采用MPPT算法的太阳能发电技术—— 主动功率优化器或微逆变器

作者：意法半导体应用工程师 Ed Friedman

找到一个发电效率和成本效益俱佳的太阳能发电以及并入电网的方法，是能源系统设计工程师面临的一个重大挑战，不过，如何解决太阳能电池板上的阴影问题也同样重要。太阳能电池板被阴影遮挡时会停止光电转换，降低整串太阳能电池板的发电性能。本文将介绍几项可降低阴影影响的方法和技术。


图1：典型太阳能发电系统的俯视图。

图1所示是一个典型太阳能发电系统的俯视图。显然，安装在北半球的太阳能电池板需要面向南方，而在实际安装过程中，为了让下午的太阳光线能够照射在太阳能电池板上，屋顶安装的太阳能电池板通常都是面向西南方向。典型太阳能电池板的输出功率是24V直流。多块太阳能电池板先是串联在一起，然后通过逆变器并入电网。民用和商用电是115V交流或230V交流。230V交流电力系统的峰值电压是325V。单个太阳能电池板串联在一起组成阵列，向逆变器输入350V交流，为电网送电。

太阳能电池板的电压、电流和功率特性


图2：太阳能电池的典型电路原理图。

图2中我们可以看到，在太阳能电池内有一个PN结，因此可将其视为一个二极管。流经该二极管的电流被称之为暗电流，与流经标准二极管的电流没有什么不同。电流发生器的输出电流与二极管电流方向相反，大小与太阳能电池吸收的光能成正比。串联电阻Rs 代表导通损耗，大小与输出电流的平方成正比。并联电阻Rp 表示因太阳能电池板边缘绝缘不好而导致的泄漏电流引起的功率损耗。本节稍后讨论Rs和Rp 对太阳能电池板输出特性的影响。

我们可从二极管的基本表示法得出，太阳能电池电流是电压的函数，功率是电压的函数。图3所示是在没有光线条件下太阳能电池的电流－电压特性。图4所示是有光线条件下太阳能电池的电流－电压特性。


图3：没有光线条件下太阳能电池的电流－电压特性。


图4：有光线条件下太阳能电池的电流－电压特性。

因为太阳能电池产生功率，所以我们习惯把电流－电压曲线上下颠倒过来看，如图5所示。


图5：把图4中的电流－电压曲线上下颠倒过来看。

电池到电池板的进化

太阳能电池板是由先串联然后再并联的单个太阳能电池组成。同样地，太阳能电池板阵列是由先串联然后再并联的单个太阳能电池板组成。太阳能电池串联是为了提高输出电压，太阳能电池并联是为了提高输出电流。因此，如果每块电池的正向压降是0.5V，额定光能产生100mA电流，则50块电池串联可形成一串25V的电池组。然后，再把这串电池组中的60个电池并联，可产生一个25V、6A的太阳能电池板。如果每个太阳能电池板的输出功率是150W，在屋顶上安装50块太阳能电池板可输出7.5kW电能。

太阳能电池板的四个重要参数：

Voc是当Iout = 0时的开路电压。 Pout = 0

Isc是当Vout = 0时的短路电流。Pout = 0

Vmp是当峰值功率被提取时的输出电压。

Imp是当峰值功率被提取时的输出电流。

如图6所示，红色曲线表示电流与电压的函数关系，绿线表示功率与电压是函数关系，电流－电压曲线上还标明了最大功率点。


图6：红色曲线表示电流与电压的函数关系，绿线表示功率与电压是函数关系。

在太阳能电池(或太阳能电池板)等效电路上，当Vout = 0时，电流－电压曲线的斜率受并联电阻Rp的影响 。最理想的是，太阳能电池板的Rp = ∞，且斜率为零。当Vout = Voc时，功率－电压曲线的斜率受串联电阻Rs的影响。最理想地是，Rs = 0，且斜率无限大。

从太阳能电池板输出最大功率

目标是找到最大功率点(MPP)，使电池板电压和电流保持在那个功率点。MPP点的变化与辐照度和温度有关。当辐照度降低时，Isc电流也随着变低。随着Isc降低，MPP向低压转移。当温度升高时，Vmp和最大功率都会降低。Voc、Isc、Vmp、Imp 和温度影响都列在太阳能电池板厂商的数据手册内。亟待解决的难题是，当太阳能电池板的环境变化时，需要动态跟踪这些参数的变化，不管外部环境因素如何，确保太阳能电池板始终工作在最大功率点上。

既然太阳能电池板的等效电路可表示为有串联电阻和并联电阻的电流源，则Thevenin等效电路可表示为只有一个串联电阻的电压源。要想将最大功率从电压源输送到负载，负载电阻必须与电压源的电阻相等。图7所示是斜率正确的负载线路电阻R2与I-V曲线相交于最大功率点。


图7：斜率正确的负载线路电阻R2与I-V曲线相交于最大功率点。

由洗车想到的原理

洗车是一个解释为什么需要最大输出功率的实例。我们知道，在用花园浇水用的水管代替高压水枪洗车时，如果挡泥板上覆盖一层厚厚的坚硬泥土，就必须用大拇指堵住管口提高水流的冲涮力才能冲净挡泥板。用拇指堵住管口的作用相当于阻抗匹配装置，可以从水管主管释放最大的压力。

如果把拇指从管口移开，水的流量（电流）就会变大，但是水压（电压）则会降低，冲洗力量减弱。把管口几乎完全堵住，虽然可以换得更大的水压，但几乎失去了水流和冲洗力量。只有水管开口大小最佳时，才能产生理想的水压和流量，获得最大的冲洗力量。

把这个原理应用到太阳能电池上，我们得到一个内置MPPT功能的直流－直流升压转换器，这是一个主动式功率优化器，设计目的是提高太阳能电池板的输出电压，同时把太阳能电池板的输入电压同步调至Vmp。从而优化或最大化太阳能电池板的输出功率。用户设置转换器的输出电压，扰动和观察MPPT算法决定转换器的占空比，占空比就是你潜意识地调节水管的开口大小，直到水管对汽车输出最大的冲洗力。转换器的输入电压(即太阳能电池板的输出电压)是因变量，由下面的公式决定：

Vin = Vout * (占空比等于1)

在被施加太阳电池板的输入电压时，SPV1020的占空比初始值很低, 为5%。MPPT算法就是测量输入电压和输入电流，计算功率，然后，提高占空比。测量新的输入电压，计算输入功率。如果新的功率大于上一次功率，则再次提高占空比。这个过程一直持续到新功率没有变化或小于上一次功率为止。如果新功率没有变化，则该功率就是最大功率点。如果新功率小于上一次功率，占空比就会降低；这个过程一直重复到新功率等于上一次功率为止，则该功率被确定为最大功率点。在这种情况下，转换器将工作在功率－电压曲线的上方，如图8所示。

扰动与观察算法连续运转，周期是开关周期的256倍。默认开关频率为100kHz。开关周期是10微秒，MPPT算法更新频率是2.56毫秒。　　　


图8：转换器工作图。

扰动与观察算法采用狩猎方法寻找最大功率点，但是，这的确是阻抗匹配方法。转换器的典型输出为35V直流，而电网逆变器工作在350V直流电压，因此驱动逆变器需要安装10块太阳能电池板。每块太阳能电池板驱动一个转换器，每块电池板都执行最大功率点跟踪功率优化算法。把10块转换器的输出串联，以产生350V直流电压。

电网逆变器在转换器输出端产生负载，用RL表示。SPV1020的输入电阻Rin与该负载和转换器占空比是函数关系。

输入电阻：


    公式1

输入电阻等于太阳能电池板的输出电阻。