姜萌， 薛世龍， 耿攀

(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，山東 青島 266071； 2.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

在人類發(fā)展過程中，能源一直扮演著重要的角色，尤其是在能源危機(jī)和環(huán)境污染問題越來(lái)越突出的今天.光伏(Photo Voltaic, PV)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和核能發(fā)電具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，代表著我?guó)能源發(fā)展的戰(zhàn)略方向.[1-2]太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、清潔、取之不盡、用之不竭的能源，利用其進(jìn)行大規(guī)模光伏發(fā)電，不但綠色環(huán)保，而且對(duì)解決我國(guó)能源緊張問題具有重大意義.[3-4]

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)方法有：恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法.文獻(xiàn)[5]提出反復(fù)遞減步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，即每次擾動(dòng)方向改變時(shí)就減小固定的步長(zhǎng)值，該方法的缺點(diǎn)在于初始步長(zhǎng)和步長(zhǎng)變量的選取影響跟蹤的速度和精度.文獻(xiàn)[6]提出基于黃金分割法的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，即每次擾動(dòng)后縮小電壓區(qū)間，逐漸逼近最大功率點(diǎn)，該方法的主要缺點(diǎn)是電壓區(qū)間的選擇需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況反復(fù)調(diào)試.文獻(xiàn)[7]提出非線性控制的智能方法——模糊邏輯控制，該方法的局限性在于其有效性在很大程度上取決于使用者的經(jīng)驗(yàn)或控制工程師能否選擇正確的誤差計(jì)算.

文獻(xiàn)[5-7]對(duì)加負(fù)載的電路進(jìn)行分析，僅考慮MPPT控制算法的選取，即快速準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，盡可能減小該點(diǎn)處的震蕩損耗，沒有考慮并網(wǎng)發(fā)電中的直流母線穩(wěn)壓的問題.本文設(shè)計(jì)兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制，考慮MPPT控制算法和系統(tǒng)直流母線穩(wěn)壓設(shè)計(jì)兩個(gè)方面.其中，MPPT控制算法選取分級(jí)式變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，直流母線穩(wěn)壓采用電壓電流雙閉環(huán)控制.

1 控制策略的選擇

兩級(jí)式單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由前級(jí)DC/DC變換器和后級(jí)DC/AC逆變器組成.相對(duì)于單級(jí)式結(jié)構(gòu)而言，兩級(jí)式結(jié)構(gòu)具有DC/DC變換器環(huán)節(jié)，可在較大范圍內(nèi)改變逆變器的輸入電壓.兩級(jí)式結(jié)構(gòu)控制難度較低，易于實(shí)現(xiàn)，因此在目前并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用.

兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有兩個(gè)單獨(dú)的功率變換環(huán)節(jié)，分別實(shí)現(xiàn)MPPT控制和逆變并網(wǎng)功能，因此有兩種控制策略，分別為基于后級(jí)逆變器的MPPT控制和基于前級(jí)變換器的MPPT控制.基于后級(jí)逆變器的MPPT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.前級(jí)通過控制Boost開關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定，后級(jí)則實(shí)現(xiàn)MPPT控制和并網(wǎng)逆變控制.在整個(gè)系統(tǒng)中，前后級(jí)的控制響應(yīng)速度要保持一定的協(xié)調(diào)，確保能量傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)平衡.為此，在設(shè)計(jì)時(shí)，前級(jí)變換器的響應(yīng)速度應(yīng)快于后級(jí)逆變器的響應(yīng)速度.基于前級(jí)變換器的MPPT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2.前級(jí)通過控制開關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn)MPPT控制，后級(jí)則實(shí)現(xiàn)直流母線穩(wěn)壓和并網(wǎng)逆變控制.為避免功率堆積在直流母線上，要求該系統(tǒng)電壓外環(huán)控制響應(yīng)快于MPPT控制響應(yīng).

圖1 基于后級(jí)逆變器的MPPT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 基于前級(jí)變換器的MPPT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用后級(jí)逆變器MPPT控制，可以較快地實(shí)現(xiàn)母線電壓的穩(wěn)定，但是對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤是通過前級(jí)的穩(wěn)壓控制間接實(shí)現(xiàn)的，因此前后級(jí)之間存在較大耦合作用，影響MPPT控制性能.相比較而言，采用前級(jí)變換器MPPT控制，對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤由Boost變換器直接進(jìn)行搜索實(shí)現(xiàn)，且存在母線電容緩沖，因此前后級(jí)之間耦合作用小，可取得較好的MPPT控制性能.但該方案存在直流母線電壓的波動(dòng)問題，可通過增大電容或采用光伏電池電壓前饋控制進(jìn)行抑制.[8]

根據(jù)上述對(duì)兩種方法的比較，本文選取前級(jí)變換器MPPT控制方案.該方案前后耦合作用小，控制精度高，兩級(jí)系統(tǒng)中各級(jí)變換器具有相對(duì)獨(dú)立的控制目標(biāo)和功能，有利于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)與集成.

