光伏发电系统研究

黄亚军++蔡鹏

摘 要：文章设计出一种基于正激变换的前级直流模块式光伏发电系统。为了解决不同的光照、温度等外部特征对光伏电池的输出工作点产生影响的问题，引进了最大功率点跟踪（MPPT）技术，使得发电系统一直工作在功率最大点左右。针对一般的发电系统中光伏并网组合方法不能确保每一个组件都可以工作在最大功率点上、并且很难获得每个组件的实时状态信息，甚至可能形成热斑的问题，提出了基于直流模块式的光伏发电系统，它具有结构简单、易于串并联、较高的电压增益、较低的纹波以及输入输出电气安全隔离等特点。通过建立仿真模型进行仿真，结果验证了本文理论分析的优点以及正确性。

关键词：光伏发电系统；研究

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）12-0007-02

1 概 述

当传统的燃料能源如煤、石油、天然气正在一天天减少，并且这些燃料产生的排放物对环境造成的危害日益严重时，我们不得不把目光投向了清洁能源如太阳能的开发，光伏发电就成为了太阳能开发领域的一个重要方向[1][2]。

近年来，很多专家学者提出了光伏发电系统的研究方法，文献[3-4]提出的MPPT算法不断搜索最大功率点，属于优化的范畴，存在优化搜索速度和控制响应速度之间的矛盾。本文采用MPPT的非线性设计方法，基于增量电导法，根据MPPT的dp/duin=0控制目标，通过Lyapunov函数推导出控制方程，能保证MPPT控制的稳定性；引入正弦扰动，通过DFT提取光伏输出的电压电流的变化量来计算dp/duin，将差分运算转化为代数运算，降低了参数测量要求，减小了干扰对微分运算的影响。文献[5-6]提出建立一个单独的交流发电单元，在这个单元中每一个光伏组件集成一个逆变器，这样能够确保单元中的每个组件都工作在功率最大的点周围，不但增强了能量转化，还提高了系统抗局部阴影的能力，然而这种应用交流模块构成的发电系统一般只适用于并网发电的场合，很难实现单独发电运行，同时在交流模块运行过程中通常需要提供额外的通信来监控，增加了系统复杂程度。本文在前面理论分析的基础上提出了一种基于直流模块式的光伏发电系统。

2 直流模块式DC/DC变换器

直流模块式的光伏发电系统，是将每个光伏组件均集成在一个直流模块，模块中的组件都连接到一个DC/DC变换器上，然后再将多个直流模块通过不同的连接方式经一个集中逆变器转变为交流电能。

串联式直流模块发电系统，如图1（a）所示。该系统中的各模块之间的接线相对简单，它的抗失配和抗阴影性能一般，变换器的效率对系统的影响不是很大，在一定范围内可以确保每个组件均在最大功率点附近运行，并且各直流模块可单独实现最大功率跟踪。

旁路式直流模块发电系统，如图1（b）所示。该系统中的各模块之间连接线比较复杂，并且扩展性较差，能够保证以相同电压运行的一串组件能够工作在最大功率点附近，通过逆变器来实现最大功率跟踪，它比较适用于相对集中型的光伏电站，在失配的情况下损失的功率小，有着较高的能量转化效率，发电的成本比较低。

并联式直流模块发电系统，如图1（c）所示。该系统各个模块之间的接线简单，即插即用，扩展性能强，它抗失配和抗阴影性能最好，每个组件都能够工作在在最大功率点，并且直流模块能够独立实现最大功率跟踪，在失配的情况下功率损失最小，有着较高的能量转化效率，发电的成本比较低。

2 最大功率点跟踪非线性控制

光伏电池运行在最大功率点的条件是dp/duin=0，其中p=uiniin。MPPT的控制变量是iin或uin，而DC/DC控制器控制的变量是i1，它们之间存在电容耦合。普通的MPPT控制算法不区分两者，DC/DC控制器的直接控制量是iin或uin，交代比较模糊。而输入端前置电容Cin值一般较大，其耦合的动态过程不可忽略，其耦合关系由式（1）决定：

Cin■=i■-i■（1）

为控制dp/duin=0，设Lyapunov函数为：

V2=■（■）■+■K■（■■）■dt（2）

对V2求导得：

V2=■（■）■+■K■■■dt=■（■■+KMi■■dt（3）

若令V2≤-KMp（dp/duin）2，则由式（3）得：

■■≤-KMp■-KMi■■dt （4）

对于单峰值的光伏电池总满足d2p/duin2<0，设d2p/duin2的最大值为kpum，即kpum=max（d2p/duin2），取kpum×duin/dt=-KMi■（dp/duin）dt，考虑式（1），得到i1的设定值iset：

iset=in+■（KMp■+KMi■■dt）（5）

结合式（1），即可得到MPPT外环、电流内环的控制模式，根据反步法原理，可以保证dp/duin收敛到0。

3 仿真及分析

为了清晰的看出非线性MPPT控制算法加入后对整个系统产生的影响，本文在基本电流环控制的基础上加入MPPT非线性控制算法。设计控制器功率为196 W，前置电容容量为1 000 uF，滤波电感为0.07 mH，开关频率为100 kHz。开路电压Voc =50 V，最大功率点电压为42 V，短路电流Isc为5 A，最大功率点电流Im为4.67 A。仿真控制原理图，如图2所示。

最大功率点电压波形图，如图3所示。在系统稳定后电压在42 V上下波动，与预期值基本一致，误差很小；最大功率点功率波形图，如图4所示。从图中可以看出稳定后功率在196 W左右，误差非常小。

从以上仿真的结果可以看出这种加入正弦扰动的最大功率点跟踪非线性控制算法是非常有效的。通过非线性控制器的设计，保证了系统稳定性，实现了MPPT和电流一体化控制，避免了常规控制中繁琐的逻辑控制。

4 结 语

本文设计了一种基于正激变换的前级直流模块式的光伏发电系统，在系统中采用了直流模块式的光伏发电方法，这样很大程度上增强了光伏组件的发电效率。并通过在电流环控制的基础上加入MPPT的非线性算法，使得光伏电池一直工作在最大功率点附近，提高光能转向电能的转化率。

通过Lyapunov直接法设计控制方程，确保了系统控制的稳定性，对所提出的方法进行了仿真测试，仿真结果表明，所提出的算法可以最大程度上提高太阳能的利用率，对生产实践具有十分重要的意义。

参考文献：

[1] 毛亮.我国发展太阳能光伏发电的必要性及技术分析[J].科技传播，2011，（20）.

[2] 杜慧.太阳能光伏发电控制系统的研究[D].保定：华北电力大学，2009.

[3] 赵争鸣，陈剑，孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4] 王冰清.光伏发电系统MPPT技术研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[5] 王自满.直流母线式光伏发电系统前级DC/DC变换研究[D].天津：天津 大学，2014.

[6] 陈双，陈卫民，严虹.直流模块式光伏发电系统前级DC/DC变换研究[J].水电能源科学，2012，（8）.