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光伏并网控制系统的最大功率点跟踪

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2020年4月19日
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光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法
12月29日 作者：周建华 李 冰 郭 玲 田苗苗 陈增禄 来源：《中国电源博览》总第128期 编辑：孙伟
　　摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。

　　1 引言
　　日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，而且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到 万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常见的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。
　　2 光伏组件的特性
　　A. 物理数学模型
　　根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。

　　其中：
　　IPH 与日照强度成正比的光生电流；
　　I0 光伏组件反向饱和电流，一般其数量级为10-4A；
　　n 二极管因子；
　　q 电子电荷， ；
　　K 玻尔兹曼常数,  J/K；
　　T绝对温度（ K）；
　　RS光伏组件等效串联电阻；
　　RP光伏组件等效并联电阻；
　　式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。
　　B. 温度、光照对输出特性的影响
　　受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。
　　由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化能够看出。

　　C. 实测得光伏组件输出特性
　　作者制作了一套简易的光伏组件输出特性测试系统。主电路采用Buck-Boost电路和电阻串联作为光伏组件的负载，由自制的ARM控制板采集光伏组件的电压和电流，并经过定期自动扫描Buck-Boost电路的占空比，以测得在不同条件下的输出特性。图4是采用英国Bp公司的Bp3230T光伏组件，于 8月9日测得的一组数据。图4-A中五条曲线的MPP趋势与图3-A中的MPP趋势相反；这是由于图4-A的实测条件下，随着光照增强同时温度也在增加，使得PV组件的开路电压UOC随温度升高而降低所致。
3.常见MPPT控制方法
　　从图3中可看出,光伏组件是一种非线性较强的直流电源，其输出最大功率点随着光照、温度的变化而变化，但任意一条特征曲线都存在唯一最大功率点，并对应唯一的光伏组件输出电压。从第2节的中可知：光照强度越强，光伏组件输出的功率也越大；相反温度越高，太阳能电池输出的功率越小。因此，实际应用中为了提高光伏组件的光电转换效率，就要对太阳能电池的最大功率点进行跟踪。MPPT的实质是一个寻优过程，即经过调节光伏组件的输出电压，使其能在各种不同的光照、温度下的实际工作点趋近当前光伏组件输出的全局最大功率点。

　A. 恒定电压法[3]（Constant Voltage Tracking，CVT）
　　如果忽略温度影响, 当光照强度大时，光伏组件的短路电流Isc增大，开路电压Uoc略有的增加。从图3-A可看出，光伏组件在不同光照下的MPP近似在某一恒定的电压值Um 附近。如果保持光伏组件的输出端电压为常数且等于某一光照强度下相应于最大功率点的电压，就能够大致保证在当前环境下组件输出最大功率，这就是恒定电压跟踪法(CVT)理论依据。采用CVT作为MPPT控制方法，其实现简单、方便、可靠性高，系统不会出现振荡。
　　可是，CVT控制方法忽略了温度对阵列开路电压的影响，实际上光伏组件的开路电压都在较大程度上受结温影响，图3-B显示的不同温度条件下光伏组件输出的P-V特性。特别是内陆地区冬夏，甚至早午晚温差较大，理论和实地运行数据均表明，当温度从-20℃ 变化到+40℃时，其最大功率点电压（Um）的偏移能达Uoc值的30%以上。如果采用CVT 控制方法的将电压给定值控制在夏季的最大功率点处，冬季时，光伏组建输出功率的损失将会超过20%。折衷解决方法是只能在冬、夏两季调整CVT 电压给定值。
　　B. 扰动观察法[3](Perturb and Observe methods，P&O)
　　扰动观察法属当前MPPT控制常见方法之一，原理是给定光伏组件输出电压一个扰动(U+ΔU)，再比较扰动前后的功率值，若输出功率增加，则表明电压扰动方向正确，继续按照(U+ΔU)方向扰动；若输出功率减小，则往(U-ΔU)方向扰动。该方法的优点是其控制思想简单，缺点是选取的跟踪步长△U对跟踪精度和速度影响较大，跟踪的最终结果只能在组件输出的最大功率点附近振荡，会导致部分功率损失。另外，如果光照强度突然发生变化，在运行过程中控制算法会发生误判现象，使系统短时间朝远离最大功率点。若光伏组件工作环境突然变化时，将可能出现两个或更多的局部最大功率点，在这种情况下，P&O控制方法不能快速跟踪，而且可能只收敛至局部最大功率点，并非光伏组件在当前环境下的全局的最大功率点。
　　改进的P&O控制方法主要是变步长跟踪。通长是根据前后两次功率差的大小改变步长[4,5]等。
　　C. 增量电导法[3,4](Incremental Conductance methods，IncCond)
　　增量电导法的基本原理是经过比较光伏阵列输出增量电导率和瞬时电导，实现光伏组件的最大功率点跟踪。如图3-A所示光伏阵列P-V曲线可知最大Pmax处的斜率为零。光伏组件输出功率为

　　增量电导法具有良好的跟踪响应速度和较高稳定性。与扰动观察法相比较，能适应光伏组件工作环境变化较快的场合。
　　D. 作者使用的一种新方法
　　对于单相并网逆变器，由于单相并网逆变器输出为100Hz的功率流，因而会导致PV组件两端的电压同样包含一个100Hz的波动分量，经过增大直流母线上的电容能够减小，可是无法消除这个波动，可能出现五种情况：MPP左侧、包含MPP但MPP偏右、包含MPP且MPP在PV组件波动电压代数中点、包含MPP但MPP偏左、MPP右侧。PV组件输出功率在时域会对应五种不同的波形。根据5种不同的时域功率波形调整PV组件的工作点从而实现MPPT控制。此方法不会发生振荡，能适应外界环境变化较快的场合。
　　3、总结
　　PV组件的光电转换特性具有非线性，而且受光照强度和和温度等参数的影响。当前常见的MPPT算法主要有恒定电压法、扰动观察法和增量电导法。恒定电压法实现简单，可是实际使用较少。扰动观察法和增量电导的跟踪精度高，应用较多。前者有可能在最大功率点附近振荡，光照强度突然变化时可能会发生误判。后者跟踪速度和稳定性相对较好，但作者认为这两种方法本质上是一致的。作者使用的一种新型的MPPT控制方法，实时性较好，且可避免误判。