CN113934251A - 一种基于等功率曲线法的多峰值mppt算法 - Google Patents

一种基于等功率曲线法的多峰值mppt算法 Download PDF

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CN113934251A CN202111071357.5A CN202111071357A CN113934251A CN 113934251 A CN113934251 A CN 113934251A CN 202111071357 A CN202111071357 A CN 202111071357A CN 113934251 A CN113934251 A CN 113934251A
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Abstract

本发明公开一种基于等功率曲线法的多峰值MPPT算法，将从光伏电池的数学模型进行系统搭建，对光伏阵列不同温度、不同光照、不同遮挡模式下的输出特性进行研究，确定不同遮挡模式与最大功率点所处位置的关系，进而确定局部峰值的个数和具体分布，依据特性曲线提出了一种全局最大功率跟踪算法——等功率曲线扫描法，通过理论分析、数学建模、最终在Matlab软件中进行仿真，验证了该算法在不同阴影模式下的优越性及可行性。

Description

一种基于等功率曲线法的多峰值MPPT算法
技术领域
本发明涉及一种MPPT算法，具体涉及一种基于等功率曲线法的多峰值 MPPT算法。
背景技术
光伏系统在实际工作中，复杂的环境因素产生的局部阴影通常使得光伏阵列的电流-电压(I-V)特性曲线变成阶梯状，而功率-电压(P-V)特性曲线呈现出多个峰值。而传统的最大功率点跟踪方法如爬山法、电导增量法、扰动观察法、恒压/恒流法等，可能无法跟踪到全局最大功率点，从而导致光伏阵列输出功率显著降低，这些方法通常都是对单峰值曲线中的最大功率点进行跟踪，而在多峰值情况下容易陷入局部极值而使得跟踪失败，如文献 Photovoltaic Off-grid Inverter Based on Double Closed-loop and RepetitiveControl[J]，提出的粒子群优化算法本质上说是一种全局扫描法，但对于粒子群以及合理的步长选择却不易实现，粒子群范围选择太小或扫描步长太大，会遗漏全局最大功率点，如粒子群范围太大或步长太小会使得跟踪效率很低，使得整个系统运行效率低。文献Maximumpower-point tracking of multiple photovoltaic arrays：a PSO approach[J]，提出的一种PSO 方法虽然收敛速度很快而且能准确跟踪到全局最大功率点，但在实际运行中会出现反复振荡过程，要解决该问题就需要特定的硬件系统来共同实现稳定功率输出，显然，这样增加了系统的成本以及繁杂性。文献Maximum power point tracking scheme for PVsystems operating under partially shaded conditions[J]提出的当阴影发生变化时，迅速提升整个阵列的参考电压给定值来从新跟踪GMPP，该方法与传统最大功率点跟踪法相比有了很好的改进。近年来，适用于局部阴影条件的多峰MPPT方法是目前的研究热点，已经涌现出很多研究成果来实现多峰值最大功率点跟踪。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于等功率曲线法的多峰值MPPT算法，本文将从光伏电池的数学模型进行系统搭建，对光伏阵列不同温度、不同光照、不同遮挡模式下的输出特性进行研究，确定不同遮挡模式与最大功率点所处位置的关系，进而确定局部峰值的个数和具体分布，依据特性曲线提出了一种全局最大功率跟踪算法——等功率曲线扫描法，通过理论分析、数学建模、最终在Matlab软件中进行仿真，验证了该算法在不同阴影模式下的优越性及可行性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一基于等功率曲线法的多峰值MPPT算法，
步骤一、多峰值光伏阵列模型
(1)阴影条件下输出特性分析
测试条件为标准情况下的环境因素，即S＝1000W/m2，T＝25℃。正方形光伏阵列进行研究，提供的光伏电池，其中的光伏阵列中任意一条支路结构，M1、 M2、M3、...Mn串联成一条支路，支路上端的Db是一个阻塞二极管，当支路输出电压过低、电流发生倒流时Db起到保护组件的作用；D1-Dn是为电流提供通道的旁路二极管，用来防止由于热斑效应对光伏组件的损坏；
