本發(fā)明涉及一種減輕局部陰影對光伏系統(tǒng)影響的改進MPPT算法。

背景技術(shù)：

隨著能源危機和環(huán)境污染日趨加重，光伏發(fā)電作為利用新興綠色能源的重要途徑，正越來越受到人們的重視。然而，光伏電池受外界環(huán)境影響較大而光電轉(zhuǎn)換效率較低，在現(xiàn)代光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常要求光伏陣列的輸出功率保持最大。因此，光伏系統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)成為了光伏發(fā)電過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

目前常用的MPPT算法主要有：恒定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、開路電壓法、短路電流法以及它們的改進算法等，在均勻光照下這些算法各具優(yōu)勢，應(yīng)用于不同場合。然而當光伏陣列受到部分遮擋而接收不均勻的光照時，P-U特性曲線會發(fā)生改變，產(chǎn)生多個峰值，此時常規(guī)的MPPT算法可能會陷入局部峰值而失效，使光伏系統(tǒng)無法工作在真正的最大功率點上。國內(nèi)外學者針對這一問題提出了多種局部陰影下光伏系統(tǒng)多峰值MPPT算法，比如：電流掃描法、短路電流脈沖法、粒子群優(yōu)化算法、Fibonacci搜索法、復(fù)合MPPT算法等。這些算法在原理上都具有全局峰值判定功能，但實際應(yīng)用中也存在一定缺陷，比如：電流掃描法的掃描步長難以控制，而且容易受自身電氣參數(shù)變化的影響，過于依賴于算法，從而降低了算法的通用性和移植性；短路電流脈沖法需要周期性地引入電流脈沖，會對后級變流器的控制產(chǎn)生擾動；粒子群優(yōu)化算法需要引入的狀態(tài)變量較多，控制方法復(fù)雜；Fibonacci搜索法由于算法復(fù)雜成本高昂而很少應(yīng)用。復(fù)合MPPT算法雖然也比較依賴陣列參數(shù)，但是其具有跟蹤思路簡單、算法編寫容易、對環(huán)境突變響應(yīng)較快、對后級控制擾動較小等諸多優(yōu)點，因此應(yīng)用較廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種效果好的減輕局部陰影對光伏系統(tǒng)影響的改進MPPT算法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種減輕局部陰影對光伏系統(tǒng)影響的改進MPPT算法，其特征是：

第一步：確定一個真正最大功率點的領(lǐng)域，將系統(tǒng)工作電壓移到此處，保證跟蹤的快速性；已知均勻光照下等效電阻線R_pm＝V_pm/I_pm與光伏陣列伏安特性曲線的交點即為最大功率點，利用此線與局部陰影下光伏陣列伏安特性曲線的交點來確定第一步結(jié)束時的工作電壓；為了防止局部最小值點和偽最大功率點對算法造成誤跟蹤，在第一步需要記錄掃描過程中跟蹤到的極值點并進行比較；

第二步是利用電導(dǎo)增量法從第一步確定的工作電壓開始進行最大功率點跟蹤。

所述的減輕局部陰影對光伏系統(tǒng)影響的改進MPPT算法，具體步驟：

第一步：初始化光伏陣列電池板的電氣參數(shù)和遮擋模式；

第二步：計算光伏陣列電阻：R_pv＝V/I；其中V為光伏陣列電壓，I為光伏陣列電流；

第三步：計算均勻光照下光伏電池的等效電阻：R_pm＝V_pm/I_pm；V_pm為等效電壓；I_pm為等效電流；

第四步：比較等效電阻R_pm與光伏陣列電阻R_pv的大小，若R_pm<R_pv，則保存局域最大值，并返回第二步，否則，執(zhí)行第五步；

第五步：利用電導(dǎo)增量法進行最大功率點跟蹤；

第六步：判斷光伏陣列輸出功率是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化，則獲取光伏陣列的開路電壓V_oc和短路電流I_sc，并執(zhí)行第七步，否則，執(zhí)行第八步；

第七步：判斷光伏陣列短路電流I_sc是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化，則返回第五步，否則，返回第二步；

第八步：判斷所跟蹤的功率點是否為最大功率點，若是，則執(zhí)行第九步，否則，返回最大功率點，并返回第五步；

第九步：鎖定最大功率點。

本發(fā)明受環(huán)境影響小，精度高，誤跟蹤小，工作效果好。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1、圖2、圖3、圖4是表1所示單串陣列的輸出特性示意圖。

