第7章 最大功率点跟踪(MPPT)技术

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1、1 济南大学物理学院* 第六章 光伏并网逆变器控制策略 两个基本控制要求： 一是要保持前后级级之间间的直流侧电压稳侧电压稳 定 二是要实现实现 并网电电流控制 电力电子系统的控制主要包括对给定信号的跟 随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性） 两个方面。 2 济南大学物理学院* 显然通过控制交流侧Ui的幅值和相位，便可 控制UL的幅值和相位，也即控制了电感电流 的幅值和相位。 3 济南大学物理学院* 再由 Ui = U L+E ；可得交流侧输出电压指令 Ui * jLI * E 并网控制的工作原理：首先由并网控制给定 的有功、 无功功率指令和电网电压矢量，计 算出输出电流矢量I*； 通过SPW

2、M或SVPWM 控制逆变器输出所需交流侧 电压矢量，实现逆变器并网电流的控制。 4 济南大学物理学院* 间接电流控制：通过控制并网逆变器交流侧电压来 间接控制输出电流矢量。 直接电流控制方案依据系统动态模型构造电流闭环 控制系统， 5 济南大学物理学院* 相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制， 称为基于电压定向的矢量控制(VOC)。 相对于电网电压矢量位置的功率控制，称为 基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)。 以上两种并网逆变变器控制策略的控制性能取决于 电电网电压电压 矢量位置的精确获获得。 6 济南大学物理学院* 第七章 最大功率点跟踪技术 7-6 7.1 概述 光伏电池由于受外界因

3、素(温度、日照强度等)影 响很多，因此其输出具有明显的非线性。 不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一 的最大功率点(Maximum Power Point, MPP)上。 7 济南大学物理学院* 7-7 光伏系统应寻求光伏电池的最优工作状态， 以最大限度的实现光能转换为电能 利用控制方法实现光伏电池最大功率输出运行的 技术称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技术。 8 济南大学物理学院* 图7-1分别给出了光伏电池在不同的温度， 日照强度下的I-V特性曲线。 图7-1 光伏电池不同温度、日照强度下的I-V特性曲线 9 济南大学物理学

4、院* 由图7-1可知，光伏电池既非恒压源，也非恒流 源，是一种非线性直流源。输出电流在大部分 工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高 的电压之后，电流迅速下降至零。 光伏电池的输出特性近似为矩形，即低压段近 似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源。 温度相同时，随着日照强度的增加，光伏电池 的开路电压几乎不变，短路电流有所增加；日 照强度相同时，随着温度的升高，光伏电池的 开路电压下降，短路电流有所增加。 10 济南大学物理学院* 图7-2分别给出了光伏电池在不同的温度 ，日照强度下的P-U特性曲线。 图7-2 光伏电池不同温度、日照强度下的P-V特性曲线 11 济南大学物理学院* 从图7-

5、2中可以看出，在一定的温度和日照强度下 ，光伏电池具有唯一的最大功率点，当光伏电池工 作在该点时， 能输出当前温度和日照条件下的最 大功率。 在最大功率点左侧，光伏电池的输出功率随着工 作点电压的增加而增大；在最大功率点右侧，光伏 电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。 当结温增加时，光伏电池的开路电压下降，短路 电流略有增加，最大输出功率减小, 当日照强度增 加时，光伏电池的开路电压变化不大，短路电流增 加明显，最大输出功率增加。 7-11 12 济南大学物理学院* 从上面的分析中看出，光伏电池的输出是一个 随机的、不稳定的供电系统。工作时由于光伏 电池的输出特性受负荷状态、光照强度、环

6、境 温度等的影响而大幅度变化， 其短路电流与日 照量几乎成正比关系增减，开路电压受温度变 化的影响较大。 最大功率点时刻在变化。因此，就不能用等效 电阻的方法获取最大功率。 由于光伏电池的输出特性是复杂的非线性形式 ，难以确定其数学模型，无法用解析法求取最 大功率。 7-12 13 济南大学物理学院* 常见几种MPPT方法: (l)恒定电压跟踪法; (2)扰动观测法（爬山法）; (3)导纳增量法; (4)智能控制的方法。 14 济南大学物理学院* 7.2 定电压跟踪法 图7-3 光伏电池不同日照强度下的P-V特性曲线 由图7-3可以看出，在光伏电池温度变化不大时 ，光伏电 池的P-U输出特性曲

