文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)12-0061-03
面對日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)問題,，太陽能作為可再生能源發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。光伏發(fā)電作為當(dāng)前利用太陽能的主要方式之一,，其開發(fā)和利用得到不斷的發(fā)展[2],。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)使光伏組件動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)附近,，因此需要建立并分析光伏電池的數(shù)學(xué)模型,，并匹配合適的MPPT算法找到最大功率點(diǎn)。理想狀態(tài)下,，可認(rèn)為光伏組件內(nèi)部的每個(gè)光伏電池都工作在相同的環(huán)境,，其輸出是完全相等的，因此光伏組件在日照強(qiáng)度以及工作溫度恒定的情況下,，其P-U特性曲線存在唯一的最大功率點(diǎn)[3],。
然而在局部陰影條件下，失配的電池不但對組件輸出沒有貢獻(xiàn),，而且會消耗其余電池產(chǎn)生的能量,，導(dǎo)致局部過熱，產(chǎn)生熱斑效應(yīng)[4],。當(dāng)若干個(gè)光伏組件串聯(lián)成光伏陣列時(shí),，為了避免產(chǎn)生“熱斑”，需要在光伏組件兩端并聯(lián)旁路二極管,，當(dāng)某組件被遮擋時(shí),，該旁路二極管導(dǎo)通，使組件的輸出特性發(fā)生較大變化,，顯示出多峰值特性[5],。局部陰影下P-U曲線的多峰值特性使系統(tǒng)對最大功率點(diǎn)的跟蹤造成了一定的干擾,，常規(guī)的MPPT算法會使系統(tǒng)陷于局部峰值而無法跟蹤到真正的最大功率點(diǎn)，降低了光伏組件對光能的利用率,，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出功率大幅度降低,，造成資源浪費(fèi)。通過建立局部陰影條件下光伏組件的數(shù)學(xué)模型,，分析P-U曲線的多峰值特性,，提出在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法跟蹤峰值的基礎(chǔ)上，通過聚攏峰值掃描判別法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤,，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,。
1 局部陰影下光伏電池的數(shù)學(xué)模型
由于單個(gè)光伏電池輸出的電壓和功率都比較低，所以只有由一系列的光伏電池經(jīng)過合理的串,、并聯(lián)組成的光伏組件才能夠達(dá)到一定要求的輸出等級,。根據(jù)光伏電池的等效電路可以推出光伏組件的數(shù)學(xué)模型為：
當(dāng)光照均一時(shí)，傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法（擾動(dòng)觀察法,、電導(dǎo)增量法,、恒定電壓法等）的效率都在99%以上[6]。然而在局部陰影條件下,，位于串聯(lián)支路上的局部電池會被遮擋,，進(jìn)而形成反向偏置，相當(dāng)于損耗功率的元件,，形成熱斑效應(yīng),，通常采用在光伏組件的串聯(lián)支路上并聯(lián)一個(gè)旁路二極管來消除熱斑效應(yīng)。由于旁路二極管的影響,，光伏組件的輸出特性發(fā)生了明顯的變化,，即表現(xiàn)為多峰值曲線，呈現(xiàn)出多個(gè)局部最大功率點(diǎn),。在太陽能電池中,，當(dāng)單串陣列組成的太陽能電池受到X種不同強(qiáng)度光照照射時(shí)，陣列的I-U曲線將出現(xiàn)X個(gè)膝形平臺,，P-U曲線將出現(xiàn)X個(gè)極值點(diǎn)[7],。當(dāng)光伏組件受到三種不同強(qiáng)度的光照時(shí)，結(jié)合式(1)和參考文獻(xiàn)[8]建立的數(shù)學(xué)模型可以得到局部陰影條件下光伏組件的輸出特性曲線,，如圖1所示,。
