什么叫多路MPPT?

作者: | 發布日期: 2018 年 07 月 09 日 17:46 | 分類: 新能源知識

什么叫多路MPPT,為什么組串逆變器有好幾個MPPT。MPPT算法又是什么?為大家解釋什么是MPPT。

最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,簡稱MPPT)是光伏發電系統中的一項核心技術,它是指根據外界不同的環境溫度、光照強度等特性來調節光伏陣列的輸出功率,使得光伏陣列始終輸出最大功率。

如圖1:我們可以發現,在不同的太陽能輻照度條件下,最大功率點是不同的。溫度不同時,最大功率點也不同。溫度越高最大功率點越低如圖2。

光伏陣列在使用過程中易受周圍環境(如浮云,建筑物,樹木遮蔭等)和電池板表面的灰塵的干擾,導致光伏陣列的輸出功率減小,輸出特性曲線變得復雜。輸出特性曲線呈多極值點,這就使得基于單峰值的最大功率點跟蹤算法有可能在這種情況下失效,得不到全局最大功率點,使得光伏發電系統效率大大降低。

如果一個電站,某一個組串后面有空調機組;又有一片樹葉遮蓋了某一塊電池片;又有一片樹蔭遮擋了部分組件。那么就會出現圖3的情況,有了多個功率的峰值。如何找到圖3中最高的那個點,就需要MPPT了!

1.最大功率點的條件

這個問題說起來又有一點復雜了!太陽能電池組件,有內電阻和外電阻之分。當某一刻內電阻和外電阻相等時,此刻電池組件就工作在最大功率點了。

P=UI=I2R=[E/(R+r)]2R=E2R/(R+r)]2

=E2/(√R+r/√R)2

=E2/[(√R-r/√R)2+4r]

右邊R為變量,分子一定,分母中√R=r/√R,即R=r時和最小,這時分數值最大。所以,當外電阻和內電阻相等時,輸出功率最大。

太陽能電池組件的內阻,主要體現在發電的時候,對電流的抑制作用。在發電的時候,主要參與的元素有電池片,內部焊條導線,還有外部鏈接線纜。這些參與的元素有一個共同的特性,就是在低溫的時候,電阻值全部都會變小。所以在同輻射強度的情況下,環境溫度越低,電池板的內阻越小,發電效果越高;反之,則溫度越高,內阻越大。

2. 最大功率點跟蹤的原理

隨著電子技術的發展,當前太陽能電池陣列的MPPT控制一般是通過DC/DC變換電路來完成的。其原理框圖如下圖3.1所示。

光伏電池陣列與負載通過DC/DC電路連接,最大功率跟蹤裝置不斷檢測光伏陣列的電流電壓變化,并根據其變化對DC/DC變換器的PWM驅動信號占空比進行調節。

光伏充電系統可簡化模型為如下圖4所示。將光伏電池簡化為恒壓源和內阻Ri,外部電路簡化為負載Ro。則負載功率為:

上式兩端對Ro求導得:

所以,

對于線性電路來說,當負載電阻等于電源的內阻時,電源即有最大功率輸出。雖然光伏電池和DC/DC轉換電路都是強非線性的,然而在極短的時間內,可以認為是線性電路。因此,只要調節DC-DC轉換電路的等效電阻使它始終等于光伏電池的內阻,就可以實現光伏電池的最大輸出,也就實現了光伏電池的MPPT。

3.1 常用最大功率跟蹤控制算法

目前,光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT)技術,國內外已有了一定的研究,發展出各種控制方法常,常用的有一下幾種:恒電壓跟蹤法(Constant Voltage Tracking 簡稱CVT)、干擾觀察法(Perturbation And Observation method簡稱P&O)、增量電導法(Incremental Conductance method簡稱INC)、基于梯度變步長的電導增量法等等。(這些算法只能用在無遮擋的條件下)

3.1.1 恒定電壓法

恒定電壓法的基本理論依據是不同日照條件下光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點電壓位置基本都位于某個恒定電壓附近。因此,CVT法的控制思路就是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處,這樣一來光伏電池在整個工作過程中將近似的工作在最大功率點處。恒定電壓跟蹤方法不但可以得到比直接匹配更高的功率輸出,在一定的條件下,還可以用來簡化最大功率點跟蹤(MPPT)控制。

