光伏并网系统最大功率点的跟踪
2018-01-18万莉
摘 要并网光伏发电系统的MPPT跟踪装置使光伏阵列持续工作在MPP上。MPPT随着外界因素条件发生改变去调整扰动步长以控制光伏阵列始终工作在MPP点。
【关键词】光伏并网 MPP MPPT
在传统化石能源短缺、环境问题日益严重的今天，开发低污染、安全、环保的光伏发电系统是迫切所需。光伏电池是一种不稳定的电源，光伏阵列的输出功率受太阳光辐照度、温度、元器件老化一起光伏电池材料等因素影響很大，光伏发电系统的输出电流和输出电压间呈非线性关系，运用光伏系统最大功率点的跟踪技术来提高光伏并网系统的整体效率。在一定光照与温度的外界条件下，光伏组件在不同的电压下工作，但只有在某一个电压值时，光伏阵列可以达到最大输出功率，那么这个点就叫做最大功率点，简称MPP。那么在不同光照与温度的外界条件下不断调整光伏组件的工作点，让其始终工作在MPP上，这一技术称之为最大功率点的跟踪，英文简称MPPT。
1 光伏电池最大功率点跟踪原理
MPPT跟踪装置是一种高效的DC-DC变换器，为太阳能面板产生合适的电压并提供一个最优的电力负荷。MPPT的目标是让光伏发电系统实时输出功率达到最大值，发挥光伏发电系统的最大效率，因此MPPT是光伏发电系统运行控制中的一项至关重要的技术。
当光伏阵列的电压值V 和电流值I 的乘积得到最大值，那么这个工作点即为MPP，它所对应的V/I值是一个特殊的阻值。光伏阵列的V和I成指数关系，功率曲线的拐点就是MPP，该点的阻值等于V/I=-dV/dI电阻微分的负数。
在传统系统中每块光伏电池流过的电流相同，电流的大小由逆变器来控制。由于生产时的误差、部分被遮挡等原因，不同的光伏发电板I-V特性有不同，所以它们的最大功率点也不一样，一些光伏发电板达不到MPP，导致了能量的损失。一些太阳能研发公司将峰值功率点转换器植入到每块光伏发电板中，这样不管形状是否平整、是否有遮挡都能使每块光伏发电板工作在MPP。
对于光伏并网发电系统来说，公共电网就相当于是一个无线容量的电池，电网可以吸收掉富余的光伏发电系统的发电量，而且能在阴雨天或是晚上等光伏发电量不足的时候补充电量，储能电池的作用是在电网停电时作备用。并网光伏发电系统的MPPT跟踪装置使光伏阵列持续工作在MPP上，如果储能元件充满电或电网停电同时光伏发电量大于负载的需求量，此时光伏阵列就不能工作在MPP，与未接入电网的光伏发电系统一样。
MPPT技术考虑的问题是在一定的辐照度和温度的条件下自动找到Vmpp或者Impp，在这个电压或者电流下的光伏阵列可以获得最大输出功率Pmpp。在有阴影的环境条件下，可能会有多个局部最大值，但总体来说还是会有一个MPP。
2 光伏系统最大功率点跟踪技术
随着科学技术的飞速发展MPPT技术多种多样，其中增量电导法和微扰观察法这两种基于功率测量的MPPT技术在光伏发电系统中得到了广泛的应用。
2.1 增量电导法
根据dI/dU和-I/U之间的关系来调整工作电压实现最大功率点跟踪。通过测量增量值与电导值满足符合公式时，说明已达到MPP，即不继续扰动，以上是增量电导法的工作原理。
当传感器的精确度有限时，满足dI/dU=-I/U的概率是很有限的，不可避免的产生误差，实现有困难。电导增量法是通过调节占空比实现对光伏阵列电压的控制，以实现MPPT。
2.2 恒定电压控制法
恒定电压控制法CVT的控制原理是将光伏阵列的输出电压控制在功率-电压曲线上MPP附近的Umax处，这时光伏阵列相当于工作在MPP，从生产厂家处得到Umax的值，使光伏阵列的输出钳位电压在Umax值，控制简单，易于实现。
CVT不是真正意义上的MPPT，它属于固定电压控制，且局限性较大，气候、温度等外界因素变化较大时会引起光伏阵列无法做到实时输出最大功率，光伏阵列工作效率不高，可通过手工调节、根据温度表查询调节以及参考电池法来辅助调整光伏阵列的最佳工作点。
2.3 微扰观察法
微扰观察法又称爬山法，测试的项目参数不多，因此该方法的应用度最广。循环增大或是降低负载的数值，以此来调整光伏阵列输出P和U，进一步比较负载变化前与变化后的输出P和U的数值，通过DSP计算出结果，决定接下来如何调整负载。如果P较之前变大，则负载按现行方向调整，这样保证了太阳能输出功率朝升高的趋势调整；反之亦然，若P较之前要小，则负载按现行的反向调整，即需要在下一周期改变负载变动的方向。通过周期性的扰动、观察和对比，使光伏阵列工作在MPP点处，这是微扰观察法的基本动作原理。
