基于MPPT的光伏并網(wǎng)逆變器研究

張志敏，彭紅義，潘若妍，周振雄

(北華大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，吉林吉林 132000)

國內(nèi)外對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制技術(shù)做了大量的研究，在控制算法上取得了大量研究成果，但是隨著光伏發(fā)電并網(wǎng)的應(yīng)用，需要更好地控制光伏發(fā)電并網(wǎng)質(zhì)量和受到干擾后的最大功率點(diǎn)跟蹤。

為了提高系統(tǒng)效率，降低輸出功率在最大功率點(diǎn)附近振蕩，本文對(duì)擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于滯環(huán)比較的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。同時(shí)在分析并網(wǎng)逆變器控制策略的基礎(chǔ)上，利用鎖相環(huán)技術(shù)和電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制策略，能夠降低并網(wǎng)的諧波含量，提高電能質(zhì)量。在Matlab/Simulink中對(duì)基于滯環(huán)比較的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法和并網(wǎng)逆變器的控制策略進(jìn)行了仿真，結(jié)果證明了本文改進(jìn)的擾動(dòng)觀測(cè)法具有更快的跟蹤速度，并網(wǎng)電流具有更好的跟蹤性能和較小的諧波含量。

1 光伏發(fā)電特性與系統(tǒng)分析

1.1 光伏發(fā)電特性分析

對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分時(shí)，可劃分為離網(wǎng)與并網(wǎng)兩種形式[1]。并網(wǎng)方式光伏發(fā)電系統(tǒng)通過裝置與大電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能不僅能夠?yàn)樨?fù)載直接利用，還能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔懿⑷腚娋W(wǎng)，常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通常應(yīng)用較多的光伏電池等效電路模型如圖2 所示。

圖2 光伏電池等效電路模型

根據(jù)基爾霍夫定律，對(duì)圖2 進(jìn)行分析可得：

整理式(1)后，計(jì)算出等效模型輸出電流：

式中：IL為光伏電池陣列的輸出電流；Iph為光伏電池中存在的光生電流；Is為光伏電池P-N 結(jié)中反向時(shí)候的一個(gè)飽和電流；q為電子電荷數(shù)；Rs、Rsh為在等效電路中進(jìn)行串聯(lián)及并聯(lián)時(shí)的電阻值；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為光伏陣列環(huán)境的絕對(duì)溫度。

光伏電池的輸出特性如圖3 所示。

圖3 光伏電池的特性曲線

1.2 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)逆變器對(duì)光伏電池形成的直流電執(zhí)行逆變，得到交流電，接著并入電網(wǎng)中，或者提供電能滿足交流負(fù)載的電能需求。在并網(wǎng)之前需要對(duì)光伏電池輸出的電壓進(jìn)行升壓，一般使用Boost 升壓電路，常見的Boost 主電路如圖4 所示。

圖4 光伏電池的特性曲線

對(duì)光伏電池輸出的直流電執(zhí)行升壓操作，接著在逆變器的作用下完成對(duì)直流電的逆變，得到交流電。光伏發(fā)電并網(wǎng)的核心就是通過逆變器實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)的主要電路包括直流升壓電路、濾波電路、逆變電路、主控電路、信號(hào)采集電路和保護(hù)電路等[2]，如圖5 所示。

圖5 光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)框圖

2 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法設(shè)計(jì)

2.1 MPPT 原理與跟蹤算法分析

為保障光伏發(fā)電系統(tǒng)處于最大輸出功率狀態(tài)下運(yùn)行，需要分析輸出功率和光照、溫度以及負(fù)載等參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)[3]。利用控制算法尋找到最大功率點(diǎn)的技術(shù)就是MPPT 技術(shù)[4]?；谳敵鎏匦郧€的MPPT 控制原理如圖6 所示。

圖6 MPPT基本原理示意圖

擾動(dòng)觀測(cè)法是根據(jù)功率和電壓之間的特性關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)工作電壓施加擾動(dòng)，電壓必然發(fā)生變化，計(jì)算所引起功率輸出的變化，根據(jù)得到的功率變化對(duì)工作電壓的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制[5-6]，其過程如圖7所示。

