第7章 最大功率点跟踪(MPPT)技术.
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法光伏并网控制系统的最大功率点跟踪(MPPT)方法【大比特导读】最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。
本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。
摘要：最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。
本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。
关键字：光伏发电系统，最大功率点跟踪，MPPT控制方法1 引言日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，并且更加稳定、安全。
据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到2000万千瓦。
但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。
而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。
本文首先讨论了光伏组件本身的P-V，I-V特性，以及温度、光照的影响;然后具体分析了几种常用的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。
2 光伏组件的特性A. 物理数学模型根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。
其中：IPH 与日照强度成正比的光生电流;I0 光伏组件反向饱和电流，通常其数量级为10-4A;n 二极管因子;q 电子电荷， ;K 玻尔兹曼常数， J/K;T绝对温度( K);RS光伏组件等效串联电阻;RP光伏组件等效并联电阻;式(1)中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。
B. 温度、光照对输出特性的影响受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。
最大功率点跟踪(MPPT)技术简介
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内容
• • • • • MPPT介绍 MPPT工作原理 MPPT优点 MPPT算法简介 我们计划采用的MPPT方案
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MPPT优点
MPPT控制器可以智能调节太阳能 发电板的工作电压，使太阳能板始 终工作在V-A特性曲线的最大功率 点。 比较普通太阳能控制器，对太 阳能板发电功率的利用率提高了 10—30%
我们计划采用的MPPT方案
• 调查发现，目前市场上几乎所有高端太阳能路灯控制器都
采用了MPPT技术。目前，人们通常将MPPT控制与DC/DC变换器 连接起来，通过硬件控制来达到最大功率点的跟踪。介于此， 我们计划使用一种内置了MPPT算法的DC/DC升压转换器 -SPV1020 。 • 下面介绍SPV1020的主要特性和在太阳能光伏板上的应用图。
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我们计划采用的MPPT方案
• spv1020主要特性：
• • • • • • • • ■PWM模式DC-DC升压转换器 ■精度达到0.2%的MPPT算法 ■工作电压范围0～36 V ■过压，过流，过温保护 ■内置软启动 ■效率可达98% ■在低太阳辐射时自动转换到效率提高模式-brust模式 ■SPI接口
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内容
• • • • • MPPT介绍 MPPT工作原理 MPPT优点 MPPT算法简介 我们计划采用的MPPT方案
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MPPT工作原理
太阳能光伏阵列的输出特性具有非线性的特点，并且输出受太阳幅 照度，环境温度和负载影响，只有在某一输出电压值时，光伏阵列 的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出 功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（MPP-maximum power point）。为了提高太阳能转化效率，就必须使系统保持运 行在PV面板最大功率点附近。
太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术
二、MPPT技术的基本原理和性能检测方法
