两级式单相光伏并网系统的最大功率点跟踪控制策略

姜萌， 薛世龙， 耿攀

(1.青岛远洋船员职业学院 机电系，山东 青岛 266071； 2.上海海事大学 物流工程学院，上海 201306)

0 引 言

在人类发展过程中，能源一直扮演着重要的角色，尤其是在能源危机和环境污染问题越来越突出的今天.光伏(Photo Voltaic, PV)发电、风力发电和核能发电具有巨大的发展潜力，代表着我国能源发展的战略方向.[1-2]太阳能是一种无污染、清洁、取之不尽、用之不竭的能源，利用其进行大规模光伏发电，不但绿色环保，而且对解决我国能源紧张问题具有重大意义.[3-4]

传统的光伏发电系统最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)方法有：恒定电压法、扰动观察法和电导增量法.文献[5]提出反复递减步长扰动观察法，即每次扰动方向改变时就减小固定的步长值，该方法的缺点在于初始步长和步长变量的选取影响跟踪的速度和精度.文献[6]提出基于黄金分割法的变步长扰动观察法，即每次扰动后缩小电压区间，逐渐逼近最大功率点，该方法的主要缺点是电压区间的选择需要根据现场情况反复调试.文献[7]提出非线性控制的智能方法——模糊逻辑控制，该方法的局限性在于其有效性在很大程度上取决于使用者的经验或控制工程师能否选择正确的误差计算.

文献[5-7]对加负载的电路进行分析，仅考虑MPPT控制算法的选取，即快速准确地跟踪光伏电池的最大功率点，尽可能减小该点处的震荡损耗，没有考虑并网发电中的直流母线稳压的问题.本文设计两级式单相光伏并网发电系统MPPT控制，考虑MPPT控制算法和系统直流母线稳压设计两个方面.其中，MPPT控制算法选取分级式变步长扰动观察法，直流母线稳压采用电压电流双闭环控制.

1 控制策略的选择

两级式单相并网发电系统主要由前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器组成.相对于单级式结构而言，两级式结构具有DC/DC变换器环节，可在较大范围内改变逆变器的输入电压.两级式结构控制难度较低，易于实现，因此在目前并网运行的光伏发电系统中得到广泛应用.

两级式单相光伏并网系统具有两个单独的功率变换环节，分别实现MPPT控制和逆变并网功能，因此有两种控制策略，分别为基于后级逆变器的MPPT控制和基于前级变换器的MPPT控制.基于后级逆变器的MPPT控制系统结构见图1.前级通过控制Boost开关管的占空比实现母线电压稳定，后级则实现MPPT控制和并网逆变控制.在整个系统中，前后级的控制响应速度要保持一定的协调，确保能量传输的动态平衡.为此，在设计时，前级变换器的响应速度应快于后级逆变器的响应速度.基于前级变换器的MPPT控制系统结构见图2.前级通过控制开关管的占空比实现MPPT控制，后级则实现直流母线稳压和并网逆变控制.为避免功率堆积在直流母线上，要求该系统电压外环控制响应快于MPPT控制响应.

图1 基于后级逆变器的MPPT控制系统结构

图2 基于前级变换器的MPPT控制系统结构

采用后级逆变器MPPT控制，可以较快地实现母线电压的稳定，但是对最大功率点的跟踪是通过前级的稳压控制间接实现的，因此前后级之间存在较大耦合作用，影响MPPT控制性能.相比较而言，采用前级变换器MPPT控制，对最大功率点的跟踪由Boost变换器直接进行搜索实现，且存在母线电容缓冲，因此前后级之间耦合作用小，可取得较好的MPPT控制性能.但该方案存在直流母线电压的波动问题，可通过增大电容或采用光伏电池电压前馈控制进行抑制.[8]

根据上述对两种方法的比较，本文选取前级变换器MPPT控制方案.该方案前后耦合作用小，控制精度高，两级系统中各级变换器具有相对独立的控制目标和功能，有利于系统的模块化设计与集成.

2 控制方法的选择

2.1 前级DC/DC变换器

前级DC/DC变换器采用Boost升压电路，通过采样得到的光伏电池输出电压UPV和输出电流IPV进行MPPT计算，得到光伏电池的输出电压参考值UPV_ref，其初始值可设定为0或参考光伏电池给定的最大功率电压值Um，运行后的调整变化依据MPPT算法进行.将光伏电池的输出电压UPV与UPV_ref进行比较，经PI调节器后生成脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)信号控制开关管，实现MPPT控制；DC/DC变换器采用电压电流双闭环控制[9]，其控制结构见图3.图中:G1(s)为电压环PI调节器；G2(s)为电流环PI调节器；UDC为直流母线电压.

