光伏逆變器MPPT算法全面解析

什么叫多路MPPT,為什么組串逆變器有好幾個MPPT。MPPT算法又是什么?為大家解釋什么是MPPT。

最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一項核心技術(shù)，它是指根據(jù)外界不同的環(huán)境溫度、光照強度等特性來調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率，使得光伏陣列始終輸出最大功率。

圖 1
圖1我們可以發(fā)現(xiàn)，在不同的太陽能輻照度條件下，最大功率點是不同的。溫度不同時，最大功率點也不同。

圖2
圖2溫度越高最大功率點越低。

圖 3
光伏陣列在使用過程中易受周圍環(huán)境(如浮云，建筑物，樹木遮蔭等)和電池板表面的灰塵的干擾，導(dǎo)致光伏陣列的輸出功率減小，輸出特性曲線變得復(fù)雜。輸出特性曲線呈多極值點，這就使得基于單峰值的最大功率點跟蹤算法有可能在這種情況下失效，得不到全局最大功率點，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)效率大大降低。

如果一個電站，某一個組串后面有空調(diào)機組;又有一片樹葉遮蓋了某一塊電池片;又有一片樹蔭遮擋了部分組件。那么就會出現(xiàn)圖3的情況，有了多個功率的峰值。如何找到圖3中最高的那個點，就需要MPPT了!

一、最大功率點的條件

這個問題說起來又有一點復(fù)雜了!太陽能電池組件，有內(nèi)電阻和外電阻之分。當(dāng)某一刻內(nèi)電阻和外電阻相等時，此刻電池組件就工作在最大功率點了。

P=UI=I2R=[E/(R+r)]2R=E2R/(R+r)]2

=E2/(√R+r/√R)2

=E2/[(√R-r/√R)2+4r]

右邊R為變量,分子一定,分母中√R=r/√R,即R=r時和最小,這時分?jǐn)?shù)值最大。所以,當(dāng)外電阻和內(nèi)電阻相等時,輸出功率最大。

太陽能電池組件的內(nèi)阻，主要體現(xiàn)在發(fā)電的時候，對電流的抑制作用。在發(fā)電的時候，主要參與的元素有電池片，內(nèi)部焊條導(dǎo)線，還有外部鏈接線纜。這些參與的元素有一個共同的特性，就是在低溫的時候，電阻值全部都會變小。所以在同輻射強度的情況下，環(huán)境溫度越低，電池板的內(nèi)阻越小，發(fā)電效果越高;反之，則溫度越高，內(nèi)阻越大。

二、最大功率點跟蹤的原理

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前太陽能電池陣列的MPPT控制一般是通過DC/DC變換電路來完成的。其原理框圖如下圖所示。

光伏電池陣列與負(fù)載通過DC/DC電路連接，最大功率跟蹤裝置不斷檢測光伏陣列的電流電壓變化，并根據(jù)其變化對DC/DC變換器的PWM驅(qū)動信號占空比進行調(diào)節(jié)。

圖4 MPPT系統(tǒng)原理框圖
光伏充電系統(tǒng)可簡化模型為如下圖所示。將光伏電池簡化為恒壓源和內(nèi)阻Ri,外部電路簡化為負(fù)載Ro。則負(fù)載功率為：

對于線性電路來說，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源的內(nèi)阻時，電源即有最大功率輸出。雖然光伏電池和DC/DC轉(zhuǎn)換電路都是強非線性的，然而在極短的時間內(nèi)，可以認(rèn)為是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它始終等于光伏電池的內(nèi)阻，就可以實現(xiàn)光伏電池的最大輸出，也就實現(xiàn)了光伏電池的MPPT。

三、 常用最大功率跟蹤控制算法

目前，光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)，國內(nèi)外已有了一定的研究，發(fā)展出各種控制方法常，常用的有一下幾種：恒電壓跟蹤法(Constant Voltage Tracking 簡稱CVT)、干擾觀察法(Perturbation And Observation method簡稱P&O)、增量電導(dǎo)法(Incremental Conductance method簡稱INC)、基于梯度變步長的電導(dǎo)增量法等等。(這些算法只能用在無遮擋的條件下)

1恒定電壓法

恒定電壓法的基本理論依據(jù)是不同日照條件下光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點電壓位置基本都位于某個恒定電壓附近。因此，CVT法的控制思路就是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處，這樣一來光伏電池在整個工作過程中將近似的工作在最大功率點處。恒定電壓跟蹤方法不但可以得到比直接匹配更高的功率輸出，在一定的條件下，還可以用來簡化最大功率點跟蹤(MPPT)控制。

