光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

黃亞軍++蔡鵬

摘 要：文章設(shè)計出一種基于正激變換的前級直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)。為了解決不同的光照、溫度等外部特征對光伏電池的輸出工作點(diǎn)產(chǎn)生影響的問題，引進(jìn)了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)，使得發(fā)電系統(tǒng)一直工作在功率最大點(diǎn)左右。針對一般的發(fā)電系統(tǒng)中光伏并網(wǎng)組合方法不能確保每一個組件都可以工作在最大功率點(diǎn)上、并且很難獲得每個組件的實(shí)時狀態(tài)信息，甚至可能形成熱斑的問題，提出了基于直流模塊式的光伏發(fā)電系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于串并聯(lián)、較高的電壓增益、較低的紋波以及輸入輸出電氣安全隔離等特點(diǎn)。通過建立仿真模型進(jìn)行仿真，結(jié)果驗(yàn)證了本文理論分析的優(yōu)點(diǎn)以及正確性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；研究

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）12-0007-02

1 概 述

當(dāng)傳統(tǒng)的燃料能源如煤、石油、天然氣正在一天天減少，并且這些燃料產(chǎn)生的排放物對環(huán)境造成的危害日益嚴(yán)重時，我們不得不把目光投向了清潔能源如太陽能的開發(fā)，光伏發(fā)電就成為了太陽能開發(fā)領(lǐng)域的一個重要方向[1][2]。

近年來，很多專家學(xué)者提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究方法，文獻(xiàn)[3-4]提出的MPPT算法不斷搜索最大功率點(diǎn)，屬于優(yōu)化的范疇，存在優(yōu)化搜索速度和控制響應(yīng)速度之間的矛盾。本文采用MPPT的非線性設(shè)計方法，基于增量電導(dǎo)法，根據(jù)MPPT的dp/duin=0控制目標(biāo)，通過Lyapunov函數(shù)推導(dǎo)出控制方程，能保證MPPT控制的穩(wěn)定性；引入正弦擾動，通過DFT提取光伏輸出的電壓電流的變化量來計算dp/duin，將差分運(yùn)算轉(zhuǎn)化為代數(shù)運(yùn)算，降低了參數(shù)測量要求，減小了干擾對微分運(yùn)算的影響。文獻(xiàn)[5-6]提出建立一個單獨(dú)的交流發(fā)電單元，在這個單元中每一個光伏組件集成一個逆變器，這樣能夠確保單元中的每個組件都工作在功率最大的點(diǎn)周圍，不但增強(qiáng)了能量轉(zhuǎn)化，還提高了系統(tǒng)抗局部陰影的能力，然而這種應(yīng)用交流模塊構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)一般只適用于并網(wǎng)發(fā)電的場合，很難實(shí)現(xiàn)單獨(dú)發(fā)電運(yùn)行，同時在交流模塊運(yùn)行過程中通常需要提供額外的通信來監(jiān)控，增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度。本文在前面理論分析的基礎(chǔ)上提出了一種基于直流模塊式的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2 直流模塊式DC/DC變換器

直流模塊式的光伏發(fā)電系統(tǒng)，是將每個光伏組件均集成在一個直流模塊，模塊中的組件都連接到一個DC/DC變換器上，然后再將多個直流模塊通過不同的連接方式經(jīng)一個集中逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔堋?/p>

串聯(lián)式直流模塊發(fā)電系統(tǒng)，如圖1（a）所示。該系統(tǒng)中的各模塊之間的接線相對簡單，它的抗失配和抗陰影性能一般，變換器的效率對系統(tǒng)的影響不是很大，在一定范圍內(nèi)可以確保每個組件均在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)行，并且各直流模塊可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

旁路式直流模塊發(fā)電系統(tǒng)，如圖1（b）所示。該系統(tǒng)中的各模塊之間連接線比較復(fù)雜，并且擴(kuò)展性較差，能夠保證以相同電壓運(yùn)行的一串組件能夠工作在最大功率點(diǎn)附近，通過逆變器來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，它比較適用于相對集中型的光伏電站，在失配的情況下?lián)p失的功率小，有著較高的能量轉(zhuǎn)化效率，發(fā)電的成本比較低。

