PTS-系列之PEK-100系列教學
PEK-120模(mo)塊之光伏最大功率(lv)點追蹤

寫在前面的話(hua)

max-width:760px;經過(guo)前幾(ji)期對于PTS-800中(zhong)基本的(de)電(dian)路圖(tu)拓(tuo)撲結(jie)構的(de)學習(xi)，我們已經掌握了基本的(de)電(dian)路模型。從(cong)PEK-100系(xi)列(lie)開(kai)始(shi)，在固有電(dian)路拓(tuo)撲基礎上(shang)開(kai)始(shi)對電(dian)路的(de)控制方式進(jin)行(xing)學習(xi)。本期將針對直流變(bian)換器PEK-120的(de)控制方式以及(ji)與(yu)新能源中(zhong)光伏發電(dian)結(jie)合(he)探究最大功率點追蹤技術的(de)學習(xi)。

PEK-120

降(jiang)壓式轉換器模組

簡 述(shu)：

max-width:760px;光伏模組(zu)的輸出特(te)性既非定(ding)電(dian)壓(ya)亦(yi)或定(ding)電(dian)流，輸出功(gong)率(lv)均會隨工作點改(gai)變，因此必須隨時調整(zheng)工作點，使發電(dian)功(gong)率(lv)達(da)到最佳，此稱為最大(da)功(gong)率(lv)點追蹤以下針對(dui)PV模組(zu)特(te)性加(jia)以說明，以作為MPPT控(kong)制器設計之參考。

max-width:760px;PV模組乃(nai)由許多PV串(chuan)并聯(lian)所(suo)組成，PV經由光照射后，形成一(yi)電(dian)流源(yuan)提(ti)供負(fu)載能量，PV 等效(xiao)電(dian)路如(ru)圖所(suo)示，其中Iph用(yong)來表示 PV所(suo)產生(sheng)之(zhi)電(dian)流，而Dj則(ze)(ze)表示為(wei)一(yi) P-N 接面(mian)二極體，Rsh與(yu) Rs則(ze)(ze)分別表示材料內部之(zhi)等效(xiao)并聯(lian)與(yu)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻，通常在分析時(shi)Rsh的(de)值(zhi)很大，而 Rs的(de)值(zhi)則(ze)(ze)很小，因此一(yi)般而言(yan)，為(wei)了簡化分析過程(cheng)可(ke)將(jiang)Rsh 和Rs忽(hu)略不計，Ip與(yu)Vp分別表示 PV 之(zhi)輸出(chu)電(dian)流與(yu)電(dian)壓。

光伏模組(zu)：

max-width:760px;PV模組的(de)(de)等效電路和P-N接面半導體(ti)的(de)(de)特(te)性，PV模組的(de)(de)輸出電流(liu)可用(yong)以下數學方(fang)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(zhi)理(li)想因數(shu)(A=1~5)

q : 表(biao)示一個電子之(zhi)電菏量(1.6×10-19C)

K : 表(biao)示(shi)波茲曼(man)常數(1.38×10-23 J/°K)

np : 表示(shi)PV之(zhi)電池(chi)并聯數

 ns : 表(biao)示PV之(zhi)電(dian)池串(chuan)聯(lian)數(shu)

PV之等效電(dian)路(lu)

而Isat表(biao)示(shi)太陽光電板(ban)的反(fan)向飽(bao)和電流，其數學關系式(shi)可表(biao)示(shi)如下：

Tr : 表示(shi) PV 之參(can)考溫度(du)(°K)

Irr : 表示(shi) PV 之(zhi)參考(kao)溫度 Tr 時(shi)之(zhi)反向飽和電流(A)

Egap :表示半導體材料(liao)跨越能(neng)間帶間隙時所需能(neng)量

Iscr : 表(biao)示 PV 電池工作于參考溫度(du)與1kW/m2之日照條件下之短(duan)路電流(liu)(A)

α : 為PV模組短路(lu)電流溫(wen)度系數

S : 為太(tai)陽(yang)日照量(kW/m2 )

由此可計算出輸(shu)出功率P，表示為(wei)

整(zheng)理得到

由上述(shu)方程式(shi)可了解 PV 模組特性，可描繪出在不同日照量與(yu)PV 板表面溫度變化(hua)情況下 PV 模組輸出電壓、電流與(yu)功(gong)率曲線圖。

