基于MPPT的串聯(lián)型Z源并網(wǎng)逆變器設(shè)計*

李 寧，炎 云

（1.洛陽供電公司電力設(shè)計院，河南洛陽 471009;2.新鄉(xiāng)供電公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，它的能效高低對光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率具有很大影響。光伏電池能夠輸出的最大功率稱最大功率點(Maximum Power Point，MPP)，為了實現(xiàn)系統(tǒng)整體效率的最大化，必須控制光伏電池使其在最大功率點狀態(tài)下工作。為此需要控制光伏電池使其能夠一直工作在最大功率點，此功率調(diào)節(jié)過程稱為最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)［1］。光照、溫度等環(huán)境參數(shù)的變化，都會對光伏電池的最大功率點產(chǎn)生影響。

2 MPPT算法

2.1 光伏電池的輸出特性

光伏電池的輸出電流、輸出電壓以及輸出功率之間的關(guān)系即為光伏電池的輸出特性，它具有明顯的非線性特征，并且受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等參數(shù)的影響［2］，特性曲線也會產(chǎn)生微小變化和靜態(tài)漂移。在任何穩(wěn)定的環(huán)境因素條件下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是輸出電流在低電壓區(qū)間是穩(wěn)定的，隨著電壓的升高達(dá)到一定程度，電流會急速下滑至截止?fàn)顟B(tài)。因此，光伏電池的輸出功率會隨著電壓的上升而出現(xiàn)明顯的上升和下降趨勢，在這兩個趨勢之間可以尋找到光伏電池的最大功率點。光伏電池在某一溫度和光照強(qiáng)度下的P－V和I－V曲線如圖1所示。

圖1 光伏電池的輸出特性

2.2 擾動觀察法

從光伏電池的輸出電壓以及輸出功率之間的關(guān)系曲線可以看出，以最大功率點所對應(yīng)輸出電壓值Vm為界，左右兩側(cè)曲線呈明顯的上升或下降趨勢［3］。在Vm右側(cè)區(qū)間，光伏電池工作電壓值大于最大功率點電壓Vm，隨著工作電壓的增大，光伏電池的輸出功率減小，具有明顯的下降趨勢;在Vm左右側(cè)區(qū)間，光伏電池工作電壓值小于最大功率點電壓Vm，隨著工作電壓的增大，光伏電池的輸出功率增大，具有明顯的上升趨勢。

擾動觀察法是在當(dāng)前工作點的基礎(chǔ)上，施加定向的擾動，然后根據(jù)輸出結(jié)果的變化來判斷工作點所在的區(qū)間中輸入和輸出的關(guān)系。擾動觀察法是一種有效的跟蹤最大功率點的方法。通過主動調(diào)整系統(tǒng)的工作點，尋找最大功率點的方向。擾動觀察法的控制算法簡單，易于實現(xiàn)，對傳感器精度要求也不高，在日照條件下，光強(qiáng)變化不會很劇烈，可以滿足光伏系統(tǒng)對最大功率點跟蹤的要求，是目前實現(xiàn)MPPT最常使用的方法之一。

由于該算法需要周期性的定向擾動，使系統(tǒng)運(yùn)行處于最大功率點一定范圍內(nèi)的動態(tài)平衡過程中，而非靜止于最大功率點，所以會使光伏系統(tǒng)總是工作在近似的最大功率狀態(tài)下，定向擾動的幅度越強(qiáng)烈，實際平均功率損失就會越大。

2.3 MPPT的實現(xiàn)方法

根據(jù)對光伏電池輸出特性的分析，可以通過控制光伏電池的輸出電壓來達(dá)到尋找和跟蹤光伏電池輸出最大功率點的目的。光伏電池的輸出電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，送入串聯(lián)型 Z源逆變器的輸入端，所以，MPPT又轉(zhuǎn)化為對逆變器輸入電壓Vdc的控制問題。對串聯(lián)型Z源逆變器工作原理的分析可以得到:

對于PI調(diào)節(jié)器而言，輸入直流電壓有效值Vdc與輸出電壓占空比Do存在線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)占空比Do接可以實現(xiàn)對輸入電壓有效值的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)光伏電池的輸出功率，最終實現(xiàn)對光伏電池的最大功率點跟蹤［4］。

圖2 MPPT控制框圖

3 系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)［5～6］如圖3所示。系統(tǒng)依靠對PI輸出環(huán)節(jié)占空比Do的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對光伏電池的最大輸出功率點的跟蹤，實現(xiàn)光能到電能的最大轉(zhuǎn)換能力;對串聯(lián)型Z源逆變器的控制關(guān)鍵是要實現(xiàn)兩個目標(biāo)，即穩(wěn)定的橋臂直流鏈電壓的峰值和輸出正弦波的完整性。因此，決定采用電壓環(huán)和電流環(huán)的雙環(huán)反饋控制方式。內(nèi)環(huán)為并網(wǎng)電流反饋控制環(huán)，實現(xiàn)電流的正弦化，減少了電流諧波;外環(huán)為直流鏈電壓間接控制環(huán)，通過并網(wǎng)電流來調(diào)節(jié)Z源電容電壓，從而間接地維持直流鏈電壓峰值的穩(wěn)定。

圖3 串聯(lián)型Z源光伏并網(wǎng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)所有控制策略都是由數(shù)字信號處理器DSP來完成的，控制芯片采用 TI公司的TMS320LF2407。該控制器具有高速的數(shù)據(jù)處理能力、具有強(qiáng)大的事件管理能力和豐富的中斷系統(tǒng)，適合作為大量數(shù)據(jù)處理嵌入式測控系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)的程序由三部分構(gòu)成:主程序、捕獲單元CAP4中斷子程序和定時器T1下溢中斷子程序。如圖4～6所示。主程序中完成對所有硬件、中斷系統(tǒng)和任務(wù)的初始化工作;捕獲單元CAP4中斷子程序通過PWM信號控制并網(wǎng)電流正弦波，使逆變器輸出波形更好，且保持相位相同，消除無功功率;定時器T1下溢中斷子程序控制直流鏈電壓，實現(xiàn)MPPT算法。

圖6 T1下溢中斷子程序流程圖

5 仿真結(jié)果

在該系統(tǒng)的測試實驗中，分別控制光伏電池的輸出電壓在50V、70V和90V，并得到仿真波形如圖7所示。圖中包括:輸入電壓Vdc、逆變橋直流鏈電壓vi、Z源電容電壓Vc、A相并網(wǎng)電流ia、A相電網(wǎng)電壓ea。

由仿真波形可見，并網(wǎng)電流的波形良好，且與電網(wǎng)相位差極小，系統(tǒng)能夠適用在一天時間內(nèi)因光照強(qiáng)度變化而帶來的光伏電池輸出電壓的大范圍變化。當(dāng)光伏電池電壓變化時，Z源電容電壓會自動改變，從而保持直流鏈峰值電壓恒定。

圖7 仿真結(jié)果

［1］蔣永和.光伏并網(wǎng)電壓型逆變器電壓控制策略及MPPT研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］吳理博.光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)綜合控制策略研究即實現(xiàn)［D］.北京:清華大學(xué)，2006.

［3］張玉平，石新春.一種新型光伏最大功率跟蹤控制器的實現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，2009，43(2):14 －16.

［4］胡壽松.自動控制原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［5］梁雪峰.5kW光伏并網(wǎng)逆變器的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2008.

［6］顧斌，錢照明，房緒鵬，等.Z源變頻調(diào)速系統(tǒng)及其空間矢量 PWM控制方法［J］.電氣傳動，2005，35(5):13－16.