基于Boost电路单相两级式光伏并网发电系统的研究

刘必旺 孙传庆

(常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164)

0 引言

太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，特别是光伏并网发电在国内外得到了广泛的研究。从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终以替代能源的角色进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。传统的光伏并网发电大都采用工频或者高频变压器，虽然他们有很好的隔离保护等作用，但是工频变压器体积大、质量重，而高频变压器虽然克服了工频变压器的缺点，但是结构复杂、效率低。因此为了尽可能地提高光伏并网系统的效率和降低成本，本设计采用了非隔离型光伏并网逆变器［1］。而为了并网，光伏电池组件输出电压必须在任何时刻都大于电网电压峰值，因此采用boost升压电路，从而可以得到满足并网逆变电路直流侧输入电压要求的电压等级。前级boost电路不仅能够提高最大功率跟踪(MPPT)的精度，而且又能使网侧逆变器较好地控制直流母线电压。后级DC/AC逆变作为系统的第二级，其主要作用是实现对电网的跟踪控制，确保逆变电路输出稳定、高质量的正弦变流电，因此采用电压外环、电流内环的双闭环控制。基于boost电路单相两级式光伏并网逆变，前级的最大功率点跟踪和后级的并网是互不干扰、相互独立的，不仅提高了系统控制可靠性而且更有利于系统的模块化设计与集成。在光伏并网发电中，为了提高效率，必须实行最大功率点跟踪。本文分别研究分析了干扰观测法和电导增量法原理，利用Matlab/Simulink中的SFunction模块，通过C语言编程实现MPPT，最后通过仿真分析比较了两种最大功率跟踪的优越性。

1 基于Boost光伏并网系统的设计

在传统拓扑的非隔离式光伏并网［2］系统中，光伏电池组件输出电压必须在任何时刻都大于电网电压峰值，所以需要光伏电池板串联，来提高光伏系统输入电压等级。但是多个光伏电池串联常常可能由于部分电池板被云层等外部因素遮蔽，导致光伏电池组件输出能量严重损失，光伏电池组件输出电压跌落，无法保证输出电压在任何时刻都大于电网电压峰值，使整个光伏并网系统不能正常工作。因此本文采用了boost升压电路，通过调节占空比而改变光伏阵列的输出电压，从而使光伏阵列工作在一个宽泛的电压范围内，因此直流侧电池组件的电压配置更加灵活。但是只通过一级能量变换常常难以很好地同时实现最大功率跟踪和并网逆变两个功能，所以采用两级非隔离式光伏并网逆变器［3］。如图1所示，前级boost电路完成直流侧光伏阵列输出电压的升压功能以及系统的最大功率点跟踪，后级DC/AC部分采用全桥逆变电路完成系统的并网逆变功能。

1.1 前级boost电路的MPPT控制

如图1，令开关S的开关周期为TS，占空比为D。

当0＜t＜DTS时，S导通，电流回路为C1→L1→S，此时 C1经 S向电感 L1充电，即:uS=0，UL=UPV;

图1 基于boost两级非隔离式光伏并网逆变系统

当DTS＜t＜TS时，S关断，电流回路为C1→L1→D→C2→C1，此时C1和L1一起向C2充电，即:uS=UC，UL=UPV－UC。考虑到电感L1在一个周期内电流平衡，有

从而得到boost输入输出电压关系为:

由于D＜1，则前级boost电路的输出电压UC大于光伏阵列的输入电压UPV。

前级boost电路根据光伏电池输出电压和电流的检测，通过MPPT算法得出调节光伏电池工作点的电压指令Uref。然后将Uref和光伏电池输出电压的采样值UPV相减，并经过PI调节后和高频三角载波进行比较，大于0则开通S，反之则关断S，从而可以使光伏阵列的电压工作在最大值，其输出功率达到最大值，即实现了最大功率点跟踪(MPPT)。具体算法参看图2。

图2 DC/DC控制系统框图

1.2 后级逆变电路的控制

后级网侧逆变主要作用是实现对电网的跟踪控制确保逆变电路输出稳定、高质量的正弦变流电，因此采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。

电压外环［4］是根据功率平衡的原理来实现直流母线的稳定控制，也就是控制电容C2的电压指令Uref。当光伏阵列功率大于并网功率时，电容C2储存能量，电压升高;当光伏阵列功率小于并网功率时，C2储存的能量会被消耗，电压降低。因此，控制C2的电压稳定就可实现光伏阵列的能量和转换到电网的能量的平衡。电压外环采用PI调节，即电压指令值Uref和实际参考值的差经过PI，滤波环节后得到电流指令值Iref，采集电网电压经过锁相环后得到单位正弦信号和Iref相乘后作为电流内环的电流指令值iref。电压外环的控制框图如图3所示，GPI(S)为PI环节的传递函数;滤波环节1/τfS+1是一个低通滤波器，τf为时间常数用于滤除电容C2电压的二倍频分量;GdI(S)是电流内环的等效环节。

