MPPT模块最大功率跟踪控制算法

工作原理

1.工作原理描述

1.1 太阳能光伏板的最大功率特性介绍

太阳能光伏板的特性曲线如图1所示（无锡尚德85W光伏板）：

图1 无锡尚德85W光伏板特性曲线

影响太阳能电池输出特性的主要因素是太阳光照强度和太阳能电池板的温度，受到这些因素的影响太阳能的输出特性会有比较大的变化。对于空载的太阳能电池板主要体现在太阳能电池输出的开路电压和短路电流，对于带负载的电池板主要体现在输出的功率和最大功率点的改变。

太阳能电池板是光伏发电系统电能的来源，能否充分发挥太阳能电池板的效用对整个光伏发电系统具有重要的作用。太阳能电池板的输出功率是其所受日照强度、太阳能电池板温度的非线性函数。为了更好的理解太阳能电池板的特性，根据太阳能电池板的非线性函数关系绘制出其在日照不同、结温相同和日照相同、结温不同情况下的太阳能电池板I－V、P－V特性曲线，如图2所示：

图2 相同温度不同光强时的I－V曲线和P－V曲线

图2为太阳能电池结温不变、日照强度变化情况下的一组I－V和P－V特性曲线，从图中可以得出以下结论：

1）太阳能电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系；太阳能电池的开路电压在各种日照条件下变化不大；

2）太阳能电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随图中为电池端电压上升呈近似线性上升趋势；到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度；

3）如图2-a所示：在虚线A的左侧，太阳能电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。虚线A对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90%;

4）如图2-b所示：结温一定的情况下，太阳能电池最大功率点对应的输出电压值基本不变。该值约为开路电压的76%。

图3 相同光强不同温度时的I－V曲线和P－V曲线

图3为太阳能电池光强强度不变、结温变化情况下的一组I－V和P－V特性曲线，从图中可以得出以下结论：

1）如图3-a所示：太阳能电池的结温对光伏电池的短路电流影响不大，随着温度的上升输出短路电流只是略有增加；太阳能电池的开路电压随电池结温的上升而下降，且变化范围较大。

2）如图3-b所示：太阳能电池输出功率总的变化趋势与不同日照条件下的功率变化相似。但相同日照情况下其最大输出功率随电池温度的上升而下降，且最大功率点对应的工作电压随温度上升而下降。

综上所述，太阳能电池的输出功率与它所受的光照强度、环境温度有密切的关系，在不同外部环境情况下，太阳能电池的输出功率会有较大的变化。值得注意的是，光伏板特性中唯一不变的是同一时刻下光伏最大输出功率P与光伏两端电压V之间的函数P(V)具有单极点的特点。因此，最大功率点跟踪的实现就是通过求解函数P(V)的单极点得来，同时在一定程度上弱化温度、光强这些影响因素。

最大功率点跟踪的物理意义如图4所示：

图4 最大功率点跟踪的物理意义

图中曲线I、Ⅱ分别对应不同日照情况下光伏器件的I－V特性曲线，A、B分别为不同日照情况下光伏器件的最大输出功率点，负载1、负载2为两条负载曲线。当光伏器件工作在A点时，日照突然加强，由于负载侧有蓄电池可以认为控制周期内负载电压恒定，光伏器件的工作点转移到A’点。从图中可以看出，为了使光伏器件在特性曲线I仍能输出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲线I上的B点，也就是说必须对光伏器件的外部电路进行控制使其负载特性变为负载曲线2实现与光伏器件的功率匹配，从而使光伏器件输出最大功率。

1.2 MPPT模块扫描法原理

MPPT追踪算法—扫描法的基本思路是，通过占空比粗调节与微调节相结合，在一定范围内改变光伏输入电压的同时比较最大功率点，达到跟踪最大功率点的目的。

算法主要采用两种调节方式，即大扫描(粗调)和小扫描(微调)相结合的方式，如图5所示。大扫描的范围较广、步长较大，用于快速找到具有单或多波峰特性的光伏曲线的最大功率点；小扫描的范围较窄、步长较小，且实现了变步长，用于在最大功率点附近扫描以尽可能长时间的处在最大功率点上。此外，算法根据光强变化的强度启动动态扫描，以便快速响应最大功率点变化。

图5扫描法示意

l进行较大范围的全局扫描主要是针对光强有剧烈变化，以及光伏板局部被阴影遮挡或覆盖时出现的多个功率极值点的问题，其扫描运行间隔由当前光强功率确定，如图6所示：

图6 光伏板多波峰问题

在相同的光照条件下，如果光伏阵列PV1和PV2并联，如果PV2受到局部阴影的遮挡或被局部覆盖那么输出的P-V 特性曲线如图6（a）（b）所示。两模块并联后的总输出特性曲线可能会出现图中（c）和（d）所示的情况，可以看到P-V 曲线上出现了两个极值点。实际中不同厂家、规格的光伏板多路并联也会在MPP处出现一些多波峰。通过大范围扫描可以有效的分辨出多波峰中最大的一个。

1）小范围扫描主要是针对短时间内光强有较小变化时，通过在上次找到的最大功率点附近进行变步长微调，以便模块长时间工作在最大功率点处，其扫描间隔设定为30秒。

2）动态扫描主要是针对短时间内光强有较大变化时，通过在上次找到的最大功率点附近进行较大范围调节，以便模块再次找到最大功率点处。此外动态扫描根据当前功率的不同会自适应设定大扫描定时。

扫描法采用功率分段定时扫描和动态触发扫描相结合的方法，首先对应不同的功率段执行不同的大扫描定时，同时在光强突变时快速执行动态扫描，以期达到最大功率跟踪的目的。