光伏并网发电系统及MPPT控制方法的研究

摘要：能源和环境问题已经是当今社会人类发展所要面对的两个重大挑战，单纯依靠“节能减排”已经不可能解决能源短缺和环境问题。太阳能这种可再生能源，对能源战略有相当重大意义，吸引了诸多国家的关注。两级式光伏并网系统作为发电的重要供电形式，今后一定会推广的很广泛。本文以两级式并网发电系统为研究目标，进行仿真与设计。

分析了光伏电池数学模型和常用的最大功率跟踪（MPPT）控制手段，提出了非对称模糊控制法以及双模式控制法，建立了光伏电池和不同MPPT控制方法Matlab/Simulink 仿真模型，并仿真研究了光伏电池的输出特性。分析比较了两级式单相光伏并网系统主电路，确定了前级Boost 升压电路、后级单相全桥逆变电路结构以及二级功率变换整体控制方案，并進行了主电路参数选择计算。并网逆变器采用电流内环电压外环的双闭环 PI控制，给出了控制系统参数计算的详细过程。分析和设计了基于 DSP 控制系统的硬件设计和软件方案，给出了部分硬件电路和软件流程。

给出了仿真模型和运行结果，验证了前级实现 MPPT 跟踪和升压功能、后级并网使输出电流与电网电压同频率同相位，表明了方案的可行性和有效性。

关键词：光伏电池;MPPT;并网逆变控制;仿真;DSP

1光伏并网发电系统的研究

1.1引言

光伏发电系统主要研究的对象是把太阳能转化成电能，这种发电方式和化石燃料的燃烧相比较起来具有环保性。随着科学技术的发展，光伏发电的研究也得到了进一步的进展，太阳能发电方式成为了人们重点研究的对象，这种发电方式不仅价格便宜，而且对于资源的消耗也是最低的。太阳能光伏发电系统的使用范围越来越广泛，尤其是在很多大型企业的工厂当中，可以起到节约资源的效果，太阳能光伏发电系统在未来的发展前景也是一片光明，所以，这篇论文主要的研究对象就是光伏并网发电系统作为 MPPT 研究对象。

1.2 光伏发电系统原理及组成

光伏发电系统的发电方式主要包括两种。第一在发电的过程当中不需要使用蓄电池就可以进行发电。第二种发电方式具有独立性，主要的功能就是为偏远的山区提供电能，但是这种发电方式一定要运用蓄电池。对以上两种发电方式进行讨论，可以发现使用并网发电方式的价格比较便宜，并且这种发电方式的操作比较简单，对于日后的维修也起到了方便的作用。这篇论文主要是把光伏发电系统作为研究对象进行MPPT研究。

太阳能的发电方式包括很多种，主要的基本原理是把光能转化为电能。这篇论文设计的光伏发电系统主要就是利用太阳能板吸收光能，产生电能供给用户使用，光伏发电系统的主要组成如下所示。

（1）光伏电池：主要的能量来源;

（2）控制器和电能存储：存储电能的装置;

（3）变换环节：电能变换环节。

1.2.1光伏并网发电系统工作原理

光伏发电的基本原理是把太阳能光源照射在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，当把电源的开关打开，就会形成电流。

光伏发电系统发电方式主要包含以下两种：

（1）光—热—电转换方式主要是依靠太阳能吸收大量的热进行发电，把光能转化为热能，产生大量的蒸汽，在这个过程当中主要是依靠电动机进行热能的转化。其次是把热能在转化为电能，这种转化方式虽然操作简单，但是与火力发电方式相比较起来却存在着很多的缺点，电能的利用率比较低，价格也比较昂贵，一般这种方式发电使用的成本是火力发电的五倍之多。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光伏效应，把太阳能直接吸收的太阳能转化为电能，这个过程要运用太阳能电池，使用的主要器件是半导体二极管。发二极管主要是吸收太阳能光，在把太阳能转化为电能。在电能的转化过程中，会使用大量的电池，把多个电池串联起来产生较大的功率。如今使用太阳能发电的转化方式应用较为广泛，因为这种转化方式的成本低、环保、持久性。太阳能在世界上的资源比较丰富，作为可持续发展资源而得到人们的关注。太阳能发电方式和其他火力、核能发电方式比较起来，也不会对环境造成很大的污染。

