光伏并网电站最大功率跟踪系统

刘伟平

摘 要： 随着世界能源的日益匮乏，将目标转向无污染、储量丰富的太阳能是解决能源问题的重要方向。文章对光伏太阳能的重要意义进行了简要的分析，然后对光伏并网电站的最大功率跟踪系统进行了介绍，分析了最大功率跟踪系统中的斩波电路，包括降压转换器（BUCK）和升压转换器（BOOST），实现了光伏并网的最大功率跟踪点控制。最后，对系统的无功补偿进行了设计与讨论。

关键词： 太阳能；光伏并网发电；最大功率跟踪；无功补偿

1引言

世界能源危机日益加剧，不可再生型能源日益减少，迫使世界各国将目光转向了资源丰富且无污染的太阳能，以期能利用太阳能来缓解甚至替代传统型能源。我国地理面积辽阔，可供利用的太阳能资源储量巨大，太阳能在我国能源中所占的比重不可忽视。

对于太阳能光伏发电系统来说，总是希望电池方阵能实现利益最大化，电池方阵工作效率最大，产生的电量最多。因此，只有在电池方阵工作在最大功率点处，才能使得电池方阵对太阳能的转化效率最高。而电池方阵最大功率点是太阳辐照度以及温度的函数，而且还会随着负载电压的变化而变化，具有复杂的数学关系[1]。如果在设计的时候，将电池方阵直接与负载相连接，而不采取其它的控制措施，这样就不能保证最大功率发电，太阳能电池方阵也不可能发挥出其应有的功率输出。本文即是对光伏并网电站最大功率跟踪系统进行研究，以实现光伏发电的最优化。

2 最大功率跟踪原理

最大功率跟踪控制系统，就是在太阳辐照度、温度、负载电压等因素变化时，也能使得太阳能电池方阵工作在最大功率点附近，使电池方阵对太阳能的转换效率最高，提高光伏发电站的经济效益[2]。这种控制方式就叫做最大功率跟踪点控制，即MPPT。太阳能电池组件的最大功率点与太阳辐射的变化有一个垂直线，这是保持在相同的电压水平。

那么，对于温度变化不大的场合，就可以用恒压控制（CVT）的方式来代替最大功率点跟踪，这样就仅需要保证太阳能电池矩阵的恒定电压输出，极大地简化了控制系统。

对于环境温度变化较大的场合，CVT控制就很难保证太阳能电池方阵工作在最大功率点附近，图1给出了不同温度下太阳能电池组件最大功率点的变化。从图1可以明显看得出来，随着太阳能电池组件温度的改变，最大功率点电压变化较大，温度从25℃升高到75℃时，组件电压大约会下降5V。温度每升高10℃，电压大约会下降0.1V，但这个函数关系并不明显。这种情况下，若还要用CVT代替MPPT，就会产生很大的误差。

为了实现最大功率控制，需要在恒压控制的同时，增加对温度变化的补偿。在恒压控制的时候，同时增加对太阳能电池组件结温的检测，并调整到相应的恒压控制点就可以了。于是，需要MPPT的控制电路同时采集太阳能电池的电压和电流信号，并以这两个参数计算电池方阵的功率。

图1温度对光伏组件最大功率点电压的影响

3 最大功率跟踪系统设计

3.1 斩波电路

CVT亦或者是MPPT都是需要采用斩波器来完成直流/直流的变换。斩波电路还具有降压转换器（BUCK）和升压转换器（BOOST）这2个电路。

BUCK降压斩波电路的作用原理是提升电流来实现降压的，而直流变换是通过电感来实现的，BUCK电路的原理图见图2（a）所示。BOOST升压式斩波电路主要是用在光伏太阳能电池方阵对储能蓄电池充电的电路之中，直流变换也是通过电感来实现的，其电路原理如图2（b）所示。

图2 BUCK以及BOOST电路原理

3.2 MPPT控制的实现

BUCK电路以及BOOST电路的实现都需要有闭环电路对其进行控制，用来控制开关K的导通和断开，以及开关K导通和断开时间的长短，从而使得电池方阵始终以最大功率状态工作。

对于CVT或具有温度补偿功能的CVT电路，我们将太阳能电池方阵的工作电压信号反馈到控制电路当中，从而控制开关K的导通时间，这样就能够使得太阳能电池方阵的工作电压始终工作在某一恒定电压即可。

对于为BOOST电路，只需将BOOST电路的输出电流信号反馈到控制电路，控制开关K的导通时间 ，是BOOST电路具有最大的电流输出即可。

对于真正的MPPT控制，则需要对太阳能电池方阵的工作电压和工作电流同时采样，经过乘法运算得到功率数值，然后通过一系列寻优过程使太阳能电池方阵工作在最大功率点附近。现代电子技术和元器件已经可以是MPPT控制电路的效率做到95%以上。

4 无功补偿

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，从而降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿[3]。

无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，系统电压下降。故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。

本方案光伏电站箱变（6%）满载时合计无功损耗约1.2 Mvar，光伏电站至对侧间隔接入点拟定10 kV线路长度约2 km，满载运行时感性无功损耗的一半约为0.5 Mvar，光伏电站汇集站至箱变之间10 kV电缆线路总长约15km，正常运行时感性无功损耗约0.4 Mvar。综上，三者合计无功损耗约为2.1 Mvar，考虑到10 kV线路电压降，所以容性无功补偿容量按5Mvar考虑。

所以本方案10kV系统采用单母线接线，在10kV母线上陪着1套直挂式±5Mvar高壓静止无功发生器（SVG），用于对系统进行无功补偿、平衡电压和抑制谐波。SVG装置包括工控机、功率模块、真空接触器、电抗器以及隔离开关。■

参考文献

[1]王丰， 孔鹏举， Fred C.Lee，等. 基于分布式最大功率跟踪的光伏系统输出特性分析[J]. 电工技术学报， 2015， 30（24）：127-134.

[2]王立乔， 鲍利斌， 孙孝峰. 基于变异粒子群算法的光伏系统最大功率点跟踪研究[J]. 太阳能学报， 2016， 37（3）：743-751.

[3]王旭冉， 郭庆来， 孙宏斌，等. 考虑快速动态无功补偿的二级电压控制[J]. 电力系统自动化， 2015（2）：53-60.