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光伏逆变器MPPT算法全面解析

发表于:2016-01-27 12:11:18 来源:索比光伏网 作者:张喆

什么叫多路MPPT,为什么组串逆变器有好几个MPPT。MPPT算法又是什么?为大家解释什么是MPPT。

最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)是光伏发电系统中的一项核心技术,它是指根据外界不同的环境温度、光照强度等特性来调节光伏阵列的输出功率,使得光伏阵列始终输出最大功率。

 


 

图 1

图1我们可以发现,在不同的太阳能辐照度条件下,最大功率点是不同的。温度不同时,最大功率点也不同。

 


 

图2

图2温度越高最大功率点越低。

 


 

图 3

光伏阵列在使用过程中易受周围环境(如浮云,建筑物,树木遮荫等)和电池板表面的灰尘的干扰,导致光伏阵列的输出功率减小,输出特性曲线变得复杂。输出特性曲线呈多极值点,这就使得基于单峰值的最大功率点跟踪算法有可能在这种情况下失效,得不到全局最大功率点,使得光伏发电系统效率大大降低。

如果一个电站,某一个组串后面有空调机组;又有一片树叶遮盖了某一块电池片;又有一片树荫遮挡了部分组件。那么就会出现图3的情况,有了多个功率的峰值。如何找到图3中最高的那个点,就需要MPPT了!

一、最大功率点的条件

这个问题说起来又有一点复杂了!太阳能电池组件,有内电阻和外电阻之分。当某一刻内电阻和外电阻相等时,此刻电池组件就工作在最大功率点了。

P=UI=I²R=[E/(R+r)]²R=E²R/(R+r)]²

=E²/(√R+r/√R)²

=E²/[(√R-r/√R)²+4r]

右边R为变量,分子一定,分母中√R=r/√R,即R=r时和最小,这时分数值最大。所以,当外电阻和内电阻相等时,输出功率最大。

太阳能电池组件的内阻,主要体现在发电的时候,对电流的抑制作用。在发电的时候,主要参与的元素有电池片,内部焊条导线,还有外部链接线缆。这些参与的元素有一个共同的特性,就是在低温的时候,电阻值全部都会变小。所以在同辐射强度的情况下,环境温度越低,电池板的内阻越小,发电效果越高;反之,则温度越高,内阻越大。

二、最大功率点跟踪的原理

随着电子技术的发展,当前太阳能电池阵列的MPPT控制一般是通过DC/DC变换电路来完成的。其原理框图如下图所示。

光伏电池阵列与负载通过DC/DC电路连接,最大功率跟踪装置不断检测光伏阵列的电流电压变化,并根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节。

 


 

图4 MPPT系统原理框图

光伏充电系统可简化模型为如下图所示。将光伏电池简化为恒压源和内阻Ri,外部电路简化为负载Ro。则负载功率为:

 


 

对于线性电路来说,当负载电阻等于电源的内阻时,电源即有最大功率输出。虽然光伏电池和DC/DC转换电路都是强非线性的,然而在极短的时间内,可以认为是线性电路。因此,只要调节DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于光伏电池的内阻,就可以实现光伏电池的最大输出,也就实现了光伏电池的MPPT。

三、 常用最大功率跟踪控制算法

目前,光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)技术,国内外已有了一定的研究,发展出各种控制方法常,常用的有一下几种:恒电压跟踪法(Constant Voltage Tracking 简称CVT)、干扰观察法(Perturbation And Observation method简称P&O)、增量电导法(Incremental Conductance method简称INC)、基于梯度变步长的电导增量法等等。(这些算法只能用在无遮挡的条件下)

1恒定电压法

恒定电压法的基本理论依据是不同日照条件下光伏电池的输出P-U曲线上最大功率点电压位置基本都位于某个恒定电压附近。因此,CVT法的控制思路就是将光伏电池输出电压控制在该电压处,这样一来光伏电池在整个工作过程中将近似的工作在最大功率点处。恒定电压跟踪方法不但可以得到比直接匹配更高的功率输出,在一定的条件下,还可以用来简化最大功率点跟踪(MPPT)控制。