2 光伏并网发电系统的关键技术

2.1引言

光伏发电方式的基本原理是把太阳能转化出人们利用的电能，光伏发电当中最终的装置就是光电池，光电池在发电过程中扮演着重要的角色。光电池的制作材料非常的特殊，这种材料会产生一种光效应，这样就可以进行发电。在日常生活当中使用的光伏电池是由多个电池组成的，众多电池串联在一起，这样就会提升发电的效率。多个电池之间形成一个光伏阵列，可是外界条件的改变会对光伏发电的效率产生很大的影响，因此必须要减少外界因素的抑制条件，实现功率的最大转化。

2.2孤岛检测技术

对孤岛检测技术进行深入的探讨，这种技术必须要及时的监测出孤岛的出现：（1）首先孤岛方式的建立必须要对孤岛的方案进行考虑，实施孤岛检测技术。（2）其次反孤岛方案也要能及时的监测出孤岛的存在，这样就会减少不必要的人员伤亡。局部孤岛方案存在的方式主要包含两种，第一就是被动方式，这种方式的基础是把质量作为基础条件，但是这种方式会存在着一个不能检测到的区域为NDZ。另外一种方式为主动形式，这种方式主要是对电网系统做周期性得运动，进而判断孤岛的发生情况，主动检测方式最大的特点就是可以减少不能检测到的区域。

对于这篇论文研究的光伏并网系统来说，逆变器的反应孤岛方式可以分为两种，第一种为被动式的鼓捣检测方法，这种检测方法主要是依靠电网断电的时候引起电路发生的不平衡现象，对于电力系统当中的频率、相位数值都会造成很大的影响。被动式的检测方法，这种方法比主动方法最大的优势特点就是可以在盲区的地方检测到，如果被动和主动方法集合起来共同使用，更会提高检测方法的可靠性。第二种检测方法为主动式孤岛检测方法，这种方法会受到公共点的干扰，对其他的参数值产生很大的变化，最终起到检测的效果。使用被动式孤岛检测方法主要包含以下几个参数值主动频移反孤岛策略（AFD 方案）、基于正反馈的主动频移法（Sandia 频移法）和滑模频率偏移法等。

2.3并网逆变器控制技术

这篇论文选取的并网逆变器控制主要分为两个部分，后级逆变器和前级逆变器两种。两级变压器之间是通过直流母线电容连接在一起的，双级式光伏发电系统由DC/DC和DC/AC两级电路组成，直流变交流的任务由 DC/AC完成，其中直流是由DC/DC

把光伏电池输送到一定的电压增大到定值电压供给的。但是对于DC既要升压的过程，也要完成MPPT的基本条件。对于MPPT是要改变DC/DC 电路中开关管的开断频率来完成的。

2.4并网逆变器结构

2.4.1前级 DC/DC 电路

这篇论文主要的研究并网电路系统是由两部分电路构成的，分为转路和控制电路两部分，并网电力控制系统最大功率点主要是由DC/DC 部分完成。本篇论文的研究主要包括两种电路系统，经常看见的主要有Buck电路和Boost電路。

2.4.2后级单相逆变器

本篇论文主要的研究对象是光伏并网发电系统，发现系统主要的核心器件为逆变器，逆变器在电气系统当中扮演着重要的作用，逆变器和工作功率具有很大的关系，选择适合的拓扑及逆变控制算法，这样可以减少并网电流谐波，会使得光伏并网电流的滤波以及并网电流精确控制很容易实现。

（1）逆变器的分类及选择

逆变器的分类可以根据不同的类型进行分类。输入端的变压器可以分为电流逆变器和电压型变压器。主要得结构图为图1所示。如果根据控制类型可以划分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制。因为电流类型的逆变器必须要连接上一个电感，这样才可以保持电路色平稳性能，这样会对电路带来很大得影响。逆变器的功能特点也具有很多，不但可以完成逆变的任务，而且还可以有源滤波和无功补偿，可以为电路提供更多的电能、价格也便宜、减少了损耗情况。因此，在实际生活的应用当中，一般都会采用逆变器的工作结构。

