其自身歷史最優(yōu)位置(Pbest)的影響，同時(shí)也被引導(dǎo)到整個(gè)搜索空間中全局最優(yōu)的位置(Gbest)，這些最優(yōu)位置都會(huì)隨著迭代而更新[14]。

其中，粒子的速度和位置更新公式如下：

(14)

(15)

式中w表示慣性權(quán)重；d表示空間維數(shù)；i為粒子標(biāo)識(shí)；r為隨機(jī)數(shù)(在0～1之間取值)；k表示迭代次數(shù)。式中Pi和Pg有如下定義：

(16)

Pg∈{P1,P2,...,Pn}，f(Pg)=max[f(Pi)](1≤i≤n)

(17)

將粒子群算法應(yīng)用于最大功率點(diǎn)跟蹤算法[15]，維數(shù)d在文中是一維，式中當(dāng)前位置Xik就代表粒子i當(dāng)前的電壓Ui；速度vi是i粒子的電壓增量ΔUi；Pi是每個(gè)粒子自身搜尋到歷史最大功率對(duì)應(yīng)的電壓；Pg是所有粒子搜尋到的最大功率對(duì)應(yīng)的電壓。

將粒子群算法應(yīng)用于MPPT中的具體流程如圖7所示。局部陰影下粒子群算法的MPPT跟蹤結(jié)果如表2所示。

表2 局部陰影下粒子群算法的MPPT跟蹤結(jié)果Tab.2 MPPT tracking results of particle swarm algorithm under partial shadow conditions

圖7 粒子群算法流程圖Fig.7 Particle swarm algorithm flow chart

(1)初始化。參考相關(guān)文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)和不斷調(diào)試為粒子群算法中各個(gè)參數(shù)賦值，并設(shè)置初始速度及初始位置等[11]；

(2)評(píng)價(jià)粒子。通過(guò)公式計(jì)算出不同位置(電壓)粒子的適應(yīng)度(功率)，由式(16)和式(17)比較出每個(gè)粒子自身搜尋到最大功率對(duì)應(yīng)的電壓pbest和所有粒子搜尋到的最大功率對(duì)應(yīng)的電壓gbest，并把這些電壓及對(duì)應(yīng)的功率存儲(chǔ)下來(lái)；

(3)更新粒子。根據(jù)式(14)和式(15)更新粒子電壓Ui的和電壓增量ΔUi，如果粒子的電壓超過(guò)設(shè)定的上下限，則在下一時(shí)刻仍令其維持在此刻的位置；

(4)重新計(jì)算適應(yīng)度。重新計(jì)算處于新電壓的粒子的功率，并和歷史自身最大功率、全局最大功率比較，更新pbest和gbest；

(5)檢驗(yàn)是否終止。若算法達(dá)到了程序中設(shè)置的收斂精度或最大次數(shù)，那么迭代終止并使電路工作在最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓。如若未達(dá)到，即跳轉(zhuǎn)回步驟(3)繼續(xù)迭代計(jì)算。

4 仿真結(jié)果

算法采用3個(gè)粒子，初始化時(shí)將3個(gè)粒子均勻分布在最大功率點(diǎn)可能出現(xiàn)區(qū)間。在粒子群算法中慣性權(quán)重w表示的是下一刻粒子對(duì)本時(shí)刻自身的繼承度，是PSO算法較為重要的參數(shù)之一，w若設(shè)置過(guò)小，初期收斂速度慢且較易引導(dǎo)到局部功率峰值點(diǎn)，w若設(shè)置過(guò)大，后期收斂會(huì)變得更加波動(dòng)，難以得到精確解[16-17]。w一般在[0.4,1.2]之間取值[18]，在本算法中，經(jīng)過(guò)調(diào)試，取慣性權(quán)重w=0.5。c1設(shè)置的是每個(gè)粒子向自身最優(yōu)逼近的重要程度，c2設(shè)置的是每個(gè)粒子向全局最優(yōu)逼近的重要程度，它們分別代表著粒子的自我認(rèn)知以及社會(huì)認(rèn)知對(duì)下一時(shí)刻去向的影響，這兩個(gè)學(xué)習(xí)因子一般在[0,4]之間取值[16]，在本算法中，經(jīng)過(guò)調(diào)試，取值為c1=0.15，c2=0.35時(shí)不易陷入局部極值點(diǎn)，且后期波動(dòng)較小。為了防止算法過(guò)分偏離正軌，還需要設(shè)置上下限，上限為90 V，下限為30 V，若超過(guò)范圍，則維持當(dāng)前電壓。根據(jù)仿真結(jié)果，給PWM模塊輸入不同的電壓，電路均能在0.08 s前達(dá)到穩(wěn)定，因此在輸入當(dāng)前粒子的電壓后的0.08 s采樣功率P作為適應(yīng)度函數(shù)。