图3 DC/DC变换器控制结构

由光伏电池特性曲线可知，光伏电池的输出功率受光照强度和温度等条件的影响.为确保光伏电池的输出功率最大，提高光伏电池的利用率，必须进行MPPT控制.本文选用分级式变步长扰动观察法[10]，其基本思想是：首先给光伏电池电压一个扰动量，然后观测光伏电池输出功率的变化及其变化斜率k(即k=(P(k)-P(k-1))/(U(k)-U(k-1))，根据k选定扰动步长，要求在接近最大功率点时k越小步长越小，使得跟踪更精准.因此,以k=1为界限，当|k|≥1时，认为功率点仍远离最大功率点，继续采用较大的固定步长，即ΔU=ΔU0;当|k|<1时，认为功率点已经靠近最大功率点，根据此时的功率变化选取新的扰动步长，即ΔU=|k|ΔU0.再根据功率变化的趋势判断下次扰动的方向并不断扰动，直到系统最终工作在最大功率点附近.该方法既可保证跟踪速度，又可提高跟踪精度，其流程见图4.

2.2 后级DC/AC逆变器

后级DC/AC逆变电路要实现电流跟踪和直流母线稳压两个功能，因此采用电压、电流双环控制结构.电流内环控制进网电流，保证进网电流为正弦波并与电网电压同频同相;电压外环控制直流母线电压，通过电压外环得到进网电流基准，实现直流母线电压稳定，从而实现整个光伏发电系统的稳定.

图4 改进扰动观察法流程

双闭环结构可以提高系统的动态性能和稳态性能，其系统控制框图见图5.

图5 后级双闭环控制框图

将直流母线电压UDC与参考电压UDC_ref比较,经电压环PI调节器G1(s)调节后作为电流内环的参考值与入网电流IL比较，再经过电流环PI调节器G2(s)的调节后进行全桥逆变，根据功率守恒原理实现电压外环控制.[11]

在控制器参数设计时需要注意的是，内环调节器的响应速度应大于外环调节器的响应速度.这是由于电压外环和电流内环的主要作用分别为维持系统稳定性和电流跟踪,若电流内环响应过慢，则电流的谐波分量较大，很可能不符合入网电流要求;若电压外环响应过快，则轻微的直流母线波动就会使系统不稳定.[8]电流内环为快回路，当其响应足够快时，可忽略响应较慢的电压外环的影响.其内环控制框图见图6.

图6 忽略电网扰动的电流内环控制框图

根据图6可以得到传统L型输出滤波器并网电流闭环控制系统的闭环传递函数为

式中:Kip和Kii为电流内环PI调节器参数;KPWM为逆变桥等效环节增益.为使系统有理想的动态稳定性及较快的响应，可将系统设计为二阶系统.PI调节器的参数用二阶最佳工程设计法整定.PI调节器参数的计算值是一种理论指导值，在实际调试中需要对PI调节器参数予以适当调整.[12]

取适当的Kip和Kii，通过PI调节器对相位裕度和截止频率进行适度调整，观察加入比例调节器且比例为1时闭环的阶跃响应和加入PI调节器时闭环的阶跃响应，见图7.由图7可以看出，加入PI调节器后响应变快，系统的动态响应得到优化.

图7 电流闭环阶跃响应对比

由于电流内环的动态响应远快于电压外环，为简化系统的控制结构和分析，在设计电压环调节器时可以将电流内环的控制等效为一个二阶系统.[13]假设电网电压幅值为Ug，并网电流有效值为Ig，直流侧母线电压和电流分别为UDC和Iin.根据功率守恒原理，有UDCIin=UgIg/2.令KRMS=Ug/(2UDC)，则Iin=KRMSIg.根据直流侧电压和电流关系，可得

式中:C为直流母线电容值;UC为直流母线电容电压，UC=UDC.由此可得电压外环的控制框图，见图8.

图8 电压外环的控制框图

根据图8可得,增加PI调节器后电压外环的开环传递函数为

Gvo(s)=

为方便控制器的设计，参考电流内环的PI调节器的参数设定思路，当在低频段幅频特性满足一定条件时，可以把电压外环的闭环传递函数进行降阶处理，使得电压外环近似为一个二阶系统，再根据二阶系统的特性选取适当的截止频率和阻尼系数，整定PI调节器参数.

