光伏并网逆变器最大功率点跟踪MPPT

2.控制方法的特点 (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，且与太阳能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。 3.跟踪误差分析 导纳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-V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并无原理性误差，为一 个较理想的MPPT跟踪方法。
最大功率点跟踪控制的发展现状
目前国内外己有许多文献针对太阳能电池最大功率 点跟踪的问题进行了讨论，常见有以下几种方法: (l)恒定电压控制法; (2)爬山法（扰动观测法）; (3)导纳增量法; (4)基于梯度变步长的导纳增量法; (5)改进的爬山法。
恒定电压控制法

由图可以看出，在太阳能光伏电池温度变化不大时，太阳能光 伏电池的输出产V特性曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂 直直线的两侧，因此若能将太阳能光伏电池输出电压控制在其 最大功率点电压处，这时太阳能光伏电池将工作在最大功率点。
爬山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”。
改进爬山法稳定跟踪分析
改进爬山法采用三个点的功率比较来实现快速跟踪，该法有三个优点: 1.能够准确快速跟踪到 P max ，这是由算法本身决定的; 2.避免了在最大功率点附近因扰动造成的功率损失:系统一旦达到 P max ，将通过单片机指令不做任何电压调整，保持系统长期工作在该点上，直 到外部环境发生变化。这与爬山法在最大功率点附近仍振荡不止有着本质 区别，避免了无谓的功率损失; 3.当光强发生突变时，不盲目移动工作点，待日照量稳定后再追踪。 由于三点比较法采用软件控制，算法中把“ PA PB 且 P P ”这 B C 种情况(即天空有云遮挡)归入了系统已经达到了最大功率点的情况，两者 作同样处理即不跟随日照量的快速改变而盲目调整工作电压，避免了系统 过快的振荡。此种处理会造成一小部分功率损失，但是相对换来整个系统 稳定运转是值得的。假设原来系统处于最大工作电压U max1 上，检测到的 相对应电流为 I max1，日照突变后达到的最大工作电压为U max 2 ，相应电 流为 I max 2 ，则系统不移动工作点造成的功率损失为:
如上图所示，首先假设光伏电池工作电压可控制为逐渐增大，刚开始时光
伏电池工作于Pn点上，由于工作电压的增大，下一时刻工作点移至Pn+1， 此时有Pn<Pn+1，工作电压的继续增加使得工作点沿着功率曲线向上爬升 到最大功率点Pm处，接着工作点继续向右移，此时会出现Pn>Pn+1，在此 情况下，我们通过改变工作电压的变化方向（即使其转变为逐渐减小）， 工作点则从另外一个方向向峰顶爬升，如此反复控制光伏电池工作点电压 的改变，从而实现工作点最终稳定工作于最大功率点附近。具体的流程图 如下图所示。
2.控制方法的特点

(1)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，太阳能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。

1. U 初值的取定，原则是使它处于最大功率点附近，有两种方法确定:一是 根据光伏系统所在地年光强和气温随机测量记录，采用数学统计方法可得出 光强，温度特性，进而结合光伏电池的伏安特性可判断最大功率点的大概位 置:该法需要大量实测数据，应用性不强;二是根据前人对各种条件下I-U特性 曲线分析，发现最大功率点电压位于开路电压的80%附近，因此可取 U B 的初值为开路电压的80%。 2.电压调整步长△U，电压调整常量U D 和阀值 的选取。 (1)△U初值的选取:若选值过小，系统无法快速应对外部环境的变化，反应速 度过慢;若选值过大，系统精度不够。对输出电压在1~5伏的单片机实验室电 池而言，由于 U B 的初值已经定在开路电压的80%，建议△u的初值范围定 在 1 102 伏。 (2) U D 是一个正数，其值比△U小，作为电压微调量，若 U D 的值非常接 近△U，会造成调整后的△U过小而使系统在以后的跟踪中长期徘徊在低功 率点。根据“二分法”原则，可取U D 0.5U 。 (3) 的值作为一个控制程序结束的参量，可根据系统精密度要求来确定 ： 越大，精密度越低，导致部分功率损失; 越小，MPPT跟踪越精 确，但是跟踪时间会更长，需要处理的数据越大对硬件的要求越高，难 以实现快速实时跟踪。对实验室开路电压4~5伏的单片机电池而言，建 议 取值为102 1 伏。
13.4基于梯度变步长的导纳增量法
1.基于梯度变步长的导纳增量法原理 由太阳能光伏电池的P、V特性曲线图可以看出，在整个电压范围内功率曲线为一单 max 两端dP/dy的导数均不为0。若令 max 处dP/dV=0，在 P 峰函数，在功率最大值 P steP=A abs(dP/dV)作为导纳增量法中的步长数据，在V离最大功率点Vmax 较远时，跟踪 的步长较大;当v离Vmax 较近时，系统跟踪的步长变小。通过设置合适的A，同时结合导纳 增量法跟踪精度高的优点，可以实现在最大功率的跟踪过程中的变步长跟踪。在与定步 长导纳增量法相同的条件下，变步长的导纳增量法在启动时功率损失大为减少。 2.控制方法的特点 (l)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，且与太阳能光伏电 池组件的特性及参数无关; (3)控制电压初始化参数对系统跟踪性能影响较小，在系统启动过程中可以实现快速跟踪; (4)在外界环境发生改变时，由于是通过数值微分的方法近似求出的梯度，可能出现系统 控制量的突变，以及输出功率的波动; (5)控制算法复杂。 3.跟踪误差分析 由于基于梯度变步长的导纳增量法的数学依据仍然是在最大功率点处功率对电压的导数 为0。因此采用基于梯度变步长的导纳增量法也无原理性误差。
对于功率有：P
U I
（1）
将（1）式两端对V求导，并将I作为V的函数，可得： 变形可得：
将上述三种情况带入式可得： 这样可以根据 dI / dV 与 之间的关系 来调整工作点电压而实现最大功率点跟踪。
I /V
实现该方法的软件 算法可用右图所示 电导增量法流程图 描述。其中，V（k） 和，I（k）分别为 第k个采样点的光伏 输出电压和电流， Vref和△V分别为 DC/DC电路开关占 空比的参考电压值 和单个采样周期的 电压增量。

