浅谈光伏逆变器最大功率点追踪MPPT与电流采集

2023-02-15 16:07:15 浙江巨磁智能技术有限公司 浏览次数 32

光伏逆变器作为光伏发电系统的心脏和大脑,承担着将光伏阵列产生的直流电转换为安全平稳的工频交流电并输出给电网的重要使命。并且由于光伏组件最大功率点Pmax的存在,光伏电站是否在最大功率点工作将直接影响到电站的整体收益。因此逆变器还需要具备最大功率点追踪(MPPT)的功能,来使光伏组件的发电效率最大化。


1、光伏组件的最大功率点

  image.png

图:1户用光伏系统

如图1为一个典型的户用光伏系统。光伏组件吸收太阳光后产生直流电,经由逆变器转换为交流电。在用电高峰供给日常生活用电,在用电低峰时自动调配,将余电并入电网,创造收益。

最终光伏组件的发电量和收益受光照强度、环境温度、运行功率点等因素影响。其中运行功率点作为人为可控影响因素,被大量用于光伏系统逆变器控制中用于提高发电效率。如何使得组件在最大功率点运行,便是逆变器最大功率点追踪的实际任务使命。如下图为光伏组件的I-U特性曲线:

image.png

图2:光伏组件I-U特性曲线


image.png

图3:光伏组件P-U特性曲线

从光伏组件的I-U和P-U特性曲线可以看出光伏组件的输出曲线是非线性的。,当光伏组件在某一个特定的工作点时它的电压Ump与光伏组件输出的电流Imp的乘积即功率P达到最大值,这个工作点就是光伏组件的最大功率点Pmax。

光伏逆变器通过内部电路的变换,使得光伏组件工作在最大功率点的这个过程便是MPPT最大功率点追踪。

光伏逆变器的结构如下:基本电路构成由输入电路、输出电路、主逆变开关电路、控制电路、辅助电路、保护电路,六部分构成。

image.png

图4:逆变器的基本结构图

1) 输入电路:进行DC-DC变换为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压。MPPT最大功率点追踪便是在此完成。

2) 主逆变电路:是逆变装置的核心,该电路通过电力电子开关的导通与关断,来完成逆变的功能。分隔离式和非隔离式。

3) 输出电路:对主逆变电路输出的交流电波形、频率、电压、电流的幅值和相位等进行修正、补偿、调理。

4) 控制电路:为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关器件的导通与关断,配合主逆变电路完成逆变功能。

5) 辅助电路:将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。它包含各自检测电路。

6) 保护电路:主要有输入过欠压保护,输出过欠压保护,过流保护,短路保护,漏电流保护,孤岛保护等。


2、MPPT技术原理

当前逆变器的MPPT功能一般由控制电路发出PWM信号对DC/DC变换过程进行调节来实现的,使其工作在最大功率点。其原理框图如下图所示,图中负载为后续电路的等效阻抗。

image.png

图5:MPPT原理框图


下图为一个简易的光伏MPPT系统,其包含光伏组串和一个可变负载。

image.png

图6:光伏简易系统


系统中光伏组串与可变负载构成回路,光伏组串作为供电电源。此时系统中光伏组串的输出电压(Vpv)、输出电流(Ipv)分别与可变负载的电压(Vload)、电流(Iload)相等。MPP的条件是Rpv=Rloed,即负载阻抗和内阻匹配,达到最大功率条件。因此通过调节可变负载的阻值Rload可以调节功率点。如下图所示,当Rload达到阻抗匹配条件时,工作点将移动至其最大功率点(MPP),从而使光伏组件的发电效率达到最大化。

image.png

图7:光伏组件I-U与最大功率点曲线图


但是,在实际的场景中,Rload往往是不受控的,直接调节负载阻值不太现实。为此,我们可以在光伏组串与负载之间添加一个DC-DC变流器,如下图所示,其中d为DC-DC的占空比。

image.png

图8:光伏系统DC-DC变流器位置示意图


我们设DC-DC的电压转换比为M(d),则可得到DC-DC的输入输出等式:

image.png

设DC-DC的转换效率为η,则可得等式:

image.png

由前式代入后式可得:

image.png

式中Rin与Rout为等效输入电阻与等效输出电阻。

在光伏系统中,Rload=Rout。在MPP点应该满足Rin=Rpv,则得到等式:

image.png


由上述等式可知,在输出负载Rload为某一个定值时,我们还可以通过调节占空比d来调节DC-DC变换的转换比M(d),即通过DCDC调节光伏组串的等效负载阻抗(即Rin),从而使组串在最大功率点工作。

image.png

图9:光伏组件I-U与最大功率点曲线图


需要注意的是,不同的DC-DC有不同的电压转换比M(d),如下表所示:


