光伏陣列最大功率點跟蹤(MPPT)控制方法常用的有哪些?
上圖中,光伏組件的輸出電壓和電流遵循I-V曲線(綠色)、P-V曲線(藍色),如果希望逆變器輸出的功率最大,就需要直流電壓運行在紅點所在的最大點,這個點就是最大功率點。假如最大功率點是550V,550V時功率是200W。此時,運行在520V時的功率約為190W,580V時約為185W,都沒有550V時的功率大。逆變器如果跟蹤不到550V,就損失了發(fā)電量,但不會對系統(tǒng)產(chǎn)生其他影響。
那為什么還要不斷跟蹤呢?因為這個曲線隨著光照強度、溫度和遮擋的不同在變化著,最大功率點也就在變化了,可能早上最大功率點電壓是560V,中午是520V,下午是550V,所以逆變器需要不斷地尋找這個最大功率點,也就是最大功率點跟蹤了,這樣才能保證全天的電池板能量都能最大化地輸出出來,不浪費太陽能資源。在了解上述基本知識的基礎(chǔ)之上,我們再來聊一聊MPPT。
MPPT,即MaximumPowerPointTracking的簡稱,中文為“最大功率點跟蹤”,它是指逆變器根據(jù)外界不同的環(huán)境溫度、光照強度等特性來調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率,使得光伏陣列始終輸出最大功率。
光伏電池陣列與負(fù)載通過DC/DC電路連接,最大功率跟蹤裝置不斷檢測光伏陣列的電流電壓變化,并根據(jù)其變化對DC/DC變換器的PWM驅(qū)動信號占空比進行調(diào)節(jié)。
對于線性電路來說,當(dāng)負(fù)載電阻等于電源的內(nèi)阻時,電源即有最大功率輸出。雖然光伏電池和DC/DC轉(zhuǎn)換電路都是強非線性的,然而在極短的時間內(nèi),可以認(rèn)為是線性電路。因此,只要調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它始終等于光伏電池的內(nèi)阻,就可以實現(xiàn)光伏電池的最大輸出,也就實現(xiàn)了光伏電池的MPPT。
由于太陽能電池收到光強以及環(huán)境等外界因素的影響,其輸出功率是變化的,光強發(fā)出的電就多,帶MPPT最大功率跟蹤的逆變器就是為了充分的利用太陽能電池,使之運行在最大功率點。也就是說在太陽輻射不變的情況下,有MPPT后的輸出功率會比有MPPT前的要高,這就是MPPT的作用所在。
就假設(shè)說MPPT還沒開始跟蹤,這時組件輸出電壓是500V,然后MPPT開始跟蹤之后,就開始通過內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)回路上的電阻,以改變組件輸出電壓,同時改變輸出電流,一直到輸出功率最大(假設(shè)是550V最大),此后就不斷得跟蹤,這樣一來也就是說在太陽輻射不變的情況下,組件在550V的輸出電壓情況,輸出功率會比500V時要高,這就是MPPT的作用。
目前,光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù),國內(nèi)外已有了一定的研究,發(fā)展出各種控制方法常,常用的有一下幾種:恒電壓跟蹤法(ConstantVoltageTracking簡稱CVT)、干擾觀察法(PerturbationAndObservationmethod簡稱P&O)、增量電導(dǎo)法(IncrementalConductancemethod簡稱INC)、基于梯度變步長的電導(dǎo)增量法等等。(這些算法只能用在無遮擋的條件下)
1)單峰值功率輸出的MPPT的算法
目前,在無遮擋條件下,光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT)的控制方法常用的有以下幾種:
l恒電壓跟蹤法(ConstantVoltageTracking簡稱CVT)
l干擾觀察法(PerturbationAndObservationmethod簡稱P&O)
l增量電導(dǎo)法(IncrementalConductancemethod簡稱INC)
l基于梯度變步長的電導(dǎo)增量法,等等。
2)多峰值功率輸出MPPT算法
普通的最大功率跟蹤算法,如擾動觀測發(fā)和電導(dǎo)增量法在一片云彩的遮擋下就有可能失效,不能實現(xiàn)真正意義的最大功率跟蹤。目前,國際上也有人提出了多峰值的MPPT算法,主要包含如下三種:
結(jié)合常規(guī)算法的復(fù)合MPPT算法
Fibonacci法
短路電流脈沖法
在光伏系統(tǒng)中,逆變器的成本不到5%,卻是發(fā)電效率的決定性因素之一,當(dāng)組件等配件完全一致時,選擇不同的逆變器,系統(tǒng)的總發(fā)電量有5%到10%的差別,這個差異的主要原因就是逆變器造成的。而MPPT效率是決定光伏逆變器發(fā)電量關(guān)鍵的因素,其重要性甚至超過光伏逆變器本身的效率,MPPT的效率等于硬件效率乘以軟件效率,硬件效率主要由采樣電路的精度,MPPT電壓范圍,MPPT路數(shù)來決定的,軟件效率主要由控制算法來決定的。
最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,簡稱MPPT)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一項核心技術(shù),它是指根據(jù)外界不同的環(huán)境溫度、光照強度等特性來調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率,使得光伏陣列始終輸出最大功率。
