赵俊霞; 吴启琴; 张乐; 沈克强
【期刊名称】《《电源技术》》
【年(卷),期】2019(043)009
【总页数】4页(P1528-1530,1562)
【关键词】光伏阵列遮挡; 局部多峰最大功率点; 全局最大功率点; MPPT算法
【作 者】赵俊霞; 吴启琴; 张乐; 沈克强
【作者单位】三江学院电子信息工程学院 江苏南京210012; 东南大学电子科学与工程学院 江苏南京210096
【正文语种】中 文
【中图分类】防盗器TM914.4
对于大型光伏阵列，当上空因积云遮挡阳光或是表面泥水积累较多时，其部分组件受光面积会随时间变化，整个光伏阵输出的工作电压会迅速下降，最高可能降到设计标准的40%，功率失配问题也更加显著[1-4]。本文提出了一种基于“遮阴度”模型的新型多峰全局最大功率点跟踪算法，用其将不同遮阴程度的光伏组件进行分类和重新配置，可在不增加额外补偿阵列的情况下提高光伏阵列系统的输出功率。 1 重构算法
集束线光伏阵列受到局部遮阴时，实际情况中各组件的遮阴程度不尽相同。根据这种局部遮阴的特点，本文将遮阴程度分别设定为1/16遮阴、1/4遮阴、1/2遮阴和正常。在设计重构算法时，需要对光伏组件的遮阴程度进行判别，即对“遮阴度”模型的输出结果进行分析。“遮阴度”模型的实质就是对不同遮阴条件下的光伏组件进行准确诊断[5-6]。微型立交桥
本文在欧氏距离与余弦相似度的基础上，提出了一种基于“遮阴度”模型的新型多峰全局最大功率点跟踪重构算法。该算法基于欧氏距离理论，将太阳能光伏阵列的每一个组件设为向量空间中离散分布的点[7]，经过串并联阵列结构的实际数据采集，选取一个遮阴最严重的组件作为参考标准，将影响组件发电效率的重要因素电压和温度，作为一个空间点的坐
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标(也称为向量)，计算两个向量之间的距离(即匹配度)。
在二维和三维空间中的欧氏距离就是两点之间的实际距离。假设二维空间中两个点 A(x1,y1)和B(x2,y2)，归一化为单位向量。
欧式距离为：
提取该矩阵中的所有元素值Dij，该值越小则表示该值下标所代表的两个组件匹配度越高。因电压和温度对匹配度的影响不同，本文选取南京优珈特新能源有限公司测得的4 000对数据(2017年10月的22日-25日，下午1:30～2:30，光照强度基本相同)，建立数据库再进行遮阴容差限分析。数据库文件包括1 000对1/16遮阴程度光伏组件的工作电压和表面温度数据，1 000对1/4遮阴程度光伏组件的工作电压和表面温度数据，1 000对1/2遮阴程度光伏组件的工作电压和表面温度数据以及1 000对正常光照下组件的电压与温度数据。首先，在数据库中通过“冒泡”排序出1/2遮阴度下工作电压最低且表面温度最高的数据(正常情况下这两个数据应该对应同一个组件)。然后，将此数据作为确定遮阴度容差限的标准。最后将组件的工作电压和表面温度数据进行归一化处理，根据决策树模型确定的参数权重比进行权重优化，并计算组件的匹配度，得到了用于判别光伏组件遮阴程度的数学模型，见式(4)：
式中：D为两个组件匹配度；Vmn和Tmn为遮阴最严重组件的工作电压和表面温度；α=0.78，β=0.005。
计算所有元素值dij后，经过冒泡排序的操作，将所有匹配度相同或相近的组件重新填入新的光伏电池矩阵，最后根据这个新的光伏电池矩阵进行开关的重新连接，达到阵列重构的目的，从而提高转换效率。
2 最大功率点追踪流程844vv
本文基于“遮阴度”模型设计的一种新型多峰全局最大功率点跟踪算法，用其将不同遮阴程度的光伏组件进行分类和重新配置，其流程图见图1。
首先利用传统扰动法确定一个峰值记录为最大功率点，然后启动定步长最大功率点追踪，从开路电压沿着电压不断减小方向进行逼近，每采集一个电压点就存储当前电压点处的功率值，并与上一个功率值进行比较，以此更新最大功率点的值和最大功率点对应的电压。接着判断该点处的电压值是否是开路电压，若电压值是开路电压，则将输出结果转到功率最大点处，若不是，则继续朝着电压增大的方向进行扫描，直至程序达到终止条件，输出
最大电压与最大功率点。
3 算法的扫描过程
