最大功率跟蹤控制原理

1、 /4最大功率跟蹤的控制原理最大功率跟蹤（MPPT）是并網(wǎng)發(fā)電中的一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，它是指控制改變太陽(yáng)電池陣列的輸出電壓或電流的方法使陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上，根據(jù)太陽(yáng)電池的特性，目前實(shí)現(xiàn)的跟蹤方法主要有以下三種：（1）恒電壓法，因?yàn)樘?yáng)電池在不同光照條件下的最大功率點(diǎn)的電壓相差不大，近似為恒定。這種方法的誤差很大，但是容易實(shí)現(xiàn)，成本較低；（2）爬山法，通過(guò)周期性的不斷的給太陽(yáng)電池陣列的輸出電壓施加擾動(dòng)，并觀察其功率輸出的改變，然后決定下一次擾動(dòng)的方向。這種方法的追蹤速度較慢，只適合于光強(qiáng)變化較小的環(huán)境；（3）導(dǎo)納微分法（又稱增量電導(dǎo)法），認(rèn)為太陽(yáng)電池陣列的的最大功率點(diǎn)處，輸出功率對(duì)輸出電

2、壓的一階倒數(shù)等于零。因此在環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)dI/dV的計(jì)算結(jié)果是否等于一I/V,決定是否繼續(xù)調(diào)整輸出電壓，既可實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。該方法相對(duì)于恒電壓法和爬山法有咼速穩(wěn)定的跟蹤特性。上述三種方法各有特點(diǎn)，但是都不同時(shí)具有低成本、高穩(wěn)定性、快速追蹤的特性。第一種方法只是粗略估計(jì)了最大功率點(diǎn)的位置，在光強(qiáng)變化到很大或較小時(shí)都會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。后兩種方法本質(zhì)上都是通過(guò)判斷當(dāng)前工作點(diǎn)是否處于最大工作點(diǎn)來(lái)決定是否繼續(xù)調(diào)整及調(diào)整的方向，因此最終的結(jié)果是逆變器始終工作在最大功率點(diǎn)的左右，來(lái)回振蕩，而不是真正的工作在最大功率點(diǎn)處，反應(yīng)在太陽(yáng)電池陣列的輸出上就是，太陽(yáng)電池陣列的輸出電壓或電流總是以一個(gè)直

3、流電平為中心上下跳躍，波形很不穩(wěn)定，而且在光強(qiáng)變化速度較快時(shí)，不能及時(shí)反應(yīng)。三、太陽(yáng)能電池功率追蹤訪法及算法擾動(dòng)觀察法是目前太陽(yáng)能電池最大功率追蹤技術(shù)中最為成熟以及被采用最多的方法，其系統(tǒng)方塊圖如圖12所示。由圖中可以很明顯的看出此法的硬件需求較少，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器節(jié)省得相當(dāng)多，因此在制造的成本上將大為降低。擾動(dòng)觀察法之缺點(diǎn)在于最大功率追蹤過(guò)程中，當(dāng)大氣條件迅速改變時(shí)，由于響應(yīng)速度未能因應(yīng)調(diào)整，會(huì)使追蹤的速度變緩，造成功率的損失，不過(guò)此一缺點(diǎn)可以用軟件技術(shù)來(lái)加以改善，賦予系統(tǒng)自我調(diào)整響應(yīng)速度之功能，這也是本文的研究重點(diǎn)，亦即以軟件算法來(lái)達(dá)到太陽(yáng)能電池最大功率的追蹤，并分析系統(tǒng)操作于較咼頻率下，

4、其追蹤的性能。依電路理論而言，當(dāng)太陽(yáng)能電池的等效輸出阻抗等于負(fù)載端的等效輸入阻抗時(shí)，太陽(yáng)能電池所送出的功率為最大，這就是最大功率轉(zhuǎn)移定理。因此當(dāng)太陽(yáng)能電池模塊串接直流一直流轉(zhuǎn)換器之后如圖13,若要得到太陽(yáng)能電池的最大功率，則轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須和太陽(yáng)能電池的輸出阻抗相等，但是太陽(yáng)能電池的輸出功率受到大氣條件的影響，使得其等效輸出阻抗并不會(huì)固定在某一定值。對(duì)轉(zhuǎn)換器而言，其輸入阻抗是隨著工作周期的改變而有所不同，所以轉(zhuǎn)換器若要維持太陽(yáng)能電池于最大功率下操作，就必須隨時(shí)地調(diào)整其工作周期。叵I圖片附件:fig12.JPG(2006-3-2323:42,26.31K)MMSI圖12捷動(dòng)觀察法方植圖No太

