MPPT和功率分析儀在光伏發(fā)電行業(yè)中的應(yīng)用

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如何提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)。

一、MPPT基本原理

理論上講，只要將光伏電池與負載完全匹配、直接耦合(如負載為被充電的蓄電池)，負載的伏安特性曲線與最大功率點軌跡曲線即可重合或漸進重合，使光伏電池處于高效輸出狀態(tài)。但在日常應(yīng)用中，很難滿足負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，一個重要的途徑就是實時變更系統(tǒng)負載特性，即調(diào)整光伏電池的工作點，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附近，這一跟蹤過程就稱為最大功率點跟蹤，如圖 1所示為MPPT基本原理圖。

圖 1 MPPT原理圖

· 最大功率點A1→最大功率點B1(條件：將系統(tǒng)負載特性由負載1改為負載2)

· 最大功率點B1→最大功率點A1(條件：將系統(tǒng)負載特性將負載2改回至負載1)

由此可見，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的MPPT控制策略，就是先根據(jù)實時檢測光伏電池的輸出功率，再經(jīng)過一定的控制算法預(yù)測當(dāng)前工況下光伏電池可能的最大功率輸出點，最后通過改變當(dāng)前的阻抗或電壓、電流等電量等方式來滿足最大功率輸出的要求。

這樣，不論是因外部光照強度變化，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)始終可以自動運行于當(dāng)前工況下的最佳工作狀態(tài)，達到最大功率輸出，從而可提高整個光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

二、最大功率點的影響因素

在一定的光照強度和環(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，光伏電池的輸出功率才能達到最大值，這時光伏電池的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點。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

如圖所示可見光照強度和溫度下降都會導(dǎo)致光伏電池的最大功率點下移

三、MPPT技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題

· 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，并基于擾動觀察的思想進行跟蹤，但是無從得知光伏電池輸出功率的變化是由擾動還是由外界環(huán)境的變化而引起的，所以當(dāng)環(huán)境變化較快時，容易發(fā)生誤跟蹤現(xiàn)象。解決方案主要有以下幾類：

① 根據(jù)環(huán)境進行開環(huán)控制;

② 使算法擾動帶來的功率變化大于環(huán)境變化帶來的功率變化;

③ 辨識和補償環(huán)境變化帶來的功率變化。

· 多峰值問題

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，如何進行最大功率點跟蹤?找到最大點，而不是局部極值，是一個比較困難的問題。另外，當(dāng)出現(xiàn)多峰值時，實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)可能是需要被檢測和避免的。

· 對實際運行狀態(tài)的考慮不足

多數(shù)文獻在仿真驗證算法時，是通過對環(huán)境變化的階越響應(yīng)實現(xiàn)的。但實際情況中，環(huán)境的變化是連續(xù)的，不會從一個穩(wěn)態(tài)突然跳到另一個穩(wěn)態(tài)。很多算法會在環(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題是采樣精度和計算誤差所帶來的限制。很多理論上成立且仿真中有效的算法，在實際系統(tǒng)中是不可行的。

如何解決上述這些問題，以提高MPPT技術(shù)應(yīng)用水平，是光伏發(fā)電逆變器應(yīng)用過程中的重點和難點 。

四、功率分析儀在MPPT測試的優(yōu)勢

由于太陽電池的輸出特性受負荷狀態(tài)、日照量、環(huán)境溫度等因素的影響、太陽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，即最大功率點時刻變化。為了充分利用太陽能以獲取最大功率輸出，必須跟蹤、控制太陽電池的最大功率點、最大限度地利用太陽能，如圖 4所示為光伏發(fā)電示意圖。采用PA8000功率分析儀的MPPT測試主要有一下幾方面優(yōu)勢：

圖 4 光伏發(fā)電

· 最多支持7個功率輸入單元，輸入功率與輸出功率同步測試，進一步提高準(zhǔn)確度

傳統(tǒng)測量轉(zhuǎn)換效率，由于測量設(shè)備通道數(shù)有限，輸入與輸出只能分開測量，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。針對多路輸入的光伏逆變器，PA8000可輕松實現(xiàn)4通道輸入，3通道輸出同時采樣，并且PA8000內(nèi)部采用高穩(wěn)定度溫度補償?shù)?00M同步時鐘實現(xiàn)7通道的ADC同步采樣，同步采樣時鐘誤差小于10ns，滿足高效能逆變器效率的極致測量要求。

· 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、中國各地區(qū)權(quán)重系數(shù)計算，并能快速的導(dǎo)出相應(yīng)地區(qū)的效率報表，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)換效率報表

支持自定義效率測試公式，能同時顯示6個效率測試結(jié)果，方便同時測量MPPT效率，轉(zhuǎn)換效率。PAM軟件能夠?qū)С鰷y試靜態(tài)與動態(tài)MPPT報表，轉(zhuǎn)換效率報表，方便檢測機構(gòu)進行操作，大大提高了工作效率。