PV電(dian)轉換器之控(kong)制方法：

max-width:760px;由PV模組(zu)(zu)之特性模擬曲線(xian)可得知，影(ying)響PV模組(zu)(zu)輸(shu)出(chu)功(gong)率的(de)(de)兩個因素為日(ri)(ri)照強度與(yu)環(huan)境溫度，隨著天氣的(de)(de)多變，溫度與(yu)日(ri)(ri)照強度隨時都可能改變，因此欲使PV模組(zu)(zu)輸(shu)出(chu)最(zui)大(da)功(gong)率，提高PV模組(zu)(zu)發電效率必須控制PV系統(tong)的(de)(de)功(gong)率轉換器，來獲得在不同工作環(huan)境下(xia)最(zui)大(da)功(gong)率輸(shu)出(chu)，而此控制方(fang)法(fa)即是最(zui)大(da)功(gong)率點(dian)追蹤(MPPT)技術(shu)。

max-width:760px;下圖為三(san)種(zhong)典(dian)型(xing)PV發電(dian)系統之(zhi)電(dian)力轉換器架構，三(san)種(zhong)架構之(zhi)MPPT控(kong)制都(dou)必須借由控(kong)制PV模組轉換器之(zhi)輸入(ru)電(dian)壓Vp與輸入(ru)電(dian)流(liu)Ip來達成，只要計算(suan)出PV模組最大功(gong)率點之(zhi)電(dian)壓做為命令(ling)，借由電(dian)壓回路控(kong)制使其操作(zuo)在MTTP點即可。

max-width:760px;由PV模(mo)組(zu)(zu)(zu)(zu)之(zhi)(zhi)特性模(mo)擬(ni)曲線可知，PV模(mo)組(zu)(zu)(zu)(zu)既非電(dian)(dian)(dian)壓(ya)源(yuan)(yuan)亦(yi)(yi)非電(dian)(dian)(dian)流源(yuan)(yuan)，當(dang)應(ying)用于電(dian)(dian)(dian)壓(ya)源(yuan)(yuan)轉換(huan)器(qi)結合分析(xi)時(shi)，例如(ru)上圖中之(zhi)(zhi)各式轉換(huan)器(qi)時(shi)，則(ze)PV模(mo)組(zu)(zu)(zu)(zu)必須視為一電(dian)(dian)(dian)流源(yuan)(yuan)，其(qi)等效電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)如(ru)下圖所(suo)示(shi)；反之(zhi)(zhi)亦(yi)(yi)然，當(dang)應(ying)用于電(dian)(dian)(dian)流源(yuan)(yuan)轉換(huan)器(qi)時(shi)，則(ze)PV模(mo)組(zu)(zu)(zu)(zu)必須視為一電(dian)(dian)(dian)壓(ya)源(yuan)(yuan)，其(qi)等效電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)如(ru)下圖所(suo)示(shi)。

改良(liang)型INC MPPT：

max-width:760px;本(ben)文章以改(gai)良型(xing)增(zeng)量電導(dao)MPPT控制(zhi)法為例，為隨著照(zhao)度變化的(de)電壓源(yuan)VS串聯一(yi)內阻(zu)RS，提供能量給(gei)DC-DC轉換器，此(ci)處之DC-DC轉換器形(xing)同一(yi)負載(zai)RL，在此(ci)模(mo)型(xing)下PV模(mo)組(zu)于不同負載(zai)下的(de)輸(shu)出功率(lv)Po可(ke)寫成：

 max-width:760px;Vo為輸出(chu)(chu)電(dian)壓，Io為輸出(chu)(chu)電(dian)流。其最大功率點發生在(zai)：

max-width:760px;因(yin)此，當PV模組(zu)輸出電壓(ya)為Vs/2時，具有最大功率輸出。再(zai)根據分壓(ya)定理：

max-width:760px;證明當RL=RS時(shi)，PV模(mo)組具最(zui)大功(gong)率輸出(chu)，也就是(shi)阻抗匹配(pei)定理(li)。實際(ji)上(shang)PV模(mo)組之Vs與(yu)Rs值(zhi)(zhi)如同(tong)前述可知，雖然(ran)在同(tong)一日照(zhao)下此二值(zhi)(zhi)將(jiang)然(ran)隨工作(zuo)點變(bian)化(hua)而動(dong)態變(bian)化(hua)，因此RL值(zhi)(zhi)亦會動(dong)態變(bian)化(hua)，然(ran)而上(shang)述二電阻分(fen)壓(ya)之最(zui)大功(gong)率值(zhi)(zhi)理(li)論仍然(ran)適(shi)用。