从严格的意义上来讲CVT法并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方法。虽然此法比一般光伏系统可以多获得20%左右的电能,相比不带CVT的直接耦合要有利得多。但是,这种跟踪方法忽略了温度对光伏电池阵列开路电压的影响,所以CVT法的精度甚低,适应性差,系统最大功率的跟踪精度完全取决于电压值的选择,一旦周围环境变化就无实现准确的最大功率追踪。但是CVT法以其控制简单、易实现、且系统不会出现振荡,具有良好的稳定性著称。

2干扰观察法

干扰观察法的原理是每隔一定的时间针对光伏电池输出电压进行扰动,使其增加或减少,同时对其输出功率进行观测,判断其产生变化的方向并以之为依据决定下一步的控制信号变化。这种控制算法一般采用功率反馈方式,通过两个传感器对太阳能电池阵列的输出电压和电流分别进行采样,并计算获得其输出功率。若ΔP>0,说明电压调整的方向正确,可以继续按原方向进行“干扰”;若ΔP<0,说明电压调整的方向错误,需要对“干扰”的方向进行改变。

这种方法虽然算法简单,而且易于硬件方面的实现,但响应速度较慢,故而只适用于那些日照强度变化比较缓慢的场合,例如光伏发电厂、光伏路灯等,而对于车用太阳能最大功率跟踪控制则不能满足环境多变的要求。而且这种算法在稳态情况下会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近的小幅振荡,因此会造成一定功率损失。

 


 

图5干扰观察法流程图

3电导增量法

电导增量法是目前MPPT最常用算法之一,它是根据光伏电池阵列P -U曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线(如下图),利用一阶导数求极值的方法。

 


 

以上即为电导增量法光伏电池达到最大功率输出点所需满足的条件。这种算法的控制过程如下:

 


 

此时参考电压将保持不变,也就是光伏阵列工作在最大功率点上。

在理论上电导增量法法比干扰观察法要好,因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导G=I/U的变化率和瞬时负电导值的大小关系,而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关,因而此法能够适应快速变化的日照强度,而且跟踪精度较高。

 


 

图6 电导增量法流程图

MPPT算法需要比较多的硬件传感器或者说是电压和电流传感器,传感器越多,成本越高,所以目前较多用的还是扰动观测法。

四、多峰值 MPPT 算法

普通的最大功率跟踪算法,如扰动观测发和电导增量法在一片云彩的遮挡下就有可能失效,不能实现真正意义的最大功率跟踪。目前,国际上也有人提出了多峰值的MPPT算法。

1结合常规算法的复合 MPPT 算法

结合常规算法的复合 MPPT算法工作原理,首先把光伏阵列的工作点设定在最大功率点的附近,再利用普通的算法进行精确定位也就是分两级控制在工作电压和电流的最佳比值点上光伏阵列输出最大功率。光伏阵列的工作最大功率点与开路电压和短路电流具有一定的比例关系。系统经过第一步控制后,得到一个参考值。在第一步控制期间,保存系统实最大功率点的数据。后级采用扰动观察法实现最终定位,但前面得到的最大功率点有可能落到局部极值点的范围。此时比较第一步控制保存数据的大小,确定该功率点是否为全局的最大功率点。该方法易于实现和搜索速度很快,但也有存在缺点如在搜索局部峰值点时,在峰值点处会有震荡;控制参数设置没有可靠的理论基础。

2 Fibonacci 法

Fibonacci搜索法基于斐波那契序列原理。斐波那契数列,又称黄金分割数列,在数学上,斐波那契数列以如下被以递归的方法定义即前两相和等于第三项的值,在现代天体物理、晶体结构、电子学等应用领域,斐波那契数列都有直接的应用。

3短路电流脉冲法

短路电路脉冲法的基本原理是在光伏阵列输出最大功率时,其输出电流和短路电流 的具有固定的比例关系受光照强度影响的短路电流,变化的系数k,其随环境条件变化而变化。每隔一段时间引入一个周期的短路电流脉冲, 加在功率管 MOSFET的栅极的斜坡信号持续时间长短,这样就可以确定短路电流。在此期间,扫描光伏阵列的P-I特性曲线,最大功率点将被检测出来,同时采样记录相对应的电流。扫描一个周期结束后,功率开关管 MOSFET 彻底导通,采样短路电流,然后可以得到的比例系数的K值。该方法实现容易,工程实用性比较好,但为了获取 P-I 曲线和短路电流,要引入期性短路电路脉冲,这不利于系统的控制而且对后级控制而言相当于引入一种电流冲击扰动。

