以电导增量法实现MPPT的单级光伏并网逆变器-solarbe文库

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电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第４０卷第２期２００６年４月Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２００６１引言光伏并网发电系统的最大优点就是不用蓄电池中间储能，因而节省了投资，使系统简化且易于维护。光伏并网发电系统主要用于调峰光伏电站和屋顶光伏系统。作为屋顶光伏系统的核心，并网逆变器的开发研究越来越受到学术界的关注［１］。２０世纪８０年代中期，日本学者ＳａｋｕｔａｒｏＮｏｎａｋａ提出了一种电流源型光伏并网逆变器，并取得了较好的性能，但该逆变器比普通全桥逆变电路多用了两个ＩＧＢＴ管，控制也较复杂，因它采用的最大功率跟踪是恒定电压跟踪，因而没有得到很好的发展［２］。近年来，随着电力电子及其控制技术的发展，电压型ＰＷＭ斩控技术越趋成熟，电压型光伏并网逆变器更多地被采用，如文献［３］提出了一种电流寻优光伏并网逆变器设计，提高了系统的动态响应时间，实现了正弦波电流的跟踪控制。在此基础上，本文提出了一种新型电流型控制方案。它采用ＤＳＰ３２０ＬＦ２４０７芯片控制并实现了真正的最大功率跟踪。最大功率控制方法也有一个发展过程，早期的光伏系统采用恒定电压控制法。该方法简单易行，且基本能跟踪最大功率点，但随着电力电子及控制技术的发展，该方法的简单性与其造成的能量损失相比已显得很不经济。因此一些新的控制方法则应运而生，如扰动观测法，电导增量法［４，５］等。本文采用了电导增量法。２单级并网光伏系统图１示出单级式并网光伏能量变换环节结构。假设滤波电感、滤波电容及逆变电路的损耗忽略不计，忽略滤波电感的等效串联电阻，则光伏阵列向本地负载和电网供电的能力为Ｐ＝Ｐ１＋ＰＳ＝Ｐ１＋ＵＳｍＩＳｍ２ｃｏｓ θ （１）定稿日期２００５－０５－２３作者简介叶满园（１９７８－），男，安徽人，硕士，讲师，研究方向是电力电子技术及应用。以电导增量法实现ＭＰＰＴ的单级光伏并网逆变器叶满园，官二勇，宋平岗（华东交通大学，江苏南昌３３００１３）摘要介绍了单级光伏系统的拓朴结构和工作原理，着重阐述了用电导增量法实现最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）的基本原理。根据光伏阵列的特性，设计了一套能实现最大功率跟踪的新型光伏并网逆变器。该逆变器采用单级结构，控制部分采用基于ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７）控制的最大功率跟踪和电流跟踪控制策略，实现了与网压同步的正弦电流输出及高功率因数运行。关键词太阳能；逆变器；跟踪中图分类号ＴＭ４６４，ＴＭ７文献标识码Ａ文章编号１０００－１００Ｘ（２００６）０２－００３０－０３Ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＧｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＩｎｖｅｒｔｅｒｏｆＭＰＰＴｗｉｔｈＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＩｎｃｒｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄＹＥＭａｎ－ｙｕａｎ，ＧＵＡＮＥｒ－ｙｏｎｇ，ＳＯＮＧＰｉｎｇ－ｇａｎｇ（ＥａｓｔＣｈｉｎａｊｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｉｓａｔｒｅｎｄｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｓｍａｉｎｌｙｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒｅａｌｉｚｉｎｇＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ｗｉｔｈｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｓｏｌａｒａｒｒａｙ，ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｏｖｅｌｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｉｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＭＰＰＴ．Ｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆａｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．ＷｅａｄｏｐｔｔｈｅＭＰＰＴａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｃｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｖｉａａＤＳＰｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｗａｖｅｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｉｓｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄｗｉｔｈｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓａｔｈｉｇｈｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｒａｃｋｉｎｇ图１单级光伏并网逆变器结构框图３０式中Ｐ光伏阵列的输出功率Ｐ１负载的消耗功率ＰＳ向电网的输出功率ＵＳｍ电网电压幅值ＩＳｍ并网电流幅值θ 电网电压与并网电流间的相位差设负载消耗的功率保持不变，由式（１）可知，并网电流可被调制成与电网电压ｕＳ同相的正弦波，因此系统的功率因数近似为１；此外，由式（１）可见，通过调制ＩＳｍ能够控制Ｐ，因此单级能量变换能实现最大的功率跟踪功能。综上所述，单级能量变换结构的并网光伏逆变器，其控制目标为控制逆变电路输出的交流电流ｉｏ为稳定、高品质的正弦波，且与ｕＳ同频、同相，同时希望通过调节ｉｏ的幅值Ｉｏ，使光伏阵列工作在最大功率点附近。这里选择了并网逆变器的ｉｏ作为被控制量。图２示出并网逆变工作方式下的等效电路、ｕＳ和并网电流的矢量关系。由于并网逆变器输出滤波电感的存在，使逆变电路的交流侧电压与ｕＳ之间存在相位差。３系统的实现系统由逆变和最大功率点跟踪算法两部分组成。前者，主要完成功率变换功能；后者，主要完成系统给定正弦波的幅值运算功能，以保证光伏阵列工作在最大功率点附近。３．１逆变部分的实现单级式并网逆变器中逆变部分控制的关键量是图２中的并网电流Ｉｏ。由图２ｂ可知，通过对Ｕｎ的控制，可完成对Ｉｏ的控制，还可直接对Ｉｏ进行控制，以完成对交流侧电流、功率因数的控制。由于电流滞环控制的控制简单，采用模拟器件容易实现等特点，本文采用了电流滞环直接控制Ｉｏ。当功率器件的开关频率很高时，响应速度非常快，且对负载及电路参数的变化很不敏感。电流滞环控制通过反馈电流与给定的参考电流相比较，当反馈电流低于参考电流一定差值时，调节主电路功率开关的状态，使系统输入侧的电流增大；反之，当反馈电流高于参考电流一定值时，调节主电路功率开关的状态，使系统输入侧的电流减小。通过这样不断进行滞环比较调节，保证了输入侧电流始终跟踪给定电流，且处于滞环带中。光伏并网要求并网逆变器的ｉｏ与ｕＳ之间保持一定的相位关系，以此保证并网系统不对电网产生污染，故并网系统中需存在锁相环节，以保证系统给定电流基本与ｕＳ同步。本文设计中采用硬件查表法保证了二者的相位关系。首先，通过ｕＳ检测电路获得电网电压的信息，主要是ｕＳ的过零点。由于过零点附近存在大量的毛刺，因此需对检测电路获得的电网信息进行滤波，消除检测信号过零点附近的毛刺；然后利用两个电压比较器分别获得与ｕＳ正、负半周相对应的方波。该方波将成为同步和电网频率检测的依据，利用所获得的两个方波对两个单稳触发器进行触发，获得与ｕＳ过零点相对应的窄脉冲，两个窄脉冲通过逻辑或门相加，得到包含ｕＳ过零点信息的脉冲列。该脉冲列信号即包含了ｕＳ的相位信息；以此窄脉冲列作为复位信号对应硬件查表法中的正弦波，查表电路中的地址发生电路进行复位，即可保证ｕＳ过零时给定正弦波，亦可相应地从零开始。虽然该锁相方式和传统的锁相环路结构不完全相同，但基本上可满足并网型逆变器相位关系的要求。３．２最大功率点跟踪算法的实现通过对定电压跟踪、功率回授、扰动观测及电导增量几种最大功率点跟踪方法的比较发现，电导增量法以优良的跟踪性能备受青睐。电导增量法是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点跟踪功能的。图３示出太阳能电池阵列的曲线。由此可得最大功率值Ｐｍａｘ处的斜率为零，因此有Ｐ＝ＵＩ（２）ｄＰｄＵ＝Ｉ＋ＵｄＩｄＵ＝０（３）ｄＩｄＵ＝－ＩＵ（４）式（４）是要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，太阳能电池阵列工作于最大功率点。电导增量法是多种最大功率跟踪方法中跟踪准确性最高的一种方法，可使系统在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能。在辐照度和温度变化时，太阳能电池阵列的输出电压能平稳追随环境的变化，且输出电压摆动小。采用ＤＳＰ３２０ＬＦ２４０７控制系统在最大功率跟踪算法中主要完成运算功能。最大功率点跟踪算法的实现，主要依据电导增以电导增量法实现ＭＰＰＴ的单级光伏并网逆变器图２并网工作下的等效电路以及矢量关系图中ｕｎ并网逆变器交流侧电压Ｉｏ电感电流图３太阳能电池阵列的曲线３１电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第４０卷第２期２００６年４月Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２００６““““ 欢迎在本刊刊登广告。