2 控制方法的選擇

2.1 前級(jí)DC/DC變換器

前級(jí)DC/DC變換器采用Boost升壓電路，通過采樣得到的光伏電池輸出電壓UPV和輸出電流IPV進(jìn)行MPPT計(jì)算，得到光伏電池的輸出電壓參考值UPV_ref，其初始值可設(shè)定為0或參考光伏電池給定的最大功率電壓值Um，運(yùn)行后的調(diào)整變化依據(jù)MPPT算法進(jìn)行.將光伏電池的輸出電壓UPV與UPV_ref進(jìn)行比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后生成脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)信號(hào)控制開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)MPPT控制；DC/DC變換器采用電壓電流雙閉環(huán)控制[9]，其控制結(jié)構(gòu)見圖3.圖中:G1(s)為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器；G2(s)為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器；UDC為直流母線電壓.

圖3 DC/DC變換器控制結(jié)構(gòu)

由光伏電池特性曲線可知，光伏電池的輸出功率受光照強(qiáng)度和溫度等條件的影響.為確保光伏電池的輸出功率最大，提高光伏電池的利用率，必須進(jìn)行MPPT控制.本文選用分級(jí)式變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法[10]，其基本思想是：首先給光伏電池電壓一個(gè)擾動(dòng)量，然后觀測(cè)光伏電池輸出功率的變化及其變化斜率k(即k=(P(k)-P(k-1))/(U(k)-U(k-1))，根據(jù)k選定擾動(dòng)步長(zhǎng)，要求在接近最大功率點(diǎn)時(shí)k越小步長(zhǎng)越小，使得跟蹤更精準(zhǔn).因此,以k=1為界限，當(dāng)|k|≥1時(shí)，認(rèn)為功率點(diǎn)仍遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，繼續(xù)采用較大的固定步長(zhǎng)，即ΔU=ΔU0;當(dāng)|k|<1時(shí)，認(rèn)為功率點(diǎn)已經(jīng)靠近最大功率點(diǎn)，根據(jù)此時(shí)的功率變化選取新的擾動(dòng)步長(zhǎng)，即ΔU=|k|ΔU0.再根據(jù)功率變化的趨勢(shì)判斷下次擾動(dòng)的方向并不斷擾動(dòng)，直到系統(tǒng)最終工作在最大功率點(diǎn)附近.該方法既可保證跟蹤速度，又可提高跟蹤精度，其流程見圖4.

2.2 后級(jí)DC/AC逆變器

后級(jí)DC/AC逆變電路要實(shí)現(xiàn)電流跟蹤和直流母線穩(wěn)壓兩個(gè)功能，因此采用電壓、電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu).電流內(nèi)環(huán)控制進(jìn)網(wǎng)電流，保證進(jìn)網(wǎng)電流為正弦波并與電網(wǎng)電壓同頻同相;電壓外環(huán)控制直流母線電壓，通過電壓外環(huán)得到進(jìn)網(wǎng)電流基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定.

圖4 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法流程

雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，其系統(tǒng)控制框圖見圖5.

圖5 后級(jí)雙閉環(huán)控制框圖

將直流母線電壓UDC與參考電壓UDC_ref比較,經(jīng)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器G1(s)調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的參考值與入網(wǎng)電流IL比較，再經(jīng)過電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器G2(s)的調(diào)節(jié)后進(jìn)行全橋逆變，根據(jù)功率守恒原理實(shí)現(xiàn)電壓外環(huán)控制.[11]

在控制器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度應(yīng)大于外環(huán)調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度.這是由于電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的主要作用分別為維持系統(tǒng)穩(wěn)定性和電流跟蹤,若電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)過慢，則電流的諧波分量較大，很可能不符合入網(wǎng)電流要求;若電壓外環(huán)響應(yīng)過快，則輕微的直流母線波動(dòng)就會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定.[8]電流內(nèi)環(huán)為快回路，當(dāng)其響應(yīng)足夠快時(shí)，可忽略響應(yīng)較慢的電壓外環(huán)的影響.其內(nèi)環(huán)控制框圖見圖6.