從嚴格的意義上來講CVT法并不是一種真正意義上的最大功率跟蹤方法。雖然此法比一般光伏系統可以多獲得20%左右的電能,相比不帶CVT的直接耦合要有利得多。但是,這種跟蹤方法忽略了溫度對光伏電池陣列開路電壓的影響,所以CVT法的精度甚低,適應性差,系統最大功率的跟蹤精度完全取決于電壓值的選擇,一旦周圍環境變化就無實現準確的最大功率追蹤。但是CVT法以其控制簡單、易實現、且系統不會出現振蕩,具有良好的穩定性著稱。

3.1.2 干擾觀察法

干擾觀察法的原理是每隔一定的時間針對光伏電池輸出電壓進行擾動,使其增加或減少,同時對其輸出功率進行觀測,判斷其產生變化的方向并以之為依據決定下一步的控制信號變化。這種控制算法一般采用功率反饋方式,通過兩個傳感器對太陽能電池陣列的輸出電壓和電流分別進行采樣,并計算獲得其輸出功率。若ΔP>0,說明電壓調整的方向正確,可以繼續按原方向進行“干擾”;若ΔP<0,說明電壓調整的方向錯誤,需要對“干擾”的方向進行改變。

這種方法雖然算法簡單,而且易于硬件方面的實現,但響應速度較慢,故而只適用于那些日照強度變化比較緩慢的場合,例如光伏發電廠、光伏路燈等,而對于車用太陽能最大功率跟蹤控制則不能滿足環境多變的要求。而且這種算法在穩態情況下會導致光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近的小幅振蕩,因此會造成一定功率損失。

3.1.3 電導增量法

電導增量法是目前MPPT最常用算法之一,它是根據光伏電池陣列P -U曲線為一條一階連續可導的單峰曲線(如圖1),利用一階導數求極值的方法,對P =UI求全導數,得

兩邊同時除以dU,得

以上即為電導增量法光伏電池達到最大功率輸出點所需滿足的條件。這種算法的控制過程如下:

如果當前的光伏電池陣列的工作點位于最大功率點的左側時,此時有:

這說明參考電壓應該向著增大的方向變化;

同理,如果當前的光伏電池陣列的工作點位于最大功率點的右側時,此時有:

這說明參考電壓應該向著減小的方向變化;

如果當前光伏陣列的工作點位于最大功率點處或附近,此時將有:

此時參考電壓將保持不變,也就是光伏陣列工作在最大功率點上。

在理論上電導增量法法比干擾觀察法要好,因為它在下一時刻的變化方向完全取決于在該時刻的電導G=I/U的變化率和瞬時負電導值的大小關系,而與前一時刻的工作點電壓以及功率的大小無關,因而此法能夠適應快速變化的日照強度,而且跟蹤精度較高。

MPPT算法需要比較多的硬件傳感器或者說是電壓和電流傳感器,傳感器越多,成本越高,所以目前較多用的還是擾動觀測法。

3.2 多峰值 MPPT 算法

普通的最大功率跟蹤算法,如擾動觀測發和電導增量法在一片云彩的遮擋下就有可能失效,不能實現真正意義的最大功率跟蹤。目前,國際上也有人提出了多峰值的MPPT算法。

3.2.1結合常規算法的復合 MPPT 算法

結合常規算法的復合 MPPT 算法工作原理,首先把光伏陣列的工作點設定在最大功率點的附近,再利用普通的算法進行精確定位也就是分兩級控制在工作電壓和電流的最佳比值點上光伏陣列輸出最大功率。光伏陣列的工作最大功率點與開路電壓和短路電流具有一定的比例關系。系統經過第一步控制后,得到一個參考值。在第一步控制期間,保存系統實最大功率點的數據。后級采用擾動觀察法實現最終定位,但前面得到的最大功率點有可能落到局部極值點的范圍。此時比較第一步控制保存數據的大小,確定該功率點是否為全局的最大功率點。該方法易于實現和搜索速度很快,但也有存在缺點如在搜索局部峰值點時,在峰值點處會有震蕩;控制參數設置沒有可靠的理論基礎。

3.2.2 Fibonacci 法

Fibonacci 搜索法基于斐波那契序列原理。斐波那契數列,又稱黃金分割數列,在數學上,斐波那契數列以如下被以遞歸的方法定義即前兩相和等于第三項的值,在現代天體物理、晶體結構、電子學等應用領域,斐波那契數列都有直接的應用。

