王盼寶，王 衛(wèi)，吳 炎

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

光伏發(fā)電作為一種清潔、可持續(xù)發(fā)展的綠色能源越來越多地受到各國青睞。中國近年來成為光伏電池生產(chǎn)第一大國，并非常重視光伏發(fā)電的應(yīng)用。截止到2012年底，我國光伏發(fā)電累計核準（備案）達到17 980 MW，并網(wǎng)6 500 MW，并網(wǎng)容量位列世界第五。而根據(jù)我國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的數(shù)據(jù)，到2015年，我國光伏發(fā)電成本將下降到0.8元/（kW·h），光伏發(fā)電將具有一定的經(jīng)濟競爭力；到2020年，發(fā)電成本將下降到0.6元/（kW·h），將在主要電力市場實現(xiàn)有效競爭。規(guī)劃中還提到，要促進光伏產(chǎn)品應(yīng)用，擴大光伏發(fā)電市場，掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成技術(shù)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)通?？蓜澐譃殡x網(wǎng)型和并網(wǎng)型2種［1］。由于離網(wǎng)型沒有電網(wǎng)支撐，當(dāng)晚上光伏陣列無法發(fā)出電能時需要由儲能裝置向負載提供能量。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出端直接與電網(wǎng)相連，因此本地負載所需的能量可由電網(wǎng)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩者分別或同時提供［2］。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出能量滿足本地負載仍有余量時，多余的能量可向電網(wǎng)饋入。這就要求并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)隨時以光伏陣列發(fā)出的最大功率進行能量轉(zhuǎn)換［3］。

在中小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，使用的光伏陣列輸出電壓往往較低，而為了滿足并網(wǎng)側(cè)電壓需要，逆變電路直流側(cè)電壓通常在400 V左右，因此可在兩者之間引入Boost變換器進行升壓［4］。光伏陣列在特定光照和溫度環(huán)境下，隨著輸出電壓的變化，存在著一個最大輸出功率工作點MPP（Maximum Power Point）［5］，因此這個 DC-DC 環(huán)節(jié)可在升壓的同時完成對光伏陣列的最大功率點跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking）［6］。

傳統(tǒng)的MPPT算法需要同時使用光伏陣列的電壓和電流信息。近年來基于單變量（電壓或電流）的MPPT算法受到關(guān)注，減少1個傳感器不僅可簡化設(shè)計，還可降低系統(tǒng)成本。文獻［7］介紹了一種只使用電流傳感器的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT算法，通過光伏陣列輸出電流與開關(guān)管占空比D之間的關(guān)系實現(xiàn)MPPT。文獻［8］利用光伏陣列特性曲線峰值點處功率與占空比的導(dǎo)數(shù)為零的特點，得到該點電流與占空比導(dǎo)數(shù)也為零的結(jié)論，并利用該結(jié)論設(shè)計只使用電流傳感器的MPPT算法，但該算法需要計算導(dǎo)數(shù)，且對傳感器精度要求較高。以上2種方法節(jié)約了光伏輸入側(cè)的電壓傳感器，但是在實際應(yīng)用中，光伏陣列的電壓信息需要顯示出來，所以仍然需要電壓傳感器，同時電流傳感器的成本往往比電壓傳感器要高很多，因此實際意義不大。文獻［9］只使用電壓傳感器進行MPPT設(shè)計，通過當(dāng)前光伏陣列電壓和開關(guān)管占空比信息對光伏陣列功率變化值進行反推，進而利用擾動觀察法實現(xiàn)MPPT。

本文介紹了一種只使用電壓傳感器的單變量MPPT算法，并利用雙級式光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)進行功率推導(dǎo)，在簡化系統(tǒng)設(shè)計的同時，有利于降低系統(tǒng)成本。

1 MPPT原理

光伏陣列的最大功率輸出特性是由于串并聯(lián)其中的光伏電池特性造成的，輸出功率與電壓曲線呈拋物線形狀，并受到光照強度、環(huán)境溫度等因素影響，表現(xiàn)出非線性特點［10-12］。

MPPT可分為在線跟蹤和離線跟蹤2種，常用的在線跟蹤方法有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等［13］。擾動觀察法［14］實時對比光伏陣列的輸出功率變化，通過調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出電壓實現(xiàn)光伏陣列的輸出功率調(diào)節(jié)。圖1為采用擾動觀察法的傳統(tǒng)MPPT控制框圖，需要實時采集光伏陣列的輸出電壓、電流，經(jīng)過計算功率、對比調(diào)節(jié)前后的功率變化與電壓變化得出DC-DC變換器的給定電壓。