I(mA)
曲线1 曲线2
负载1
A1
A2 B1
负载2 B2
O
U(mV)
➢最大功率点A1→最大功率点B1 (条件：将系统负载特性由负载1改为负载2)
➢最大功率点B1→最大功率点A1
(条件：将系PPT技术的基本原理和性能检测方法
由上述公式推导，可得系统运行点与最大功率点的判据如下：
① G+dG>0，则UPV<UMPP，需要适当增大参考电压来达到最大
功率点；
② G+dG<0，则UPV>UMPP， 300
250
需要适当减小参考电压来达 200
输出功率（W）
到最大功率点；
150
100
③ G+dG=0，则UPV=UMPP， 50
0
由此可得
IPV dIPV G dG 0 UPV dUPV
式中，G为输出特性曲线的电导；dG为电导G的增量。由
于增量dUPV和dIPV可以分别用ΔUPV和ΔIPV来近似代替，可得：
dUPV t2 UPV t2 UPV t2 UPV t1 dIPV t2 IPV t2 IPV t2 IPV t1
dPPV 0 dU PV
最大功率点
dPPV 0 dU PV
dPPV 0 dU PV
此时系统正工作在最大功率 点处；
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 输出电压（V）
常用的最大功率点跟踪算法
光伏电池仿真模型设计
仿真结果
由此可见，光伏发电系统中的MPPT控制策略，就是先根 据实时检测光伏电池的输出功率，再经过一定的控制算法预测 当前工况下光伏电池可能的最大功率输出点，最后通过改变当 前的阻抗或电压、电流等电量等方式来满足最大功率输出的要 求。
光伏发电系统中的最大功率点跟踪技术优化
光伏发电系统中的最大功率点跟踪技术优化随着可再生能源的快速发展，光伏发电系统成为了一种重要的绿色能源解决方案。
光伏发电系统的核心是太阳能电池板，它将太阳能转化为直流电能。
然而，太阳能电池板的输出功率和太阳辐射强度之间存在一个非线性的关系，即存在一个最大功率点。
为了最大化光伏发电系统的效能，需要使用最大功率点跟踪技术来实现最大功率点的稳定锁定。
最大功率点跟踪技术（MPPT）是一项关键技术，可以确保光伏发电系统在不同光照条件下始终在最大功率点运行。
其目标是通过调整太阳能电池板的工作点，使得输出功率达到峰值。
而光伏发电系统的效率和经济性主要取决于MPPT技术的优化与应用。
在光伏发电系统中，常见的MPPT技术有模拟技术和数字技术两类。
模拟技术是通过传统的电路设计方法实现MPPT的一种方法。
其中最常见的是基于模拟电路的功率转移技术（P&O）和逐渐逼近法（GA）。
P&O技术是通过测量输入电流和电压来实现最大功率点的跟踪，然后根据该信息调整电池板的工作点。
虽然这种方法简单而成本较低，但受到环境条件的不稳定以及传感器测量误差的影响，造成功率输出不稳定的问题。
逐渐逼近法利用电池板工作电压的信号及其变化趋势，通过不断调整工作点来逼近最大功率点。
尽管逐渐逼近法的效果相对较好，但它的处理效率较低，且受到光照辐射和温度变化的影响较大。
数字技术则通过数字信号处理器（DSP）或微处理器来实现MPPT。
其中最常见的是基于模型预测控制（MPC）和人工智能（AI）技术的MPPT。
MPC技术通过根据太阳辐射变化模型，预测最佳功率点，并调整工作点。
这种技术不仅能够实现精确的功率跟踪，而且对于不同环境条件下的光伏发电系统具有较好的适应性。
人工智能技术则运用神经网络和模糊控制等方法，通过学习和自适应来实现最大功率点跟踪，更加适用于复杂环境和非线性系统。
为了进一步优化光伏发电系统中的MPPT技术，可以考虑以下几方面的优化措施：首先，改进传感器和测量方法，以提高最大功率点跟踪准确度。
第7章 最大功率点跟踪(MPPT)技术
最大功率点电压与开 路电压之间存在近 似的线性关系
图7-3 光伏电池不同日照强度下的P-V特性曲线
Umpp K1Uoc
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2016/12/30
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定电压跟踪法特点：
(1)开环控制，控制简单，控制易实现; (2)系统不会出现因给定的控制电压剧烈变化而引起 振荡，具有良好的稳定性; (3)控制精度差，系统最大功率跟踪的精度取决于给 定电压值选择的合理性; (4)控制的适应性差，当系统外界环境，如太阳辐射 强度，光伏电池板温度发生改变时系统难以进行准 确的最大功率点跟踪。
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• 从上面的分析中看出，光伏电池的输出是一个 随机的、不稳定的供电系统。工作时由于光伏 电池的输出特性受负荷状态、光照强度、环境 温度等的影响而大幅度变化， 其短路电流与日 照量几乎成正比关系增减，开路电压受温度变 化的影响较大。 • 最大功率点时刻在变化。因此，就不能用等效 电阻的方法获取最大功率。 • 由于光伏电池的输出特性是复杂的非线性形式， 难以确定其数学模型，无法用解析法求取最大 功率。