圖5是本發(fā)明改進復(fù)合MPPT算法流程圖。

圖6是仿真電路總體設(shè)計框圖。

圖7是單串陣列的Simulink仿真模塊示意圖。

圖8是MPPT的Simulink仿真模塊示意圖。

圖9是Boost電路的Simulink仿真模塊示意圖。

圖10是最大功率點趨于電壓源區(qū)域時示波器跟蹤曲線(輸出功率)示意圖。

圖11是最大功率點趨于電壓源區(qū)域時示波器跟蹤曲線(工作電壓)示意圖。

圖12是最大功率點趨于電壓源區(qū)域時示波器跟蹤曲線(工作電流)示意圖。

圖13是最大功率點趨于電壓源區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定時輸出功率波動示意圖。

圖14是最大功率點趨于電壓源區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定時電壓波動示意圖。

圖15是最大功率點趨于電壓源區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定時電流波動示意圖。

圖16是最大功率點趨于電流源區(qū)域時示波器輸出功率跟蹤曲線示意圖。

圖17是最大功率點趨于電流源區(qū)域時示波器工作電壓跟蹤曲線示意圖。

圖18是最大功率點趨于電流源區(qū)域時示波器工作電流跟蹤曲線示意圖。

圖19是最大功率點趨于電流源區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定時輸出功率波動示意圖。

圖20是最大功率點趨于電流源區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定時電壓波動示意圖。

圖21是最大功率點趨于電流源區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定時電流波動示意圖。

具體實施方式

1局部陰影下單串陣列輸出特性

1.1局部陰影下單串陣列數(shù)學模型

為了分析單串陣列的輸出特性，首先需要準確地建立單串陣列的數(shù)學模型。在實際應(yīng)用中，光伏電池生產(chǎn)廠家會為用戶提供產(chǎn)品在標準測試條件下的開路電壓V_oc、短路電流I_sc、最大功率點電壓V_m和最大功率點電流I_m?？紤]到分析與計算的方便，可以建立標準參數(shù)與輸出特性之間的聯(lián)系，所以本文選擇太陽能電池工程數(shù)學模型：

I＝I_sc-C₁I_sc[exp(V/C₂V_oc)-1] (1)

I：光伏電池輸出電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

C₁：參數(shù)方程，見式(2)；

V：光伏電池輸出電壓；

C₂：參數(shù)方程，見式(3)；

V_oc：光伏電池開路電壓。

其中，

C₁＝(1-I_m/I_sc)exp(-V_m/C₂V_oc) (2)

C₁：參數(shù)方程，代回式(1)；

I_m：光伏電池最大功率點電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

V_m：光伏電池最大功率點電壓；

C₂：參數(shù)方程，見式(3)；

V_oc：光伏電池開路電壓。

C₂＝(V_m/V_oc-1)[ln(1-I_m/I_sc)]^-1 (3)

C₂：參數(shù)方程，代回式(1)；

V_m：光伏電池最大功率點電壓；

V_oc：光伏電池開路電壓；

I_m：光伏電池最大功率點電流；

I_sc：光伏電池短路電流。

當電池溫度和光照強度發(fā)生變化時，可以參考文獻提供的公式重新計算I_sc、V_oc、I_m、V_m等參數(shù)，就可以得到新條件下的輸出特性。

為了得到足夠大的輸出電壓，實際應(yīng)用中通常將單體光伏電池通過串并聯(lián)的方式組合成大型光伏陣列。假設(shè)一個光伏陣列并聯(lián)的電池串數(shù)量為N_p，每個電池串上串聯(lián)的電池板數(shù)量為Ns，則根據(jù)式(1)，均勻光照下該光伏陣列的數(shù)學模型可以用如下方程描述：

I_a＝I_scN_p{1-C₁[exp(V_a/C₂N_sV_oc)-1]} (4)

I_a：光伏陣列輸出電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

N_p：光伏陣列并聯(lián)的電池串數(shù)量；

C₁：參數(shù)方程，見式(2)；

V_a：光伏陣列輸出電壓；

C₂：參數(shù)方程，見式(3)；

N_s：電池串上串聯(lián)的光伏電池數(shù)量；

V_oc：光伏電池開路電壓。

將方程(4)中的N_p取1，即得到均勻光照下單串陣列的數(shù)學模型。但是當陣列因為各種原因的遮擋而形成局部陰影時，陣列接收的光照不再均勻，此時方程(4)的數(shù)學模型就不再適用了。

