基于MPPT的串联型Z源并网逆变器设计*

李 宁，炎 云

（1.洛阳供电公司电力设计院，河南洛阳 471009;2.新乡供电公司，河南新乡 453000）

1 引言

光伏电池是光伏发电系统中能量转换的关键器件，它的能效高低对光伏发电系统的整体效率具有很大影响。光伏电池能够输出的最大功率称最大功率点(Maximum Power Point，MPP)，为了实现系统整体效率的最大化，必须控制光伏电池使其在最大功率点状态下工作。为此需要控制光伏电池使其能够一直工作在最大功率点，此功率调节过程称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)［1］。光照、温度等环境参数的变化，都会对光伏电池的最大功率点产生影响。

2 MPPT算法

2.1 光伏电池的输出特性

光伏电池的输出电流、输出电压以及输出功率之间的关系即为光伏电池的输出特性，它具有明显的非线性特征，并且受光照强度、环境温度等参数的影响［2］，特性曲线也会产生微小变化和静态漂移。在任何稳定的环境因素条件下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是输出电流在低电压区间是稳定的，随着电压的升高达到一定程度，电流会急速下滑至截止状态。因此，光伏电池的输出功率会随着电压的上升而出现明显的上升和下降趋势，在这两个趋势之间可以寻找到光伏电池的最大功率点。光伏电池在某一温度和光照强度下的P－V和I－V曲线如图1所示。

图1 光伏电池的输出特性

2.2 扰动观察法

从光伏电池的输出电压以及输出功率之间的关系曲线可以看出，以最大功率点所对应输出电压值Vm为界，左右两侧曲线呈明显的上升或下降趋势［3］。在Vm右侧区间，光伏电池工作电压值大于最大功率点电压Vm，随着工作电压的增大，光伏电池的输出功率减小，具有明显的下降趋势;在Vm左右侧区间，光伏电池工作电压值小于最大功率点电压Vm，随着工作电压的增大，光伏电池的输出功率增大，具有明显的上升趋势。

扰动观察法是在当前工作点的基础上，施加定向的扰动，然后根据输出结果的变化来判断工作点所在的区间中输入和输出的关系。扰动观察法是一种有效的跟踪最大功率点的方法。通过主动调整系统的工作点，寻找最大功率点的方向。扰动观察法的控制算法简单，易于实现，对传感器精度要求也不高，在日照条件下，光强变化不会很剧烈，可以满足光伏系统对最大功率点跟踪的要求，是目前实现MPPT最常使用的方法之一。

由于该算法需要周期性的定向扰动，使系统运行处于最大功率点一定范围内的动态平衡过程中，而非静止于最大功率点，所以会使光伏系统总是工作在近似的最大功率状态下，定向扰动的幅度越强烈，实际平均功率损失就会越大。

2.3 MPPT的实现方法

根据对光伏电池输出特性的分析，可以通过控制光伏电池的输出电压来达到寻找和跟踪光伏电池输出最大功率点的目的。光伏电池的输出电压经过PI调节器，送入串联型 Z源逆变器的输入端，所以，MPPT又转化为对逆变器输入电压Vdc的控制问题。对串联型Z源逆变器工作原理的分析可以得到:

对于PI调节器而言，输入直流电压有效值Vdc与输出电压占空比Do存在线性关系，通过调节占空比Do接可以实现对输入电压有效值的控制，进而调节光伏电池的输出功率，最终实现对光伏电池的最大功率点跟踪［4］。

图2 MPPT控制框图

3 系统整体控制结构

系统的整体控制结构［5～6］如图3所示。系统依靠对PI输出环节占空比Do的调节来实现对光伏电池的最大输出功率点的跟踪，实现光能到电能的最大转换能力;对串联型Z源逆变器的控制关键是要实现两个目标，即稳定的桥臂直流链电压的峰值和输出正弦波的完整性。因此，决定采用电压环和电流环的双环反馈控制方式。内环为并网电流反馈控制环，实现电流的正弦化，减少了电流谐波;外环为直流链电压间接控制环，通过并网电流来调节Z源电容电压，从而间接地维持直流链电压峰值的稳定。

图3 串联型Z源光伏并网逆变器的控制结构

4 软件设计

本系统所有控制策略都是由数字信号处理器DSP来完成的，控制芯片采用 TI公司的TMS320LF2407。该控制器具有高速的数据处理能力、具有强大的事件管理能力和丰富的中断系统，适合作为大量数据处理嵌入式测控系统。

整个系统的程序由三部分构成:主程序、捕获单元CAP4中断子程序和定时器T1下溢中断子程序。如图4～6所示。主程序中完成对所有硬件、中断系统和任务的初始化工作;捕获单元CAP4中断子程序通过PWM信号控制并网电流正弦波，使逆变器输出波形更好，且保持相位相同，消除无功功率;定时器T1下溢中断子程序控制直流链电压，实现MPPT算法。

图6 T1下溢中断子程序流程图

5 仿真结果

在该系统的测试实验中，分别控制光伏电池的输出电压在50V、70V和90V，并得到仿真波形如图7所示。图中包括:输入电压Vdc、逆变桥直流链电压vi、Z源电容电压Vc、A相并网电流ia、A相电网电压ea。

由仿真波形可见，并网电流的波形良好，且与电网相位差极小，系统能够适用在一天时间内因光照强度变化而带来的光伏电池输出电压的大范围变化。当光伏电池电压变化时，Z源电容电压会自动改变，从而保持直流链峰值电压恒定。

图7 仿真结果

［1］蒋永和.光伏并网电压型逆变器电压控制策略及MPPT研究［D］.合肥:合肥工业大学，2007.

［2］吴理博.光伏并网逆变系统综合控制策略研究即实现［D］.北京:清华大学，2006.

［3］张玉平，石新春.一种新型光伏最大功率跟踪控制器的实现［J］.电力电子技术，2009，43(2):14 －16.

［4］胡寿松.自动控制原理［M］.北京:科学出版社，2001.

［5］梁雪峰.5kW光伏并网逆变器的研究［D］.北京:北京交通大学，2008.

［6］顾斌，钱照明，房绪鹏，等.Z源变频调速系统及其空间矢量 PWM控制方法［J］.电气传动，2005，35(5):13－16.