微扰观察法是通过循环调整光伏阵列输出的U和P来跟踪MPP，当达到Pmax后，扰动继续在Pmax点附近波动，这样会降低光伏光伏阵列的工作效率，损耗电能，在气候等外界因素条件变化不大时，电能的损耗越大。
2.4 三点比较法
三点比较法利用软件编程通过不断调整电压步长ΔU对MPP进行控制，利用阈值ε判断是否在最佳工作点。这种方法在光伏组件P-U特性曲线峰值周围按顺序取参考点A、B、C，UA、UB、UC和PA、PB、PC分别对应各个参考点，假设UB为初始MPP处的Umax，UD是预设常量，取值UD=0.3ΔU，用来调整电压步长。
当PA 当PA
当PA≥PB、PB>PC时，执行程序{UA=UB-ΔU，UB=UA， UC=UB+ΔU}，参考点工作在MPP右边，此时将参考点沿X轴反向移动，重新比较，如此重复以求得MPP处的Umax。
通过以上分析，该程序终止条件是阈值ε达到一定值即找到最大功率点。从实际的控制过程来看，一开始的调节是粗调的定步长调节，可以加快调节速度，当接近最大功率点时调节变为细调的变步长调节，可以提高系统的精确度。选取参数要先确定UB、UD、ΔU、ε的取值，UB的取定是为了使它在MPP周围。
三点比较法采用三个参考点电导功率作比较来实现快速追踪，能够准确、平稳、快速的追踪到Pmax，防止在MPP周围振荡而造成能量的损耗。三点比较法是采用程序追踪，在数学模型中将PA≥PB、PB≤PC的情况归入系统已达到最大功率点，做相同的操作，不随着辐照强度急速的变化而没有目标的调整工作点，防止系统过快过繁的来回波动。
2.5 二次插值法
光伏阵列在温度和光照较大变化时输出功率曲线属非线性，在一个值时P输出对于占空比是连续可导的，极值点是唯一的。采用二次插值法最重要的是对于初始值的设定。假设D1、D2、D3为初始值，P1、P2、P3分别为对应的功率点。DX为插值点，PX为DX对应的功率点。
当DX≥D2且PX≤P2时，表示MPP在DX与D1之间，下一次的插值在[D1、DX]，起始值D1=D1，P1=P1； D2=D2，P2=P2；D3=DX，P3=PX。
当DX≤D2且PX≤P2时，表示MPP在DX與D3之间，下一次的插值在[DX、D3]，起始值D1=DX，P1=PX；D2=D2，P2=P2；D3=D3，P3=P3。
当DX≤D2且PX≥P2时，表示MPP在D1与D2之间，下一次的插值在[D1、D2]，起始值为D1=D2，P1=P2；D2=DX，P2=PX； D3=D3，P3=P3。
当DX≥D2且PX≥P2时，表示MPP在D2与D3之间，下一次的插值在[D2、D3]，起始值D1=D2，P1=P2；D2=DX，P2=PX；D3=D3，P3=P3。
若|D2-DX|≤ε时，表示光伏阵列工作在MPP，若PX >P2，则PMAX=PX，占空比=DX。若PX 3 几种MPPT方法的比较 MPPT跟踪法的探讨已有很多参考述及，它们的基本原理大体而言都是相通的，各自的差别仅仅在于对最大功率点的判断和实现最大功率点的方法上，这些方法各有其优缺点。以微扰观察法为例，它具有结构简单易于实现的特征，对于在最大功率点周围波动的弊端，这就需要使用者在跟踪速度和扰动幅度上做出取舍，针对这个缺点，已有不少文献提出在这种方法的基础上加入模糊控制理论来改善能量损耗的问题。恒定电压控制法、电导增量法和干扰观测法均使用模糊控制原理，随着外界因素条件发生改变去调整扰动步长以控制光伏阵列始终工作在MPP点。模糊控制不需要精准的系统参数和电池特性，具有稳态精度高、系统设计灵活等优点，得到了广泛的应用。综上所述，没有完美的方法，选择何种最大功率点跟踪法取决于应用场所的实际情况和使用者的实际需求。 参考文献 [1]万莉.基于Z源逆变器光伏并网发电系统的研究[D].江苏大学，2017. 作者简介 万莉（1981-）女，江苏省张家港市人。硕士研究生。研究方向为光伏并网。 作者单位 江苏省张家港市第二职业高级中学 江苏省张家港市