從最簡單的遮擋情況分析建立局部陰影下單串陣列的數(shù)學模型。假設(shè)一個單串陣列由N_s1個無陰影的光伏電池和N_s2個有陰影的光伏電池兩部分串聯(lián)組成，I_sc1和I_sc2分別對應(yīng)兩部分電池串的短路電流。為了防止熱斑效應(yīng)，每一個光伏電池都要并聯(lián)旁路二極管。當陣列輸出電流I>I_sc2時，大于I_sc2的電流從有陰影的光伏電池并聯(lián)的旁路二極管流過，此時只有無陰影的光伏電池對外輸出功率，有陰影的光伏電池及其旁路二極管都成為消耗功率的負載，此時伏安特性為無陰影電池的伏安特性；當陣列輸出電流I≤I_sc2時，對應(yīng)的旁路二極管形成反向偏壓，此時伏安特性為有陰影電池的伏安特性。基于以上分析，該單串陣列的數(shù)學模型可以由如下的分段函數(shù)表示[12]：

I：單串陣列輸出電流；

I_sc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的短路電流；

C₁：參數(shù)方程，見式(2)；

V：單串陣列輸出電壓；

C₂：參數(shù)方程，見式(3)；

N_s1個單串陣列中無陰影遮擋的光伏電池數(shù)量；

V_oc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的開路電壓；

I_sc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的短路電流；

N_s2個單串陣列中有陰影遮擋的光伏電池數(shù)量；

V_oc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的開路電壓。

當單串陣列上存在多種不同的局部陰影遮擋時，不同光照強度下的電池串的短路電流也不相同。此時單串陣列的數(shù)學模型與式(5)的分段函數(shù)相似，分段范圍依然取決于陣列輸出電流I與各短路電流I_scn(n為單串陣列上接收的不同光照強度的數(shù)量)的大小關(guān)系。所以，式(5)即為局部陰影下單串陣列最基本的數(shù)學模型。對于式(5)模型的準確性，有文獻已通過實驗測量數(shù)據(jù)證明該模型能較準確地仿真局部陰影下單串陣列的輸出特性，本節(jié)分析局部陰影下單串陣列的輸出特性，主要是為引出改進復(fù)合MPPT算法提供理論依據(jù)，因此這里不再描述對該模型的實驗驗證過程。

1.2局部陰影對單串陣列輸出特性的影響

根據(jù)式(5)模型的分段思想，利用MATLAB語言編寫仿真程序，可以仿真任意局部陰影遮擋下單串陣列的輸出特性。為了便于分析，首先引入遮光因子的概念^[12-13]：

E：遮光因子；

E_sh：陰影條件下的光照強度；

E_ref：參考光照強度(1000W/m²)。

式中，E_sh為陰影條件下的光照強度，E_ref為參考光照強度，通常取1000W/m²。因此，遮光因子的取值范圍介于0～1之間。

選取一系列遮擋模式不同的單串陣列進行仿真，每條陣列串聯(lián)電池板數(shù)N_s＝10，并聯(lián)電池串數(shù)N_p＝1，N_s1～N_s3部分的光照強度分別為1000W/m²、500W/m²、200W/m²，具體遮擋模式如表1所示：

表1仿真用單串陣列遮擋模式

P1～P5：仿真用的5條單串陣列的標號；

N_s1～N_s3：單串陣列分別在3種光照強度下串聯(lián)的光伏電池數(shù)量；

E：遮光因子。

選用無錫尚德公司的STP150S-24/Ac型太陽能電池板的標準參數(shù)：V_oc＝43.3V、I_sc＝4.72A、V_m＝34.5V、I_m＝4.35A，溫度設(shè)為25℃。