圖7 擾動(dòng)觀測(cè)法基本原理

2.2 基于滯環(huán)比較的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了避免輸出功率在最大功率點(diǎn)附近振蕩導(dǎo)致功率振蕩，需要對(duì)施加的電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)精確控制，降低擾動(dòng)步長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的影響[7]。電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)越小則精度越高，但是會(huì)降低跟蹤的速度，需要較長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤，影響到系統(tǒng)的效率；電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)選取過大，雖然提高了跟蹤速度，但是會(huì)增加控制的難度和功率振蕩。本文為了克服傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法存在的矛盾，利用帶滯環(huán)比較器對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

將滯環(huán)比較的原理加入到擾動(dòng)觀測(cè)法中，可以利用滯環(huán)對(duì)功率進(jìn)行比較，利用增加一個(gè)滯環(huán)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)功率變化幅度的控制，利用滯環(huán)比較確定電壓擾動(dòng)的步長(zhǎng)范圍，可以克服電壓擾動(dòng)觀測(cè)法的缺點(diǎn)，得到精確的電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)，提高最大功率點(diǎn)跟蹤精度的同時(shí)，降低了由于電壓擾動(dòng)引起的功率波動(dòng)，避免出現(xiàn)功率變化方向判斷錯(cuò)誤的情況。

基于滯環(huán)比較的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的流程如圖8 所示。

圖8 基于滯環(huán)比較的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法優(yōu)化流程

3 并網(wǎng)逆變器控制策略研究

3.1 數(shù)字鎖相環(huán)分析

鎖相環(huán)主要是將光伏發(fā)電系統(tǒng)采樣得到的電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，根據(jù)所得相位角計(jì)算得到并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相。并網(wǎng)電表的相位利用相位指針I(yè)ndex 變量確定，并網(wǎng)電流的頻率由步進(jìn)值Step確定，如圖9 所示。

圖9 并網(wǎng)電流鎖相環(huán)控制框圖

3.2 鎖相環(huán)技術(shù)與電壓前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制策略

光伏發(fā)電并網(wǎng)一般采用的是電流跟蹤控制的控制策略，為了抑制光伏發(fā)電并網(wǎng)引起的電壓擾動(dòng)，在電流內(nèi)環(huán)控制策略中加入并網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)目刂疲梢源蟠蠼档筒⒕W(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)逆變器輸出的并網(wǎng)電流的影響。設(shè)計(jì)的基于電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)哪孀兤麟娏鞲櫩刂迫鐖D10 所示。圖中：GN(s)為電網(wǎng)電壓的前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)；Iref和Igrid分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變并網(wǎng)時(shí)的參考電流和實(shí)際逆變器的輸出電流；Gpi(s)和Ginv(s)分別為調(diào)節(jié)控制和逆變系統(tǒng)環(huán)節(jié)；GT(s)為濾波環(huán)節(jié)。

圖10 基于電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)哪孀兤麟娏鞲櫩刂?/p>

利用基爾霍夫電壓定律(KVL)得到并網(wǎng)逆變器輸出的電壓平衡方程為：

對(duì)式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換可以得到：

在電網(wǎng)處于異常狀態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓不對(duì)稱甚至畸變的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了對(duì)電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)逆變器輸出電流之間的波動(dòng)關(guān)系進(jìn)行研究，可以將電網(wǎng)電壓看作是系統(tǒng)的電壓擾動(dòng)信號(hào)，可以對(duì)沒有施加電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償時(shí)進(jìn)行分析，得到并網(wǎng)電流Igrid的傳遞函數(shù)為：

未進(jìn)行電網(wǎng)電壓補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)誤差為：

在電流跟蹤控制中加入電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償后的系統(tǒng)誤差為：

在式(7)中，如果GN(s)=，則可以得到系統(tǒng)誤差eerr(s)=0。根據(jù)設(shè)計(jì)的電壓前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制策略，加入電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償后，可以降低電網(wǎng)電壓對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器輸出電流的影響，在理論上可以實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文根據(jù)研究的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法MPPT 控制，在Matlab/Simulink 軟件環(huán)境中搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 的各控制模塊，對(duì)提出的最大功率點(diǎn)跟蹤和并網(wǎng)逆變器的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)和MPPT 控制策略的仿真模型如圖11 所示。