并聯(lián)式直流模塊發(fā)電系統(tǒng)，如圖1（c）所示。該系統(tǒng)各個模塊之間的接線簡單，即插即用，擴(kuò)展性能強(qiáng)，它抗失配和抗陰影性能最好，每個組件都能夠工作在在最大功率點(diǎn)，并且直流模塊能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，在失配的情況下功率損失最小，有著較高的能量轉(zhuǎn)化效率，發(fā)電的成本比較低。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤非線性控制

光伏電池運(yùn)行在最大功率點(diǎn)的條件是dp/duin=0，其中p=uiniin。MPPT的控制變量是iin或uin，而DC/DC控制器控制的變量是i1，它們之間存在電容耦合。普通的MPPT控制算法不區(qū)分兩者，DC/DC控制器的直接控制量是iin或uin，交代比較模糊。而輸入端前置電容Cin值一般較大，其耦合的動態(tài)過程不可忽略，其耦合關(guān)系由式（1）決定：

Cin■=i■-i■（1）

為控制dp/duin=0，設(shè)Lyapunov函數(shù)為：

V2=■（■）■+■K■（■■）■dt（2）

對V2求導(dǎo)得：

V2=■（■）■+■K■■■dt=■（■■+KMi■■dt（3）

若令V2≤-KMp（dp/duin）2，則由式（3）得：

■■≤-KMp■-KMi■■dt （4）

對于單峰值的光伏電池總滿足d2p/duin2<0，設(shè)d2p/duin2的最大值為kpum，即kpum=max（d2p/duin2），取kpum×duin/dt=-KMi■（dp/duin）dt，考慮式（1），得到i1的設(shè)定值iset：

iset=in+■（KMp■+KMi■■dt）（5）

結(jié)合式（1），即可得到MPPT外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制模式，根據(jù)反步法原理，可以保證dp/duin收斂到0。

3 仿真及分析

為了清晰的看出非線性MPPT控制算法加入后對整個系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，本文在基本電流環(huán)控制的基礎(chǔ)上加入MPPT非線性控制算法。設(shè)計控制器功率為196 W，前置電容容量為1 000 uF，濾波電感為0.07 mH，開關(guān)頻率為100 kHz。開路電壓Voc =50 V，最大功率點(diǎn)電壓為42 V，短路電流Isc為5 A，最大功率點(diǎn)電流Im為4.67 A。仿真控制原理圖，如圖2所示。

最大功率點(diǎn)電壓波形圖，如圖3所示。在系統(tǒng)穩(wěn)定后電壓在42 V上下波動，與預(yù)期值基本一致，誤差很小；最大功率點(diǎn)功率波形圖，如圖4所示。從圖中可以看出穩(wěn)定后功率在196 W左右，誤差非常小。

從以上仿真的結(jié)果可以看出這種加入正弦擾動的最大功率點(diǎn)跟蹤非線性控制算法是非常有效的。通過非線性控制器的設(shè)計，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了MPPT和電流一體化控制，避免了常規(guī)控制中繁瑣的邏輯控制。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于正激變換的前級直流模塊式的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在系統(tǒng)中采用了直流模塊式的光伏發(fā)電方法，這樣很大程度上增強(qiáng)了光伏組件的發(fā)電效率。并通過在電流環(huán)控制的基礎(chǔ)上加入MPPT的非線性算法，使得光伏電池一直工作在最大功率點(diǎn)附近，提高光能轉(zhuǎn)向電能的轉(zhuǎn)化率。

通過Lyapunov直接法設(shè)計控制方程，確保了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，對所提出的方法進(jìn)行了仿真測試，仿真結(jié)果表明，所提出的算法可以最大程度上提高太陽能的利用率，對生產(chǎn)實(shí)踐具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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