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MPPT工作流程及算法和硬件的選擇

在光伏控制系統(tǒng)中，因?yàn)槿照铡�溫度等條件的變化，光伏電池的輸出功率也是在不斷變化的，為保證使得光伏電池的輸出功率保持在最大點(diǎn)，需要調(diào)整光伏電池輸出電壓(日照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，短路電流變化大，開路電壓受影響小;環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，短路電流受影響小，開路電壓變化大)。另外，光伏電池的輸出電壓和電流也和負(fù)載有很大關(guān)系，負(fù)載大，輸出電壓大，輸出電流小;負(fù)載小，輸出電壓小，輸出電流大。光伏電池的MPP中的電壓是指光伏電池的輸出電壓。

MPPT算法選擇

目前，MPPT算法有開路電壓比率(離線)、短路電流比率(離線)、觀察調(diào)節(jié)(在線)、極限追蹤控制法(在線)。

開路電壓比率法——這可以說是非常經(jīng)典也相當(dāng)古老的方法了，又名“固定電壓法”。簡單來說，算法基于最大功率電壓和開路電壓的線性關(guān)系式 ，系數(shù) 取值由設(shè)計(jì)師決定，一般介于0.71到0.78之間，大多數(shù)設(shè)定為0.76。MPPT在追蹤時(shí)，首先開路DC端來測量開路電壓，然后通過算法來計(jì)算最大功率電壓并且定位最大功率點(diǎn)。MPPT會(huì)保持在該功率點(diǎn)一段時(shí)間，然后重復(fù)開路測算并且重新定位。固定電壓法的最大優(yōu)點(diǎn)就是制作便宜并且應(yīng)用簡單。相反，缺點(diǎn)也十分明顯：精確值和追蹤效率較低。盡管固定電壓法被稱之為“追蹤”算法，事實(shí)上它依然是在整個(gè)工作循環(huán)中的一個(gè)計(jì)算設(shè)定值而非即時(shí)追蹤值。其次，此方法完全且單純依賴于組串的開路電壓值而放棄了對(duì)于工作電流的追蹤。當(dāng)局部陰影出現(xiàn)在陣列時(shí)，實(shí)際最大功率點(diǎn)和MPPT設(shè)定功率點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的偏差，偏差范圍取決于陰影遮蓋程度。最后，每次機(jī)器進(jìn)行開路電壓測量時(shí)，太陽能系統(tǒng)是無法輸出功率的，隨著時(shí)間和次數(shù)累計(jì)此算法會(huì)造成一定量的能量流失。總體來說，差評(píng)。

短路電流比率法——和固定電壓法的算法相似，可以表述為 ， 是一個(gè)變量系數(shù)，通常變化范圍在0.78至0.92。和固定電壓法不同的是，短路電流比率法要求在轉(zhuǎn)換器內(nèi)置一個(gè)高頻開關(guān)來測量短路電流。比較推薦的是在組串和DC link的電容之間安裝一個(gè)FET(field-effect transistor)。由于電流受到光照強(qiáng)度的影響非常大，通常機(jī)器還需要一個(gè)DSP(digital signal processor)來保證IV曲線的全掃描和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。這也讓短路電流比率法設(shè)計(jì)更加復(fù)雜且難以應(yīng)用。差評(píng)。

觀察調(diào)節(jié)法——站在巨人肩頭發(fā)展出來的算法你敢不服?目前，P&O依然應(yīng)用在世界各大主流的逆變器中也是最廣泛的被應(yīng)用的算法，沒有之一。相比于ESC，P&O可以在更短的時(shí)間內(nèi)追蹤時(shí)觸碰更大的區(qū)域，掃描更多地?cái)?shù)據(jù)。這進(jìn)一步提高了P&O的追蹤效率和準(zhǔn)確率。由于它在短時(shí)間內(nèi)可以處理大量的數(shù)據(jù)，這也一定程度抵制了突變光照強(qiáng)度對(duì)于追蹤精確度的影響。缺點(diǎn)的話，由于它掃描的范圍較大，會(huì)一定程度的導(dǎo)致輸出功率缺乏穩(wěn)定性，但是抖動(dòng)程度基本都在±4%以內(nèi)。所以我還要給它32個(gè)贊!P&O還有一個(gè)姐妹版本，還是“爬山”邏輯，但是并入了“試錯(cuò)”法(trial and error)。處理器會(huì)根據(jù)下一刻追蹤點(diǎn)的移動(dòng)趨勢(shì)，比較功率的正增量或負(fù)增量。如果功率持續(xù)增加，處理器將會(huì)繼續(xù)同方向移動(dòng)追蹤點(diǎn)，不停比較直到功率達(dá)到峰值。

