光伏并網發電系統及MPPT控制方法的研究

摘要：能源和環境問題已經是當今社會人類發展所要面對的兩個重大挑戰，單純依靠“節能減排”已經不可能解決能源短缺和環境問題。太陽能這種可再生能源，對能源戰略有相當重大意義，吸引了諸多國家的關注。兩級式光伏并網系統作為發電的重要供電形式，今后一定會推廣的很廣泛。本文以兩級式并網發電系統為研究目標，進行仿真與設計。

分析了光伏電池數學模型和常用的最大功率跟蹤（MPPT）控制手段，提出了非對稱模糊控制法以及雙模式控制法，建立了光伏電池和不同MPPT控制方法Matlab/Simulink 仿真模型，并仿真研究了光伏電池的輸出特性。分析比較了兩級式單相光伏并網系統主電路，確定了前級Boost 升壓電路、后級單相全橋逆變電路結構以及二級功率變換整體控制方案，并進行了主電路參數選擇計算。并網逆變器采用電流內環電壓外環的雙閉環 PI控制，給出了控制系統參數計算的詳細過程。分析和設計了基于 DSP 控制系統的硬件設計和軟件方案，給出了部分硬件電路和軟件流程。

給出了仿真模型和運行結果，驗證了前級實現 MPPT 跟蹤和升壓功能、后級并網使輸出電流與電網電壓同頻率同相位，表明了方案的可行性和有效性。

關鍵詞：光伏電池;MPPT;并網逆變控制;仿真;DSP

1光伏并網發電系統的研究

1.1引言

光伏發電系統主要研究的對象是把太陽能轉化成電能，這種發電方式和化石燃料的燃燒相比較起來具有環保性。隨著科學技術的發展，光伏發電的研究也得到了進一步的進展，太陽能發電方式成為了人們重點研究的對象，這種發電方式不僅價格便宜，而且對于資源的消耗也是最低的。太陽能光伏發電系統的使用范圍越來越廣泛，尤其是在很多大型企業的工廠當中，可以起到節約資源的效果，太陽能光伏發電系統在未來的發展前景也是一片光明，所以，這篇論文主要的研究對象就是光伏并網發電系統作為 MPPT 研究對象。

1.2 光伏發電系統原理及組成

光伏發電系統的發電方式主要包括兩種。第一在發電的過程當中不需要使用蓄電池就可以進行發電。第二種發電方式具有獨立性，主要的功能就是為偏遠的山區提供電能，但是這種發電方式一定要運用蓄電池。對以上兩種發電方式進行討論，可以發現使用并網發電方式的價格比較便宜，并且這種發電方式的操作比較簡單，對于日后的維修也起到了方便的作用。這篇論文主要是把光伏發電系統作為研究對象進行MPPT研究。

太陽能的發電方式包括很多種，主要的基本原理是把光能轉化為電能。這篇論文設計的光伏發電系統主要就是利用太陽能板吸收光能，產生電能供給用戶使用，光伏發電系統的主要組成如下所示。

（1）光伏電池：主要的能量來源;

（2）控制器和電能存儲：存儲電能的裝置;

（3）變換環節：電能變換環節。

1.2.1光伏并網發電系統工作原理

光伏發電的基本原理是把太陽能光源照射在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結內建電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，當把電源的開關打開，就會形成電流。

光伏發電系統發電方式主要包含以下兩種：

（1）光—熱—電轉換方式主要是依靠太陽能吸收大量的熱進行發電，把光能轉化為熱能，產生大量的蒸汽，在這個過程當中主要是依靠電動機進行熱能的轉化。其次是把熱能在轉化為電能，這種轉化方式雖然操作簡單，但是與火力發電方式相比較起來卻存在著很多的缺點，電能的利用率比較低，價格也比較昂貴，一般這種方式發電使用的成本是火力發電的五倍之多。

（2）光—電直接轉換方式該方式是利用光伏效應，把太陽能直接吸收的太陽能轉化為電能，這個過程要運用太陽能電池，使用的主要器件是半導體二極管。發二極管主要是吸收太陽能光，在把太陽能轉化為電能。在電能的轉化過程中，會使用大量的電池，把多個電池串聯起來產生較大的功率。如今使用太陽能發電的轉化方式應用較為廣泛，因為這種轉化方式的成本低、環保、持久性。太陽能在世界上的資源比較豐富，作為可持續發展資源而得到人們的關注。太陽能發電方式和其他火力、核能發電方式比較起來，也不會對環境造成很大的污染。

