基于MPPT的光伏并网逆变器研究

张志敏，彭红义，潘若妍，周振雄

(北华大学电气与信息工程学院，吉林吉林 132000)

国内外对最大功率点跟踪(MPPT)控制技术做了大量的研究，在控制算法上取得了大量研究成果，但是随着光伏发电并网的应用，需要更好地控制光伏发电并网质量和受到干扰后的最大功率点跟踪。

为了提高系统效率，降低输出功率在最大功率点附近振荡，本文对扰动观测法进行改进，提出了基于滞环比较的变步长扰动观测法。同时在分析并网逆变器控制策略的基础上，利用锁相环技术和电网电压前馈补偿的复合控制策略，能够降低并网的谐波含量，提高电能质量。在Matlab/Simulink中对基于滞环比较的变步长扰动观测法和并网逆变器的控制策略进行了仿真，结果证明了本文改进的扰动观测法具有更快的跟踪速度，并网电流具有更好的跟踪性能和较小的谐波含量。

1 光伏发电特性与系统分析

1.1 光伏发电特性分析

对光伏发电系统进行区分时，可划分为离网与并网两种形式[1]。并网方式光伏发电系统通过装置与大电网进行互联，光伏系统发出的电能不仅能够为负载直接利用，还能够将多余的电能并入电网，常见的光伏发电系统结构如图1 所示。

图1 光伏发电系统结构框图

通常应用较多的光伏电池等效电路模型如图2 所示。

图2 光伏电池等效电路模型

根据基尔霍夫定律，对图2 进行分析可得：

整理式(1)后，计算出等效模型输出电流：

式中：IL为光伏电池阵列的输出电流；Iph为光伏电池中存在的光生电流；Is为光伏电池P-N 结中反向时候的一个饱和电流；q为电子电荷数；Rs、Rsh为在等效电路中进行串联及并联时的电阻值；k为玻尔兹曼常数；T为光伏阵列环境的绝对温度。

光伏电池的输出特性如图3 所示。

图3 光伏电池的特性曲线

1.2 光伏并网逆变器结构

并网逆变器对光伏电池形成的直流电执行逆变，得到交流电，接着并入电网中，或者提供电能满足交流负载的电能需求。在并网之前需要对光伏电池输出的电压进行升压，一般使用Boost 升压电路，常见的Boost 主电路如图4 所示。

图4 光伏电池的特性曲线

对光伏电池输出的直流电执行升压操作，接着在逆变器的作用下完成对直流电的逆变，得到交流电。光伏发电并网的核心就是通过逆变器实现电能的转换，实现的主要电路包括直流升压电路、滤波电路、逆变电路、主控电路、信号采集电路和保护电路等[2]，如图5 所示。

图5 光伏并网逆变器的结构框图

2 变步长扰动观测法设计

2.1 MPPT 原理与跟踪算法分析

为保障光伏发电系统处于最大输出功率状态下运行，需要分析输出功率和光照、温度以及负载等参数之间的关联[3]。利用控制算法寻找到最大功率点的技术就是MPPT 技术[4]。基于输出特性曲线的MPPT 控制原理如图6 所示。

图6 MPPT基本原理示意图

扰动观测法是根据功率和电压之间的特性关系进行分析，对系统工作电压施加扰动，电压必然发生变化，计算所引起功率输出的变化，根据得到的功率变化对工作电压的方向进行调节，实现系统的最大功率点跟踪控制[5-6]，其过程如图7所示。

图7 扰动观测法基本原理

2.2 基于滞环比较的变步长扰动观测法优化设计

为了避免输出功率在最大功率点附近振荡导致功率振荡，需要对施加的电压扰动步长精确控制，降低扰动步长对系统的动态和稳态性能的影响[7]。电压扰动步长越小则精度越高，但是会降低跟踪的速度，需要较长时间的跟踪，影响到系统的效率；电压扰动步长选取过大，虽然提高了跟踪速度，但是会增加控制的难度和功率振荡。本文为了克服传统扰动观察法存在的矛盾，利用带滞环比较器对其进行优化。

将滞环比较的原理加入到扰动观测法中，可以利用滞环对功率进行比较，利用增加一个滞环的方法实现对功率变化幅度的控制，利用滞环比较确定电压扰动的步长范围，可以克服电压扰动观测法的缺点，得到精确的电压扰动步长，提高最大功率点跟踪精度的同时，降低了由于电压扰动引起的功率波动，避免出现功率变化方向判断错误的情况。

基于滞环比较的变步长扰动观测法优化实现的流程如图8 所示。

图8 基于滞环比较的变步长扰动观测法优化流程

3 并网逆变器控制策略研究

3.1 数字锁相环分析

锁相环主要是将光伏发电系统采样得到的电网电压进行锁相，根据所得相位角计算得到并网逆变器输出的并网电流，实现并网电流和电网电压同频同相。并网电表的相位利用相位指针Index 变量确定，并网电流的频率由步进值Step确定，如图9 所示。

图9 并网电流锁相环控制框图

3.2 锁相环技术与电压前馈补偿的复合控制策略

光伏发电并网一般采用的是电流跟踪控制的控制策略，为了抑制光伏发电并网引起的电压扰动，在电流内环控制策略中加入并网电压前馈补偿的控制，可以大大降低并网电压波动对逆变器输出的并网电流的影响。设计的基于电网电压前馈补偿的逆变器电流跟踪控制如图10 所示。图中：GN(s)为电网电压的前馈补偿环节；Iref和Igrid分别为光伏发电系统逆变并网时的参考电流和实际逆变器的输出电流；Gpi(s)和Ginv(s)分别为调节控制和逆变系统环节；GT(s)为滤波环节。