max-width:760px;下圖(tu)所(suo)示為本實驗所(suo)采用之PV模(mo)組MPPT方法，利(li)用操(cao)作于(yu)兩個負載值(zhi)時得到的(de)(de)電壓(ya)電流(liu)，利(li)用兩點求(qiu)斜(xie)率(lv)法，可求(qiu)得PV模(mo)組內(nei)阻，如圖(tu)所(suo)示。此方法先(xian)操(cao)作DC-DC轉換器于(yu)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)責任周期率(lv)(D)，等(deng)同(tong)(tong)于(yu)兩種(zhong)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)負載值(zhi)，操(cao)作于(yu)第一個導通(tong)率(lv)D1時感測輸入的(de)(de)電壓(ya)電流(liu)V1,I1，再操(cao)作第二個導通(tong)率(lv)D2(與D1間格?D)為V2,I2，得到兩點后再經由下式：

max-width:760px;可得(de)到PV模組的(de)內阻(zu)RS；也可以量(liang)(liang)測多個(ge)電(dian)壓(ya)電(dian)流值(zhi)后(hou)，以線性回(hui)歸方(fang)法(fa)計(ji)算(suan)(suan)得(de)內阻(zu)值(zhi)。之(zhi)后(hou)量(liang)(liang)測輸入電(dian)壓(ya)與電(dian)流值(zhi)，計(ji)算(suan)(suan)得(de)輸入阻(zu)抗(kang)Rin，調整導通(tong)率(lv)以改變輸入阻(zu)抗(kang)，并使其(qi)(qi)等(deng)同于(yu)內阻(zu)RS，或(huo)者與內阻(zu)RS相(xiang)差在某個(ge)微小值(zhi)之(zhi)內。當程式(shi)執(zhi)行一段時(shi)間后(hou)(t>T，t為已執(zhi)行時(shi)間，T為設(she)定之(zhi)重復執(zhi)行時(shi)間)，將會重新量(liang)(liang)測輸入阻(zu)抗(kang)，最終達到RS=RL，亦即最大功(gong)率(lv)點。若將1/Rs視(shi)為增(zeng)量(liang)(liang)電(dian)導，則此種阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)法(fa)，其(qi)(qi)實等(deng)效于(yu)上(shang)述之(zhi)INC MPPT方(fang)法(fa)。

max-width:760px;雖然(ran)上圖(tu)(tu)方法可以(yi)(yi)追蹤最大功率點，然(ran)而(er)由于(yu)責任周期(qi)改(gai)變(bian)后(hou)DC-DC轉換器必需經(jing)(jing)歷一(yi)段時(shi)間(jian)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)(dao)穩(wen)態后(hou)再繼續下一(yi)點之(zhi)(zhi)計算，才(cai)不致有方向誤判之(zhi)(zhi)情(qing)況(kuang)，因此MPPT速(su)度將受到(dao)(dao)電(dian)路(lu)(lu)開回(hui)(hui)路(lu)(lu)響應速(su)率之(zhi)(zhi)限制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。為(wei)提升MPPT速(su)度，必須縮短工作點改(gai)變(bian)后(hou)達(da)到(dao)(dao)穩(wen)態之(zhi)(zhi)時(shi)間(jian)，為(wei)達(da)此目標，本研究DC-DC轉換器之(zhi)(zhi)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)構(gou)下圖(tu)(tu)所示，采用雙回(hui)(hui)路(lu)(lu)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，外回(hui)(hui)路(lu)(lu)為(wei)MPPT控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器，其感測輸入電(dian)壓(ya)及電(dian)流作MPPT控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)用以(yi)(yi)產生PV模組之(zhi)(zhi)電(dian)壓(ya)命令(Vp*)。內回(hui)(hui)路(lu)(lu)為(wei)電(dian)壓(ya)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)回(hui)(hui)路(lu)(lu)，其利用電(dian)壓(ya)命令與回(hui)(hui)授之(zhi)(zhi)輸入電(dian)壓(ya)(Vp)相(xiang)較(jiao)經(jing)(jing)誤差放大器調整后(hou)得到(dao)(dao)開關(guan)之(zhi)(zhi)責任周期(qi)。具有電(dian)壓(ya)回(hui)(hui)路(lu)(lu)之(zhi)(zhi)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)架(jia)構(gou)，其電(dian)壓(ya)調整后(hou)達(da)到(dao)(dao)穩(wen)態之(zhi)(zhi)時(shi)間(jian)較(jiao)直接改(gai)變(bian)責任周期(qi)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)(dao)穩(wen)態之(zhi)(zhi)時(shi)間(jian)要(yao)短許多，因此可以(yi)(yi)改(gai)善響應速(su)度，并使MPPT之(zhi)(zhi)追蹤更精確。