从上面的分析中看出，光伏电池的输是一个随机的、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。从而使输出功率产生很大变化，即最大功率点时刻在变化。因此，就 不能用一个简单的固定电阻或等效为一个固定的电阻以获取最大功率；另外， 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。要想使光伏发电系统能够高效利用太阳能，获取最大功 率输出，有必要跟踪控制最大功率点。
最大功率点跟踪

太阳能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，图a和图b分别给出了太阳能电池 在不同的温度，日照强度下的I-V特性曲线。


由以上两图可知，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， 太阳能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，太阳能光伏电池的开路电压 下降，短路电流有所增加。 下图a和b分别为光伏电池在温度变化和日照强度变化下 的P-V特性曲线。从图中可以看出，在一定的温度和日照强度 下，光伏电池具有惟一的最大功率点，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。
改进爬山法跟踪控制系统的功能实现
传统的爬山法因其控制思想简单，控制易实现得到广泛的应用，但是爬山法 存在两个不足:一是跟踪到最大功率点时会出现功率损失;二是会出现误判的情形。 对此，本文对爬山法作了改进。本章对改进爬山法的跟踪原理以及优点进行详细 阐述。为了验证改进爬山法可行性，文章设计了一种跟踪控制系统，系统以Buck 电路为主电路，此章对Buck电路的工作原理作了详细的介绍。 改进爬山法的原理：
3.3.2爬山法（扰动观察法）

爬山法是目前实现MPPT常用的方法，它通过 不断扰动太阳能光伏系统的工作点来寻找最 大功率点的方向。其原理是先扰动输出电压 值，然后测其功率变化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。
电导增量法

电导增量法是通过调整工作点的电 压，使之逐渐接近最大功率点电压来实 现最大功率点的跟踪，而电导增量法避 免了爬山法的盲目性，它能够判断出工 作点电压与最大功率点电压之间的关系， 是通过比较太阳能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。从右图所示：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；当电压不变 电流增加时，增加工作电压，在电压不 变电流减小时，减小工作电压。
改进爬山法是爬山法的一种有效改进，主要用软件编程通过不断调 整电压步长△U对最大功率点进行判断和控制，最后利用阀值 判断 是否达到最优点。该方法在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右 U 依次取A，B，C三个点U A 和 PA ， B 和 PB ，Uc和Pc分别对应各点工 作电压和功率。设 U B 为初始最大功率点 U max ， U D 是一个预先设定 用于电压步长调整的常量;在判断三点电压值的调整方向时可能出现如图 3一1、3一2和3一3所示的情形。
消除爬山法误判的方法
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C 爬山改进法增加下一时刻的电压 U c对应的功率 P 参与 判断。当ΔP>0时，如果 P P ，说明是光强变化引起的功率 b c 变化，应保持原来的工作电压不变，否则，说明太阳能电池 板工作于最大功率点的左侧，需要增加工作电压；同样，当 ΔP<0时，如果 P P，应保持原来的工作电压不变，否则需 b c 要减小工作电压。爬山改进法避免了爬山法跟踪的误动作， 有利于提高最大功率跟踪的效率。
误判的产生

通过上图可以看出，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。如果光强按着此趋势不断的快 速变化下去，则系统继续向右调节来寻找最大功率点。这样工作点 便越来越偏离最大功率点，这种情况一直持续到光强变化缓慢或者 停止变化，系统才能逐渐把工作点调整回最大功率点上。