第7章-最大功率点跟踪(MPPT)技术

1济南大学物理学院2020/4/8第六章光伏并网逆变器控制策略两个基本控制要求：一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定二是要实现并网电流控制电力电子系统的控制主要包括对给定信号的跟随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性）两个方面。2济南大学物理学院2020/4/8显然通过控制交流侧Ui的幅值和相位，便可控制UL的幅值和相位，也即控制了电感电流的幅值和相位。3济南大学物理学院2020/4/8再由Ui=UL+E；可得交流侧输出电压指令Ui*jLI*E并网控制的工作原理：首先由并网控制给定的有功、无功功率指令和电网电压矢量，计算出输出电流矢量I*；通过SPWM或SVPWM控制逆变器输出所需交流侧电压矢量，实现逆变器并网电流的控制。4济南大学物理学院2020/4/8间接电流控制：通过控制并网逆变器交流侧电压来间接控制输出电流矢量。直接电流控制方案依据系统动态模型构造电流闭环控制系统，5济南大学物理学院2020/4/8•相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制，称为基于电压定向的矢量控制(VOC)。•相对于电网电压矢量位置的功率控制，称为基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)。以上两种并网逆变器控制策略的控制性能取决于电网电压矢量位置的精确获得。6济南大学物理学院2020/4/8第七章最大功率点跟踪技术7-67.1概述光伏电池由于受外界因素(温度、日照强度等)影响很多，因此其输出具有明显的非线性。不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(MaximumPowerPoint,MPP)上。7济南大学物理学院2020/4/87-7光伏系统应寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度的实现光能转换为电能利用控制方法实现光伏电池最大功率输出运行的技术称为最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)技术。8济南大学物理学院2020/4/8•图7-1分别给出了光伏电池在不同的温度，日照强度下的I-V特性曲线。图7-1光伏电池不同温度、日照强度下的I-V特性曲线9济南大学物理学院2020/4/8•由图7-1可知，光伏电池既非恒压源，也非恒流源，是一种非线性直流源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。•光伏电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源。•温度相同时，随着日照强度的增加，光伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加；日照强度相同时，随着温度的升高，光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加。10济南大学物理学院2020/4/8•图7-2分别给出了光伏电池在不同的温度，日照强度下的P-U特性曲线。图7-2光伏电池不同温度、日照强度下的P-V特性曲线11济南大学物理学院2020/4/8•从图7-2中可以看出，在一定的温度和日照强度下，光伏电池具有唯一的最大功率点，当光伏电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。•在最大功率点左侧，光伏电池的输出功率随着工作点电压的增加而增大；在最大功率点右侧，光伏电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。•当结温增加时，光伏电池的开路电压下降，短路电流略有增加，最大输出功率减小,当日照强度增加时，光伏电池的开路电压变化不大，短路电流增加明显，最大输出功率增加。7-1112济南大学物理学院2020/4/8•从上面的分析中看出，光伏电池的输出是一个随机的、不稳定的供电系统。工作时由于光伏电池的输出特性受负荷状态、光照强度、环境温度等的影响而大幅度变化，其短路电流与日照量几乎成正比关系增减，开路电压受温度变化的影响较大。•最大功率点时刻在变化。因此，就不能用等效电阻的方法获取最大功率。•由于光伏电池的输出特性是复杂的非线性形式，难以确定其数学模型，无法用解析法求取最大功率。7-1213济南大学物理学院2020/4/8常见几种MPPT方法:(l)恒定电压跟踪法;(2)扰动观测法（爬山法）;(3)导纳增量法;(4)智能控制的方法。14济南大学物理学院2020/4/87.2定电压跟踪法图7-3光伏电池不同日照强度下的P-V特性曲线由图7-3可以看出，在光伏电池温度变化不大时，光伏电池的P-U输出特性曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧，因此将光伏电池输出电压控制在其最大功率点电压处，此时光伏电池将工作在最大功率点。最大功率点电压与开路电压之间存在近似的线性关系ocmppUKU115济南大学物理学院2020/4/8(1)开环控制，控制简单，控制易实现;(2)系统不会出现因给定的控制电压剧烈变化而引起振荡，具有良好的稳定性;(3)控制精度差，系统最大功率跟踪的精度取决于给定电压值选择的合理性;(4)控制的适应性差，当系统外界环境，如太阳辐射强度，光伏电池板温度发生改变时系统难以进行准确的最大功率点跟踪。定电压跟踪法特点：16济南大学物理学院2020/4/87.3扰动观测法（爬山法）•扰动观测法(PerturbationObservation,PO)是目前实现MPPT常用的方法，它通过不断扰动光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。•工作原理：先扰动输出电压值，然后测其功率变化并与扰动之前的功率值比较，如果功率值增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向扰动，如果扰动后功率值小于扰动前的值，则往相反的方向扰动。