由I-V输出特性可得：当任意一条串联支路中的组件受到局部阴影的影响时，必将导致该组件的短路电流Isc降低；此时，当负载较小时，各个组件都满足正常工作条件，对外输出功率，没有电流流经旁路二极管；但当负载较大时，假如I>ISC1，同时I<ISC2，I<ISC3......I<ISCn，则会出现M1不但不输出功率，反而消耗功率，相当于一个负载，此时旁路二极管D1就起到保护的作用了，承受反压，U1<0，Id1>0，P1＝U1I1<0；当负载继续增大，就会出现越来越多的组件不能正常工作，从而消耗更多的功率；
对该阵列进行仿真，输出I-V、P-V特性曲线，光伏组件在局部阴影条件下I-V 为阶梯状输出曲线，P-V为多峰值输出曲线，在一定范围内存在极大值；从功率输出曲线可见，当电流较小时，支路的输出电压却很大，此时各个支路均有功率输出；当电流较大时，支路的输出电压却很小，有些支路不但不输出功率，反而消耗功率；
各个支路处于不同的局部阴影下，P-V特性曲线不同，对应的MPP不同，虽然多条支路并联后电压一致，但却不能保证每条支路恰好同时工作在最大功率点上，传统MPPT算法仅仅是对整体MPP进行跟踪，却忽略了支路并联造成的功率损失；因此，再针对支路并联后的光伏阵列进行改进，提出改进办法；
(2)不同遮挡下光伏阵列输出特性
对光伏阵列进行遮挡和不遮挡的仿真分析，得出根据不遮挡：输出最大功率相同；遮挡：随着阴影遮挡区域的增大，整个组件损失的功率也增大，得出针对局部阴影条件下MPP的判断：根据遮挡确定MPP的大致位置，然后运用传统单峰值MPPT算法进行控制，从而解决了将功率极大值误判为全局最大值的问题；
步骤三、基于等功率曲线的多峰MPPT算法：
1)等功率曲线
第一步：采用与普通单峰值MPPT跟踪算法相同的步骤，找到任意一个LMPP，同时记录该局部最大功率点对应的三个重要参数(PM1，UM1，IM1)，此时系统默认PM1＝Pmax为最大功率点；
第二步：从I-V特性曲线的另一侧分别扫描得到每一个局部峰值点对应的功率值PM2、PM3、PM4......，依次与第一步中的最大功率点进行比较，若此时 PM2≥PM1，则此时Pmax＝PM2，反之，最大功率点不改变，依然是Pmax＝PM1，以此类推，直到确定全局最大功率点。
进一步的，等功率曲线算法在全局扫描法中的具体实现步骤，其包含最大功率点跟踪的两个主要部分：
①：首先以开路测电压为出发点搜寻到第一个最大功率点MPP1并记录保存；
②：由短路电流侧依次扫描搜寻，追踪并记录每一个局部峰值点处的功率值，然后相互比较，最终确定全局最大功率点。
进一步的，相邻局部最大功率点之间至少相差一个UMPP UMPP代表光伏组件在该环境下的最大功率点对应的电压值，令d＝UMPP，多峰值MPPT算法终止的条件为U>UM-d。
本发明的有益效果是：本发明揭示了一种基于等功率曲线法的多峰值 MPPT算法，该算法的引入，使得当系统工作在最大功率点较远距离时能够快速掠过，因此该算法工作效率很高，与传统算法相比其结构简单、输出功率明显增加，大大提高了系统优化设计流程，对光伏系统的运行具有实际参考价值。
附图说明
图1为光伏阵列中任意一条支路结构图；
图2带有反并联二极管等效电路图；
图3带有阻塞二极管的并联组件；
图4条支路光照强度；
图5光伏阵列输出特性曲线；
图6组件序列输出特性曲线；
图7三种阴影遮挡模式；
图8三种阴影覆盖模式光伏组件I-V特性曲线；
图9三种阴影覆盖模式光伏组件P-V特性曲线；
图10具有相同阴影覆盖形状但阴影覆盖种类不同的阴影模型图；
图11阴影种类对光伏阵列I-V特性曲线的影响；
图12阴影种类对光伏阵列P-V特性曲线的影响；
图13 3*2光伏阵列局部阴影模型；
图14光伏阵列局部阴影I-U特性曲线；
图15光伏阵列局部阴影P-U特性曲线；
图16等功率曲线扫描法的实现过程；
图17等功率曲线算法流程图(1)；
图18等功率曲线算法流程图(2)；
图19双峰值系统模型搭建；
图20双峰值光伏阵列P-V、I-V输出曲线；
图21双峰值等功率算法功率输出；
图22三峰值模型搭建；
图23三峰值PWM波生成模块；
图24三峰值光伏阵列输出特性；
图25三峰值等功率算法功率输出；
图26无遮挡模式下P/U、I/U输出曲线；
图27 1种遮挡模式下P/U、I/U输出曲线；
图28 2种遮挡模式下P/U、I/U输出曲线；
图29 3种遮挡模式下P/U、I/U输出曲线；
图30单相光伏并网发电系统的仿真模型；
图31并网电流与电网电压波形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
1.多峰值光伏阵列模型
一般厂家给与的测试条件为标准情况下的环境因素(S＝1000W/m2， T＝25℃)。图1为光伏阵列中任意一条支路结构图，M1、M2、M3、...Mn串联成一条支路，支路上端的Db是一个阻塞二极管，当支路输出电压过低、电流发生倒流时Db起到保护组件的作用。D1-Dn是为电流提供通道的旁路二极管，用来防止由于热斑效应对光伏组件的损坏[7-8]。