5、睨龍砂也N|_圖13儲(chǔ)能系統(tǒng)方框圖當(dāng)輸入到轉(zhuǎn)換器的功率為一定值，且轉(zhuǎn)換器的輸出是可調(diào)時(shí)，則此轉(zhuǎn)換器即具有負(fù)阻抗的特性如圖14所示，也就是說(shuō)，若輸入電壓減少則輸入電流將增加，以維持輸入到轉(zhuǎn)換器的功率為一定。在圖14中，是輸出可調(diào)時(shí)的最小輸入電壓，即當(dāng)輸入電壓小于此值，則轉(zhuǎn)換器就不具有調(diào)節(jié)功能，而轉(zhuǎn)換器所呈現(xiàn)的是正阻抗的特性。由于轉(zhuǎn)換器具有負(fù)阻抗的特性，使得在追蹤最大功率的過(guò)程中易造成系統(tǒng)崩潰，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗比太陽(yáng)能電池的輸入阻抗小時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法追蹤到最大功率。換句話說(shuō)，當(dāng)太陽(yáng)能電池操作在高阻抗區(qū)時(shí)，系統(tǒng)為了要追蹤太陽(yáng)能電池的最大功率，因此會(huì)調(diào)整開(kāi)關(guān)的責(zé)任周期，使得導(dǎo)通時(shí)間增加，這將造成太

6、陽(yáng)能電池的輸出電壓降低，如此反復(fù)循環(huán)，最后使得開(kāi)關(guān)的責(zé)任周期保持在最大，但卻不是系統(tǒng)的最大功率。因此對(duì)于一個(gè)具有負(fù)阻抗特性的轉(zhuǎn)換器，太陽(yáng)能電池只能操作在低阻抗區(qū)，即最大功率點(diǎn)的右邊區(qū)域，而不能操作在高阻抗區(qū)。為了改善上述現(xiàn)象，系統(tǒng)控制之設(shè)計(jì)需避免轉(zhuǎn)換器操作在負(fù)阻抗特性區(qū)。由于引起負(fù)阻抗的原因是當(dāng)輸入電壓（或電流）增加時(shí)，造成輸入電流（或電壓）的減少，所以在追蹤最大功率的過(guò)程中，當(dāng)電壓增加時(shí)，經(jīng)由回授與控制器的計(jì)算判斷，促使開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間增加，電流也因此而增加。由于輸入到轉(zhuǎn)換器的功率為一定值，所以電壓將會(huì)因電流的增加而減少。上述過(guò)程中，因電壓的增加造成電流的增加，所以負(fù)阻抗的性質(zhì)就不存在了，太陽(yáng)

7、能電池也因此可以操作在高阻抗區(qū)域，系統(tǒng)追蹤流程如圖15所示。叵圖片附件:figl4.JPG(2006-3-2323:42,44.75K)圖14轉(zhuǎn)換器在定功率下的特性曲線圖15最大功率追賒流程圖實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤的方法綜述在實(shí)踐中可以采用三種方法是光伏電池或方陣的輸出功率最大：太陽(yáng)追蹤fsuntracking)、最大功率點(diǎn)跟蹤(maximupowerpointtracking)或兩種方法綜合使用。出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，在小規(guī)模的系統(tǒng)中經(jīng)常使用最大功率點(diǎn)跟蹤的方法。最大功率點(diǎn)的跟蹤方法有很多種，比較簡(jiǎn)單的如：功率匹配電路(powermatchingscheme)、曲線擬合技術(shù)(curve-fi

