最大功率点跟踪M技术.pptx

1济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五第六章第六章 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2024/8/9 周五周五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2024/8/9 周五周五再由再由 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，实现逆变器并网电流的控制。4济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五间接电流控制：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环系统动态模型构造电流闭环控制系统，控制系统，5济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五 相相对对于于电电网网电电压压矢矢量量位位置置的的电电流流矢矢量量控控制制，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)。相相对对于于电电网网电电压压矢矢量量位位置置的的功功率率控控制制，称称为为基于电压定向的直接功率控制基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)。以以上上两两种种并并网网逆逆变变器器控控制制策策略略的的控控制制性性能能取取决决于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2024/8/9 周五周五第七章第七章 最大功率点跟踪技术最大功率点跟踪技术7-67.1 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2024/8/9 周五周五7-7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的实现光伏电池最大功率输出运行的 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2024/8/9 周五周五 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2024/8/9 周五周五 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。温温度度相相同同时时，随随着着日日照照强强度度的的增增加加，光光伏伏电电池池的的开开路路电电压压几几乎乎不不变变，短短路路电电流流有有所所增增加加；日日照照强强度度相相同同时时，随随着着温温度度的的升升高高，光光伏伏电电池池的的开路电压下降，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2024/8/9 周五周五 图图7-2分别给出了光伏电池在不同的温度，分别给出了光伏电池在不同的温度，日照强度下的日照强度下的P-U特性曲线。特性曲线。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2024/8/9 周五周五 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。在在最最大大功功率率点点左左侧侧，光光伏伏电电池池的的输输出出功功率率随随着着工工作作点点电电压压的的增增加加而而增增大大；在在最最大大功功率率点点右右侧侧，光光伏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。7-1112济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五 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，无法用解析法解析法求取最大求取最大功率。功率。7-1213济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五常见几种常见几种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2024/8/9 周五周五7.2 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似路电压之间存在近似的线性关系的线性关系15济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五(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2024/8/9 周五周五7.3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(Perturbation Observation,PO)是目是目前实现前实现 MPPT常用的方法，它通过常用的方法，它通过不断扰动光不断扰动光伏系统的工作点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。工工作作原原理理：先先扰扰动动输输出出电电压压值值，然然后后测测其其功功率率变变化化并并与与扰扰动动之之前前的的功功率率值值比比较较，如如果果功功率率值值增增加加，则则表表示示扰扰动动方方向向正正确确，继继续续朝朝同同一一方方向向扰扰动动，如如果果扰扰动动后后功功率率值值小小于于扰扰动动前前的的值值，则则往相反的方向扰动。往相反的方向扰动。17济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五 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2024/8/9 周五周五 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2024/8/9 周五周五扰动观测法的特点：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。此此方方法法的的优优点点是是算算法法简简单单，容容易易实实现现，但但对对于于光光强强快快速速变变化化的的环环境境易易产产生生错错误误的的跟跟踪踪，有有较较大大的的功功率率损损失失。有有时时还还会会发发生生程程序序控控制制在在运运行行中中的的失失序，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。7-1920济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五 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曲线上曲线上点，由点，由于扰动的作用，这时工作点向右移动到了于扰动的作用，这时工作点向右移动到了S2曲线上的曲线上的点，并且点，并且PP，系统便，系统便认为此时最大功率点应该在认为此时最大功率点应该在点的右边，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 扰动观测法误判示例扰动观测法误判示例7-2021济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五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2024/8/9 周五周五 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左最大功率点搜索过程：当工作点位于最大功率点左侧侧斜率斜率较大的区域时，电压以一个较大步长的扰动较大的区域时，电压以一个较大步长的扰动量增加，并随着向量增加，并随着向MPP靠近，自动变小扰动的步靠近，自动变小扰动的步长。反之，过程相反。长。反之，过程相反。23济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五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2024/8/9 周五周五2.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，此时应以某一较大的左边，并且远离最大功率点，此时应以某一较大的步长步长m进行搜索，当满足进行搜索，当满足Pi+1Pi时，说明当前工作时，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率点的范围应在两个初始步长2m范围内；接着应范围内；接着应改变搜索的方向，并且以改变搜索的方向，并且以m/2为步长进行搜索，直为步长进行搜索，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的范围应在一个初始步长m范围内，此后再改变搜范围内，此后再改变搜索方向，并且以索方向，并且以m/4步长进行搜索，以此类推，找步长进行搜索，以此类推，找到最大功率点，而且精度逐步提高。到最大功率点，而且精度逐步提高。25济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五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2024/8/9 周五周五令令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时刻后的半个时刻后的半个采样周期的采样周期的(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27济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五然后，在然后，在(k+1/2)T时刻使参考电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2024/8/9 周五周五7.4 电导增量法电导增量法电电导导增增量量法法(Incremental Conductance,INC)是是通通过过比比较较光光伏伏电电池池阵阵列列的的瞬瞬时时导导抗抗与与导导抗抗的的变变化化量量的方法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2024/8/9 周五周五 如如右右图图所所示示：光光伏伏阵阵列列的的电电压压功功率率曲曲线线是是一一个个单单峰峰的的曲曲线线，在在输输出出功功率率最最大大点点处处，功功率率对对电电压压的的导导数数为为零零，要要寻寻找找最最大大功功率率点点，只只要要在在功功率率对对电电压压的的导导数数大大于于零零的的区区域域增增加加电电压压，在在功功率率对对电电压压的的导导数数小小于于零零的的区区域域减减小小电电压压，在在导导数数等等于于零零或或非非常常接接近近于于零零的的时时候候，电电压压保保持持不不变即可。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2024/8/9 周五周五光伏电池的瞬时功率：光伏电池的瞬时功率：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：极大值时：极大值时：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件：31济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五 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2024/8/9 周五周五7-20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2024/8/9 周五周五(1)控制效果好控制效果好;(2)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2024/8/9 周五周五扰动观测法：扰动观测法：电导增量法电导增量法7-34 与扰动观测法的区别：与扰动观测法的区别：35济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五 电导增量法的数学依据是在最大功率点处功率对电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压的导数为0。由于。由于P-U曲线为一单峰曲线，因此曲线为一单峰曲线，因此采用导纳增量法进行最大功率跟踪时采用导纳增量法进行最大功率跟踪时无原理性误差无原理性误差，为一个较理想的为一个较理想的MPPT 跟踪方法。跟踪方法。7-35电导增量法跟踪误差分析电导增量法跟踪误差分析由于采用由于采用I/U 近似代替近似代替 dI/dU，所以电导增量，所以电导增量法也存在振荡和误判问题法也存在振荡和误判问题36济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五7.5 最大功率点跟踪的实现最大功率点跟踪的实现 两级式两级式光伏并网逆变器的光伏并网逆变器的MPPT控制控制7-2337济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五38济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五 单级式光伏并网逆变器的单级式光伏并网逆变器的MPPT控制控制7-24单级式并网逆变器单级式并网逆变器39济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五单级式并网逆变器单级式并网逆变器MPPT控制的三环控制结构控制的三环控制结构单级式并网逆变器单级式并网逆变器MPPT控制的双环控制结构控制的双环控制结构40济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五总结总结-各种各种MPPT方法的特点方法的特点特点 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济南大学物理学院济南大学物理学院2024/8/9 周五周五作业作业最大功率点追踪有几种方法？比较最大功率点追踪有几种方法？比较它们的特点。它们的特点。