联系电话０２９－８５２７１８２３欢迎访问本刊网站。ｗｗｗ．ｄｌｄｚｊｓ．ｃｏｍ（上接第２９页）图７ｃ示出正常工作下，ＰＷＭ整流器的相电压ｕ和ｉ实验波形。可见，ｕ与ｉ基本同相位，达到了单位功率因数的设计要求。由此可得结论该整流器能获得单位功率因数的正弦输入电流、稳定的直流输出电压和快速的动态响应，可以满足设计要求。参考文献［１］ＹｅＹＫａｚｅｒａｎｉＭ．ＡＮｏｖｅｌＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｆｏｒＴｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＰＷＭＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳｐｅ－ｃｉａｌｉｓｔｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ａ］．ＰＥＳＣ ′ ２００１ＩＥＥＥ３２ｎｄＡｎｎｕａｌ［Ｃ］．２００１，１１０２￣１０７．［２］Ｔｚａｎｎ－ＳｈｉｎＬｅｅ．Ｉｎｐｕｔ－ｏｕｔｐｕｔｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄＺｅｒｏ－ｄｙｎａｍｉｃｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＴｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＡＣ／ＤＣＶｏｌｔａｇｅ－ｓｏｕｒｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎ，２００３，１８（１）１１￣２２．量法的基本原理。首先检测光伏阵列的输出电压和电流，根据前一采样周期光伏阵列的电压和电流计算出变化量；然后判断电压的变化量是否为零。若为零，再判断电流的变化量是否为零，若都为零，则表示阻抗一致，无需调节给定电流的幅值。若电压变化量为零，电流变化量不为零，则表示环境有变化；若电流变化量大于零，减小给定电流的幅值，相反则增加。若电压变化量不为零，则式（４）是否成立是关键。若式（４）成立，表示阵列已工作在最大功率点；若电导变化量大于负电导值，则减小给定电流的幅值，反之则增加。最后将本次光伏阵列的电压和电流值保存。４仿真与实验依照图１的原理用电力电子专用软件ＰＳＩＭ６．０进行了仿真，图４ａ，ｂ，ｃ示出滞环宽度为０．１，滤波电感分别为Ｌｏ＝１０ｍＨ，Ｌｏ＝５ｍＨ，Ｌｏ＝１ｍＨ时输出电流ｉｏ的仿真波形。可见，Ｌｏ越小，ｉｏ波形越接近理想的正弦波。由上述研究，设计了一套额定功率为２００Ｗ的光伏并网逆变器，并对样机进行了测试。采用４块５０Ｗ的多晶硅太阳能电池阵列串联，额定输入功率Ｐｉｎ＝２００Ｗ，输入直流电压Ｕｉｎ＝５０～８０Ｖ，输出交流电压ｕｏ＝２２０Ｖ，频率ｆ＝５０Ｈｚ。输入侧分别用安培表和伏特表测量太阳能电池的Ｕｉｎ和输入电流Ｉｉｎ；输出侧采用ＦＬＵＫＥ４３Ｂ电能质量分析仪检测并网逆变器的ｕｏ和ｉｏ的参数和波形。其ｕｏ和ｉｏ波形、逆变器输出功率Ｐｏ和功率因数ＰＦ分析、输出电流谐波ｉｈ分析的实验结果见参考文献［６］。由此可见，逆变器的ｕｏ＝２３０．９Ｖ，逆变器的ＰＦ＝０．９７，基本保持与网压同频同相，ｉｏ的基波分量占电流总量的９９．６％。因此，可以说输出的电能质量是令人满意的。５结束语由仿真和实验波形可见，本文给出的光伏并网逆变器具有较好的性能。由于采用了以ＤＳＰ３２０ＬＦ２４０７为核心的控制芯片，使系统具有较好的动态响应特性。软件上采用了具有最大功率跟踪功能的设计，使太阳电池阵列真正工作在最大功率点上，充分利用了能源。通过实验证明，该系统工作稳定，性能良好。参考文献［１］宋平岗．再生能源系统中太阳能电池仿真器的研究［Ｊ］．电力电子技术，２００３，３７（４）４２￣４４．［２］ＳａｋｕｔａｒｏＮｏｎａｋａ．ＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＳｉｎｇｌｅＰｈａｓｅＩＧＢＴＰＷＭＣＳＩＢｅｔｗｅｅｎＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＡｒｒａｙｓａｎｄｔｈｅＵ－ｔｉｌｉｔｙＬｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ，１９９０，（２）１３０２￣１３０７．［３］余世杰，何慧若，曹仁贤．光伏水泵系统中ＣＶＴ与ＭＰＰＴ的控制比较［Ｊ］．太阳能学报，１９９８，１９（４）３９４￣３９８．［４］焦在强，许洪华．单级式并网光伏逆变器［Ｊ］．可再生能源，２００４，（５）３４￣３６．［５］杨海柱，金新民．最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究［Ｊ］．北方交通大学学报，２００４，２８（２）６５￣６８．［６］官二勇，宋平岗，叶满园．基于最优梯度法ＭＰＰＴ的三相光伏并网逆变器［Ｊ］．电力电子技术，２００６，４０（２）３３～３４，７５．图４仿真结果３２