固纬电子电力电子教学小课堂 | 第二十三讲: PEK-120模块之光伏最大功率点追踪

　　写在前面的话

　　经过前几期对于PTS-800中基本的电路图拓扑结构的学习，我们已经掌握了基本的电路模型。从PEK-100系列开始，在固有电路拓扑基础上开始对电路的控制方式进行学习。本期将针对直流变换器PEK-120的控制方式以及与新能源中光伏发电结合探究最大功率点追踪技术的学习。

　　光伏模组的输出特性既非定电压亦或定电流，输出功率均会随工作点改变，因此必须随时调整工作点，使发电功率达到最佳，此称为最大功率点追踪以下针对PV模组特性加以说明，以作为MPPT控制器设计之参考。

　　PV模组乃由许多PV串并联所组成，PV经由光照射后，形成一电流源提供负载能量，PV 等效电路如图所示，其中Iph用来表示 PV所产生之电流，而Dj则表示为一 P-N 接面二极体，Rsh与 Rs则分别表示材料内部之等效并联与串联电阻，通常在分析时Rsh的值很大，而 Rs的值则很小，因此一般而言，为了简化分析过程可将Rsh 和Rs忽略不计，Ip与Vp分别表示 PV 之输出电流与电压。

光伏模组：

　　PV模组的等效电路和P-N接面半导体的特性，PV模组的输出电流可用以下数学方程来表示。

　　Vph :表示PV之输出电压(V)

　　Ipv :表示PV之输出电流(A)

　　T :表示PV之表面温度(°K)

　　A : 表示PV之理想因数(A=1~5)

　　q : 表示一个电子之电菏量(1.6×10-19C)

　　K : 表示波兹曼常数(1.38×10-23 J/°K)

　　np : 表示PV之电池并联数

　　ns : 表示PV之电池串联数

　　PV之等效电路

　　而Isat表示太阳光电板的反向饱和电流，其数学关系式可表示如下：

　　Tr : 表示 PV 之参考温度(°K)

　　Irr : 表示 PV 之参考温度 Tr 时之反向饱和电流(A)

　　Egap :表示半导体材料跨越能间带间隙时所需能量

　　由上述方程式可了解 PV 模组特性，可描绘出在不同日照量与PV 板表面温度变化情况下 PV 模组输出电压、电流与功率曲线图

　　PV电转换器之控制方法：

　　由PV模组之特性模拟曲线可得知，影响PV模组输出功率的两个因素为日照强度与环境温度，随著天气的多变，温度与日照强度随时都可能改变，因此欲使PV模组输出最大功率，提高PV模组发电效率必须控制PV系统的功率转换器，來获得在不同工作环境下最大功率输出，而此控制方法即是最大功率点追踪(MPPT)技术。

　　下图为三种典型PV发电系统之电力转换器架构，三种架构之MPPT控制都必须借由控制PV模组转换器之输入电压Vp与输入电流Ip来达成，只要计算出PV模组最大功率点之电压做为命令，借由电压回路控制使其操作在MTTP点即可。

　　由PV模组之特性模拟曲线可知，PV模组既非电压源亦非电流源，当应用于电压源转换器结合分析时，例如上图中之各式转换器时，则PV模组必须视为一电流源，其等效电路如下图所示;反之亦然，当应用于电流源转换器时，则PV模组必须视为一电压源，其等效电路如下图所示。

　　改良型INC MPPT：

　　本文章以改良型增量电导MPPT控制法为例，为随著照度变化的电压源VS串联一内阻RS，提供能量给DC-DC转换器，此处之DC-DC转换器形同一负载RL，在此模型下PV模组于不同负载下的输出功率Po可写成：

　　o为输出电压，Io为输出电流。其最大功率点发生在：

　　因此，当PV模组输出电压为Vs/2时，具有最大功率输出。再根据分压定理：

　　证明当RL=RS时，PV模组具最大功率输出，也就是阻抗匹配定理。实际上PV模组之Vs与Rs值如同前述可知，虽然在同一日照下此二值将然随工作点变化而动态变化，因此RL值亦会动态变化，然而上述二电阻分压之最大功率值理论仍然适用。

　　下图所示为本实验所采用之PV模组MPPT方法，利用操作于两个负载值时得到的电压电流，利用两点求斜率法，可求得PV模组内阻，如图所示。此方法先操作DC-DC转换器于不同的责任周期率(D)，等同于两种不同的负载值，操作于第一个导通率D1时感测输入的电压电流V1,I1，再操作第二个导通率D2(与D1间格∆D)为V2,I2，得到两点后再经由下式：

　　可得到PV模组的内阻RS;也可以量测多个电压电流值后，以线性回归方法计算得内阻值。之后量测输入电压与电流值，计算得输入阻抗Rin，调整导通率以改变输入阻抗，并使其等同于内阻RS，或者与内阻RS相差在某个微小值之内。当程式执行一段时间后(t>T，t为已执行时间，T为设定之重复执行时间)，将会重新量测输入阻抗，最终达到RS=RL，亦即最大功率点。若将1/Rs视为增量电导，则此种阻抗匹配法，其实等效于上述之INC MPPT方法。

　　虽然上图方法可以追踪最大功率点，然而由于责任周期改变后DC-DC转换器必需经历一段时间电压达到稳态后再继续下一点之计算，才不致有方向误判之情况，因此MPPT速度将受到电路开回路响应速率之限制。为提升MPPT速度，必须缩短工作点改变后达到稳态之时间，为达此目标，本研究DC-DC转换器之控制架构下图所示，采用双回路控制，外回路为MPPT控制器，其感测输入电压及电流作MPPT控制用以产生PV模组之电压命令(Vp*)。内回路为电压控制回路，其利用电压命令与回授之输入电压(Vp)相较经误差放大器调整后得到开关之责任周期。具有电压回路之控制架构，其电压调整后达到稳态之时间较直接改变责任周期电压达到稳态之时间要短许多，因此可以改善响应速度，并使MPPT之追踪更精确。

　　MPPT之追踪方法仍然使用上述之电阻匹配法，仅将工作点之调整方式改为电压，其程式流程如图所示。程式首先设定起始值之电压命令为开路电压，紧接进入周期为T之回圈并进行取样PV模组之电压及电流(V1及I1)，接著改变其电压命令得到(V2*)，此处*代表命令，此电压命令改变值在起始时预设为-DV，但下一周期T之后则可能为+DV亦或-DV，视其前次取样电压改变值而定，但改变后之V2*若大于PV模组预设之电压最高值Vmax则增加值改为-DV，同理改变后之V2*若小于PV模组预设之电压最低值Vmin则增加值改为+DV。接着取样V2及I2，再利用(V1,I1)及(V2,I2)计算RS值。其后进入周期时间DT之回圈，不断利用感测之(V1,I1)计算RL值，再由RS值与RL之比较结果调整电压命令，当RS≥RL电压之调整为增加DV以加大RL，反之当RS<rl电压之调整为减少△v以减低rl，使rl得以追踪rs。此程序反复执行，直到达到一时间周期t后，进入下一个时间t之回圈。< p="">

　　INC MPPT程式

实验验证：

　　总　结：

　　基于直流直流变换器的光伏最大功率追踪是新能源光伏发电的入门课程，适用于本科及研究生阶段对光伏的学习与应用。固纬电子在点力电子教学方向致力于为老师减少压力，缓解学生的学习压力，因此开创了全新的理论与实践相结合的教学模式，还请各位老师同学进行了解转发。