图3 电压外环控制框图

电流内环［5］主要实现网侧电流的跟踪控制，以实现并网逆变器的单位功率因数正弦波电流控制。将电流实际值和指令值iref的差经过PI调节后和高频三角载波比较得到SPWM波，驱动逆变器实现电流跟踪。电流内环的控制框图如图4所示，GPI(S)为PI环节的传递函数;Ga(S)是LC滤波的传递函数;GPWM(S)是采用PWM控制的逆变桥传递函数，可等效为一小惯性环节 KW/(0.5τS+1)，τS为三角载波的周期，KW为脉宽调制的放大系数。

图4 电流内环控制框图

图5为后级DC/AC逆变［6］的具体算法框图:

图5 DC/AC控制系统框图

2 最大功率跟踪(MPPT)控制策略

光伏电池运行受外界环境温度、辐照度等因素的影响，呈现出典型的非线性特征。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(MPP)上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。采取最大功率跟踪(MPPT)就显得至关重要，本文将采用两种方法进行最大功率跟踪，并通过仿真进行分析比较。

2.1 电压干扰法

图6为电压干扰法［7］的控制流程图，在每一段采样周期中，按照事先设定好的步长改变参考电压，对输出的电压值和电流值进行采样，得到此时的瞬时功率，与前一个采样周期的输出功率比较，检测输出功率的变化，如果功率增加，则说明电压的改变方向正确，继续在该方向上按照步长变化电压;如果功率减少，则说明电压的改变方向错误，在下一个控制周期反向调整参考电压。由此系统不断进行对参考电压的调整，最后系统稳态运行在最大功率点附近很小的范围内。

图6 电压干扰法MPPT控制流程图

2.2 电导增量法

电导增量法［8］通过不断比较光伏工作时的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。由于最大功率点处的光伏电池输出功率PPV与输出电压UPV满足条件

由此得到

式中，G为输出特性曲线的电导，dG为电导G的增量。由于增量dUPV和dIPV可以分别用△UPV和△IPV来近似代替。因此可得到系统运行点和最大功率点的判断如下:

电导增量法的算法流程如图7所示:

图7 电导增量法MPPT控制流程图

以上分析了两种最大功率跟踪的原理并给出了流程图，根据相应的流程图通过Matlab/Simulink中的S-Function模块，利用C语言进行编程，分别将它们应用到图8所示的系统仿真，从而实现各自的MPPT。

3 系统仿真分析

利用Matlab/Simulink工具包，依照图1的控制框图搭建了系统的仿真模型。主要包括MPPT算法实现、DC/DC控制系统、DC/AC控制系统。根据文献［9］建立光伏电池的仿真模型，其最大功率点电压为328 V，最大功率为4 480 W。仿真电路的相关参数:电网的额定电压为380 V，C1=2 200 uf，L1=1.5 mH，C2=4 700 uf，滤波电感 L=7.5 mH，等效电阻R=0.1 mΩ，电流内环控制器参数为:Kp=9.85，Ki=4;电压外环控制器参数为:Kp=8.75，Ki=3;前级的boost升压PWM 电路采用 DDS［10］产生三角载波，频率为10 kHz。后级DC/AC逆变电路采用双极性的SPWM，三角载波频率为10 kHz。系统仿真模型如图8所示。

图9为电压干扰法的MPPT;图10为电导增量法的MPPT，从图上可以看出电导增量法和电压干扰法达到最大功率点的时间差不多，但是当外界光照等条件剧烈变化时，相对于电压干扰法，电导增量法能够更加精确的跟踪最大功率点。图11为逆变器直流侧电压在光照为1 000 W/m2时最终稳定在435 V。图12为电网电压和逆变器输出电流的波形，从图上可知在0.13 s电流电压同频、同相，达到并网的要求。

图8 基于Boost两级式单相光伏并网发电的仿真模型

图9 电压干扰法MPPT仿真波形

图10 电导增量法MPPT仿真波形

图11 逆变器直流侧电压仿真波形

图12 电网电压和逆变器输出电流波形

4 结束语

采用两级式非隔离光伏并网系统，前级的最大功率点跟踪和后级逆变并网是互不干扰、相对独立，提高了系统控制的可靠性。同时验证了电导增量法在外界光照等条件剧烈变化时，能够更好的跟踪最大功率点。系统运行效果好，达到并网要求。

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