7、线上的最大功率点 几乎分布于一条垂直直线的两侧，因此将光伏电 池输出电压控制在其最大功率点电压处，此时光 伏电池将工作在最大功率点。 最大功率点电压与开 路电压之间存在近似 的线性关系 15 济南大学物理学院* (1)开环控制，控制简单，控制易实现; (2)系统不会出现因给定的控制电压剧烈变化而引起 振荡，具有良好的稳定性; (3)控制精度差，系统最大功率跟踪的精度取决于给 定电压值选择的合理性; (4)控制的适应性差，当系统外界环境，如太阳辐射 强度，光伏电池板温度发生改变时系统难以进行准 确的最大功率点跟踪。 定电压跟踪法特点： 16 济南大学物理学院* 7.3扰动观测法（爬山法） 扰动观

8、测法(Perturbation Observation, PO)是目 前实现 MPPT常用的方法，它通过不断扰动光 伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。 工作原理：先扰动输出电压值，然后测其功率 变化并与扰动之前的功率值比较，如果功率值 增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向 扰动，如果扰动后功率值小于扰动前的值，则 往相反的方向扰动。 17 济南大学物理学院* 扰动观测法示意图如图7-4所示 图7-4 扰动观测法示意图 18 济南大学物理学院* 扰动观测法程序流程如图7-5所示 图7-5 扰动观测法流程图 扰动观测法按照每次扰动的电压变化量是否固 定，可分为定步长和变步长扰动观测法。 1

9、9 济南大学物理学院* 扰动观测法的特点： 扰动观测法实质上是一个自寻优过程，通过对阵 列当前输出电压与电流检测，得到当前阵列输出 功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较 ，舍小存大，再检测， 再比较，如此不停的周 而复始，便可使阵列动态的工作在最大功率点上 。 此方法的优点是算法简单，容易实现，但对于光 强快速变化的环境易产生错误的跟踪，有较大的 功率损失。有时还会发生程序控制在运行中的失 序，出现“误判”，还可产生振荡现象。 7-19 20 济南大学物理学院* 误判的例子:在光强变化快速的情况下， 假定系统一开始工作在S1曲线上点，由 于扰动的作用，这时工作点向右移动到了 S2曲线上的

10、点，并且PP，系统便 认为此时最大功率点应该在点的右边， 仍向右调节工作点。 图7-6 扰动观测法误判示例 7-20 21 济南大学物理学院* 产生振荡现象 22 济南大学物理学院* 扰动观测法的改进 一、基于变步长的扰动观测法 基本思想：远离MPP区域，采用较大的步长，在 MPP附近，采用较小的步长。 1. 最优梯度法 最大功率点搜索过程：当工作点位于最大功率点 左侧斜率较大的区域时，电压以一个较大步长的 扰动量增加，并随着向MPP靠近，自动变小扰动 的步长。反之，过程相反。 23 济南大学物理学院* 最优梯度法最大功率点搜索过程图 24 济南大学物理学院* 2. 逐步逼近法 假设初始工作点

11、工作在P-U特性曲线最大功率点的 左边，并且远离最大功率点，此时应以某一较大 的步长m进行搜索，当满足Pi+1Pi时，说明当前工 作点在最大功率点的右侧，此时便可以估算出最 大功率点的范围应在两个初始步长2m范围内；接 着应改变搜索的方向，并且以m/2为步长进行搜索 ，直到出现搜索方向的第二次改变时，届时最大 功率点的范围应在一个初始步长m范围内，此后再 改变搜索方向，并且以m/4步长进行搜索，以此类 推，找到最大功率点，而且精度逐步提高。 25 济南大学物理学院* 然而这在实际中是做不到的，但是可以通过预 测算法而获得。 这就是基于功率 预测的扰动观测 法的基本思路。 对于误判的问题，如果能