新型多峰全局最大功率追踪算法的扫描过程：首先借助传统扰动观察法对输出特性曲线进行搜索[8]，到距离电压零点最近的一个功率峰值点(如图2所示记为P1)。该位置的电压与功率分别记做临时输出电压 (Utemp)与临时最大功率点(Ptemp)。从电压为零的地方(U=0)启动全局追踪扫描法。
图1 多峰下的最大功率点追踪流程
图2 最大功率点追踪示意图
然后设定固定长度的步长(ΔU)，并朝着电压增大的方向(如图2红箭头所指方向)进行扫描，即(Un=Un-1+ΔU)，算法在每次扫描到目标位置时，都需要对此时的功率Pn与电压Un进行标记，并将(Pn)与(Ptemp)两者进行比较分析。若满足(Pn≥Ptemp),那么就需要对(Utemp)和(Ptemp)重新赋值，令(Ptemp=Pn)，(Utemp=Un)；若不满足(Pn≥Ptemp)，则Pn与Un进行无操作化处理，保持原来的(Ptemp)和(Utemp)赋值不变。通过不断地数据采集、
计算和比较，直到电压一直扫描到开路电流位置为止，也就是(U=Uoc)的位置，从而获得最终的(Ptemp)和(Utemp)。最后寻到全局最大功率点处对应的电压(Utemp)位置，再次通过小步长的扰动观察法来进行追踪，获得此电压点周围的峰值，并将这些峰值当作整个输出特性曲线上的最大功率点(Pmax)。
4 实现电路
根据新型多峰全局最大功率追踪算法设计的控制系统电路见图3，电路图主要包括光伏电池阵列模块、追踪控制模块、电压电流采样模块、DC/DC变换器模块、功率开关管驱动电路模块和负载模块。
图3 光伏阵列阵列的多峰值最大功率点追踪模型
其中DC/DC变换器工作在连续导电模式时，变量之间满足如下关系：
式中：Pi、Po为光伏电池阵列的输入、输出功率；ui、uo为输入、输出电压；η是变换器效率；d是占空比；Ri和RL是光伏电池阵列的等效电阻和负载电阻。
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因此通常情况下根据式(7)可知，d变大导致输入电阻Ri减小，输入电流Ii增大，输入电压(也是光伏阵列的输出电压)ui减小。所以实质上就是占空比增大，输入电压会减小。求输入功率(也就是光伏阵列输出功率)和电压的微分。令：
最大功率点时f=0，经过推导整理后得到：
将式(10)的计算结果作为系统是否工作在最大功率点的判据标准。为了将光伏电池阵列的输出稳定在最大功率点附近，需要做小步长的扰动。从f的取值来看，若是f＞0,说明此时的Ui＜Umax，若要提高光伏阵列的输出功率，就得提高输出电压 Ui，减小占空d。若是 f＜0,说明此时的Ui＞Umax，若要提高光伏阵列的输出功率，就得降低输出电压Ui，增大占空比d。重构后的光伏阵列，通过最大功率追踪控制电路后输出功率和占空比的特性曲线如图4所示。
5 测试结果
本文在南京优珈特新能源有限公司提供的实验平台、硬件电路基础上，人为制造1/16遮阴、1/4遮阴、1/2遮阴和1遮阴情况，测试上午9点至下午4点的数据，组成4×6的小型光伏
阵列，然后根据此方案对光伏组件进行配置，利用Matlab/Simulink软件工具对光伏阵列的输出进行仿真，并记录输出特性曲线上各峰值点P1、P2。最后利用最大功率点追踪方法对重构阵列的输出峰值进行定位，得到最大功率点P，如图5所示。通过对比功率值P1、P2、P的大小，即可证明新型多峰全局最大功率追踪算法是否可行。
6 结论
通过测试可知，最大功率追踪对于局部遮阴下光伏阵列的最大输出功率具有较好的追踪效果，其输出功率最高增加11.27%。本文所设计的模型重构算法不仅可以有效缓解因局部遮阴带来的热斑效应，还能在提高系统输出功率的基础上实现最大功率点的追踪，有效降低多峰值的出现，从而提高阵列的最大功率点。
图4 追踪后的输出功率与占空比变化
图5 最大功率追踪结果
参考文献：
【相关文献】
[1] KAUSHIKA N D,GAUTAM N K.Energy yield simulations of interconnected solar PV arrays[J].IEEE Power Engineering Re-view,2003,22(8):62-62.
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