中國光伏市場的爆發(fā),促進了光伏逆變器的發(fā)展,各種技術(shù)層出不窮。目前使用的有集中式逆變器,單級組串式逆變器,雙級組串式逆變器,集散式逆變器,高頻模塊化逆變器,MPPT的技術(shù)也是多種多樣。
逆變器的MPPT介紹_逆變器的MPPT有什么用
MPPT實現(xiàn)的方法有很多種,但不管用哪種方法,首先要測量組件功率的變化,再對變化做出反應(yīng)。這其中最關(guān)鍵的元器件就是電流傳感器,它的測量精度和線性誤差將直接決定硬件效率,電流傳感器做得比較好的廠家有瑞士的LEM,美國的VAC,日本的田村等,有開環(huán)和閉環(huán)兩種,開環(huán)的電流傳感器一般是電壓型,體積少,重量輕,無插入損耗,成本低,線性精度99%,總測量誤差1%左右,閉環(huán)的電流傳感器,頻帶范圍寬,精度高,響應(yīng)時間快,抗干擾能力強,線性精度99.9%,總測量誤差0.4%。
天氣劇烈變化時,使用閉環(huán)傳感器有優(yōu)勢。
逆變器的工作電壓范圍和逆變器的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及逆變器輸出電壓有關(guān),組串式逆變器和集散式逆變器是雙級電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),MPPT工作電壓范圍在250-850V之間,集中式逆變器是單級結(jié)構(gòu),輸出電壓有270V,315V,400V等規(guī)格,輸入MPPT電壓范圍有450-850V,500-850V,570-850V等多種,還有一種單級結(jié)構(gòu)的組串式逆變器,只有一級DC-AC逆變器,輸出電壓是400V,MPPT輸入電壓范疇是570-850V。從應(yīng)用的角度來看,各有優(yōu)勢和缺點。
1)從逆變器角度上講,輸出電壓越高的逆變器,相同功率等級,電流越低,效率也就越高。單級比雙級結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,成本低,價格便宜。
2)從系統(tǒng)角度上講,逆變器MPPT電壓范圍越寬,可以早啟動,晚停機,發(fā)電時間長。
3)根據(jù)電壓源串聯(lián)原理,系統(tǒng)輸出電壓相加,電流不變。光伏組件串聯(lián)后,輸出電流是由最少的電池板來決定的,受到組件原材料,加工工藝,陰影,灰塵等影響,一塊組件功率降低,這一串的組件功率都會降低,因此組件串聯(lián)數(shù)目要盡量少,并聯(lián)的數(shù)目盡量多,才能減少由于組件的一致性而帶來的影響。
目前組串式逆變器,MPPT路數(shù)有1到5路不等,集中式逆變器一般是1路MPPT,集散式逆變器,把匯流箱和MPPT升壓集成在一起,有多路MPPT,還有一種高頻模塊化逆變器,每一個模塊有一路MPPT。
從解決失配的問題角度來說,MPPT數(shù)量越多越有利;從穩(wěn)定性和效率上來說,MPPT的數(shù)量越少越好,因為MPPT數(shù)量越多系統(tǒng)成本越高,穩(wěn)定性越差,損耗越多。因此需要結(jié)合實際地形需求選擇合適的方案。從理論上講,組件的不一致性要超過0.5%以上,才有使用的價值。
1)功能損耗:MPPT算法很多,有干擾觀察法、增量電導(dǎo)法、電導(dǎo)增量法等等,不管是哪一種算法,都是通過持續(xù)不斷改變直流電壓,去判斷陽光的強度變化,因此都會存在誤差,比如說當(dāng)電壓實際正處于最佳工作點時,逆變器還是會嘗試改變電壓,來判斷是不是最佳工作點,多一路MPPT,就會多一路損耗。
2)測量損耗:MPPT工作時,逆變器需要測量電流和電壓。一般來說,電流越大,抗干擾能力就越大,誤差就越少,2路MPPT比4路MPPT電流大1倍,誤差就少一倍。如某公司50KW的逆變器,使用開環(huán)直流電流傳感器HLSR20-P,電流為20A,誤差為1%,當(dāng)輸入電流小于0.5A時,誤差就經(jīng)常發(fā)生,當(dāng)輸入電流小于0.2A時,就基本上不能工作了。
3)電路損耗:MPPT主電路有一個電感和一個開關(guān)管,在運行時也會產(chǎn)生損耗。一般來說,電流越大,電感量可以做得更小,損耗就越少。
下圖是在兩個不同的地方,選擇不同MPPT逆變器,單極單路和雙級多路,實際發(fā)電量的示意圖,由圖可以看出,在平地?zé)o遮擋光照好的地區(qū),兩種逆變器發(fā)電量相差不多,單極單路早晚發(fā)電時間短,要損失一部分電量,在由于本身損耗低效率高,當(dāng)光照達到啟動電壓后,輸出功率要比雙級多路的要大,所以綜合比較起來差不多。
在山地或者屋頂有遮擋光照條件一般的地區(qū),雙級多路MPPT的逆變器發(fā)電量高。這是因為在低電功率發(fā)電時間段時間較長,高功率發(fā)電時間較短。
總結(jié):
逆變器MPPT技術(shù)的多樣性,給電站設(shè)計帶來了極大的便利。結(jié)合實際,科學(xué)設(shè)計,不同的地形,光照條件,選擇不同的逆變器,降低電站成本,提高經(jīng)濟效益。山丘電站和屋頂電站,存在朝向不一致和局部遮擋的現(xiàn)象,且不同的山丘遮擋特性不一樣,帶來組件失配問題,建議選擇多路MPPT,電壓范圍寬的雙級結(jié)構(gòu)的逆變器,可以增加早晚發(fā)電時間。平地?zé)o遮擋,光照條件好的地區(qū),建議選擇單路MPPT,單級結(jié)構(gòu)的逆變器,可以提高系統(tǒng)可靠性,降低系統(tǒng)成本。