第9章 光伏发电最大功率跟踪技术

2023/3/91太阳能应用

检测与控制技术概述第9章光伏发电最大功率跟踪技术9.1最大功率跟踪系统中的变换电路9.3最大功率跟踪算法9.29.1概述

在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）技术。9.2最大功率跟踪算法

最大功率点跟踪技术实施最重要的是寻找合适的MPPT控制算法，能在快速变化的外界环境条件下有效地跟踪最大功率点，控制光伏电池阵列，使其时刻工作在最大功率点上。实现最大功率点跟踪有多种不同的方法，如开路电压法、短路电流法、扰动观察法、增量电导法、模糊控制法、查表法、滞环比较法、曲线拟合法等。目前，常用的方法主要是开路电压法、扰动观察法和增量电导法。9.2最大功率跟踪算法9.2.1开路电压法与短路电流法1．开路电压法

由图9-1可知，在辐照度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出P-U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，若能将光伏电池输出电压控制在其最大功率点附近上的某一定电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输出，这种MPPT控制称为定电压跟踪法。

研究发现，光伏电池的最大功率点电压Umpp与光伏电池的开路电压Uoc之间存在近似的线性关系，即

（9-4）式中，系数k1取决于光伏电池的特性，一般取值大约在0.8左右9.2最大功率跟踪算法k1的值一旦确定下来，通过周期性地采样开路电压Uoc的值，就可根据式（9-4）计算出Umpp的值，作为光伏电池阵列输出电压调整的目标参考值，此时光伏电池阵列在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。

由于该方法只是对最大功率点处的电压Umpp进行估计，并没有真正去跟踪检测最大功率点，因此该方法控制的适应性较差。而且为了提高跟踪精度，需要周期性地断开后续功率转换器电路，采样光伏电池阵列的开路电压，这将带来短时间的功率损失。为了解决这一问题，可以利用一块与所需采样的太阳能光伏阵列特性相同的小的光伏电池板实时采样光伏阵列开路电压的方法，此方法可以克服短时功率损失这一缺点。9.2最大功率跟踪算法图9-1相同温度下光伏电池特性9.2最大功率跟踪算法2．短路电流法

由图9-1可知，在辐照度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出U-I曲线最大功率点电流Impp与光伏电池短路电流Isc也存在近似的线性关系，即

（9-5）式中，系数k2的值取决于光伏电池的特性，一般k2的取值在0.8左右。9.2最大功率跟踪算法

实际应用时，可在逆变器中添加相关的功率开关，并通过周期性短路光伏电池的输出端来测得Isc。该方法与定电压跟踪法的应用类似，属于开环的MPPT算法。

开路电压法和短路电流法的主要优点就是控制简单、易于实现。但是由于式（9-4）和式（9-5）是近似公式，所以光伏电池并不是工作在真正的最大功率点上，因此它们难以准确实现MPPT，但其具有控制简单并快速接近最大功率点的优点，因此常将它们与其他闭环MPPT方法组合使用，即一般可以在光伏系统启动过程中先采用定电压跟踪法使工作点电压快速接近最大功率点。9.2最大功率跟踪算法9.2.2扰动观测法

扰动观测法是实现MPPT最常用的自寻优类方法之一。其基本思想是：首先扰动光伏电池的输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势改变扰动电压（或电流）方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。对于光伏并网系统而言，从观测对象来说，扰动法又可分为两种：一种是基于并网逆变器输入参数的扰动观测法；另一种是基于并网逆变器输出参数的扰动观测法。9.2最大功率跟踪算法

基于并网逆变器输入参数的扰动观测法直接检测逆变器输入侧光伏电池的输出电压和电流，通过计算光伏电池的输出功率并采用功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的最大输出功率点。基于输出参数的扰动观测法则是在不考虑逆变器损耗的情况下，通过并网逆变器网侧输出功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的最大输出功率点。9.2最大功率跟踪算法9.2.3电导增量法