圖6 忽略電網(wǎng)擾動(dòng)的電流內(nèi)環(huán)控制框圖

根據(jù)圖6可以得到傳統(tǒng)L型輸出濾波器并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中:Kip和Kii為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù);KPWM為逆變橋等效環(huán)節(jié)增益.為使系統(tǒng)有理想的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及較快的響應(yīng)，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為二階系統(tǒng).PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)用二階最佳工程設(shè)計(jì)法整定.PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算值是一種理論指導(dǎo)值，在實(shí)際調(diào)試中需要對(duì)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)予以適當(dāng)調(diào)整.[12]

取適當(dāng)?shù)腒ip和Kii，通過PI調(diào)節(jié)器對(duì)相位裕度和截止頻率進(jìn)行適度調(diào)整，觀察加入比例調(diào)節(jié)器且比例為1時(shí)閉環(huán)的階躍響應(yīng)和加入PI調(diào)節(jié)器時(shí)閉環(huán)的階躍響應(yīng)，見圖7.由圖7可以看出，加入PI調(diào)節(jié)器后響應(yīng)變快，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到優(yōu)化.

圖7 電流閉環(huán)階躍響應(yīng)對(duì)比

由于電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)快于電壓外環(huán)，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和分析，在設(shè)計(jì)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器時(shí)可以將電流內(nèi)環(huán)的控制等效為一個(gè)二階系統(tǒng).[13]假設(shè)電網(wǎng)電壓幅值為Ug，并網(wǎng)電流有效值為Ig，直流側(cè)母線電壓和電流分別為UDC和Iin.根據(jù)功率守恒原理，有UDCIin=UgIg/2.令KRMS=Ug/(2UDC)，則Iin=KRMSIg.根據(jù)直流側(cè)電壓和電流關(guān)系，可得

式中:C為直流母線電容值;UC為直流母線電容電壓，UC=UDC.由此可得電壓外環(huán)的控制框圖，見圖8.

圖8 電壓外環(huán)的控制框圖

根據(jù)圖8可得,增加PI調(diào)節(jié)器后電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

Gvo(s)=

為方便控制器的設(shè)計(jì)，參考電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定思路，當(dāng)在低頻段幅頻特性滿足一定條件時(shí)，可以把電壓外環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行降階處理，使得電壓外環(huán)近似為一個(gè)二階系統(tǒng)，再根據(jù)二階系統(tǒng)的特性選取適當(dāng)?shù)慕刂诡l率和阻尼系數(shù)，整定PI調(diào)節(jié)器參數(shù).

取適當(dāng)?shù)腒vp和Kvi，可以得出增加PI控制環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)伯德圖，見圖9.從圖中可以看出，截止頻率為48.5 Hz，相角裕度為35°.

圖9增加電壓PI控制時(shí)的伯德圖

3 建模仿真

表1 光伏電池參數(shù)

運(yùn)用PSIM 9.0對(duì)兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真.采用PSIM 9.0自帶的光伏電池模塊，其各項(xiàng)參數(shù)見表1.

仿真中設(shè)定:母線電壓(400±10)V;開關(guān)管頻率f=20 kHz;最大功率點(diǎn)跟蹤的調(diào)節(jié)頻率100 Hz;工作在標(biāo)準(zhǔn)狀況下.當(dāng)t=0.5 s時(shí)，將光照強(qiáng)度由1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2.仿真結(jié)果見圖10.圖中，Pcell為光伏電池輸出功率，Pmax為光伏電池最大功率.由圖10可以看出，經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定.由圖10(c)可以看出，當(dāng)t=0.5 s時(shí)，Pmax由3.3 kW躍變?yōu)?.051 kW，Pcell僅在該時(shí)刻出現(xiàn)較大波動(dòng)，但調(diào)整迅速，與Pmax幾乎一致.

(a)電感電流

(b)直流母線電壓

(c)光伏電池功率

穩(wěn)定時(shí)的仿真波形見圖11.由圖11(a)可以看出，電感電流(IL1)波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，且相位與電網(wǎng)電壓相位一致.由圖11(b)可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，Pcell波動(dòng)在10 W內(nèi)，UDC符合(400±10)V的要求，穩(wěn)壓效果良好.

(a)電感電流

(b)直流母線電壓

(c)光伏電池功率

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)在兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的MPPT控制策略，采用基于前級(jí)變換器的MPPT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中MPPT控制算法采用分級(jí)式變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，直流母線電壓穩(wěn)壓及入網(wǎng)電流跟蹤采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制.3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證表明，該控制結(jié)構(gòu)及控制方法可以快速實(shí)現(xiàn)MPPT及直流母線穩(wěn)壓，并且入網(wǎng)電流波形可滿足并網(wǎng)需求.

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