图10 基于电网电压前馈补偿的逆变器电流跟踪控制

利用基尔霍夫电压定律(KVL)得到并网逆变器输出的电压平衡方程为：

对式(3)进行拉普拉斯变换可以得到：

在电网处于异常状态时会出现电压不对称甚至畸变的现象，严重时会影响到光伏发电系统的正常运行。为了对电网电压和并网逆变器输出电流之间的波动关系进行研究，可以将电网电压看作是系统的电压扰动信号，可以对没有施加电网电压前馈补偿时进行分析，得到并网电流Igrid的传递函数为：

未进行电网电压补偿的系统误差为：

在电流跟踪控制中加入电网电压前馈补偿后的系统误差为：

在式(7)中，如果GN(s)=，则可以得到系统误差eerr(s)=0。根据设计的电压前馈补偿的复合控制策略，加入电网电压前馈补偿后，可以降低电网电压对光伏发电并网逆变器输出电流的影响，在理论上可以实现完全补偿。

4 仿真实验结果分析

本文根据研究的变步长扰动观察法MPPT 控制，在Matlab/Simulink 软件环境中搭建光伏发电系统MPPT 的各控制模块，对提出的最大功率点跟踪和并网逆变器的控制策略进行仿真验证，搭建的光伏发电系统并网和MPPT 控制策略的仿真模型如图11 所示。

图11 Matlab/Simulink中仿真模型

对MPPT 进行仿真需要结合搭建的Boost 电路，在系统的输入和输出模型中分别接入阻抗负载，对传统的变步长观测法和带滞环比较的变步长扰动观测法控制进行对比仿真研究，仿真模型中器件主要参数如下：电感L1、L2分别设置为1、10 H，三个电容分别设置为30、47、47 μF，IGBT 开关频率为10 kHz，三个电阻分别设置为1 000、1 000、100 Ω，二极管最大正向电流为300 mA、最大正向电压为1 V，比较器工作电压为24 V、输出电流为16 mA。

光伏发电系统在标准条件(25 ℃，1.0 kW/m2)下对传统变步长扰动观测法和滞环比较器的变步长扰动观测法进行仿真比较。

首先确定最大功率点附近波动的范围，设置的仿真时间为1 s，步长是ode45，分别对步长为0.03、0.004、0.002 时的功率变化进行测试，得到的仿真曲线如图12 所示。

由图12 可知步长为0.03 时达到最大功率点附近只需要0.10 s，但是振荡较为剧烈；步长为0.002 时达到最大功率点的时间为0.68 s，用时较长；步长为0.004 时用时0.30 s，虽然没有步长0.03 时快，但是振荡较小。

图12 不同步长的功率变化曲线

为证明带滞环比较器的变步长扰动观测法的优越性，使用同样的条件对传统变步长扰动观测法和带滞环比较器的变步长扰动观测法进行仿真对比，得到的仿真曲线如图13所示。

图13 传统变步长扰动观测法和带滞环比较器的变步长扰动观测法功率变化曲线

由图13 可知，带滞环比较器的变步长扰动观测法跟踪到最大功率点附近的用时是0.30 s，传统变步长扰动观测法用了0.52 s 左右跟踪到最大功率点，在跟踪速度上带滞环比较器的变步长扰动观测法提高了40%以上，振荡较小。带滞环比较器的变步长扰动观测法能够跟踪到40 W，传统变步长扰动观测法智能跟踪到38.5 W，跟踪精度提高了4.0%。

为了进一步验证带滞环比较器的变步长扰动观测法进行MPPT 控制的效果，改变光照和温度进行仿真对比，仿真设置主要是光照强度在0.4 s 时由800 W/m2(25 ℃)变为1 000 W/m2(25 ℃)，温度在0.7 s 由25 ℃(1 000 W/m2)变为42 ℃(1 000 W/m2)，得到功率曲线如图14所示。

图14 光照和温度变化时的功率变化曲线

由图14可以看出，在0.4和0.7 s光照强度和温度分别发生变化时，带滞环比较器的变步长扰动观测法能够快速跟踪到光照强度变化后的最大功率点，而且振荡较小，跟踪速度较快。

得到基于电网电压前馈补偿的逆变器并网电流跟踪电网电压的波形，如图15 所示。由图15 可得并网电流和电网电压的同频同相，证明了并网电流能够很好地跟踪电网电压，能够实现跟踪控制，而且并网电流的谐波含量较小，具有较高的并网电能质量。

图15 并网电流跟踪电网电压的波形

5 结论

本文对光伏发电系统并网中的关键控制技术进行了分析，重点研究了MPPT 和并网逆变器的控制策略。研究了光伏发电系统、Boost 升压电路、带滞环比较的变步长扰动观测法和并网逆变器复合控制策略，并在Mablab/Simulink 中建立光伏发电并网系统仿真模型，对优化的变步长观测法和逆变器控制进行了仿真，结果证明：在环境条件发生变化时，提出的带滞环比较器的变步长扰动观测法能够快速精确地跟踪到最大功率点，设计的基于电网电压前馈补偿的逆变器电流跟踪控制策略能够保证并网电流跟踪电网电压，具有较好的控制效果，满足电网对并网电流的要求。