結(jié)合表1和圖1、圖2可以看出，均勻光照下P1的I-U特性呈單膝形，P-U特性存在單峰值；

P2存在2種不同的光照強度，其I-U特性呈2個階梯形狀，P-U特性存在2個峰值；P3也同樣滿足這樣的規(guī)律。當單串陣列或其中一段因為陰影遮擋而多出一種光照強度時，陰影部分的輸出特性會有一段下降的過程，即輸出功率降低，從而導(dǎo)致I-U特性多出一個階梯形狀，P-U特性多出一個局部峰值。因此，單串陣列上接收幾種光照強度，其I-U特性就呈幾個階梯形狀，P-U特性就存在幾個峰值。

圖3、4中的P2、P4、P5均受到兩種光照強度的照射，遮光因子E＝0.5，仔細對比P2、P4、P5的兩個峰值，位置和大小受被遮擋電池板數(shù)量的影響。當遮擋電池板數(shù)N_s2>E×N_s時，最大功率點位于右側(cè)，即趨于電壓源區(qū)域，此時有遮擋部分的電池板處于最大功率點，如圖4中的P4所示；當遮擋電池板數(shù)N_s2<E×N_s時，最大功率點位于左側(cè)，即趨于電流源區(qū)域，此時無遮擋部分的電池板處于最大功率點，如圖4中的P5所示；若N_s2＝E×N_s，則兩部分的最大功率幾乎相等，如圖4中P2所示，此時最大功率點的選取取決于外部負載大小。

通過以上仿真和分析，局部陰影的存在的確會對單串陣列的輸出特性產(chǎn)生很大影響，尤其隨著陰影情況越復(fù)雜，產(chǎn)生的局部峰值也越多，這很容易造成常規(guī)MPPT算法對光伏系統(tǒng)最大功率點的誤跟蹤，影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出效率，因此需要針對局部陰影問題采取適當?shù)慕鉀Q措施，以減輕局部陰影對光伏系統(tǒng)的影響。

2復(fù)合MPPT算法的改進

減輕局部陰影對光伏系統(tǒng)影響的方法主要有兩種：第一種是改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將集中式的結(jié)構(gòu)改為串式或者多串式的結(jié)構(gòu)，甚至直接采用直流模塊化結(jié)構(gòu)，這樣能夠同時解決全局峰值下降和局部峰值干擾問題。不過，采用這樣的方法會導(dǎo)致系統(tǒng)中變換控制器數(shù)量大量增加，增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)建設(shè)成本，所以不宜采用，目前實際應(yīng)用的光伏系統(tǒng)仍基本采用光伏電池串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)；第二種是保留系統(tǒng)集中式結(jié)構(gòu)，研究擁有全局峰值判定功能的MPPT算法，研究難點主要在于克服局部峰值的干擾問題，快速準確地跟蹤到真正最大功率點。目前常見的光伏系統(tǒng)多峰值MPPT算法已在引言部分略作介紹，根據(jù)它們的優(yōu)缺點，本文選擇復(fù)合MPPT算法做光伏系統(tǒng)多峰值最大功率點跟蹤研究，并針對其中一些問題稍加改進。

傳統(tǒng)復(fù)合MPPT算法的原理分為兩步：第一步需要確定一個真正最大功率點的領(lǐng)域，將系統(tǒng)工作電壓移到此處，保證跟蹤的快速性。已知均勻光照下等效電阻線R_pm＝V_pm/I_pm與光伏陣列伏安特性曲線的交點即為最大功率點，所以可以利用此線與局部陰影下光伏陣列伏安特性曲線的交點來確定第一步結(jié)束時的工作電壓；第二步是利用傳統(tǒng)的擾動觀察法從第一步確定的工作電壓開始進行最大功率點跟蹤。傳統(tǒng)復(fù)合MPPT算法在算法設(shè)計與程序編寫過程中，容易出現(xiàn)如下幾個問題：

1)當?shù)谝徊酱_定的工作電壓落到局部最小值點時，此時dP/dI＝0也成立，算法會因此誤認為當前局部最小值點為真正的最大功率點，造成誤跟蹤；

2)當?shù)谝徊酱_定的工作電壓落到偽最大功率點時，可能會將偽最大功率點當作真正的最大功率點，造成誤跟蹤；

3)第二步采用擾動觀察法雖然跟蹤效率較高且容易實現(xiàn)，但是在最大功率點附近的波動較大，無法滿足一定精度要求，而且可能由于外界環(huán)境突變而導(dǎo)致算法失效。