观察上述逆变器电压结构图可以发现，大电网和交流电压源具有很多相同的地方，逆变器的变压器可以当做把两个电压源串联起来使用。假设在实际生活中要使用这种技术，锁技术和大电网之间必须要保持一致的状态。如果电路系统顺利的进行，对电路当中电压和相位值进行改变就可以对有功和无功进行调整。逆变器电压在运转的过程中也含有很大的缺点，当电路处于锁相，就会极大的降低电路的工作效率。因为电压不能及时的控制，可能会造成电路存在着很大的风险。

如果以上讨论的不足问题不能得到即使的改进，将会降低电路的效率。如果电路的选择使用电压电源进行控制，此时在电路当中就会产生并网系统。这种方法的操作也比较简单，操作起来也很容易理解，在实际生活当中，使用的范围也比较广泛。半篇论文选取的就是逆变器为电压源电流控制型。

2.4.4 系统控制方案

（1）两级功率变换整体控制方案比较

本篇论文并网电气系统的设计为两级功率变换系统。这两种控制系统可以分为前后级两种。两级控制的方法有很多本篇论文并网电气系统的设计为两级功率变换系统。这两种控制系统可以分为前后级两种。两级控制的方法有很多种，但是要保证这两种设计顺利的进行，包含以下几种方法。

1.DC/DC 独自完成 MPPT 任务，DC/AC 采用双闭环控制原理保证电路当中电压和电流的顺利进行，即DC/DC 和DC/AC这两个系统都是处于独立的状态。

2.如果采用DC/AC并网电流的大小完成DC/DC的MPPT任务，此时还需要的任务条件是控制电压和电流的稳定。

3.可以采用中间直流母线电压控制前级DC/DC占空比完成设计的MPPT任务。

对上述几种方法进行讨论，不难发现采用第一种方法是最简单的，并且这种方法的操作过程也比较简单，计算得结果最准确，误差比较小。然而另外两种操作方法使用的是采样并网输出电流的值。这两种方法普遍存在着一个缺陷，就是会受到外界条件的影响。假设当太阳光得光强变弱，后级输出功率就会增大，因此，就会需要在电容内部存储的能量进行补充，如果直流母线电压大幅度的下降，就会导致后级DC/AC就难以正常运行。

3 单相光伏并网逆变控制分析

光伏并网逆变控制系统的主要任务是：控制DC/AC电流与电网电压的频率、相位一样，还要保证谐波少、畸变率小，是个运行平稳的正弦波。本章主要分析的就是后级DC/AC 的控制策略。

3.1 后级并网控制方案分析

本文后级控制方式是电压源电流控制，它的理论依据是：将逆变器输出电流作为控制目标，来达到系统保持单位功率因数的目的。若大电网受到扰动，电压就会受到波动，这时因为采用电压源电流控制型的逆变器具有高阻抗性，所以逆变器输出电流不会因为电网扰动而受太多的干扰。

3.1.1 并网逆变电流跟踪控制方案比较

电流控制的经典框图如图2所示。控制目标是逆变器输出电流。并网运行逆变器跟不并网运行逆变器的区别是，大电网是一个有源负载，会对系统造成一定的干扰。为了能尽量减少干扰的存在，通常都会在设计时添加前馈补偿控制，图2中，Unet就是扰动信号，F（s）是前馈补偿，如若Gn（s）设计合理，便可以实现Unet通过Gn（s）对系统的输出起补偿功能，来消去Unet所带来的干扰。

电流内环控制也有好几种控制方法，下文简单介绍了三种通常经常用的电流控制手段，这三种方式的电流控制都能让电流实现它所需要的规定大小、频率和相位，也都能保证电流能平稳快速运行。

3.2 逆变器并网试验仿真分析

后级逆变器电流环仿真模型如图3所示。图4和图5分别是逆变器输

出电流和电压波形。

结论

迄今为止，随着我国经济不断的发展，世界能源的需求量也在不断的增加，我国也面临着能源的危机。世界各国都已经对能源投入了大量的人力和物力，主要的目地就是防止大量石油燃料资源的污染。这篇论文主要研究的对象是光伏并网发电系统，对能源的研究具有重大的影响意义。

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[5] 杨金孝，朱琳.基于Matlab/Simulink光伏电池模型的研究.现代电子技术，2011，（24）：192-194+198

作者简介：

叶远龙 1987.4.14;山东;歌尔股份有限公司;职称：工程师;研究方向：电子产品测试 工厂（企业）信息化;团队管理

（作者单位：歌尔股份有限公司）