单级式光伏逆变研究与MPPT方法-solarbe文库

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第 25 卷第 11 期2009 年 11 月电网与清洁能源PowerSystemand Clean EnergyVol.25 No.11Nov.2009文章编号 1674- 3814（ 2009） 11- 0007- 06 中图分类号 TM615 文献标志码 B单级式光伏逆变研究与 MPPT 方法章伟康 1， 2，褚君浩 2，章闻曦 3（ 1.上海交通大学自动化系，上海 200083； 2.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；3.Illinois Institute of Technology, Chicago IL 60616-3793, America）Research on Single-stage Photovoltaic Inverters and MPPT MethodZHANG Wei-kang 1， 2, CHU Jun-hao 2, ZHANG Wen-xi 3（ 1.Department of Automation, ShanghaiJiao Tong University, Shanghai 200083, China;2.ShanghaiInstitute of Technical Physics,of CAS, Shanghai200083, China;3.Illinois Institute of Technology,Chicago IL 60616-3793, USA）ABSTRACT A novel mechanismand methodfor grid- connectedinversion, in the stable photovoltaic environment of individualsinusoidalperiods, basedonbalanceofICF IntegralChargeFlowsbetweenthe solar cell source and inversion load with no DC- DCconversion,isproposedandconductedin thispaperfor thepurposetoraiseinversionefficiencyand reduceintermediateexchangeofpowerenergyandtheexchangerate. TheconceptoftheexchangeratiooverMPP voltage level Vm is introduced， the inversion processof thismethodis analyzed， and a calculation formula for the constrainedexchange ratio is given. The existence of the periodic stablephotovoltaicconditionisdemonstratedbytheexperimentalfigure. Inthispaper, theinvertermethodwiththefunctionalstartandregulatorof MPPT is studied and the strategyof the MPP-following inversecontrolandtheadjustingalgorithmofM PP-to- MPPtransferaresetupusingDPDVM DifferentialPowerplusDifferentialVoltageMethod.The experimental inverter showshigh inversion efficiency can beachievedbyapplyingthesemethodsandalgorithms.KEY WORDS inversion efficiency； non DC-DC conversion；MPPT摘要提出和研究正弦波周期稳幅条件下基于电荷流积均衡（ ICF）的零 DC-DC 变换的并网型逆变机制和方法，旨在减少电能交换环节和次数，以提高电路逆变效率。