第7章 最大功率点跟踪(MPPT)技术

1、1济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 第六章第六章 光伏并网逆变器控制策略光伏并网逆变器控制策略 两个基本控制要求：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二是要实现并网电流控制 电力电子系统的电力电子系统的控制控制主要包括对给定信号的跟主要包括对给定信号的跟 随（随（跟随性跟随性）和对扰动信号的抑制（）和对扰动信号的抑制（抗扰性抗扰性） 两个方面。两个方面。 2济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 显然通过显然通过控制交流侧控制交流侧Ui的幅值和相位的幅值和相位，便可，便可 控制控制UL

2、的幅值和相位，也即控制了的幅值和相位，也即控制了电感电流电感电流 的幅值和相位。的幅值和相位。 3济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 再由再由 Ui = U L+E ；可得交流侧输出电压指令；可得交流侧输出电压指令 Ui * j LI * E 并网控制的工作原理：并网控制的工作原理：首先由并网控制给定首先由并网控制给定 的有功、的有功、 无功功率无功功率指令指令和和电网电压矢量电网电压矢量，计，计 算出输出电流矢量算出输出电流矢量I*； 通过通过SPWM或或SVPWM 控制逆变器输出所需交流侧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。电压矢量，实现逆变器并网

3、电流的控制。 4济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 间接电流控制：间接电流控制：通过控制并网逆变器交流侧电压来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。间接控制输出电流矢量。 直接电流控制直接电流控制方案依据方案依据系统动态模型构造电流闭系统动态模型构造电流闭 环控制系统，环控制系统， 5济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制，相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制， 称为称为基于电压定向的矢量控制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，称为相对于电网电压矢量位置的功率控制，称为 基于电压

4、定向的直接功率控制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。电网电压矢量位置的精确获得。 6济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 第七章第七章 最大功率点跟踪技术最大功率点跟踪技术 7-6 7.1 概述概述 光伏电池由于受光伏电池由于受外界外界因素因素(温度、日照强度等温度、日照强度等)影影 响很多，因此其输出具有明显的响很多，因此其输出具有明显的非线性非线性。 不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同不同且且唯一唯一 的的最大功率点

5、最大功率点(Maximum Power Point, MPP)上。上。 7济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 7-7 光伏系统应寻求光伏电池的光伏系统应寻求光伏电池的最优工作状态最优工作状态， 以最大限度的实现光能转换为电能以最大限度的实现光能转换为电能 利用利用控制方法控制方法实现光伏电池最大功率输出运行实现光伏电池最大功率输出运行 的的 技术称为技术称为最大功率点跟踪最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技术。技术。 8济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 图图7-1分别给出了光伏电池在不同的温度，分别给出了光伏

6、电池在不同的温度， 日照强度下的日照强度下的I-V特性曲线。特性曲线。 图图7-17-1 光伏电池不同温度、日照强度下的光伏电池不同温度、日照强度下的I-VI-V特性曲线特性曲线 9济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 由图由图7-1可知，光伏电池既可知，光伏电池既非恒压源非恒压源，也，也非恒流非恒流 源源，是一种，是一种非线性直流源非线性直流源。输出电流在大部分。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。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，即光伏电池的输出特性近似为

7、矩形，即低压段近低压段近 似为恒流源似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压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。开路电压下降，短路电流有所增加。 10济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 图图7-2分别给出了光伏电池在不同的温分别给出了光伏电池在不同的温 度，日照强度下的度，日照强度下的P-U特性曲线。特性曲线。

8、图图7-27-2 光伏电池不同温度、日照强度下的光伏电池不同温度、日照强度下的P-VP-V特性曲线特性曲线 11济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 从图从图7-2中可以看出，中可以看出，在一定的温度和日照强度下，在一定的温度和日照强度下， 光伏电池具有光伏电池具有唯一的最大功率点唯一的最大功率点，当光伏电池工作，当光伏电池工作 在该点时，在该点时， 能输出当前温度和日照条件下的最大能输出当前温度和日照条件下的最大 功率。功率。 在在最大功率点左侧最大功率点左侧，光伏电池的输出功率随着工，光伏电池的输出功率随着工 作点电压的增加而增大；在作点电压的增加而增大；在最大功率点右侧最大