五、DC/DC电路

DC/DC电路是一个非常有用的电路,他可以随意的调节电路的电压和电流。也叫直流斩波器。它能将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压。它的基本原理是通过对IGBT/MOS管的通断控制,将直流电压断续地加到负载上,通过改变占空比D来改变输出电压的平均值。由下图可见,MPPT算法就是通过电压的调节,来找到最大功率点的。

 


 

图7 mppt追踪

1典型DC/DC变换电路

DC/DC变换器可以分为很多种,按照调制形式可分为脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、混合调制。按照变换电路的功能可分为降压式直流-直流变换(Buck Converter)、升压式直流-直流变换器(Boost Converter)、升压-降压复合型直流-直流变换器(Boost-Buck Converter)、库克直流-直流变换(Cuk Converter)、全桥式直流-直流变换(Full Bridge Converter)。

在MPPT中,一般使用boost升压式直流-直流变换器。

目前三电平组串式逆变器,启动电压一般只要180-200V,而200v左右的直流电压是无法逆变器出380v交流电压的,所以三电平的组串逆变器,都会有一个DC/DC环节进行升压。而目前传统的500KW逆变器则没有这个升压环节。

每一台500Kw集中式逆变器会并联112-128串电池组串,每个组串会由18-20块电池组件串联。由于组件之间的个体差异造成组串之间的电压和电流的差异,又因为并联的组串数量过多,这就造成了不同大小电压的耦合,降低了整个光伏阵列的效率。组串式逆变器有2-3个MPPT,这样可以把由于遮挡或者组件个差异造成的电压差异解耦(图8)。这样就做到了被遮挡组件和正常工作组件的互不影响,功率得到充分的利用。

 


 

图8 组串逆变器拓扑图

2升压式变换器(Boost)

升压变换器是输出电压Vo高于输入电压Vin的单管不隔离直流变换器,所用电力电子器件及元件和Buck变换器的相同,仅电路拓扑结构不同,如图9所示。

比较图可见,Boost变换器中电感在输入侧,一般称为升压电感。开关管Q仍为PWM控制方式,但它的最大占空比D必须限制,不允许在D=1情况下工作。

 


 

图9 升压式DC/DC变换电路原理图

 


 

图10 升压式DC/DC变换电路开关管导通(a)、关断(b)时等效原理图

从上图可以看出,在开关管导通时,电源给储能电感充电,上电流逐渐增大,当开关管截止时电感放电,上电流逐渐减小。电容起滤波作用,使负载上的电压波纹减小。图11显示了电感上电流的变换波形和电压波形。

 


 

图11 升压式DC/DC变换电路的输出波形

展望

目前业内已经认识到了逆变器多MPPT通道的重要性,多MPPT的组串逆变器,集散式逆变器。已经被广泛的认可。这就要求更加精确的MPPT算法得以推广。对于这种情况有很多业内人事提出逆变器应该使用多峰值 MPPT 算法,例如短路电流脉冲法等等。

Fibonacci、基于状态空间的 MPPT 算法以及基于电压扫描和电导增量法多峰MPPT算法。这些算法都能实现最大功率跟踪,但是也各有有缺点。短路电流脉冲法的优点是易于实现,缺点是需引入周期性短路电流脉冲,因而会对系统的控制性能产生一定的影响;Fibonacci算法的优点是精度高,适应环境突变的能力较强,缺点是搜索速度较慢;基于状态空间的 MPPT算法的优点是鲁棒性好,阴影条件下仍具有较好的跟踪性能,其缺点是算法过于复杂;基于电压扫描和电导增量法多峰MPPT算法具有搜索速度快的优点,缺点是鲁棒性差。在未来最大功率点跟踪技术将朝着效率高、算法简单、响应速度快、鲁棒性好等的方向发展。

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