由圖1可以看出，在局部陰影條件下,，光伏組件的輸出特性與光照均一時(shí)相比發(fā)生了明顯的變化，不再表現(xiàn)為單峰值特性,，而是出現(xiàn)了多個(gè)局部峰值,。此時(shí),，傳統(tǒng)的單峰MPPT算法會讓系統(tǒng)工作在某一個(gè)局部峰值附近，但無法確保系統(tǒng)工作在最大的峰值點(diǎn)上[9],。若系統(tǒng)內(nèi)部僅有10%的陣列面積受到陰影遮擋而無法同時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí),，其功率就會下降50%[10]。因此針對局部陰影條件下的光伏組件數(shù)學(xué)模型,，需要建立新的MPPT算法,，避免系統(tǒng)在多峰值情況下陷入局部峰值而降低輸出功率。
2 局部陰影下的聚攏峰值掃描判別法
為了有效地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率,，在均一光照下,，常規(guī)的單峰值MPPT算法隨著光伏技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，并且種類繁多,、成效明顯,，已被廣泛應(yīng)用。由于受到光伏組件結(jié)構(gòu)特性的差異和越來越復(fù)雜的環(huán)境條件的影響,，局部陰影條件下光伏組件中部分單體光伏電池接收的光照強(qiáng)度要小于其他正常的單體光伏電池[11],，光伏組件呈現(xiàn)出明顯的多波峰特性，常規(guī)的單峰MPPT算法會使系統(tǒng)陷入局部峰值而無法跟蹤到真正的最大功率點(diǎn),，造成資源浪費(fèi)和功率損耗,，不利于人們對高效率光電轉(zhuǎn)換的需求。
通過構(gòu)建和分析光伏組件的多波峰輸出特性曲線,，在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法跟蹤局部峰值的基礎(chǔ)上,，提出了通過聚攏峰值掃描判別法來實(shí)現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。該算法能夠快速掃描從短路電流處到開路電壓處之間的所有峰值,，并且逐次判斷比較對應(yīng)的功率大小,，最終能夠準(zhǔn)確定位到真正的最大功率點(diǎn)，同時(shí)也避免了最大功率點(diǎn)出現(xiàn)在極端情況下(短路電流和開路電壓附近處)捕捉失效而無法跟蹤的情況,，使系統(tǒng)能夠全面準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn),，時(shí)刻都能輸出最大功率值。如圖2所示,。
聚攏峰值掃描判別法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：
(1)在系統(tǒng)上電后求出短路電流值Isc和開路電壓值Uoc,，在電導(dǎo)增量法跟蹤峰值的基礎(chǔ)上，從短路電流處向右搜索相鄰的局部峰值點(diǎn)功率PA,，從開路電壓處向左搜索相鄰的局部峰值點(diǎn)功率PB,，為了便于輔助分析，在I-U坐標(biāo)上作出每個(gè)局部峰值點(diǎn)的等功率線,，如圖2中虛線所示,。
(2)判定比較采集到的局部峰值點(diǎn)功率PA和PB的大小：若PA≥PB,，則說明局部峰值點(diǎn)B位于A點(diǎn)等功率線的下方,，在搜索跟蹤最大功率點(diǎn)的過程中,，B點(diǎn)肯定不是最大功率點(diǎn)，所以應(yīng)當(dāng)跳過B點(diǎn),，向左搜索距離B點(diǎn)最近的局部峰值點(diǎn)功率PC,；若PA<PB，則說明局部峰值點(diǎn)B位于A點(diǎn)等功率線的上方,，A點(diǎn)肯定不是最大功率點(diǎn),，所以可以跳過B點(diǎn)，向右搜索距離A點(diǎn)最近的局部峰值點(diǎn)功率PD,。
(3)比較在PA≥PB情況下局部峰值點(diǎn)功率PA和PC的大小,，以及在PA<PB情況下局部峰值點(diǎn)功率PB和PD的大小,具體的搜索分析方法參考步驟(2)的實(shí)現(xiàn)過程，并且依此類推,。
