王盼寶，王 衛(wèi)，吳 炎

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)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(lái)越多地受到各國(guó)青睞。中國(guó)近年來(lái)成為光伏電池生產(chǎn)第一大國(guó)，并非常重視光伏發(fā)電的應(yīng)用。截止到2012年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)核準(zhǔn)（備案）達(dá)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(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《太陽(yáng)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(guó)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(jì)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)有效競(jìng)爭(zhēng)。規(guī)劃中還提到，要促進(jìn)光伏產(chǎn)品應(yīng)用，擴(kuò)大光伏發(fā)電市場(chǎng)，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(méi)有電網(wǎng)支撐，當(dāng)晚上光伏陣列無(wú)法發(fā)出電能時(shí)需要由儲(chǔ)能裝置向負(fù)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(fù)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(shí)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(fù)載仍有余量時(shí)，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(shí)以光伏陣列發(fā)出的最大功率進(jìn)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(jìn)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(gè)最大輸出功率工作點(diǎn)MPP（Maximum Power Point）［5］，因此這個(gè) DC-DC 環(huán)節(jié)可在升壓的同時(shí)完成對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking）［6］。

傳統(tǒng)的MPPT算法需要同時(shí)使用光伏陣列的電壓和電流信息。近年來(lái)基于單變量（電壓或電流）的MPPT算法受到關(guān)注，減少1個(gè)傳感器不僅可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，還可降低系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)［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(guò)光伏陣列輸出電流與開關(guān)管占空比D之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)MPPT。文獻(xiàn)［8］利用光伏陣列特性曲線峰值點(diǎn)處功率與占空比的導(dǎo)數(shù)為零的特點(diǎn)，得到該點(diǎn)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(jì)只使用電流傳感器的MPPT算法，但該算法需要計(jì)算導(dǎo)數(shù)，且對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，光伏陣列的電壓信息需要顯示出來(lái)，所以仍然需要電壓傳感器，同時(shí)電流傳感器的成本往往比電壓傳感器要高很多，因此實(shí)際意義不大。文獻(xiàn)［9］只使用電壓傳感器進(jìn)行MPPT設(shè)計(jì)，通過(guò)當(dāng)前光伏陣列電壓和開關(guān)管占空比信息對(duì)光伏陣列功率變化值進(jìn)行反推，進(jìn)而利用擾動(dòng)觀察法實(shí)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(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率推導(dǎo)，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，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(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素影響，表現(xiàn)出非線性特點(diǎn)［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(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等［13］。擾動(dòng)觀察法［14］實(shí)時(shí)對(duì)比光伏陣列的輸出功率變化，通過(guò)調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出電壓實(shí)現(xiàn)光伏陣列的輸出功率調(diào)節(jié)。圖1為采用擾動(dòng)觀察法的傳統(tǒng)MPPT控制框圖，需要實(shí)時(shí)采集光伏陣列的輸出電壓、電流，經(jīng)過(guò)計(jì)算功率、對(duì)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(dòng)觀察法中光伏陣列的電流信息主要是用來(lái)與電壓信息相乘得到功率信息。雙級(jí)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(jí)DC-DC變換器和后級(jí)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)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(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

圖2是雙級(jí)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(guò)LC結(jié)構(gòu)濾波器濾除SPWM產(chǎn)生的高頻諧波，并經(jīng)過(guò)一個(gè)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(gè)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(jí)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(yùn)行中，該控制策略實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器前后級(jí)能量傳遞的動(dòng)態(tài)平衡，并通過(guò)直流母線電容進(jìn)行緩沖。當(dāng)光伏陣列發(fā)出的能量減少時(shí)，直流母線電壓降低，系統(tǒng)后級(jí)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(shí)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(shí)，并網(wǎng)電流也將相應(yīng)地增大。

2.2 無(wú)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(jìn)的雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略。根據(jù)典型雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的控制原理，系統(tǒng)后級(jí)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(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，可知能夠?qū)崟r(shí)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(jí)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(jìn)后的無(wú)電流傳感器型MPPT控制策略如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的控制策略Fig.4 Improved control strategy

在系統(tǒng)的后級(jí)控制中，直流電壓的采樣值UDC與其設(shè)定值進(jìn)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(shí)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(yán)格一致。鎖相環(huán)（PLL）可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)跟蹤鎖相，并產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦信號(hào)［15］。該信號(hào)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(jì)

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

系統(tǒng)將按定電壓跟蹤法以80%的光伏陣列開路電壓?jiǎn)?dòng)，以保證系統(tǒng)快速到達(dá)光伏陣列最大功率點(diǎn)附近；接著按圖5所示程序流程進(jìn)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(shuō)明擾動(dòng)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(huì)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(zhǎng)ΔU，反之則減去一個(gè)步長(zhǎng)；若本次功率比上次小，則說(shuō)明擾動(dòng)方向錯(cuò)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(shí)，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(jìn)行上述比較。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)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(jì)了額定功率為800W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)，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(jī)效率大于92%。

圖6為光伏并網(wǎng)逆變器額定運(yùn)行時(shí)的并網(wǎng)波形，測(cè)試時(shí)輸入電壓280 V?？梢钥闯?，并網(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(jī)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(dòng)時(shí)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(yùn)行在光伏陣列的最大功率點(diǎn)處。

圖7 MPPT啟動(dòng)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(shí)并網(wǎng)電流的變化情況。可以看出，經(jīng)過(guò)4個(gè)電網(wǎng)周期后，系統(tǒng)跟蹤上了光伏陣列新的最大功率點(diǎn)，響應(yīng)速度較快。

圖8 最大功率變化時(shí)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(duì)系統(tǒng)的MPPT進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)附帶的上位機(jī)軟件可以設(shè)定最大功率點(diǎn)并統(tǒng)計(jì)設(shè)定時(shí)間內(nèi)的輸出功率，從而測(cè)試MPPT的跟蹤效率。通過(guò)測(cè)試，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率大于300 W時(shí)，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(diǎn)，系統(tǒng)能及時(shí)跟蹤到新的最大功率點(diǎn)。

圖9為MPPT測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(shí)際場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用。

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

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT控制策略，利用其解耦控制特點(diǎn)，基于前后級(jí)能量平衡原理，提出了一種直流側(cè)無(wú)電流傳感器的單電壓變量MPPT控制策略。使用系統(tǒng)后級(jí)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(duì)其進(jìn)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(jì)了MPPT程序流程，搭建了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的并網(wǎng)性能、MPPT精度與響應(yīng)速度良好，驗(yàn)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)也提高了光伏并網(wǎng)逆變器的經(jīng)濟(jì)效益。