MPPT和功率分析仪在光伏发电行业中的应用

在光伏发电系统中，如何提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)。

一、MPPT基本原理

理论上讲，只要将光伏电池与负载完全匹配、直接耦合（如负载为被充电的蓄电池），负载的伏安特性曲线与最大功率点轨迹曲线即可重合或渐进重合，使光伏电池处于高效输出状态。但在日常应用中，很难满足负载与光伏电池的直接耦合条件。因此，要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时变更系统负载特性，即调整光伏电池的工作点，使之能在不同的日照和温度下始终让光伏电池工作在最大功率点附近，这一跟踪过程就称为最大功率点跟踪，如图1所示为MPPT基本原理图。

图1  MPPT原理图

l  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）

l  最大功率点B1→最大功率点A1（条件：将系统负载特性将负载2改回至负载1）

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。

这样，不论是因外部光照强度变化，还是因内部光伏电池的结温变化使得光伏电池的输出功率减少，系统始终可以自动运行于当前工况下的最佳工作状态，达到最大功率输出，从而可提高整个光伏发电系统转换效率。

二、最大功率点的影响因素

在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池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。如图2所示为MPPT受光照影响图、图3所示为MPPT受温度影响图

图2  MPPT受光照影响

图3  MPPT受温度影响

如图所示可见光照强度和温度下降都会导致光伏电池的最大功率点下移

三、MPPT技术在应用中存在的问题

l  误跟踪现象

大多数MPPT算法仅采集光伏电池的电压和电流，并基于扰动观察的思想进行跟踪，但是无从得知光伏电池输出功率的变化是由扰动还是由外界环境的变化而引起的，所以当环境变化较快时，容易发生误跟踪现象。解决方案主要有以下几类：

① 根据环境进行开环控制；

② 使算法扰动带来的功率变化大于环境变化带来的功率变化；

③ 辨识和补偿环境变化带来的功率变化。

l  多峰值问题

光伏电池被局部遮挡或特性不一致可能导致多功率极值的出现。在多峰值的条件下，如何进行最大功率点跟踪？找到最大点，而不是局部极值，是一个比较困难的问题。另外，当出现多峰值时，实际上光伏电池工作在不良状态，严重功率失配，既损失了能量，又容易损坏光伏组件。这种状态可能是需要被检测和避免的。

l  对实际运行状态的考虑不足

多数文献在仿真验证算法时，是通过对环境变化的阶越响应实现的。但实际情况中，环境的变化是连续的，不会从一个稳态突然跳到另一个稳态。很多算法会在环境快速连续变化的情况下失效。 在众多MPPT算法的研究中，被很多研究者忽略的问题是采样精度和计算误差所带来的限制。很多理论上成立且仿真中有效的算法，在实际系统中是不可行的。

如何解决上述这些问题，以提高MPPT技术应用水平，是光伏发电逆变器应用过程中的重点和难点 。

四、功率分析仪在MPPT测试的优势

由于太阳电池的输出特性受负荷状态、日照量、环境温度等因素的影响、太阳电池阵列的电压和电流均发生很大的变化，从而使输出功率不稳定，即最大功率点时刻变化。为了充分利用太阳能以获取最大功率输出，必须跟踪、控制太阳电池的最大功率点、最大限度地利用太阳能，如图4所示为光伏发电示意图。采用PA8000功率分析仪的MPPT测试主要有一下几方面优势：

图4  光伏发电

l 最多支持7个功率输入单元，输入功率与输出功率同步测试，进一步提高准确度

传统测量转换效率，由于测量设备通道数有限，输入与输出只能分开测量，这样导致采集到的数据缺乏同步性，由此算得的转换效率自然不准确。针对多路输入的光伏逆变器，PA8000可轻松实现4通道输入，3通道输出同时采样，并且PA8000内部采用高稳定度温度补偿的100M同步时钟实现7通道的ADC同步采样，同步采样时钟误差小于10ns，满足高效能逆变器效率的极致测量要求。

l 支持权重系数自由切换，方便导出各地区效率报表

PAM软件能够自由切换权重系数，支持欧洲效率、CEC效率、中国各地区权重系数计算，并能快速的导出相应地区的效率报表，PA8000是业内唯一支持效率权重系数自由切换的功率分析仪器。

l 支持自定义效率公式，方便导出MPPT、转换效率报表

支持自定义效率测试公式，能同时显示6个效率测试结果，方便同时测量MPPT效率，转换效率。PAM软件能够导出测试静态与动态MPPT报表，转换效率报表，方便检测机构进行操作，大大提高了工作效率。