取适当的Kvp和Kvi，可以得出增加PI控制环节后的系统伯德图，见图9.从图中可以看出，截止频率为48.5 Hz，相角裕度为35°.

图9增加电压PI控制时的伯德图

3 建模仿真

表1 光伏电池参数

运用PSIM 9.0对两级式单相光伏并网发电系统进行建模仿真.采用PSIM 9.0自带的光伏电池模块，其各项参数见表1.

仿真中设定:母线电压(400±10)V;开关管频率f=20 kHz;最大功率点跟踪的调节频率100 Hz;工作在标准状况下.当t=0.5 s时，将光照强度由1 000 W/m2变为700 W/m2.仿真结果见图10.图中，Pcell为光伏电池输出功率，Pmax为光伏电池最大功率.由图10可以看出，经过短暂的调节后，系统趋于稳定.由图10(c)可以看出，当t=0.5 s时，Pmax由3.3 kW跃变为2.051 kW，Pcell仅在该时刻出现较大波动，但调整迅速，与Pmax几乎一致.

(a)电感电流

(b)直流母线电压

(c)光伏电池功率

稳定时的仿真波形见图11.由图11(a)可以看出，电感电流(IL1)波形为标准正弦波，且相位与电网电压相位一致.由图11(b)可以看出，系统稳定时，Pcell波动在10 W内，UDC符合(400±10)V的要求，稳压效果良好.

(a)电感电流

(b)直流母线电压

(c)光伏电池功率

4 结 论

设计在两级式单相光伏并网发电系统中的MPPT控制策略，采用基于前级变换器的MPPT控制系统结构，其中MPPT控制算法采用分级式变步长扰动观察法，直流母线电压稳压及入网电流跟踪采用电压外环、电流内环的双闭环控制.3 kW光伏发电系统的仿真验证表明，该控制结构及控制方法可以快速实现MPPT及直流母线稳压，并且入网电流波形可满足并网需求.

参考文献：

[1]HUA C, SHEN C. Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system[C]//Applied Power Electronics Conf Exposition, 1998. IEEE, 1998, 2: 679-685.

[2]冯垛生, 张淼, 赵慧, 等. 太阳能发电技术及应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2009: 1-28.

[3]KITANO T, MATSUI M, XU D. Power sensorless MPPT control scheme utilizing power balance at DC link-system design to ensure stability and response[C]//Ind Electron Soc, 27th Annual Conf IEEE. IEEE, 2001, 2: 1309-1314.

[4]BRAMBILLA A, GAMBARARA M, GARUTTI A,etal. New approach to photovoltaic arrays maximum power point tracking[C]//Power Electronics Specialists, 30th Annual Conf IEEE. IEEE, 1999, 2: 632-637.

[5]LIU F, ZHOU Y, YIN J,etal. An improved MPPT arithmetic and grid-connected control strategy for single-stage three-phase PV converter with LCL filter[C]//Ind Electro Applications, 3rd IEEE Conf. IEEE, 2008: 808-813.

[6]SHAO R, CHANG L. A new maximum power point tracking method for photovoltaic arrays using golden section search algorithm[C]//Electr Comput Eng, Canadian Conf. IEEE, 2008: 619-622.

[7]苏海滨, 王光政, 王继东. 基于模糊逻辑双环控制的光伏发电系统最大功率跟踪算法[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(21): 215-218.

[8]张兴, 曹仁贤. 太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010: 181-228.

[9]刘玉朋, 夏东伟, 何占宁. 光伏发电系统中双环电流模式Boost变换器的研究[J]. 低压电器, 2011(17): 24-27.

[10]LUO Fang，XU Pengwei，KANG Yong,etal. A variable step maximum power point tracking method using differential equation solution[C]//Ind Electron Applications, 2nd IEEE Conf. IEEE, 2007: 2259-2263.

[11]KOBAYASHI K, TAKANO I, SAWADA Y. A study of a two-stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions[J]. Solar Energy Mat Solar Cells, 2006, 90(18): 2975-2988.

[12]SANDROLINI L, ARTIOLI M, REGGIANI U. Numerical method for the extraction of photovoltaic module double-diode model parameters through cluster analysis[J]. Applied Energy, 2010, 87(2): 442-451.

[13]陈欢, 张兴, 谭理华. 扰动观察法能量损耗研究[J]. 电力电子技术, 2010, 44(4): 15-17.