还提出流积平衡下基于 MPP偏置电压 V m的交换比，分析了这种方法的逆变工作过程，得出约束交换比的计算方法。阐述了正弦单周期逆变调制的光伏环境条件，研究由启动和调节环节构成的无DC-DC变换的 MPPT逆变方法，分析建立了功率电压法（ DPDVM）的 MPPT逆变控制策略及 MPP转移调节算法流程。电路实验表明，这些方法和算法下逆变电路可取得很高的效率。关键词逆变效率 ;零 DC-DC 变换 ;MPPT0 引言太阳能光伏发电及并网逆变器多采用两级电路形式 [1-9] 。采用两级方式的特点是电路功用单一化，由前级 DC-DC 变换可获得 MPPT及稳幅输出，由后级 DC-AC 逆变 PWM调制产生正弦波输出。各级电路的控制建模简便，算法易于实现。但是，两级电路的模式也存在弱点。由于发生电场能和磁场能两种形式能量变换，且电能变换多于一次，电路结构较复杂，效率不易提高，而且生产工艺要求和成本较高。如果剔除 DC-DC 变换电路，直接将光伏电池组件连接到逆变电路作正弦波调制输出，有利于提高逆变器的最大效率以及效率带技术指标，并可提高逆变器的可靠性和减小逆变器生产成本。1 单级逆变电路与工作机制光伏发电逆变的主要性能之一是效率。逆变器为两级电路时，前级 DC-DC 电路运行中存在多个能量变换过程，能量交换发生在电场能和磁场能的不同能量形式之间，储能元件电容器和电感器在多次变换时存在多个功率损耗，阻碍逆变效率的提高。剔除 DC-DC 变换电路，简化电能传递的变换结构，是探索新型高效逆变器的重要途径。1.1 电路形式光伏发电逆变电路中，可采取无 DC-DC 变换的专家论坛Experts Forum电池组件与逆变桥直联方式或单级结构 [10-11] 。单级逆变基本电路如图 1所示。 E是光伏电源，由电池组件提供， G是电网电源，来自公用电网。图 1 无 DC-DC 变换的逆变基本电路1.2 工作机制无 DC-DC 变换逆变系统的输出级具有物理构型，输入级则只存在逻辑形式。输入级以正弦波周期或半周期上电压电流稳幅条件，根据光伏电流 i ph、直流偏置电压 uc和光伏电源 I- V 特性，完成最大功率点跟踪 MPPT。输出级在前级 MPP工作点上，根据电网电压 ug和电网频率 fg，逆变并传递基于单周期或半周期的正弦波功率。在连续变化的光伏环境下，采用储能元件平滑工作点迁移，使 MPPT算法得以实现。逆变系统的控制由多个闭环控制环节组成。输入控制是基于周期稳幅条件的光伏环境变化的 MPPT反馈调节，使直流输入电压保持在 MPP工作点（ Vm, I m）上。输出控制是基于工作点（ Vm, I m）的逆变 PWM 调制，根据电网电压 ug和逆变负载电流 i 0波形进行电压电流闭环反馈控制。当光伏环境变化较大较快时，可采用模糊 PID或参数整定自适应等方式在输入输出环节间构成 MPP状态反馈控制环节，实现系统最佳动态控制性能。输入级实际上执行的是正弦波周期或半周期上基于 MPP的光伏电能到交流电能的能流平衡控制。该 MPP能流控制的变换基于电荷平衡原理。任何周期时段上，光生电荷流积与逆变电荷流积是均衡相等的（ ICF）。周期时段上，换流过程中由储能元件保持 MPP偏置电压，在能率最大化下满足系统 MPPT运行。光伏电源 E在光照下激发光生电荷，向储能元件 C和逆变桥 S1-S 4输送电荷流。在正弦波周期上存在几种电荷流平衡状态或阶段。其一是光生电荷流向储能元件和逆变桥堆，属过电荷流阶段；其二是光生电荷仅流向逆变桥堆或储能元件，属等电荷流阶段；其三是光生电荷与储能电荷同时流向逆变桥堆，属欠电荷流阶段。在过电荷及欠电荷平衡阶段，储能元件偏置电压 Uc因灌入和灌出电荷而波动。电荷的灌入和灌出速率不同时，储能元件的偏置电压发生迁移。因此逆变过程要求有两个子环反馈控制，一个子环控制周期内电荷灌入灌出速率，使负载逆变电流与光伏电源 MPP电流保持一致；另一个子环处理偏置电压变动，当光伏环境变化时，使系统迁跃到 MPP上运行。这些能流变换的反馈控制子环在 MPP状态反馈外环干预下实现 MPPT逆变运行。设电网电源 tk时刻（ k∈ N）正弦波周期为 Ts，（ tk,tkTs）上在子环反馈控制下可得到图 2输出波形。图中V m是调整在 MPP的偏置电压， Tb、 Tc和 Ta分别属于过电荷流、等电荷流和欠电荷流阶段。 MPP能流和逆变的控制由级联的逻辑前级和电路后级完成。逻辑输入级完成算法 DC-DC 变换，控制能流和 MPP偏置电压调节。