圖1 傳統(tǒng)MPPT控制框圖Fig.1 Block diagram of traditional MPPT control

從上面分析可以看出，擾動觀察法中光伏陣列的電流信息主要是用來與電壓信息相乘得到功率信息。雙級式光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率與輸入功率的關(guān)系為：

其中，POUT和PIN分別為逆變器輸出與輸入功率；η1和η2分別為前級DC-DC變換器和后級DC-AC逆變器的轉(zhuǎn)換效率。

那么，如果使用逆變器輸出功率信息作為MPPT的判斷標準，就能省略DC-DC的電流傳感器，本文就是基于以上思想設(shè)計MPPT及其整體控制策略。

2 系統(tǒng)組成與整體控制策略

2.1 雙級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

圖2是雙級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖。光伏陣列發(fā)出的直流電經(jīng)DC-DC變換、DC-AC逆變后，再通過LC結(jié)構(gòu)濾波器濾除SPWM產(chǎn)生的高頻諧波，并經(jīng)過一個1∶1的工頻隔離變壓器后送至電網(wǎng)。其中，LC濾波器采用2個電感串聯(lián)的形式，可有效降低其寄生電容；工頻隔離變壓器可以濾除并網(wǎng)電流中的直流分量，并起到電氣隔離作用，可提高系統(tǒng)的安全性。

圖2 雙級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of two-stage grid-connected photovoltaic system

在系統(tǒng)的運行中，該控制策略實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器前后級能量傳遞的動態(tài)平衡，并通過直流母線電容進行緩沖。當(dāng)光伏陣列發(fā)出的能量減少時，直流母線電壓降低，系統(tǒng)后級的電壓外環(huán)為了穩(wěn)定母線電壓在設(shè)定值，則減小電流內(nèi)環(huán)的給定值，此時并網(wǎng)電流減小，母線電壓得以提高。同理，當(dāng)光伏陣列發(fā)出的能量變大時，并網(wǎng)電流也將相應(yīng)地增大。

2.2 無電流傳感器的MPPT整體控制策略

基于以上分析，本文提出了一種改進的雙級式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略。根據(jù)典型雙級式光伏并網(wǎng)逆變器的控制原理，系統(tǒng)后級DC-AC環(huán)節(jié)內(nèi)環(huán)電流給定幅值能夠以直流量的形式反映并網(wǎng)電流的大小，而系統(tǒng)的DC-AC輸出與電網(wǎng)并聯(lián)，其輸出電壓被電網(wǎng)箝位于220 V左右，故并網(wǎng)電流有效值與輸出功率成正比關(guān)系。根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變器輸入輸出功率動態(tài)平衡關(guān)系，可知能夠?qū)崟r反映出光伏陣列輸出功率的大小。因此，可用代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙級式控制策略中的光伏輸出功率作為MPPT控制算法的功率參考值，從而可省略掉DC-DC變換器中光伏陣列輸出電流采樣環(huán)節(jié)。

圖3 電流給定幅值與其平均值Fig.3 Given current amplitudes and their average

基于以上方法，可得到改進后的無電流傳感器型MPPT控制策略如圖4所示。

圖4 改進后的控制策略Fig.4 Improved control strategy

在系統(tǒng)的后級控制中，直流電壓的采樣值UDC與其設(shè)定值進行比較后送至電壓PI調(diào)節(jié)器，電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出則作為電流內(nèi)環(huán)的給定幅值。為了實現(xiàn)逆變器輸出電流以單位功率因數(shù)并網(wǎng)，必須保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位和頻率嚴格一致。鎖相環(huán)（PLL）可實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的實時跟蹤鎖相，并產(chǎn)生一個與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦信號［15］。該信號與電流內(nèi)環(huán)的給定幅值相乘后，即是電流內(nèi)環(huán)的給定值。逆變環(huán)節(jié)的并網(wǎng)電流采樣值與電流內(nèi)環(huán)給定值比較后送給電流PI調(diào)節(jié)器。

2.3 MPPT程序設(shè)計

本文根據(jù)所提出的光伏并網(wǎng)逆變器改進型MPPT控制策略，采用定電壓跟蹤法和擾動觀察法相結(jié)合的方式進行MPPT程序設(shè)計。

系統(tǒng)將按定電壓跟蹤法以80%的光伏陣列開路電壓啟動，以保證系統(tǒng)快速到達光伏陣列最大功率點附近；接著按圖5所示程序流程進行循環(huán)跟蹤。

