MPPT是光伏逆變器的“靈魂功能”的原因，高頻化技術(shù)升級
在能源轉(zhuǎn)型加速的大背景下，光伏已成為可再生能源的主力。作為系統(tǒng)核心部件，逆變器不僅負(fù)責(zé)電能轉(zhuǎn)換，更通過最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能，決定著光伏系統(tǒng)整體能效。
MPPT的價值在于光伏板輸出功率與電壓呈非線性關(guān)系，光照變化會導(dǎo)致效率偏離最優(yōu)點。逆變器通過實時調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，使光伏板持續(xù)運行在最大功率點，這一動態(tài)控制能力正是MPPT的本質(zhì)?？梢哉f，MPPT是逆變器提升系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵機(jī)制。
根據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)，2024年，全球新增光伏裝機(jī)達(dá)530GW，中國占比超一半。隨著光伏應(yīng)用加速普及，逆變器架構(gòu)不斷演進(jìn)，MPPT的數(shù)量、配置方式及其硬件實現(xiàn)，成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵變量。本文將從能量路徑入手，結(jié)合三類主流逆變器結(jié)構(gòu)，解析MPPT的工作原理、技術(shù)實現(xiàn)路徑及相應(yīng)解決方案。
01
從光伏系統(tǒng)“能量路徑”說起
MPPT藏在哪個關(guān)鍵環(huán)節(jié)?
從能量環(huán)節(jié)來看，光伏發(fā)電主要由三個部分構(gòu)成：光伏板、功率與電子系統(tǒng)，以及電網(wǎng)或負(fù)載。其中光伏板位于起始端。在陽光照射下，光伏板經(jīng)過光生伏特效應(yīng)(Photovoltaic effect)產(chǎn)生電壓，將光能轉(zhuǎn)化為電能，并以直流電的形式向外輸出。電網(wǎng)/負(fù)載是光伏系統(tǒng)的輸出端，當(dāng)前用電、輸電和配電大多依賴交流電網(wǎng)，因此需要專用的功率與電子系統(tǒng)將光伏板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，以供電網(wǎng)或住宅使用。
光伏發(fā)電系統(tǒng)基本構(gòu)成
光伏系統(tǒng)中的功率與電子系統(tǒng)具備兩大基礎(chǔ)功能：一是實現(xiàn)DC(直流)到AC(交流)的電流轉(zhuǎn)換;二是執(zhí)行MPPT(最大功率點跟蹤)功能，這是光伏逆變器特有的重要功能。
之所以需要MPPT，是因為光伏板的輸出功率與電壓呈現(xiàn)非線性關(guān)系，并存在一個功率最大值點。從發(fā)電端來看，用戶自然期望光伏發(fā)電系統(tǒng)在相同光照下獲得更多能量輸出，這就需要將光伏板的工作狀態(tài)控制在最大功率點處。
功率最大值點示意圖
從物理與控制層面看，實現(xiàn)這一目標(biāo)通常需要使用DC-DC變換器以及MPPT控制算法。
總體而言，光伏系統(tǒng)通過光伏板收集光能并轉(zhuǎn)化為直流電，再通過具備MPPT和DC-AC轉(zhuǎn)換功能的功率與電子系統(tǒng)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，最終輸送至電網(wǎng)或負(fù)載。這便是光伏系統(tǒng)最基本的功能構(gòu)成。
02
從功率與信息鏈路看
MPPT如何“動起來”?
MPPT功能的實現(xiàn)，需要整個功率與信息鏈路的精確、穩(wěn)定、高效發(fā)揮。
MPPT功能依賴“感知”、“計算”、“驅(qū)動”三個核心環(huán)節(jié)。從物理世界的狀態(tài)“感知”，到數(shù)字世界的“計算”控制，再到物理世界的“驅(qū)動”執(zhí)行，三個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、缺一不可。
首先，“感知”需要精準(zhǔn)地測量功率。功率信息要求電壓和電流兩種物理信息同時存在。電壓由于天然的物理特性，較易采集和處理;相比之下，電流的精準(zhǔn)測量較為困難，因此電流傳感器在此過程中扮演著至關(guān)重要的角色。納芯微NSM201x系列霍爾電流傳感器基于霍爾效應(yīng)，支持±65A以內(nèi)電流的隔離測量，并輸出線性電壓信號，具備良好的可靠性與精度，幫助控制系統(tǒng)精確掌握功率狀態(tài)。
NSM201x系列封裝圖
其次，“計算”需要高性能的實時控制系統(tǒng)，常由MCU或DSP等器件作為控制器承擔(dān)?？刂破饕环矫嫱ㄟ^內(nèi)部MPPT算法判斷工作點位，另一方面需要完成實時的控制，將“工作點位”這一概念性的指令轉(zhuǎn)換為高頻率、高精度的PWM波，以精確調(diào)整功率器件的工作狀態(tài)。
最后，“驅(qū)動”需要穩(wěn)定可靠的柵極驅(qū)動與功率器件，保證系統(tǒng)準(zhǔn)確執(zhí)行MCU指令。納芯微電流型輸入隔離單管驅(qū)動NSI6801/x系列在光伏逆變器系統(tǒng)中廣泛使用，是標(biāo)桿驅(qū)動產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用雙電容增強(qiáng)隔離技術(shù)，可PIN to PIN兼容光耦隔離驅(qū)動，并提供更強(qiáng)的隔離性能;同時，依托納芯微獨特的AdaptiveOOK?編碼技術(shù)，NSI6801/x系列可將CMTI提升至200kV/μs。這些優(yōu)異的性能保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定、精確高效地運行。
MOS驅(qū)動(左)及 buffer驅(qū)動(右) 輸入典型應(yīng)用電路
NSI6801封裝類型與Pin腳定義
此外，穩(wěn)定可靠的電源管理芯片對整個過程同樣至關(guān)重要。納芯微提供多款高性能電源方案，覆蓋主控供電及接口待機(jī)等各類需求。其中，納芯微NSR2260x、NSR2240x、NSR28C4x和NSR284x系列電流模式PWM控制器適用于反激拓?fù)?，具備出色的穩(wěn)定性與效率，保障采樣、控制和驅(qū)動等功能的穩(wěn)定高效。
納芯微PWM Controller介紹及產(chǎn)品選型表
03
從三類逆變器看MPPT
數(shù)量與配置如何決定“效率天花板”?
