光伏并網電站最大功率跟蹤系統

劉偉平

摘 要： 隨著世界能源的日益匱乏，將目標轉向無污染、儲量豐富的太陽能是解決能源問題的重要方向。文章對光伏太陽能的重要意義進行了簡要的分析，然后對光伏并網電站的最大功率跟蹤系統進行了介紹，分析了最大功率跟蹤系統中的斬波電路，包括降壓轉換器（BUCK）和升壓轉換器（BOOST），實現了光伏并網的最大功率跟蹤點控制。最后，對系統的無功補償進行了設計與討論。

關鍵詞： 太陽能；光伏并網發電；最大功率跟蹤；無功補償

1引言

世界能源危機日益加劇，不可再生型能源日益減少，迫使世界各國將目光轉向了資源豐富且無污染的太陽能，以期能利用太陽能來緩解甚至替代傳統型能源。我國地理面積遼闊，可供利用的太陽能資源儲量巨大，太陽能在我國能源中所占的比重不可忽視。

對于太陽能光伏發電系統來說，總是希望電池方陣能實現利益最大化，電池方陣工作效率最大，產生的電量最多。因此，只有在電池方陣工作在最大功率點處，才能使得電池方陣對太陽能的轉化效率最高。而電池方陣最大功率點是太陽輻照度以及溫度的函數，而且還會隨著負載電壓的變化而變化，具有復雜的數學關系[1]。如果在設計的時候，將電池方陣直接與負載相連接，而不采取其它的控制措施，這樣就不能保證最大功率發電，太陽能電池方陣也不可能發揮出其應有的功率輸出。本文即是對光伏并網電站最大功率跟蹤系統進行研究，以實現光伏發電的最優化。

2 最大功率跟蹤原理

最大功率跟蹤控制系統，就是在太陽輻照度、溫度、負載電壓等因素變化時，也能使得太陽能電池方陣工作在最大功率點附近，使電池方陣對太陽能的轉換效率最高，提高光伏發電站的經濟效益[2]。這種控制方式就叫做最大功率跟蹤點控制，即MPPT。太陽能電池組件的最大功率點與太陽輻射的變化有一個垂直線，這是保持在相同的電壓水平。

那么，對于溫度變化不大的場合，就可以用恒壓控制（CVT）的方式來代替最大功率點跟蹤，這樣就僅需要保證太陽能電池矩陣的恒定電壓輸出，極大地簡化了控制系統。

對于環境溫度變化較大的場合，CVT控制就很難保證太陽能電池方陣工作在最大功率點附近，圖1給出了不同溫度下太陽能電池組件最大功率點的變化。從圖1可以明顯看得出來，隨著太陽能電池組件溫度的改變，最大功率點電壓變化較大，溫度從25℃升高到75℃時，組件電壓大約會下降5V。溫度每升高10℃，電壓大約會下降0.1V，但這個函數關系并不明顯。這種情況下，若還要用CVT代替MPPT，就會產生很大的誤差。

為了實現最大功率控制，需要在恒壓控制的同時，增加對溫度變化的補償。在恒壓控制的時候，同時增加對太陽能電池組件結溫的檢測，并調整到相應的恒壓控制點就可以了。于是，需要MPPT的控制電路同時采集太陽能電池的電壓和電流信號，并以這兩個參數計算電池方陣的功率。

圖1溫度對光伏組件最大功率點電壓的影響

3 最大功率跟蹤系統設計

3.1 斬波電路

CVT亦或者是MPPT都是需要采用斬波器來完成直流/直流的變換。斬波電路還具有降壓轉換器（BUCK）和升壓轉換器（BOOST）這2個電路。

BUCK降壓斬波電路的作用原理是提升電流來實現降壓的，而直流變換是通過電感來實現的，BUCK電路的原理圖見圖2（a）所示。BOOST升壓式斬波電路主要是用在光伏太陽能電池方陣對儲能蓄電池充電的電路之中，直流變換也是通過電感來實現的，其電路原理如圖2（b）所示。

圖2 BUCK以及BOOST電路原理

3.2 MPPT控制的實現

BUCK電路以及BOOST電路的實現都需要有閉環電路對其進行控制，用來控制開關K的導通和斷開，以及開關K導通和斷開時間的長短，從而使得電池方陣始終以最大功率狀態工作。

對于CVT或具有溫度補償功能的CVT電路，我們將太陽能電池方陣的工作電壓信號反饋到控制電路當中，從而控制開關K的導通時間，這樣就能夠使得太陽能電池方陣的工作電壓始終工作在某一恒定電壓即可。

對于為BOOST電路，只需將BOOST電路的輸出電流信號反饋到控制電路，控制開關K的導通時間 ，是BOOST電路具有最大的電流輸出即可。

對于真正的MPPT控制，則需要對太陽能電池方陣的工作電壓和工作電流同時采樣，經過乘法運算得到功率數值，然后通過一系列尋優過程使太陽能電池方陣工作在最大功率點附近?，F代電子技術和元器件已經可以是MPPT控制電路的效率做到95%以上。

4 無功補償

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，可以提供感性負載所消耗的無功功率，從而降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補償[3]。

無功功率的傳輸加重了電網負荷，使電網損耗增加，系統電壓下降。故需對其進行就近和就地補償。并聯電容器可補償或平衡電氣設備的感性無功功率。當容性無功功率QC等于感性無功功率QL時，電網只傳輸有功功率P。根據國家有關規定，高壓用戶的功率因數應達到0.9以上，低壓用戶的功率因數應達到0.85以上。

本方案光伏電站箱變（6%）滿載時合計無功損耗約1.2 Mvar，光伏電站至對側間隔接入點擬定10 kV線路長度約2 km，滿載運行時感性無功損耗的一半約為0.5 Mvar，光伏電站匯集站至箱變之間10 kV電纜線路總長約15km，正常運行時感性無功損耗約0.4 Mvar。綜上，三者合計無功損耗約為2.1 Mvar，考慮到10 kV線路電壓降，所以容性無功補償容量按5Mvar考慮。

所以本方案10kV系統采用單母線接線，在10kV母線上陪著1套直掛式±5Mvar高壓靜止無功發生器（SVG），用于對系統進行無功補償、平衡電壓和抑制諧波。SVG裝置包括工控機、功率模塊、真空接觸器、電抗器以及隔離開關?！?/p>

參考文獻

[1]王豐， 孔鵬舉， Fred C.Lee，等. 基于分布式最大功率跟蹤的光伏系統輸出特性分析[J]. 電工技術學報， 2015， 30（24）：127-134.

[2]王立喬， 鮑利斌， 孫孝峰. 基于變異粒子群算法的光伏系統最大功率點跟蹤研究[J]. 太陽能學報， 2016， 37（3）：743-751.

[3]王旭冉， 郭慶來， 孫宏斌，等. 考慮快速動態無功補償的二級電壓控制[J]. 電力系統自動化， 2015（2）：53-60.