9、功率点右侧，光伏，光伏 电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。 当当结温增加结温增加时，光伏电池的时，光伏电池的开路电压下降开路电压下降，短路短路 电流略有增加电流略有增加，最大输出功率减小，最大输出功率减小, 当当日照强度增日照强度增 加加时，光伏电池的开路电压变化不大，时，光伏电池的开路电压变化不大，短路电流增短路电流增 加明显，最大输出功率增加加明显，最大输出功率增加。 7-11 12济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 从上面的分析中看出，光伏电池的输出是一个从上面的分析中看出，光伏电池的输出是一个 随机的、不稳定的随机的、不

10、稳定的供电系统。工作时由于光伏供电系统。工作时由于光伏 电池的输出特性受电池的输出特性受负荷状态负荷状态、光照强度光照强度、环境环境 温度温度等的影响而大幅度变化，等的影响而大幅度变化， 其短路电流与日其短路电流与日 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。化的影响较大。 最大功率点时刻在变化。因此，就不能用最大功率点时刻在变化。因此，就不能用等效等效 电阻电阻的方法获取最大功率。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，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，无法用难以确定其数学模型，无法用

11、解析法解析法求取最大求取最大 功率。功率。 7-12 13济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 常见几种常见几种MPPT方法方法: (l)恒定电压跟踪法恒定电压跟踪法; (2)扰动观测法（爬山法）扰动观测法（爬山法）; (3)导纳增量法导纳增量法; (4)智能控制的方法。智能控制的方法。 14济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 7.2 定电压跟踪法定电压跟踪法 图图7-37-3 光伏电池不同日照强度下的光伏电池不同日照强度下的P-VP-V特性曲线特性曲线 由图由图7-3可以看出，在光伏电池可以看出，在光伏电池温度温度变化不大时，变化不大时， 光伏电光伏电 池的池的

12、P-U输出特性曲线上的最大功率点几输出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，因此乎分布于一条垂直直线的两侧，因此将光伏电池将光伏电池 输出电压控制在其最大功率点电压处输出电压控制在其最大功率点电压处，此时光伏，此时光伏 电池将工作在最大功率点。电池将工作在最大功率点。 最大功率点电压与开最大功率点电压与开 路电压之间存在近路电压之间存在近 似的线性关系似的线性关系 ocmpp UKU 1 15济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 (1)开环控制开环控制，控制简单，控制易实现，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系统不会出现因给定

13、的控制电压剧烈变化而引起 振荡，具有振荡，具有良好的稳定性良好的稳定性; (3)控制精度差控制精度差，系统最大功率跟踪的精度取决于给，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定电压值选择的合理性; (4)控制的适应性差控制的适应性差，当系统外界环境，如太阳辐射，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。确的最大功率点跟踪。 定电压跟踪法特点：定电压跟踪法特点： 16济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 7.3扰动观测法扰动观测法（爬山法）（爬山法） 扰动观测法扰动观测法(P

14、erturbation Observation, PO)是是 目前实现目前实现 MPPT常用的方法，它通过常用的方法，它通过不断扰动不断扰动 光伏系统的工作点光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。来寻找最大功率点的方向。 工作原理：先扰动输出电压值，然后工作原理：先扰动输出电压值，然后测其功率测其功率 变化并与扰动之前的功率值比较变化并与扰动之前的功率值比较，如果功率值，如果功率值 增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向增加，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。往相反的方向扰动。 17济南大