極限追蹤控制法——該算法第一次提出在19世紀(jì)20年代，也是目前全球最流行的“觀測調(diào)節(jié)法”(Perturb and Observe)的前身。算法的創(chuàng)新點(diǎn)是引入了向量在P-V曲線中。處理器根據(jù)電壓的增量或減量來比較對(duì)應(yīng)的功率增減量，進(jìn)而確定追蹤功率點(diǎn)的移動(dòng)方向。具體判定方法請(qǐng)參照?qǐng)D二，一目了然。

ESC算法的巨大成功是相比于之前的固定電壓法,通過漸進(jìn)向量引入了“爬山法”的概念，進(jìn)而開啟了動(dòng)態(tài)追蹤的算法。ESC極大地拓寬了MPPT對(duì)于DC端輸入能量的捕捉，顯著地提高了追蹤效率。由于ESC對(duì)于后代MPPT算法的影響深遠(yuǎn)，導(dǎo)致它的短板也一并被繼承下來并至今“禍害”眾多一線品牌的逆變器。ESC對(duì)于陡然變化的光照反應(yīng)強(qiáng)烈，舉個(gè)通俗例子，MPPT正專注的比較著功率和電壓的變量，“嗯，正向移動(dòng)的電壓同步伴隨著功率的增加，明顯最大功率點(diǎn)還在正向(右邊)，那我繼續(xù)向右移動(dòng)”。此時(shí)云層擋住了陽光，稍稍影響了輸入的直流功率，使之略微下降，“慢著!正向移動(dòng)的電壓竟然導(dǎo)致功率減小了!我肯定錯(cuò)過了最大功率點(diǎn)，快掉頭!”于是，追蹤點(diǎn)就離它的歸宿越來越遠(yuǎn)的地方飄去。。。我在實(shí)驗(yàn)室模擬測試時(shí)，親眼看到最多達(dá)到70%左右的偏差。基于ESC這種一級(jí)(first stage)追蹤的設(shè)計(jì)理念，這種現(xiàn)象，無解。但是欣賞它對(duì)后世的正面影響以及理念創(chuàng)新，還是好評(píng)!

綜合考慮，MPPT的算法采用極限追蹤控制法來進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，即采集PN側(cè)電壓、流向PN側(cè)的電流數(shù)據(jù)，計(jì)算 、 和 ，判斷 與 的關(guān)系， 大于 ，此時(shí)應(yīng)按 減小PN側(cè)的目標(biāo)電壓;若 小于 ，此時(shí)應(yīng)按 增加PN側(cè)的目標(biāo)電壓。

MPPT硬件選擇

MPPT的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓來實(shí)現(xiàn)的，若光伏電池輸出電壓直接連接到DC/AC的PN側(cè)，那么光伏電池輸出電壓波動(dòng)就會(huì)直接影響PN側(cè)電壓，最好是在光伏電池和DC/AC之間加一個(gè)中間環(huán)節(jié)，通過這個(gè)中間環(huán)節(jié)來調(diào)整輸入電壓，保持輸出電壓穩(wěn)定，增加或減小輸出電流。這個(gè)功能一般有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK電路和開關(guān)電路可以選擇，但BUCK電路是連續(xù)向負(fù)載供電、間接從電源取電;BOOST電路時(shí)間接向負(fù)載供電、連續(xù)從電源取電，為保證光伏電池板的發(fā)電效率得到較好使用，一般選擇BOOST電路來實(shí)現(xiàn)MPPT。

選擇BOOST電路來實(shí)現(xiàn)MPPT算法，其結(jié)構(gòu)拓?fù)淙缦聢D。

考慮成本問題，再加上光伏電池輸出的所有最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓差別不是很大，MPPT不使用DC/DC電路來實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)有的DC/AC平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

MPPT程序?qū)崿F(xiàn)

變流器的工作流程為：

啟動(dòng)——預(yù)充電——PN側(cè)抬壓——接入光伏電池——輸出(MPPT)。

可以確定，MPPT的作用是在電壓環(huán)上作用，并且是在變流器進(jìn)入工作狀態(tài)后開始工作。

采用現(xiàn)有的DC/AC平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)MPPT，存在兩個(gè)問題：控制步長(時(shí)間間隔)問題、擾動(dòng)步長 問題、判斷精度問題。