8、ttingtechnique)以及后來(lái)的微擾觀察法(perturbandobservemethod)和增量電導(dǎo)法(incrementalconductancealgorithm)。1、功率匹配電路選擇太陽(yáng)電池或太陽(yáng)電池組合使其輸出特性與特定的負(fù)載相匹配。由于該技術(shù)主要的與日射和負(fù)載條件相關(guān)，所以只能大概的估計(jì)MPP的位置。2、曲線擬合技術(shù)預(yù)先測(cè)得太陽(yáng)電池組件的輸出特性，并用顯示的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述。該方法不能預(yù)測(cè)一些復(fù)雜因素的影響，如老化、溫度或者某些電池的擊穿等。3、微擾觀察法是一個(gè)不斷重復(fù)的過(guò)程，通過(guò)不斷擾動(dòng)太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)，找到使功率輸出最大的變化方向?；镜墓ぷ鬟^(guò)程是周期性的給太陽(yáng)電池的端

9、電壓施加擾動(dòng)，并與上一個(gè)周期比較輸出功率的 #/4大小。最大功率控制實(shí)際上就是通過(guò)功率反饋控制使功率的導(dǎo)數(shù)等于零。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要太陽(yáng)電池的輸出特性。但該方法不適用于環(huán)境條件變化快的情況。太陽(yáng)電池輸出功率計(jì)算可以通過(guò)單片機(jī)或模擬乘法器實(shí)現(xiàn)。4、衡電壓法基于這樣一個(gè)事實(shí)：太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)電壓約為其開(kāi)路電壓的76%。為了確定最大功率點(diǎn)，需要暫時(shí)把負(fù)載斷開(kāi)并對(duì)開(kāi)路電壓采樣和保持作為控制環(huán)的參考電壓。5、增量電導(dǎo)法通過(guò)比較太陽(yáng)電池的瞬時(shí)電導(dǎo)和增量電導(dǎo)克服了微擾觀察法的不足。是上述方法中精確度最高的，開(kāi)關(guān)電源的輸入阻抗被調(diào)整到與太陽(yáng)電池阻抗達(dá)到最佳匹配的值。該方法既使在快速變化的環(huán)境條件下也工作良

10、好。通常實(shí)現(xiàn)該方法需要采用單片機(jī)或DSP,使系統(tǒng)成本增加,不適合小規(guī)模的系統(tǒng)專利權(quán)項(xiàng)1、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法,其特征在于,該方法依次含有以下步驟：步驟1：用微處理器作為該最大功率點(diǎn)跟蹤控制器,檢測(cè)太陽(yáng)能電池光伏陣列的輸出電壓Vn,電流In；步驟2：微處理器判斷當(dāng)前輸出電壓Vn和上一控制周期的輸出電壓采樣值Vb之差dV：若：dV=O,貝9：判斷當(dāng)前輸出電流In和上一控制周期的輸出電流采樣值Ib之差dI；若：dVO,貝9：判斷dI/dV是否等于-I/V；步驟3：根據(jù)步驟2的判斷結(jié)果：若：dI=0,貝9：Vb=Vn,Ib=In，結(jié)束；若：dI/dV=-I/V,貝V：Vb=Vn,Ib

11、=In，結(jié)束；步驟4：根據(jù)步驟3的判斷結(jié)果：若:di主0,貝9：判斷dI0否；若:dI/dVI/V,貝V：判斷dI/dV-I/V否；步驟5：根據(jù)步驟4的判斷結(jié)果：若：dI0,貝9：微處理器控制方波發(fā)生電路和與該電路串接的脈寬調(diào)制脈沖形成電路,產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖去減小連接在太陽(yáng)能電池光伏陣列輸出端的BUCK電路的占空比，并使Vb=Vn,Ib=In，結(jié)束；若：dI/dV-I/V,貝9：微處理器按所述步驟5的方法減小占空比，并使Vb=Vn,Ib=In,結(jié)束；若:dIVO,貝y：微處理器按所述步驟5的方法增大占空比，并使Vb=Vn,Ib=In,結(jié)束；若:dI/dVV-I/V,貝9：微處理器按所述步驟5的方法增大占空比