光伏并网逆变器最大功率点跟踪MPPT设计

张旭, 张鹏, 余峰, 梁星星

(武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064)

光伏并网逆变器最大功率点跟踪MPPT设计

张旭, 张鹏, 余峰, 梁星星

(武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064)

对于光伏并网逆变器，最大功率点跟踪MPPT设计是一项关键内容。本文从太阳能电池阵列理论模型出发，在分析其物理特性及数学模型基础上，提出几种MPPT方法。结合光伏并网逆变器理论分析及实际的光伏系统的试验运行，提出一种合理可行、指标优化的MPPT方法，即改进的CVT启动变步长扰动观测法，试验结果显示该最大功率点跟踪可使光伏阵列稳定工作在最大功率点附近，证明了设计的正确性。

光伏并网逆变器 太阳能电池阵列 最大功率点跟踪

0 引言

在光伏发电系统中，光伏并网逆变器是关键设备，其性能直接关系到系统性能的好坏。对于光伏发电系统来说，系统效率是一个关键指标，因而，为了提高系统效率，尽可能地输出更多的电能，在光伏并网逆变器设计中，其最大功率跟踪（Maxium Power Point Tracking ，MPPT）是一个重要设计内容，必须在保证系统稳定可靠的情况下，使光伏系统输出最大的电能，因此MPPT的设计好坏直接关系到光伏发电系统的性能优劣。

本文从太阳能电池阵列理论模型出发，在分析其物理特性及数学模型基础上，提出几种MPPT方法。结合光伏并网逆变器工程设计及实际的光伏系统的试验运行，提出一种合理可行、指标优化的MPPT方法，其结果在10 kW、100 kW太阳能光伏并网发电系统上得到验证。

1 太阳能电池阵列的理论模型分析

1.1 光伏电池阵列的物理数学模型

一般情况下，太阳能电池阵列是由一系列太阳能电池单板组成，而太阳能电池单板是由一定数量的最小功率的光伏电池串、并联起来的，光伏电池的基本物理结构是能够将光能转换为电能的PN结，光伏电池基本等效电路模型如图1。

光伏电池基本等效电路模型主要由几部分组成：光生电流源、二极管、串联电阻和并联电路模型等。光伏电池的数学模型可以等效为：

其中：I-光伏电池输出电流（工作电流）；V-光伏电池输出电压（工作电压）；Iph-光生电流；I0-二极管反相饱和电流；q-电子的电荷量(1.6× 1019C)；Rs-光伏电池的串联电阻；n-二极管特性因子;k-玻耳兹曼常数(1.38×10-23）;T-光伏电池温度；Rsh-光伏电池的并联电阻。

1.2 光伏电池阵列的电气特性

在实际的工程应用中，需要着重了解的是光伏电池阵列的外特性，即其电气特性。由光伏电池的物理数学模型及实际的工程测试数据可以得到光伏电池在各种环境条件下的I-V及P-V特性曲线图。

总体上讲，光伏电池与电池温度T及光照的辐射条件S（光照度）关系较大，这两种因素是影响电池的光伏电气特性的最主要的因素。

1.2.1 光伏电池阵列的I-V曲线

一般情况下，光伏电池的开路电压受光伏电池温度T的影响较大。光伏电池的温度越高，则在相同的辐射条件S下光伏电池的开路电压越低，反之，光伏电池的温度越低，则在相同的辐射条件S下光伏电池的开路电压越高。

在相同的光伏电池温度T的条件下，光伏电池的短路电流受辐射强度S的影响，辐射强度越高，则光伏电池的短路电流越大；辐射强度越小，则光伏电池的短路电流越小[1]。不同电池温度及光照度条件下的电池电气I-V曲线如图2、图3。

1.2.2 光伏电池阵列的P-V曲线

对于光伏电池来说，其功率电压曲线P-V是一条更重要的特性曲线。光伏电池的输出功率等于光伏电池的端口输出电压与端口输出电流的乘积，P-V曲线可以通过I-V曲线求得，工程实际的P-V曲线如图4、图5。

光伏电池的输出功率受光伏电池温度T以及太阳辐射强度S的影响。在相同的辐射条件S下，光伏电池的温度越高，则光伏电池的开路电压越低，输出功率越小；反之，光伏电池的温度越低，则光伏电池的开路电压就越高，输出功率越大。在相同的光伏电池温度T下，照射到光伏电池上的辐射强度S越强，则光伏电池的短路电流就越高，输出功率越大；辐射强度越低，则光伏电池的短路电流越低，输出功率越小。

1.3 小结

在实际光伏系统中，光伏电池的输出功率往往同时受到温度T及太阳辐射强度S变化的影响。温度T的增加使得光伏电池的输出功率产生减小的趋势，辐射强度S的增加使得光伏电池的输出功率产生增大的趋势，光伏电池的实际输出功率是与这两种因素密切相关的。

2 最大功率跟踪MPPT方法及具体算法

由于篇幅有限，这里只讨论改进的CVT启动变步长扰动观测法。其基本原理为：CVT启动后进入变步长扰动观测MPPT，在远离MPP的区域内，采用较大的电压扰动步长以提高跟踪速度，减少光伏电池在低功率输出区的时间；在MPP附近区域内，采用较小的电压扰动步长以保证跟踪精度。基本思路如图7，具体算法流程如图8。

改进的CVT启动变步长扰动观测法具备以上CVT及扰动观测法的优点，避免系统启动时由于硬件采样误差对最大功率跟踪造成不利的影响，稳态后较小的MPPT跟踪步长及较低的MPPT处理速度，可以避免对稳态功率造成频繁扰动[4]。通过试验，此方法是一种较为合适的MPPT方法，适合工程实际应用。

3 结论

本文在理论分析的基础上，通过构建的实际光伏系统，在实际中对几种不同的最大功率跟踪MPPT方法进行研究，分别在晶硅阵列及溥膜阵列中高效可靠运行。试验结果表明，综合了几种方法优点的改进的CVT启动变步长扰动观测法具备工程应用的可行性。

[1] 徐鹏威，刘 飞，刘邦银，段善旭. 几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J]. 电力电子技术，2007, (5): 4l-45.

[2] 周德佳，赵争鸣，袁立强，冯 博. 300 kW光伏并网系统优化控制与稳定性分析[J]. 电工技术学报，2008, (11): 23-26.

[3] 张兴, 曹仁贤等. 太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]. 机械工业出版社，2010.

[4] 刘 飞，段善旭，殷进军，周 彦. 单级式光伏发电系统MPPT的实现与稳定性研究[J]. 电力电子技术，2008, (3): 42-45.

Design of the Maximal Power Point Tracking for Photovoltaic Grid-connected Inverter

Zhang Xu, Zhang Peng, Yu Feng, Liang Xingxing
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 , China）

For the grid connected photovoltaic inverter, the maximal power point tracking(MPPT) is a key content for the design. This paper analyzes the physics and math model of PV array, presents several method of MPPT method and the modified CVT Perturbation and Observation method. The experimental results show that the MPPT design makes the PV array working beside the MPP, and the design is effective.

grid connected photovoltaic inverter; PV array; MPPT

TM914

A

1003-4862（2013）11-0062-03

2012-07-02

张旭(1981-)，男，工程师。研究方向：自动化。