图7-1 光伏电池不同温度、日照强度下的I-V特性曲线
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• 由图7-1可知，光伏电池既非恒压源，也非恒流 源，是一种非线性直流源。输出电流在大部分 工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高 的电压之后，电流迅速下降至零。 • 光伏电池的输出特性近似为矩形，即低压段近 似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源。 • 温度相同时，随着日照强度的增加，光伏电池 的开路电压几乎不变，短路电流有所增加；日 照强度相同时，随着温度的升高，光伏电池的 开路电压下降，短路电流有所增加。
太阳能发电系统中的最大功率点跟踪技术
太阳能发电系统中的最大功率点跟踪技术在太阳能发电系统中，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）技术是一项重要的研究课题。
太阳能电池的输出电压与环境光强、温度等因素有关，而发电系统的效率取决于电池输出的最大功率。
因此，为了最大限度地提高太阳能发电系统的效率，确保高效率的能量转换和系统的长期稳定运行，MPPT技术应运而生。
MPPT技术是通过对太阳能电池组进行电压和电流的调整，使得系统工作在太阳能电池的最大功率点处。
太阳能电池的输出功率与其电流和电压的乘积有关，即P=I*V。
在太阳能电池的I-V特性曲线中，最大功率点是该曲线上功率最大的点，实现这个点上的功率输出是MPPT算法的核心目标。
MPPT技术的核心思想是实时监测、计算和跟踪太阳能电池组的工作状态，以调整电压和电流，使得系统工作在最大功率点处。
为了实现MPPT技术，研究人员提出了许多方法和算法，常见的有Incremental Resistance（增量电阻法）、Perturbation & Observation（扰动观察法）和模糊控制法等。
增量电阻法是最早提出的一种MPPT方法，该方法通过对太阳能电池组的电压进行微小变化，并测量此时太阳能电池的输出功率变化，根据增量功率与增量电阻之间的关系判断最大功率点位置。
虽然该方法原理简单，但在快速变化的工况下，其响应速度较慢。
扰动观察法是另一种常见的MPPT方法，该方法通过逐步增加或减少太阳能电池的工作点电压，并观察功率的变化情况，根据功率变化趋势确定最大功率点位置。
该方法相对于增量电阻法有着更快的响应速度和更高的精度，但在光照强度变化剧烈的环境下，可能无法快速找到最大功率点。
除了上述两种方法外，模糊控制法也广泛应用于MPPT技术中。
模糊控制利用模糊逻辑推理来实现对电池组的电压和电流进行调整，以使得系统电池工作在最大功率点处。
该方法通过建立模糊控制规则和输入输出模糊化来实现MPPT功能，并具有较好的适应性和鲁棒性。
最大功率跟踪的控制原理
最大功率跟踪（MPPT）是并网发电中的一项重要的关键技术，它是指控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上，根据太阳电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有以下三种：（1）恒电压法，因为太阳电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。
这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低；（2）爬山法，通过周期性的不断的给太阳电池阵列的输出电压施加扰动，并观察其功率输出的改变，然后决定下一次扰动的方向。
这种方法的追踪速度较慢，只适合于光强变化较小的环境；（3）导纳微分法(又称增量电导法)，认为太阳电池阵列的的最大功率点处，输出功率对输出电压的一阶倒数等于零。
因此在环境光强发生改变时，根据dI/dV的计算结果是否等于－I/V，决定是否继续调整输出电压，既可实现最大功率点的跟踪。
该方法相对于恒电压法和爬山法有高速稳定的跟踪特性。
上述三种方法各有特点，但是都不同时具有低成本、高稳定性、快速追踪的特性。
第一种方法只是粗略估计了最大功率点的位置，在光强变化到很大或较小时都会产生很大的误差。
后两种方法本质上都是通过判断当前工作点是否处于最大工作点来决定是否继续调整及调整的方向，因此最终的结果是逆变器始终工作在最大功率点的左右，来回振荡，而不是真正的工作在最大功率点处，反应在太阳电池阵列的输出上就是，太阳电池阵列的输出电压或电流总是以一个直流电平为中心上下跳跃，波形很不稳定，而且在光强变化速度较快时，不能及时反应。
三、太阳能电池功率追踪访法及算法扰动观察法是目前太阳能电池最大功率追踪技术中最为成熟以及被采用最多的方法，其系统方块图如图12所示。
由图中可以很明显的看出此法的硬件需求较少，模拟／数字转换器节省得相当多，因此在制造的成本上将大为降低。
