光伏发电系统中无电流传感器型MPPT控制策略

王盼宝，王 卫，吴 炎

（哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

光伏发电作为一种清洁、可持续发展的绿色能源越来越多地受到各国青睐。中国近年来成为光伏电池生产第一大国，并非常重视光伏发电的应用。截止到2012年底，我国光伏发电累计核准（备案）达到17 980 MW，并网6 500 MW，并网容量位列世界第五。而根据我国工业和信息化部发布的《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》中的数据，到2015年，我国光伏发电成本将下降到0.8元/（kW·h），光伏发电将具有一定的经济竞争力；到2020年，发电成本将下降到0.6元/（kW·h），将在主要电力市场实现有效竞争。规划中还提到，要促进光伏产品应用，扩大光伏发电市场，掌握光伏发电系统的集成技术。

光伏发电系统通常可划分为离网型和并网型2种［1］。由于离网型没有电网支撑，当晚上光伏阵列无法发出电能时需要由储能装置向负载提供能量。并网型光伏发电系统输出端直接与电网相连，因此本地负载所需的能量可由电网、光伏并网发电系统两者分别或同时提供［2］。在光伏并网发电系统发出能量满足本地负载仍有余量时，多余的能量可向电网馈入。这就要求并网型光伏发电系统随时以光伏阵列发出的最大功率进行能量转换［3］。

在中小功率光伏并网发电系统中，使用的光伏阵列输出电压往往较低，而为了满足并网侧电压需要，逆变电路直流侧电压通常在400 V左右，因此可在两者之间引入Boost变换器进行升压［4］。光伏阵列在特定光照和温度环境下，随着输出电压的变化，存在着一个最大输出功率工作点MPP（Maximum Power Point）［5］，因此这个 DC-DC 环节可在升压的同时完成对光伏阵列的最大功率点跟踪MPPT（Maximum Power Point Tracking）［6］。

传统的MPPT算法需要同时使用光伏阵列的电压和电流信息。近年来基于单变量（电压或电流）的MPPT算法受到关注，减少1个传感器不仅可简化设计，还可降低系统成本。文献［7］介绍了一种只使用电流传感器的光伏发电系统MPPT算法，通过光伏阵列输出电流与开关管占空比D之间的关系实现MPPT。文献［8］利用光伏阵列特性曲线峰值点处功率与占空比的导数为零的特点，得到该点电流与占空比导数也为零的结论，并利用该结论设计只使用电流传感器的MPPT算法，但该算法需要计算导数，且对传感器精度要求较高。以上2种方法节约了光伏输入侧的电压传感器，但是在实际应用中，光伏阵列的电压信息需要显示出来，所以仍然需要电压传感器，同时电流传感器的成本往往比电压传感器要高很多，因此实际意义不大。文献［9］只使用电压传感器进行MPPT设计，通过当前光伏阵列电压和开关管占空比信息对光伏阵列功率变化值进行反推，进而利用扰动观察法实现MPPT。

本文介绍了一种只使用电压传感器的单变量MPPT算法，并利用双级式光伏并网逆变器结构进行功率推导，在简化系统设计的同时，有利于降低系统成本。

1 MPPT原理

光伏阵列的最大功率输出特性是由于串并联其中的光伏电池特性造成的，输出功率与电压曲线呈抛物线形状，并受到光照强度、环境温度等因素影响，表现出非线性特点［10-12］。

MPPT可分为在线跟踪和离线跟踪2种，常用的在线跟踪方法有扰动观察法、电导增量法等［13］。扰动观察法［14］实时对比光伏阵列的输出功率变化，通过调节光伏阵列的输出电压实现光伏阵列的输出功率调节。图1为采用扰动观察法的传统MPPT控制框图，需要实时采集光伏阵列的输出电压、电流，经过计算功率、对比调节前后的功率变化与电压变化得出DC-DC变换器的给定电压。

图1 传统MPPT控制框图Fig.1 Block diagram of traditional MPPT control

从上面分析可以看出，扰动观察法中光伏阵列的电流信息主要是用来与电压信息相乘得到功率信息。双级式光伏并网逆变器输出功率与输入功率的关系为：

其中，POUT和PIN分别为逆变器输出与输入功率；η1和η2分别为前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器的转换效率。

那么，如果使用逆变器输出功率信息作为MPPT的判断标准，就能省略DC-DC的电流传感器，本文就是基于以上思想设计MPPT及其整体控制策略。

2 系统组成与整体控制策略

2.1 双级式光伏并网发电系统组成

图2是双级式光伏并网发电系统的体系结构示意图。光伏阵列发出的直流电经DC-DC变换、DC-AC逆变后，再通过LC结构滤波器滤除SPWM产生的高频谐波，并经过一个1∶1的工频隔离变压器后送至电网。其中，LC滤波器采用2个电感串联的形式，可有效降低其寄生电容；工频隔离变压器可以滤除并网电流中的直流分量，并起到电气隔离作用，可提高系统的安全性。

图2 双级式光伏并网发电系统体系结构Fig.2 Architecture of two-stage grid-connected photovoltaic system

在系统的运行中，该控制策略实现了光伏并网逆变器前后级能量传递的动态平衡，并通过直流母线电容进行缓冲。当光伏阵列发出的能量减少时，直流母线电压降低，系统后级的电压外环为了稳定母线电压在设定值，则减小电流内环的给定值，此时并网电流减小，母线电压得以提高。同理，当光伏阵列发出的能量变大时，并网电流也将相应地增大。