由I-V输出特性可得：当任意一条串联支路中的组件受到局部阴影的影响时，必将导致该组件的短路电流Isc降低；此时，当负载较小时，各个组件都满足正常工作条件，对外输出功率，没有电流流经旁路二极管；但当负载较大时，假如I>ISC1，同时I<ISC2，I<ISC3......I<ISCn，则会出现M1不但不输出功率，反而消耗功率，相当于一个负载，此时旁路二极管D1就起到保护的作用了，承受反压，U1<0，Id1>0，P1＝U1I1<0；当负载继续增大，就会出现越来越多的组件不能正常工作，从而消耗更多的功率。
当光伏电池处于正常无阴影状态时，旁路二极管无电流流过，系统正常工作且不受旁路二极管的影响，当某一块光伏电池存在阴影时，该光伏电池两端承受反压，此时旁路二极管导通，电流从二极管中流过，等效于将该部分光伏电池短路，保护光伏电池本身的同时也避免了对系统的干扰，在光伏阵列中，可以增加阻塞二极管，用来避免电流从正常工作的光伏电池流向问题电池串，从而解决光伏组件在并联连接时出现的错配现象，如果为每一串光伏电池都串联一个防反冲二极管，当某一串光伏电池出现问题时能及时避免系统对该串电池充电，从而有效的避免了热斑效应。实际应用中，考虑到经济成本和电子元器件自身损耗，一般情况下都采用多个光伏电池块串联连接在反并联旁路二极管中[9-10]。如图2为反并联旁路二极管的光伏电池组件，图3为带有阻塞二极管的并联组件。
本文首先以{5×5}光伏阵列进行研究，共有L1、L2、L3、L4、L5、5条支路，每条支路结构如图4所示，各组件对应的光照强度(W/m2)和MPP如表1 所示。
表1支路情况为5条时光照强度及MPP
Figure RE-GDA0003421398800000071
对该阵列进行仿真，输出I-V、P-V特性曲线如图5所示，由图可知，光伏组件在局部阴影条件下I-V为阶梯状输出曲线，P-V为多峰值输出曲线，在一定范围内存在极大值。从功率输出曲线可见，当电流较小时，支路的输出电压却很大，此时各个支路均有功率输出；当电流较大时，支路的输出电压却很小，有些支路不但不输出功率，反而消耗功率。
各个支路处于不同的局部阴影下，P-V特性曲线不同，对应的MPP不同，虽然多条支路并联后电压一致，但却不能保证每条支路恰好同时工作在最大功率点上，传统MPPT算法仅仅是对整体MPP进行跟踪，却忽略了支路并联造成的功率损失，因此，可以针对支路并联后的光伏阵列进行改进，提出改进办法。
为进一步研究光伏阵列在局部阴影下的输出特性，本文光伏阵列由 10×10个模块串并联组成，每条串联的支路数为n＝10，并联支路数为m＝10。按照光照的不同，将PV阵列分为5个组群(G1-G5)，从5个组群中分别选取一个组件进行分析，光伏阵列受到两种光照，无遮挡时：S＝1000W/m2，有遮挡时：S＝600W/m2。表3为仿真组件参数方案表，其中N1代表标准光照下的组数，N2代表有阴影遮挡的光伏组数，仿真结果如图6所示。
表2组件序列阴影遮挡方案表
Figure RE-GDA0003421398800000072
Figure RE-GDA0003421398800000081
针对表格2中的试验参数，图6中的仿真曲线a、b、c、d、e分别对应于光伏阵列中的组群G1-G5，由仿真结果可以看出，光伏组件在两种光照强度下的开路电压与短路电流相同。虽然光照强度对单个光伏模组的开路电压、短路电流基本没有影响，但是当光伏模组中有不同数量的组件受到局部阴影影响时，就会产生大小不同的电流，此时的旁路二极管Dn会在不同时间导通，这也就形成了I-V曲线中的两个膝行平台以及P-V曲线中的两个峰值。对于单条支路串联的光伏电池数均为10个，当此时N2<α×n(α＝0.6)时，没有阴影遮挡区的组件处于最大功率点；当N2＝α×n，遮挡区与非遮挡区输出的最大功率几乎一样；当N2>α×n，阴影遮挡区处于最大功率点；随着阴影遮挡区域的增大，整个组件损失的功率也增大，由此可得，针对局部阴影条件下MPP的判断，可以首先根据遮挡模式下大致确定MPP的位置，然后运用传统单峰值MPPT算法进行控制，从而解决了将功率极大值误判为全局最大值的问题。
2不同遮挡下光伏阵列输出特性
考虑到光伏阵列受不同光照影响的情况复杂多样，出于研究的由浅及深，首先对仅有一种局部阴影的情况进行仿真分析。仿真条件设定为：阵列温度 T＝25℃，正常光照无阴影遮挡时光强为：S＝1000W/m2，阴影遮挡区光照强度为：S＝600W/m2。下图为一种阴影下不同的遮挡模式对应的结构简图。图 7(a)为四条支路中的部分组件受到阴影遮挡，图7(b)为两条支路中的全部组件受到阴影遮挡，图7(c)为5条支路中均有部分组件被阴影遮挡。
