MPPT和功率分析仪在光伏发电行业中的应用-原理图|技术方案
在光伏发电系统中，如何提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)。
一、MPPT基本原理
理论上讲，只要将光伏电池与负载完全匹配、直接耦合（如负载为被充电的蓄电池），负载的伏安特性曲线与最大功率点轨迹曲线即可重合或渐进重合，使光伏电池处于高效输出状态。但在日常应用中，很难满足负载与光伏电池的直接耦合条件。因此，要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时变更系统负载特性，即调整光伏电池的工作点，使之能在不同的日照和温度下始终让光伏电池工作在最大功率点附近，这一跟踪过程就称为最大功率点跟踪，如图 1所示为MPPT基本原理图。
图 1 MPPT原理图
l最大功率点A1→最大功率点B1（条件：将系统负载特性由负载1改为负载2）
l最大功率点B1→最大功率点A1（条件：将系统负载特性将负载2改回至负载1）
由此可见，光伏发电系统中的MPPT控制策略，就是先根据实时检测光伏电池的输出功率，再经过一定的控制算法预测当前工况下光伏电池可能的最大功率输出点，最后通过改变当前的阻抗或电压、电流等电量等方式来满足最大功率输出的要求。
这样，不论是因外部光照强度变化，还是因内部光伏电池的结温变化使得光伏电池的输出功率减少，系统始终可以自动运行于当前工况下的最佳工作状态，达到最大功率输出，从而可提高整个光伏发电系统转换效率。
二、最大功率点的影响因素
在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池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。如图2所示为MPPT受光照影响图、图 3所示为MPPT受温度影响图
图 2 MPPT受光照影响
图 3 MPPT受温度影响
如图所示可见光照强度和温度下降都会导致光伏电池的最大功率点下移
三、MPPT技术在应用中存在的问题
l误跟踪现象
大多数MPPT算法仅采集光伏电池的电压和电流，并基于扰动观察的思想进行跟踪，但是无从得知光伏电池输出功率的变化是由扰动还是由外界环境的变化而引起的，所以当环境变化较快时，容易发生误跟踪现象。解决方案主要有以下几类：
① 根据环境进行开环控制；
② 使算法扰动带来的功率变化大于环境变化带来的功率变化；
③ 辨识和补偿环境变化带来的功率变化。
l多峰值问题
光伏电池被局部遮挡或特性不一致可能导致多功率极值的出现。在多峰值的条件下，如何进行最大功率点跟踪？找到最大点，而不是局部极值，是一个比较困难的问题。另外，当出现多峰值时，实际上光伏电池工作在不良状态，严重功率失配，既损失了能量，又容易损坏光伏组件。这种状态可能是需要被检测和避免的。
l对实际运行状态的考虑不足
多数文献在仿真验证算法时，是通过对环境变化的阶越响应实现的。但实际情况中，环境的变化是连续的，不会从一个稳态突然跳到另一个稳态。很多算法会在环境快速连续变化的情况下失效。 在众多MPPT算法的研究中，被很多研究者忽略的问题是采样精度和计算误差所带来的限制。很多理论上成立且仿真中有效的算法，在实际系统中是不可行的。
如何解决上述这些问题，以提高MPPT技术应用水平，是光伏发电逆变器应用过程中的重点和难点 。
四、功率分析仪在MPPT测试的优势
由于太阳电池的输出特性受负荷状态、日照量、环境温度等因素的影响、太阳电池阵列的电压和电流均发生很大的变化，从而使输出功率不稳定，即最大功率点时刻变化。为了充分利用太阳能以获取最大功率输出，必须跟踪、控制太阳电池的最大功率点、最大限度地利用太阳能，如图 4所示为光伏发电示意图。采用PA8000功率分析仪的MPPT测试主要有一下几方面优势：
图 4 光伏发电
l最多支持7个功率输入单元，输入功率与输出功率同步测试，进一步提高准确度
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，PA8000可轻松实现4通道输入，3通道输出同时采样，并且PA8000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极致测量要求。
l支持权重系数自由切换，方便导出各地区效率报表
PAM软件能够自由切换权重系数，支持欧洲效率、CEC效率、中国各地区权重系数计算，并能快速的导出相应地区的效率报表，PA8000是业内唯一支持效率权重系数自由切换的功率分析仪器。
