部分遮挡条件下光伏发电的MPPT算法研究

摘要：本文在研究了现有的几种MPPT算法的基础上，针对典型的多峰型P-U曲线，提出一种变步长扰动观察+峰值切换的MPPT算法，能够在保证准确率的前提下大幅提高最值的搜寻速度，对于光伏发电功率和效率的提高具有积极意义。

关键词：MPPT 部分遮阴 多峰值P-U曲线

 

1 引言

光伏发电的原理是多块太阳能电池通过串并联的方式组成阵列，对外输出功率，因此在光照不均匀甚至部分遮挡的条件下，每个电池的工作状态会有很大区别，输出的I-U曲线呈现阶梯分布，相应的P-U曲线就会出现多峰的特点。而MPPT控制器的目的就是让光伏阵列时刻工作在最大功率点附近，提高转换效率。

2 扰动观察型MPPT算法及分析

多峰值P-U曲线的最大功率点跟踪可以抽象为多峰值函数求最大值的问题。最大值问题的解决方法可以是用一组功率等高线（P-U坐标中表示相同功率的一组曲线）与该曲线求交点；或遍历该曲线后记录最大值点。但上述方法却都不能用于MPPT控制。原因在于P-U曲线不是已知函数，并且每时每刻都可能变化。

目前最常用的MPPT控制算法是扰动观察法（P&O）。该算法从P-U曲线的近原点端开始，逐步对系统施加一定大小的正电压扰动，然后观察其输出功率是否增大，并按此循环逐步搜寻到最大功率点。但该算法容易将局部极值当做最大值，且搜寻速度较慢，容易形成稳态震荡，因此不适用于部分遮挡条件下的MPPT控制[1]。

3 变步长扰动观察+峰值切换MPPT算法

文献[1]和文献[2]中已经对扰动观察法进行了改进，通过改变扰动步长的方式来提高峰值的搜寻速度，但是适用的对象仅限于单峰P-U曲线。而多峰曲线相比单峰曲线的难点在于如何避免将局部极值错当做最大值。此处在变步长扰动搜寻极值点的基础上增加峰值切换机制，算法流程图如图1，大致可以分为三大步骤：

1)从开路电压开始向左寻找第一个峰值。首先设定一个稳定阈值H，当扰动造成的功率变化在之间时认为已经搜寻到极值，扰动步长；否则。其中变步长系数K在功率变化为正时取负，反之取正，具体数值可根据需求拟定。由于与成正比，当远离极值点时，步长较大，搜寻速度快；当接近极值点时，步长较小，搜寻准确且不易震荡。

2)从第一个峰值向左，以扰动法搜寻等功率点，但此时扰动的方向不再是双向可调，而是单调向左；观察的对象也不再是功率变化值，而是功率值。由于两峰值之间最小电压差是0.8倍的电池元开路电压[3],保险起见，首次扰动的电压值可以取0.7倍电池元开路电压，可以大幅节省搜寻时间。若搜寻到等功率点则进入步骤3，否则得出该峰值就是全局最大值的结论，搜寻结束。

3)用小扰动法判断该等功率点处的斜率（即），若为正，则用扰动观察法向右搜寻；反之向左搜寻，得到新的峰值，替换原有峰值最为当前最大值后重复步骤2。

 

  图1 变步长扰动观察+峰值切换MPPT算法流程图              图2 算法优越性测试

4 算法优越性测试

   测试比较的对象是传统的变步长扰动观察法MPPT算法。将相同型号的两块太阳能电池板分别与两个待测试的控制器相连，放在同一位置接收日照，用万用表分别测试其输出电压电流，计算得到对应输出功率并分别绘制成曲线，如图2所示，其中正午12点和下午2点给予模拟遮阴。可见正常日照情况下两种算法的差别不大，但在部分遮阴条件下，本文算法相对传统算法的输出功率明显提高，这是传统算法将局部峰值错当做了最大值的结果。

5 结论

    本文在传统的变步长扰动观察MPPT基础上，增加了峰值切换的机制，从而确保局部极值不被当做全局最大值，有效提高部分遮阴条件下多峰P-U曲线的MPP点搜寻准确率，保证光伏阵列最大输出效率，具有一定的应用价值。

 

参考文献

[1] 张国梁等，基于改进扰动观察法的光伏MPPT研究[J]，电源技术，2017.1，vol41，No1

[2] 谢伊雯等，基于改进变步长扰动算法的光伏系统MPPT控制[J]，电力电子技术，2017.1，Vol51，

No1

[3] Patel H，Agarwal V．Maximum power point tracking scheme for PV systems operating under partially shaded conditions[J]．IEEE Trans on Industrial Electronics，2008，55(4)：1689—1698