光伏发电系统中的MPPT

光伏电池输出特性具有明显的非线性，受到外部环境包括日照强度、温度、负载以及本身技术指标如输出阻抗等影响，只有在某一电压下才能输出最大功率，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。由于目前光伏电池的光电转换效率比较低，为了有效利用光伏电池，对光伏发电进行最大功率跟踪(MaximumPowerPointTracking，简称MPPT)显得非常重要，这里就需要用到MPPT太阳能控制器。

太阳能电池由硅半导体PN结构成，在硅半寻体中从硅原子的价电子层中分离出一个电子需要一定的能量，该能量称为硅的禁带宽度（在室温下硅的禁带宽度为1.12eV），当一定强度的光照射到硅半导体时，能量大于硅的禁带宽度的光子将使硅半导体中的价电子受到激发而成为自由电子，从而在半导体内形成光生电子－空穴对，这些电子－空穴对由于热运动会向各个方向扩散。当这些电子、空穴扩散到PN结边界时在内建电场作用下，在N区的电子－空穴会进入P区，而在P区的电子则在电场作用下进入N区，从而在PN结的两侧产生正负电荷的积累，使P型层带正电，N型层带负电，因此在PN结上产生了电动势。这个现像被称为“光生伏特效应”。

目前光伏系统中使用的电池多为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜电池，这些硅电池的输出具有强烈的非线性特性，他们的输出受太阳光照强度、环境温度以及负载的影响，如图2所示是在恒度温度下，不同光照强度时太阳能硅电池的输出特性。

因为太阳能硅电池的输出受温度、日照强度和负载的影响，在一定的环境温度和光照强度下，太阳能硅电池可以工作在不同的输出电压。很显然由于硅太阳能电池的伏安特性呈现非线性的原因，只有硅太阳能电池在某一输出电压值时其输出的功率才能达到最大值。因此，在光伏发电系统中，为了让硅光伏电池能工作在最大输出功率点，该光伏发电系统就必须根据当前的光照强度和环境温度调整硅光伏电池的工作点，这个调整的过程就称为“最大功率点跟踪(MPPT,Maximum Power Point Tracking)”。

如图3所示，在温度恒定的情况下，当光照强度改变时，硅光伏电池的伏安特性曲线也随之改变，当光照强度由600W/m2变成800W/m2时最大功率点将由C点变成B点，这时硅光伏电池的工作点也需要改变到最大功率点上才能获取到最大输出功率。

根据最大功率传输定理，在直流电路中含源线性电阻Ro单口网络向可变电阻负载RL传输最大功率的条件是负载电阻RL与单口网络的输出电阻Ro相等，满足RL=Ro条件时称为最大功率匹配，此时负载电阻RL获得最大功率。

在硅光伏电池系统中，太阳能电池的伏安特性曲线受光照强度、温度和负载的影响下呈现非线性特性，其本质是电池内阻受光照强度、温度和负载的影响下不断变化。因此，根据最大功率传输定理，最大功率点跟踪的过程实际上是让负载等效电阻（直流系统）不断跟踪太阳能电池内阻并且使它们相等的过程。

目前硅光伏发电系统中，最大功率点跟踪的实现是在太阳能光伏电池阵列和负载之间加入一级DC/DC变换器，MPPT控制器通过改变DC/DC变换器的等效阻抗来实时调整硅太阳能电池工作在最大功率点，如图4所示。

传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于MPPT太阳能控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。

根据NB/T 32004-2013的要求，MPPT效率包括动态MPPT效率和静态MPPT效率，测量方法按EN 50530-2010的要求进行或参见NB/T 32004-2013。

根据NB/T 32004-2013标准，静态最大功率跟踪效率计算公式如下

静态最大功率点跟踪效率反应的是在给定静态PV组件的特性曲线上，逆变器调节跟踪最大功率点的精度。

根据NB/T 32004-2013标准，动态最大功率跟踪效率计算公式如下

所以MPPT动态最大功率跟踪效率测量，我们应该测出太阳电池输出的电压电流及最大功率输出，并进行上述公式的计算，才能得出结论。

过去测试人员在进行MPPT效率评估时，需要先用功率分析仪测试出一段时间内的光伏逆变器输入功率的积分，然后再通过公式人手计算出MPPT效率，测试效率低下。

PA6000功率分析仪具备动态与静态MPPT效率测量功能，在积分模式下可实现MPPT效率的高精度自动测量，直接显示效率测量结果，节省了人工处理数据的时间。

利用光伏方阵模拟器控制输入直流的数值，电网模拟电源与逆变器连接模拟电网与逆变器的并网状态，再通过调节光伏方阵模拟器模拟太阳电池输出电压电流的变化。

传统测量转换效率，由于测量设备通道数有限，输入与输出只能分开测量，这样导致采集到的数据缺乏同步性，由此算得的转换效率自然不准确。针对多路输入的光伏逆变器，PA6000可轻松实现4通道输入，3通道输出同时采样，并且PA6000内部采用高稳定度温度补偿的100M同步时钟实现7通道的ADC同步采样，同步采样时钟误差小于10ns，满足高效能逆变器效率的严格测量要求。

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