圖11 Matlab/Simulink中仿真模型

對(duì)MPPT 進(jìn)行仿真需要結(jié)合搭建的Boost 電路，在系統(tǒng)的輸入和輸出模型中分別接入阻抗負(fù)載，對(duì)傳統(tǒng)的變步長(zhǎng)觀測(cè)法和帶滯環(huán)比較的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法控制進(jìn)行對(duì)比仿真研究，仿真模型中器件主要參數(shù)如下：電感L1、L2分別設(shè)置為1、10 H，三個(gè)電容分別設(shè)置為30、47、47 μF，IGBT 開關(guān)頻率為10 kHz，三個(gè)電阻分別設(shè)置為1 000、1 000、100 Ω，二極管最大正向電流為300 mA、最大正向電壓為1 V，比較器工作電壓為24 V、輸出電流為16 mA。

光伏發(fā)電系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)條件(25 ℃，1.0 kW/m2)下對(duì)傳統(tǒng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法和滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行仿真比較。

首先確定最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)的范圍，設(shè)置的仿真時(shí)間為1 s，步長(zhǎng)是ode45，分別對(duì)步長(zhǎng)為0.03、0.004、0.002 時(shí)的功率變化進(jìn)行測(cè)試，得到的仿真曲線如圖12 所示。

由圖12 可知步長(zhǎng)為0.03 時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)附近只需要0.10 s，但是振蕩較為劇烈；步長(zhǎng)為0.002 時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)的時(shí)間為0.68 s，用時(shí)較長(zhǎng)；步長(zhǎng)為0.004 時(shí)用時(shí)0.30 s，雖然沒有步長(zhǎng)0.03 時(shí)快，但是振蕩較小。

圖12 不同步長(zhǎng)的功率變化曲線

為證明帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的優(yōu)越性，使用同樣的條件對(duì)傳統(tǒng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法和帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行仿真對(duì)比，得到的仿真曲線如圖13所示。

圖13 傳統(tǒng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法和帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法功率變化曲線

由圖13 可知，帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法跟蹤到最大功率點(diǎn)附近的用時(shí)是0.30 s，傳統(tǒng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法用了0.52 s 左右跟蹤到最大功率點(diǎn)，在跟蹤速度上帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法提高了40%以上，振蕩較小。帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法能夠跟蹤到40 W，傳統(tǒng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法智能跟蹤到38.5 W，跟蹤精度提高了4.0%。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行MPPT 控制的效果，改變光照和溫度進(jìn)行仿真對(duì)比，仿真設(shè)置主要是光照強(qiáng)度在0.4 s 時(shí)由800 W/m2(25 ℃)變?yōu)? 000 W/m2(25 ℃)，溫度在0.7 s 由25 ℃(1 000 W/m2)變?yōu)?2 ℃(1 000 W/m2)，得到功率曲線如圖14所示。

圖14 光照和溫度變化時(shí)的功率變化曲線

由圖14可以看出，在0.4和0.7 s光照強(qiáng)度和溫度分別發(fā)生變化時(shí)，帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法能夠快速跟蹤到光照強(qiáng)度變化后的最大功率點(diǎn)，而且振蕩較小，跟蹤速度較快。

得到基于電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)哪孀兤鞑⒕W(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓的波形，如圖15 所示。由圖15 可得并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的同頻同相，證明了并網(wǎng)電流能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤控制，而且并網(wǎng)電流的諧波含量較小，具有較高的并網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖15 并網(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓的波形

5 結(jié)論

本文對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中的關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了MPPT 和并網(wǎng)逆變器的控制策略。研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)、Boost 升壓電路、帶滯環(huán)比較的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法和并網(wǎng)逆變器復(fù)合控制策略，并在Mablab/Simulink 中建立光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)優(yōu)化的變步長(zhǎng)觀測(cè)法和逆變器控制進(jìn)行了仿真，結(jié)果證明：在環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，提出的帶滯環(huán)比較器的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法能夠快速精確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，設(shè)計(jì)的基于電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)哪孀兤麟娏鞲櫩刂撇呗阅軌虮ＷC并網(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓，具有較好的控制效果，滿足電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)電流的要求。