图8为三种阴影遮挡下对应的I-V输出曲线，图9为三种阴影遮挡下对应的P-V输出曲线，图中阴影a、阴影b、阴影c分别对应a、b、c三种遮挡模式下的输出曲线。由输出特性曲线可以得出，虽然阴影遮挡下的光照强度相同，但对每一条支路的遮挡不同，输出特性也具有明显差异，同样遮挡块数的情况下，支路数受到的遮挡越多，功率输出受到的影响也越大，且成正相关，支路条数遮挡越多，输出功率越小[68-71]。
上文已经对一种遮挡模式下的输出特性进行了分析，接下来针对两种阴影遮挡下的光伏阵列输出特性进行研究，并且对一种遮挡和两种遮挡的输出特性进行对比分析。仿真条件设定为：阵列温度T＝25℃，正常光照时光强为：S＝1000W/m2，阴影遮挡区灰色部分光照强度为：S＝600W/m2，阴影遮挡区亮黑色部分光照强度为：S＝200W/m2。下图为两种阴影下不同的遮挡模式对应的结构简图。图10(d)为四条支路中的部分组件受到一种阴影遮挡，图10(e) 为四条支路受到两种阴影遮挡。
图11为两类阴影遮挡下对应的I-V输出曲线，图12为两类阴影遮挡下对应的P-V输出曲线，图中实线和虚线对应的曲线分别对应(d)、(e)三种遮挡模式下的输出曲线。由图11和图12可知，阴影遮挡种类越复杂，光伏阵列的P-V输出曲线峰值点越多，I-V输出曲线阶梯也越多。初步得出结论，阴影遮挡形式越复杂，输出特性情况也越复杂[72]。
根据以上原理建立如下图13 3*2光伏阵列的模型，每横行的光伏阵列光照强度按照1000W/m2、800W/m2、600W/m2模拟实际状况下的局部阴影状况，图14为光伏阵列电流输出曲线、图15为功率输出曲线。
由图14、15可知，采用串联阻塞二极管的同时反并联旁路二极管能很好地避免错配现象带来的不利影响，不足之处就是局部阴影带来的多峰值问题依然存在，因此，对于多峰值情况下最大功率点跟踪的研究具有实用意义。下文将详细介绍不同光照情况下对应的多峰值现象，为全局最大功率点跟踪算法的提出奠定理论基础。
针对上述提出的问题，国内外学者提出了多种解决方法，扫描法是现在应用比较广泛的一种GMPPT算法，该方法是对整个光伏阵列的输出特性曲线进行扫描，直到找到GMPP，该方法最为准确，但是，由于不间断的对非 MPP区域的进行扫描，会降低系统运行速度及增加功率损耗。基于对一些现有的多峰值MPPT算法的研究，提出了一种改进的全局扫测法—等功率曲线扫描法。
3等功率曲线的多峰MPPT算法
3.1等功率曲线的原理
基于等功率曲线法源于对常规全局扫描法的分析，其思想主要包含两步：
第一步：首先采用与普通单峰值MPPT跟踪算法相同的步骤，找到任意一个LMPP，同时记录该局部最大功率点对应的三个重要参数(PM1，UM1，IM1)，此时系统默认PM1＝Pmax为最大功率点。
第二步：从I-V特性曲线的另一侧分别扫描得到每一个局部峰值点对应的功率值PM2、PM3、PM4......，依次与第一步中的最大功率点进行比较，若此时PM2≥PM1，则此时Pmax＝PM2，反之，最大功率点不改变，依然是Pmax＝PM1，以此类推，直到确定全局最大功率点。
虽然该算法能够精确地找到GMPP，但由于不能避免在非MPP点处的采样搜寻，降低了整个系统的运行速度。为了尽量减少对非最大功率点处的采样时间，从而提出了等功率曲线的思想。如图16所示，首先画出PM1的等功率曲线A，显然，位于曲线A左下方的功率输出值均比PM1小，那么全局最大功率点一定落在了A曲线的右上区域。将第二步中电压初始值取到尽可能的小，不妨取U1＝δ，短路电流略微大于该点对应的工作电流I1，将Un+1＝Pm/In作为下一个工作点的取值，其中Pm为系统保存的最大功率值，In为系统采样得到的对应的电流值，Un+1为第n+1步的工作电压。由条件I3>I1及Un+1＝Pm/In可得U3>U2既PM1>P2，当电压继续增大，到达“3”，此时P3＝PM1，然后继续增加电压，从而找到新的最大功率点“MPP2”同时记录此时对应的(PM2，UM2， IM2)。运用第二步将两次搜寻到的最大功率值相比较，若此时PM2≥PM1，则此时的最大功率点Pmax＝PM2。继续增大较小的电压步长δ，直至到达“4”，同上，依然按照Un+1＝Pm/In确定工作点“5”处的参数(P5，U5，I5)。由于PM2≥P5，因此电压需要继续增加，直到工作点“6”，此时P6＝PM2，然后继续给电压增加一个很小的值，从而找到新的最大功率点“MPP3”。如图16可以看出相邻局部最大功率点之间至少相差一个UMPP(UMPP代表光伏组件在该环境下的最大功率点对应的电压值)，令d＝UMPP，则该多峰值MPPT算法终止的条件为U>UM1-d。
如图17为等功率曲线算法在全局扫描法中的具体实现步骤，其包含最大功率点跟踪的两个主要部分：①：首先以开路测电压为出发点搜寻到第一个最大功率点MPP1并记录保存；②：由短路电流侧依次扫描搜寻，追踪并记录每一个局部峰值点处的功率值，然后相互比较，最终确定全局最大功率点。
