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(dòng)。

摘要：在光伏系統中，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(shí)現光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤的功能。設計的光伏匯流箱中每個(gè)支路采用雙重BOOST結構，MPPT算法采用變步長(cháng)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(cháng)電阻增量法的功率優(yōu)化器可以使光伏系統快速穩定地達到新的最大功率點(diǎn)并且使各個(gè)電感電流均流。

0 引言

　　在大型光伏系統中，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(xiàn)，同時(shí)為了系統的穩定運行，使系統發(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，增強了系統的可靠性。功率優(yōu)化器是一種基于DC-DC轉換電路的調節器^[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(xiàn)框所示。

　　在光伏發(fā)電現場(chǎng)，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(wèn)題，在大規模光伏發(fā)電場(chǎng)所，為匯流箱裝配功率優(yōu)化器可有效解決此問(wèn)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(guò)MPPT控制，使光伏陣列不斷調整跟蹤最大功率點(diǎn)。

　　功率優(yōu)化器的關(guān)鍵技術(shù)是MPPT算法。國內外研究最多的MPPT算法有定電壓跟蹤法(CVT)、擾動(dòng)觀(guān)測法(P&O)、電導增量法(INC)^[4]等，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇MPPT算法至關(guān)重要。

1 光伏電池的數學(xué)模型和輸出特性

　　本節首先建立了光伏電池的數學(xué)模型，得到各項參數之間的數學(xué)關(guān)系和變化規律，進(jìn)而得到輸出特性曲線(xiàn)。

　　1.1 光伏電池的數學(xué)模型

　　由光生伏特原理，在光照下，光伏電池內部會(huì )產(chǎn)生相離運動(dòng)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。圖中各參數詳解見(jiàn)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(jìn)行兩個(gè)簡(jiǎn)化處理：1)由于串聯(lián)電阻Rs很小，進(jìn)行理想電路計算時(shí)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(kāi)路，進(jìn)行理想電路計算時(shí)可省略?？梢缘贸龅刃щ娐返碾娏?、電壓特性數學(xué)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(1.38×10^-23J/K)，T為熱力學(xué)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?chē)鷼庀鬁囟葹?5℃時(shí)，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(diǎn)，為了高效地利用太陽(yáng)能，需要使光伏電池盡可能多的時(shí)間工作在最大功率點(diǎn)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(diǎn)，這就需要加入功率優(yōu)化器來(lái)對光伏電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)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(wèn)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(kāi)關(guān)頻率，大電容增加了成本和體積，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高又會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗。為解決此問(wèn)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(kāi)關(guān)頻率、減少開(kāi)關(guān)損耗。

　　2.1 雙重BOOST變換電路

　　傳統的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(kāi)關(guān)頻率，大電容增加了成本和體積，過(guò)高開(kāi)關(guān)頻率必然會(huì )增加發(fā)熱和開(kāi)關(guān)損耗。為了解決此問(wèn)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(kāi)關(guān)周期。

　　根據圖5(b)可知，雙重BOOST電路的總電感電流由兩個(gè)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(shí)，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(huì )明顯減小，特別是在占空比接近50%時(shí)，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(jìn)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(gè)主回路結構對稱(chēng)，輸入獨立，輸出并聯(lián)在一起?？刂粕嫌?個(gè)PWM信號，對雙路雙重BOOST電路的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，同一路兩個(gè)PWM信號相位互錯180°，兩路4個(gè)PWM信號相位互錯90°，當只有一路組件串列進(jìn)行MPPT控制時(shí)，仍能保證180°的錯相位控制。

　　由上一小節分析可知，雙重BOOST電路的總電感電流紋波是兩個(gè)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°，紋波系數將會(huì )進(jìn)一步減小。此電路結構能夠有效降低輸出電流紋波，降低開(kāi)關(guān)頻率，從而降低開(kāi)關(guān)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(diǎn)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定地達到最大功率點(diǎn)，需要對光伏電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制。對于雙重BOOST電路而言，繼續使用基于光伏電池電壓尋優(yōu)的方法則無(wú)法確保各個(gè)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(shí)現MPPT控制的同時(shí)各個(gè)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(xiàn)來(lái)說(shuō)，尋找最大功率點(diǎn)的實(shí)質(zhì)便是搜索P-U曲線(xiàn)上導數等于零的橫坐標。電導增量法就是利用曲線(xiàn)的導數特性來(lái)完成最大功率點(diǎn)的搜尋，由圖8可知，光伏電池P-U特性曲線(xiàn)及dP/dU的符號變化規律，即在僅存在一個(gè)最大功率點(diǎn)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(diǎn)處時(shí)dP/dU=0。