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(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽230005)

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并聯(lián)Buck-Boost型多電池光伏并網(wǎng)逆變器的研究

常成，袁旭峰

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽230005)

摘要：隨著太陽能、風(fēng)能等新能源技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)之中，成為一種新型的發(fā)電方式。分布式發(fā)電技術(shù)具有清潔、環(huán)保、高效等特性，其并網(wǎng)技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)問題。針對(duì)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套并聯(lián)的Buck-Boost型多電池光伏并網(wǎng)逆變器，由太陽能光伏電池板、并聯(lián)的Buck-Boost斬波電路、逆變電路等部分組成，并對(duì)光伏發(fā)電最大功率跟蹤MPPT控制方法和逆變器并網(wǎng)控制策略進(jìn)行研究，分別選取了電導(dǎo)增量法的MPPT控制方法和雙閉環(huán)并網(wǎng)控制方式。通過在Matlab/Simulink中搭建系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)的功能。

關(guān)鍵詞:太陽能發(fā)電光伏并網(wǎng)逆變器最大功率跟蹤雙閉環(huán)控制

0引言

太陽能作為一種清潔、高效、安全的可再生能源已廣泛應(yīng)用到發(fā)電領(lǐng)域，成為微電網(wǎng)組成中的重要分布式電源。太陽能光伏發(fā)電的原理就是通過太陽能光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種形式：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]。

本文針對(duì)光伏并網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，研制了一種并聯(lián)的Buck-Boost型多電池光伏并網(wǎng)逆變器，主要用于將兩個(gè)或多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)連接起來，可同時(shí)控制兩個(gè)系統(tǒng)或多個(gè)的發(fā)電和并網(wǎng)。該系統(tǒng)由光伏電池、最大功率跟蹤器(MPPT)、并聯(lián)型Buck-Boost斬波電路、逆變電路等部分組成，并對(duì)MPPT的控制方法、逆變器的控制策略進(jìn)行了研究。

1太陽能光伏電池陣列

目前采用的太陽能光伏電池主要是單晶硅材料，每一個(gè)硅片構(gòu)成的太陽能電池稱為單體；可根據(jù)用戶需求將電池單體進(jìn)行串并聯(lián)組合而構(gòu)成太陽能電池組件；多個(gè)太陽能電池組件構(gòu)成太陽能電池陣列[2]。光伏電池發(fā)電的原理是利用入射到半導(dǎo)體中的太陽光引起的光電效應(yīng)，光伏電池組件的輸出功率受光照強(qiáng)度和溫度影響顯著。

由圖1、2看出，在光照強(qiáng)度不變的情況下。隨著溫度的升高，最大功率點(diǎn)在逐漸減小。在溫度不變的情況下，隨著光照強(qiáng)度的不斷升高，最大功率點(diǎn)也在逐漸增大。所以，需要通過一定的控制策略使光伏電池的輸出始終維持在最大功率點(diǎn)(MPP)處。

圖1　S相同時(shí)的光伏特性曲線　圖2　T相同時(shí)的光伏特性曲線

2最大功率跟蹤MPPT

由上一節(jié)的仿真結(jié)果表明光伏電池陣列輸出功率受光照強(qiáng)度和溫度影響較大[3]，并且與負(fù)載阻抗的大小有關(guān)，只有當(dāng)光伏電池板與外部負(fù)載阻抗相匹配時(shí)才能使光伏電池輸出的功率最大，而在任意溫度和光照強(qiáng)度下都存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)(MPP)[4]。MPPT是在一定外界環(huán)境條件下，通過最大功率追蹤技術(shù)，利用電力電子裝置對(duì)光伏組件的端電壓及輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以使其運(yùn)行在最大功率點(diǎn)(MPP)上。

MPPT算法主要有間接控制法、直接控制法和人工智能法[5]。間接控制法基于參數(shù)選擇方式，可選擇工作電壓和開路電壓的近似比例關(guān)系，開路電壓和短路電流的比例系數(shù)作為依據(jù)來追蹤最大功率點(diǎn)，但其效率較低，對(duì)光伏組件的外特性具有很強(qiáng)的依賴性。直接控制法基于采樣數(shù)據(jù)，主要包括擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法等。直接控制法較間接控制法有較高的效率，一般選擇直接控制法作為MPPT的控制算法。