17济南大学物理学院2020/4/8•扰动观测法示意图如图7-4所示图7-4扰动观测法示意图18济南大学物理学院2020/4/8•扰动观测法程序流程如图7-5所示图7-5扰动观测法流程图扰动观测法按照每次扰动的电压变化量是否固定，可分为定步长和变步长扰动观测法。19济南大学物理学院2020/4/8扰动观测法的特点：•扰动观测法实质上是一个自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停的周而复始，便可使阵列动态的工作在最大功率点上。•此方法的优点是算法简单，容易实现，但对于光强快速变化的环境易产生错误的跟踪，有较大的功率损失。有时还会发生程序控制在运行中的失序，出现“误判”，还可产生振荡现象。7-1920济南大学物理学院2020/4/8•误判的例子:在光强变化快速的情况下，假定系统一开始工作在S1曲线上①点，由于扰动的作用，这时工作点向右移动到了S2曲线上的②点，并且P②P①，系统便认为此时最大功率点应该在②点的右边，仍向右调节工作点。图7-6扰动观测法误判示例7-2021济南大学物理学院2020/4/8产生振荡现象22济南大学物理学院2020/4/8•扰动观测法的改进一、基于变步长的扰动观测法基本思想：远离MPP区域，采用较大的步长，在MPP附近，采用较小的步长。1.最优梯度法最大功率点搜索过程：当工作点位于最大功率点左侧斜率较大的区域时，电压以一个较大步长的扰动量增加，并随着向MPP靠近，自动变小扰动的步长。反之，过程相反。23济南大学物理学院2020/4/8最优梯度法最大功率点搜索过程图24济南大学物理学院2020/4/82.逐步逼近法假设初始工作点工作在P-U特性曲线最大功率点的左边，并且远离最大功率点，此时应以某一较大的步长m进行搜索，当满足Pi+1Pi时，说明当前工作点在最大功率点的右侧，此时便可以估算出最大功率点的范围应在两个初始步长2m范围内；接着应改变搜索的方向，并且以m/2为步长进行搜索，直到出现搜索方向的第二次改变时，届时最大功率点的范围应在一个初始步长m范围内，此后再改变搜索方向，并且以m/4步长进行搜索，以此类推，找到最大功率点，而且精度逐步提高。25济南大学物理学院2020/4/8然而这在实际中是做不到的，但是可以通过预测算法而获得。这就是基于功率预测的扰动观测法的基本思路。对于误判的问题，如果能够在同一时刻测得同一辐照度下的P-U特性曲线上电压扰动前、后所对应的工作点功率，就不会存在误判问题。图7-6扰动观测法误判示例二、基于功率预测的扰动观测法26济南大学物理学院2020/4/8令kT时刻电压UK处工作点测得的功率为P(K)，此时不给参考电压加扰动，而在kT时刻后的半个采样周期的(k+1/2)T时刻增加一次功率采样。若令测得的功率为P(k+1/2)，则可以得到基于一个采样周期的预测功率为)()2/1(2)(kPkPkP27济南大学物理学院2020/4/8然后，在(k+1/2)T时刻使参考电压增加ΔU，并令在(k+1)T时刻测得电压Uk+1处的功率为P(k+1)，这样P(k+1)和P‘(k)就是在同一辐照度下P-U特性曲线上电压扰动前后的两个工作点，因此，就没有误判的问题。28济南大学物理学院2020/4/87.4电导增量法•电导增量法(IncrementalConductance,INC)是通过比较光伏电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化量的方法来完成最大功率点跟踪的功能。电导增量法避免了扰动观测法的盲目性，它能够判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。29济南大学物理学院2020/4/8•如右图所示：光伏阵列的电压功率曲线是一个单峰的曲线，在输出功率最大点处，功率对电压的导数为零，要寻找最大功率点，只要在功率对电压的导数大于零的区域增加电压，在功率对电压的导数小于零的区域减小电压，在导数等于零或非常接近于零的时候，电压保持不变即可。光伏电池P-U特性的dP/dU变化特征30济南大学物理学院2020/4/8光伏电池的瞬时功率：IUP两端对U求导，并将I作为U的函数，可得：dUdIUIdUdP极大值时：0dUdP所以，工作点位于最大功率点时的条件：0dUdIUIUIdUdI-31济南大学物理学院2020/4/8工程中以ΔI/ΔU近似代替dI/dU可得电导增量法（INC）法进行最大功率时的判据如下：最大功率点左边最大功率点最大功率点右边32济南大学物理学院2020/4/87-20电导增量法流程图图7-9电导增量法流程图33济南大学物理学院2020/4/8(1)控制效果好;(2)控制稳定度高，当外部环境参数变化时系统能平稳的追踪其变化，且与光伏光伏电池组件的特性及参数无关;(3)控制算法较复杂，对控制系统要求较高;(4)控制电压初始化参数对系统启动过程中的跟踪性能有较大影响，若设置不当则可能产生较大的功率损失。7-33•电导增量法的特点34济南大学物理学院2020/4/8扰动观测法：电导增量法7-34•与扰动观测法的区别：1kkPPPUIIUP35济南大学物理学院2020/4/8•电导增量法的数学依据是在最大功率点处功率对电压的导数为0。由于P-U曲线为一单峰曲线，因此采用导纳增量法进行最大功率跟踪时无原理性误差，为一个较理想的MPPT跟踪方法。7-35电导增量法跟踪误差分析由于采用ΔI/ΔU近似代替dI/dU，所以电导增量法也存在振荡和误判问题36济南大学物理学院2020/4/87.5最大功率点跟踪的实现•两级式光伏并网逆变器的MPPT控制7-2337济南大学物理学院2020/4/838济南大学物理学院2020/4/8•单级式光伏并网逆变器的MPPT控制7-24单级式并网逆变器39济南大学物理学院2020/4/8单级式并网逆变器MPPT控制的三环控制结构单级式并网逆变器MPPT控制的双环控制结构40济南大学物理学院2020/4/8总结-各种MPPT方法的特点特点方法优点缺点恒定电压法实现简单算法容易实现近似求解最大功率扰动观测法结构简单、测量参数少、容易实现最大功率点附近会出现振荡,造成能量损耗并且会发生“误判电导增量法跟随性很好，保证最大功率输出控制算法复杂，检测精度要求高，步长不易选择41济南大学物理学院2020/4/8作业最大功率点追踪有几种方法？比较它们的特点。