4.2模型搭建及仿真分析
根据以上相应的理论分析以及控制算法框图，首先利用Matlab软件在Simulink环境下搭建双峰值仿真模型如图19所示。
在2×1的光伏阵列中光伏阵列的参数分别设置为：UOC＝175.9V、 Um＝143.6V、ISC＝4.75A、Im＝4.25A。参数设定中PV1的光照强度依然为 S＝1000W/m2，将光伏阵列PV2的部分组件在0.5s时进行遮挡，由S＝1000W/m2突变为S＝600W/m2，则光伏阵列P-V、特性曲线由曲线ⅰ变成曲线ii，如图 20所示，光伏阵列的最大功率点由PM1变为PM2，如果仿真中对最大功率点的跟踪过程没有采用全局搜索过程，那么最大功率工作点将很有可能陷于局部峰值点，造成功率损失，而采用了GMPPT算法的仿真结果如图25所示。
由图21(a)等功率曲线追踪结果可以看出，基于等功率曲线的全局扫描法在0.53s时，由开路电压的左侧第一次搜寻到了第一个局部峰值点后，继续扫描，在0.6s搜寻到了第二个峰值点，两者进行了比较，比较之后得出全局最大功率点，最后稳定输出，由图21(b)最大功率输出曲线也很容易看出，首先寻找到第一个局部峰值点(PM2：325W)后，继续搜寻，找到了第二个局部峰值点(PM1：375W)，两者比较后，确定全局最大功率点为(PM1：375W)，在0.7s后稳定输出最大功率(UMPP＝136.4V，PMPP＝375W)，从而验证了该控制算法的稳定性及有效性。
为了进一步验证等功率算法的优越性，搭建光伏阵列输出功率为三峰值的系统模型，如图22所示。在3×1的光伏阵列中光伏阵列的参数分别设置为： UOC＝211.6V、Um＝157.5V、ISC＝4.75A、Im＝4.25A。将光伏阵列PV2的部分组件在0.3s时进行遮挡，由S＝1000W/m2突变为S＝600W/m2，光伏阵列PV3 的部分组件在0.4s时进行遮挡，由S＝1000W/m2突变为S＝400W/m2，图23 为三峰值最大功率PWM波生成模块。
图24所示为光伏阵列输出的P-V特性曲线。由于光照的突然变化，使得光伏阵列的最大功率由PM1变成了PM2。如图25所示，由仿真结果可以看出等功率曲线法能够快速响应环境变化，并且追踪到全局最大功率点，使系统稳定工作在最大工作点处。
由图25(a)可以看出，基于等功率曲线的全局扫描法在0.5s时，由开路电压的左侧第一次搜寻到了第一个局部峰值点后，继续扫描，在0.52s时搜寻到了第二个峰值点，之后继续扫描跟踪，在0.64s时搜寻到第三个峰值点，三者进行了两两比较，比较之后得出全局最大功率点，最后稳定输出，首先，系统在稳定后逐渐对光伏阵列进行最大功率点跟踪，在搜寻到第一个局部峰值点后的0.06s记录下此时的峰值(PM3：104W)，继续搜寻，在搜寻到第二个局部峰值点后的0.13s记录此时的峰值点(PM2：215W)，两者进行比较，确定此时最大功率点为215W，并记录输出，而后继续搜寻，搜寻到第3个局部峰值点后的0.17s记录下此时的峰值(PM1：325W)，将此时的峰值点与之前保存的峰值点进行比较后得出全局最大功率点325W，并在0.7s后对最大功率值稳定输出。从而验证了该控制算法的稳定性及有效性。
综上所述，由上述两峰值、三峰值系统模型控制输出可得，基于等功率曲线扫描法的GMPPT控制算法能够实现传统MPPT算法不能实现的多峰值最大功率点跟踪，能够针对两峰值及多峰值功率输出曲线进行全局MPP跟踪，从而实现当光伏阵列处于局部阴影遮挡或光照条件发生变化时，系统能够快速准确地锁定新的最大功率点，并稳定输出。
4.实验验证
本实验首先对太阳能电池板进行性能测试，电池板型号为STPID150S-24，测试该电池板的开路电压、短路电流以及光伏特性曲线。厂家提供的太阳能电池板参数如下：Uoc＝43.3，Isc＝4.72AV，Im＝4.35A，Um＝34.5V，Pm＝150W。
为方便测试，选择天气晴朗日，实验只需要测得P-U曲线，I-U曲线可以通过功率电压关系求出。实验过程中用到电子负载器，用来实现电压的均匀变化，可实现电压从1V开始直至功率为0W，只所以采用该器件，是因为与滑动变阻器相比，该器件精度高、可操作性好。整个实验是在全天候测试，每次实验前都需要实测电池板实时温度以及对应的光照强度。上午10点时电池板温度为48℃，对应的光照强度为1350W/m2，中午12点时电池板温度为 60℃，对应的光照强度为1380W/m2。首先，将电子负载器的工作模式设定为固定电压负载(CV)模式，电池板的方位由短路电流来确定，太阳能电池板测量最佳角度对应短路电流最大值。在早上10时，光伏电池板的角度为东南方向，此时电子负载器对应的短路电流最大为4.66V，在中午12点时，光伏电池板方位为正面倾斜正对太阳，此时电子负载器对应的电流最大为4.96V。
