第7章 最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)

2023/2/4第六章

光伏并網(wǎng)逆變器控制策略兩個基本控制要求：一是要保持前后級之間的直流側(cè)電壓穩(wěn)定二是要實現(xiàn)并網(wǎng)電流控制電力電子系統(tǒng)的控制主要包括對給定信號的跟隨（跟隨性）和對擾動信號的抑制（抗擾性）兩個方面。2023/2/4顯然通過控制交流側(cè)Ui的幅值和相位，便可控制UL的幅值和相位，也即控制了電感電流的幅值和相位。2023/2/4再由Ui=

UL+E；可得交流側(cè)輸出電壓指令Ui*

jLI*

E并網(wǎng)控制的工作原理：首先由并網(wǎng)控制給定的有功、無功功率指令和電網(wǎng)電壓矢量，計算出輸出電流矢量I*；通過SPWM或SVPWM控制逆變器輸出所需交流側(cè)電壓矢量，實現(xiàn)逆變器并網(wǎng)電流的控制。2023/2/4間接電流控制：通過控制并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓來間接控制輸出電流矢量。直接電流控制方案依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)模型構(gòu)造電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，2023/2/4? 相對于電網(wǎng)電壓矢量位置的電流矢量控制，稱為基于電壓定向的矢量控制(VOC)。? 相對于電網(wǎng)電壓矢量位置的功率控制，稱為基于電壓定向的直接功率控制(V-DPC)。以上兩種并網(wǎng)逆變器控制策略的控制性能取決于電網(wǎng)電壓矢量位置的精確獲得。2023/2/4第七章最大功率點跟蹤技術(shù)7-67.1概述光伏電池由于受外界因素(溫度、日照強度等)影響很多，因此其輸出具有明顯的非線性。