(4)為了找到全局最大功率點(diǎn),，搜索并比較各種情況下局部峰值點(diǎn)功率的大小，當(dāng)需要判定的功率點(diǎn)和當(dāng)前的功率點(diǎn)重合時(shí),，就可以判定這個(gè)點(diǎn)是全局最大功率點(diǎn),，例如在圖3所示的流程控制圖中，利用步驟(2)的方法判定PD和PA的大小后,，若PD≥PA,，則系統(tǒng)向右搜索距離A點(diǎn)最近的局部峰值點(diǎn)功率PD，此時(shí)系統(tǒng)定位在相同的局部峰值點(diǎn),，PD≡PD,，那么就可以知道此種情況下D點(diǎn)是真正的最大功率點(diǎn)。
局部陰影條件下聚攏峰值掃描判別法的跟蹤控制流程圖如圖3所示,。
3 聚攏峰值掃描判別法跟蹤的仿真結(jié)果分析
不同的陰影分布對系統(tǒng)的最大功率輸出造成了很大的影響,，為最大限度地減小被遮擋光伏電池的功率損耗，應(yīng)使系統(tǒng)濾掉局部峰值點(diǎn)而時(shí)刻工作在真正的最大功率點(diǎn),。當(dāng)并聯(lián)有旁路二極管的串聯(lián)光伏電池在局部陰影下受到4種不同強(qiáng)度的入射光照時(shí),，光伏系統(tǒng)的I-U曲線將出現(xiàn)4個(gè)膝形平臺(如圖2所示)，對應(yīng)的P-U曲線就會出現(xiàn)4個(gè)極值點(diǎn),。為驗(yàn)證聚攏峰值掃描判別法的可行性,，采用TDB125×125-72-P光伏面板進(jìn)行仿真。該面板包含4個(gè)旁路二極管,，為便于分析,，可將其簡化為4個(gè)串聯(lián)電池模塊。在陰影的作用下,，4個(gè)電池模塊接收到的光照強(qiáng)度分別為1 000 W/m2,、800 W/m2、500 W/m2和100 W/m2,。通過聚攏峰值掃描判別法對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,，并在同等條件下與常規(guī)的擾動(dòng)觀察法,、全局掃描法的輸出特性進(jìn)行了比較，如圖4所示,。
通過仿真分析局部陰影情況下3種算法的輸出功率特性曲線可知，面對多波峰對系統(tǒng)的干擾,，常規(guī)的擾動(dòng)觀察法會陷入一個(gè)局部峰值,，并以此點(diǎn)為最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，輸出功率維持在70 W左右,，系統(tǒng)的輸出功率明顯降低了很多,；全局掃描法通過整體掃描短路電流和開路電壓之間的所有峰值點(diǎn)功率，比較大小后找到最大功率點(diǎn),，但整體掃描比較耗時(shí),，跟蹤速度慢，不利于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),；聚攏峰值掃描判別法能夠快速掃描并跟蹤最大功率點(diǎn),，功率維持在100 W左右，在每個(gè)膝形平臺處進(jìn)行相應(yīng)的判斷避免陷入局部峰值,，從而減小了被陰影遮擋的光伏電池引起的功率損耗,，在跟蹤速度上比全局掃描法快了近一倍，使系統(tǒng)在局部陰影條件下能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn),，保證可靠有效地輸出功率,。
隨著新能源技術(shù)的日趨成熟和完善，光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用與推廣,，導(dǎo)致了系統(tǒng)的安裝環(huán)境越來越復(fù)雜多樣化,。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，光伏組件隨時(shí)都可能被局部陰影籠罩,，其輸出特性表現(xiàn)為多個(gè)峰值,。為避免常規(guī)的MPPT算法使系統(tǒng)陷入局部峰值而失效，本文提出的新算法能夠逐次掃描并比較每個(gè)局部峰值點(diǎn)功率的大小,，并快速精確地找到真正的最大功率點(diǎn),，避免了在極端情況下無法跟蹤的情況。仿真結(jié)果表明,，該新算法在局部陰影條件下不會使系統(tǒng)陷入局部峰值,，能夠迅速準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)，明顯提高了系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率,，減少了局部電池的功率損耗,，具有一定的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
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