Buck

Boots

Buck-Boots

M(d)

d

1/(1-d)

-d/(1-d)

 

在实际情况下,MPPT控制器一般分为两种控制方法,即电压控制法和直接控制法,如下图所示:

image.png

图10:MPPT控制器控制方法示意图


对于电压控制法而言,MPPT控制器内的MPPT算法,如观察扰动法,会生成一个参考电压信号Vref。然后Vref会与当前MPPT控制器所采集的电压信号Vpv进行比较,所得结果传递给PI控制器,继而得到DC-DC占空比d,最后占空比d再与三角波进行比较,从而生成PWM来控制DC-DC。


由于PI控制器的参数需要进行大量的调试工作,以实现在不同光照与温度的条件下稳定运行。因此电压控制法实现起来较为繁琐。相比之下,直接控制法不需要设计PI控制器,而是直接通过MPPT控制器内的算法生成占空比d继而生成PWM。因此,从实现难度与成本上来说,直接控制法有较大优势,因而近几年绝大多数的MPPT算法均是基于此而设计的。


3、电流检测

从本质上来说,不论是电压控制法亦或是直接控制法,MPPT的算法均是通过调节占空比d来实现的。MPPT控制的精度除了受内部算法性能影响之外,还依赖于逆变器检测回路中的传感器对于各输入输出电流电压的采集精度。检测回路中的各类电流电压传感器如下图所示:

image.png

图11:逆变器检测回路构成图


在某种程度而言,传感器的上限将直接决定光伏系统的上限。Magtron巨磁智能技术有限公司自主研发SoC芯片方案设计的的电流检测及漏电流检测模块,扎根新能源光伏逆变器、电源、变频器等工业领域,完成从安培级到微安级的隔离电流检测商用市场方案。


公司全系高精度闭环磁通门电流传感器与开环霍尔传感器完成了全新升级。高精度闭环磁通门电流传感器MCSA-25S P、MCSB-100S P、MCSC-200S P等使用定制化芯片搭配高灵敏度磁环,检测精度达到千分之七,检测线性度达到千分之一,可为光伏逆变器MPPT电路设计提供高精度的电流数据采集。


image.png


同时,公司全新升级版的开环霍尔电流传感器ME、MG系列搭配漏电流传感器RCMU101SN系列,满足逆变器组串端与交流输出端的电流与漏电流检测,为光伏逆变器设计打造极具性价比的电流检测整体方案。


image.png


image.png


参考文献:

[1] 《基于B参数的变步长MPPT控制研究.电力系统保护与控制》,2016.44(17):58-63.李星、硕文辉清

[2] 《如何设计光伏发电系统中的逆变器》哔哥哔特2012-12-12

[3] 《逆变器MPPT的原理、作用及算法》索比光伏2018-01-09

[4] M. Killi and S.Samanta,“An adaptive voltage-sensor-based mppt forphotovoltaic systems with sepic converter including steady-state and drift analysis,IEEE Trans.Ind.Electron., vol. 62, no.12, pp.7609-7619, Dec.2015.

[5] X. Li, H. Wen and Y. Hu, Evaluation of different maximum power point tracking(MPPT) techniques based on practical meteorological data,' 2016 IEEE InternationalConference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), Birmingham2016,pp.696-701.

[6] Y-H. Liu, J.-H. Chen, and J.-W. Huang,“A review of maximum power pointtracking techniques for use in partially shaded conditions, Renew. Sust. Energ. Rev.vol.41,pp.436-453,2015.

[7] K. Ishaque and Z. Salam,“A deterministic particle swarm optimization maximumpower point tracker for photovoltaic system under partial shading condition,” IEEETrans.Ind.Electron, vol. 60, no.8, pp.3195-3206, Aug.2013.