15、学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 扰动观测法示意图如图扰动观测法示意图如图7-4所示所示 图图7-47-4 扰动观测法示意图扰动观测法示意图 18济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 扰动观测法程序流程如图扰动观测法程序流程如图7-5所示所示 图图7-57-5 扰动观测法流程图扰动观测法流程图 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，可分为定步长定步长和和变步长变步长扰动观测法。扰动观测法。 19济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 扰动观测法的特点：扰动观测法的特点： 扰动观测法实质上是一个扰动观

16、测法实质上是一个自寻优过程自寻优过程，通过对阵，通过对阵 列当前输出电压与电流检测，得到当前阵列输出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，功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较， 舍小存大舍小存大，再检测，再检测， 再比较，如此不停的周而再比较，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。复始，便可使阵列动态的工作在最大功率点上。 此方法的优点是此方法的优点是算法简单算法简单，容易实现，但对于光，容易实现，但对于光 强快速变化的环境易产生错误的跟踪，有强快速变化的环境易产生错误的跟踪，有较大的较大的 功率损失功率损失。有时还会

17、发生程序控制在运行中的失。有时还会发生程序控制在运行中的失 序，出现序，出现“误判误判”，还可产生，还可产生振荡振荡现象。现象。 7-19 20济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 误判的例子误判的例子:在光强变化快速的情况下，在光强变化快速的情况下， 假定系统一开始工作在假定系统一开始工作在S1曲线上点，曲线上点， 由于扰动的作用，这时工作点向右移动到由于扰动的作用，这时工作点向右移动到 了了S2曲线上的点，并且曲线上的点，并且PP，系统，系统 便认为此时最大功率点应该在点的右边，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。仍向右调节工作点。 图图7-67-6 扰动

18、观测法误判示例扰动观测法误判示例 7-20 21济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 产生产生振荡振荡现象现象 22济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 扰动观测法的改进扰动观测法的改进 一、基于变步长的扰动观测法一、基于变步长的扰动观测法 基本思想：远离基本思想：远离MPP区域，采用较大的步长，在区域，采用较大的步长，在 MPP附近，采用较小的步长。附近，采用较小的步长。 1. 最优梯度法最优梯度法 最大功率点搜索过程：当工作点位于最大功率点最大功率点搜索过程：当工作点位于最大功率点 左侧左侧斜率斜率较大的区域时，电压以一个较大步长的较大的区域时，电压以一个较大步

19、长的 扰动量增加，并随着向扰动量增加，并随着向MPP靠近，自动变小扰动靠近，自动变小扰动 的步长。反之，过程相反。的步长。反之，过程相反。 23济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 最优梯度法最大功率点搜索过程图最优梯度法最大功率点搜索过程图 24济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 2. 逐步逼近法逐步逼近法 假设初始工作点工作在假设初始工作点工作在P-U特性曲线最大功率点的特性曲线最大功率点的 左边，并且远离最大功率点，此时应以某一较大左边，并且远离最大功率点，此时应以某一较大 的步长的步长m进行搜索，当满足进行搜索，当满足Pi+1Pi时，说明当前工时，说明当前

20、工 作点在最大功率点的右侧，此时便可以估算出最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大功率点的范围应在两个初始步长2m范围内；接范围内；接 着应改变搜索的方向，并且以着应改变搜索的方向，并且以m/2为步长进行搜索，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率点的范围应在一个初始步长m范围内，此后再改范围内，此后再改 变搜索方向，并且以变搜索方向，并且以m/4步长进行搜索，以此类推，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。找到最大功率点，而且精度逐步提高

21、。 25济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 然而这在实际中是做不到的，但是可以通过预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。测算法而获得。 这就是这就是基于功率基于功率 预测的扰动观测预测的扰动观测 法的基本思路。法的基本思路。 对于误判的问题，如果能够在同一时刻测得对于误判的问题，如果能够在同一时刻测得 同一辐照度下的同一辐照度下的P-U 特性曲线上电压扰动前、特性曲线上电压扰动前、 后所对应的工作点功率，就不会存在误判问后所对应的工作点功率，就不会存在误判问 题。题。 图图7-67-6 扰动观测法误判示例扰动观测法误判示例 二、基于功率预测的扰动观测法二、基