2 光伏并網發電系統的關鍵技術

2.1引言

光伏發電方式的基本原理是把太陽能轉化出人們利用的電能，光伏發電當中最終的裝置就是光電池，光電池在發電過程中扮演著重要的角色。光電池的制作材料非常的特殊，這種材料會產生一種光效應，這樣就可以進行發電。在日常生活當中使用的光伏電池是由多個電池組成的，眾多電池串聯在一起，這樣就會提升發電的效率。多個電池之間形成一個光伏陣列，可是外界條件的改變會對光伏發電的效率產生很大的影響，因此必須要減少外界因素的抑制條件，實現功率的最大轉化。

2.2孤島檢測技術

對孤島檢測技術進行深入的探討，這種技術必須要及時的監測出孤島的出現：（1）首先孤島方式的建立必須要對孤島的方案進行考慮，實施孤島檢測技術。（2）其次反孤島方案也要能及時的監測出孤島的存在，這樣就會減少不必要的人員傷亡。局部孤島方案存在的方式主要包含兩種，第一就是被動方式，這種方式的基礎是把質量作為基礎條件，但是這種方式會存在著一個不能檢測到的區域為NDZ。另外一種方式為主動形式，這種方式主要是對電網系統做周期性得運動，進而判斷孤島的發生情況，主動檢測方式最大的特點就是可以減少不能檢測到的區域。

對于這篇論文研究的光伏并網系統來說，逆變器的反應孤島方式可以分為兩種，第一種為被動式的鼓搗檢測方法，這種檢測方法主要是依靠電網斷電的時候引起電路發生的不平衡現象，對于電力系統當中的頻率、相位數值都會造成很大的影響。被動式的檢測方法，這種方法比主動方法最大的優勢特點就是可以在盲區的地方檢測到，如果被動和主動方法集合起來共同使用，更會提高檢測方法的可靠性。第二種檢測方法為主動式孤島檢測方法，這種方法會受到公共點的干擾，對其他的參數值產生很大的變化，最終起到檢測的效果。使用被動式孤島檢測方法主要包含以下幾個參數值主動頻移反孤島策略（AFD 方案）、基于正反饋的主動頻移法（Sandia 頻移法）和滑模頻率偏移法等。

2.3并網逆變器控制技術

這篇論文選取的并網逆變器控制主要分為兩個部分，后級逆變器和前級逆變器兩種。兩級變壓器之間是通過直流母線電容連接在一起的，雙級式光伏發電系統由DC/DC和DC/AC兩級電路組成，直流變交流的任務由 DC/AC完成，其中直流是由DC/DC

把光伏電池輸送到一定的電壓增大到定值電壓供給的。但是對于DC既要升壓的過程，也要完成MPPT的基本條件。對于MPPT是要改變DC/DC 電路中開關管的開斷頻率來完成的。

2.4并網逆變器結構

2.4.1前級 DC/DC 電路

這篇論文主要的研究并網電路系統是由兩部分電路構成的，分為轉路和控制電路兩部分，并網電力控制系統最大功率點主要是由DC/DC 部分完成。本篇論文的研究主要包括兩種電路系統，經常看見的主要有Buck電路和Boost電路。

2.4.2后級單相逆變器

本篇論文主要的研究對象是光伏并網發電系統，發現系統主要的核心器件為逆變器，逆變器在電氣系統當中扮演著重要的作用，逆變器和工作功率具有很大的關系，選擇適合的拓撲及逆變控制算法，這樣可以減少并網電流諧波，會使得光伏并網電流的濾波以及并網電流精確控制很容易實現。

（1）逆變器的分類及選擇

逆變器的分類可以根據不同的類型進行分類。輸入端的變壓器可以分為電流逆變器和電壓型變壓器。主要得結構圖為圖1所示。如果根據控制類型可以劃分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制。因為電流類型的逆變器必須要連接上一個電感，這樣才可以保持電路色平穩性能，這樣會對電路帶來很大得影響。逆變器的功能特點也具有很多，不但可以完成逆變的任務，而且還可以有源濾波和無功補償，可以為電路提供更多的電能、價格也便宜、減少了損耗情況。因此，在實際生活的應用當中，一般都會采用逆變器的工作結構。