实验主要对四种遮挡模式进行测试，分别为：无遮挡、1遮挡、2遮挡以及3遮挡，其中(a)遮挡情况为：电池板2/3为正常光照、1/3为用A4纸模拟白色遮光板进行遮挡；(b)遮挡模式为：1/3为正常光照、1/3为用黑色薄膜遮挡、1/3为白色遮挡板遮挡；(c)遮挡模式为：1/3白色遮挡板遮挡、4/3无遮挡、 1/9黑色薄膜遮挡、1/9牛皮纸遮挡。实验前，分别用光照测量仪测得牛皮纸、黑色薄膜、白色遮光板遮挡后对应的光照强度为50W/m2、300W/m2、700W/m2。
实测过程中通过改变电子负载器的电压值值(1～x)V，同时记录每一个电压值对应的功率值，最后将实验结果导入Excel表，同时求出对应的电流值。如表3、 4、5、6分别对应无遮挡、一种、两种、三种遮挡模式所对应的电压、功率、电流测量数据。
表3无遮挡实验测量数据
电压(U/V) 1 2 3 4 5 6 7 8
功率(P/W) 4.68 9.36 14 18.66 23.33 28.01 32.58 37.03
电流(I/A) 4.68 4.68 4.67 4.665 4.666 4.668 4.65 4.628
电压(U/V) 9 10 11 12 13 14 15 16
功率(P/W) 41.69 46.26 50.89 55.54 60.13 64.79 69.48 74.3
电流(I/A) 4.632 4.626 4.626 4.628 4.625 4.628 4.632 4.64
电压(U/V) 17 18 19 20 21 22 23 24
功率(P/W) 78.86 83.43 88.24 92.67 96.94 101.43 106.18 110.78
电流(I/A) 4.639 4.635 4.644 4.634 4.616 4.61 4.616 4.616
电压(U/V) 25 26 27 28 29 30 31 32
功率(P/W) 115.69 120.02 123.91 127.91 130.55 132.51 132.18 130.38
电流(I/A) 4.628 4.616 4.589 4.568 4.502 4.417 4.264 4.07
电压(U/V) 33 34 35 36 37 38 39
功率(P/W) 125.06 116.45 103.08 85.17 85.68 34.02 0
电流(I/A) 3.79 3.425 2.945 2.366 2.316 0.89 0
获得以上实验测量数据后只需要在MATLAB软件命令行窗口处运用plotyy函数进行编程即可实现数据拟合，对于无遮挡模式，运行程序后得出以下曲线，如图 26为无遮挡模式下P/U、I/U输出曲线。
由图26可以看出，功率、电流的拟合曲线在电压为36V左右时，存在一个较大的误差，经过理论分析，该误差的形成是由于测量时产生的人为误差，可以避免，与光伏特性仿真输出波形基本一致。
表4遮挡模式实验数据
电压(U/V) 1 2 3 4 5 6 7 8
功率(P/W) 4.53 9.07 13.54 18.09 22.69 27.17 31.6 36
电流(I/A) 4.530 4.535 4.513 4.523 4.538 4.528 4.514 4.500
电压(U/V) 9 10 11 12 13 14 15 16
功率(P/W) 40.4 44.86 49.36 53.93 58.25 62.58 66.78 70.79
电流(I/A) 4.489 4.486 4.487 4.494 4.481 4.470 4.452 4.424
电压(U/V) 17 18 19 20 21 22 23 24
功率(P/W) 74.2 77.34 79.09 78.59 74.76 65.6 58.83 30.25
电流(I/A) 4.365 4.297 4.163 3.930 3.560 2.982 2.558 1.260
电压(U/V) 25 26 27 28 29 30 31 32
功率(P/W) 24.66 25.5 26.49 27.3 28.3 29.25 30.21 31.07
电流(I/A) 0.986 0.981 0.981 0.975 0.976 0.975 0.975 0.971
电压(U/V) 33 34 35 36 37 38
功率(P/W) 31.7 32.14 30.64 24.42 10.75 0
电流(I/A) 0.961 0.945 0.875 0.678 0.291 0
表4为1种遮挡模式下实验测得数据运行程序后得出以下曲线，图26为1种遮挡模式下P/U、I/U输出曲线。
由图27可以看出，太阳能电池板在一种遮挡模式，即两种光照强度下功率输出曲线会呈现两峰值，电流输出曲线呈现阶梯状，此时有两个局部最大功率点，与第四章两峰值仿真结果一致。