max-width:760px;MPPT之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)追(zhui)蹤方法仍然使用上述之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)阻(zu)匹(pi)配法，僅(jin)將工作點之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)調整(zheng)方式改(gai)為(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，其(qi)程式流程如圖所示。程式首先設(she)定起始(shi)值(zhi)(zhi)(zhi)之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)命令(ling)為(wei)(wei)(wei)(wei)開路電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，緊接(jie)進(jin)入周(zhou)期為(wei)(wei)(wei)(wei)T之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)回圈(quan)并進(jin)行取(qu)樣(yang)PV模(mo)組之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)及電(dian)(dian)流(V1及I1)，接(jie)著(zhu)改(gai)變其(qi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)命令(ling)得到(dao)(dao)(V2*)，此處*代表(biao)命令(ling)，此電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)命令(ling)改(gai)變值(zhi)(zhi)(zhi)在(zai)起始(shi)時(shi)(shi)預設(she)為(wei)(wei)(wei)(wei)-DV，但(dan)下一周(zhou)期T之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)后則(ze)可(ke)能為(wei)(wei)(wei)(wei)+DV亦(yi)或-DV，視其(qi)前次取(qu)樣(yang)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)改(gai)變值(zhi)(zhi)(zhi)而定，但(dan)改(gai)變后之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)V2*若(ruo)(ruo)大(da)于PV模(mo)組預設(she)之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)最(zui)(zui)高值(zhi)(zhi)(zhi)Vmax則(ze)增(zeng)加(jia)(jia)值(zhi)(zhi)(zhi)改(gai)為(wei)(wei)(wei)(wei)-DV，同理改(gai)變后之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)V2*若(ruo)(ruo)小于PV模(mo)組預設(she)之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)最(zui)(zui)低值(zhi)(zhi)(zhi)Vmin則(ze)增(zeng)加(jia)(jia)值(zhi)(zhi)(zhi)改(gai)為(wei)(wei)(wei)(wei)+DV。接(jie)著(zhu)取(qu)樣(yang)V2及I2，再利用(V1,I1)及(V2,I2)計算RS值(zhi)(zhi)(zhi)。其(qi)后進(jin)入周(zhou)期時(shi)(shi)間(jian)DT之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)回圈(quan)，不斷利用感測之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(V1,I1)計算RL值(zhi)(zhi)(zhi)，再由RS值(zhi)(zhi)(zhi)與RL之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)比較結果調整(zheng)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)命令(ling)，當RS≥RL電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)調整(zheng)為(wei)(wei)(wei)(wei)增(zeng)加(jia)(jia)DV以(yi)加(jia)(jia)大(da)RL，反之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)當RS<RL電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)調整(zheng)為(wei)(wei)(wei)(wei)減少(shao)△V以(yi)減低RL，使RL得以(yi)追(zhui)蹤RS。此程序(xu)反復(fu)執行，直到(dao)(dao)達到(dao)(dao)一時(shi)(shi)間(jian)周(zhou)期T后，進(jin)入下一個時(shi)(shi)間(jian)T之(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)回圈(quan)。

INC MPPT程(cheng)式

實驗驗證：

總　結(jie)：

max-width:760px;基(ji)于直流直流變換器的光(guang)伏最(zui)大功率追蹤是新(xin)能源(yuan)光(guang)伏發電(dian)的入(ru)門(men)課程，適用(yong)于本(ben)科及研究生階段對光(guang)伏的學(xue)(xue)習與應(ying)用(yong)。固緯電(dian)子在點力電(dian)子教學(xue)(xue)方向致力于為老(lao)師減(jian)少(shao)壓(ya)力，緩解(jie)學(xue)(xue)生的學(xue)(xue)習壓(ya)力，因此(ci)開(kai)創了(le)全新(xin)的理論與實踐相結合的教學(xue)(xue)模式，還(huan)請各位(wei)老(lao)師同(tong)學(xue)(xue)進(jin)行了(le)解(jie)轉發。