光伏逆變器MPPT基本原理-李星碩

對于MPPT而言，大多數人往往知其然而不知其所以然。因此，本文旨在詳細講解MPPT的基本原理。

一個簡單的光伏MPPT系統可以如下圖所示，其包含光伏組件和一個可變負載。

由于光伏組件直接與可變負載相連，因此光伏組件的輸出電壓(Vpv)、輸出電流(Ipv)分別與可變負載的電壓(Vload)、電流(Iload)相等。因此，通過調節可變負載的阻值(Rload)，即可調節光伏組件的等效電阻(Rpv)，繼而調節光伏組件在其自身I-V曲線上的工作點。如下圖所示，當Rload達到某一個值時，工作點將移動至其最大功率點(MPP)，從而使光伏組件的發電效率達到最大化。

但是，在實際情況下，在某一段時間內，Rload往往是一個固定值。因此，直接調節負載阻值顯然不太現實。為此，我們可以在光伏組件與負載之間添加一個DC-DC變流器，如下圖所示，其中d為DC-DC的占空比 [2]。

我們假定M(d)為電壓轉換比，故dc-dc輸入輸出電壓可以寫為 ? ?

然后，假設η為DC-DC的轉換效率，則有

? ? ? ?將前式代入后式，則有

其中Rin和Rout為等效輸入、輸出電阻。

在光伏系統中，Rpv?= Rin且Rload?= Rout。因此上式可寫為

通過上式可知，即使Rload為某一個定值，通過調節DC-DC占空比d，工作點仍可以將移動至其最大功率點(MPP)，如下圖所示。

需要注意的是，不同的DC-DC有不同的電壓轉換比M(d)，如下表所示。

在實際情況下，MPPT控制器一般可以分為兩種控制方法，即電壓控制法和直接控制法，如下圖所示 [3]。

對于電壓控制法而言，MPPT控制器內的MPPT算法，如觀察擾動法，會生成一個參考電壓信號vref，然后vref會與當前MPPT控制器所采集的電壓信號vpv進行比較，所得結果傳遞給PI控制器，繼而得到DC-DC占空比d，最后占空比d再與三角波進行比較，從而生成PWM來控制DC-DC。

由于PI控制器的參數需要進行大量的調試工作，以滿足在不同光照與溫度的條件下穩定運行，因此電壓控制法實現起來較為繁瑣。與其相反，直接控制法不需要設計PI控制器，而是直接通過MPPT控制器內的MPPT算法生成占空比d繼而生成PWM。因此，從實現難度與成本上來說，直接控制法有較大優勢，因而近幾年絕大多數的MPPT算法均是基于此而設計的 [4]。

從本質上來說，不管是電壓控制法還是直接控制法，MPPT算法均是通過占空比d來進行控制的。至于如何計算占空比d的值，則取決于具體的MPPT算法，如粒子群優法 [5]、電導增量法 [6]、以及Beta法 [7] 等。

參考文獻

[1] ? 李星碩, 文輝清. 基于β參數的變步長MPPT控制研究[J]. 電力系統保護與控制, 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.

作者介紹

李星碩，西交利物浦大學電氣與電子工程博士生。主要研究電力電子在光伏系統下的應用，如最大功率點追蹤、分布式光伏發電以及光伏組件老化檢測技術等。現已發表5篇SCI，并擔任國際SCI源刊IEEE Trans. Ind. Electron.、IEEE Trans. Ind. Appl.等期刊的審稿人。

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