第7章 最大功率点跟踪(MPPT)技术

最大功率点电压与开 路电压之间存在近 似的线性关系
图7-3 光伏电池不同日照强度下的P-V特性曲线
Umpp K1Uoc
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定电压跟踪法特点：
(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。
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• 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。
图7-1 光伏电池不同温度、日照强度下的I-V特性曲线
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• 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。
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第七章 最大功率点跟踪技术
7.1 概述 光伏电池由于受外界因素(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。
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• 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。
第六章 光伏并网逆变器控制策略
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。 两个基本控制要求： 一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定 二是要实现并网电流控制
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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。
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最优梯度法最大功率点搜索过程图
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2. 逐步逼近法
假设初始工作点工作在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+1<Pi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。
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• 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①点， 由于扰动的作用，这时工作点向右移动到 了S2曲线上的②点，并且P②>P①，系统 便认为此时最大功率点应该在②点的右边， 仍向右调节工作点。
图7-6 扰动观测法误判示 例
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• 与扰动观测法的区别：
扰动观测法： P P k P k 1 电导增量法
P UI IU
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电导增量法跟踪误差分析
• 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。 由于采用ΔI / ΔU 近似代替 dI / dU，所以电导增量 法也存在振荡和误判问题
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7.3
扰动观测法（爬山法）
• 扰动观测法(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。
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• 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
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•从图7-2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。
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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。
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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，
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• 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)。 以上两种并网逆变器控制策略的控制性能取决于 电网电压矢量位置的精确获得。
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二、基于功率预测的扰动观测法 对于误判的问题，如果能够在同一时刻测得 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。 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。
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• 电导增量法的特点
(1)控制效果好;
(2)控制稳定度高，当外部环境参数变化时系统能平
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。
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图7-6 扰动观测法误判示 例
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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
P(k ) 2P(k 1 / 2) P(k )
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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
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• 单级式光伏并网逆变器的MPPT控制
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7.4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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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。
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• 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。
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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*； 再由 Ui = U L+E ；可得交流侧输出电压指令 Ui * jLI * E