光伏逆变器MPPT的原理、作用及算法

2018-1-16

如图，光伏组件的输出电压和电流遵循I-V曲线(绿色)、P-V曲线(蓝色)，如果希望逆变器输出的功率最大，就需要直流电压运行在红点所在的最大点，这个点就是最大功率点。假如最大功率点是550V，550V时功率是200W。此时，运行在520V时的功率约为190W，580V时约为185W，都没有550V时的功率大。逆变器如果跟踪不到550V，就损失了发电量，但不会对系统产生其他影响。

单块光伏组件的I-V、P-V曲线

那为什么还要不断跟踪呢?因为这个曲线随着光照强度、温度和遮挡的不同在变化着，最大功率点也就在变化了，可能早上最大功率点电压是560V，中午是520V，下午是550V，所以逆变器需要不断地寻找这个最大功率点，也就是最大功率点跟踪了，这样才能保证全天的电池板能量都能最大化地输出出来，不浪费太阳能资源。

在了解上述基本知识的基础之上，我们再来聊一聊MPPT。

一、什么是MPPT?

MPPT的定义

MPPT，即Maximum Power Point Tracking的简称，中文为“最大功率点跟踪”，它是指逆变器根据外界不同的环境温度、光照强度等特性来调节光伏阵列的输出功率，使得光伏阵列始终输出最大功率。

MPPT是逆变器非常核心的技术，MPPT电压在进行光伏电站设计时一项非常关键的参数。

MPPT的作用

由于太阳能电池受到光强以及环境等外界因素的影响，其输出功率是变化的，光强发出的电就多，带MPPT最大功率跟踪的逆变器就是为了充分的利用太阳能电池，使之运行在最大功率点。也就是说在太阳辐射不变的情况下，有MPPT后的输出功率会比有MPPT前的要高，这就是MPPT的作用所在。 举个例子，假设MPPT还没开始跟踪，这时组件输出电压是500V，然后MPPT开始跟踪之后，就开始通过内部的电路结构调节回路上的电阻，以改变组件输出电压，同时改变输出电流，一直到输出功率最大(假设是550V最大)，此后就不断得跟踪，这样一来也就是说在太阳辐射不变的情况下，组件在550V的输出电压情况，输出功率会比500V时要高，这就是MPPT的作用。

二、单个光伏组件的MPPT的影响因素

一般来说，辐照度、温度变化对输出功率的影响，最直接就体现在MPPT上，也就是说辐照度和温度是影响MPPT的重要因素。

辐照度降低，光伏组件的输出功率会降低;温度升高，光伏组件的输出功率会降低;

辐照度对MPPT的影响

　　辐照度变化对光伏组件输出功率的影响

逆变器进行最大功率点跟踪(MPPT)即上图中功率最大的点。从上图可以看出，当辐照度下降的时候，最大功率点几乎是成比例降低的，如下表所示。

辐照度成比例下降时，MPPT电压略微下降;由于P=IU，辐照度下降时，P成比例下降，而U略微下降，因此电流I应该是成比例下降的。

　　温度对MPPT的影响

温度变化对组件输出功率的影响

从上图可以看出，当温度变化时，最大功率按照温度系数的比例逐渐下降，如下表所示。

由此可见：电流主要受辐照度的影响，电压主要受温度的影响。

三、光伏发电单元的MPPT及其原理与算法

光伏发电单元的MPPT

上面两张图都是一个光伏组件的MPPT跟踪，而在实际工程中，一个500kW的逆变器，往往要接80~90个光伏组串。

光伏阵列在使用过程中易受周围环境(如浮云，建筑物，树木遮荫等)和电池板表面的灰尘的干扰，导致光伏阵列的输出功率减小，输出特性曲线变得复杂。

如果一个电站，某一个组串后面有空调机组;又有一片树叶遮盖了某一块电池片;又有一片树荫遮挡了部分组件。那么不同的组串间必然存在输出功率偏差。因此，每个逆变器接入的光伏组串的输出特性曲线变得复杂，呈多极值点，如何找到最高的那个点，就需要MPPT了!

光伏方阵的输出功率曲线

最大功率点跟踪的原理

随着电子技术的发展，当前太阳能电池阵列的MPPT控制一般是通过DC/DC变换电路来完成的。其原理框图如下图所示。 光伏电池阵列与负载通过DC/DC电路连接，最大功率跟踪装置不断检测光伏阵列的电流电压变化，并根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节。

MPPT系统原理框图

对于线性电路来说，当负载电阻等于电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然光伏电池和DC/DC转换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，只要调节DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于光伏电池的内阻，就可以实现光伏电池的最大输出，也就实现了光伏电池的MPPT。

MPPT的算法

目前，光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)技术，国内外已有了一定的研究，发展出各种控制方法常，常用的有一下几种：恒电压跟踪法(Constant Voltage Tracking 简称CVT)、干扰观察法(Perturbation And Observation method简称P&O)、增量电导法(Incremental Conductance method简称INC)、基于梯度变步长的电导增量法等等。(这些算法只能用在无遮挡的条件下)

1)单峰值功率输出的MPPT的算法

目前，在无遮挡条件下，光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)的控制方法常用的有以下几种：

恒电压跟踪法(Constant Voltage Tracking 简称CVT)干扰观察法(Perturbation And Observation method简称P&O)增量电导法(Incremental Conductance method简称INC)基于梯度变步长的电导增量法，等等。 2)多峰值功率输出MPPT算法

普通的最大功率跟踪算法，如扰动观测发和电导增量法在一片云彩的遮挡下就有可能失效，不能实现真正意义的最大功率跟踪。目前，国际上也有人提出了多峰值的MPPT算法，主要包含如下三种：

结合常规算法的复合 MPPT 算法Fibonacci 法短路电流脉冲法

总结：

目前业内已经认识到了逆变器多MPPT通道的重要性，多MPPT的组串逆变器已经被广泛的认可，其精准的算法也逐渐被推广。上海兆能必将深耕逆变器产业及MPPT算法，提高产品效率，推动行业进步。

关键词：逆变器

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