关于光伏逆变器动态MPPT效率测试方法的思考

在现实生活中，由于阳光照射角度、云层、阴影等多种因素影响，光伏阵列接受到的阳光辐照度和相应温度在不同的条件下会有很大的差别，比如在早晨和中午，在晴朗和多云的天气下，特别是云层遮掩的影响，可能会造成短时间内辐照度的剧烈变化。因此对于光伏逆变器而言，其必须具备应对阳光辐照度持续变化的策略，始终维持、或者是在尽可能短的时间内恢复到一个较高的MPPT精度水平，以及较高的转化效率，才能在现实生活中实现良好的发电效果。

目前光伏逆变器行业中各大厂商对于静态MPPT追踪算法的处理基本都展现出了很高的水准，可以精确地维持在非常接近100%的水平，为后端直流转交流的过程提供了良好的基础。这一点也体现在各个型号的逆变器的总体效率参数上，标称值一般都很高。而在逆变器实际的工作环境中，日照、温度等外部条件是处于实时动态变化的过程中，逆变器在这样的条件下工作，其动态效能也就成为了衡量其实际性能的不可忽视的重要指标。

在实验室的测试环境下，光伏模拟器作为可以直接模拟各种类型、各种配置的光伏阵列的高效模拟器，已经被广泛地应用于逆变器的测试。但此前的测试更多地集中于模拟各种静态条件下(即在测试过程中维持给定的IV曲线不变化)，或者是有限的低强度变化(如测试过程中会在给定的两条或数条IV曲线之间切换)，较少涉及长时间、高强度的真实工作状况的模拟。笔者关注使用光伏模拟器来模拟光伏阵列随时间而发生动态变化的输出，探究此动态MPPT测试功能的实用性和其中需要注意的要点。

由于动态天气的组合方式几乎无穷无尽，因此首要的问题是光伏模拟器提供了哪些典型类型的天气文档，以及是否有足够的灵活度来供客户自行生成新的天气文档，是否提供足够高的时间分辨率来支持快速的辐照度变化。我们以光伏模拟与测试业内的知名品牌阿美特克ELGAR的光伏模拟器产品为例，其提供了晴天、多云、阴天等状况的典型天气情况实例(如下图1)，另外支持直接在软件内制定或者通过外部数据处理软件(如EXCEL)生成自定义天气文档，时间分辨率为1秒。对于天气文档的时间长度则没有限制，可以支持长时间的测试，如一周甚至更长时间。

图1 晴天和阴天的辐照度及温度变化情况，横轴为时间，黄线为辐照度，紫线为温度

业内部分组织也定义了一些“标准”的测试形态，以便对不同的逆变器按照相同标准来做比对。例如：

1. Sandia National Laboratory定义了辐照度和温度变化的几种不同模式。

-- 快速变化(辐照度3秒钟从100W/m2线性升至800W/m2及反向下降)

-- 慢速变化(辐照度半小时从0W/m2线性升至1000W/m2然后相同速率下降回0，同期温度从5度到60度再回到5度)

-- 三角变化(辐照度30秒从100W/m2线性升至800W/m2然后相同速率下降回100W/m2，重复60次)

-- 温度变化(10秒从35度线性升温至75度然后相同速率下降回35度，重复15次)

2. IEC/EN50530在附录B中定义了不同的测试模式。

-- 低辐照度到中辐照度的不同速率往复变化(从100W/m?到500W/m?的变化，11种不同速率，最慢800秒，最快8秒)

-- 中辐照度到高辐照度的不同速率往复变化(从300W/m?到1000W/m?的变化，6种不同速率，最慢70秒，最快7秒)

3. 鉴衡CGC/GF004对于动态效率的测试模式定义与EN50530相同。

应该说这些标准提供了很好的参考条件，便于各逆变器厂商进行针对性的改善动态MPPT性能的研究。这些标准更多的是关注辐照度的变化而非温度的变化，这是由于光伏组件的输出功率受辐照度影响特别剧烈，而温度的影响则相对较小。需要注意的是，这些标准对于辐照度变化的时间分辨率并没有给出强制性的要求，但是其本质上会要求在以秒为基础单位的同时进行进一步的线性内插，以满足该种测试形态。

以EN50530为例，其对于辐照度变化速率的最快的要求是100W/m2/s，以7秒钟实现从300W/m2到1000W/m2的变化。如果我们只是采纳1秒钟变化一次辐照度的方法，则将得到如下的以1秒为步进的阶梯状辐照度变化图档(图2)，而非标准所要求的线性变化状辐照度图档(图3)。

图2 以1秒为步进的阶梯状辐照度变化 图3 理想的线性辐照度变化

通过简单的数学计算，以一个在标准测试状态下(STC，1000W/m?，25摄氏度)标称为1KW的逆变器为例，来评估这种阶梯状变化方式的影响能有多大。按照EN50530附录C中定义的光伏阵列I/V曲线拟合公式，相应的晶硅模型和薄膜模型在对应辐照度下的理论最大功率点列表如下。

