基于布谷鸟搜索MPPT算法的混合四重连接光伏阵列在阴影场景下的功率损耗最小化研究

《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》：Minimizing power loss of hybrid Quadra tied solar PV arrays using Cuckoo search MPPT algorithm during shading scenarios

本文针对城市环境中高层建筑导致的部分阴影条件（PSC）引发的屋顶光伏系统功率损耗问题，提出了一种结合Quadra Tied（QT）和Total Cross Tied（TCT）的混合光伏阵列配置Alternate-Quadra Tied-Cross Tied（A-QT-CT），并通过MATLAB仿真和硬件实验验证了其与布谷鸟搜索（CS）MPPT算法结合可显著提升最大功率点跟踪效率，为城市光伏系统优化提供了有效解决方案。

　　

在城市密集区域，高层建筑的阴影常常不规则地投射在屋顶太阳能光伏（SPV）阵列上，形成部分阴影条件（PSC），导致光伏系统输出功率显著降低。这种阴影不仅来自建筑物，还可能源于云层移动、灰尘积累或结构遮挡，使得光伏阵列在不同区域接收的辐照度不均，从而在功率-电压（P-V）曲产生多个局部最大功率点（LMPP），增加了最大功率点跟踪（MPPT）的难度。传统的光伏阵列配置如串联-并联（SP）结构在均匀光照下表现良好，但在PSC下因电流路径受限而功率损失严重。为此，研究人员致力于通过优化阵列结构和MPPT策略来提升阴影下的能量提取效率。

为应对这一挑战，Abhinav Bhattacharjee与Suresh Mikkili开展了一项针对城市屋顶光伏系统的研究，重点在于如何在阴影场景下最小化功率损耗。他们提出了一种名为Alternate-Quadra Tied-Cross Tied（A-QT-CT）的混合光伏阵列配置，该设计通过交替使用Quadra Tied（QT）和Total Cross Tied（TCT）连接方式，在减少交叉连接数量的同时，保持了与高性能TCT配置相近的最大功率提取能力。研究还对比了包括系列-并联（SP）、桥接-总交叉连接（BL-TCT）及SP-TCT在内的多种配置，并集成了扰动观察法（P&O）、布谷鸟搜索（CS）和粒子群优化（PSO）三种MPPT算法，通过MATLAB仿真和基于Texas Instruments TMS320F28379D微控制器的硬件实验，评估了各组合在典型城市PSC下的动态性能。

在方法上，作者首先对城市环境中常见的阴影模式（如矩形、三角形、梯形及随机形状）进行建模，并选用8x8规模的光伏阵列模拟实际屋顶条件。通过MATLAB仿真生成P-V曲线，分析各配置在六种PSC下的最大功率输出（P_M）、填充因子和失配功率损耗。MPPT算法方面，CS算法利用Lévy飞行机制进行全局搜索，PSO算法则基于个体和群体最优解更新 duty cycle，两者均设置了4%的辐照变化阈值以动态重启搜索过程。硬件实验中，使用Chroma Solar PV模拟器复现P-V曲线，并通过微控制器实现算法验证，重点测量了稳态MPPT效率和收敛时间。

研究结果显示，TCT配置在平均最大功率提取（13.12 kW）方面表现最佳，A-QT-CT以12.82 kW紧随其后，且其交叉连接数比TCT减少约15%。在P-V曲线峰值数量方面，TCT和A-QT-CT均优于其他配置，有效降低了LMPP的影响。填充因子和失配功率损耗分析进一步证实了这两种配置的优越性。MPPT算法测试中，CS算法在硬件实验中实现了98.56%的平均效率，高于PSO的98.25%和P&O的82.94%，且收敛时间（6.11秒）短于PSO（7.08秒）。P&O算法虽收敛最快（约0.64秒），但易陷入局部极值并产生稳态振荡。

通过鲁棒性分析，CS算法在参数α=0.8、β=1.5时表现最优，而PSO对参数变化更为敏感。动态阴影测试表明，CS算法在辐照快速变化时能有效跟踪全局最大功率点（GMPP），且稳态无振荡。相比之下，PSO在多个LMPP邻近时易出现功率波动。

结论部分强调，TCT配置仍是城市屋顶光伏应用的最优选择，但A-QT-CT以其较低的连接成本和接近的性能成为可行替代方案。CS MPPT算法结合TCT或A-QT-CT配置能显著提升系统效率，尤其适用于复杂PSC场景。该研究为城市环境下光伏系统的设计提供了理论与实践依据，发表于《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》，对推进可再生能源高效利用具有重要意义。