表5种遮挡模式实验数据
电压(U/V) 1 2 3 4 5 6 7 8
功率(P/W) 3.81 7.59 11.35 15.2 19.05 23.86 26.24 29.4
电流(I/A) 3.810 3.795 3.783 3.800 3.810 3.977 3.749 3.675
电压(U/V) 9 10 11 12 13 14 15 16
功率(P/W) 31.86 31.82 25.86 25.17 27.25 29.4 31.5 33.5
电流(I/A) 3.540 3.182 2.351 2.098 2.096 2.100 2.100 2.094
电压(U/V) 17 18 19 20 21 22 23 24
功率(P/W) 35.61 37.62 39.6 41.57 42.68 41.3 34.06 21.38
电流(I/A) 2.095 2.090 2.084 2.079 2.032 1.877 1.481 0.891
电压(U/V) 25 26 27 28 29 30 31 32
功率(P/W) 20.94 21.79 22.56 23.29 24.56 24.92 25.84 26.62
电流(I/A) 0.838 0.838 0.836 0.832 0.847 0.831 0.834 0.832
电压(U/V) 33 34 35 36 37 38
功率(P/W) 27.26 27.77 26.75 22.06 11.36 0
电流(I/A) 0.826 0.817 0.764 0.613 0.307 0
表5为2种遮挡模式下实验测得数据，对于2种遮挡模式，运行程序后得出以下曲线，图28为2种遮挡模式下P/U、I/U输出曲线。
由图28可以看出，当太阳能电池板存在2种遮挡模式，即此时光照强度为三种，功率曲线呈现三峰值，曲线拟合效果明显，与理论仿真基本吻合。
表6 3种遮挡模式实验数据
电压(U/V) 1 2 3 4 5 6 7 8
功率(P/W) 4.22 8.4 12.62 16.96 21.22 25.32 29.26 32.8
电流(I/A) 4.220 4.200 4.207 4.240 4.244 4.220 4.180 4.100
电压(U/V) 9 10 11 12 13 14 15 16
功率(P/W) 35.6 35.56 28.56 12.3 11.75 12.61 13.36 14.12
电流(I/A) 3.956 3.556 2.596 1.025 0.904 0.901 0.891 0.883
电压(U/V) 17 18 19 20 21 22 23 24
功率(P/W) 14.86 15.74 16.48 17.15 17.95 18.75 18.2 13.75
电流(I/A) 0.874 0.874 0.867 0.858 0.855 0.852 0.791 0.573
电压(U/V) 25 26 27 28 29 30 31 32
功率(P/W) 6.37 6.56 6.75 6.9 6.99 7.08 7.1 7.09
电流(I/A) 0.255 0.252 0.250 0.246 0.241 0.236 0.229 0.222
电压(U/V) 33 34 35 36 37 38
功率(P/W) 7.05 6.9 6.88 6.76 4.97 0
电流(I/A) 0.214 0.203 0.197 0.188 0.134 0.000
表6为3种遮挡模式下实验测得数据，对于三种遮挡模式，运行程序后得出以下曲线，图29为3种遮挡模式下P/U、I/U输出曲线。
由图29可以看出，3种遮挡模式下，即此时太阳能电池板收到四种光照强度但功率只出现了三峰值，与理论预期稍微有偏差，也间接说明了光伏太阳能电池板在实际应用中当受到不同阴影遮挡时，输出特性是十分复杂的，这对于多峰值最大功率点跟踪技术具有一定的指导意义。
为了验证系统的整体控制效果以及系统鲁棒性，搭建整个光伏系统的仿真模型。系统最终的电路结构采用如下控制策略：前级DC/DC模块采用3KW光伏阵列输出(并联光伏电池)，并采用外推追赶迭代法实现对光伏阵列的最大功率跟踪，而后级DC/AC模块采用无差拍控制算法实现对并网逆变器的控制，整个系统的模型搭建如图30所示。图31为并网电流与电网电压波形。
由输出结果可以看出，整个系统实现了并网电流与电网电压的同频同相，满足并网要求，并网滤波器滤波效果良好，对馈入电网电流的谐波起到了很好的抑制，总谐波失真(THD)为2.12％，远小于并网要求的5％，符合并网要求，从而验证了系统整体电路结构合理以及控制策略的准确性及可行性。
6.小结
