最大功率点跟踪(M宣讲)技术.ppt

济南大学物理学院,*,*,显然通过,控制交流侧,U,i,的幅值和相位,，便可控制,U,L,的幅值和相位，也即控制了,电感电流,的幅值和相位。,2025/12/5 周五,再由,U,i,=,U,L,+,E,；可得交流侧输出电压指令,U,i,*,j,L,I,*,E,并网控制的工作原理：,首先由并网控制给定的有功、无功功率,指令,和,电网电压矢量,，计算出输出电流矢量,I*,；,通过,SPWM,或,SVPWM,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。,2025/12/5 周五,间接电流控制：,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。,直接电流控制,方案依据,系统动态模型构造电流闭环控制系统，,2025/12/5 周五,相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制，称为,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,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电网电压矢量位置的精确获得。,2025/12/5 周五,第七章 最大功率点跟踪技术,7-,5,7.1,概述,光伏电池由于受,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,。,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,(Maximum Power Point,MPP),上。,2025/12/5 周五,7-,6,光伏系统应寻求光伏电池的,最优工作状态,，以最大限度的实现光能转换为电能,利用,控制方法,实现光伏电池最大功率输出运行的 技术称为,最大功率点跟踪,(Maximum Power Point Tracking,MPPT),技术。,2025/12/5 周五,图,7-1,分别给出了光伏电池在不同的温度，日照强度下的,I-V,特性曲线。,图,7-1,光伏电池不同温度、日照强度下的,I-V,特性曲线,2025/12/5 周五,由图,7-1,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，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，光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加。,2025/12/5 周五,图,7-2,分别给出了光伏电池在不同的温度，日照强度下的,P-U,特性曲线。,图,7-2,光伏电池不同温度、日照强度下的,P-V,特性曲线,2025/12/5 周五,从图,7-2,中可以看出，,在一定的温度和日照强度下，光伏电池具有,唯一的最大功率点,，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,。,7-,10,2025/12/5 周五,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,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。最大功率点时刻在变化。因此，就不能用,等效电阻,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，难以确定其数学模型，无法用,解析法,求取最大功率。,7-,11,2025/12/5 周五,常见几种,MPPT,方法,:,(l),恒定电压跟踪法,;,(2),扰动观测法（爬山法）,;,(3),导纳增量法,;,(4),智能控制的方法。,2025/12/5 周五,7.2,定电压跟踪法,图,7-3,光伏电池不同日照强度下的,P-V,特性曲线,由图,7-3,可以看出，在光伏电池,温度,变化不大时，光伏电 池的,P-U,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,将光伏电池输出电压控制在其最大功率点电压处,，此时光伏电池将工作在最大功率点。,最大功率点电压与开路电压之间存在近似的线性关系,2025/12/5 周五,(1),开环控制,，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，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。,定电压跟踪法特点：,2025/12/5 周五,7.3,扰动观测法,（爬山法）,扰动观测法,(Perturbation Observation,PO),是目前实现,MPPT,常用的方法，它通过,不断扰动光伏系统的工作点,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,测其功率变化并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。,2025/12/5 周五,扰动观测法示意图如图,7-4,所示,图,7-4,扰动观测法示意图,2025/12/5 周五,扰动观测法程序流程如图,7-5,所示,图,7-5,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定，可分为,定步长,和,变步长,扰动观测法。,2025/12/5 周五,扰动观测法的特点：,扰动观测法实质上是一个,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易产生错误的跟踪，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,”，还可产生,振荡,现象。,7-,18,2025/12/5 周五,误判的例子,:,在光强变化快速的情况下，假定系统一开始工作在,S1,曲线上点，由于扰动的作用，这时工作点向右移动到了,S2,曲线上的点，并且,P,P,，系统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。,图,7-6,扰动观测法误判示例,7-,19,2025/12/5 周五,产生,振荡,现象,2025/12/5 周五,扰动观测法的改进,一、基于变步长的扰动观测法,基本思想：远离,MPP,区域，采用较大的步长，在,MPP,附近，采用较小的步长。,1.,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侧,斜率,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,MPP,靠近，自动变小扰动的步长。反之，过程相反。,2025/12/5 周五,最优梯度法最大功率点搜索过程图,2025/12/5 周五,2.,逐步逼近法,假设初始工作点工作在,P-U,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步长,m,进行搜索，当满足,P,i+1,P,i,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率点的范围应在两个初始步长,2m,范围内；接着应改变搜索的方向，并且以,m/2,为步长进行搜索，直到出现搜索方向的第二次改变时，届时最大功率点的范围应在一个初始步长,m,范围内，此后再改变搜索方向，并且以,m/4,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。,2025/12/5 周五,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。,这就是,基于功率,预测的扰动观测,法的基本思路。,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,P-U,特性曲线上电压扰动前、后所对应的工作点功率，就不会存在误判问题。,图,7-6,扰动观测法误判示例,二、基于功率预测的扰动观测法,2025/12/5 周五,令,kT,时刻电压,U,K,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,kT,时刻后的半个采样周期的,(k+1/2)T,时刻增加一次功率采样。,若令测得的功率为,P(k+1/2),，则可以得到基于一个采样周期的预测功率为,2025/12/5 周五,然后，在,(k+1/2)T,时刻使参考电压增加,U,，并令在,(k+1)T,时刻测得电压,U,k+1,处的功率为,P(k+1),，这样,P(k+1),和,P,(k),就是在同一辐照度下,P-U,特性曲线上,电压扰动前后的两个,工作点，因此，就没,有误判的问题。,2025/12/5 周五,7.4,电导增量法,电导增量法,(Incremental Conductance,INC),是通过比较光伏电池阵列的,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。,电导增量法避免了扰动观测法的盲目性，它能够判断出,工作点电压与最大功率点电压之间的关系,。,2025/12/5 周五,如右图所示：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。,光伏电池,P-U,特性的,dP/dU,变化特征,2025/12/5 周五,光伏电池的瞬时功率：,两端对,U,求导，并将,I,作为,U,的函数，可得：,极大值时：,所以，工作点位于最大功率点时的条件：,2025/12/5 周五,工程中以,I,/,U,近似代替,dI,/,dU,可得电导增量法（,INC,）法进行最大功率时的,判据,如下：,最大功率点左边,最大功率点,最大功率点右边,2025/12/5 周五,7-20,电导增量法,流程图,图,7-9,电导增量法流程图,2025/12/5 周五,(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，且与光伏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。,7-,32,电导增量法的特点,2025/12/5 周五,扰动观测法：,电导增量法,7-,33,与扰动观测法的区别：,2025/12/5 周五,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,0,。由于,P-U,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,无原理性误差为一个较理想的,MPPT,跟踪方法。,7-,34,电导增量法跟踪误差分析,由于采用,I,/,U,近似代替,dI,/,dU,，所以电导增量法也存在振荡和误判问题,2025/12/5 周五,7.5,最大功率点跟踪的实现,两级式,光伏并网逆变器的,MPPT,控制,7-23,2025/12/5 周五,2025/12/5 周五,单级式光伏并网逆变器的,MPPT,控制,7-24,单级式并网逆变器,2025/12/5 周五,单级式并网逆变器,MPPT,控制的三环控制结构,单级式并网逆变器,MPPT,控制的双环控制结构,2025/12/5 周五,总结,-,各种,MPPT,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,2025/12/5 周五,作业,最大功率点追踪有几种方法？比较它们的特点。,2025/12/5 周五,