MPPT和功率分析儀在光伏發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

一、MPPT基本原理

理論上講，只要將光伏電池與負(fù)載完全匹配、直接耦合（如負(fù)載為被充電的蓄電池），負(fù)載的伏安特性曲線(xiàn)與最大功率點(diǎn)軌跡曲線(xiàn)即可重合或漸進(jìn)重合，使光伏電池處于高效輸出狀態(tài)。但在日常應(yīng)用中，很難滿(mǎn)足負(fù)載與光伏電池的直接耦合條件。因此，要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)變更系統(tǒng)負(fù)載特性，即調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之能在不同的日照和溫度下始終讓光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近，這一跟蹤過(guò)程就稱(chēng)為最大功率點(diǎn)跟蹤，如圖 1所示為MPPT基本原理圖。

圖1.MPPT原理圖

最大功率點(diǎn)A1→最大功率點(diǎn)B1（條件：將系統(tǒng)負(fù)載特性由負(fù)載1改為負(fù)載2）

最大功率點(diǎn)B1→最大功率點(diǎn)A1（條件：將系統(tǒng)負(fù)載特性將負(fù)載2改回至負(fù)載1）

由此可見(jiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的MPPT控制策略，就是先根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏電池的輸出功率，再經(jīng)過(guò)一定的控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前工況下光伏電池可能的最大功率輸出點(diǎn)，最后通過(guò)改變當(dāng)前的阻抗或電壓、電流等電量等方式來(lái)滿(mǎn)足最大功率輸出的要求。

這樣，不論是因外部光照強(qiáng)度變化，還是因內(nèi)部光伏電池的結(jié)溫變化使得光伏電池的輸出功率減少，系統(tǒng)始終可以自動(dòng)運(yùn)行于當(dāng)前工況下的最佳工作狀態(tài)，達(dá)到最大功率輸出，從而可提高整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

二、最大功率點(diǎn)的影響因素

在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線(xiàn)的最高點(diǎn)，稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)。如圖2所示為MPPT受光照影響圖、圖 3所示為MPPT受溫度影響圖

圖2.MPPT受光照影響

圖3.MPPT受溫度影響

如圖所示可見(jiàn)光照強(qiáng)度和溫度下降都會(huì)導(dǎo)致光伏電池的最大功率點(diǎn)下移

三、MPPT技術(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

誤跟蹤現(xiàn)象

大多數(shù)MPPT算法僅采集光伏電池的電壓和電流，并基于擾動(dòng)觀察的思想進(jìn)行跟蹤，但是無(wú)從得知光伏電池輸出功率的變化是由擾動(dòng)還是由外界環(huán)境的變化而引起的，所以當(dāng)環(huán)境變化較快時(shí)，容易發(fā)生誤跟蹤現(xiàn)象。解決方案主要有以下幾類(lèi)：

① 根據(jù)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制；

② 使算法擾動(dòng)帶來(lái)的功率變化大于環(huán)境變化帶來(lái)的功率變化；

③ 辨識(shí)和補(bǔ)償環(huán)境變化帶來(lái)的功率變化。

多峰值問(wèn)題

光伏電池被局部遮擋或特性不一致可能導(dǎo)致多功率極值的出現(xiàn)。在多峰值的條件下，如何進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤？找到最大點(diǎn)，而不是局部極值，是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。另外，當(dāng)出現(xiàn)多峰值時(shí)，實(shí)際上光伏電池工作在不良狀態(tài)，嚴(yán)重功率失配，既損失了能量，又容易損壞光伏組件。這種狀態(tài)可能是需要被檢測(cè)和避免的。

對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的考慮不足

多數(shù)文獻(xiàn)在仿真驗(yàn)證算法時(shí)，是通過(guò)對(duì)環(huán)境變化的階越響應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。但實(shí)際情況中，環(huán)境的變化是連續(xù)的，不會(huì)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)突然跳到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。很多算法會(huì)在環(huán)境快速連續(xù)變化的情況下失效。 在眾多MPPT算法的研究中，被很多研究者忽略的問(wèn)題是采樣精度和計(jì)算誤差所帶來(lái)的限制。很多理論上成立且仿真中有效的算法，在實(shí)際系統(tǒng)中是不可行的。

如何解決上述這些問(wèn)題，以提高M(jìn)PPT技術(shù)應(yīng)用水平，是光伏發(fā)電逆變器應(yīng)用過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn) 。

四、功率分析儀在MPPT測(cè)試的優(yōu)勢(shì)

由于太陽(yáng)電池的輸出特性受負(fù)荷狀態(tài)、日照量、環(huán)境溫度等因素的影響、太陽(yáng)電池陣列的電壓和電流均發(fā)生很大的變化，從而使輸出功率不穩(wěn)定，即最大功率點(diǎn)時(shí)刻變化。為了充分利用太陽(yáng)能以獲取最大功率輸出，必須跟蹤、控制太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)、最大限度地利用太陽(yáng)能，如圖 4所示為光伏發(fā)電示意圖。采用PA8000功率分析儀的MPPT測(cè)試主要有一下幾方面優(yōu)勢(shì)：

圖4.光伏發(fā)電

最多支持7個(gè)功率輸入單元，輸入功率與輸出功率同步測(cè)試，進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度

傳統(tǒng)測(cè)量轉(zhuǎn)換效率，由于測(cè)量設(shè)備通道數(shù)有限，輸入與輸出只能分開(kāi)測(cè)量，這樣導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)缺乏同步性，由此算得的轉(zhuǎn)換效率自然不準(zhǔn)確。針對(duì)多路輸入的光伏逆變器，PA8000可輕松實(shí)現(xiàn)4通道輸入，3通道輸出同時(shí)采樣，并且PA8000內(nèi)部采用高穩(wěn)定度溫度補(bǔ)償?shù)?00M同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)7通道的ADC同步采樣，同步采樣時(shí)鐘誤差小于10ns，滿(mǎn)足高效能逆變器效率的極致測(cè)量要求。

支持權(quán)重系數(shù)自由切換，方便導(dǎo)出各地區(qū)效率報(bào)表

PAM軟件能夠自由切換權(quán)重系數(shù)，支持歐洲效率、CEC效率、中國(guó)各地區(qū)權(quán)重系數(shù)計(jì)算，并能快速的導(dǎo)出相應(yīng)地區(qū)的效率報(bào)表，PA8000是業(yè)內(nèi)唯一支持效率權(quán)重系數(shù)自由切換的功率分析儀器。

支持自定義效率公式，方便導(dǎo)出MPPT、轉(zhuǎn)換效率報(bào)表

支持自定義效率測(cè)試公式，能同時(shí)顯示6個(gè)效率測(cè)試結(jié)果，方便同時(shí)測(cè)量MPPT效率，轉(zhuǎn)換效率。PAM軟件能夠?qū)С鰷y(cè)試靜態(tài)與動(dòng)態(tài)MPPT報(bào)表，轉(zhuǎn)換效率報(bào)表，方便檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，大大提高了工作效率。