張鳳軍 高長(zhǎng)偉 黃翀陽(yáng) 鄭偉強(qiáng) 王 偉

(1.遼寧科技學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 本溪 117004；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110870；3.營(yíng)口供電公司 營(yíng)口 115002)

1 引言

太陽(yáng)能是綠色可再生能源，光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的典型方式受到了世界各國(guó)研究人員的普遍關(guān)注。然而，在現(xiàn)有技術(shù)條件下光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率不高，并且輸出呈現(xiàn)非線性[1-3]，為有效提高光伏陣列發(fā)電效率，需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum power point tracking，MPPT)控制技術(shù)使其工作在最大功率點(diǎn)處。實(shí)現(xiàn)全局最大功率跟蹤(Global maximum power point tracking，GMPPT)是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率的基本措施[4-6]。理想環(huán)境條件下，光伏陣列功率-電壓(P-U)特性曲線呈現(xiàn)單峰值特征，采用傳統(tǒng)的MPPT 控制方法(如擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等)即可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。但在實(shí)際工作過(guò)程中，光伏電池會(huì)因?yàn)楣庹詹痪鶆颉⒎e塵覆蓋、老化等原因，使得光伏陣列的電流-電壓(I-U)特性曲線呈現(xiàn)階梯狀，同時(shí)其功率-電壓(P-U)特性曲線具有多個(gè)峰值[7]。在多峰值情況下，傳統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法無(wú)法準(zhǔn)確搜索到全局最大功率點(diǎn)(Global maximum power point，GMPP)，易收斂于局部最大功率點(diǎn)(Local maximum power point，LMPP)，從而導(dǎo)致跟蹤失敗，使得光伏陣列工作效率降低，輸出功率顯著減小[8]。

為了有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多峰值MPPT 控制方法進(jìn)行了深入研究，產(chǎn)生了諸多有益研究成果。文獻(xiàn)[9]提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)跟蹤，該算法具有良好的非線性擬合能力，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的多峰最大功率點(diǎn)跟蹤效果，但是采集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的可靠訓(xùn)練數(shù)據(jù)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，算法依賴于大量的光伏陣列數(shù)據(jù)信息。文獻(xiàn)[10]提出了基于Fibonacci 搜素的全局最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，該方法跟蹤精度高、動(dòng)態(tài)性能好，但跟蹤速度較慢，同時(shí)，其對(duì)于光伏陣列結(jié)構(gòu)以及峰值點(diǎn)分布規(guī)律等信息依賴較為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[11]提出了一種改進(jìn)電導(dǎo)增量法的多峰值MPPT 算法，具有較快的掃描速度，但在單峰值條件下效率較低、算法重啟頻繁。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)基于等功率線掃描的全局最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法進(jìn)行了研究，該類(lèi)算法可以有效避免陷入局部極值的問(wèn)題，但其具體控制性能往往易受峰值點(diǎn)分布情況影響。文獻(xiàn)[14-17]研究了基于粒子群(Particle swarm optimization，PSO)算法的MPPT 方法，該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是不存在穩(wěn)態(tài)功率振蕩問(wèn)題，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高，但存在收斂時(shí)間較長(zhǎng)、容易收斂于局部功率峰值點(diǎn)等問(wèn)題。文獻(xiàn)[18-19]對(duì)基于細(xì)菌覓食算法的全局最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法進(jìn)行了研究，該類(lèi)算法具有較高的求解精度與較好的動(dòng)態(tài)性能，但算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程較復(fù)雜且在靜態(tài)環(huán)境條件下跟蹤速度較慢。

綜上所述，現(xiàn)有全局MPPT 控制方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程普遍較為復(fù)雜，控制性能易受環(huán)境因素影響，具有一定的局限性。本文提出一種基于虛擬阻抗特性擾動(dòng)(Virtual impedance characteristic disturbance，VICD)的光伏全局最大功率跟蹤控制方法，將全局搜索機(jī)制引入到傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法中，以提高算法的適用性。該方法首先通過(guò)虛擬阻抗特性來(lái)對(duì)光伏陣列I-U特性曲線上最大功率點(diǎn)所處的位置區(qū)域進(jìn)行初步定位，然后利用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。該算法在其具體實(shí)施過(guò)程中只需要對(duì)光伏陣列的輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)需附加其他測(cè)量電路，流程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

2 局部陰影下光伏陣列非線性特征

光伏陣列通常由一系列的光伏電池組件串并聯(lián)組成，以維持預(yù)期的輸出電壓與電流，當(dāng)光伏陣列表面光照強(qiáng)度一致時(shí)，其輸出的P-U特性曲線呈現(xiàn)單峰值特征。光伏電池輸出特性方程為

