光伏最大功率点跟踪算法研究与仿真(光伏电池最大功率点跟踪的原理)

2019-07-23 MPPT

mppt是什么？

Maximum Power Point Tracking,最大功率点跟踪，指对光伏方阵表面温度变化和太阳辐照度变化而产生的输出电压与电流的变化进行跟踪控制，使得阵列一直保持在最大输出工作状态，以获得最大功率输出的自动调整行为。

如何衡量MPPT效率

MPPT渗透率。

太阳能板的特性曲线

在当前的环境条件下，太阳能板的最大输出功率为曲线的峰值。这是太阳能板达到最大的能量转换效率。由于能量守恒，太阳能板获得的光能为其输出的电能加上发热量。因此需要通过控制太阳能板的工作电压或者工作电流，让太阳能板工作在最大功率点。这种算法叫最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）

MPPT-PO算法

PO中文名字是扰动-观察法。

从P-V曲线可见，可通过控制电压的方法让光伏电池达到最大功率点。算法的实现，依据了以下公式：

dp/du0：U=U+ U

dp/du=0：U=Um

dp/du0：U=U- U

当dPdU时，工作点在最大功率点左边，需要增加工作电压。

当dPdU时，工作点在最大功率点右边，需要减少工作电压。

当dP=dU时，达到最大功率点。

以下两个流程图摘自《独立式光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究_张淼》。

从P-V曲线可知，在最大功率点左边，斜率较小。改变固定的电压，功率改变较小。而最大功率点右边，斜率较大。因此可以算法上，在最大功率点左边，选择一个较大的电压步长；而在最大功率点右边，选择一个较小的电压步长。可加快跟踪效果。

综上所述，个人认为MPPT电路作为光伏电池的调节电路，其主要左右不是更改了太阳阵端的输出，而是更改了MPPT电路的输出。

光伏电池阵列与负载通过DC/DC 电路 连接，最大功率跟踪装置不断检测光伏阵列的电流电压变化，并根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节。

　对于线性电路来说，当负载 电阻 等于电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然光伏电池和DC/DC转换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。

因此，只要调节DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于光伏电池的内阻，就可以实现光伏电池的最大输出，也就实现了光伏电池的MPPT。

MPPT的算法

目前，光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）技术，国内外已有了一定的研究，发展出各种控制方法常，常用的有一下几种：恒电压跟踪法（ConstantVoltageTracking简称CVT）、干扰观察法（PerturbationAndObservationmethod简称PO）、增量电导法（IncrementalConductancemethod简称INC）、基于梯度变步长的电导增量法等等。（这些算法只能用在无遮挡的条件下）

1）单峰值功率输出的MPPT的算法

目前，在无遮挡条件下，光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）的控制方法常用的有以下几种：

l恒电压跟踪法（ConstantVoltageTracking简称CVT）

l干扰观察法（PerturbationAndObservationmethod简称PO）

l增量电导法（IncrementalConductancemethod简称INC）

l基于梯度变步长的电导增量法，等等。

2）多峰值功率输出MPPT算法

普通的最大功率跟踪算法，如扰动观测发和电导增量法在一片云彩的遮挡下就有可能失效，不能实现真正意义的最大功率跟踪。目前，国际上也有人提出了多峰值的MPPT算法，主要包含如下三种：

结合常规算法的复合MPPT算法

Fibonacci法

短路 电流脉冲法

　光伏逆变器MPPT技术对系统发电量影响

在光伏系统中，逆变器的成本不到5%，却是发电效率的决定性因素之一，当组件等 配件 完全一致时，选择不同的逆变器，系统的总发电量有5%到10%的差别，这个差异的主要原因就是逆变器造成的。而MPPT效率是决定光伏逆变器发电量关键的因素，其重要性甚至超过光伏逆变器本身的效率，MPPT的效率等于硬件效率乘以软件效率，硬件效率主要由采样电路的精度，MPPT电压范围，MPPT路数来决定的，软件效率主要由控制算法来决定的。

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）是光伏发电系统中的一项核心技术，它是指根据外界不同的环境温度、光照强度等特性来调节光伏阵列的输出功率，使得光伏阵列始终输出最大功率。

中国光伏市场的爆发，促进了光伏逆变器的发展，各种技术层出不穷。目前使用的有集中式逆变器，单级组串式逆变器，双级组串式逆变器，集散式逆变器，高频模块化逆变器，MPPT的技术也是多种多样。

1、MPPT采样电路精度

MPPT实现的方法有很多种，但不管用哪种方法，首先要 测量 组件功率的变化，再对变化做出反应。这其中最关键的 元器件 就是 电流传感器 ，它的测量精度和线性误差将直接决定硬件效率，电流传感器做得比较好的厂家有瑞士的LEM，美国的VAC，日本的田村等，有开环和闭环两种，开环的电流传感器一般是电压型，体积少，重量轻，无插入损耗，成本低，线性精度99%，总测量误差1%左右，闭环的电流传感器，频带范围宽，精度高，响应时间快，抗干扰能力强，线性精度99.9%，总测量误差0.4%。

天气剧烈变化时，使用闭环 传感器 有优势。

2、MPPT电压范围

逆变器的工作电压范围和逆变器的电气拓扑结构以及逆变器输出电压有关，组串式逆变器和集散式逆变器是双级电气拓扑结构，MPPT工作电压范围在250-850V之间，集中式逆变器是单级结构，输出电压有270V，315V，400V等规格，输入MPPT电压范围有450-850V，500-850V，570-850V等多种，还有一种单级结构的组串式逆变器，只有一级DC-AC逆变器，输出电压是400V，MPPT输入电压范畴是570-850V。从应用的角度来看，各有优势和缺点。

