关于逆变器MPPT的工作原理

关于 MPPT 的工作原理摘要MPPT 即 “ 最大功率点跟踪 ” （ Maximum Power Point Tracking ）的简称，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。 其功能为， 控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压， 并追踪最高电压电流值（最大功率） ，使系统得以最高的效率对蓄电池充电。关于最大功率点 MPP ，太阳能光伏阵列的输出特性具有非线性的特点，并且输出受太阳幅照度， 环境温度和负载影响， 只有在某一输出电压值时， 光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点。MPPT- 最大功率点追踪的工作原理 :在一个规定的周期内，微处理器定期地主动调节PWM 的占空比 D，改变太阳能电池的输出电流，从而引起太阳能电池的输出电压变化，检测太阳能电池输出电压及输出电流， 计算出太阳能电池阵列的输出功率， 然后根据最大功率点跟踪策略寻找最大功率点的位置。MPPT 的简单模型如下： （ 个人认为， 其最简原理和我们求电池最大输出效率模型相似，即寻找与内阻相等的负载点功率）图 1 MPPT原理的最简等效模型RS 为太阳能电池板的等效输出电阻， RL 为 MPPT 端的等效负载电阻。当外界条件变化时，RS 也跟着变化了， 这是为了满足最大的功率输出， 通过调整 MPPT 端的负载电阻与之匹配，当 RS = RL 时，功率输出最大，也就是我们说的 MPP 点。 RL 实时跟随 RS 变化的方法叫做MPPT 算法。带 MPPT 的逆变器原理框图：图 2 逆变器中 MPPT原理框图目前国在用的几种 MPPT 方法有：扰动观察法、电导增量法、恒定电压法、短路电流法、实际测量法、直线近似法、间隙扫描法。 前三者为目前最常用的方法， 以下就三种方法详细说明：一、扰动观察法扰动观察法的原理为： 由于太阳能电池的 P-V 曲线我们是可以从实时功率系统中得到， 当太阳能电池的工作在最大功率点的左侧时， dP／ dV>0 （斜率）；而在最大功率点的右侧时，dP／ dV0 ，说明光伏工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰动周期继续保持当前的扰动方向，朝同 +△ V方向扰动：反之，若扰动后的功率值小于扰动前即 dP／dV<0 ，则说明光伏工作于最大功率点的右侧，当前扰动方向将使工作点远离最大功率点，所以应改变扰动方向，往相反（ - △ V） 方向扰动。经过反复的调整，最终使光伏电池的工作点逼近最大功率点。优点：控制简单、容易实现，对参数检测精度要求不高，控制效果往日照变化不是很剧烈的情况下，能满足光伏系统对最大功率点跟踪的要求。缺点：需要周期性的扰动，且当扰动方向确定后，只能在下一个扰动周期去影响输出电压，这将导致光伏阵列的输出在最大功率点附近振荡， 从而减小系统的输出效率： 当环境条件变化剧烈时有可能发生误判，导致跟踪失败。 扰动观察法的一般控制流程图如下图所示：图 3 扰动观察法的一般控制流程图适川场合：日照变化不是很剧烈的环境，是目前使用较多的方法。注意：初始值及扰动步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响。扰动步长较大时，该控制方法对日照变化跟踪速度快， 但是由丁光伏器件特性不对称， 其输出功率会在最大功率点附近产生功率振荡现象； 扰动步长较小时， 可减弱或消除光伏器件输山功率的振荡， 但对日照变化的跟踪速度变慢。实际应用中要对其进行实验后才可选定扰动步长。二、电导增量法电导增量法也是 MPPT 控制常用的算法之一，其控制思想与扰动观察法类似，也是利用dP／ dV 的方向进行最大功率点跟踪控制，只是当太刚能电池工作在最大功率点时控制有所不同。原理：通过太阳能电池阵列 P-V 曲线可知最人值点 Pm 处的斜率为零，所以有：Pm=V*I 等式两端对 V 进行求导得：即为要达到最大功率点的条件， 也就是说， 当系统输出电导的变化量等于输出电导变化量的负值时，太阳能电池工作在最大功率点。电导增量法的一般程序流程如下图所示。图 4 电导增量法的一般控制流程图图中， V(k) 、 I(k) 为新检测的电压、电流值， V(k-1) 、 Z(k-1) 为前一次检测的电压、电流值。程序读进新值后先计算与旧值之间误差，再判断电压差值是否为零 (因后面做除法时分母不得为零 )。若电压差值为零，则再判断电流差值是否为零。若都为零则表示阻抗一致， Vref值不变。若电压差值为零，电流差值不为零，则表示日照温度有变化。电流差值大于零，Vref 值增加； 电流差值小于零， Vref 值减少。 若电压差值不为零时， 再判断求导式 dI/dv=-I/v是否成立。若成立，则表示功率曲线斜率为零（最大功率点） ， Vref 值不变；若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正， Vref 值将增加；反之 Vref 值将减少。优点： 控制精确、跟踪速度快， 当太阳电池上的照度产生变化时， 其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，基本可以消除 P&O法中冈扰动而产生的最大功率点附近的功率振荡现象。缺点：算法较为复杂，对硬件的要求较高 (特别是传感器的测量精度要求较高 )，且系统的响应也应足够快才能满足其控制要求， 所以相应的硬件成本也将提高。 就理论而言， 此方法的理论表达式是无可挑剔的。 但是当传感器的精确度有限时， 满足求导式的概率是有限的， 于是将不可避免的产生误差。适用场合：气候变化大的情况下。三、恒定电压法恒定电压法 (CVT) 是利用光伏器件输出最大功率时工作电压 Vm 与开路电压 Vo 存在近似的比例关系这一特性进行控制的一种最大功率点跟踪控制方法。由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。 随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化， 该方法逐渐被新方法所替代。原理：当电池结温不变且光伏器件输出功率最大时，它的工作电压 Vm 与开路电压 Vo 存在固定的比例关系 Vm=KV o (该比值 K 近似为 0.76~0.8 ，根据电池的这一特性，只要知道电池的开路电压 Vo， 即可得到最人功率点对应的工作电压 Vm)。 利用该比例关系控制 MPPT 电路使光伏阵列的输出电压等于 Vm。 即可实现光伏器件输出最大功率。 这样， 实际上是把 MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了恒定电压式的 MPPT 控制。优点：原理简单、易于实现，有良好的稳定性。缺点：忽略了温度对阵列开路电压的影响，控制精度差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区度；必须人工干预才能良好运行。适用场合：通常用于功率较小、日照情况稳定的工作场合，如人造卫星。