光伏逆变器MPPT基本算法介绍-李星硕

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前言

在上一个话题中，我们阐述了光伏MPPT基本原理：从本质上来说，MPPT算法均是通过DC-DC的占空比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。那么在本话题中，我们将介绍两种基本的MPPT算法，即观察扰动法（Perturb and Observe，P&O）和电导增量法（Incremental Conductance，INC）。

P&O法与INC法的基本原理

到目前为止，已经有超过20种MPPT算法被提出并被验证 [1,2]。在这些MPPT算中，由于P&O法和INC法较为简单且较为实用，因此是最为常见的MPPT算法。其基本原理，如下图所示。

如上图所示，P&O法是利用光伏组件功率-电压（P-V）曲线的特性，来对当前工作点的位置进行判断，进而决定下一次的扰动方向是向左还是向右。一般来说，可以用以下公式进行判断：

INC法则是根据在最大功率点（MPP）时，光伏组件的输出功率对电压的微分为0而被提出来的。我们可以将INC法看做是对P&O法进行进一步推导而得出的[4]。在MPP处，有

将P=VI带入上式中，则有

根据上式，INC法可以通过以下公式进行判断：

其中，I/V为电导，而ΔI/ΔV则为电导增量，故此方法被称为电导增量法。

P&O法流程图与实例说明

P&O法流程图如下图所示。首先，算法需要采集当前光伏组件电压V(k)、电流I(k)，并读取上一次采集到到的电压V(k-1)、电流I(k-1)。然后，计算电压增量ΔV和功率增量ΔP，继而根据上文所得到P&O法的公式进行逻辑判断。完成判断后，则会通过调节占空比d，最终决定工作点下一次移动的方向。

为了更好地理解这一流程，我们一下图作为实例进行讲解 [5]。

1. 假定工作点从D处移动到A处，我们发现ΔP、ΔV均为正，因此下一次移动方向应向右。

2. 假定工作点从A处移动到D处，我们发现ΔP、ΔV均为负，因此下一次移动方向应向右。

3. 同理，假定工作点从C处移动到B处，我们发现ΔP为正且ΔV为负，因此下一次移动方向应向左。

4. 假定工作点从B处移动到C处，我们发现ΔP为负且ΔV为正，因此下一次移动方向应向左。
   

当工作点移动至MPP附近时，P&O法将会围绕MPP进行三电平扰动（Three-level Perturbation），具体分析如下：

1. 假定工作点由A处移动至MPP处后，我们发现ΔP、ΔV均为正，因此下一次移动方向应向右，假定移动至B处。

2. 当工作点由MPP处移动至B后，我们发现ΔP为负且ΔV为正，因此下一次移动方向应向左，故而工作点将回到MPP处。

3. 假定工作点由B处移动至MPP处后，我们发现ΔP为负且ΔV为正，因此下一次移动方向应向左，故而工作点将回到A处。

4. 当工作点由MPP处移动至A后，我们发现ΔP、ΔV均为负，因此下一次移动方向应向右，故而工作点将回到MPP处。

重复以上过程，工作点将会持续不断地围绕MPP进行三电平扰动。仿真结果如下图示 [5]：

从上图可以清楚地看出，光伏组件输出电压与占空比d会在MPP处进行三电平扰动，从而维持P&O法大致工作在MPP处。

至于INC法，与P&O法大同小异 [4]，故本文不做进一步介绍。如果对INC法感兴趣，请阅读本人文献 [3，6]。

参考文献

[1]    B. Subudhi and R. Pradhan, “A comparative study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power systems,” IEEE Trans. Sutain. Energy, vol. 4, no. 1, pp. 89–98, Jan. 2013.
[2]    M. de Brito, L. Galotto, L. Sampaio, G. de Azevedo e Melo, and C. Canesin, “Evaluation of the main mppt techniques for photovoltaic applications,” IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 60, no. 3, pp. 1156–1167, Mar. 2013.

[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]    D.  Sera,  L.  Mathe,  T.  Kerekes, S.  V.  Spataru, and  R.  Teodorescu, "On the perturb-and-observe and incremental conductance mppt methods for pv systems," IEEE lournal  of  Photovoltaics, vol. 3, no.  3, pp. 1070-1078,  Jul.  2013.

[5]    N.  Femia,  G.  Petrone,  G.  Spagnuolo, and  M.  Vitelli, "Optimization  of  perturb and observe maximum power point tracking method," IEEE Transaction Power Electronics, vol. 20,  no.  4, pp. 963-973, Jul. 2005.

[6]    李星硕, 文辉清, 罗恒阳. 基于电导增量MPPT算法在光伏系统的比较研究[J]. 电力电子技术, 2016(12):91-94.

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。