MPPT

光伏阵列的输出具有非线性性质， 而且会随着外界环境的变化而改变， 选取有效的最大功率点跟踪技术可以让系统工作在最大功率点， 这样可以有效提高系统的发电量， 因此 MPPT技术是光伏系统的研究热点。MPPT建模（分两类） ：1. 通过求解 0dP dV 来求出最大功率点，已知 P-V 关系式，通过求导解得最大功率点电压，电流、功率便可得知。2/( )1 ( 1)ocV C Vsc scI I C I e ；2( )1 (1 )m ocV C Vm scC I I e ；12 ( 1)[ln(1 )]m oc m ocC V V I I ；2/( )1 ( 1)ocV C Vsc scP VI CVI e ；2 22/( ) /( )/( )1 1 12 2( 1)oc ococV C V V C VV C Vsc sc sc scoc ocdP e eI C I e CVI I CVIdV C V C V此方程为超越方程， 一般用数值迭代法求解。 此方法要求光伏电池的输出特性曲线已知。在复杂光照条件下， 光伏阵列的输出特性表达式往往都很复杂， 不易求解， 在实际中用数据表和 Lagrange 插值公式求得其近似多项式，再求得最大点。 （计算复杂）2.通过不断调整、测量、逐步寻找最大功率点MPPT实现需要软硬件结合共同完成， 软件主要指 MPPT算法， 硬件部分是直流变换电路，现在最常用的是 Boost 电路。 有的不用 Boost 电路， 而是直接控制逆变器来实现最大功率跟踪，此种可以先不考虑。最大功率点算法原则：快速性和稳定性下面 MPPT技术的几种常用算法，都属于第二类MPPT技术的几种常用算法算法名称 原理简介 优点 缺点扰动观察法（爬山法）每隔一定时间增加或减少电压，观察其功率的变化方向， 根据比较结果确定参考电压的调整方向原理简单，被测参数少，易于实现跟踪步长对响应速度和跟踪精度无法兼顾（误判）滞环比较法（ 三 点 重 心比较法）将目前的工作点与上一个扰动点比较，判断功率的变化方向，从而决定工作电压的移动方向避免干扰和误判错误，并减少扰动造成的损耗造成较多的扰动损失，可能发生程序的失序现象电压增量寻优法以电流内环的快速调节来满足电压外环的控制要求， 电压外环也快速调节以跟随输出变化算法简单，容易实现 扰动性较差，动态性能不佳电流增量寻优法原理电压增量寻优法， 但其只以电流环进行跟随控制算法简单，容易实现 具有更快的动态响应恒定电压控制法将光伏电池输出电压控制在该恒定电压值控制简单且易实现，有良好的稳定性精度较差，稳定性不高导纳增量法 在最大功率点处有 P对 V 求导值为零控制效果好，控制稳定度较高，不受功率时间曲线影响控制算法较复杂，对控制系统要求较高，不易实现基于梯度变步长的导纳增量法通过设置合适的步长， 同时结合InCond 法跟踪精度较高的优点，实现变步长的跟踪控制效果较好，且控制稳定性较高，具有良好快速性稳定性较差，算法较复杂模糊控制方法根据功率变化的幅度自动调节占空比， 并迅速感知外界的环境变化，找到最大功率点能克服非线性影响，具有良好快速性控制算法较复杂，不易实现实现 MPPT功能的主电路选用 Boost ，因为 Boost 电路输出电压波形波动较小，比较稳定。 另外在小功率光伏发电系统中， 光伏阵列输出电压一般达不到并网要求， 需要进行电压提升。 Boost 升压电路体积小、重量轻、效率高，电路结构和控制比较简单，由于电压抬升的作用太阳能电池阵列的输入直流电压范围可以很宽。0RiRE如图所示：在电路中，当电源内阻 iR 和负载电阻 0R 相匹配即相等时，输出功率最大。而实际中光伏电池的等效内阻会随着光照、 温度等外界环境的影响而改变， 因此输出功率也会随之改变。 （很多文献直接通过 MPPT算法得出最大功率点电压输出给逆变器，没有采用Boost 电路。这种仿真只完成了软件部分的实现，没有考虑 Boost ，包括损耗、开关管工作情况、电感、电容的选取等，而且加入硬件电路后输出波形也会不一样。 ）PV0RCL DSPVU 0UMPPT 算法通过对输出电压、功率不断的比较，得出功率的变化方向，改变 Boost 电路中开关管的驱动脉冲占空比来实现对光伏电池最大功率的跟踪。从输入侧看，等效电路阻抗为 2 20 00 01 1 11PVPV LPVU DU UR D D RI I D I可见， LR 为常数时，通过改变占空比 D 就可以改变光伏池板输出电压和电流的比值，即光伏池板的等效内阻。不管是在什么状态下（无遮挡或者部分遮挡情况下） ，光伏电池的输出电流随输出电压的增加而降低。当 PV mU U 时，即 PV mI I ，则可以通过减小 D 来增大 PVU ；反之，可以通过增大 D 来减小 PVU ，使之越来越接近最大功率点。硬件电路中参数的选取：Boost 电路的开关管驱动脉冲选择 PWM调制方式， 载波选用等腰三角形。 不同的电压、电流等级，电容、电感的选取也不同，因此应先根据光伏阵列的输出确定这些器件的参数。升压电感的选取：Boost 工作在临界状态时： 12in LI i在正常工作时，要保证 Boost 电路工作在连续状态：LiniL Ut； 0L iniL U Ut0 1inLU Ui DT D DTL L0 01 11 2 2in LI U TI i D DD L20012U TL D DI0U 的确定与电网电压、阵列额定功率（最大点功率）相关； 0I 可由额定功率和 0U 确定；占空比可由功率最大点电压和 0U 确定， max0 01 1inU UD U U 。