2.1擾動(dòng)觀測(cè)法

擾動(dòng)觀測(cè)法是MPPT常用的控制方法之一，原理是先讓光伏電池以某一電壓值輸出，并測(cè)得其輸出功率，然后再在這個(gè)電壓值上增加一個(gè)微小的擾動(dòng)，再測(cè)得此時(shí)的輸出功率，比較這兩個(gè)功率值。一般將DC/DC斬波電路的占空比作為擾動(dòng)對(duì)象來控制擾動(dòng)施加的方向[6]。若測(cè)得的功率呈上升趨勢(shì)，則繼續(xù)施加相同方向的擾動(dòng)，即增加占空比；若測(cè)得的功率呈下降趨勢(shì)，則施加相反方向的擾動(dòng)，即減小占空比。

圖4　擾動(dòng)觀測(cè)法的PWM波形

通過擾動(dòng)觀測(cè)法追蹤到的電壓波形如圖3所示，可以看到使用擾動(dòng)觀測(cè)法可以很快追蹤到最大功率點(diǎn)，但波動(dòng)較大。

通過擾動(dòng)觀測(cè)法所產(chǎn)生的PWM波形圖如圖4所示，由圖可知，通過此方法所產(chǎn)生的PWM波形是半方波形。

2.2電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是對(duì)擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)，此方法克服了擾動(dòng)觀測(cè)法溫度對(duì)特性曲線的影響，由于光伏電池板在某時(shí)刻的變化方向與電壓、功率無關(guān)，僅取決于當(dāng)前時(shí)刻的電導(dǎo)變化率dI/dU和電導(dǎo)-I/U的關(guān)系，故當(dāng)光伏電池的光輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，其輸出的電壓能夠平衡跟蹤其變化，且與光伏電池組件的特性和參數(shù)無關(guān)，提高了控制的速度和精度。

圖6　電導(dǎo)增量法的PWM波形

通過電導(dǎo)增量法追蹤到的電壓波形如圖5所示，看到使用電導(dǎo)增量法可以很快追蹤到最大功率點(diǎn)，與擾動(dòng)觀測(cè)法相比波動(dòng)要小一些。

通過電導(dǎo)增量法所產(chǎn)生的PWM波形圖如圖6所示，由圖可知，通過此方法所產(chǎn)生的PWM波形是一條值恒為1的直線。

本文選用電導(dǎo)增量法作為MPPT的控制策略，電導(dǎo)增量法是具有精確控制策略和較快反應(yīng)速度的控制方法，適用于溫度、光照等環(huán)境狀況變化較大的場(chǎng)合，在這些場(chǎng)合，該方法能夠?qū)PPT進(jìn)行高速、穩(wěn)定的跟蹤。但是對(duì)硬件特別是傳感器的精度要求比較高。

3Buck-Boost斬波電路

圖7　Buck-Boost電路拓?fù)鋱D

直流斬波電路是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，可分為降壓斬波電路(Buck)、升壓斬波電路(Boost)、升降壓斬波電路(Buck-Boost)、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路[7]。

Buck-Boost變換器與傳統(tǒng)Buck變換器相比電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可實(shí)現(xiàn)升壓又可實(shí)現(xiàn)降壓功能，并且具有較低的輸入輸出電壓差，內(nèi)部損耗小，輸出電壓穩(wěn)定度高，較寬的電壓輸入范圍等優(yōu)點(diǎn)。

4逆變器及并網(wǎng)控制策略

逆變電路的主要作用是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，本設(shè)計(jì)的逆變器交流側(cè)需接入電網(wǎng)，故為有源逆變器。由于電流源型逆變器直流側(cè)串聯(lián)的大電感會(huì)致使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果變差，因此電壓源型逆變器成為了光伏并網(wǎng)逆變器的首要選擇。目前采用的電壓源型逆變器并網(wǎng)控制策略主要有：三角波比較、定時(shí)比較、滯環(huán)比較、雙閉環(huán)控制等方法[8]。

圖8　逆變器雙閉環(huán)控制策略

為了光伏并網(wǎng)逆變器安全可靠的實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)工作，本設(shè)計(jì)采用基于電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PWM控制策略。電壓外環(huán)的作用是保證逆變器前端直流母線電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)的作用是控制逆變器輸出電流實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)及功率的調(diào)節(jié)。

雙環(huán)PWM輸出的波形如圖9所示，是一個(gè)半方波的波形。

圖9　雙閉環(huán)PWM輸出的波形

5控制策略

圖10　多光伏并網(wǎng)逆變器　控制策略圖

為了實(shí)現(xiàn)將兩個(gè)或多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)并入電網(wǎng)，本文將兩個(gè)或多個(gè)與光伏電池陣列相連的Buck-Boost電路并聯(lián)接入到MPPT控制模塊中，這是因?yàn)楦鞴夥l(fā)電系統(tǒng)的功率不一致，但均可通過MPPT模塊追蹤到最大功率點(diǎn)運(yùn)行。并聯(lián)電路的電流為各支路電流和，電壓為各支路電壓，這樣用同一個(gè)MPPT就可控制兩個(gè)或多個(gè)Buck-Boost電路，使得多個(gè)光伏電池陣列始終工作在最大功率點(diǎn)(MPP)處，然后同時(shí)并入逆變器，進(jìn)行直流到交流電的轉(zhuǎn)換，最后通過逆變器并入電網(wǎng)或孤網(wǎng)運(yùn)行。逆變器采用雙閉環(huán)控制策略。

