MPPT能量损耗分析及优化方法

MPPT的能量损耗是指光伏发电系统在MPPT算法的控制过程中不能精确地跟踪到最大的功率点而造成的能量损失。实际上，MPPT方法有许多种，但最为常用的仍旧是扰动观测法和电导增量法。虽然这两种方法在控制上有些区别，但本质却是相同的，一般都是采用扰动电压来进行最大功率点跟踪。不同的MPPT扰动步长、振荡以及误判等均会造成相应的能量损失。为讨论方便，首先定义MPPT能量损耗函数，即

式中 P_mpp——系统实际最大功率点；

P_m——跟踪到的最大功率点；

t₁、t₂——MPPT开始运行和结束运行的时刻。

MPPT过程中的能量损耗主要有静态MPPT能量损耗和动态MPPT能量损耗两种。一般把在辐照度、温度不变条件下，并且系统已经运行于最大功率点附近时的稳定状态定义为静态；而把当辐照度或温度发生变化时，从系统开始跟踪一直到跟踪到新的MPP的整个过程定义为动态。

下面就针对MPPT的能量损耗进行具体分析。

6.7.2.1 静态MPPT能量损耗的分析

静态MPPT能量损耗主要是由系统在MPP附近的振荡所产生。前文6.3.2节和6.4.2节分别分析了扰动观察法和电导增量法的振荡情况，其中扰动观察法有两点振荡和三点振荡两种情况，而电导增量法则有一点（非最大功率点）稳定工作、两点振荡和三点振荡等3种情况，表6-3为两种方法的静态能量损耗值。

表6-3 P&O和INC算法的静态MPPT能量损耗分析

6.7.2.2 动态MPPT能量损耗的分析

动态MPPT能量损耗是由MPPT过程所产生的，一般可以分为3种情况：①在光伏电池的工作点未达到MPP附近前，由于外部环境的不断变化，会产生相应的MPPT能量损耗；②系统运行在MPP附近时，由于外部环境的变化，也会产生相应的MPPT能量损耗；③MPP误判所产生的MPPT能量损耗，误判不仅会导致较大的能量损耗，而且还有可能损坏光伏系统。

图6-56 非最大功率点附近运行示意图

针对上述三种情况下的动态MPPT能量损耗，具体讨论如下：

1.在非最大功率点附近运行时

当并网光伏逆变器开机运行时，若从初始的光伏电池的开路电压进行电压扰动以跟踪MPP点时，须进行多次扰动从而逼近最大功率点，如图6-56所示。假设当工作点电压为U₁时辐照度发生变化，若经扰动三次达最大功率点附近，其MPPT过程的能量损失P_loss为

P_loss=P³_m-P³₃+P²_m-P²₂+P_m¹-P¹₁ （6-74）其中，下标的数字和m表示扰动跟踪的次序数和对应的最大功率点，上标的数字

表示各个辐照度对应的光伏电池P-U曲线的编号。

显然，当辐照度连续变化而需多次扰动跟踪才到达最大功率点附近时的MPPT过程的能量损失P_loss为

式中 Pⁱ_m——不同辐照度情况下对应的最大功率；(www.xing528.com)

P_nⁱ——各个辐照度对应的光伏电池P-U曲线上不同的功率点；

c——跟踪的次数；

m——在一条P-U曲线上跟踪的次数。

2.在最大功率点附近运行

当系统工作在最大功率点附近时，可能出现多种情况，在一些情形中虽然工作点的位置不同，但震荡情形是相似的，下面就只以6.3.2.1节图6-8中P₁点的情况为例进行简要介绍。

图6-57分别表示了不同的辐照度变化情况下在MPP附近的MPPT过程。在辐照度变为较弱时，变化后的光伏曲线的最大功率点位于下一工作点的左边，而辐照度变为较强时，则情况相反，此时两者损失的能量都可以表示为

P_loss=P²_m-P²₂+P_m¹-P¹₁ （6-76）

由式（6-76）看出，当系统工作在最大功率点附近时，MPPT过程损失的功率为两个MPP处的功率减去两个MPP附近的工作点功率值，即当最大功率附近的工作点越靠近最大功率点时，MPPT过程的能量损失越小，所以在最大功率点附近运行时应尽量减小步长。

图6-57 在最大功率点附近运行示意图

a）辐照度变为较弱时 b）辐照度变为较强时

图6-58 误判情况下MPPT功率损失示意图

3.误判情况下的MPPT能量损耗分析

在辐照度快速变化的情况下，采用定步长的扰动观测法实现MPPT时可能会发生误判现象。如图6-58所示，假设系统运行于电压为U₁的工作点处，系统根据上次的判断应增加扰动电压，此时若辐照度下降，则对应电压为U₂的工作点的输出功率可能小于原U₁工作点的输出功率，即P²₂＜P¹₁，此时系统会误判电压扰动方向错误，使工作点运行在U₁，从而远离最大功率点。如果辐照度持续下降，则有可能出现控制系统不断误判，使工作电压不断往左移动，对于并网系统来说，这种误判情况一方面会增大MPPT的功率损失，另一方面会由于直流侧电压的下降而使得并网电流失控，直至并网逆变器停止运行。

发生误判时MPPT的功率损失可具体分析如下：首先，若不发生误判，则MPPT过程的功率损失P_loss1为

P_loss1=P³_m-P³₃+P²_m-P²₂+P_m¹-P¹₁ （6-77）

而发生误判时，其MPPT过程的功率损失P_loss2为

P_loss2=P³_m-P³₁+P²_m-P²₂+P_m¹-P¹₁ （6-78）

显然，由于误判而多损失的功率ΔP_loss应为

ΔP_loss=P_loss2-P_loss1=P³₃-P³₁ （6-79）