針對以上問題，需要對傳統(tǒng)復(fù)合MPPT算法稍作改進：

1)為了防止局部最小值點和偽最大功率點對算法造成誤跟蹤，在第一步需要記錄掃描過程中跟蹤到的極值點并進行比較；

2)第二步避免使用擾動觀察法，選擇跟蹤精度相對較高且受環(huán)境影響較小的電導(dǎo)增量法。

基于以上改進思想，改進后的復(fù)合MPPT算法流程圖如圖8所示，具體步驟：

第一步：初始化光伏陣列電池板的電氣參數(shù)和遮擋模式；

第二步：計算光伏陣列電阻：R_pv＝V/I；其中V為光伏陣列電壓，I為光伏陣列電流；

第三步：計算均勻光照下光伏電池的等效電阻：R_pm＝V_pm/I_pm；V_pm為等效電壓；I_pm為等效電流；

第四步：比較等效電阻R_pm與光伏陣列電阻R_pv的大小，若R_pm<R_pv，則保存局域最大值，并返回第二步，否則，執(zhí)行第五步；

第五步：利用電導(dǎo)增量法進行最大功率點跟蹤；

第六步：判斷光伏陣列輸出功率是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化，則獲取光伏陣列的開路電壓V_oc和短路電流I_sc，并執(zhí)行第七步，否則，執(zhí)行第八步；

第七步：判斷光伏陣列短路電流I_sc是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化，則返回第五步，否則，返回第二步；

第八步：判斷所跟蹤的功率點是否為最大功率點，若是，則執(zhí)行第九步，否則，返回最大功率點，并返回第五步；

第九步：鎖定最大功率點。

3仿真電路設(shè)計與元件參數(shù)計算

圖9為仿真電路總體設(shè)計框圖，主要包含PV模塊、DC-DC變換電路和PWM控制電路三大部分。DC-DC變換電路的作用是調(diào)整光伏系統(tǒng)的輸出電壓以便更好地進行跟蹤。本文以PV模塊的輸出電壓作為DC-DC變換電路的輸入電壓，因為PV模塊的輸出電壓偏小，需要進行升壓，所以本文的DC-DC變換電路選擇Boost電路；PWM控制電路的作用則是產(chǎn)生具有不同占空比的方波，控制變換電路中場效應(yīng)管的通斷，使輸出電壓值大小可調(diào)。

3.1單串陣列的Simulink仿真模塊

單串陣列的Simulink仿真模塊如圖7所示。其中，V為外部輸入電壓，由此可以計算出單串陣列的輸出電流，再通過可控電流源將其轉(zhuǎn)換為外部電流，從輸出接口2將其輸出到外部電路。圖中的S-Function是使用MATLAB語言編寫的S函數(shù)，是局部陰影下單串陣列數(shù)學模型的m文件用非圖形化方式表示的一個Simulink封裝模塊。因為光伏電池是典型的非線性元件，其輸出特性曲線為非線性曲線，所以在仿真電路中，利用S函數(shù)使m文件與Simulink模塊關(guān)聯(lián)起來。4個輸出值I_{sc_new}、V_{oc_new}、I_{m_new}和Vm_new是隨外界環(huán)境變化計算得到的新參數(shù)，用來參與MPPT模塊的跟蹤計算。

3.2MPPT的Simulink仿真模塊

MPPT的Simulink仿真模塊如圖8所示。這里按照圖5所示的改進復(fù)合MPPT算法流程，同樣使用MATLAB語言編寫的S函數(shù)，將改進復(fù)合MPPT算法的m文件封裝成Simulink模塊，使m文件與Simulink相關(guān)聯(lián)。由于本文算法的載體一般為PC機或單片機，如果使用正弦脈寬調(diào)制方式來控制逆變器，則還需另外搭建正弦波發(fā)生器，使算法變得復(fù)雜。因此本文直接使用MPPT模塊輸出的控制信號與一定頻率的三角波進行比較，從而構(gòu)造出合適占空比的方波。

3.3 Boost電路的Simulink仿真模塊與參數(shù)計算

Boost電路的Simulink仿真模塊如圖9所示，用于調(diào)整單串陣列的輸出電壓以滿足最大功率點跟蹤的需求，其中有三個主要的元件參數(shù)需要計算，即開關(guān)管頻率f、儲能電感值L和濾波電容值C。