圖5 MPPT程序框圖Fig.5 Flowchart of MPPT program

程序開始首先更新UPV和變量，并將與電網(wǎng)電壓的有效值相乘，分別作為MPPT程序中本次電壓值和功率值保存。MPPT程序之后將本次獲得的功率值與上次功率值比較，若本次功率大于上次功率，說明擾動方向正確，應(yīng)繼續(xù)按照這一方向改變光伏陣列電壓。程序下一步會判斷本次電壓與上次電壓大小，若本次電壓大，則光伏陣列的參考給定電壓繼續(xù)加上步長ΔU，反之則減去一個步長；若本次功率比上次小，則說明擾動方向錯誤，程序應(yīng)按照相反方向調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓。

程序最后將本次獲得的功率值與電壓值保存，并在程序下一次被調(diào)用時，作為上一次的功率值、電壓值與當(dāng)前更新的功率值、電壓值進行上述比較。

3 實驗結(jié)果

為驗證上述控制策略的有效性，使用IR公司的逆變專用控制芯片IRMCF143作為控制器設(shè)計了額定功率為800W的實驗樣機，其輸入電壓范圍為240～350 V，母線電壓為400 V，開關(guān)頻率為20 kHz，按照相關(guān)標準，輸出電壓為 220×（1±5%）V，輸出電壓頻率為 50×（1±2%）Hz，輸出電流諧波含量小于 5%，功率因數(shù)大于0.99，整機效率大于92%。

圖6為光伏并網(wǎng)逆變器額定運行時的并網(wǎng)波形，測試時輸入電壓280 V?？梢钥闯觯⒕W(wǎng)電流iinv的正弦度好，能精確跟蹤電網(wǎng)電壓ugrid，并與其保持相位和頻率一致，從而保證系統(tǒng)以單位功率因數(shù)并網(wǎng)發(fā)電。直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值400 V，整機的控制性能良好。

圖6 并網(wǎng)波形Fig.6 Waveforms of grid connection

圖7為系統(tǒng)啟動時光伏陣列輸出電壓、電流波形，可以看到系統(tǒng)能快速調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出電壓并保證系統(tǒng)運行在光伏陣列的最大功率點處。

圖7 MPPT啟動波形Fig.7 Waveforms of MPPT startup

圖8為光伏陣列輸出功率發(fā)生變化時并網(wǎng)電流的變化情況。可以看出，經(jīng)過4個電網(wǎng)周期后，系統(tǒng)跟蹤上了光伏陣列新的最大功率點，響應(yīng)速度較快。

圖8 最大功率變化時并網(wǎng)波形Fig.8 Waveforms of grid connection for maximum power variation

使用Chorma 62150H光伏陣列模擬器對系統(tǒng)的MPPT進行了測試，通過附帶的上位機軟件可以設(shè)定最大功率點并統(tǒng)計設(shè)定時間內(nèi)的輸出功率，從而測試MPPT的跟蹤效率。通過測試，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率大于300 W時，MPPT跟蹤效率大于99.2%。在線調(diào)整模擬器輸出的最大功率點，系統(tǒng)能及時跟蹤到新的最大功率點。

圖9為MPPT測試結(jié)果。實驗結(jié)果證明了本文所提的基于單電壓變量的MPPT控制策略響應(yīng)速度快，精確度高，可在實際場合進行應(yīng)用。

圖9 MPPT測試結(jié)果Fig.9 Results of MPPT test

4 結(jié)語

本文分析了雙級式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT控制策略，利用其解耦控制特點，基于前后級能量平衡原理，提出了一種直流側(cè)無電流傳感器的單電壓變量MPPT控制策略。使用系統(tǒng)后級逆變控制環(huán)節(jié)中的電流給定幅值作為MPPT控制器的功率參考值，并對其進行了平均化處理以保證跟蹤精度。依據(jù)所提的控制策略設(shè)計了MPPT程序流程，搭建了一臺實驗樣機，樣機的并網(wǎng)性能、MPPT精度與響應(yīng)速度良好，驗證了該控制策略的有效性和合理性。電流傳感器的減少在簡化系統(tǒng)設(shè)計的同時也提高了光伏并網(wǎng)逆變器的經(jīng)濟效益。