光伏匯流箱中功率優(yōu)化器的設計和MPPT控制方法研究

作者 魯兵 黃遠洋 王卓 北京華聯(lián)電力工程監(jiān)理有限公司(北京 100067)

　　魯兵(1991-)，男，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動。

摘要：在光伏系統(tǒng)中，匯流箱起到了匯集光伏陣列輸出電流的功能，匯流箱中搭載的功率優(yōu)化器具有實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤的功能。設計的光伏匯流箱中每個支路采用雙重BOOST結構，MPPT算法采用變步長電阻增量法。由Simulink仿真可知，雙重BOOST結構能夠有效降低匯流箱輸出電流紋波，在光照強度突變后，采用變步長電阻增量法的功率優(yōu)化器可以使光伏系統(tǒng)快速穩(wěn)定地達到新的最大功率點并且使各個電感電流均流。

0 引言

　　在大型光伏系統(tǒng)中，由于逆變器直流側電壓高，輸出功率大，所以應盡量避免光伏陣列同逆變器之間直接連線，同時為了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，使系統(tǒng)發(fā)電效率達到最優(yōu)，需要在光伏陣列和逆變器之間安裝匯流箱^[2]。本文研究的匯流箱，搭載具有MPPT功能的功率優(yōu)化器，增強了系統(tǒng)的可靠性。功率優(yōu)化器是一種基于DC-DC轉換電路的調(diào)節(jié)器^[3]，它具有提高光伏陣列發(fā)電效率的功能。功率優(yōu)化器的結構如圖1中虛線框所示。

　　在光伏發(fā)電現(xiàn)場，由于陰影遮擋和地形方位不同等原因，往往造成光伏陣列失配問題，在大規(guī)模光伏發(fā)電場所，為匯流箱裝配功率優(yōu)化器可有效解決此問題。功率優(yōu)化器對光伏陣列輸出的電壓、電流信號采集，經(jīng)過MPPT控制，使光伏陣列不斷調(diào)整跟蹤最大功率點。

　　功率優(yōu)化器的關鍵技術是MPPT算法。國內(nèi)外研究最多的MPPT算法有定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀測法(P&O)、電導增量法(INC)^[4]等，在產(chǎn)品開發(fā)過程中選擇MPPT算法至關重要。

1 光伏電池的數(shù)學模型和輸出特性

　　本節(jié)首先建立了光伏電池的數(shù)學模型，得到各項參數(shù)之間的數(shù)學關系和變化規(guī)律，進而得到輸出特性曲線。

　　1.1 光伏電池的數(shù)學模型

　　由光生伏特原理，在光照下，光伏電池內(nèi)部會產(chǎn)生相離運動且生成空穴電子對，從而產(chǎn)生電流^[6]。光伏電池等效電路模型如圖2所示。圖中各參數(shù)詳解見表1^[7]。

　　從圖2中的光伏電池等效模型和定義，結合P-N結特性方程，并進行兩個簡化處理：1)由于串聯(lián)電阻Rs很小，進行理想電路計算時可以忽略，因此光生電流可近似等于短路電流，即I_ph=I_sc;2)由于旁路并聯(lián)電阻Rsh很大，可達上千歐姆，所以可近似于開路，進行理想電路計算時可省略?？梢缘贸龅刃щ娐返碾娏?、電壓特性數(shù)學模型，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

　　式(1)和式(2)中，Io是二極管的總擴散電流，q是電子電荷(1.6×10^-19C)，k是玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10^-23J/K)，T為熱力學溫度，A為二極管特性因子，UL是光伏電池輸出端電壓，P為光伏電池輸出功率。

　　1.2 光伏電池輸出特性分析

　　光伏電池最主要的電氣特性為伏安特性、功率電壓特性和功率電流特性。圖3表示在周圍氣象溫度為25℃時，不同光照強度對光伏電池電流—電壓特性、功率—電壓特性和功率—電流特性的影響。

　　由圖3可以看出，在不同的光照強度下，光伏電池僅存在唯一的最大功率點，為了高效地利用太陽能，需要使光伏電池盡可能多的時間工作在最大功率點或者其附近處，且在環(huán)境變化后快速追蹤到新的最大功率點，這就需要加入功率優(yōu)化器來對光伏電池進行最大功率點跟蹤控制。