在物理后级逆变调制下，逻辑前级输出后级输入的直流偏置分量 Uc和脉动分量 Δ uc。脉动分量Δ uc的频率 fc是正弦调制信号频率 fs的 2倍。从光伏电源 I- V特性观测， PWM单个开关周期 τ tontoff，直联耦合运行的物理过程如图 3所示。这是个典型的等电荷流阶段，在非等电荷阶段，开关周期内的均压电平不与 MPP电压重合。光伏环境变化的 MPP电压迁跃调节是由非等电荷过程实现的。如果限制电荷灌入灌出的波动幅度 Δ V pVp- V mVm- Vp- ，使波动幅度相对偏置电压的交换比 λ Δ Vp/V m控制在小范围，则软变换输出将工作在 MPP上，实现单级结构的高效率 MPPT。图 2 基于电荷流积平衡的反馈控制 PWM 调制 MPPT 输出由软变换控制算法取得 MPP偏置电压 Vm后，需限制电荷灌入灌出的波动电压范围 Δ Vp。稳态平衡下，储能元件 C在（ 0， Ts/2）上失去的电荷量 qs与得到的电荷量 qe相等。光伏电源提供得到的电荷量 qe为 qenj1ΣIc， j· Δ toff,j mk1ΣIc， k· Δ ton， k，nj1ΣΔ toff， j mk1ΣΔ ton， k∈ 0， Ts4Σ Σ（ 1）逆变消耗失去的电荷量 qs为专家论坛Experts Forum08第 25 卷第 11 期电网与清洁能源qsCNj1Σ Δ u cj （ 2）由交换比 λ ，可得C 1λλ · Im-I sm· ton,maxVm（ 3）式中， I sm是逆变消耗电荷量的等值电流。按式（ 3）计算选取电容值，可限制波动电压范围 Δ Vp，满足设计要求的交换比。逻辑输入级的软变换控制算法下获得周期稳定的 MPP偏置电压，要求光伏环境分时片稳定。光伏环境的稳定将取决于光照变化。计算光辐射功率变化是微小的，图 4显示了典型光照多变的实测数据。由数据分析，光辐射功率的相对变化率在每秒 1以内。折算到正弦波周期，光辐射功率相对变化率在每秒万分之二以内。这说明正弦波周期上具备输入级电压电流稳幅条件的光伏环境。2 MPPT 控制方法单级逆变的前级逻辑输入要得到组件 MPPT，后级电路输出要向电网馈送当前 MPP的正弦波功率或电流。零 DC-DC 变换下，能流控制环节直接经功率反馈控制电压偏置，使逆变输入的偏置电压调节在MPP。当光伏环境变化时，需要检测反馈环节启动MPP反馈控制环节运行，使逆变系统调节到新的MPP运行。逆变 MPPT功能实现由 MPPT启动和 MPPT调节两个基本环节组成。 MPP迁移调节构成 MPP反馈控制环节的外环，可与逆变环节的电流反馈控制双反馈控制环工作，使逆变系统达到要求的动态性能指标。2.1 MPPT 启动算法MPPT 启动算法基于如下的功率电压法（ DPDVM）。 DPDVM的特点是检测计算量小，判别快捷，控制精确可靠。低频稳态工作下，组件的输出电流波形与 uc是一致的。太阳能光伏电池的简化数学模型 V为。Vε · ln IphIrΣ Σ1 - IR s， ε nkTq （ 4）式中，光生电流 Iph与光辐射功率 ψ 成正比。光辐射功率变化下光伏电池输出电压变化为dV εIph-II r· dI ph （ 5）即电压变化极性与光功率的一致。从图 5 I- V特性变化可得到同样的变化规律。图 5 光照不同时光伏电池 I- V特性变化当光照增强时 , 组件输出功率 P和电压 V变化规律的离散差分式为Δ PkPk- Pk-1 ＞ 0且 Δ VkVk- Vk-1 ＞ 0 （ 6）当光照减弱时， Δ Pk为图 3 直联方式的电池组件 I-V 特性上 PMW 开关周期动态过程图 4 光照变化下实测光功率变化曲线专家论坛Experts Forum09Δ PkPk- Pk-1 ＜ 0且 Δ VkVk- Vk-1 ＜ 0 （ 7）式（ 6）和（ 7）是逆变负载不变时单变量光伏环境变化下启动引导 MPPT的功率电压法规则。该规则可推广到包含负载变动的多变量变化情形。如果光照和逆变负载同时变化，则dV εIph-II r· dIph-d I （ 8）当 dV0，则指示光照增强或负载下降，或光照增强多于负载增加，或光照减弱少于负载下降。前一种情况下， Δ V 0，光生电荷流或光伏功率多于逆变电荷流或逆变功率，可以增加逆变负载。离散差分计算下启动 MPPT的检测反馈控制方法见表 1。这一结果也可由光伏电池 I - V 特性曲线的几何分析得到。2.2 MPPT 调节算法光伏环境变化下将启动和引导单次连续 MPPT过程，根据控制策略改变逆变负载，使电路系统从原来的 MPP稳态迁跃到新的 MPP工作状态。 