12、够在同一时刻测得 同一辐照度下的P-U 特性曲线上电压扰动前 、后所对应的工作点功率，就不会存在误判 问题。 图7-6 扰动观测法误判示例 二、基于功率预测的扰动观测法 26 济南大学物理学院* 令kT时刻电压UK处工作点测得的功率为P(K)， 此时不给参考电压加扰动，而在kT时刻后的半个 采样周期的(k+1/2)T时刻增加一次功率采样。 若令测得的功率为 P(k+1/2)，则可以得到 基于一个采样周期的预 测功率为 27 济南大学物理学院* 然后，在 (k+1/2)T时刻使参考电压增加U，并 令在(k+1)T时刻测得电压Uk+1处的功率为 P(k+1)，这样P(k+1)和P(k)就是在同一辐

13、照度 下P-U特性曲线上 电压扰动前后的两个 工作点，因此，就没 有误判的问题。 28 济南大学物理学院* 7.4 电导增量法 电导增量法(Incremental Conductance, INC) 是 通过比较光伏电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化 量的方法来完成最大功率点跟踪的功能。 电导增量法避免了扰动 观测法的盲目性，它 能够判断出工作点电 压与最大功率点电压 之间的关系。 29 济南大学物理学院* 如右图所示：光伏阵列的 电压功率曲线是一个单峰 的曲线，在输出功率最大 点处， 功率对电压的导 数为零，要寻找最大功率 点，只要在功率对电压的 导数大于零的区域增加电 压，在功率对电压的导数

14、小于零的区域减小电压， 在导数等于零或非常接近 于零的时候，电压保持不 变即可。 光伏电池P-U特性的 dP/dU变化特征 30 济南大学物理学院* 光伏电池的瞬时功率： 两端对U求导，并将I作为U的函数，可得： 极大值时： 所以，工作点位于最大功率点时的条件： 31 济南大学物理学院* 工程中以I / U 近似代替 dI / dU 可得电 导增量法（INC）法进行最大功率时的判 据如下： 最大功率点左边 最大功率点 最大功率点右边 32 济南大学物理学院* 7-20 电导增量法流程图 图7-9 电导增量法流程图 33 济南大学物理学院* (1)控制效果好; (2)控制稳定度高，当外部环境参数

15、变化时系统能平 稳的追踪其变化，且与光伏光伏电池组件的特性及 参数无关; (3)控制算法较复杂，对控制系统要求较高; (4)控制电压初始化参数对系统启动过程中的跟踪性 能有较大影响，若设置不当则可能产生较大的功率 损失。 7-33 电导增量法的特点 34 济南大学物理学院* 扰动观测法： 电导增量法 7-34 与扰动观测法的区别： 35 济南大学物理学院* 电导增量法的数学依据是在最大功率点处功率对电 压的导数为0。由于P-U曲线为一单峰曲线，因此 采用导纳增量法进行最大功率跟踪时无原理性误差 ，为一个较理想的MPPT 跟踪方法。 7-35 电导增量法跟踪误差分析 由于采用I / U 近似代替

16、 dI / dU，所以电导增量 法也存在振荡和误判问题 36 济南大学物理学院* 7.5 最大功率点跟踪的实现 两级式光伏并网逆变器的MPPT控制 7-23 37 济南大学物理学院* 38 济南大学物理学院* 单级式光伏并网逆变器的MPPT控制 7-24 单级式并网逆变器 39 济南大学物理学院* 单级式并网逆变器MPPT控制的三环控制结构 单级式并网逆变器MPPT控制的双环控制结构 40 济南大学物理学院* 总结-各种MPPT方法的特点 特点 方法 优点缺点 恒定电压法 实现简单 算法容易实 现 近似求解最大功率 扰动观测法结构简单、测量参数 少、容易实现 最大功率点附近会出 现振荡,造成能量损耗 并且会发生 “误判 电导增量法跟随性很好，保证最 大功率输出 控制算法复杂，检测 精度要求高，步长不 易选择 41 济南大学物理学院* 作业业 最大功率点追踪有几种方法？比较较 它们们的特点。