MPPT模塊最大功率跟蹤控制算法

工作原理

1.工作原理描述

1.1 太陽能光伏板的最大功率特性介紹

太陽能光伏板的特性曲線如圖1所示（無錫尚德85W光伏板）：

圖1 無錫尚德85W光伏板特性曲線

影響太陽能電池輸出特性的主要因素是太陽光照強度和太陽能電池板的溫度，受到這些因素的影響太陽能的輸出特性會有比較大的變化。對于空載的太陽能電池板主要體現(xiàn)在太陽能電池輸出的開路電壓和短路電流，對于帶負載的電池板主要體現(xiàn)在輸出的功率和最大功率點的改變。

太陽能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的來源，能否充分發(fā)揮太陽能電池板的效用對整個光伏發(fā)電系統(tǒng)具有重要的作用。太陽能電池板的輸出功率是其所受日照強度、太陽能電池板溫度的非線性函數(shù)。為了更好的理解太陽能電池板的特性，根據(jù)太陽能電池板的非線性函數(shù)關(guān)系繪制出其在日照不同、結(jié)溫相同和日照相同、結(jié)溫不同情況下的太陽能電池板I－V、P－V特性曲線，如圖2所示：

圖2 相同溫度不同光強時的I－V曲線和P－V曲線

圖2為太陽能電池結(jié)溫不變、日照強度變化情況下的一組I－V和P－V特性曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論：

1）太陽能電池的短路電流隨光照強度增強而變大，兩者近似為比例關(guān)系；太陽能電池的開路電壓在各種日照條件下變化不大；

2）太陽能電池的最大輸出功率隨光照強度增強而變大，且在同一日照環(huán)境下有唯一的最大輸出功率點。在最大功率點左側(cè)，輸出功率隨圖中為電池端電壓上升呈近似線性上升趨勢；到達最大功率點后，輸出功率開始快速下降，且下降速度遠大于上升速度；

3）如圖2-a所示：在虛線A的左側(cè)，太陽能電池的特性近似為電流源，右側(cè)近似為電壓源。虛線A對應(yīng)最大功率點時光伏電池的工作電流，約為電池短路電流的90%;

4）如圖2-b所示：結(jié)溫一定的情況下，太陽能電池最大功率點對應(yīng)的輸出電壓值基本不變。該值約為開路電壓的76%。

圖3 相同光強不同溫度時的I－V曲線和P－V曲線

圖3為太陽能電池光強強度不變、結(jié)溫變化情況下的一組I－V和P－V特性曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論：

1）如圖3-a所示：太陽能電池的結(jié)溫對光伏電池的短路電流影響不大，隨著溫度的上升輸出短路電流只是略有增加；太陽能電池的開路電壓隨電池結(jié)溫的上升而下降，且變化范圍較大。

2）如圖3-b所示：太陽能電池輸出功率總的變化趨勢與不同日照條件下的功率變化相似。但相同日照情況下其最大輸出功率隨電池溫度的上升而下降，且最大功率點對應(yīng)的工作電壓隨溫度上升而下降。

綜上所述，太陽能電池的輸出功率與它所受的光照強度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系，在不同外部環(huán)境情況下，太陽能電池的輸出功率會有較大的變化。值得注意的是，光伏板特性中唯一不變的是同一時刻下光伏最大輸出功率P與光伏兩端電壓V之間的函數(shù)P(V)具有單極點的特點。因此，最大功率點跟蹤的實現(xiàn)就是通過求解函數(shù)P(V)的單極點得來，同時在一定程度上弱化溫度、光強這些影響因素。

最大功率點跟蹤的物理意義如圖4所示：

圖4 最大功率點跟蹤的物理意義

圖中曲線I、Ⅱ分別對應(yīng)不同日照情況下光伏器件的I－V特性曲線，A、B分別為不同日照情況下光伏器件的最大輸出功率點，負載1、負載2為兩條負載曲線。當(dāng)光伏器件工作在A點時，日照突然加強，由于負載側(cè)有蓄電池可以認為控制周期內(nèi)負載電壓恒定，光伏器件的工作點轉(zhuǎn)移到A’點。從圖中可以看出，為了使光伏器件在特性曲線I仍能輸出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲線I上的B點，也就是說必須對光伏器件的外部電路進行控制使其負載特性變?yōu)樨撦d曲線2實現(xiàn)與光伏器件的功率匹配，從而使光伏器件輸出最大功率。

1.2 MPPT模塊掃描法原理

MPPT追蹤算法—掃描法的基本思路是，通過占空比粗調(diào)節(jié)與微調(diào)節(jié)相結(jié)合，在一定范圍內(nèi)改變光伏輸入電壓的同時比較最大功率點，達到跟蹤最大功率點的目的。

算法主要采用兩種調(diào)節(jié)方式，即大掃描(粗調(diào))和小掃描(微調(diào))相結(jié)合的方式，如圖5所示。大掃描的范圍較廣、步長較大，用于快速找到具有單或多波峰特性的光伏曲線的最大功率點；小掃描的范圍較窄、步長較小，且實現(xiàn)了變步長，用于在最大功率點附近掃描以盡可能長時間的處在最大功率點上。此外，算法根據(jù)光強變化的強度啟動動態(tài)掃描，以便快速響應(yīng)最大功率點變化。

圖5掃描法示意

l進行較大范圍的全局掃描主要是針對光強有劇烈變化，以及光伏板局部被陰影遮擋或覆蓋時出現(xiàn)的多個功率極值點的問題，其掃描運行間隔由當(dāng)前光強功率確定，如圖6所示：

圖6 光伏板多波峰問題

在相同的光照條件下，如果光伏陣列PV1和PV2并聯(lián)，如果PV2受到局部陰影的遮擋或被局部覆蓋那么輸出的P-V 特性曲線如圖6（a）（b）所示。兩模塊并聯(lián)后的總輸出特性曲線可能會出現(xiàn)圖中（c）和（d）所示的情況，可以看到P-V 曲線上出現(xiàn)了兩個極值點。實際中不同廠家、規(guī)格的光伏板多路并聯(lián)也會在MPP處出現(xiàn)一些多波峰。通過大范圍掃描可以有效的分辨出多波峰中最大的一個。

1）小范圍掃描主要是針對短時間內(nèi)光強有較小變化時，通過在上次找到的最大功率點附近進行變步長微調(diào)，以便模塊長時間工作在最大功率點處，其掃描間隔設(shè)定為30秒。

2）動態(tài)掃描主要是針對短時間內(nèi)光強有較大變化時，通過在上次找到的最大功率點附近進行較大范圍調(diào)節(jié)，以便模塊再次找到最大功率點處。此外動態(tài)掃描根據(jù)當(dāng)前功率的不同會自適應(yīng)設(shè)定大掃描定時。

掃描法采用功率分段定時掃描和動態(tài)觸發(fā)掃描相結(jié)合的方法，首先對應(yīng)不同的功率段執(zhí)行不同的大掃描定時，同時在光強突變時快速執(zhí)行動態(tài)掃描，以期達到最大功率跟蹤的目的。