l支持自定义效率公式，方便导出MPPT、转换效率报表
支持自定义效率测试公式，能同时显示6个效率测试结果，方便同时测量MPPT效率，转换效率。PAM软件能够导出测试静态与动态MPPT报表，转换效率报表，方便检测机构进行操作，大大提高了工作效率。
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如图1所示，基本上有三种不同的方法来测量三相电动机驱动系统中的电流：低侧、直流链路和直列测量。图1所示的是传统三相PWM逆变器，该逆变器使用三对功率MOSFET（绝缘栅双极晶体管IGBT也很常见）来驱动直流电动机。该图还包括高侧电流感应，其通常在显著错误情况下使用，比如接地电路短路的情况。
图1：三相电机驱动系统的各种电流感应方法
许多设计人员使用前两种方法（低侧、直流链路及其各种组合），因为标准电流感应解决方案很容易获得——通常具有快速响应时间、更高带宽、快速输出转换速率和低共模输入电压。但是，这些现有的产品可通过低侧或直流链路感应相电流，但并不意味着就是最简单的解决方案。用这些方式测量电流的主导思想是试图复制被驱动到电机绕组中的电流。这种复制情况发生在软件中；它可广泛参与，但不够精确。
直列式电流感应方法看似是最合理的，因为这是最终要测量的电流。但这种方法存在一个问题。驱动MOSFET或IGBT的PWM信号对电流感应放大器造成严重破坏。感测电阻处的共模信号从电源电压被驱动到接地，具有非常快速的瞬态开关特性，而电流感应放大器试图测量感测电阻本身的小差分信号。图2是由PWM逆变器产生的正弦相电流（红色波形）的示波器截图。这种情况下，PWM频率为100兆赫（MHz），由LMG5200 GaN半桥功率级提供（更多详细信息，请参见底部的TI设计）。需要注意的是，快速开关信号是直列式电流感应放大器测量相电流时所接收的信号。这就像在有飓风的情况下，当杯子在海上漂浮，而试图测量杯中液体一样。难怪大多数设计师会考虑使用低侧感应！下面我们将介绍另外一种方法。
图2：在快速共模瞬变期间测量相电流
描述潜在优势之前，先解释一下增强型PWM抑制。增强型PWM抑制是一种有源电路，它比传统方法更快速的稳定输出电压。因为电流感应放大器可以检测具有快速转变的输入共模信号，所以这些扰动在设备输出传播时将降至最低。减少这些干扰（被设计者亲切地称为“振铃”）的另一种方法是使用高带宽放大器（在MHz范围内）尽快稳定输出，但这种方法的成本可能很昂贵。
图3所示为在没有噪声引入的情况下，每个相的输出电压信号。红色波形是信号，表示功率晶体管尽可能接近正弦波形地复制到电动机，该晶体管以电子方式换向。电流感应放大器将经历从电源轨（例如，VBATT = 48V）到接地的输入共模电压信号。
图3：使用增强型PWM抑制的预期电压波形
优势1：减少消隐时间
共模PWM瞬态抑制允许在电流感应放大器的输出上具有较少的“振铃”。不得不等待电压信号稳定是主要的缺点，特别是对于需要低忙闲度（≤10％）的系统更是如此，因为测量电流的时间缩短了（在工业上通常称为消隐时间）。
优势2：直列电流感应
与高共模输入电压相结合，增强型PWM抑制可监控直列式电流。前面讨论过，由于其暴露的恶劣环境，电流感应放大器的鲁棒性是必须的。除这一要求外，放大器还必须具有高AC和DC精度，为系统设计人员提供精确的电流传感器测量，您可在TI TechNote中使用INA240阅读更多的直列式电机电流感应的信息。
优势3：可能消除电隔离
增强型PWM抑制的另一个优势很微妙，但又很重要。通过增强型PWM抑制，当电流隔离并非系统所要求时，设计人员无需使用隔离的电流感应设备。客户经常使用隔离设备来解耦PWM信号通过感测电阻时产生的噪声。使用增强型PWM抑制不再需要去耦。
优势4：算法优化
我之前提到过这一优势——算法优化。利用增强型PWM抑制，不需要再复制或计算相电流，因为可直接得到现成答案。只需很少的软件就能有效地运行电机。
优势5：提高电机效率
我想谈谈最后一个优势——提高电机效率，这对设计师来讲可以说是最重要的。电机制造商和电机驱动系统设计者一直在寻找提高电机效率的方法。高AC和DC精度、快速的输出响应和减少消隐时间使得电机以尽可能高的效率运行。多相电机的精确定时控制尽可能地减少消隐时间，从而最大化电机效率。
图4所示为五大优势。
图4：增强型PWM抑制的五大优势
德州仪器的INA240电流感应放大器使用增强型PWM抑制，为您的电机设计带来了丰富的系统级优势。
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