De rol, het principe en het algoritme van MPPT van de fotovoltaïsche omvormer

2025-03-20

MPPT is een zeer kerntechnologie van omvormers, en de MPPT-spanning is een cruciale parameter bij het ontwerpen van fotovoltaïsche (PV) energiecentrales.

In de bovenstaande afbeelding volgen de uitgangsspanning en stroom van de fotovoltaïsche module de I-V-curve en de P-V-curve. Als u wilt dat de omvormer het maximale vermogen levert, moet de gelijkspanning werken op het maximale punt waar de rode stip zich bevindt. Dit punt wordt het maximum power point (MPP) genoemd.

1. Wat is MPPT?

Als het maximale vermogenspunt 550V is, bedraagt het vermogen bij 550V 200W. Op dat moment is het vermogen bij 520V ongeveer 190W en bij 580V ongeveer 185W, beide lager dan het vermogen bij 550V. Als de omvormer 550V niet kan volgen, zal dit leiden tot vermogensverlies, maar het zal geen andere effecten hebben op het systeem.

Waarom moeten we blijven volgen?

Omdat deze curve verandert met de lichtintensiteit, temperatuur en schaduwvorming, verandert ook het maximale vermogenspunt. De spanning van het maximale vermogenspunt kan 's ochtends 560V zijn, 's middags 520V en in de namiddag 550V. Daarom moet de omvormer voortdurend dit maximale vermogenspunt vinden, oftewel Maximum Power Point Tracking (MPPT), om ervoor te zorgen dat de energie van de zonnepanelen de hele dag door wordt gemaximaliseerd zonder zonne-energie te verspillen.

Op basis van deze basiskennis gaan we dieper in op MPPT.

MPPT, wat de afkorting is van Maximum Power Point Tracking, betekent dat de omvormer het uitgangsvermogen van de fotovoltaïsche array aanpast op basis van verschillende externe omgevingsfactoren zoals temperatuur, lichtintensiteit en andere kenmerken, zodat de fotovoltaïsche array altijd het maximale vermogen levert.

2. Wat is de rol van MPPT?

Omdat zonnecellen worden beïnvloed door externe factoren zoals lichtintensiteit en omgevingscondities, varieert hun uitgangsvermogen. Hoe hoger de lichtintensiteit, hoe meer elektriciteit wordt opgewekt. Een omvormer met MPPT (maximum power point tracking) maakt optimaal gebruik van zonnecellen en zorgt ervoor dat ze werken op het maximale vermogenspunt. Met andere woorden, bij een constante zonnestraling zal het uitgangsvermogen na MPPT hoger zijn dan vóór MPPT, wat precies de functie van MPPT is.

Bijvoorbeeld, stel dat MPPT nog niet is ingeschakeld en de uitgangsspanning van het zonnepaneel 500V bedraagt. Nadat MPPT begint met volgen, past het de weerstand in de kring aan via de interne circuitstructuur, waardoor zowel de uitgangsspanning als de uitgangsstroom van de module veranderen totdat het uitgangsvermogen maximaal is (stel dat dit 550V is). Daarna blijft MPPT continu volgen. Op deze manier zal het uitgangsvermogen van het zonnepaneel bij een spanning van 550V hoger zijn dan bij 500V, zolang de zonnestraling constant blijft. Dit is de rol van MPPT.

3. Factoren die de MPPT van een enkel fotovoltaïsch paneel beïnvloeden

Over het algemeen worden de effecten van veranderingen in zonnestraling en temperatuur het meest direct weerspiegeld in MPPT. Dit betekent dat zonnestraling en temperatuur belangrijke factoren zijn die MPPT beïnvloeden.

Wanneer de zonnestraling afneemt, neemt het uitgangsvermogen van het fotovoltaïsche paneel af.

Wanneer de temperatuur stijgt, neemt het uitgangsvermogen van het fotovoltaïsche paneel af.

(1). De invloed van zonnestraling op MPPT

De Maximum Power Point Tracking (MPPT) van de omvormer is bedoeld om het punt met het maximale vermogen in de bovenstaande grafiek te vinden. Zoals te zien is in de grafiek, neemt het maximale vermogenspunt bijna evenredig af wanneer de zonnestraling afneemt, zoals weergegeven in de onderstaande tabel.

Uit de bovenstaande tabel blijkt dat wanneer de zonnestraling evenredig afneemt, de MPPT-spanning slechts licht daalt. Aangezien P = I × U, betekent dit dat wanneer de zonnestraling afneemt, het vermogen (P) evenredig afneemt, terwijl de spanning (U) slechts licht daalt. Hierdoor moet de stroom (I) evenredig afnemen.

