固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第二十三講: PEK-120模塊之光伏最大功率點(diǎn)追蹤
PTS-系列之PEK-100系列教學(xué)
PEK-120模塊之光伏最大功率點(diǎn)追蹤
寫(xiě)在前面的話(huà)
max-width:760px;經(jīng)過(guò)前幾期對于PTS-800中基本的電路圖拓撲結構的學(xué)習，我們已經(jīng)掌握了基本的電路模型。從PEK-100系列開(kāi)始，在固有電路拓撲基礎上開(kāi)始對電路的控制方式進(jìn)行學(xué)習。本期將針對直流變換器PEK-120的控制方式以及與新能源中光伏發(fā)電結合探究最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)的學(xué)習。
PEK-120
降壓式轉換器模組
簡(jiǎn) 述：
max-width:760px;光伏模組的輸出特性既非定電壓亦或定電流，輸出功率均會(huì )隨工作點(diǎn)改變，因此必須隨時(shí)調整工作點(diǎn)，使發(fā)電功率達到最佳，此稱(chēng)為最大功率點(diǎn)追蹤以下針對PV模組特性加以說(shuō)明，以作為MPPT控制器設計之參考。
max-width:760px;PV模組乃由許多PV串并聯(lián)所組成，PV經(jīng)由光照射后，形成一電流源提供負載能量，PV 等效電路如圖所示，其中Iph用來(lái)表示 PV所產(chǎn)生之電流，而Dj則表示為一 P-N 接面二極體，Rsh與 Rs則分別表示材料內部之等效并聯(lián)與串聯(lián)電阻，通常在分析時(shí)Rsh的值很大，而 Rs的值則很小，因此一般而言，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程可將Rsh 和Rs忽略不計，Ip與Vp分別表示 PV 之輸出電流與電壓。
光伏模組：
max-width:760px;PV模組的等效電路和P-N接面半導體的特性，PV模組的輸出電流可用以下數學(xué)方程來(lái)表示。
Vph :表示PV之輸出電壓(V)
Ipv :表示PV之輸出電流(A)
T :表示PV之表面溫度(°K)
A : 表示PV之理想因數(A=1~5)
q : 表示一個(gè)電子之電菏量(1.6×10-19C)
K : 表示波茲曼常數(1.38×10-23 J/°K)
np : 表示PV之電池并聯(lián)數
ns : 表示PV之電池串聯(lián)數
PV之等效電路
而Isat表示太陽(yáng)光電板的反向飽和電流，其數學(xué)關(guān)系式可表示如下：
Tr : 表示 PV 之參考溫度(°K)
Irr : 表示 PV 之參考溫度 Tr 時(shí)之反向飽和電流(A)
Egap :表示半導體材料跨越能間帶間隙時(shí)所需能量
Iscr : 表示 PV 電池工作于參考溫度與1kW/m2之日照條件下之短路電流(A)
α : 為PV模組短路電流溫度系數
S : 為太陽(yáng)日照量(kW/m2 )
由此可計算出輸出功率P，表示為
整理得到
由上述方程式可了解 PV 模組特性，可描繪出在不同日照量與PV 板表面溫度變化情況下 PV 模組輸出電壓、電流與功率曲線(xiàn)圖。
PV電轉換器之控制方法：
max-width:760px;由PV模組之特性模擬曲線(xiàn)可得知，影響PV模組輸出功率的兩個(gè)因素為日照強度與環(huán)境溫度，隨著(zhù)天氣的多變，溫度與日照強度隨時(shí)都可能改變，因此欲使PV模組輸出最大功率，提高PV模組發(fā)電效率必須控制PV系統的功率轉換器，來(lái)獲得在不同工作環(huán)境下最大功率輸出，而此控制方法即是最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)技術(shù)。
max-width:760px;下圖為三種典型PV發(fā)電系統之電力轉換器架構，三種架構之MPPT控制都必須借由控制PV模組轉換器之輸入電壓Vp與輸入電流Ip來(lái)達成，只要計算出PV模組最大功率點(diǎn)之電壓做為命令，借由電壓回路控制使其操作在MTTP點(diǎn)即可。
max-width:760px;由PV模組之特性模擬曲線(xiàn)可知，PV模組既非電壓源亦非電流源，當應用于電壓源轉換器結合分析時(shí)，例如上圖中之各式轉換器時(shí)，則PV模組必須視為一電流源，其等效電路如下圖所示；反之亦然，當應用于電流源轉換器時(shí)，則PV模組必須視為一電壓源，其等效電路如下圖所示。
改良型INC MPPT：
