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前言

在上一個(gè)話題中，我們闡述了光伏MPPT基本原理：從本質(zhì)上來說，MPPT算法均是通過DC-DC的占空比d來進(jìn)行控制的。至于如何計(jì)算占空比d的值，則取決于具體的MPPT算法。那么在本話題中，我們將介紹兩種基本的MPPT算法，即觀察擾動(dòng)法(Perturb and Observe，P&O)和電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance，INC)。

P&O法與INC法的基本原理

到目前為止，已經(jīng)有超過20種MPPT算法被提出并被驗(yàn)證 [1,2]。在這些MPPT算中，由于P&O法和INC法較為簡單且較為實(shí)用，因此是最為常見的MPPT算法。其基本原理，如下圖所示。

如上圖所示，P&O法是利用光伏組件功率-電壓(P-V)曲線的特性，來對(duì)當(dāng)前工作點(diǎn)的位置進(jìn)行判斷，進(jìn)而決定下一次的擾動(dòng)方向是向左還是向右。一般來說，可以用以下公式進(jìn)行判斷：

INC法則是根據(jù)在最大功率點(diǎn)(MPP)時(shí)，光伏組件的輸出功率對(duì)電壓的微分為0而被提出來的。我們可以將INC法看做是對(duì)P&O法進(jìn)行進(jìn)一步推導(dǎo)而得出的[4]。在MPP處，有

將P=VI帶入上式中，則有

根據(jù)上式，INC法可以通過以下公式進(jìn)行判斷：

其中，I/V為電導(dǎo)，而ΔI/ΔV則為電導(dǎo)增量，故此方法被稱為電導(dǎo)增量法。

P&O法流程圖與實(shí)例說明

P&O法流程圖如下圖所示。首先，算法需要采集當(dāng)前光伏組件電壓V(k)、電流I(k)，并讀取上一次采集到到的電壓V(k-1)、電流I(k-1)。然后，計(jì)算電壓增量ΔV和功率增量ΔP，繼而根據(jù)上文所得到P&O法的公式進(jìn)行邏輯判斷。完成判斷后，則會(huì)通過調(diào)節(jié)占空比d，最終決定工作點(diǎn)下一次移動(dòng)的方向。

為了更好地理解這一流程，我們一下圖作為實(shí)例進(jìn)行講解 [5]。

假定工作點(diǎn)從D處移動(dòng)到A處，我們發(fā)現(xiàn)ΔP、ΔV均為正，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向右。

假定工作點(diǎn)從A處移動(dòng)到D處，我們發(fā)現(xiàn)ΔP、ΔV均為負(fù)，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向右。

同理，假定工作點(diǎn)從C處移動(dòng)到B處，我們發(fā)現(xiàn)ΔP為正且ΔV為負(fù)，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向左。

假定工作點(diǎn)從B處移動(dòng)到C處，我們發(fā)現(xiàn)ΔP為負(fù)且ΔV為正，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向左。

當(dāng)工作點(diǎn)移動(dòng)至MPP附近時(shí)，P&O法將會(huì)圍繞MPP進(jìn)行三電平擾動(dòng)(Three-level Perturbation)，具體分析如下：

假定工作點(diǎn)由A處移動(dòng)至MPP處后，我們發(fā)現(xiàn)ΔP、ΔV均為正，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向右，假定移動(dòng)至B處。

當(dāng)工作點(diǎn)由MPP處移動(dòng)至B后，我們發(fā)現(xiàn)ΔP為負(fù)且ΔV為正，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向左，故而工作點(diǎn)將回到MPP處。

假定工作點(diǎn)由B處移動(dòng)至MPP處后，我們發(fā)現(xiàn)ΔP為負(fù)且ΔV為正，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向左，故而工作點(diǎn)將回到A處。

當(dāng)工作點(diǎn)由MPP處移動(dòng)至A后，我們發(fā)現(xiàn)ΔP、ΔV均為負(fù)，因此下一次移動(dòng)方向應(yīng)向右，故而工作點(diǎn)將回到MPP處。

重復(fù)以上過程，工作點(diǎn)將會(huì)持續(xù)不斷地圍繞MPP進(jìn)行三電平擾動(dòng)。仿真結(jié)果如下圖示 [5]：

從上圖可以清楚地看出，光伏組件輸出電壓與占空比d會(huì)在MPP處進(jìn)行三電平擾動(dòng)，從而維持P&O法大致工作在MPP處。

至于INC法，與P&O法大同小異 [4]，故本文不做進(jìn)一步介紹。如果對(duì)INC法感興趣，請閱讀本人文獻(xiàn) [3，6]。

參考文獻(xiàn)

[1]????B. Subudhi and R. Pradhan, “A comparative study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power systems,” IEEE Trans. Sutain. Energy, vol. 4, no. 1, pp. 89–98, Jan. 2013.
[2]????M. de Brito, L. Galotto, L. Sampaio, G. de Azevedo e Melo, and C. Canesin, “Evaluation of the main mppt techniques for photovoltaic applications,” IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 60, no. 3, pp. 1156–1167, Mar. 2013.

[3]????X. Li, H. Wen and Y. Hu, "Evaluation of different maximum power point tracking (MPPT) techniques based on practical meteorological data,"?2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), Birmingham, 2016, pp. 696-701.

[4]????D.? Sera,? L.? Mathe,? T.? Kerekes, S.? V.? Spataru, and? R.? Teodorescu, "On the perturb-and-observe and incremental conductance mppt methods for pv systems," IEEE lournal? of? Photovoltaics, vol. 3, no.? 3, pp. 1070-1078,? Jul.? 2013.

[5]????N.? Femia,? G.? Petrone,? G.? Spagnuolo, and? M.? Vitelli, "Optimization? of? perturb and observe maximum power point tracking method," IEEE Transaction Power Electronics, vol. 20,? no.? 4, pp. 963-973, Jul. 2005.

[6]????李星碩, 文輝清, 羅恒陽. 基于電導(dǎo)增量MPPT算法在光伏系統(tǒng)的比較研究[J]. 電力電子技術(shù), 2016(12):91-94.

作者介紹

李星碩，現(xiàn)為西交利物浦大學(xué)電氣與電子工程博士生。主要研究電力電子在光伏系統(tǒng)下的應(yīng)用，如最大功率點(diǎn)追蹤、分布式光伏發(fā)電以及光伏組件老化檢測技術(shù)等?，F(xiàn)已發(fā)表5篇SCI，并擔(dān)任國際SCI源刊IEEE Trans. Ind. Electron.、IEEE Trans. Ind. Appl.等期刊的審稿人。

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