也就是说每次100W/m2的辐照度变化会导致光伏模拟器的输出IV曲线的最大功率点(以下简称Pmp)有一个大约10%标称功率的跳变。另外通过简单的数学计算便可得出此种阶梯状变化方式与理想情况间会造成的实际给逆变器供应功率的差异，在这辐照度线性增大的7秒内对于晶硅模型是少了707W，对于薄膜模型是少了700W，也就是大约每秒少供应100W，约10%标称功率的供应不足。同理当辐照度线性减少的时候就会是大约每秒多供应100W，约10%标称功率的供应过量。这种高达10%的供应功率差异完全是由于光伏模拟器本身的算法导致的。对于高速逆变器来说，这种差异可能严重影响其性能表现，使其无法发挥出自己的真实能力，无法与其他的相对低速的逆变器区分开来。

解决此问题的方法就是在每秒间进行线性内插，使得光伏模拟器给出的IV曲线尽可能地贴合理想的线性变化。例如阿美特克ELGAR的光伏模拟器可以在每秒之间线性内插128次，也就是每7.8毫秒就会自动变更一条新的IV曲线，这样一来就相当于曲线之间几乎是无缝切换。但是这样高速的变化会引入另一个问题，即MPPT追踪精度的计算问题。

目前各厂家基本上都是依靠光伏模拟器本身提供的MPPT精度测量功能来直接计算逆变器的MPPT效率，计算方法是将当前时刻的输出电压乘以输出电流，得到当前的实际输出功率，然后除以当前IV曲线的Pmp。这其中当前的实际输出电压和电流值的获取是需要进行实时测量的，有一个测量时间窗口长度的问题，理论上是时间长度长一些比较好，例如20ms或以上，以便于滤除纹波干扰以获得高精度的读数;而另一个更重要、影响也更大的问题是同步问题。

当IV曲线处于高速自动线性内插的状况(例如每7.8毫秒更新一次)时，很显然常规的20ms测量窗口无法与之匹配，当20ms的测量采样时间完成并得到一个输出功率值时，此时的IV曲线已经更新了二至三次，我们拿这个测量值除以当前使用的IV曲线的Pmp值，得到的MPPT效率显然会存在失真。于是当辐照度处于上升状态时，此时光伏模拟器报告的MPPT效率会偏低;当辐照度处于下降状态时，光伏模拟器报告的MPPT效率会偏高。如下图(图4)是一个辐照度以100W/m2的速率从1000W/m2下降至300W/m2，同时光伏模拟器进行每秒128次内插的测试结果。我们可以清楚地看到，红色线代表的光伏模拟器报告的实际输出功率高出蓝色线代表的线性下降的理想IV曲线的Pmp，以至于计算得到的MPPT效率会出现超过100%的情况。

图4 100W/m2/s的辐照度线性下降情况下，带高速线性内插功能的光伏模拟器报告的MPPT效率存在较大的误差

为了解决此一问题，我们需要选取适当的IV曲线更新速率以及测量时间窗口。例如阿美特克ELGAR光伏模拟器允许用户设置禁用每秒128次的仪器自动内插更新IV曲线功能，而启用软件统一控制的每100毫秒更新一次IV曲线的方法，而同样由软件来操作在此期间的输出功率回读，这样就可以确保当前输出功率的测量与IV曲线更新的同步问题。这样IV曲线的更新速率为每秒10次，可以使得供应给逆变器的功率跳变、以及供应能量与理想情况的差异均缩减为1%的量级，无疑是目前市面上性能表现最为优秀的光伏模拟器。如下图5是采用该方式后的测试结果。我们可以看到代表实际输出功率测量结果的红色轨迹极好地匹配了代表理想Pmp变化的蓝色轨迹。图6是更长时间上的测试结果图示，包含辐照度下降和上升的两种情况。说明当前这款逆变器可以非常良好地适应这种1000W/ m2的辐照度变化速率，维持99%以上的MPPT效率。

图5 100W/m2/s的辐照度线性下降情况下，开启软件10次/秒线性内插功能的光伏模拟器报告的MPPT效率

图6 更长时间的100W/m2/s的辐照度线性下降情况下，开启软件10次/秒线性内插功能的光伏模拟器报告的MPPT

综上所述，当我们需要在实验室里进行动态的天气状况模拟时，需要能够构建或加载各种复杂天气状况以及国际规范定义的典型测试模式，构建的天气文档的时间分辨率达到秒级，而实际的IV曲线更新速率需要更快(如每秒10次)以满足平滑变化及符合实际状况的要求，同时在高速的IV曲线更新时还务必要确保输出采样数据的同步性，只有这样，我们才能得到足够精确、可信赖的测试结果。