什么是MPPT

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(lán)色），如果希望逆變器輸出的功率最大，就需要直流電壓運(yùn)行在紅點(diǎn)所在的最大點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)。假如最大功率點(diǎn)是550V，550V時(shí)功率是200W。此時(shí)，運(yùn)行在520V時(shí)的功率約為190W，580V時(shí)約為185W，都沒有550V時(shí)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?yàn)檫@個(gè)曲線隨著光照強(qiáng)度、溫度和遮擋的不同在變化著，最大功率點(diǎn)也就在變化了，可能早上最大功率點(diǎn)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(gè)最大功率點(diǎn)，也就是最大功率點(diǎn)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(fèi)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(diǎn)跟蹤”，它是指逆變器根據(jù)外界不同的環(huán)境溫度、光照強(qiáng)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。

最大功率點(diǎn)跟蹤的原理

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前太陽能電池陣列的MPPT控制一般是通過DC/DC變換電路來完成的。其原理框圖如下圖所示。

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(jìn)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(shí)，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(qiáng)非線性的，然而在極短的時(shí)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(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸出，也就實(shí)現(xiàn)了光伏電池的MPPT。

逆變器的MPPT有什么用

由于太陽能電池收到光強(qiáng)以及環(huán)境等外界因素的影響，其輸出功率是變化的，光強(qiáng)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(yùn)行在最大功率點(diǎn)。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(shí)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(shí)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(shí)要高，這就是MPPT的作用。

MPPT的算法

目前，光伏陣列的最大功率點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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

光伏逆變器MPPT技術(shù)對系統(tǒng)發(fā)電量影響

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(shí)，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(gè)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(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，它是指根據(jù)外界不同的環(huán)境溫度、光照強(qiáng)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(jìn)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。

1、MPPT采樣電路精度

MPPT實(shí)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(shí)間快，抗干擾能力強(qiáng)，線性精度99.9%，總測量誤差0.4%。

天氣劇烈變化時(shí)，使用閉環(huán)傳感器有優(yōu)勢。

2、MPPT電壓范圍

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(diǎn)。

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(jià)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(jī)，發(fā)電時(shí)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。

3、MPPT的路數(shù)

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(gè)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?yàn)镸PPT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(shí)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(jià)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(qiáng)度變化，因此都會存在誤差，比如說當(dāng)電壓實(shí)際正處于最佳工作點(diǎn)時(shí)，逆變器還是會嘗試改變電壓，來判斷是不是最佳工作點(diǎn)，多一路MPPT，就會多一路損耗。

2）測量損耗：MPPT工作時(shí)，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(shí)，誤差就經(jīng)常發(fā)生，當(dāng)輸入電流小于0.2A時(shí)，就基本上不能工作了。

3）電路損耗：MPPT主電路有一個(gè)電感和一個(gè)開關(guān)管，在運(yùn)行時(shí)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(gè)不同的地方，選擇不同MPPT逆變器，單極單路和雙級多路，實(shí)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(shí)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(dá)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?yàn)樵诘碗姽β拾l(fā)電時(shí)間段時(shí)間較長，高功率發(fā)電時(shí)間較短。

總結(jié)：

逆變器MPPT技術(shù)的多樣性，給電站設(shè)計(jì)帶來了極大的便利。結(jié)合實(shí)際，科學(xué)設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)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。