max-width:760px;本文章以改良型增量電導MPPT控制法為例，為隨著(zhù)照度變化的電壓源VS串聯(lián)一內阻RS，提供能量給DC-DC轉換器，此處之DC-DC轉換器形同一負載RL，在此模型下PV模組于不同負載下的輸出功率Po可寫(xiě)成：
max-width:760px;Vo為輸出電壓，Io為輸出電流。其最大功率點(diǎn)發(fā)生在：
max-width:760px;因此，當PV模組輸出電壓為Vs/2時(shí)，具有最大功率輸出。再根據分壓定理：
max-width:760px;證明當RL=RS時(shí)，PV模組具最大功率輸出，也就是阻抗匹配定理。實(shí)際上PV模組之Vs與Rs值如同前述可知，雖然在同一日照下此二值將然隨工作點(diǎn)變化而動(dòng)態(tài)變化，因此RL值亦會(huì )動(dòng)態(tài)變化，然而上述二電阻分壓之最大功率值理論仍然適用。
max-width:760px;下圖所示為本實(shí)驗所采用之PV模組MPPT方法，利用操作于兩個(gè)負載值時(shí)得到的電壓電流，利用兩點(diǎn)求斜率法，可求得PV模組內阻，如圖所示。此方法先操作DC-DC轉換器于不同的責任周期率(D)，等同于兩種不同的負載值，操作于第一個(gè)導通率D1時(shí)感測輸入的電壓電流V1,I1，再操作第二個(gè)導通率D2(與D1間格?D)為V2,I2，得到兩點(diǎn)后再經(jīng)由下式：
max-width:760px;可得到PV模組的內阻RS；也可以量測多個(gè)電壓電流值后，以線(xiàn)性回歸方法計算得內阻值。之后量測輸入電壓與電流值，計算得輸入阻抗Rin，調整導通率以改變輸入阻抗，并使其等同于內阻RS，或者與內阻RS相差在某個(gè)微小值之內。當程式執行一段時(shí)間后(t>T，t為已執行時(shí)間，T為設定之重復執行時(shí)間)，將會(huì )重新量測輸入阻抗，最終達到RS=RL，亦即最大功率點(diǎn)。若將1/Rs視為增量電導，則此種阻抗匹配法，其實(shí)等效于上述之INC MPPT方法。
max-width:760px;雖然上圖方法可以追蹤最大功率點(diǎn)，然而由于責任周期改變后DC-DC轉換器必需經(jīng)歷一段時(shí)間電壓達到穩態(tài)后再繼續下一點(diǎn)之計算，才不致有方向誤判之情況，因此MPPT速度將受到電路開(kāi)回路響應速率之限制。為提升MPPT速度，必須縮短工作點(diǎn)改變后達到穩態(tài)之時(shí)間，為達此目標，本研究DC-DC轉換器之控制架構下圖所示，采用雙回路控制，外回路為MPPT控制器，其感測輸入電壓及電流作MPPT控制用以產(chǎn)生PV模組之電壓命令(Vp*)。內回路為電壓控制回路，其利用電壓命令與回授之輸入電壓(Vp)相較經(jīng)誤差放大器調整后得到開(kāi)關(guān)之責任周期。具有電壓回路之控制架構，其電壓調整后達到穩態(tài)之時(shí)間較直接改變責任周期電壓達到穩態(tài)之時(shí)間要短許多，因此可以改善響應速度，并使MPPT之追蹤更精確。
max-width:760px;MPPT之追蹤方法仍然使用上述之電阻匹配法，僅將工作點(diǎn)之調整方式改為電壓，其程式流程如圖所示。程式首先設定起始值之電壓命令為開(kāi)路電壓，緊接進(jìn)入周期為T(mén)之回圈并進(jìn)行取樣PV模組之電壓及電流(V1及I1)，接著(zhù)改變其電壓命令得到(V2*)，此處*代表命令，此電壓命令改變值在起始時(shí)預設為-DV，但下一周期T之后則可能為+DV亦或-DV，視其前次取樣電壓改變值而定，但改變后之V2*若大于PV模組預設之電壓最高值Vmax則增加值改為-DV，同理改變后之V2*若小于PV模組預設之電壓最低值Vmin則增加值改為+DV。接著(zhù)取樣V2及I2，再利用(V1,I1)及(V2,I2)計算RS值。其后進(jìn)入周期時(shí)間DT之回圈，不斷利用感測之(V1,I1)計算RL值，再由RS值與RL之比較結果調整電壓命令，當RS≥RL電壓之調整為增加DV以加大RL，反之當RS<RL電壓之調整為減少△V以減低RL，使RL得以追蹤RS。此程序反復執行，直到達到一時(shí)間周期T后，進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間T之回圈。
INC MPPT程式
實(shí)驗驗證：
總 結：
max-width:760px;基于直流直流變換器的光伏最大功率追蹤是新能源光伏發(fā)電的入門(mén)課程，適用于本科及研究生階段對光伏的學(xué)習與應用。固緯電子在點(diǎn)力電子教學(xué)方向致力于為老師減少壓力，緩解學(xué)生的學(xué)習壓力，因此開(kāi)創(chuàng )了全新的理論與實(shí)踐相結合的教學(xué)模式，還請各位老師同學(xué)進(jìn)行了解轉發(fā)。