输入侧滤波电容的选取：max 1c LI i i ，当 max LI i 时，电容放电；当 max LI i ，电容充电电容上的纹波为：2max112 2 2 8 8L LcUi T iTU DTC C LC要使纹波满足输入要求，就要求：2max18 cU DTCL U ， 1cU 是输入侧电容电压波动，可根据要求自己定输出侧电容的选取（假设纹波电流都流经电容） ：计算输出电压时， 可将二极管、 C2和负载等效为输出， 在开关导通期间， 输出电流为 0，电容给负载放电；在开关断开期间，输出电流为 inI ，电容充电，电压波动为 2cU ，02cI DTUC （放电） ；0 02 0cI DT I DTCU U ，但是文献里是22ccI TCU ； 2 0cPIU直流侧电容的选取：仿真注意事项： Implement zero-order hold of one sample period 这个模块的采样周期的设定、调制波和开关管占空比 D的关系。常用几种 MPPT算法 （参考 《光伏并网发电系统的 MPPT改进算法及其在光照突变时的仿真》 ） ：补充参考《光伏发电系统并网控制及最大功率跟踪的研究》常用：1. 恒定电压法（不需要仿真） ：最大功率点大概是开路电压的 0.7~0.9 倍左右，根据这一特点， 可以在光伏方阵和负载之间通过一定的阻抗变换， 使得系统成为一个稳压器， 即光伏系统的工作电压始终在 mU 附近。缺点：光伏方阵的工作电压是随着温度变化的，温度变化时， 光伏方阵的输出功率将偏离最大功率点， 会造成较大的功率损失。 特别是温度上升较大时， 光伏方阵的输出伏安曲线和系统设定的工作电压不存在交点， 这样系统将会产生震荡，所以现在 CVT已逐渐被其他方法所取代。2. 扰动观测法： 通过不断跟踪电压、 功率变化的方向来实现最大功率跟踪。 不断给工作电压施加一个较小的变量， 并判断功率的变化方向， 从而决定下一刻电压的变化方向和步长大小，从而逼近最大功率。缺点：扰动观测法结构简单、被测参数少、容易实现，但若选步长不合适， 输出会在最大功率点附近振荡， 造成能量浪费， 外界环境变化时可能会造成误判。3. 电导增量法：最大功率点时，功率对电压倒数为 0，即在最大功率点时：0 0d V IdP dI dI I dI II VdV dV dV dV V dV V ， 判断 dI IdV V ， 若值为 0，则认为工况点工作在最大功率点处，若大于 0，则输出电压增加一个步长；若判断值小于 0，则输出电压减小一个步长。两阶段变步长：参考《小型光伏系统及其光伏系统关键问题研究》另外一种变步长为 PaP，PaV适合多峰特性的 MPPT：上图为功率输出曲线与导数特性曲线，2/( )12ocV C VscocdP eI CVIdV C V ，可见导数包含两部分：①输出电流；②由输出电压决定的函数， 从波形中可以看出， 在最大功率点左侧部分占整个功率特性曲线比重较大， 且在此区间导数稳定， 图中阴影部分为导数稳定区域面积 S ，该面积与最大功率成线性关系： maxd udPS V k PdV ， dV 为导数稳定区域光伏电池输出的最大电压值， 无论在光照变化还是在温度变化的情况下功率稳定区域系数 uk 都相对稳定，为 0.72 左右。可见最大功率与 S 成线性关系。当输出功率曲线具有多峰特性时，设 id 为个区间的导数， i 为串联电池板数，设 pviS 为第 i 个区间的等效面积： pvi iS i d ， iS 为稳定区面积： dii i di pviVS d V Si ；maxupvi idi dii kiS S PV V ，udii kV 基本为常数， maxP 为标准状态下的最大功率， 在忽略温度的影响下， 等效面积的大小与其对应的最大功率成正比， 因此可以通过比较等效面积的大小来确定全局最大功率点所在区间。 11i P k P kd V k V k算法框图仿真实现：先仿真最简单的情况：双峰1. 检测到最大值在区间 2， 若检测电压在区间 1， 则不断减小占空比 （） ， 升高输出电压，当升至区间 2 时，采用单峰 MPPT即可2. 检测最大值在区间 1，若检测电压在区间 1，则采用传统 MPPT，若检测电压在区间 2，则不断增大占空比，直至电压降至区间 1 多峰当检测电压小于最大值所在区间时， 减小扰动量， 增大输出电压； 当检测电压大于最大值所在区间，增大扰动量，减小输出电压如图所示， 为两个组件串联的输出 V-P 曲线， 第一个组件中有两块电池受到遮挡， 遮挡率为 20%，从波形可以看出功率曲线具有双峰性，分两个区间 [0 27] 、 [27 43] ，倒数稳定区间大致为 [0 21] 、 [28 35] ，只要在这两个区间以内采样导数就可确定功率最大点在哪个区间（ 2 区间） 。仿真验证变步长法只能追踪到第一个局部最大值，针对多峰特性的 MPPT可追踪到全局最大值， 但存在采样区间不好确定、 算法复杂、 追踪时间长， 还有待改进或寻找更优的 MPPT。