式中，Iph為光生電流；Is為飽和電流；A為與PN 結(jié)材料特性相關(guān)的參數(shù)；q為電子電荷量；K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；Rs為串聯(lián)等效電阻；Rsh為并聯(lián)電阻；I、U為光伏電池輸出電流和端電壓。

對(duì)于由n行m列的光伏電池構(gòu)成的光伏組件(行數(shù)n為某條支路中所串聯(lián)光伏電池的數(shù)量，列數(shù)m為光伏組件所包含并聯(lián)支路的個(gè)數(shù))，其輸出特性可表示為

式中，Uz、Iz、Uocz、Iscz分別為光伏組件的輸出電壓、輸出電流、開(kāi)路電壓、短路電流；Uoc、Isc為光伏電池的開(kāi)路電壓與短路電流。將光伏陣列中光伏組件輸出特性疊加可得光伏陣列整體輸出特性，如圖1 所示。

圖1 用于分析局部陰影效應(yīng)的光伏陣列模型

對(duì)于一個(gè)包含i行j列光伏組件的光伏陣列，當(dāng)光照均勻時(shí)，其輸出特性為

式中，Ur、Ir、Uocr、Iscr分別為光伏陣列的輸出電壓、輸出電流、開(kāi)路電壓、短路電流；Rsr為光伏陣列串聯(lián)等效電阻；Rsz為光伏組件串聯(lián)等效電阻。

均勻光照條件下光伏陣列輸出電流可表示為

若圖1 中每列有h個(gè)光伏組件被遮擋，當(dāng)旁路二極管導(dǎo)通壓降為零時(shí)，光伏陣列輸出電流為

3 基于VICD 的光伏GMPPT 控制法

當(dāng)有局部陰影產(chǎn)生時(shí)，首先利用光伏陣列的虛擬阻抗特性對(duì)其I-U特性曲線上最大功率點(diǎn)所處的位置區(qū)域進(jìn)行初步定位，然后利用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法對(duì)局部遮蔭條件下光伏陣列的全局最大功率點(diǎn)進(jìn)行精確搜索。當(dāng)光伏陣列中的某塊光伏電池被遮擋時(shí)，由于其所受光照強(qiáng)度下降，致使輸出電流減??；同時(shí)，由于遮擋使得光伏電池阻抗增大、溫度升高，又會(huì)導(dǎo)致輸出電壓有所減小[20]?；谏鲜鼋Y(jié)論，本文所提算法利用式(6)、(7)對(duì)光伏陣列的光照情況進(jìn)行判斷，當(dāng)兩條件成立時(shí)，說(shuō)明光伏陣列表面產(chǎn)生局部陰影。

式中，ΔUset、ΔIset為設(shè)定的光伏陣列電壓、電流波動(dòng)閾值，該值由用戶或廠家根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)定。

當(dāng)式(6)、(7)成立時(shí)，可根據(jù)式(8)基于光伏陣列虛擬阻抗特性對(duì)其最大功率點(diǎn)所處的位置區(qū)域進(jìn)行初步定位，確定新的光伏陣列工作點(diǎn)參考電壓，在此基礎(chǔ)之上再利用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。

式中，Uref為光伏陣列工作點(diǎn)參考電壓；Ipv(k)為當(dāng)前輸出電流；Zr為光伏陣列虛擬阻抗線。

根據(jù)圖1所示的光伏陣列，當(dāng)局部陰影使其P-U特性曲線具有三峰值特征時(shí)，全局最大功率點(diǎn)的位置分布可分為三種情況，如圖2 所示。圖2 中，曲線1、2、3 分別為全局最大功率點(diǎn)坐落在較高工作電壓區(qū)域、中等工作電壓區(qū)域和較低工作電壓區(qū)域的情況。下面結(jié)合圖3、圖4 以及圖5 分別對(duì)上述三種情況下所提算法的工作原理進(jìn)行說(shuō)明，A點(diǎn)為光照均勻時(shí)光伏陣列的最大功率點(diǎn)，B點(diǎn)表示局部陰影產(chǎn)生瞬間光伏陣列的瞬時(shí)輸出功率，C點(diǎn)表示根據(jù)式(8)初步定位的光伏陣列輸出功率，D點(diǎn)為局部陰影產(chǎn)生后光伏陣列的全局最大功率點(diǎn)。

