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(gè)MPPT。MPPT算法又是什么?為大家解釋什么是MPPT。

最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡(jiǎn)稱MPPT)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，它是指根據(jù)外界不同的環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度等特性來(lái)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(yáng)能輻照度條件下，最大功率點(diǎn)是不同的。溫度不同時(shí)，最大功率點(diǎn)也不同。

圖2
圖2溫度越高最大功率點(diǎn)越低。

圖 3
光伏陣列在使用過(guò)程中易受周圍環(huán)境(如浮云，建筑物，樹(shù)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(diǎn)，這就使得基于單峰值的最大功率點(diǎn)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(diǎn)，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)效率大大降低。

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

一、最大功率點(diǎn)的條件

這個(gè)問(wèn)題說(shuō)起來(lái)又有一點(diǎn)復(fù)雜了!太陽(yáng)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(shí)，此刻電池組件就工作在最大功率點(diǎn)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(shí)和最小,這時(shí)分?jǐn)?shù)值最大。所以,當(dāng)外電阻和內(nèi)電阻相等時(shí),輸出功率最大。

太陽(yáng)能電池組件的內(nèi)阻，主要體現(xiàn)在發(fā)電的時(shí)候，對(duì)電流的抑制作用。在發(fā)電的時(shí)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(gè)共同的特性，就是在低溫的時(shí)候，電阻值全部都會(huì)變小。所以在同輻射強(qiáng)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(diǎn)跟蹤的原理

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前太陽(yáng)能電池陣列的MPPT控制一般是通過(guò)DC/DC變換電路來(lái)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(guò)DC/DC電路連接，最大功率跟蹤裝置不斷檢測(cè)光伏陣列的電流電壓變化，并根據(jù)其變化對(duì)DC/DC變換器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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

對(duì)于線性電路來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源的內(nèi)阻時(shí)，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(qiáng)非線性的，然而在極短的時(shí)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(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸出，也就實(shí)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(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)，國(guó)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(jiǎn)稱CVT)、干擾觀察法(Perturbation And Observation method簡(jiǎn)稱P&O)、增量電導(dǎo)法(Incremental Conductance method簡(jiǎn)稱INC)、基于梯度變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法等等。(這些算法只能用在無(wú)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(diǎn)電壓位置基本都位于某個(gè)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(lái)光伏電池在整個(gè)工作過(guò)程中將近似的工作在最大功率點(diǎn)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(lái)簡(jiǎn)化最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制。

從嚴(yán)格的意義上來(lái)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(duì)光伏電池陣列開(kāi)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(wú)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的最大功率追蹤。但是CVT法以其控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、且系統(tǒng)不會(huì)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(shí)間針對(duì)光伏電池輸出電壓進(jìn)行擾動(dòng)，使其增加或減少，同時(shí)對(duì)其輸出功率進(jìn)行觀測(cè)，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(hào)變化。這種控制算法一般采用功率反饋方式，通過(guò)兩個(gè)傳感器對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓和電流分別進(jìn)行采樣，并計(jì)算獲得其輸出功率。若ΔP>0，說(shuō)明電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原方向進(jìn)行“干擾”;若ΔP<0，說(shuō)明電壓調(diào)整的方向錯(cuò)誤，需要對(duì)“干擾”的方向進(jìn)行改變。這種方法雖然算法簡(jiǎn)單，而且易于硬件方面的實(shí)現(xiàn)，但響應(yīng)速度較慢，故而只適用于那些日照強(qiáng)度變化比較緩慢的場(chǎng)合，例如光伏發(fā)電廠、光伏路燈等，而對(duì)于車用太陽(yáng)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(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近的小幅振蕩，因此會(huì)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(diǎn)所需滿足的條件。這種算法的控制過(guò)程如下：
此時(shí)參考電壓將保持不變，也就是光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)上。

在理論上電導(dǎo)增量法法比干擾觀察法要好，因?yàn)樗谙乱粫r(shí)刻的變化方向完全取決于在該時(shí)刻的電導(dǎo)G=I/U的變化率和瞬時(shí)負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時(shí)刻的工作點(diǎn)電壓以及功率的大小無(wú)關(guān)，因而此法能夠適應(yīng)快速變化的日照強(qiáng)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(shuō)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(dòng)觀測(cè)法。

展望

目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，但是也各有有缺點(diǎn)。短路電流脈沖法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是需引入周期性短路電流脈沖，因而會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生一定的影響;Fibonacci算法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，適應(yīng)環(huán)境突變的能力較強(qiáng)，缺點(diǎn)是搜索速度較慢;基于狀態(tài)空間的 MPPT算法的優(yōu)點(diǎn)是魯棒性好，陰影條件下仍具有較好的跟蹤性能，其缺點(diǎn)是算法過(guò)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(diǎn)，缺點(diǎn)是魯棒性差。在未來(lái)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)將朝著效率高、算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、魯棒性好等的方向發(fā)展。