2 功率優(yōu)化器設計

　　光伏陣列由于安裝不匹配、陰影遮擋、地形、方位等問題造成組件(串)失配。為了使光伏電池在各種條件下都能發(fā)出最大的功率，需要對匯流箱搭載帶有MPPT功能的功率優(yōu)化器。功率優(yōu)化器具有升壓功能，傳統(tǒng)的功率優(yōu)化器是基于單重BOOST的電路結構，為了抑制輸出紋波，需要裝備較大的輸出電容或者采用較高的開關頻率，大電容增加了成本和體積，開關頻率過高又會增加開關損耗。為解決此問題，采用一種雙重BOOST電路結構，能夠有效地減小輸出電流紋波、降低開關頻率、減少開關損耗。

　　2.1 雙重BOOST變換電路

　　傳統(tǒng)的MPPT控制器是基于單重BOOST電路結構，為了抑制輸出電流紋波，需要較大的平波電容或者采用較高的開關頻率，大電容增加了成本和體積，過高開關頻率必然會增加發(fā)熱和開關損耗。為了解決此問題，構建了雙重BOOST電路拓撲結構^[8]，如圖4所示。

　　單重BOOST電路中的電感電流和雙重BOOST電路中的電感電流波形如圖5所示。 圖5(a)為單重BOOST電路，電感電流紋波為^[9]：

(3)

　　式(3)中，L為電感，U_i為輸入電壓，D為占空比，T為開關周期。

　　根據(jù)圖5(b)可知，雙重BOOST電路的總電感電流由兩個錯相位的單重BOOOST電路電感電流疊加而成。其電流紋波分為占空比D<0.5和D≥0.5兩種情況討論。

　　當占空比D<0.5時，在t0-t1期間，電流紋波為：

　　紋波ΔI₂與紋波ΔI₁的比值為：

　　由圖6可知，輸出電感電流紋波在雙重BOOST電路結構下會明顯減小，特別是在占空比接近50%時，能大大減小電流紋波。

　　2.2 雙路雙重BOOST變換電路

　　本文研究的智能匯流箱，將多路光伏組件串列進行匯流，每一路組件串列都連接到具有雙重BOOST電路結構的功率優(yōu)化器上。提出了一種應用于光伏匯流箱的雙路雙重BOOST電路結構，如圖7所示，電路中的的兩個主回路結構對稱，輸入獨立，輸出并聯(lián)在一起。控制上有4個PWM信號，對雙路雙重BOOST電路的開關管進行控制，同一路兩個PWM信號相位互錯180°，兩路4個PWM信號相位互錯90°，當只有一路組件串列進行MPPT控制時，仍能保證180°的錯相位控制。

　　由上一小節(jié)分析可知，雙重BOOST電路的總電感電流紋波是兩個單重BOOST電路電感電流紋波的疊加。同理，在兩路雙重BOOST電路輸出電流匯流后，由于相位互錯90°，紋波系數(shù)將會進一步減小。此電路結構能夠有效降低輸出電流紋波，降低開關頻率，從而降低開關損耗和發(fā)熱，還可以減小輸出平波電容大小。

3 最大功率點跟蹤算法研究

　　為了在光照強度突變后使光伏電池能快速穩(wěn)定地達到最大功率點，需要對光伏電池進行最大功率點跟蹤控制。對于雙重BOOST電路而言，繼續(xù)使用基于光伏電池電壓尋優(yōu)的方法則無法確保各個電感支路均流，所以要采用基于電流尋優(yōu)的控制方法，在確保實現(xiàn)MPPT控制的同時各個電感支路均流。

　　3.1 電導增量法

　　對于單極值的光伏電池P-U特性曲線來說，尋找最大功率點的實質(zhì)便是搜索P-U曲線上導數(shù)等于零的橫坐標。電導增量法就是利用曲線的導數(shù)特性來完成最大功率點的搜尋，由圖8可知，光伏電池P-U特性曲線及dP/dU的符號變化規(guī)律，即在僅存在一個最大功率點的基礎上，在此位置的左側dP/dU符號為正，在此位置的右側dP/dU符號為負，在最大功率點處時dP/dU=0。