光伏开发中的MPPT算法

一、光伏基础知识

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1.1 光伏发电原理

光伏发电的原理是光伏板在光照作用下产生光生伏打效应，比如目前常用的单晶硅或者多晶硅光伏板，在光子作用下产生光生伏打电动势，在这个电动势两端加上负载实现光伏发电回路。

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太阳能电池组件其I-V特性与日射强度S 和电池温度T有极大关系，即I=f(V, S, T)。根据 

电子学理论，太阳能电池的等效数学模型为

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其中：

I ：光伏电池输出电流(工作电流)

V：光伏电池输出电压(工作电压)

Iph：光生电流

I0：二极管饱和电流

q：电子的电荷量(1.6x10”C)

Rs：光伏电池的串联电阻

n：二极管特性因子

k：玻耳兹曼常数(1.38x10-3J/K)

T：光伏电池温度

Rsh：光伏电池的并联电阻

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1.2 太阳能光伏模块的特性：

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二、为什么需要MPPT？

根据上面的光伏模块的特性，光伏模块的输出功率与电压呈非线性关系，在实际应用中想要在恒定光照环境下实现光伏模块的最大输出，就需要MPPT算法来实现，提高光伏模块的转换效率和发电量。

三、MPPT算法是什么？

MPPT算法全称最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）是一种用于光伏发电系统的优化算法，通过实时调节光伏模块的工作状态，确保光伏模块工作在最大功率点MPP，提升系统效率。

MPPT是包含硬件、软件、算法的一个完整系统，系统的架构分层如下：

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3.1. 硬件层（Hardware Layer）

硬件层是MPPT系统的物理基础，负责能量采集、转换和传输，核心组件包括：

3.2. 驱动层（Driver Layer）

驱动层是硬件与软件之间的桥梁，提供底层硬件控制和数据交互，主要包括：

3.3. 功能业务层（Application Layer）

功能业务层实现MPPT的核心逻辑和高级功能，通常由软件算法和用户交互组成：

四、怎么实现MPPT？

目前主流的MPPT算法有

(1)恒定电压控制法 CVT（Constant Voltage Control）

(2)扰动观测法P&O(Perturbation and Observation method)

(3)导纳增量法 IncCond (Incremental conductance method)

4.1 恒定电压控制法 CVT（Constant Voltage Control）

通过分析光伏模块的四个图可以看出，在太阳能电池温度变化不大时，太阳能电池的输出 P-V 曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧。因此，若能将太阳能电池输出电压控制在其最大功率点时的电压处，这时太阳能电池将工作在最大功率点。

通过大量的数据计算，最大功率点的电压值往往为开路电压的0.78倍，也就是说将设定电压设置为开路电压的0.78倍，此时最接近光伏模块的最大功率输出点。

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上面流程是最简单的恒定电压法，只在初始化阶段测量开路电压校准设定电压。

特点：

1. 算法简单高效、实时性高、不会产生动荡
2. 无法应对光照、温度不稳定的场景

改进流程：

1. 在光伏模块运行过程中周期性的断开负载，测量开路电压重新校准
2. 周期测量Vpv，计算与Vref的差值，通过闭环PID控制算法使Vpv接近Vref

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4.2 扰动观测法 P&O（Perturbation and Observation method）

根据光伏模块的P-V曲线，可以得出结论：最大功率点在某个电压值附近，在电压值左侧功率持续增加，在电压值右侧，功率持续减小；根据结论可以先设定指定的电压值计算功率P1，一段时间后再增加电压值计算功率P2，计算两个点之间的功率差值P1-P2=ΔP，根据ΔP判断接下来是往哪个方向调节设定电压。

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单向扰动流程

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双向扰动流程

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4.3 导纳增量法 IncCond (Incremental conductance method)

导纳增量法与扰动观测法原理一样，就是将对比ΔP修改为对比P-V曲线的斜率，当斜率K>0时说明需要正向扰动，当斜率K<0时说明需要反向扰动；

五、光伏MPPT控制方案收集

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