圖2 全局最大功率點(diǎn)分布規(guī)律

圖3 全局最大功率點(diǎn)具有較高的電壓水平

圖4 全局最大功率點(diǎn)具有中等電壓水平

圖5 全局最大功率點(diǎn)具有較低的電壓水平

如圖3 所示，在全局最大功率點(diǎn)坐落于光伏陣列輸出電壓較高區(qū)域的情況下，當(dāng)光照均勻時(shí)，光伏陣列工作點(diǎn)位于A點(diǎn)，當(dāng)有局部陰影產(chǎn)生后，其工作點(diǎn)迅速移動(dòng)到B點(diǎn)。本文所提算法經(jīng)式(6)、(7)判斷得知有局部陰影產(chǎn)生，然后利用式(8)對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)所處的位置區(qū)域進(jìn)行初步定位，令I(lǐng)pv(k)=IB，得UC=Uref=Zr×IB，從而可根據(jù)新的參考電壓UC將工作點(diǎn)從B點(diǎn)移至C點(diǎn)，最后再利用擾動(dòng)觀察法對(duì)全局最大功率點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，使工作點(diǎn)最終穩(wěn)定在全局最大功率點(diǎn)D點(diǎn)附近。此種情況對(duì)所提控制方法最為不利，因?yàn)槿肿畲蠊β庶c(diǎn)D坐落在初始功率點(diǎn)B附近，而算法根據(jù)式(8)對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)所處的位置區(qū)域進(jìn)行初步定位得到的工作點(diǎn)C距離全局最大功率點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)。

圖4、圖5 兩種情況下的工作原理與前述過(guò)程相同，此處不再贅述。其中，圖5 所示為全局最大功率點(diǎn)坐落在光伏陣列輸出電壓較低區(qū)域的情況，此時(shí)對(duì)于運(yùn)用所提控制方法最為有利，因?yàn)楦鶕?jù)式(8)對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)所處的位置區(qū)域進(jìn)行初步定位所確定的C點(diǎn)直接坐落在全局最大功率點(diǎn)D附近。

由上述理論分析可見(jiàn)，當(dāng)外部環(huán)境條件變化使得光伏陣列表面光照不均勻時(shí)，采用本文所提MPPT 控制法只需要對(duì)光伏陣列的輸出電壓與電流進(jìn)行測(cè)量，無(wú)須附加任何其他測(cè)量電路，即可實(shí)現(xiàn)光伏陣列的全局最大功率跟蹤，有利于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)在不均勻光照條件下的工作效率。算法具體實(shí)現(xiàn)流程如圖6 所示。

圖6 所提光伏系統(tǒng)MPPT 方法控制流程

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所提光伏MPPT 控制策略的可行性，基于Matlab/Simulink 平臺(tái)，搭建如圖7 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏MPPT 控制系統(tǒng)模型。

圖7 光伏系統(tǒng)MPPT 模型

圖7 中以M×N光伏陣列為光伏源端(M為光伏電池組件串聯(lián)個(gè)數(shù)，N為光伏電池組件并聯(lián)個(gè)數(shù))為例，光伏陣列的具體參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 光伏陣列參數(shù)

仿真模型中光伏陣列特性曲線，如圖8 所示，包括均勻光照條件(S=1,1,1,1,1 kW/m2)和局部陰影條件(S=1,1,1,0.3,0.2 kW/m2)兩種情況。

圖8 光伏陣列的輸出特性

由圖8 可見(jiàn)，均勻光照條件下，光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓為186 V，對(duì)應(yīng)的最大輸出功率約為3 300 W。局部陰影條件下，光伏陣列有一個(gè)全局最大功率點(diǎn)和兩個(gè)局部最大功率點(diǎn)，全局最大功率點(diǎn)電壓約為110 V，與之對(duì)應(yīng)的全局最大輸出功率約為1 750 W。分別采用本文所提出的基于虛擬阻抗特性擾動(dòng)全局最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法與擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏陣列進(jìn)行MPPT 控制，對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行比較。

4.1 擾動(dòng)觀察法控制結(jié)果

起始時(shí)為均勻光照條件(S=1,1,1,1,1 kW/m2)，t=0.2 s 時(shí)產(chǎn)生局部陰影(S=1,1,1,0.3,0.2 kW/m2)，通過(guò)擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏陣列進(jìn)行MPPT 控制。圖9 為最大功率跟蹤控制過(guò)程中光伏陣列輸出的I-V、P-V特性曲線的變化軌跡，與圖8 對(duì)比可見(jiàn)，采用擾動(dòng)觀察法時(shí)，光伏陣列輸出功率最終收斂于局部最大功率點(diǎn)，最大功率跟蹤失敗。