如圖8(a)所示，在其中1串光伏陣列的陰影度為50%時(shí)，在2 s左右，電路基本達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，最終跟蹤到的最大功率為918 W，工作電壓73.16 V，與圖8(b)中的精確值(最大功率為918.2 W，工作電壓73.35 V)比較，誤差小于1% ,證明了粒子群算法跟蹤的可靠性。

圖8 光照情況1時(shí)跟蹤結(jié)果與精確結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of tracking results and accurate results in light condition 1

如圖9(a)所示，在并聯(lián)支路兩相鄰光伏模塊局部陰影時(shí)，在2 s左右，電路基本達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，最終跟蹤到的最大功率為887.6 W，工作電壓為53.67 V，與圖9(b)中的精確值(最大功率為888 W，工作電壓53.33 V)比較，誤差小于1%，證明了粒子群算法跟蹤的可靠性。

圖9 光照情況3時(shí)跟蹤結(jié)果與精確結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of tracking results and accurate results in light condition 3

由仿真結(jié)果，不同陰影情況下電壓和功率的相對(duì)誤差均小于1%，因此，在局部陰影情況下文中提出的算法能夠相對(duì)準(zhǔn)確地跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。

粒子群算法由于各粒子搜尋到的自身歷史最大功率和種群歷史最大功率是不斷更新并保留下的，因此，若陰影情況發(fā)生突變，各粒子卻仍會(huì)將當(dāng)前功率與歷史最大功率對(duì)比，從而會(huì)導(dǎo)致算法失靈?；谝陨蠁?wèn)題，進(jìn)行了進(jìn)一步拓展研究，使算法能根據(jù)陰影的變化重新初始化，最終改變工作點(diǎn)。由于以上設(shè)計(jì)的算法基本可在2.8 s內(nèi)到達(dá)相對(duì)誤差1%以內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)，因此設(shè)置在2.8 s后可以開始檢測(cè)當(dāng)前光照情況是否發(fā)生變化，如有變化則再次初始化重新追蹤，如無(wú)變化則保持當(dāng)前狀態(tài)直至光照情況發(fā)生變化。圖10是光伏組件4和組件8的光強(qiáng)初始為1 000 W/m2(表2中的標(biāo)準(zhǔn)工況)，在3.5 s時(shí)突變?yōu)?00 W/m2(表2中的光照情況3)的仿真結(jié)果，跟蹤誤差小于1%。

圖10 動(dòng)態(tài)陰影變化下的MPPT仿真結(jié)果Fig.10 MPPT simulation results under dynamic shadow changes

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)建立光伏電池模型，分析相互串聯(lián)和并聯(lián)的兩個(gè)光伏組件發(fā)生局部陰影情況，搭建了一個(gè)4串2并結(jié)構(gòu)的光伏系統(tǒng)，探究其在局部陰影下的輸出特性并將粒子群算法應(yīng)用于最大功率點(diǎn)跟蹤，最終通過(guò)仿真證明在局部陰影情況下，文中提出的算法能夠相對(duì)準(zhǔn)確地跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。