在市面現(xiàn)有產(chǎn)品中，光伏系統(tǒng)的功率與電子系統(tǒng)部分通常集成在光伏逆變器中。從硬件結(jié)構(gòu)角度看，大部分光伏逆變器都是由DC-DC和DC-AC兩個環(huán)節(jié)組成。DC-DC主要用于實現(xiàn)MPPT控制，DC-AC用于實現(xiàn)交流輸出(“逆變”)。
光伏系統(tǒng)主要有三種類型的逆變器：微型逆變器、組串式逆變器和集中式逆變器。三者差異顯著，可依據(jù)MPPT數(shù)量、逆變環(huán)節(jié)及其組合方式來進(jìn)一步區(qū)分。
光伏系統(tǒng)分類及MPPT組合方式
微型逆變器可以實現(xiàn)每個光伏板獨立的最大功率點追蹤。一個逆變環(huán)節(jié)僅配合一個光伏板的MPPT，實現(xiàn)逆變，呈現(xiàn)光伏板:MPPT功能:逆變功能1:1:1的配置。由于每個光伏板都需要單獨控制和硬件實現(xiàn)MPPT，微型逆變器的硬件成本相對較高。但其優(yōu)勢在于，這種1:1:1的配置對光伏板的功率控制極為精細(xì)，使每塊光伏板均在最優(yōu)狀態(tài)下工作，理論上功率輸出更高，從而提升光伏系統(tǒng)售電量，增加收益。每路光伏板都有微型逆變器的精密檢測，安全性更高，維護(hù)成本降低。
在微型逆變器中，納芯微的高壓半橋驅(qū)動NSD1624是光伏側(cè)功率管驅(qū)動的標(biāo)桿產(chǎn)品。NSD1624將成熟可靠的容隔技術(shù)用于高壓半橋驅(qū)動，相比傳統(tǒng)的HVIC工藝，可實現(xiàn)半橋中點更強(qiáng)dv/dt抑制能力和耐負(fù)壓震蕩能力。同時，4A/6A的驅(qū)動電流和較短的傳輸延時，使其非常適合高頻開關(guān)應(yīng)用。NSD1624契合微型逆變器小型化與高頻化技術(shù)升級趨勢，可幫助微型逆變器實現(xiàn)高效、高密度性能提升。
NSD1624功能框圖(左) NSD1624簡化應(yīng)用電路(右)
組串式逆變器不再針對單個光伏板，而是將多個光伏板串聯(lián)成一個光伏串(PV string)，一個組串配備一個MPPT功能。一個逆變環(huán)節(jié)可能對應(yīng)多個光伏串的MPPT。相比微型逆變器，控制精細(xì)化程度稍低，但硬件成本相對降低。
集中式逆變器的配置更為“粗放”，可能由幾十、上百甚至上千個光伏板組成，僅有一個或無MPPT，同時僅配備一個逆變器。集中式逆變器雖然控制不夠精細(xì)，但相對而言硬件成本最低。
從微型到組串再到集中式逆變器，光伏板的控制精細(xì)化程度逐漸降低。不同類型的逆變器適用于不同的應(yīng)用場景：戶用(家庭)系統(tǒng)通常選用微型和組串式逆變器;工商業(yè)場景多采用組串式逆變器;大型發(fā)電站則根據(jù)實際情況選擇組串式或集中式逆變器。
不同類型的逆變器在控制路數(shù)和功率等級上存在差異，但系統(tǒng)控制一般可由MCU承擔(dān)。 納芯微提供的NSSine?實時控制MCU——NS800RT5039、NS800RT5049 和 NS800RT3025，憑借高效的實時控制能力和豐富的外設(shè)，使工程師能夠在光伏/儲能逆變器等系統(tǒng)中實現(xiàn)皮秒(萬億分之一秒)級PWM控制，從而顯著提升系統(tǒng)運行精度與效率。
文章來源：為什么說MPPT是光伏逆變器的“靈魂功能”?一文講透