固緯電子電力電子教學小課堂 | 第二十三講: PEK-120模塊之光伏最大功率點追蹤

PTS-系列之PEK-100系列教學
PEK-120模塊之光伏最大功率點追蹤

寫在前面的話

max-width:760px;經過前幾期對于PTS-800中基本的電路圖拓撲結構的學習，我們已經掌握了基本的電路模型。從PEK-100系列開始，在固有電路拓撲基礎上開始對電路的控制方式進行學習。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電結合探究最大功率點追蹤技術的學習。

PEK-120

降壓式轉換器模組

簡 述：

max-width:760px;光伏模組的輸出特性既非定電壓亦或定電流，輸出功率均會隨工作點改變，因此必須隨時調整工作點，使發電功率達到最佳，此稱為最大功率點追蹤以下針對PV模組特性加以說明，以作為MPPT控制器設計之參考。

max-width:760px;PV模組乃由許多PV串并聯所組成，PV經由光照射后，形成一電流源提供負載能量，PV 等效電路如圖所示，其中Iph用來表示 PV所產生之電流，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與串聯電阻，通常在分析時Rsh的值很大，而 Rs的值則很小，因此一般而言，為了簡化分析過程可將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方程來表示。

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之電池并聯數

ns : 表示PV之電池串聯數

PV之等效電路

而Isat表示太陽光電板的反向飽和電流，其數學關系式可表示如下：

Tr : 表示 PV 之參考溫度(°K)

Irr : 表示 PV 之參考溫度 Tr 時之反向飽和電流(A)

Egap :表示半導體材料跨越能間帶間隙時所需能量

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可得知，影響PV模組輸出功率的兩個因素為日照強度與環境溫度，隨著天氣的多變，溫度與日照強度隨時都可能改變，因此欲使PV模組輸出最大功率，提高PV模組發電效率必須控制PV系統的功率轉換器，來獲得在不同工作環境下最大功率輸出，而此控制方法即是最大功率點追蹤(MPPT)技術。

max-width:760px;下圖為三種典型PV發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來達成，只要計算出PV模組最大功率點之電壓做為命令，借由電壓回路控制使其操作在MTTP點即可。

max-width:760px;由PV模組之特性模擬曲線可知，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，例如上圖中之各式轉換器時，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，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，為隨著照度變化的電壓源VS串聯一內阻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可寫成：

max-width:760px;Vo為輸出電壓，Io為輸出電流。其最大功率點發生在：

max-width:760px;因此，當PV模組輸出電壓為Vs/2時，具有最大功率輸出。再根據分壓定理：

max-width:760px;證明當RL=RS時，PV模組具最大功率輸出，也就是阻抗匹配定理。實際上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變化而動態變化，因此RL值亦會動態變化，然而上述二電阻分壓之最大功率值理論仍然適用。

max-width:760px;下圖所示為本實驗所采用之PV模組MPPT方法，利用操作于兩個負載值時得到的電壓電流，利用兩點求斜率法，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，操作于第一個導通率D1時感測輸入的電壓電流V1,I1，再操作第二個導通率D2(與D1間格?D)為V2,I2，得到兩點后再經由下式：

max-width:760px;可得到PV模組的內阻RS；也可以量測多個電壓電流值后，以線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相差在某個微小值之內。當程式執行一段時間后(t>T，t為已執行時間，T為設定之重復執行時間)，將會重新量測輸入阻抗，最終達到RS=RL，亦即最大功率點。若將1/Rs視為增量電導，則此種阻抗匹配法，其實等效于上述之INC MPPT方法。

max-width:760px;雖然上圖方法可以追蹤最大功率點，然而由于責任周期改變后DC-DC轉換器必需經歷一段時間電壓達到穩態后再繼續下一點之計算，才不致有方向誤判之情況，因此MPPT速度將受到電路開回路響應速率之限制。為提升MPPT速度，必須縮短工作點改變后達到穩態之時間，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)相較經誤差放大器調整后得到開關之責任周期。具有電壓回路之控制架構，其電壓調整后達到穩態之時間較直接改變責任周期電壓達到穩態之時間要短許多，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路電壓，緊接進入周期為T之回圈并進行取樣PV模組之電壓及電流(V1及I1)，接著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。接著取樣V2及I2，再利用(V1,I1)及(V2,I2)計算RS值。其后進入周期時間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，直到達到一時間周期T后，進入下一個時間T之回圈。

INC MPPT程式

實驗驗證：

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電的入門課程，適用于本科及研究生階段對光伏的學習與應用。固緯電子在點力電子教學方向致力于為老師減少壓力，緩解學生的學習壓力，因此開創了全新的理論與實踐相結合的教學模式，還請各位老師同學進行了解轉發。