前述讨论表明，最大功率跟踪点跟踪实质上就是搜索满足条件dP/dU

=

0的工作点，由于数字控制中检测及控制精度的限制，以P/U近似代替dP/dU，从而影响了MPPT算法的精确性。一般而言，U由步长决定，当最小步长一定时，MPPT算法的精度就由P对dP的近似程度决定。扰动观测法用两点功率差近似替代微分dP，即从dP≈Pk−Pk−1出发，推演出以功率增量为搜索判据的MPPT算法。9.2最大功率跟踪算法9.2.4三点比较跟踪法

扰动观测法的基本思想是通过比较扰动前后两点功率差来决定是增大还是减小工作点电压，即用当前工作点和前一个扰动点相比较，判断功率变化的方向来决定工作电压移动的方向。虽然使用过程中造成振荡或误判的原因不同，但是每次的扰动都是基于前后两点瞬时测量值的单向扰动。如果再增加另外一点的测量信息，并进行具有双向滞环特性的双向扰动，则有可能克服扰动观测法的振荡和误判问题。9.3最大功率跟踪系统中的变换电路

在常规的线性系统的电气设备中，为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时负载上就可以获得最大功率，如图9-15所示。

图中，Ui为电源电压，Ri为电压源的内阻，R0为负载电阻，则负载上消耗的功率PRo为

（9-14）

式中，Ui和Ri均是常数，对R0求导，可得

（9-15）9.3最大功率跟踪系统中的变换电路图9-15简单线性电路9.3最大功率跟踪系统中的变换电路

对于一些内阻不变的供电系统，可以用这种外阻等于内阻的简单方法获得最大输出功率。但是在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅仅受日照强度的影响，而且受环境温度以及负载的影响，因而处在不断变化之中，从而不可能用上述简单方法来获得最大功率输出。目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率来改变输出阻抗。电路中开关管导通占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发生了变化。由于输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性，因此，可通过它来调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率的跟踪控制。令,即Ri

=

R0时，PR0取得最大值。9.3最大功率跟踪系统中的变换电路9.3.1降压式变换器（buck）

降压式（buck）变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。图9-18给出了它的电路原理示意图。图中开关VT可以是各种全控型电力器件，VD为续流二极管，其开关速度应与开关VT同等级，常用快恢复二极管。L、C分别为谐波电感和电容，组成低通滤波器，RL为负载。为了简化分析，作如下假设：VT、VD是无损耗的理想开关管，输入直流电源Ud是理想电压源，其内阻为零，L、C的损耗可忽略，RL为理想负载。图9-19为buck变换器电路的等效电路及相关波形图。9.3最大功率跟踪系统中的变换电路图9-18Buck原理示意图9.3最大功率跟踪系统中的变换电路图9-19Buck电路等效电路及波形图9.3最大功率跟踪系统中的变换电路9.3.2升压式变换器（Boost）Boost变换器是输出电压Uo高于输入电压Uin的单管不隔离直流变换器，所用电力电子器件及元件与Buck变换器的相同，仅电路拓扑结构不同，如图9-21所示。由图可见，Boost变换器中电感L在输入侧，一般称为升压电感。开关管VT仍为PWM控制方式，但它的最大占空比D必须限制，不允许在D

=

l情况下工作。当开关VT导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C向负载供电。当开关VT截止时，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经过二极管向负载供电，同时向电容充电，此时UL

=

Uin−Uo。所以，输出电压大于输入电压，这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。9.3最大功率跟踪系统中的变换电路图9-21Boost变换器电路原理图9.3最大功率跟踪系统中的变换电路Boost变换器有两种工作方式：电感电流连续和断续。图9-22给出了这两种工作方式下的主要波形图。当电感电流连续时，Boost变换器存在两种开关模态。图9-22Boost变换器电路主要波形图9.3最大功率跟踪系统中的变换电路9.3.3升-降压式变换器（Buck-Boost）Buck-Boost变换器是输出电压Uo既可以低于也可以高于电压Uin的单管不隔离直流变换器，其主电