從嚴(yán)格的意義上來講CVT法并不是一種真正意義上的最大功率跟蹤方法。雖然此法比一般光伏系統(tǒng)可以多獲得20%左右的電能，相比不帶CVT的直接耦合要有利得多。但是，這種跟蹤方法忽略了溫度對光伏電池陣列開路電壓的影響，所以CVT法的精度甚低，適應(yīng)性差，系統(tǒng)最大功率的跟蹤精度完全取決于電壓值的選擇，一旦周圍環(huán)境變化就無實現(xiàn)準(zhǔn)確的最大功率追蹤。但是CVT法以其控制簡單、易實現(xiàn)、且系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，具有良好的穩(wěn)定性著稱。

2干擾觀察法

干擾觀察法的原理是每隔一定的時間針對光伏電池輸出電壓進行擾動，使其增加或減少，同時對其輸出功率進行觀測，判斷其產(chǎn)生變化的方向并以之為依據(jù)決定下一步的控制信號變化。這種控制算法一般采用功率反饋方式，通過兩個傳感器對太陽能電池陣列的輸出電壓和電流分別進行采樣，并計算獲得其輸出功率。若ΔP>0，說明電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原方向進行“干擾”;若ΔP<0，說明電壓調(diào)整的方向錯誤，需要對“干擾”的方向進行改變。這種方法雖然算法簡單，而且易于硬件方面的實現(xiàn)，但響應(yīng)速度較慢，故而只適用于那些日照強度變化比較緩慢的場合，例如光伏發(fā)電廠、光伏路燈等，而對于車用太陽能最大功率跟蹤控制則不能滿足環(huán)境多變的要求。而且這種算法在穩(wěn)態(tài)情況下會導(dǎo)致光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近的小幅振蕩，因此會造成一定功率損失。

圖5干擾觀察法流程圖

3電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是目前MPPT最常用算法之一，它是根據(jù)光伏電池陣列P -U曲線為一條一階連續(xù)可導(dǎo)的單峰曲線(如下圖)，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法。

以上即為電導(dǎo)增量法光伏電池達(dá)到最大功率輸出點所需滿足的條件。這種算法的控制過程如下：
此時參考電壓將保持不變，也就是光伏陣列工作在最大功率點上。

在理論上電導(dǎo)增量法法比干擾觀察法要好，因為它在下一時刻的變化方向完全取決于在該時刻的電導(dǎo)G=I/U的變化率和瞬時負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時刻的工作點電壓以及功率的大小無關(guān)，因而此法能夠適應(yīng)快速變化的日照強度，而且跟蹤精度較高。

圖6 電導(dǎo)增量法流程圖

MPPT算法需要比較多的硬件傳感器或者說是電壓和電流傳感器，傳感器越多，成本越高，所以目前較多用的還是擾動觀測法。

展望

目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)認(rèn)識到了逆變器多MPPT通道的重要性，多MPPT的組串逆變器，集散式逆變器。已經(jīng)被廣泛的認(rèn)可。這就要求更加精確的MPPT算法得以推廣。對于這種情況有很多業(yè)內(nèi)人事提出逆變器應(yīng)該使用多峰值 MPPT 算法，例如短路電流脈沖法等等。

Fibonacci、基于狀態(tài)空間的 MPPT 算法以及基于電壓掃描和電導(dǎo)增量法多峰MPPT算法。這些算法都能實現(xiàn)最大功率跟蹤，但是也各有有缺點。短路電流脈沖法的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，缺點是需引入周期性短路電流脈沖，因而會對系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生一定的影響;Fibonacci算法的優(yōu)點是精度高，適應(yīng)環(huán)境突變的能力較強，缺點是搜索速度較慢;基于狀態(tài)空間的 MPPT算法的優(yōu)點是魯棒性好，陰影條件下仍具有較好的跟蹤性能，其缺點是算法過于復(fù)雜;基于電壓掃描和電導(dǎo)增量法多峰MPPT算法具有搜索速度快的優(yōu)點，缺點是魯棒性差。在未來最大功率點跟蹤技術(shù)將朝著效率高、算法簡單、響應(yīng)速度快、魯棒性好等的方向發(fā)展。