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)外對最大功率點跟蹤(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跟蹤。

為了提高系統(tǒng)效率，降低輸出功率在最大功率點附近振蕩，本文對擾動觀測法進行改進，提出了基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀測法。同時在分析并網(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中對基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀測法和并網(wǎng)逆變器的控制策略進行了仿真，結(jié)果證明了本文改進的擾動觀測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

對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行區(qū)分時，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)進行互聯(lián)，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能不僅能夠為負(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，對圖2 進行分析可得：

整理式(1)后，計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)中反向時候的一個飽和電流；q為電子電荷數(shù)；Rs、Rsh為在等效電路中進行串聯(lián)及并聯(lián)時的電阻值；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)之前需要對光伏電池輸出的電壓進行升壓，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現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，實現(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、信號采集電路和保護電路等[2]，如圖5 所示。

圖5 光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)框圖

2 變步長擾動觀測法設(shè)計

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

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

圖7 擾動觀測法基本原理

2.2 基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀測法優(yōu)化設(shè)計

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

將滯環(huán)比較的原理加入到擾動觀測法中，可以利用滯環(huán)對功率進行比較，利用增加一個滯環(huán)的方法實現(xiàn)對功率變化幅度的控制，利用滯環(huán)比較確定電壓擾動的步長范圍，可以克服電壓擾動觀測法的缺點，得到精確的電壓擾動步長，提高最大功率點跟蹤精度的同時，降低了由于電壓擾動引起的功率波動，避免出現(xiàn)功率變化方向判斷錯誤的情況。

基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀測法優(yōu)化實現(xiàn)的流程如圖8 所示。

圖8 基于滯環(huán)比較的變步長擾動觀測法優(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)電壓進行鎖相，根據(jù)所得相位角計算得到并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流，實現(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，在電流內(nèi)環(huán)控制策略中加入并網(wǎng)電壓前饋補償?shù)目刂?，可以大大降低并網(wǎng)電壓波動對逆變器輸出的并網(wǎng)電流的影響。設(shè)計的基于電網(wǎng)電壓前饋補償?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)時的參考電流和實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：

對式(3)進行拉普拉斯變換可以得到：

在電網(wǎng)處于異常狀態(tài)時會出現(xiàn)電壓不對稱甚至畸變的現(xiàn)象，嚴(yán)重時會影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。為了對電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)逆變器輸出電流之間的波動關(guān)系進行研究，可以將電網(wǎng)電壓看作是系統(tǒng)的電壓擾動信號，可以對沒有施加電網(wǎng)電壓前饋補償時進行分析，得到并網(wǎng)電流Igrid的傳遞函數(shù)為：

未進行電網(wǎng)電壓補償?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)計的電壓前饋補償?shù)膹?fù)合控制策略，加入電網(wǎng)電壓前饋補償后，可以降低電網(wǎng)電壓對光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器輸出電流的影響，在理論上可以實現(xiàn)完全補償。

4 仿真實驗結(jié)果分析

本文根據(jù)研究的變步長擾動觀察法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，對提出的最大功率點跟蹤和并網(wǎng)逆變器的控制策略進行仿真驗證，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MPPT 進行仿真需要結(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，對傳統(tǒng)的變步長觀測法和帶滯環(huán)比較的變步長擾動觀測法控制進行對比仿真研究，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，三個電容分別設(shè)置為30、47、47 μF，IGBT 開關(guān)頻率為10 kHz，三個電阻分別設(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)下對傳統(tǒng)變步長擾動觀測法和滯環(huán)比較器的變步長擾動觀測法進行仿真比較。

首先確定最大功率點附近波動的范圍，設(shè)置的仿真時間為1 s，步長是ode45，分別對步長為0.03、0.004、0.002 時的功率變化進行測試，得到的仿真曲線如圖12 所示。

由圖12 可知步長為0.03 時達到最大功率點附近只需要0.10 s，但是振蕩較為劇烈；步長為0.002 時達到最大功率點的時間為0.68 s，用時較長；步長為0.004 時用時0.30 s，雖然沒有步長0.03 時快，但是振蕩較小。

圖12 不同步長的功率變化曲線

為證明帶滯環(huán)比較器的變步長擾動觀測法的優(yōu)越性，使用同樣的條件對傳統(tǒng)變步長擾動觀測法和帶滯環(huán)比較器的變步長擾動觀測法進行仿真對比，得到的仿真曲線如圖13所示。

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

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

為了進一步驗證帶滯環(huán)比較器的變步長擾動觀測法進行MPPT 控制的效果，改變光照和溫度進行仿真對比，仿真設(shè)置主要是光照強度在0.4 s 時由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 光照和溫度變化時的功率變化曲線

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

得到基于電網(wǎng)電壓前饋補償?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

本文對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中的關(guān)鍵控制技術(shù)進行了分析，重點研究了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)比較的變步長擾動觀測法和并網(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，對優(yōu)化的變步長觀測法和逆變器控制進行了仿真，結(jié)果證明：在環(huán)境條件發(fā)生變化時，提出的帶滯環(huán)比較器的變步長擾動觀測法能夠快速精確地跟蹤到最大功率點，設(shè)計的基于電網(wǎng)電壓前饋補償?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)對并網(wǎng)電流的要求。