不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點(MaximumPowerPoint,MPP)上。2023/2/47-7光伏系統(tǒng)應(yīng)尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，以最大限度的實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換為電能利用控制方法實現(xiàn)光伏電池最大功率輸出運行的技術(shù)稱為最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)技術(shù)。2023/2/4? 圖7-1分別給出了光伏電池在不同的溫度，日照強度下的I-V特性曲線。圖7-1 光伏電池不同溫度、日照強度下的I-V特性曲線2023/2/4? 由圖7-1可知，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，是一種非線性直流源。輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對恒定，最終在一個足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。? 光伏電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時近似為恒壓源。? 溫度相同時，隨著日照強度的增加，光伏電池的開路電壓幾乎不變，短路電流有所增加；日照強度相同時，隨著溫度的升高，光伏電池的開路電壓下降，短路電流有所增加。2023/2/4? 圖7-2分別給出了光伏電池在不同的溫度，日照強度下的P-U特性曲線。圖7-2 光伏電池不同溫度、日照強度下的P-V特性曲線2023/2/4? 從圖7-2中可以看出，在一定的溫度和日照強度下，光伏電池具有唯一的最大功率點，當(dāng)光伏電池工作在該點時，能輸出當(dāng)前溫度和日照條件下的最大功率。? 在最大功率點左側(cè)，光伏電池的輸出功率隨著工作點電壓的增加而增大；在最大功率點右側(cè)，光伏電池的輸出功率隨著工作點電壓的增加而減小。? 當(dāng)結(jié)溫增加時，光伏電池的開路電壓下降，短路電流略有增加，最大輸出功率減小,當(dāng)日照強度增加時，光伏電池的開路電壓變化不大，短路電流增加明顯，最大輸出功率增加。7-112023/2/4? 從上面的分析中看出，光伏電池的輸出是一個隨機的、不穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。工作時由于光伏電池的輸出特性受負(fù)荷狀態(tài)、光照強度、環(huán)境溫度等的影響而大幅度變化，其短路電流與日照量幾乎成正比關(guān)系增減，開路電壓受溫度變化的影響較大。? 最大功率點時刻在變化。因此，就不能用等效電阻的方法獲取最大功率。? 由于光伏電池的輸出特性是復(fù)雜的非線性形式，難以確定其數(shù)學(xué)模型，無法用解析法求取最大功率。7-122023/2/4常見幾種MPPT方法:(l)恒定電壓跟蹤法;(2)擾動觀測法（爬山法）;(3)導(dǎo)納增量法;(4)智能控制的方法。2023/2/47.2定電壓跟蹤法圖7-3 光伏電池不同日照強度下的P-V特性曲線由圖7-3可以看出，在光伏電池溫度變化不大時，光伏電池的P-U輸出特性曲線上的最大功率點幾乎分布于一條垂直直線的兩側(cè)，因此將光伏電池輸出電壓控制在其最大功率點電壓處，此時光伏電池將工作在最大功率點。最大功率點電壓與開路電壓之間存在近似的線性關(guān)系2023/2/4(1)開環(huán)控制，控制簡單，控制易實現(xiàn);(2)系統(tǒng)不會出現(xiàn)因給定的控制電壓劇烈變化而引起振蕩，具有良好的穩(wěn)定性;(3)控制精度差，系統(tǒng)最大功率跟蹤的精度取決于給定電壓值選擇的合理性;(4)控制的適應(yīng)性差，當(dāng)系統(tǒng)外界環(huán)境，如太陽輻射強度，光伏電池板溫度發(fā)生改變時系統(tǒng)難以進(jìn)行準(zhǔn)確的最大功率點跟蹤。定電壓跟蹤法特點：2023/2/47.3 擾動觀測法（爬山法）擾動觀測法(PerturbationObservation,PO)是目前實現(xiàn)MPPT常用的方法，它通過不斷擾動光伏系統(tǒng)的工作點來尋找最大功率點的方向。? 工作原理：先擾動輸出電壓值，然后測其功率變化并與擾動之前的功率值比較，如果功率值增加，則表示擾動方向正確，繼續(xù)朝同一方向擾動，如果擾動后功率值小于擾動前的值，則往相反的方向擾動。2023/2/4? 擾動觀測法示意圖如圖7-4所示圖7-4 擾動觀測法示意圖2023/2/4? 擾動觀測法程序流程如圖7-5所示圖7-5 擾動觀測法流程圖擾動觀測法按照每次擾動的電壓變化量是否固定，可分為定步長和變步長擾動觀測法。2023/2/4擾動觀測法的特點：? 擾動觀測法實質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程，通過對陣列當(dāng)前輸出電壓與電流檢測，得到當(dāng)前陣列輸出功率，再與已被存儲的前一時刻陣列功率相比較，舍小存大，再檢測，再比較，如此不停的周而復(fù)始，便可使陣列動態(tài)的工作在最大功率點上。? 此方法的優(yōu)點是算法簡單，容易實現(xiàn)，但對于光強快速變化的環(huán)境易產(chǎn)生錯誤的跟蹤，有較大的功率損失。有時還會發(fā)生程序控制在運行中的失序，出現(xiàn)“誤判”，還可產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。7-192023/2/4? 誤判的例子:在光強變化快速的情況下，假定系統(tǒng)一開始工作在S1曲線上①點，由于擾動的作用，這時工作點向右移動到了S2曲線上的②點，并且P②>P①，系統(tǒng)便認(rèn)為此時最大功率點應(yīng)該在②點的右邊，仍向右調(diào)節(jié)工作點。圖7-6 擾動觀測法誤判示例7-202023/2/4產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象2023/2/4? 擾動觀測法的改進(jìn)一、基于變步長的擾動觀測法基本思想：遠(yuǎn)離MPP區(qū)域，采用較大的步長，在MPP附近，采用較小的步長。1.最優(yōu)梯度法最大功率點搜索過程：當(dāng)工作點位于最大功率點左側(cè)斜率較大的區(qū)域時，電壓以一個較大步長的擾動量增加，并隨著向MPP靠近，自動變小擾動的步長。反之，過程相反。2023/2/4最優(yōu)梯度法最大功率點搜索過程圖2023/2/42.逐步逼近法假設(shè)初始工作點工作在P-U特性曲線最大功率點的左邊，并且遠(yuǎn)離最大功率點，此時應(yīng)以某一較大的步長m進(jìn)行搜索，當(dāng)滿足Pi+1<Pi時，說明當(dāng)前工作點在最大功率點的右側(cè)，此時便可以估算出最大功率點的范圍應(yīng)在兩個初始步長2m范圍內(nèi)；接著應(yīng)改變搜索的方向，并且以m/2為步長進(jìn)行搜索，直到出現(xiàn)搜索方向的第二次改變時，屆時最大功率點的范圍應(yīng)在一個初始步長m范圍內(nèi)，此后再改變搜索方向，并且以m/4步長進(jìn)行搜索，以此類推，找到最大功率點，而且精度逐步提高。2023/2/4然而這在實際中是做不到的，但是可以通過預(yù)測算法而獲得。這就是基于功率預(yù)測的擾動觀測法的基本思路。