22、于功率预测的扰动观测法 26济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 令令kT时刻电压时刻电压UK处工作点测得的功率为处工作点测得的功率为P(K)， 此时不给参考电压加扰动，而在此时不给参考电压加扰动，而在kT时刻后的半时刻后的半 个采样周期的个采样周期的(k+1/2)T时刻增加一次功率采样。时刻增加一次功率采样。 若令测得的功率为若令测得的功率为 P(k+1/2)，则可以得到，则可以得到 基于一个采样周期的预基于一个采样周期的预 测功率为测功率为 )()2/1(2)(kPkPkP 27济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 然后，在然后，在 (k+1/2)T时刻使参考电

23、压增加时刻使参考电压增加U，并，并 令在令在(k+1)T时刻测得电压时刻测得电压Uk+1处的功率为处的功率为 P(k+1)，这样，这样P(k+1)和和P(k)就是在同一辐照度就是在同一辐照度 下下P-U特性曲线上特性曲线上 电压扰动前后的两个电压扰动前后的两个 工作点，因此，就没工作点，因此，就没 有误判的问题。有误判的问题。 28济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 7.4 电导增量法电导增量法 电导增量法电导增量法(Incremental Conductance, INC) 是是 通过比较光伏电池阵列的通过比较光伏电池阵列的瞬时导抗瞬时导抗与与导抗的变化导抗的变化 量量的方法

24、来完成最大功率点跟踪的功能。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电导增量法避免了扰动 观测法的盲目性，它观测法的盲目性，它 能够判断出能够判断出工作点电工作点电 压与最大功率点电压压与最大功率点电压 之间的关系之间的关系。 29济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 如右图所示：光伏阵列如右图所示：光伏阵列 的电压功率曲线是一个的电压功率曲线是一个 单峰的曲线，单峰的曲线，在输出功在输出功 率最大点处率最大点处， 功率对电功率对电 压的导数为零压的导数为零，要寻找，要寻找 最大功率点，只要在功最大功率点，只要在功 率对电压的导数大于零率对电压的导数大于零 的区域

25、增加电压，在功的区域增加电压，在功 率对电压的导数小于零率对电压的导数小于零 的区域减小电压，在导的区域减小电压，在导 数等于零或非常接近于数等于零或非常接近于 零的时候，电压保持不零的时候，电压保持不 变即可。变即可。 光伏电池光伏电池P-U特性的特性的 dP/dU变化特征变化特征 30济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 光伏电池的瞬时功率：光伏电池的瞬时功率：IUP 两端对两端对U求导，并将求导，并将I作为作为U的函数，可得：的函数，可得： dU dI UI dU dP 极大值时：极大值时：0 dU dP 所以，工作点位于最大功率点时的条件：所以，工作点位于最大功率点时的条

26、件： 0 dU dI UI U I dU dI - 31济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 工程中以工程中以I / U 近似代替近似代替 dI / dU 可得电可得电 导增量法（导增量法（INC）法进行最大功率时的）法进行最大功率时的判判 据据如下：如下： 最大功率点左边最大功率点左边 最大功率点最大功率点 最大功率点右边最大功率点右边 32济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 7-20 电导增量法电导增量法流程图流程图 图图7-97-9 电导增量法流程图电导增量法流程图 33济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 (1)控制效果好控制效果好; (2)

27、控制稳定度高控制稳定度高，当外部环境参数变化时系统能平，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 参数无关参数无关; (3)控制控制算法较复杂算法较复杂，对控制系统要求较高，对控制系统要求较高; (4)控制电压控制电压初始初始化化参数参数对对系统启动过程中的跟踪性系统启动过程中的跟踪性 能能有较大影响，若设置不当则可能产生较大的功率有较大影响，若设置不当则可能产生较大的功率 损失。损失。 7-33 电导增量法的特点电导增量法的特点 34济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-7-6 扰动观测法：扰动观测法： 电导增量法电导增量法