光伏逆变器MPPT基本原理-李星硕

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太阳能被全世界广泛地认为是一种非常重要的可持续能源。但由于光伏阵列受到外界环境因素如光照强度或温度的影响，其输出电压、电流呈现出明显的非线性特征。因此如何实时地调节光伏模块的输出功率，在任何外界环境下实现最大功率点跟踪(MPPT)显得十分重要 [1]。

对于MPPT而言，大多数人往往知其然而不知其所以然。因此，本文旨在详细讲解MPPT的基本原理。

一个简单的光伏MPPT系统可以如下图所示，其包含光伏组件和一个可变负载。

由于光伏组件直接与可变负载相连，因此光伏组件的输出电压(Vpv)、输出电流(Ipv)分别与可变负载的电压(Vload)、电流(Iload)相等。因此，通过调节可变负载的阻值(Rload)，即可调节光伏组件的等效电阻(Rpv)，继而调节光伏组件在其自身I-V曲线上的工作点。如下图所示，当Rload达到某一个值时，工作点将移动至其最大功率点(MPP)，从而使光伏组件的发电效率达到最大化。

但是，在实际情况下，在某一段时间内，Rload往往是一个固定值。因此，直接调节负载阻值显然不太现实。为此，我们可以在光伏组件与负载之间添加一个DC-DC变流器，如下图所示，其中d为DC-DC的占空比 [2]。

我们假定M(d)为电压转换比，故dc-dc输入输出电压可以写为    

然后，假设η为DC-DC的转换效率，则有

       将前式代入后式，则有

其中Rin和Rout为等效输入、输出电阻。

在光伏系统中，Rpv = Rin且Rload = Rout。因此上式可写为

通过上式可知，即使Rload为某一个定值，通过调节DC-DC占空比d，工作点仍可以将移动至其最大功率点(MPP)，如下图所示。

需要注意的是，不同的DC-DC有不同的电压转换比M(d)，如下表所示。

在实际情况下，MPPT控制器一般可以分为两种控制方法，即电压控制法和直接控制法，如下图所示 [3]。

对于电压控制法而言，MPPT控制器内的MPPT算法，如观察扰动法，会生成一个参考电压信号vref，然后vref会与当前MPPT控制器所采集的电压信号vpv进行比较，所得结果传递给PI控制器，继而得到DC-DC占空比d，最后占空比d再与三角波进行比较，从而生成PWM来控制DC-DC。

由于PI控制器的参数需要进行大量的调试工作，以满足在不同光照与温度的条件下稳定运行，因此电压控制法实现起来较为繁琐。与其相反，直接控制法不需要设计PI控制器，而是直接通过MPPT控制器内的MPPT算法生成占空比d继而生成PWM。因此，从实现难度与成本上来说，直接控制法有较大优势，因而近几年绝大多数的MPPT算法均是基于此而设计的 [4]。

从本质上来说，不管是电压控制法还是直接控制法，MPPT算法均是通过占空比d来进行控制的。至于如何计算占空比d的值，则取决于具体的MPPT算法，如粒子群优法 [5]、电导增量法 [6]、以及Beta法 [7] 等。

参考文献

[1]   李星硕, 文辉清. 基于β参数的变步长MPPT控制研究[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(17):58-63.

[2]    M. Killi and S. Samanta, “An adaptive voltage-sensor-based mppt for photovoltaic systems with sepic converter including steady-state and drift analysis,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 12, pp. 7609–7619, Dec. 2015.

[3]    X. Li, H. Wen and Y. Hu, "Evaluation of different maximum power point tracking (MPPT) techniques based on practical meteorological data," 2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), Birmingham, 2016, pp. 696-701.

[4]    Y.-H. Liu, J.-H. Chen, and J.-W. Huang, “A review of maximum power point tracking techniques for use in partially shaded conditions,” Renew. Sust. Energ. Rev., vol. 41, pp. 436–453, 2015.

[5]    K. Ishaque and Z. Salam, “A deterministic particle swarm optimization maximum power point tracker for photovoltaic system under partial shading condition,” IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 60, no. 8, pp. 3195–3206, Aug. 2013.

[6]    T. K. Soon and S. Mekhilef, “A fast-converging mppt technique for photovoltaic system under fast-varying solar irradiation and load resistance,” IEEE Trans. Ind. Informat., vol. 11, no. 1, pp. 176–186, Feb. 2015.

[7]    X. Li, H. Wen, L. Jiang, W. Xiao, Y. Du, and C. Zhao, “An improved mppt method for pv system with fast-converging speed and zero oscillation,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 52, no. 6, pp. 5051–5064, Nov. 2016.

作者介绍

李星硕，现为西交利物浦大学电气与电子工程博士生。主要研究电力电子在光伏系统下的应用，如最大功率点追踪、分布式光伏发电以及光伏组件老化检测技术等。现已发表5篇SCI，并担任国际SCI源刊IEEE Trans. Ind. Electron.、IEEE Trans. Ind. Appl.等期刊的审稿人。