3.3.1開關(guān)管頻率f的計算

開關(guān)管頻率越小，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間就越長，需要選取的電感也越大，大電感增加了系統(tǒng)的體積和重量，使系統(tǒng)變得笨重，但與此同時帶來的好處是開關(guān)管的損耗變小，使用壽命增加；開關(guān)管頻率越大，系統(tǒng)的工作效率會明顯提升，選取的電感值也越小，系統(tǒng)小巧輕便靈活，但與此同時開關(guān)管的損耗也非常明顯，發(fā)熱量加劇。所以，綜合考慮系統(tǒng)效率、體積、重量、成本、損耗等各方面的因素，本文的開關(guān)管頻率f選擇50kHZ。

3.3.2儲能電感L的選擇

當可控開關(guān)處于通態(tài)時，儲能電感從電源端獲取能量并積蓄起來；當可控開關(guān)處于斷態(tài)時，儲能電感與電源同時向電容充電并向負載提供能量。通過理論分析可知，Boost電路的升壓公式為：

其中U_o和U_i分別為輸出電壓與輸入電壓，D為占空比。忽略電路的損耗，輸入功率與輸出功率相等，即P_i＝P_o，U_iI_i＝U_oI_o，所以有

其中I_i和I_o分別為輸入電流與輸出電流。儲能電感選取的標準是能夠保證電路工作電流連續(xù)，此時電感電流的紋波分量應(yīng)滿足關(guān)系式：

Δi_L：電感電流紋波分量；

t_on：開關(guān)管開通時間；

U_i：輸入電壓；

L：儲能電感值；

D：占空比；

T：工作周期；

I_i：輸入電流。

其中t_on是開關(guān)管開通時間，T為工作周期，所以，電感取值應(yīng)滿足：

L：儲能電感值；

U_i：輸入電壓；

I_i：輸入電流；

D：占空比；

T：工作周期；

U_o：輸出電壓；

f：開關(guān)管頻率；

I_o：輸出電流。

本文選擇10塊特性仿真時用的無錫尚德公司的STP150S-24/Ac型太陽能電池板串聯(lián)組成單串陣列作為研究對象，最大開路電壓為433V，輸出電壓為500V，而通常陣列達到最大功率點時的電壓大約為開路電壓的78％，所以由式(7)可以算出占空比D約為30％，開關(guān)管頻率選擇50kHZ，將以上數(shù)值帶入式(10)中并考慮一定的裕量，本文儲能電感值選擇為800μH。

3.3.3濾波電容C的選擇

當可控開關(guān)處于通態(tài)時，電容上的電壓向負載供電；當可控開關(guān)處于斷態(tài)時，儲能電感與電源同時向電容充電^[20]。假設(shè)電容的電荷量為Q，則一個周期內(nèi)只有當開關(guān)管關(guān)斷(t_off)時才有Q>0，由Q形成的輸出紋波電壓為：

ΔU_o：由電荷量形成的輸出紋波電壓；

Q：電荷量；

C：濾波電容值；

I_o：輸出電流；

t_off：開關(guān)管關(guān)斷時間；

D：占空比；

T：工作周期。

C：濾波電容值；

I_o：輸出電流；

D：占空比；

T：工作周期；

ΔU_o：由電荷量形成的輸出紋波電壓。

各變量數(shù)值都不變，輸出紋波電壓取輸出電壓的0.2％，帶入式(12)中并考慮一定的裕量，本文濾波電容值選擇為10μF。

4仿真結(jié)果

結(jié)合第1節(jié)局部陰影下單串陣列輸出特性的分析、第2節(jié)改進的復(fù)合MPPT算法以及第3節(jié)設(shè)計的光伏系統(tǒng)多峰值MPPT仿真電路，對單串陣列P-U特性曲線雙峰值兩種不同的局部陰影遮擋情況進行MPPT仿真，驗證改進后的復(fù)合MPPT算法。

4.1最大功率點趨于電壓源區(qū)域

選取10塊無錫尚德公司的STP150S-24/Ac型太陽能電池板串聯(lián)起來組成單串陣列，電池板的標準參數(shù)為V_oc＝43.3V、I_sc＝4.72A、V_m＝34.5V、I_m＝4.35A，溫度設(shè)為25℃，其中2塊電池板處于1000W/m²的均勻光照下，8塊電池板受陰影遮擋影響，光照強度為500W/m²，通過模型仿真得出其理論輸出特性曲線如圖3、4中的P4所示。利用第3節(jié)中設(shè)計的光伏系統(tǒng)多峰值MPPT仿真電路進行改進復(fù)合MPPT算法的最大功率跟蹤仿真，從示波器得到的跟蹤曲線如圖10-12所示：