圖9 光伏陣列的輸出特性曲線變化軌跡

4.2 虛擬阻抗特性擾法控制結(jié)果

采用所提出的基于虛擬阻抗特性擾動(dòng)全局最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法對(duì)光伏陣列輸出進(jìn)行MPPT 控制，圖10 為最大功率跟蹤控制過(guò)程中光伏陣列輸出的I-V、P-V特性曲線的變化軌跡。

圖10 光伏陣列的輸出特性曲線變化軌跡

將圖10 與圖8 對(duì)比可見(jiàn)，采用所提算法進(jìn)行控制時(shí)，光伏陣列的輸出功率最終收斂于光伏陣列的全局最大功率點(diǎn)，MPPT 控制效果理想。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提控制方法的正確性與有效性，按圖7 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，搭建基于RT-LAB 的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)如圖11 所示。主要由上位機(jī)、以DSP28335 為核心的控制器、HBUREP-100 實(shí)時(shí)仿真機(jī)以及示波器組成。首先在上位機(jī)搭建如圖7 所示的光伏MPPT 控制系統(tǒng)模型，然后通過(guò)將模型編譯生成C 代碼的方式載入實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行。

圖11 基于RT-LAB 的硬件在環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)

5.1 擾動(dòng)觀察法控制結(jié)果

圖12 為光伏陣列輸出的電壓、電流和功率隨時(shí)間變化情況，由圖12a 可見(jiàn)，起始時(shí)刻光照均勻，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)0.05 s 的動(dòng)態(tài)調(diào)整后，輸出電壓穩(wěn)定在180 V 左右，說(shuō)明均勻光照條件下，擾動(dòng)觀察法能夠順利搜索到光伏陣列的最大功率點(diǎn)。0.2 s 時(shí)，有局部陰影產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)0.05 s 動(dòng)態(tài)調(diào)整后，輸出電壓穩(wěn)定在160 V 左右，對(duì)比圖7 可見(jiàn)，該電壓顯然是局部最大功率點(diǎn)的工作電壓，而非全局最大功率點(diǎn)工作電壓。相對(duì)應(yīng)光伏陣列實(shí)時(shí)輸出電流、功率變化情況分別如圖12b、圖12c 所示，輸出為局部最大功率點(diǎn)電流和局部最大功率。

圖12 光伏陣列輸出電壓、電流和功率波形

5.2 虛擬阻抗特性擾動(dòng)法控制結(jié)果

圖13 為光伏陣列輸出電壓、電流和功率隨時(shí)間變化情況，由圖13a 可見(jiàn)，起始時(shí)刻光照均勻，算法經(jīng)過(guò)0.05 s 的動(dòng)態(tài)調(diào)整后，輸出電壓穩(wěn)定在180 V 左右，說(shuō)明均勻光照條件下，基于虛擬阻抗特性擾動(dòng)全局最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法能夠順利搜索到光伏陣列的最大功率點(diǎn)。0.2 s 時(shí)，有局部陰影產(chǎn)生，算法經(jīng)過(guò)0.05 s 的動(dòng)態(tài)調(diào)整后，輸出電壓穩(wěn)定在100 V 左右，對(duì)比圖7 可見(jiàn)，該電壓顯然是全局最大功率點(diǎn)工作電壓，而非局部最大功率點(diǎn)工作電壓，與之相對(duì)應(yīng)光伏陣列輸出電流和輸出功率變化波形，如圖13b 和圖13c所示。

圖13 光伏陣列輸出電壓、電流和功率波形

6 結(jié)論

針對(duì)光伏陣列P-U特性曲線在多峰值情況下傳統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法無(wú)法準(zhǔn)確搜索到全局最大功率點(diǎn)的問(wèn)題，本文提出了一種基于虛擬阻抗特性擾動(dòng)的光伏全局MPPT 控制方法。

(1) 當(dāng)光伏陣列表面光照不均勻時(shí)，首先利用光伏陣列的虛擬阻抗特性對(duì)其I-U特性曲線上最大功率點(diǎn)所處的位置區(qū)域進(jìn)行初步定位，確定光伏陣列工作點(diǎn)參考電壓值。以上述參考電壓為起始工作電壓，再利用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏陣列P-U特性曲線上的全局最大功率點(diǎn)實(shí)施準(zhǔn)確跟蹤。該方法將全局搜索機(jī)制引入到傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法中，提高了傳統(tǒng)MPPT 算法在非均勻光照條件下的適用性。

(2) 采用所提出的基于虛擬阻抗特性擾動(dòng)全局最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法只需對(duì)光伏陣列輸出電壓與電流進(jìn)行測(cè)量，無(wú)需附加任何其他測(cè)量電路即可實(shí)現(xiàn)光伏陣列的全局最大功率跟蹤，方法控制流程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。