【阿波罗名家谈】你是电，你是光，你是阴影状态下的算法……

1. 引言

均匀光照条件下光伏阵列的输出功率存在唯一的最大功率点。而在局部阴影条件下，光伏阵列的输出功率存在多个局部最大功率点，且一般来说只有一个是全局最大功率点(GMPP)，若此时仍采用常规的单峰值MPPT算法搜索全局最大功率点，极可能导致MPPT算法陷入局部最大功率点，导致输出功率的损失。因此本文研究局部阴影条件下搜索光伏阵列全局最大功率点的控制算法，深入探讨了局部阴影条件下多峰值MPPT方法。

2.  局部阴影条件下MPPT算法

2.1 基于两步法的全局MPPT算法

当光伏阵列处于局部阴影下时，其P-U输出特性会呈现多峰值，其中最常见的是双峰值情形，当出现双峰值时，P-U输出特性存在两种情况，如图1-1所示。采用常规MPPT算法时，算法启动时一般是从开路电压附近处向最大功率点移动。对图1-1(a)中的情况，其全局最大功率点电压靠近开路电压，因此采用常规MPPT算法可以追踪到全局最大功率点，不会发生误判现象；而图1-1(b)中，靠近开路电压处是局部最大功率点，采用常规的MPPT算法追踪到的就是靠近开路电压的，而不是全局最大功率点，这样就造成了误判，导致系统功率损失。

图1-1 局部阴影条件下光伏阵列的两种P-U特性

如图1-2所示为双峰值下I-U输出特性，定义阴影参考线为式(1.1)，等效负载电阻线为式(1.2)。

式中， 为有阴影的光伏组件的开路电压， 为有阴影的光伏组件的短路电流，、为在线测得的开路电压和短路电流。

图1-2 两步法示意图

如图1-2中，两个峰值点分别为和，全局最大功率点为，即 。的功率可近似为，而的功率可近似为，这样可得，等效负载线如图1-2所示与I-U特性曲线相交于C点，位于恒流区。同理当最大功率点为，即时，则，此时等效负载线与I-U特性曲线的相交位于恒压区即图1-2中B点的左边。从上面的分析可得：等效负载电阻线与光伏阵列I-U输出特性的相交点位置与全局最大功率点所在区域相关。这就是两步法的主要理论依据，具体实现步骤如下：

第一步，快速搜索等效负载电阻线与光伏阵列I-U输出特性的相交点，如图1-2中的点C。

第二步，从C点处利用单峰值MPPT算法（如扰动观察法和电导增量法）进行全局最大功率点跟踪。

两步法在实施中，存在以下误判现象：

1) 当交点C点为极小值点时，此时等于零，系统会直接停留在C点，从而无法搜索到最大功率点；

2) 当光伏阵列P-U输出特性曲线超过2个峰值时，这样即使确定了C点，在搜寻的范围内还可能存在多个极值点，从而导致算法失效。即这种算法只适用于2个峰值下的最大功率点跟踪。

2.2 基于全局扫描的全局MPPT方法

全局扫描法中系统按一定的步长从小到大逐步扫描电压，并通过检测光伏阵列的输出电压和电流，得到输出功率，最后通过比较各个扫描点功率的大小得到全局最大功率点。基于全局扫描的扰动观察法则是将全局扫描和 P&O法进行结合，这样既可以避免发生全局最大功率点误判现象也可以提高MPPT跟踪精度，是一种复合的MPPT控制策略。但此控制策略跟踪速度较慢，在扰动周期为0.05s时跟踪到GMPP需耗费1s左右，相当于耗费了20个步长。且该方法同样存在扫描步长与系统快速性和准确性无法兼得的问题，如果扫描步长较小，将增加全局扫描的时间从而降低了快速性，如果扫描步长较大，可能会漏掉GMPP从而降低了准确性。

2.3 基于POC法的全局MPPT算法 

两步法建立在概率统计的基础上，当存在多个峰值时容易发生误判，存在局限性。而全局扫描法MPPT算法由于扫描时间过长，导致功率损失较大。而基于POC法的全局MPPT算法能很好的解决上述问题。
如图1-3所示为一种局部阴影情况下光伏阵列的P-U输出特性曲线，下面以图1-4为例，具体说明POC法的主要思想：