當系統(tǒng)工作穩(wěn)定時，輸出功率、工作電壓和工作電流的波動如圖13-15所示：

從圖3、4的仿真曲線P4可知，該遮擋模式下單串陣列的理論輸出功率約為720.68W，工作點電壓為328V，工作點電流為2.197A。從圖10-15的跟蹤曲線可以看出，改進復(fù)合MPPT算法仿真系統(tǒng)能在0.52s左右鎖定最大功率點，跟蹤到的最大功率點約為719.9W，功率波動幅度約為1.9W，工作點電壓穩(wěn)定在328V左右，電壓波動幅度約為12V，工作點電流穩(wěn)定在2.195A左右，電流波動幅度約為0.080A。

4.2最大功率點趨于電流源區(qū)域

選取的單串陣列與4.1節(jié)相同，電池板標準參數(shù)不變，溫度不變，遮擋模式改為其中8塊電池板處于1000W/m²的均勻光照下，2塊電池板受陰影遮擋影響，光照強度為500W/m²，通過模型仿真得出其理論輸出特性曲線如圖3、4中的P5所示。從MPPT仿真系統(tǒng)的示波器得到的跟蹤曲線如圖16-18所示；

當系統(tǒng)工作穩(wěn)定時，輸出功率、工作電壓和工作電流的波動如圖19-21所示；

從圖3、4的仿真曲線P5可知，該遮擋模式下單串陣列的理論輸出功率約為1201.88W，工作點電壓為279V，工作點電流為4.295A。從跟蹤曲線可以看出，改進復(fù)合MPPT算法仿真系統(tǒng)能在0.5s左右鎖定最大功率點，跟蹤到的最大功率點約為1197W，功率波動幅度約為13W，工作點電壓穩(wěn)定在280V左右，電壓波動幅度約為22V，工作點電流穩(wěn)定在4.275A左右，電流波動幅度約為0.350A。

對比改進復(fù)合MPPT算法對單串陣列在兩種不同局部陰影遮擋情況下的最大功率點跟蹤仿真，無論最大功率點趨于電壓源區(qū)域還是趨于電流源區(qū)域，該算法具有良好的跟蹤性能，可以快速準確地跟蹤到實際最大功率點并鎖定最大功率點，沒有受到局部最小值點和偽最大功率點的干擾，跟蹤誤差在工程允許的6％范圍內(nèi)。

MPPT：最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking)；

V_oc：光伏電池開路電壓；

I_sc：光伏電池短路電流；

V_m：光伏電池最大功率點電壓；

I_m：光伏電池最大功率點電流；

I-U特性：電流-電壓特性(伏安特性)；

P-U特性：功率-電壓特性；

R_pv：光伏電池電阻；

R_pm：等效電阻。

V_pm：等效電壓；

I_pm：等效電流；

PV：光伏(電池)；

DC-DC：直流-直流；

PWM：脈沖寬度調(diào)制((Pulse Width Modulation)；

Boost電路：升壓電路。

5總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)復(fù)合MPPT算法在跟蹤光伏系統(tǒng)多峰值最大功率點時可能出現(xiàn)的問題，提出了改進型的復(fù)合MPPT算法，即在掃描最大功率點領(lǐng)域的過程中增加了保存局域最大值并比較的環(huán)節(jié)，在鎖定最大功率點的過程中利用精度相對較高且受環(huán)境變化影響較小的電導(dǎo)增量法來替代傳統(tǒng)的擾動觀察法。通過在MATLAB/Simulink中搭建仿真電路，利用改進后的復(fù)合MPPT算法，分別對局部陰影下單串光伏陣列最大功率點趨于電壓源區(qū)域和電流源區(qū)域兩種不同的情況進行跟蹤仿真。仿真結(jié)果證明，無論實際的最大功率點落于何處，改進后的復(fù)合MPPT算法都能夠快速準確地跟蹤并鎖定，而且不會受到局部最小值點和偽最大功率點的干擾。