第3章_太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术

第3章最大功率点跟踪技术主要内容MPPT技术的简介MPPT控制方法的分类MPPT在应用存在的问题光伏阵列输出特性具有非线性特征，其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(MaximumPowerPoint，MPP)。MPPT技术的简介1000W/m2800W/m2600W/m2400W/m2功率P电压UO光伏电池输出特性随光照的变化曲线光伏电池输出特性随温度的变化曲线25℃35℃45℃55℃功率P电压UO因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)。MPPT控制方法的分类准最大功率点跟踪法（间接）真最大功率点跟踪法（直接）准最大功率点跟踪法（间接）曲线拟合法查表法定电压法（CVT）开路电压比例系数法短路电流比例系数法有限周期电流扰动法最早出现的光伏功率输出控制方法是定电压（CVT）控制，即当光照强度或温度发生变化时，始终控制光伏电池输出电压维持恒定控制功率P电压UO345.6V/10.5kW，25℃317.3V/9.5kW，55℃345.6V/8.9kW，55℃当光照强度1000W/m2时，某光伏电池组件在25℃下的最大功率点为345.6V/10.5kW；当温度变为55℃时，最大功率点变为317V/9.5kW。若维持U=345.6V，则55℃时的功率为8.9kW，仅为此时最大功率的93.7%定电压法（CVT）某型光伏电池在不同光照强度下的功率-电压曲线恒电压控制法基本原理在一定温度情况下，最大功率点近似分布在同一直线上，若采用一垂直直线代替，即为保持恒定电压不变，说明光伏电池的最大功率输出点大致对应某一恒定电压，可对其进行等效代替。通过实验测试，可以得到光伏电池在某一日照强度及温度下的最大功率点的电压值，该电压即可看做最大功率点处的工作电压Um。因此恒电压控制法的控制思想就是将系统输出电压稳定控制在特定值Um处真最大功率点跟踪法（直接）干扰观察法增量电导法间歇变步长搜索法功率步进法模糊控制方法经典的MPPT方法主要有干扰观测法、电导增量法、模糊逻辑控制、神经元网络控制法、最优梯度法等，以及在这些方法的基础上，根据实际情况和各种方法的优缺点采用相应的改进方法，如改进的干扰观测法、变步长的电导增量法等（1）干扰观测法干扰观测法的基本原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏电池输出电压，并观测其后面的输出功率变化方向，从而决定下一步的控制策略。该方法的优点是控制算法比较简单，对电量传感器精度要求不高。其缺点为总是在光伏电池最大功率点附近振荡运行，产生一定的功率损失，另外，跟踪步长的设定难以兼顾跟踪精度和响应速度，并且有时会出现判断错误现象。动态调节步长的改进干扰观测法设定电压UPVUPV=UPV+ΔUΔU=-ΔUPnPn-1?检测输出电压Un，输出电流In计算Pn（Pn=UnIn）YN如果功率增加，则说明电压的改变方向正确，继续在该方向上按照此步长变化电压；如果功率减少，则说明电压的改变方向错误，在下一控制周期反向调整参考电压。干扰法的控制流程图（2）增量电导法增量电导法是通过调整工作点的电压，逐渐接近于最大功率点的电压。由P-V曲线知：在最大功率点处，功率对电压的导数为0最大功率点3002502001501005000102030405060708090输出电压（V）输出功率（W）PVPV0dPdUPVPV0dPdUPVPV0dPdU由光伏电池特性曲线可知，最大功率点处满足由上式就可以判断出光伏电池是否工作在最大功率点处。这种方法控制精确，响应速度快，适用于光照强度不断变换的情况下，但对传感器的精度要求比较高，因而整个系统的硬件造价也较高。PVPVPVPVPVPVPVPVPVPVPVPV0dPdUdIdIIUIUdUdUdUdUMPPT方法比较方式恒压法扰动观察法电导增量法工作原理把工作电压设置到固定值扰动设置工作点电压，监控功率的增量来定位MPP扰动设置工作点电压，监控工作点出功率与电压的导数变化率来定位MPP优点实现简单，复杂度低硬件成本低，实现算法容易误判率低，跟踪精度高缺点功率严重浪费，跟踪精度低，不能适应环境的改变不能判定何时达到MPP，因此会存在震荡硬件要求高，算法实现复杂在控制精度要求不是特别高的情况下，如各种独立太阳能路灯、太阳能景观系统等小功率系统，采用干扰观测法进行MPPT控制足以满足控制精度，又相对节约硬件投入。MPPT技术的应用在需要高性能控制场合如MW级大型光伏并网系统等，系统稳定性和高效性尤为重要，采用高性能控制应为首位，采用电导增量法、各种优化方法等较为可取。MPPT技术的应用系统动稳态响应要求均较高，动态响应对系统稳定性有重要意义，稳态性能直接影响输出功率大小，长期运行效益明显。MPPT技术的应用MPPT技术在应用中存在的问题（1）误跟踪现象大多数MPPT算法仅采集光伏电池的电压和电流，并基于扰动观察的思想进行跟踪，但是无从得知光伏电池输出功率的变化是由扰动还是由外界环境的变化而引起的，所以当环境变化较快时，容易发生误跟踪现象。解决方案主要有以下几类：①根据环境进行开环控制；②使算法扰动带来的功率变化大于环境变化带来的功率变化；③辨识和补偿环境变化带来的功率变化；（2）缺乏统一的定量评价标准目前对MPPT尚无统一的评价标准，难以对各种算法进行定量的对比。传统的指标有两个：①稳态特性。考察稳态工作点与真实最大功率点之间的偏差。②动态特性。考察环境变化时的跟踪速度，通常以环境阶跃变化为激励。但这并不符合实际情况，实际环境变化常常是连续的。（3）实验验证困难MPPT很难进行实验验证，主要原因有二：一是难以保证实验条件的均一性；二是很难确定实际的最大功率点。目前的实验方法主要有以下几种：①短时实测。直接用阳光照射下的光伏电池作为电源，在较短的时间段内进行实验。优点：能体现光伏电池的真实特性；缺点：难以保证实验条件的均一性，无从知道实际的最大功率点，不便于设定各种实验条件以适应不同的测试需求，灵活性差。②实测统计。记录和分析实际光伏发电系统的长期运行数据。优点：真实地反映系统运行效果；缺点：耗时长，可重复性差，无法得知真正的光伏电池特性，只能依赖数据辨识模型、拟合曲线。③模拟光源法。用人造光源照射光伏组件，进行MPPT实验。优点：实时性好，特性真实；缺点：成本高，效率低，功率小，灵活性差。（4）对实际运行状态的考虑不足多数文献在仿真验证算法时，是通过对环境变化的阶越响应实现的。但实际情况中，环境的变化是连续的，不会从一个稳态突然跳到另一个稳态。很多算法会在环境快速连续变化的情况下失效。在众多MPPT算法的研究中，被很多研究者忽略的问题是采样精度和计算误差所带来的限制。很多理论上成立且仿真中有效的算法，在实际系统中是不可行的。