多波峰光伏MPPT算法研究与应用

李海清，刘静

（成都科达光电技术有限责任公司，四川成都，610040）

0 引言

光伏发电被广泛认为是清洁、安全、可靠的重要能源技术之一，实现其发电效率最大化一直是业界的研究重点和难点。本文提出一种多波峰光伏MPPT（最大功率点跟踪）算法，采用电压记忆法，通过确定谷值、谷值定界、多域比较、定域搜索等技术来实现快速准确跟踪，突破现有单峰值算法或固定周期扫描法的缺陷，大幅提高了光伏发电效率和稳定性，具有良好经济效益和社会效益。

1 现状及存在的问题

光伏发电的光照特性曲线是一条PU曲线，表现为抛物线函数P＝f（U），光伏并网的一个主要技术点是控制工作电压U在一个合理值Umax，使输出功率P处于最大输出点Pmax。但是在实际应用过程中带有旁路二极管的光伏组件在局部阴影的遮蔽下，其输出的P-V特性是由多个局部峰值构成的非线性曲线，存在多个极值点U1max、U2max...UNmax，如图1所示。

图1 带旁路二极管的串联光伏组件在非均匀光照下的特性曲线

传统的单峰值算法针对阴影遮蔽采用固定周期扫描法判断工作状态，这种方法避免了系统陷入局部不工作的问题，但是在实际使用中，阴影并不是一成不变的。当阴影发生变化的时候，全周期扫描法是被动的，没法做到实时性，只能实现当阴影发生之后某一时间段内动作，因此耗时长；同时整个扫描范围涵盖从零到系统最大电压，扫描范围大，没有优化算法比较简单，所以无论是从阴影情况的转变、系统响应的实时性等方面都存在一定缺陷，导致无法准确跟踪真正的最大功率点，从而造成功率损失，影响发电效率。鉴于此，本文旨在建立一种能够大幅提高多波峰情况下的MPPT效率的算法，实现最大功率点的快速跟踪，进而提高发电的输出效率。

2 多波峰光伏MPPT算法模型构建

研究发现光伏件有两个特性：一个是当光照强度变化时，对系统的最佳工作电压点影响很小，对电流影响很大；另一个是前后一分钟内环境温度不可能突变，任何一块组件一分钟之内环境温度变化不超过5度，一分钟之内环境温度的影响顶多带来3.3%的最佳工作电压波动。所以在该算法中可以定义下一分钟同上一分钟的最佳工作电压发生5%以上变化时，光伏系统发生异常，即有阴影情况发生。当判断局部阴影时，通过确定谷值、谷值定界、多域比较、定域搜索方法迅速找出最大功率输出值，跟踪过程如图2。下面简要阐述该算法的关键步骤。

图2 MPPT扫描过程图

步骤一，系统工作电压满足公式的确定。如前文所述系统最佳工作电压对环境温度较敏感，且满足公式Vmppt＝Vmppt0＊（1+0.64%＊ΔT）其中Vmppt为系统最佳工作电压，T为环境温度。当温度变化为5度时，电压变化率不超过3.3%，算法中定义下一分钟同上一分钟的最佳工作电压发生5%以上变化时，有阴影情况的发生。

步骤二，阴影判断公式的确定。在没有阴影遮挡时，光伏板自身特性和组串方式决定了最开始工作时初始最佳工作电压，当某一串中某一些组件发生严重遮挡或这种遮挡消失时，工作电压变化较大。而任何一块组件出现阴影问题时，把上一分钟的工作电压记忆下来，作为下一分钟阴影情况的判断条件，是动态且主动的，确定判断公式就是：U2≠U1＊（1±5%）其中U1为上一分钟的工作电压，U2为下一分钟的工作电压。

步骤三，阴影扫描。当局部阴影出现时，系统并不知道当前工作点是不是系统最佳工作点，需要进行扫描并找出其他局部最佳工作点并比较。当此种情况发生后，以当前电压为原点向上一分钟最佳工作点扫描，扫描超过上一分钟最佳工作点后继续沿同一方向扫描，直到找到离上一分钟最佳工作点最近的一个局部最佳点为止，然后进行比较这个过程中所找到的最佳工作点功率，功率最大的地方就是系统的最佳工作点。此处开创性的通过记忆上一分钟的最佳点工作电压，作为系统阴影情况的判断条件，并选择谷值定界法，由于谷值的数目少于峰值数目，如图1中有三个峰值，只有2个谷值，即可减少工作量。而且运用谷值定界时，对谷值的准确度要求较低，知道大概数值即可，因此步长可以选取较大值，加快搜索进度。

3 多波峰光伏MPPT算法的应用

■3.1 最大功率跟踪（MPPT）装置设计

为了配合实现多波峰MPPT跟踪算法，设计了一种最大功率跟踪装置，其核心电路如图3所示。此装置特点在于采用多个温度传感器以及温度信号放大模块，能够实现对温度信号的快速放大并传输，进一步提高了最大功率跟踪太阳能控制器控制箱效，降低了电能损耗，其温度信号放大模块原理如图4所示。设计出的光伏发电并网系统总拓扑图和两级式电路结构，通过光伏系统工作电压满足公式，进行阴影判断公式的确定。

图3 最大功率点跟踪电路示意图

图4 温度信号放大模块原理图

■3.2 最大功率点跟踪技术的应用

利用IOS/Android系统监控的云端互联网技术和最大功率点跟踪控制技术，设计出两级式电路结构，其中DC/DC（Buck-Boost变换器）部分实现直流升降压和MPPT控制器的功能，而DC/AC（单相全桥）部分则完成并网逆变功能，在逆变过程中充分利用宽禁带半导体器件的优点，采用碳化硅肖特基二极管作为续流二极管，提高电路工作效率和输出波形质量。最后在MATLAB软件Simulink中建立相应的单相逆变电路仿真模型，在仿真过程通过调整电路中的一些参数，最终得到正弦波信号输出，从而达到设计额定功率的99.9%。

4 结束语

针对目前光伏发电应用中出现局部阴影遮挡，降低工作性能和发电效率的问题，本文研究提出了一种多波峰光伏MPPT算法，实现了没有阴影情况发生时，光伏系统按照正常模式全功率运行。当阴影情况发生时，多波峰算法能主动记忆、扫描、比较，提升动态跟踪效率，增强光伏的稳定接收能力，提高发电效率，适合推广到分布式光伏发电、微电网发电等应用场景。