扰动观察法之缺点在于最大功率追踪过程中，当大气条件迅速改变时，由于响应速度未能因应调整，会使追踪的速度变缓，造成功率的损失，不过此一缺点可以用软件技术来加以改善，赋予系统自我调整响应速度之功能，这也是本文的研究重点，亦即以软件算法来达到太阳能电池最大功率的追踪，并分析系统操作于较高频率下，其追踪的性能。
关于MPPT的开题报告
关于MPPT的开题报告引言随着太阳能光伏发电的快速发展，光伏逆变器作为关键设备之一，正变得越来越重要。
光伏逆变器的性能优化是提高光伏发电系统效率的关键。
最大功率点跟踪（MPPT）技术是光伏逆变器中非常重要的一环。
本文将对MPPT技术进行探讨和研究。
MPPT技术概述最大功率点跟踪技术是光伏发电系统中用来提取太阳能电池板输出最大功率的方法。
MPPT技术的目标是通过调整电池板输入电压和电流，使其工作在最佳工作点，从而实现最大功率的提取。
MPPT技术的应用能够提高光伏发电系统的效率，提高能源利用率。
MPPT技术原理MPPT技术的原理基于光伏电池的伏安特性曲线。
光伏电池的伏安特性曲线是描述光伏电池在不同电压和电流下的输出特性的曲线。
最大功率点即伏安特性曲线上的最高功率点。
MPPT技术通过实时监测光伏电池的输出电压和电流，并计算出当前的功率值。
通过不断调整光伏电池的工作点，使其逼近最大功率点。
常用的MPPT算法包括Perturb and Observe（P&O）、Incremental Conductance（IncCond）和Hill Climbing等。
MPPT技术的优势MPPT技术具有如下优势：1.提高光伏发电系统的效率：MPPT技术能够使光伏电池工作在最佳工作点，从而提高光伏发电系统的效率。
2.增加能源利用率：通过提取光伏电池的最大功率，MPPT技术能够充分利用太阳能资源，提高能源的利用率。
3.自适应性强：MPPT技术能够根据光照条件的变化自动调整光伏电池的工作点，适应不同的工作环境。
MPPT技术的应用MPPT技术广泛应用于光伏发电系统中。
光伏逆变器是光伏发电系统中的核心设备，也是MPPT技术的应用场景之一。
光伏逆变器通过监测光伏电池的输出电压和电流，以及经过MPPT算法计算出的功率值，实现对光伏电池工作点的调整，从而提高系统的效率。
除了光伏逆变器，MPPT技术还可以应用于光伏充电器、太阳能追踪器等设备中。
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• 从上面的分析中看出，光伏电池的输出是一个 随机的、不稳定的供电系统。工作时由于光伏 电池的输出特性受负荷状态、光照强度、环境 温度等的影响而大幅度变化， 其短路电流与日 照量几乎成正比关系增减，开路电压受温度变 化的影响较大。 • 最大功率点时刻在变化。因此，就不能用等效 电阻的方法获取最大功率。 • 由于光伏电池的输出特性是复杂的非线性形式， 难以确定其数学模型，无法用解析法求取最大 功率。
2017/10/24
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• 扰动观测法示意图如图7-4所示
图7-4 扰动观测法示意图
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• 扰动观测法程序流程如图7-5所示
图7-5 扰动观测法流程图
扰动观测法按照每次扰动的电压变化量是否固 定，可分为定步长和变步长扰动观测法。
第六章 光伏并网逆变器控制策略
电力电子系统的控制主要包括对给定信号的跟 随（跟随性）和对扰动信号的抑制（抗扰性） 两个方面。 两个基本控制要求： 一是要保持前后级之间的直流侧电压稳定 二是要实现并网电流控制
2017/10/24
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显然通过控制交流侧Ui的幅值和相位，便可 控制UL的幅值和相位，也即控制了电感电流 的幅值和相位。
2017/10/24
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7.3
扰动观测法（爬山法）
• 扰动观测法(Perturbation Observation, PO)是 目前实现 MPPT常用的方法，它通过不断扰动 光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。
• 工作原理：先扰动输出电压值，然后测其功率 变化并与扰动之前的功率值比较，如果功率值 增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向 扰动，如果扰动后功率值小于扰动前的值，则 往相反的方向扰动。
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• 图7-2分别给出了光伏电池在不同的温 度，日照强度下的P-U特性曲线。
图7-2 光伏电池不同温度、日照强度下的P-V特性曲线