觀察上述逆變器電壓結構圖可以發現，大電網和交流電壓源具有很多相同的地方，逆變器的變壓器可以當做把兩個電壓源串聯起來使用。假設在實際生活中要使用這種技術，鎖技術和大電網之間必須要保持一致的狀態。如果電路系統順利的進行，對電路當中電壓和相位值進行改變就可以對有功和無功進行調整。逆變器電壓在運轉的過程中也含有很大的缺點，當電路處于鎖相，就會極大的降低電路的工作效率。因為電壓不能及時的控制，可能會造成電路存在著很大的風險。

如果以上討論的不足問題不能得到即使的改進，將會降低電路的效率。如果電路的選擇使用電壓電源進行控制，此時在電路當中就會產生并網系統。這種方法的操作也比較簡單，操作起來也很容易理解，在實際生活當中，使用的范圍也比較廣泛。半篇論文選取的就是逆變器為電壓源電流控制型。

2.4.4 系統控制方案

（1）兩級功率變換整體控制方案比較

本篇論文并網電氣系統的設計為兩級功率變換系統。這兩種控制系統可以分為前后級兩種。兩級控制的方法有很多本篇論文并網電氣系統的設計為兩級功率變換系統。這兩種控制系統可以分為前后級兩種。兩級控制的方法有很多種，但是要保證這兩種設計順利的進行，包含以下幾種方法。

1.DC/DC 獨自完成 MPPT 任務，DC/AC 采用雙閉環控制原理保證電路當中電壓和電流的順利進行，即DC/DC 和DC/AC這兩個系統都是處于獨立的狀態。

2.如果采用DC/AC并網電流的大小完成DC/DC的MPPT任務，此時還需要的任務條件是控制電壓和電流的穩定。

3.可以采用中間直流母線電壓控制前級DC/DC占空比完成設計的MPPT任務。

對上述幾種方法進行討論，不難發現采用第一種方法是最簡單的，并且這種方法的操作過程也比較簡單，計算得結果最準確，誤差比較小。然而另外兩種操作方法使用的是采樣并網輸出電流的值。這兩種方法普遍存在著一個缺陷，就是會受到外界條件的影響。假設當太陽光得光強變弱，后級輸出功率就會增大，因此，就會需要在電容內部存儲的能量進行補充，如果直流母線電壓大幅度的下降，就會導致后級DC/AC就難以正常運行。

3 單相光伏并網逆變控制分析

光伏并網逆變控制系統的主要任務是：控制DC/AC電流與電網電壓的頻率、相位一樣，還要保證諧波少、畸變率小，是個運行平穩的正弦波。本章主要分析的就是后級DC/AC 的控制策略。

3.1 后級并網控制方案分析

本文后級控制方式是電壓源電流控制，它的理論依據是：將逆變器輸出電流作為控制目標，來達到系統保持單位功率因數的目的。若大電網受到擾動，電壓就會受到波動，這時因為采用電壓源電流控制型的逆變器具有高阻抗性，所以逆變器輸出電流不會因為電網擾動而受太多的干擾。

3.1.1 并網逆變電流跟蹤控制方案比較

電流控制的經典框圖如圖2所示。控制目標是逆變器輸出電流。并網運行逆變器跟不并網運行逆變器的區別是，大電網是一個有源負載，會對系統造成一定的干擾。為了能盡量減少干擾的存在，通常都會在設計時添加前饋補償控制，圖2中，Unet就是擾動信號，F（s）是前饋補償，如若Gn（s）設計合理，便可以實現Unet通過Gn（s）對系統的輸出起補償功能，來消去Unet所帶來的干擾。

電流內環控制也有好幾種控制方法，下文簡單介紹了三種通常經常用的電流控制手段，這三種方式的電流控制都能讓電流實現它所需要的規定大小、頻率和相位，也都能保證電流能平穩快速運行。

3.2 逆變器并網試驗仿真分析

后級逆變器電流環仿真模型如圖3所示。圖4和圖5分別是逆變器輸

出電流和電壓波形。

結論

迄今為止，隨著我國經濟不斷的發展，世界能源的需求量也在不斷的增加，我國也面臨著能源的危機。世界各國都已經對能源投入了大量的人力和物力，主要的目地就是防止大量石油燃料資源的污染。這篇論文主要研究的對象是光伏并網發電系統，對能源的研究具有重大的影響意義。

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作者簡介：

葉遠龍 1987.4.14;山東;歌爾股份有限公司;職稱：工程師;研究方向：電子產品測試 工廠（企業）信息化;團隊管理

（作者單位：歌爾股份有限公司）