3.2.3 短路電流脈沖法

短路電路脈沖法的基本原理是在光伏陣列輸出最大功率時,其輸出電流和短路電流 的具有固定的比例關系受光照強度影響的短路電流,變化的系數 k,其隨環境條件變化而變化。每隔一段時間引入一個周期的短路電流脈沖, 加在功率管 MOSFET 的柵極的斜坡信號持續時間長短,這樣就可以確定短路電流。在此期間,掃描光伏陣列的 P-I 特性曲線,最大功率點將被檢測出來,同時采樣記錄相對應的電流。掃描一個周期結束后,功率開關管 MOSFET 徹底導通,采樣短路電流,然后可以得到的比例系數的 K 值。該方法實現容易,工程實用性比較好,但為了獲取 P-I 曲線和 短路電流,要引入期性短路電路脈沖,這不利于系統的控制而且對后級控制而言相當于引入一種電流沖擊擾動。

4.DC/DC電路

DC/DC電路是一個非常有用的電路,他可以隨意的調節電路的電壓和電流。也叫直流斬波器。它能將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調的直流電壓。它的基本原理是通過對IGBT/MOS管的通斷控制,將直流電壓斷續地加到負載上,通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。由下圖可見,MPPT算法就是通過電壓的調節,來找到最大功率點的。

4.1 典型DC/DC變換電路

DC/DC變換器可以分為很多種,按照調制形式可分為脈沖寬度調制(PWM)、脈沖頻率調制(PFM)、混合調制。按照變換電路的功能可分為降壓式直流-直流變換(Buck Converter)、升壓式直流-直流變換器(Boost Converter)、升壓-降壓復合型直流-直流變換器(Boost-Buck Converter)、庫克直流-直流變換(Cuk Converter)、全橋式直流-直流變換(Full Bridge Converter)。

在MPPT中,一般使用boost升壓式直流-直流變換器。

目前三電平組串式逆變器,啟動電壓一般只要180-200V,而200v左右的直流電壓是無法逆變器出380v交流電壓的,所以三電平的組串逆變器,都會有一個DC/DC環節進行升壓。而目前傳統的500KW逆變器則沒有這個升壓環節。

每一臺500Kw集中式逆變器會并聯112-128串電池組串,每個組串會由18-20塊電池組件串聯。由于組件之間的個體差異造成組串之間的電壓和電流的差異,又因為并聯的組串數量過多,這就造成了不同大小電壓的耦合,降低了整個光伏陣列的效率。組串式逆變器有2-3個MPPT,這樣可以把由于遮擋或者組件個差異造成的電壓差異解耦(圖8)。這樣就做到了被遮擋組件和正常工作組件的互不影響,功率得到充分的利用。

4.2 升壓式變換器(Boost)

升壓變換器是輸出電壓Vo高于輸入電壓Vin的單管不隔離直流變換器,所用電力電子器件及元件和Buck變換器的相同,僅電路拓撲結構不同,如圖9所示。

比較圖可見,Boost變換器中電感在輸入側,一般稱為升壓電感。開關管Q仍為PWM控制方式,但它的最大占空比D必須限制,不允許在D=1情況下工作。

從上圖可以看出,在開關管導通時,電源給儲能電感充電,上電流逐漸增大,當開關管截止時電感放電,

上電流逐漸減小。電容起濾波作用,使負載上的電壓波紋減小。下圖3.10顯示了電感上電流的變換波形和電壓波形。

5.展望

目前業內已經認識到了逆變器多MPPT通道的重要性,多MPPT的組串逆變器,集散式逆變器。已經被廣泛的認可。這就要求更加精確的MPPT算法得以推廣。對于這種情況有很多業內人事提出逆變器應該使用多峰值 MPPT 算法,例如短路電流脈沖法等等。

Fibonacci、基于狀態空間的 MPPT 算法以及基于電壓掃描和電導增量法多峰 MPPT算法。這些算法都能實現最大功率跟蹤,但是也各有有缺點。短路電流脈沖法的優點是易于實現,缺點是需引入周期性短路電流脈沖,因而會對系統的控制性能產生一定的影響;Fibonacci 算法的優點是精度高,適應環境突變的能力較強,缺點是搜索速度較慢;基于狀態空間的 MPPT 算法的優點是魯棒性好,陰影條件下仍具有較好的跟蹤性能,其缺點是算法過于復雜;基于電壓掃描和電導增量法多峰 MPPT 算法具有搜索速度快的優點,缺點是魯棒性差。在未來最大功率點跟蹤技術將朝著效率高、算法簡單、響應速度快、魯棒性好等的方向發展。

文章來源:古瑞瓦特 張喆

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