MPPT调节的基本方法是，调节正弦周期的逆变负载，检测PWM开关周期的电压和电流，计算正弦周期的离散积功率，比较相邻功率的大小，判断负载调节方向并改变负载，重复循环这些步骤，直至求得新的MPP。 MPPT调节流程如图 6所示，图中 I*是回调幅度。MPPT调节的过程中，可能发生光照和负载变化，引起组件输出电压微分和功率微分变化。逆变负载I为I α · V-U gz （ 9）式中， Ug为电网电压有效值， α 为调制系数。光照和负载变化下组件输出电压微分为dVβ ph· dIphβ g· dUg （ 10）组件的输出功率微分为dP 2α V-U gz β phdI ph- Vz - 2α V-U gz β gg g· dUg （ 11）由于光照瞬时变化的作用有限，调节过程中电网电压的变化是影响 Δ Pk的主要因素。数值算法下Δ PkΔ PakΔ Pbk （ 12）式中， Δ Pak是 MPPT算法的控制增量， Δ Pbk则是光照和电网电压变化引致的环境增量 ,Δ Pbk为Δ Pbkβ ′ phk-1· Δ Iphk- β ′ gk-1· Δ Ugk （ 13）调节周期间差分功率可能发生控制增量与环境增量相抵，控制增量起主导作用或环境增量起主导作用等几种情况。调节周期内，光照和电网电压不变或近似不变， Δ Pbk0，则 Δ PkΔ Pa， MPPT差分功率由控制增量决定。光照或电网电压变化时， Δ Pbk≠ 0，差分功率还由环境增量决定。左分支所需改造的 MPPT调节流程如图 7所示。MPPT调节的优化还包括由 Δ U k或启动 MPPT时的电荷流累积值确定的调节幅度。3 实验运行分析实验逆变电路的光伏电源和逆变桥的输入端均设电流传感器检测电荷流积，由电荷流积平衡方图 6 MPPT 调节基本流程表 1 光照变化下启动 MPPT 的检测反馈控制方法项目 ψ ↓ ψ ↑测量计算Δ P0Δ V0 Δ V0 Δ V 0判定负载不变负载下降较大负载不变负载增加较大负载下降较小负载增加较小负载增加负载减小控制策略减载加载加载减载Δ P0专家论坛Experts Forum章伟康等单级式光伏逆变研究与 MPPT方法 Vol.25 No.1110第 25 卷第 11 期电网与清洁能源法的控制算法，实验得到图 8逻辑输入级输出电压uc波形。图中 uc的电平 Uc稳定在 MPP工作点 Vm，由（ 3）式计算选取电容值使波动幅度 Δ Vc 很小，交换比 λ ≤0.5，与理论分析计算一致。采用第三节 MPPT控制算法，实验中光照变化时，稳态偏置电压 Uc上下快速移动，与实验 Vm曲线相符，保持高精度 MPPT。逆变输出电流 i 0的波形见图 9，图中 a由电流 PI反馈算法得到， b由电流滞环法得到。实验测得光照和负载变化下逆变电路的效率接近 99。图 8 变化光照下输入级 MPPT 跟踪输出电压波形图 9 逆变桥输出端并网逆变电流波形4 结论光伏电池直联逆变桥的无 DC-DC 变换的逆变方法是一种有竞争力的新型逆变方式。研究了这种方式下基于正弦波周期稳幅条件的并网型逆变的工作原理，与其他 MPPT方式 [12-15] 不同，提出了电荷流积均衡（ ICF）机制与方法，并提出流积平衡下基于MPP偏置电压 V m的交换比 λ ，确定了约束交换比的计算方法。阐述了逆变调制周期稳幅条件光伏环境的存在现实，分析建立了 MPPT启动和率电压法（ DPDVM）的 MPPT逆变控制策略。从实现过程看，无DC-DC 变换直联逆变属周期间不等幅 PWM调制，旨在满足单个周期上输出正弦波功率。逆变环节由负载电流反馈实现 MPP工作点的正弦波电流输出，以双反馈控制环和级联方式工作。电路实验表明，这些方法和算法下逆变电路可取得很高的效率。参考文献[1] 杨建菲 . 光伏并网发电系统控制方法的研究 [D]. 西安西安理工大学， 2008.[2] 陈敏 . 太阳电池最大功率点追踪的控制策略 [J]. 太阳能学报， 2007， 2812 1317-1320.[3] 周光明 . 基于 DSP的光伏并网逆变系统的设计 [J]. 能源工程， 2004 5 19-23.[4] 何湘宁 . 一种新型的光伏最大功率点跟踪拓扑 [J]. 电源世界， 2007 4 36-38.[5] Billy M T Ho. 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