6仿真分析

設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器由5部分組成：光伏電池陣列、Buck-Boost斬波電路、最大功率跟蹤MPPT、逆變器、并入電網(wǎng)。光伏電池陣列可將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能；Buck-Boost斬波電路將光伏電池輸出的直流電進(jìn)行升壓控制，起到了變壓器的作用，可獲得電網(wǎng)需要的電壓等級(jí)；為了保持光伏組件始終工作在最大功率點(diǎn)處，在此系統(tǒng)中采用了基于電導(dǎo)增量法的MPPT控制模塊；最后將升壓后的電流和電壓輸入到逆變電路中，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，將交流電并入電網(wǎng)，逆變器采用雙閉環(huán)控制策略。在Matlab/Simulink中搭建其仿真模型如圖11所示。

圖11　光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型

兩個(gè)太陽能光伏發(fā)電單元分別在光輻射強(qiáng)度為1 000lux、1 500lux和環(huán)境溫度為25℃、30℃下工作，Buck-Boost電路輸入端電容值為100 μF，電路輸出端電容為300 μF，并聯(lián)電感為5 mH。逆變電路中串聯(lián)電阻為1 Ω，串聯(lián)電感為3 mH，阻感環(huán)節(jié)組成濾波結(jié)構(gòu)。并入的交流電網(wǎng)電壓的幅值為314 V，頻率為50 Hz。

圖13　逆變器輸出的電壓波形

逆變器輸出的電流和電壓波形如圖12、13所示：由仿真結(jié)果可知，該逆變器可獲得較為平穩(wěn)的交流電并入電網(wǎng)。對(duì)逆變器輸出的電流和電壓進(jìn)行FFT分析，其分析結(jié)果如圖14、15所示。

圖14　逆變器輸出電流FFT

圖15　逆變器輸出電壓FFT

7結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)太陽能光伏電池板在不同的光輻射強(qiáng)度和溫度下工作，各自產(chǎn)生不同的直流電壓，經(jīng)測(cè)定分別為354 V，376.3 V。直流電壓分別通過各自的Buck-Boost電路，兩個(gè)斬波電路采用相同的MPPT控制，并聯(lián)后產(chǎn)生相同的直流電壓值。然后通過逆變器的作用產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的交流電壓、電流的正弦波輸出，通過對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行FFT分析可知，逆變器輸出交流電流的THD=5.75%，逆變器輸出交流電壓的THD=0.00%，符合光伏并網(wǎng)的條件。證明了使用該控制策略的多電池光伏并網(wǎng)逆變器可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的、符合并網(wǎng)條件的交流正弦波，可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的并網(wǎng)。

這種類型的光伏并網(wǎng)逆變器可將兩個(gè)或多個(gè)在不同環(huán)境和工作條件下的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，之后統(tǒng)一并入電網(wǎng)，節(jié)省了設(shè)備投資，并且清潔、高效，是一種值得推廣的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)方式。

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袁旭峰(1976-)，男，貴州遵義人，副教授，博士，從事高壓直流輸電的運(yùn)行與控制，以及FACTS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

Research on the parallel Buck-Boost photovoltaic grid-connected inverter with multiple batteries

CHANG Cheng, YUAN Xufeng

Abstract:With the development of alternative energy technologies such as solar power, wind power, etc., the distributed generation technology, which is clean, green and efficient, has been widely used in power systems, and its grid connecting technology has become a research focus. In this study, based on solar power photovoltaic technology, we designed a parallel Buck-Boost photovoltaic grid-connected inverter with multiple batteries, which consisted of solar power photovoltaic batteries, parallel Buck-Boost chopper circuit, inverter circuit, etc. Then we analyzed the control method of the maximum power point tracking(MPPT) and the grid-connected control strategy of the inverter, and selected the conductance increment method for MPPT and double closed-loop control method for grid-connected control. By building simulation model in Matlab/Simulink, we verified the function of the system.

Keywords:solar power; photovoltaic grid-connected; inverter; maximum power point tracking; double closed-loop control

收稿日期：2015-09-19

作者簡(jiǎn)介：常成(1991-)，男，遼寧大連人，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

中圖分類號(hào)：TM609

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0080-05