本文首先对光伏阵列在不同阴影遮挡下的I-V、P-V特性曲线输出进行了模型搭建，得到输出特性与温度、光照强度、遮挡方式以及阵列模式有着重要的关联，从而给出全局最大功率点的分布与遮挡模式的关系，为多峰最大功率点的跟踪建立了很好的基础，在光伏阵列仿真模型的基础上，搭建了一种等功率曲线 GMPPT算法模型，分别对两峰值、三峰值情况下进行了仿真输出，该算法的扫描范围是整个特性曲线，通过比较局部峰值点最终得到全局最大功率点，使得当系统工作在最大功率点较远距离时能够快速掠过，因此该算法工作效率很高，与传统算法相比其结构简单、输出功率明显增加，验证了算法的有效性，大大提高了系统优化设计流程，对光伏系统的运行具有实际参考价值。针对单峰值MPPT 算法无法实现多峰值最大功率跟踪问题进行深入分析，搭建了局部阴影下光伏阵列输出模型，分析不同遮挡模式下的输出特性，提出了一种全局扫测法—基于等功率曲线扫描法的MPPT算法，搭建了两峰值、三峰值跟踪模型，该算法具有预测功率曲线极值点位置、快速锁定全局最大功率点的优势，仿真及实验结果验证了该算法的可行性，在跟踪效果上具有明显的优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于等功率曲线法的多峰值MPPT算法，其特征在于：
步骤一、多峰值光伏阵列模型
(1)阴影条件下输出特性分析
测试条件为标准情况下的环境因素，即S＝1000W/m2，T＝25℃。正方形光伏阵列进行研究，提供的光伏电池，其中的光伏阵列中任意一条支路结构，M1、M2、M3、...Mn串联成一条支路，支路上端的Db是一个阻塞二极管，当支路输出电压过低、电流发生倒流时Db起到保护组件的作用；D1-Dn是为电流提供通道的旁路二极管，用来防止由于热斑效应对光伏组件的损坏；
由I-V输出特性可得：当任意一条串联支路中的组件受到局部阴影的影响时，必将导致该组件的短路电流Isc降低；此时，当负载较小时，各个组件都满足正常工作条件，对外输出功率，没有电流流经旁路二极管；但当负载较大时，假如I＞ISC1，同时I<ISC2，I<ISC3......I<ISCn，则会出现M1不但不输出功率，反而消耗功率，相当于一个负载，此时旁路二极管D1就起到保护的作用了，承受反压，U1<0，Id1＞0，P1＝U1I1<0；当负载继续增大，就会出现越来越多的组件不能正常工作，从而消耗更多的功率；
对该阵列进行仿真，输出I-V、P-V特性曲线，光伏组件在局部阴影条件下I-V为阶梯状输出曲线，P-V为多峰值输出曲线，在一定范围内存在极大值；从功率输出曲线可见，当电流较小时，支路的输出电压却很大，此时各个支路均有功率输出；当电流较大时，支路的输出电压却很小，有些支路不但不输出功率，反而消耗功率；
各个支路处于不同的局部阴影下，P-V特性曲线不同，对应的MPP不同，虽然多条支路并联后电压一致，但却不能保证每条支路恰好同时工作在最大功率点上，传统MPPT算法仅仅是对整体MPP进行跟踪，却忽略了支路并联造成的功率损失；因此，再针对支路并联后的光伏阵列进行改进，提出改进办法；
(2)不同遮挡下光伏阵列输出特性
对光伏阵列进行遮挡和不遮挡的仿真分析，得出根据不遮挡：输出最大功率相同；遮挡：随着阴影遮挡区域的增大，整个组件损失的功率也增大，得出针对局部阴影条件下MPP的判断：根据遮挡确定MPP的大致位置，然后运用传统单峰值MPPT算法进行控制，从而解决了将功率极大值误判为全局最大值的问题；
步骤三、基于等功率曲线的多峰MPPT算法：
1)等功率曲线
第一步：采用与普通单峰值MPPT跟踪算法相同的步骤，找到任意一个LMPP，同时记录该局部最大功率点对应的三个重要参数(PM1，UM1，IM1)，此时系统默认PM1＝Pmax为最大功率点；
第二步：从I-V特性曲线的另一侧分别扫描得到每一个局部峰值点对应的功率值PM2、PM3、PM4......，依次与第一步中的最大功率点进行比较，若此时PM2≥PM1，则此时Pmax＝PM2，反之，最大功率点不改变，依然是Pmax＝PM1，以此类推，直到确定全局最大功率点。
2.根据权利要求1所述的一种基于等功率曲线法的多峰值MPPT算法，其特征在于：等功率曲线算法在全局扫描法中的具体实现步骤，其包含最大功率点跟踪的两个主要部分：
①：首先以开路测电压为出发点搜寻到第一个最大功率点MPP1并记录保存；
②：由短路电流侧依次扫描搜寻，追踪并记录每一个局部峰值点处的功率值，然后相互比较，最终确定全局最大功率点。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于等功率曲线法的多峰值MPPT算法，其特征在于：相邻局部最大功率点之间至少相差一个UMPPUMPP代表光伏组件在该环境下的最大功率点对应的电压值，令d＝UMPP，多峰值MPPT算法终止的条件为U＞UM-d。
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