小功率太阳能MPPT (最大功率点追踪)算法实现

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早期的太阳能发电产品没有安装MPPT功能的控制器,由太阳能电池板直接给电池供电,这样导致大量的能源浪费,或者增加30-50%的面板尺寸或更多才能达到所需要的功率,即使带简单MPPT功能的控制器,至少提高面板发电效率到90%。所以MPPT技术对的重要性不言而喻。

 

太阳能面板的基本参数:

l  短路电流(isc):正负极短路, 使u=0时,此时的电流就是电池片的短路电流短路电流随着光强的变化而变化。

l  开路电压(uoc):单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化,一般为0.5~0.7v。

l  峰值电流(im):峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电流,峰值电流的单位是安培(a)。

l  峰值电压(um):峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压,峰值电压的单位是v。峰值电压不随电池片面积的增减而变化,一般为0.45~0.5v,典型值为0.48v。

l  峰值功率(pm):峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳能电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率,也就是峰值电流与峰值电压的乘积:pm===im×um。峰值功率的单位是w(瓦)。太阳能电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度,因此太阳能电池的测量要在标准条件下进行,测量标准为欧洲委员会的101号标准,其条件是:辐照度lkw/㎡、光谱aml.5、测试温度25℃。

l  填充因子(ff):填充因子也叫曲线因子,是指太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。计算公式为ff=pm/(isc×uoc)。填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数,它的值越高,表明太阳能电池输出特性越趋于矩形,电池的光电转换效率越高。串、并联电阻对填充因子有较大影响,太阳能电池的串联电阻越小,并联电阻越大,填充因子的系数越大。填充因子的系数一般在0.5~0.8之间,也可以用百分数表示。

l  转换效率(η):转换效率是指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值。即:η=pm(电池片的峰值效率)/a(电池片的面积)×pin(单位面积的入射光功率),其中pin=lkw/㎡=100mw/cm2。

影响太阳能面板功率要素:、

传统不支持MPPT算法的太阳能电池板。输出功率的影响因素。

l  光照度(irradiance temperature and load.):随着光照度的变化,电流逐渐减少。参考图1

l  温度:温度不同,输出电压/功率曲线不同。温度越低,输出功率越小。参考图2。

l  负载:不同的负载,输出功率不一样。

比方说一个5V/2A的负载接到一个20W的太阳能板上,太阳能板的MPPT点为17.5V/1.15A,太阳能板子的短路电流是1.2A, 考虑到简单的电阻负载,1.25A的短路电流,面板将只能提供约3V / 1.2A,或不足20W的4W。

MPPT技术跟踪电池面板的最大功率点,大的系统采用多屏串联接单一控制器的劣势(阴影处理),各个面板的光照度不同,导致不能统一面板的输出都在最大功率电感。

我们知道,功率P=UI, 想要获取太阳能面板的最大输出功率,如图3所示,必须在曲线上查询到最大值

 

光照度对应的电压电流曲线-MPPT控制器
图片标题(图片 title 属性)

图1光照度对应的电压电流曲线

光伏面板输出随温度变化的曲线-DC UPS

图2光伏面板输出随温度变化的曲线

光伏面板输出随光照度变化曲线-MPPT 控制器

图3光伏面板输出随光照度变化曲线

 

MPPT算法介绍

太阳能电池板的最优工作点称为最大功率点,它主要取决于电池板的工作温度和当时的光照水平。在不同的温度和光照强度下太阳能电池板的最大功率点不同,要使太阳电池板尽可能地工作在最大功率点,需要使用光伏最大功率跟踪(MPPT) ,MPPT技术实施最重要的是寻找合适的MPPT控制算法,能在快速变化的天气条件下有效地跟踪最大功率点,控制电池板尽可能地工作在最大功率点上。

目前市场上主流的算法

l  恒压跟踪法

l  电导增量法

l  干扰观测法

电导增量法和干扰观测法实现方式上采用了PID算法,具体的算法模式,可以去找一些相关的资料来查阅。

恒压跟踪法:

DC UPS单晶硅光伏电池输出特性曲线

图4: 单晶硅光伏电池输出特性曲线

 

         从上图4可以看到,当温度一定时,不同光照条件下,电池板的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧邻近,这就有可能把最大功率线近似地看成电压V为常数的一根垂直线,使光伏电池板工作于某一个固定的电压(大约是开路电压的80%),恒压跟踪法是一种近似最大功率的跟踪方法。

优势:

l  实现简单。

l  成本低廉。

劣势:

l  功率损失较大;

l  不能适应环境改变;

l  不能随温度变化而变化;

l  效率不高

干扰观测法(PERTURB AND OBSERVE)

实现方法比较简单,定期扫描太阳能电池板的最大功率点,然后根据功率点稳定的输出电压,从而获取最大的功率输出,这种方式大多数由单片机的MCU来完成,随着扫描频率的不同,可能效率也不一样,参考图5

直流UPS-干扰观测法实现流程图

图5 干扰观测法实现流程图

结合图3和图5,干扰观测法的基本流程是:

初始化一个功率点差值

测量电压电流计算功率

增加或减少采样电压。

对比上一次的功率。

判断测量点相对最大功率点的位置

电压增加,功率增加,说明面板输出点在最大功率点的左侧

电压减少,功率增加,说明面板输出点在最大功率点的右侧

逐步逼近最大功率

须要测量电压

须要测量电流

 

干扰观测法关键:

扫描频率Δt

电压变化ΔV

         选择合适的ΔV和Δt,差值过大太阳能电池板的输出会在最大功率点左右浮动,差值过小,找到最大功率点的时间比较长,可能效果更加不好。

干扰观测法是市场上主流MPPT算法之一,市场上一些商用的太阳能逆变器或控制器采用此方法来实现,网上也有些讨论该技术实现的细节讨论,

优势:

硬件成本实现算法适中

不足

不能判定合适达到MPPT,存在震荡。

增量电导Incremental Conductance (IC)

 

DC UPS-增量电导法

图5 增量电导法 

倒数的概念大家应该知道的,忘记了可以百度一下,参考图3先了解一下增量电导的基础知识:

根据右图可以推导出下面公式

ΔP/ΔV=0, 采样点在MPPT点

ΔP/ΔV>0, 采样点在MPPT点左侧

ΔP/ΔV<0, 采样点在MPPT点右侧

倒数推导

ΔP/ΔV = d(IV)/d(V) =( IdV+VdI)/d(V)

=I+V*dI/dV =0;

由上面的推导

ΔI/ΔV +I/V=0工作在MPPT点

ΔI/ΔV+I/V<0,工作在MPPT点左侧

ΔI/ΔV+I/V>0,工作在MPPT点右侧

根据结果,面板的工作电压可以增加或减少,直到达到MPP。 与在干扰观测法在MPPT点附近自然振荡算法不同,当达到正确的值时,增量电导将停止修改工作电压。 面板电流的变化将重新启动MPPT跟踪。

优点:误判率低,跟踪精度高。

劣势:硬件要求高,算法实现复杂,需要传感器精度比较高,否则适得其反。

 

总结

基本的MPPT算法基本就是上面这些,具体选择哪种算法由厂家自己根据硬件去选择,常用低成本的算法可以采用使用恒压跟踪法就可以实现

哪种MPPT算法,单片机加高精度采样电压/电流实现干扰观察算法,高档一点的大功率太阳能系统可以选择DSP+精密采样电阻实现。

文章链接:小功率太阳能MPTT (最大功率点追踪)算法实现

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