(2). De invloed van temperatuur op MPPT

Zoals te zien is in de bovenstaande grafiek, neemt het maximale vermogen geleidelijk af in verhouding tot de temperatuurcoëfficiënt, zoals weergegeven in de onderstaande tabel.

Hieruit blijkt dat de stroom voornamelijk wordt beïnvloed door de zonnestraling, terwijl de spanning voornamelijk wordt beïnvloed door de temperatuur.

4. MPPT van een fotovoltaïsche energieopwekkingseenheid en het bijbehorende principe en algoritme

(1). MPPT van een fotovoltaïsche energieopwekkingseenheid

MPPT van fotovoltaïsche energieopwekkingseenheid

De twee bovenstaande afbeeldingen tonen de MPPT-tracking van een fotovoltaïsch module. In praktijkprojecten moet een 500 kW-omvormer vaak worden aangesloten op 80 tot 90 fotovoltaïsche strings.

Tijdens het gebruik kan de fotovoltaïsche array gemakkelijk worden beïnvloed door omgevingsfactoren zoals zwevende wolken, gebouwen, boomschaduw en stof op het oppervlak van de zonnepanelen. Dit kan leiden tot een afname van het uitgangsvermogen en een complexe uitgangskarakteristieke curve met meerdere extreme punten.

Bijvoorbeeld:

Een airconditioningsunit bevindt zich achter een bepaalde string.
Een blad bedekt een bepaalde cel.
De schaduw van een boom blokkeert een deel van het paneel.

Dit zorgt ervoor dat er een uitgangsvermogenverschil ontstaat tussen verschillende strings. Hierdoor wordt de uitgangskarakteristieke curve van de fotovoltaïsche string die op elke omvormer is aangesloten complex en bevat deze meerdere extreme punten. Om het hoogste punt te vinden en de energieopbrengst te maximaliseren, is MPPT noodzakelijk!

(2). Principe van Maximum Power Point Tracking

Met de ontwikkeling van de elektronische technologie wordt de huidige MPPT-besturing van zonnecelarrays meestal uitgevoerd via DC/DC-conversiecircuits. Het principe-blokdiagram is hieronder weergegeven.

De MPPT van de zonnearray wordt gecontroleerd door een DC/DC conversiecircuit

De fotovoltaïsche cellarray is via een DC/DC-circuit verbonden met de belasting. Het maximale vermogensvolgingapparaat (MPPT) detecteert continu de veranderingen in stroom en spanning van de fotovoltaïsche array en past de duty-cycle van het PWM-aanstuursignaal van de DC/DC-omvormer aan op basis van deze veranderingen.

Voor een lineair circuit geldt dat wanneer de belastingweerstand gelijk is aan de interne weerstand van de voeding, de voeding zijn maximale vermogen levert. Hoewel fotovoltaïsche cellen en DC/DC-conversiecircuits sterk niet-lineair zijn, kunnen ze als lineaire circuits worden beschouwd over een zeer korte tijdsperiode. Daarom kan, zolang de equivalente weerstand van het DC/DC-conversiecircuit wordt aangepast zodat deze altijd gelijk is aan de interne weerstand van de fotovoltaïsche cel, het maximale vermogen van de fotovoltaïsche cel worden bereikt, en kan de MPPT van de fotovoltaïsche cel worden uitgevoerd.

(3). MPPT-algoritme

Op dit moment is de MPPT-technologie van fotovoltaïsche arrays in de industrie onderzocht, en zijn er verschillende besturingsmethoden ontwikkeld. De meest gebruikte zijn als volgt:

Constant voltage tracking method (Constant Voltage Tracking, CVT)
Perturbation and Observation method (Perturbation and Observation, P&O)
Incremental conductance method (Incremental Conductance, INC)
Conductance increment method based on gradient variable step length, enz.(Deze algoritmen kunnen alleen worden gebruikt onder onbelemmerde omstandigheden)

● MPPT-algoritme voor enkel piekvermogen

Op dit moment, onder onbelemmerde omstandigheden, zijn de besturingsmethoden voor maximum vermogenspunttracking (MPPT) van fotovoltaïsche arrays veelal als volgt:

Constant voltage tracking method (Constant Voltage Tracking, CVT)
Perturbation and Observation method (Perturbation and Observation, P&O)
Incremental conductance method (Incremental Conductance, INC)
Conductance increment method based on gradient variable step length, enz.

● Multi-piekvermogen MPPT-algoritme

Gewone maximum vermogenspunttracking-algoritmen, zoals de perturbation observation en conductance increment method, kunnen falen wanneer er een wolk voor de panelen komt en kunnen geen echte maximum vermogensvolging bereiken. Tegenwoordig hebben enkele onderzoekers multi-piek MPPT-algoritmen voorgesteld, die voornamelijk de volgende drie types omvatten: