光伏逆變器最大功率點跟蹤提升及漏電流抑制的研究

王剛 杜興龍

摘 要：隨著光伏發(fā)電的普及，光伏逆變器的應用逐漸增多，對于整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和安全性也提出了更高的要求。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，除了關(guān)鍵控制技術(shù)以外，其最大功率點跟蹤（MPPT）提升及漏電流的抑制對于整個系統(tǒng)性能的提升而言也至關(guān)重要。本文對逆變器的最大功率點跟蹤（MPPT）尤其在陰影遮擋下電池板輸出特性做了分析，并研究出一種迅速準確找到最大功率點的策略以及對于非隔離的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的漏電流檢測及抑制進行分析。

關(guān)鍵詞：太陽能;逆變器;最大功率點跟蹤;漏電流

隨著國家倡導新舊動能轉(zhuǎn)換，以及在政府的推動下，太陽能開發(fā)利用規(guī)模迅速增長，技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級也迅速提升，制造成本顯著降低，光伏發(fā)電成為全球增長最快的能源品種。

逆變器作為光伏系統(tǒng)的“大腦”，不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護功能。隨著逆變器技術(shù)成熟，最大功率跟蹤控制成為影響發(fā)電量的關(guān)鍵因素。另外安全性方面，近幾年為提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)成本，將工頻變壓器變壓器省掉，但隨之而來的就是系統(tǒng)會產(chǎn)生漏電流，如果不加以檢測及抑制，勢必會影響系統(tǒng)及人身安全。

一、逆變器的最大功率點跟蹤（MPPT）策略

1 部分遮擋時電池板的特性

在光伏系統(tǒng)的實際應用中，由于周圍建筑物或樹木的遮擋、電池板表面的塵土或者多云、積雪等的遮擋，使得電池組件受到的太陽輻射不均勻，從而影響電池組件輸出的P-V曲線，會使P-V曲線上產(chǎn)生多峰值，影響最大功率點跟蹤。（多云天氣可以看作一種動態(tài)陰影遮擋，分析P-V曲線時不單獨討論。）

陰影遮擋下PV曲線

2 全局最大功率點跟蹤的實現(xiàn)

傳統(tǒng)最大功率點跟蹤（MPPT）的方法有定電壓跟蹤法、電導增量法、擾動觀察法和三點滯環(huán)法。定電壓跟蹤法固定認為0.8倍開路電壓為最大功率點電壓;電導增量法當遇到第一個峰值的時候就會出現(xiàn)dP/dU=0，故而認為得到了最大功率點;同樣擾動觀察法和三點滯環(huán)法會在第一個峰值時認為得到了最大功率點，以上方法在特殊條件時的最大功率點與實際最大點存在較大的偏差。

所以，傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤（MPPT）策略在多云或者陰影遮擋下會失效。

針對整個P-V曲線中有兩個或者兩個以上峰值的情況，假如能將曲線上所有點的功率值進行計算，然后再相互比較，從而就能準確得到最大的功率點即P-V曲線的最高峰，我們將這種方法稱為I-V掃描。

當然實際應用中我們不可能計算出曲線中所有點的功率值，所以我們需要設定一定的步長值。I-V掃描即是從開路電壓處功率值開始計算，然后每隔一定電壓計算出當前電壓值處的功率值，直到計算至最低工作電壓處，然后將所有功率值進行比較后定位出最大功率點處并進行跟蹤。另外為了能適應峰值數(shù)量及位置不斷變化的P-V曲線，需要定時進行I-V曲線掃描，從而才能保證逆變器整體跟蹤效率的提升。

二、漏電流檢測及抑制

1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生漏電流的原理

光伏系統(tǒng)漏電流，又稱方陣殘余電流，本質(zhì)為共模電流。其產(chǎn)生原因是光伏系統(tǒng)和大地之間存在寄生電容，當寄生電容—光伏系統(tǒng)—電網(wǎng)三者之間形成回路時，共模電壓將在寄生電容上產(chǎn)生共模電流。當光伏系統(tǒng)中安裝有工頻變壓器時，由于回路中變壓器繞組間寄生電容阻抗相對較大，因此回路中共模電壓產(chǎn)生的共模電流可以得到一定抑制。然而在無變壓器的光伏系統(tǒng)中，回路阻抗相對較小，共模電壓將在光伏系統(tǒng)和大地之間的寄生電容上形成較大的共模電流，即漏電流。

2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)漏電的檢測及抑制策略

漏電流的大小取決于光伏PV和大地之間的寄生電容Cpv，和共模電壓變化率，寄生電容其值與外部環(huán)境條件、光伏電池板尺寸結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，一般在50～150nF/kW左右，共模電壓變化率則和逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)、調(diào)制算法等因素有關(guān)。

對于無變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器拓撲，共模電流（漏電流）有效抑制的兩個基本條件為：各橋臂電感值選取一致;采用非零矢量合成參考矢量，使得共模電壓保持恒定。

現(xiàn)對典型的H6橋進行分析：

H6拓撲結(jié)構(gòu)

H6直流旁路拓撲，其工作原理如下：正半周期內(nèi)，開關(guān)S1和S4始終導通，S5、S6和S2、S3交替導通。當S5、S6導通，S2、S3關(guān)斷時，此時共模電壓=Udc/2;當S2、S3導通，S5、S6關(guān)斷時，電流續(xù)流路徑有2條：（1）S1、S3反并聯(lián)二極管，（2）S4、S2反并聯(lián)二極管。二極管D7和D8將電壓鉗位至Udc/2，此時共模電壓=Udc/2。負半周期內(nèi)共模電壓也是Udc/2，因此漏電流可以得到有效抑制。

除了以上的幾個拓撲結(jié)構(gòu)外，采用3電平或者5電平等多電平技術(shù)，可以降低組件正負極對地的電壓，也可以減少漏電流。

三、結(jié)論

本文闡述了對于光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電量影響比較嚴重的最大功率點跟蹤（MPPT）以及對于安全比較重要的漏電流檢測與抑制。只有定時進行全局I-V掃描才能找到并定位最大功率點從而保證逆變器始終最大功率輸出，保證整個系統(tǒng)的發(fā)電量;同時只有做好漏電流的檢測與抑制，才能有效的保證整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性，從而保證設備及人身安全?？傊?，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷應用與普及，系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)技術(shù)肯定會不斷成熟并且完善解決。

作者簡介：

王剛（1990.10.16）男，山東德州，大專，助理工程師，電力工程，電氣設計。