對于誤判的問題，如果能夠在同一時刻測得同一輻照度下的P-U特性曲線上電壓擾動前、后所對應(yīng)的工作點功率，就不會存在誤判問題。圖7-6 擾動觀測法誤判示例二、基于功率預(yù)測的擾動觀測法2023/2/4令kT時刻電壓UK處工作點測得的功率為P(K)，此時不給參考電壓加擾動，而在kT時刻后的半個采樣周期的(k+1/2)T時刻增加一次功率采樣。

若令測得的功率為P(k+1/2)，則可以得到基于一個采樣周期的預(yù)測功率為2023/2/4然后，在(k+1/2)T時刻使參考電壓增加ΔU，并令在(k+1)T時刻測得電壓Uk+1處的功率為P(k+1)，這樣P(k+1)和P‘(k)就是在同一輻照度下P-U特性曲線上電壓擾動前后的兩個工作點，因此，就沒有誤判的問題。2023/2/47.4電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法(IncrementalConductance,INC)

是通過比較光伏電池陣列的瞬時導(dǎo)抗與導(dǎo)抗的變化量的方法來完成最大功率點跟蹤的功能。電導(dǎo)增量法避免了擾動觀測法的盲目性，它能夠判斷出工作點電壓與最大功率點電壓之間的關(guān)系。2023/2/4? 如右圖所示：光伏陣列的電壓功率曲線是一個單峰的曲線，在輸出功率最大點處，功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零，要尋找最大功率點，只要在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在導(dǎo)數(shù)等于零或非常接近于零的時候，電壓保持不變即可。光伏電池P-U特性的dP/dU變化特征2023/2/4光伏電池的瞬時功率：兩端對U求導(dǎo)，并將I作為U的函數(shù)，可得：極大值時：所以，工作點位于最大功率點時的條件：2023/2/4

工程中以ΔI/ΔU

近似代替dI/dU

可得電導(dǎo)增量法（INC）法進(jìn)行最大功率時的判據(jù)如下：最大功率點左邊最大功率點最大功率點右邊2023/2/47-20電導(dǎo)增量法

流程圖圖7-9 電導(dǎo)增量法流程圖2023/2/4(1)控制效果好;(2)控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時系統(tǒng)能平穩(wěn)的追蹤其變化，且與光伏光伏電池組件的特性及參數(shù)無關(guān);(3)控制算法較復(fù)雜，對控制系統(tǒng)要求較高;(4)控制電壓初始化參數(shù)對系統(tǒng)啟動過程中的跟蹤性能有較大影響，若設(shè)置不當(dāng)則可能產(chǎn)生較大的功率損失。7-33?

電導(dǎo)增量法的特點2023/2/4擾動觀測法：電導(dǎo)增量法7-34?

與擾動觀測法的區(qū)別：2023/2/4? 電導(dǎo)增量法的數(shù)學(xué)依據(jù)是在最大功率點處功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為0。由于P-U曲線為一單峰曲線，因此采用導(dǎo)納增量法進(jìn)行最大功率跟蹤時無原理性誤差，為一個較理想的MPPT跟蹤方法。7-35電導(dǎo)增量法跟蹤誤差分析由于采用ΔI/ΔU

近似代替dI/dU，所以電導(dǎo)增量法也存在振蕩和誤判問題2023/2/47.5最大功率點跟蹤的實現(xiàn)? 兩級式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT控制7-232023/2/42023/2/4? 單級式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT控制7-24單級式并網(wǎng)逆變器202