1）从逆变器角度上讲，输出电压越高的逆变器，相同功率等级，电流越低，效率也就越高。单级比双级结构简单，可靠性高，成本低，价格便宜。

2）从系统角度上讲，逆变器MPPT电压范围越宽，可以早启动，晚停机，发电时间长。

3）根据电压源串联原理，系统输出电压相加，电流不变。光伏组件串联后，输出电流是由最少的电池板来决定的，受到组件原材料，加工工艺，阴影，灰尘等影响，一块组件功率降低，这一串的组件功率都会降低，因此组件串联数目要尽量少，并联的数目尽量多，才能减少由于组件的一致性而带来的影响。

3、MPPT的路数

目前组串式逆变器，MPPT路数有1到5路不等，集中式逆变器一般是1路MPPT，集散式逆变器，把汇流箱和MPPT升压集成在一起，有多路MPPT，还有一种高频模块化逆变器，每一个模块有一路MPPT。

从解决失配的问题角度来说，MPPT数量越多越有利；从稳定性和效率上来说，MPPT的数量越少越好，因为MPPT数量越多系统成本越高，稳定性越差，损耗越多。因此需要结合实际地形需求选择合适的方案。从理论上讲，组件的不一致性要超过0.5%以上，才有使用的价值。

1）功能损耗：MPPT算法很多，有干扰观察法、增量电导法、电导增量法等等，不管是哪一种算法，都是通过持续不断改变直流电压，去判断阳光的强度变化，因此都会存在误差，比如说当电压实际正处于最佳工作点时，逆变器还是会尝试改变电压，来判断是不是最佳工作点，多一路MPPT，就会多一路损耗。

2）测量损耗：MPPT工作时，逆变器需要测量电流和电压。一般来说，电流越大，抗干扰能力就越大，误差就越少，2路MPPT比4路MPPT电流大1倍，误差就少一倍。如某公司50KW的逆变器，使用开环直流电流传感器HLSR20-P，电流为20A，误差为1%，当输入电流小于0.5A时，误差就经常发生，当输入电流小于0.2A时，就基本上不能工作了。

3）电路损耗：MPPT主电路有一个 电感 和一个 开关 管，在运行时也会产生损耗。一般来说，电流越大，电感量可以做得更小，损耗就越少。

下图是在两个不同的地方，选择不同MPPT逆变器，单极单路和双级多路，实际发电量的示意图，由图可以看出，在平地无遮挡光照好的地区，两种逆变器发电量相差不多，单极单路早晚发电时间短，要损失一部分电量，在由于本身损耗低效率高，当光照达到启动电压后，输出功率要比双级多路的要大，所以综合比较起来差不多。

在山地或者屋顶有遮挡光照条件一般的地区，双级多路MPPT的逆变器发电量高。这是因为在低电功率发电时间段时间较长，高功率发电时间较短。

总结：

逆变器MPPT技术的多样性，给电站设计带来了极大的便利。结合实际，科学设计，不同的地形，光照条件，选择不同的逆变器，降低电站成本，提高经济效益。山丘电站和屋顶电站，存在朝向不一致和局部遮挡的现象，且不同的山丘遮挡特性不一样，带来组件失配问题，建议选择多路MPPT，电压范围宽的双级结构的逆变器，可以增加早晚发电时间。平地无遮挡，光照条件好的地区，建议选择单路MPPT，单级结构的逆变器，可以提高系统可靠性，降低系统成本。

基于MATLAB/SIMULINK的最大功率跟踪方法研究

实现MPPT。首先基于光伏模块直流物理模型，在matlab 仿真环境下，设计出光伏阵列仿真模型，利用这个模型，不但可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并联方式组合下的光伏阵列I-V 特性，还可以实现光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）功能。

首先建立光伏阵列最大功率跟踪数学模型，即光伏阵列在任意太阳辐射强度、及环境温度下的功率表达式，其次求出功率对电压的极值条件dP/dV=0，用迭代法求出超越方程得到最大工作电压Vmax。最后在simulink中编程，实时求解对应任意太阳辐射、环境温度下太阳电池的最大功率点电压Vmp 和电流Imp。

光伏电池最大功率点跟踪控制方法

光伏电池最大功率点的跟踪是通过最大功率传感器获得信息并传输到控制器，控制器驱动电机微调，直到功率最大后停止转动。如果一段时间后，传感器输送的信息改变，又进行调整。就保证。

简述光伏发电系统的最大功率点跟踪控制?

太阳能电池的输出功率会随着日照强度和太阳能电池表面温度的改变而变化。对于这种变化，使太阳能电池的工作点总是跟踪最大功率点而进行变化，控制太阳能电池产生最大功率的这种控制被称为最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）控制。

使功率调节器的直流工作电压每隔一定时间稍微变动一点，然后通过MPPT控制测量太阳能电池的输出功率并与前一次的值进行比较，即总是向输出电力变大的方向变化功率调节器的直流电压，以确保从太阳能电池获得最大的输出功率。

MPPT控制的例子如图所示。例如，在A点将工作电压从V1变化到V2，工作点为B，输出功率从P1变化到P2，输出功率变大。接下来如果工作电压从V2降到V1，则工作点再次返回到A点，输出功率返回到P1。从这样的变化可以看出，由于V2的输出功率大于V1，把工作电压变到V2处。还有，工作点在D点的场合，工作电压V3比V4的输出功率大，把工作电压变到V3处。这样，通过连续不断的这种控制，工作点就能保证在太阳能电池的最大功率点上。

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