2.2 无电流传感器的MPPT整体控制策略

基于以上分析，本文提出了一种改进的双级式光伏并网逆变器控制策略。根据典型双级式光伏并网逆变器的控制原理，系统后级DC-AC环节内环电流给定幅值能够以直流量的形式反映并网电流的大小，而系统的DC-AC输出与电网并联，其输出电压被电网箝位于220 V左右，故并网电流有效值与输出功率成正比关系。根据光伏并网逆变器输入输出功率动态平衡关系，可知能够实时反映出光伏阵列输出功率的大小。因此，可用代替传统双级式控制策略中的光伏输出功率作为MPPT控制算法的功率参考值，从而可省略掉DC-DC变换器中光伏阵列输出电流采样环节。

图3 电流给定幅值与其平均值Fig.3 Given current amplitudes and their average

基于以上方法，可得到改进后的无电流传感器型MPPT控制策略如图4所示。

图4 改进后的控制策略Fig.4 Improved control strategy

在系统的后级控制中，直流电压的采样值UDC与其设定值进行比较后送至电压PI调节器，电压PI调节器的输出则作为电流内环的给定幅值。为了实现逆变器输出电流以单位功率因数并网，必须保证并网电流与电网电压的相位和频率严格一致。锁相环（PLL）可实现对电网电压的实时跟踪锁相，并产生一个与电网电压同频同相的正弦信号［15］。该信号与电流内环的给定幅值相乘后，即是电流内环的给定值。逆变环节的并网电流采样值与电流内环给定值比较后送给电流PI调节器。

2.3 MPPT程序设计

本文根据所提出的光伏并网逆变器改进型MPPT控制策略，采用定电压跟踪法和扰动观察法相结合的方式进行MPPT程序设计。

系统将按定电压跟踪法以80%的光伏阵列开路电压启动，以保证系统快速到达光伏阵列最大功率点附近；接着按图5所示程序流程进行循环跟踪。

图5 MPPT程序框图Fig.5 Flowchart of MPPT program

程序开始首先更新UPV和变量，并将与电网电压的有效值相乘，分别作为MPPT程序中本次电压值和功率值保存。MPPT程序之后将本次获得的功率值与上次功率值比较，若本次功率大于上次功率，说明扰动方向正确，应继续按照这一方向改变光伏阵列电压。程序下一步会判断本次电压与上次电压大小，若本次电压大，则光伏阵列的参考给定电压继续加上步长ΔU，反之则减去一个步长；若本次功率比上次小，则说明扰动方向错误，程序应按照相反方向调节光伏阵列输出电压。

程序最后将本次获得的功率值与电压值保存，并在程序下一次被调用时，作为上一次的功率值、电压值与当前更新的功率值、电压值进行上述比较。

3 实验结果

为验证上述控制策略的有效性，使用IR公司的逆变专用控制芯片IRMCF143作为控制器设计了额定功率为800W的实验样机，其输入电压范围为240～350 V，母线电压为400 V，开关频率为20 kHz，按照相关标准，输出电压为 220×（1±5%）V，输出电压频率为 50×（1±2%）Hz，输出电流谐波含量小于 5%，功率因数大于0.99，整机效率大于92%。

图6为光伏并网逆变器额定运行时的并网波形，测试时输入电压280 V。可以看出，并网电流iinv的正弦度好，能精确跟踪电网电压ugrid，并与其保持相位和频率一致，从而保证系统以单位功率因数并网发电。直流母线电压稳定在设定值400 V，整机的控制性能良好。

图6 并网波形Fig.6 Waveforms of grid connection

图7为系统启动时光伏阵列输出电压、电流波形，可以看到系统能快速调节光伏阵列的输出电压并保证系统运行在光伏阵列的最大功率点处。

图7 MPPT启动波形Fig.7 Waveforms of MPPT startup

图8为光伏阵列输出功率发生变化时并网电流的变化情况。可以看出，经过4个电网周期后，系统跟踪上了光伏阵列新的最大功率点，响应速度较快。

图8 最大功率变化时并网波形Fig.8 Waveforms of grid connection for maximum power variation

使用Chorma 62150H光伏阵列模拟器对系统的MPPT进行了测试，通过附带的上位机软件可以设定最大功率点并统计设定时间内的输出功率，从而测试MPPT的跟踪效率。通过测试，当系统输出功率大于300 W时，MPPT跟踪效率大于99.2%。在线调整模拟器输出的最大功率点，系统能及时跟踪到新的最大功率点。

图9为MPPT测试结果。实验结果证明了本文所提的基于单电压变量的MPPT控制策略响应速度快，精确度高，可在实际场合进行应用。

图9 MPPT测试结果Fig.9 Results of MPPT test

4 结语

本文分析了双级式光伏并网逆变器的MPPT控制策略，利用其解耦控制特点，基于前后级能量平衡原理，提出了一种直流侧无电流传感器的单电压变量MPPT控制策略。使用系统后级逆变控制环节中的电流给定幅值作为MPPT控制器的功率参考值，并对其进行了平均化处理以保证跟踪精度。依据所提的控制策略设计了MPPT程序流程，搭建了一台实验样机，样机的并网性能、MPPT精度与响应速度良好，验证了该控制策略的有效性和合理性。电流传感器的减少在简化系统设计的同时也提高了光伏并网逆变器的经济效益。