控制步長問題——PN側(cè)電壓在MPPT過程中會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，但因?yàn)閷?duì)于光伏電池來說(結(jié)合下面兩圖)，其最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓大致都在一個(gè)不大的范圍內(nèi)，并且都接近開路電壓，所以，對(duì)于在DC/AC上實(shí)現(xiàn)MPPT，要考慮多長時(shí)間對(duì)PN側(cè)目標(biāo)電壓進(jìn)行一次更新。目前State Manage函數(shù)是0.1ms進(jìn)入一次，可以考慮MPPT的控制步長為0.2~0.5ms，步長暫定為0.3ms。

相同光照、不同溫度

相同溫度，不同光照

擾動(dòng)步長問題——考慮在變流器進(jìn)入工作狀態(tài)后，其PN側(cè)電壓為較穩(wěn)定的值，即使光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度發(fā)生變化，光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓的變動(dòng)范圍不會(huì)很大。根據(jù)其采集回來的PN側(cè)電壓和光伏電池輸出電流，并計(jì)算和前一時(shí)刻的功率差值 ，根據(jù)電導(dǎo)增量法進(jìn)行判斷，然后在目標(biāo)跟蹤電壓上增加或減小一定的步長 。因?yàn)樵诠夥�電池開始工作后，PN側(cè)電壓不是從0開始的，而是在光伏電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓附近，所以 的值會(huì)比較小，K值的設(shè)置通過調(diào)試程序獲得，K暫定為5。

判斷精度問題——由導(dǎo)納法的工作流程圖(下圖)可以知道，在流程中存在 、 與0的關(guān)系的判斷，程序中總是會(huì)存在誤差，并且檢測中也會(huì)存在，如果以0為判斷準(zhǔn)值，考慮實(shí)際應(yīng)用中的誤差因素，用一個(gè)小的閥值來替代0。閥值暫定為0.1V和0.1A。

MPPT算法C程序?qū)崿F(xiàn)

#include "16F877.h"

#device ADC = 8 // 一個(gè)8位寄存器ADC模式

#fuses HS, NOWDT, PUT, NOPROTECT, BROWNOUT, NODEBUG, NOLVP // High-Speed 20MHz, No Watchdog, No Protection, Brownout Protection,

#use delay(clock=20000000) // 20MHz Crystal

//int is defined as 8-bit unsigned integer using CCS compiler

void main (void)

{

signed int direction;

int delta;

int pwm;

int upperbound;

int lowerbound;

float power;

float powerold;

float voltage;

float voltagedrop;

float voltagedifference;

float currentma;

float measuredvoltage;

float measuredvoltagedrop;

direction = 1; // Set initial direction to positive

delta = 1; // Amount by which to adjust the PWM - 7-bit resolution so duty step of 2%

pwm = 26; // Initial position of the PWM - 50% Duty Cycle with 7-bit resolution.

upperbound = 49; // Upper bound of the PWM %

lowerbound = 1; // Lower bound of the PWM %

power = 0; // Initial Value of Power

setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_32); // ADC clock

setup_adc_ports(ALL_ANALOG); // Set all inputs to analog

output_low(PIN_C1); // Set CCP1 output low

setup_ccp1(ccp_pwm); // setup pin CCP1 (RC2) to do PWM

setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,12,1); // 384.615kHz

while (1)

{

//delay_ms(1000) // Wait 1 Second

set_adc_channel(0); // Select RA0

//delay_ms(20); // Wait to Read ADC

measuredvoltage = read_adc(); // Read the voltage input from ADC channel 0

set_adc_channel(1); // Select RA1

//delay_ms(20); // Wait to Read ADC

measuredvoltagedrop = read_adc(); // Read the Voltage dropped across the R from ADC channel 1

voltage = measuredvoltage/51; // Measured Voltage is 51 steps per Volt at a Reference Voltage of 5V

voltagedrop = measuredvoltagedrop/51;

voltagedifference = voltage - voltagedrop;

currentma = voltagedifference; // Calculating Current using 1K Resistance

powerold = power; // Calculate the Power from the inputs

power = voltage * currentma;

pwm = pwm + direction*delta; // Adjust Pulse Width Modulation Value by Delta value

if (power < powerold) // If at top of curve, change direction

{

direction = -direction;

continue;

}

if (pwm > upperbound) // If at maximum PWM, Stop here

{

pwm = upperbound;

continue;

}

if (pwm < lowerbound) // If at mi

nimum PWM, Stop here

{

pwm = lowerbound;

continue;

}

set_pwm1_duty(pwm); // Set PWM Mark-Space Radio to approx 50%

}

}