图1-3一种局部阴影下光伏阵列输出特性

1)  如图1-4(a)所示，首先采用常规的P&O法从开路电压处进行搜索，检测出第一个峰值点MPP1，并记录该点功率值为。

2)  然后从接近短路电流的某个低电压处往电压增大的方向搜索，依次搜索出峰值点MPP2、MPP3和MPP4，相应的功率值为、和。每次搜索到一个局部最大功率点，将这个局部最大功率点的功率与系统之前存储的最大功率点进行比较，如果新搜寻到的局部最大功率点处的功率大，则将全局最大功率点进行替换，然后继续搜索，直到搜索完毕，确定全局最大功率点为MPP3。


在具体实现过程中，POC法不同于扫描法的地方在于POC法能有效减少电压扫描范围，提高快速性的同时保证准确性。如图1-4所示为光伏阵列的I-U和P-U输出特性，通过此图来说明POC法的具体实施步骤：

图1-4POC法搜索过程示意图

首先采用常规的P&O法从开路电压处进行搜索，检测出第一个峰值点MPP1，并记录该点、、。为减少搜索电压范围，进而减少能量损失，定义各峰值对应工作点之间的最小电压差值由式（1.3 ）计算得到：

式中， Umppoc为最接近开路电压处的第一个峰值点的电压，n为光伏阵列支路中并联旁路二极管的总数。然后工作点转移到短路电流侧，工作电压为。在光伏阵列的I-U输出特性图1-4(a)中作3条等功率线a、b、c， MPP1位于等功率线a上， MPP2位于等功率线b上， MPP3位于等功率线c上。在I-U特性图上任意一点与U轴和I轴围成的面积即这点的输出功率，因此可知位于等功率线左边的工作点其输出功率小于等功率线右边的工作点。搜索的第一个峰值点为MPP1，位于等功率线a上，因此在等功率线a左边的工作点输出功率均小于，在搜索这部分电压范围时应该快速穿越，新搜索的工作点电压值可表示为：

式中，为系统此刻记录下的全局最大功率点，为系统上一个采样点的电流值，为系统确定的新工作点的电压值。由图1-4可知全局最大功率点肯定位于等功率曲线a右边的区域，具体阐述第2步搜索过程：第2步的搜索起始点为“1”点，由于此时“1”点位于等功率曲线a的左边，所以其输出功率必定小于，由式(1.4)确定下一步的工作点电压为点“2”。点“2”还是位于等功率曲线a的左边，所以继续由式(1.4)确定下一步的工作点电压为点“3”，因“3”点位于等功率曲线a上，系统判断此时，放慢搜索速度，启动扰动观察法进行最大功率点跟踪，直到跟踪到峰值点MPP2，然后比较MPP2与MPP1的功率值大小，若<，则更新存储的、、，否则保持不变。

图1-5 POC算法流程图

当系统搜索到峰值点MPP2时，此时<，说明还没有搜索到峰值点MPP1附近区域，需要继续搜索。此时将系统中记录的全局最大功率点替换为， 等功率曲线b替换等功率曲线a，新的搜索起始点为“4”点，由于“4”点位于等功率曲线b的左下方，继续快速搜索，直到系统工作到“7”点，再次启动 P&O法搜索新峰值点MPP3，比较新峰值点的功率与记录的全局最大功率点功率的大小，由图1-4可知比较后系统将记录的全局最大功率点替换为 ，等功率曲线b也被替换成等功率曲线c。然后继续搜索，新的起始搜索点为“8”，此时判定U>，说明系统已经搜索到达峰值点MPP1附近区域，停止搜索。POC算法的流程图如图1-5所示，图中为下一步的起始点电压。


通过上述分析可知，POC法在光伏阵列输出存在多个峰值时同样适用且跟踪最大功率点速度较快，克服了两步法的缺点，但实施过程中要从短路电流附近进行搜索，对控制电路要求较高，且步骤较为复杂，下期笔者会给大家带来一种更快速且可靠性高的全局MPPT方法，欢迎大家到时批评指正。

责任编辑：李舟生

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