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济南大学物理学院10 Nhomakorabea•从图7-2中可以看出，在一定的温度和日照强度下， 光伏电池具有唯一的最大功率点，当光伏电池工作 在该点时， 能输出当前温度和日照条件下的最大 功率。
最大功率点电压与开 路电压之间存在近 似的线性关系
图7-3 光伏电池不同日照强度下的P-V特性曲线
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定电压跟踪法特点：
(1)开环控制，控制简单，控制易实现; (2)系统不会出现因给定的控制电压剧烈变化而引起 振荡，具有良好的稳定性; (3)控制精度差，系统最大功率跟踪的精度取决于给 定电压值选择的合理性; (4)控制的适应性差，当系统外界环境，如太阳辐射 强度，光伏电池板温度发生改变时系统难以进行准 确的最大功率点跟踪。
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并网控制的工作原理：首先由并网控制给定 的有功、 无功功率指令和电网电压矢量，计 算出输出电流矢量I*； 再由 Ui = U L+E ；可得交流侧输出电压指令 Ui * jLI * E
通过SPWM或SVPWM 控制逆变器输出所需交流侧 电压矢量，实现逆变器并网电流的控制。
• 在最大功率点左侧，光伏电池的输出功率随着工 作点电压的增加而增大；在最大功率点右侧，光伏 电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。 • 当结温增加时，光伏电池的开路电压下降，短路 电流略有增加，最大输出功率减小, 当日照强度增 加时，光伏电池的开路电压变化不大，短路电流增 加明显，最大输出功率增加。
2017/10/24
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第七章 最大功率点跟踪技术
7.1 概述 光伏电池由于受外界因素(温度、日照强度等)影 响很多，因此其输出具有明显的非线性。 不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一 的最大功率点(Maximum Power Point, MPP)上。
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常见几种MPPT方法: (l)恒定电压跟踪法; (2)扰动观测法（爬山法）; (3)导纳增量法; (4)智能控制的方法。
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7.2 定电压跟踪法
由图7-3可以看出，在光伏电池温度变化不大时， 光伏电 池的P-U输出特性曲线上的最大功率点几 乎分布于一条垂直直线的两侧，因此将光伏电池 输出电压控制在其最大功率点电压处，此时光伏 电池将工作在最大功率点。
7-6
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光伏系统应寻求光伏电池的最优工作状态， 以最大限度的实现光能转换为电能 利用控制方法实现光伏电池最大功率输出运行 的 技术称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技术。
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• 图7-1分别给出了光伏电池在不同的温度， 日照强度下的I-V特性曲线。
图7-1 光伏电池不同温度、日照强度下的I-V特性曲线
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• 由图7-1可知，光伏电池既非恒压源，也非恒流 源，是一种非线性直流源。输出电流在大部分 工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高 的电压之后，电流迅速下降至零。 • 光伏电池的输出特性近似为矩形，即低压段近 似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源。 • 温度相同时，随着日照强度的增加，光伏电池 的开路电压几乎不变，短路电流有所增加；日 照强度相同时，随着温度的升高，光伏电池的 开路电压下降，短路电流有所增加。
2017/10/24
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间接电流控制：通过控制并网逆变器交流侧电压来
间接控制输出电流矢量。 直接电流控制方案依据系统动态模型构造电流闭 环控制系统，
2017/10/24
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• 相对于电网电压矢量位置的电流矢量控制， 称为基于电压定向的矢量控制(VOC)。 • 相对于电网电压矢量位置的功率控制，称为 基于电压定向的直接功率控制(V-DPC)。 以上两种并网逆变器控制策略的控制性能取决于 电网电压矢量位置的精确获得。