光伏逆变器最大功率点跟踪提升及漏电流抑制的研究

王刚 杜兴龙

摘 要：随着光伏发电的普及，光伏逆变器的应用逐渐增多，对于整个光伏发电系统的效率和安全性也提出了更高的要求。逆变器作为光伏发电系统的核心，除了关键控制技术以外，其最大功率点跟踪（MPPT）提升及漏电流的抑制对于整个系统性能的提升而言也至关重要。本文对逆变器的最大功率点跟踪（MPPT）尤其在阴影遮挡下电池板输出特性做了分析，并研究出一种迅速准确找到最大功率点的策略以及对于非隔离的光伏并网发电系统中的漏电流检测及抑制进行分析。

关键词：太阳能;逆变器;最大功率点跟踪;漏电流

随着国家倡导新旧动能转换，以及在政府的推动下，太阳能开发利用规模迅速增长，技术进步和产业升级也迅速提升，制造成本显著降低，光伏发电成为全球增长最快的能源品种。

逆变器作为光伏系统的“大脑”，不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。随着逆变器技术成熟，最大功率跟踪控制成为影响发电量的关键因素。另外安全性方面，近几年为提高系统效率，降低系统成本，将工频变压器变压器省掉，但随之而来的就是系统会产生漏电流，如果不加以检测及抑制，势必会影响系统及人身安全。

一、逆变器的最大功率点跟踪（MPPT）策略

1 部分遮挡时电池板的特性

在光伏系统的实际应用中，由于周圍建筑物或树木的遮挡、电池板表面的尘土或者多云、积雪等的遮挡，使得电池组件受到的太阳辐射不均匀，从而影响电池组件输出的P-V曲线，会使P-V曲线上产生多峰值，影响最大功率点跟踪。（多云天气可以看作一种动态阴影遮挡，分析P-V曲线时不单独讨论。）

阴影遮挡下PV曲线

2 全局最大功率点跟踪的实现

传统最大功率点跟踪（MPPT）的方法有定电压跟踪法、电导增量法、扰动观察法和三点滞环法。定电压跟踪法固定认为0.8倍开路电压为最大功率点电压;电导增量法当遇到第一个峰值的时候就会出现dP/dU=0，故而认为得到了最大功率点;同样扰动观察法和三点滞环法会在第一个峰值时认为得到了最大功率点，以上方法在特殊条件时的最大功率点与实际最大点存在较大的偏差。

所以，传统的最大功率点跟踪（MPPT）策略在多云或者阴影遮挡下会失效。

针对整个P-V曲线中有两个或者两个以上峰值的情况，假如能将曲线上所有点的功率值进行计算，然后再相互比较，从而就能准确得到最大的功率点即P-V曲线的最高峰，我们将这种方法称为I-V扫描。

当然实际应用中我们不可能计算出曲线中所有点的功率值，所以我们需要设定一定的步长值。I-V扫描即是从开路电压处功率值开始计算，然后每隔一定电压计算出当前电压值处的功率值，直到计算至最低工作电压处，然后将所有功率值进行比较后定位出最大功率点处并进行跟踪。另外为了能适应峰值数量及位置不断变化的P-V曲线，需要定时进行I-V曲线扫描，从而才能保证逆变器整体跟踪效率的提升。

二、漏电流检测及抑制

1光伏并网发电系统产生漏电流的原理

光伏系统漏电流，又称方阵残余电流，本质为共模电流。其产生原因是光伏系统和大地之间存在寄生电容，当寄生电容—光伏系统—电网三者之间形成回路时，共模电压将在寄生电容上产生共模电流。当光伏系统中安装有工频变压器时，由于回路中变压器绕组间寄生电容阻抗相对较大，因此回路中共模电压产生的共模电流可以得到一定抑制。然而在无变压器的光伏系统中，回路阻抗相对较小，共模电压将在光伏系统和大地之间的寄生电容上形成较大的共模电流，即漏电流。

2光伏并网发电系统漏电的检测及抑制策略

漏电流的大小取决于光伏PV和大地之间的寄生电容Cpv，和共模电压变化率，寄生电容其值与外部环境条件、光伏电池板尺寸结构等因素有关，一般在50～150nF/kW左右，共模电压变化率则和逆变器的拓扑结构、调制算法等因素有关。

对于无变压器型光伏并网逆变器拓扑，共模电流（漏电流）有效抑制的两个基本条件为：各桥臂电感值选取一致;采用非零矢量合成参考矢量，使得共模电压保持恒定。

现对典型的H6桥进行分析：

H6拓扑结构

H6直流旁路拓扑，其工作原理如下：正半周期内，开关S1和S4始终导通，S5、S6和S2、S3交替导通。当S5、S6导通，S2、S3关断时，此时共模电压=Udc/2;当S2、S3导通，S5、S6关断时，电流续流路径有2条：（1）S1、S3反并联二极管，（2）S4、S2反并联二极管。二极管D7和D8将电压钳位至Udc/2，此时共模电压=Udc/2。负半周期内共模电压也是Udc/2，因此漏电流可以得到有效抑制。

除了以上的几个拓扑结构外，采用3电平或者5电平等多电平技术，可以降低组件正负极对地的电压，也可以减少漏电流。

三、结论

本文阐述了对于光伏发电系统中发电量影响比较严重的最大功率点跟踪（MPPT）以及对于安全比较重要的漏电流检测与抑制。只有定时进行全局I-V扫描才能找到并定位最大功率点从而保证逆变器始终最大功率输出，保证整个系统的发电量;同时只有做好漏电流的检测与抑制，才能有效的保证整个光伏发电系统的安全性，从而保证设备及人身安全。总之，随着光伏发电系统的不断应用与普及，系统中的各个环节技术肯定会不断成熟并且完善解决。

作者简介：

王刚（1990.10.16）男，山东德州，大专，助理工程师，电力工程，电气设计。