基于Boost電路的光伏逆變器最大功率點追蹤研究

摘要：隨著光伏技術的日益發展，對太陽能的利用逐漸從無電地區發展到有電地區，許多國家都推出了光伏發電計劃。在光伏發電系統中，逆變器實現把太陽能電池板產生直流電能轉化為電能，逆變器是光伏發電系統的樞紐單元。分析了Boost電路實現MPPT原理，在分析總結了目前常用的最大功率點追蹤控制策略基礎上，提出了一種基于瞬時功率檢測的變步長式擾動觀察法MPP控制策略。

關鍵詞：光伏；逆變器；MPPT

中圖分類號：TM914文獻標識碼：A文章編號：1674-7712 (2014) 08-0000-01

太陽能光伏發電，二十一世紀理想的新能源之一。同有限的化石燃料能源相比，太陽輻射能預計在未來100億年里可保持近似恒定輸出，堪稱無限的能源。根據測算，1年內到達地球表面的太陽輻射能總量是當前世界已探明儲量的化石能源的一萬多倍。我國是太陽能資源比較豐富的國家之一，全國國土面積2/3以上的地區每年的平均日照時間超過2000小時，具有發展利用太陽能資源得天獨厚的優勢。可見光伏發電勢必成為21世紀最主要的能源之一。

一、Boost電路實現MPPT分析

光伏電池板實現最大功率運行的途徑很多，如Buck電路、boost電路、BuckBoost電路、DC-AC-DC電路。本文主要針對Boost電路的MPPT實現原理進行分析。對太陽能電池板輸出端電壓U、電流I進行采樣，計算得到當前電池板輸出功率P，然后判斷此時的輸出功率P是否達到最大功率處，若不在最大功率點運行，則通過調整Boost電路功率管脈寬，從而改變電路的充電電流。再次進行實時采樣、計算得到電池板輸出功率P，并作出判斷，給出下一步要執行的動作。通過這樣自尋優過程可保證太陽電池輸出功率始終運行在最大功率點處，從而提高整個系統的轉換效率。

圖1簡單的線性電路原理圖

由于光伏電池具有強非線性的輸出特點，導致其不易進行數學分析，所以利用簡單的線性電路來研究最最大功率跟蹤方法的基本原理。MPPT理論的簡單的線性電路原理如圖1所示。

其負載上的功率為：

(1)

將(1)式對R0求導，因為Vi、Ri都是常數，所以可得：

(2)

從式(2)可以看出，當Ro=Ri時，PRo有最大值。對于圖1所示的線性電路，當負載阻抗等于太陽能電池的內阻時，太陽能電池板以最大功率輸出。雖然太陽能電池是強非線性的，但在相對短的時間內，太陽能電池可以認為是線性的電源。可見，在一定的溫度和光照強度下，負載阻抗決定著光伏陣列能否工作在最大功率點處。如果負載阻抗和光伏電池內阻一致，即可實現MPPT控制。

雖然光伏電池和Boost變換電路均表現出強非線性特征，但在相對短的時間內，兩者均可視為線性的。所以，可以把光伏電池等效成直流電源，Boost變換電路等效成外部阻性負載。這樣，光伏電池所接的等效負載就是Boost變換器占空比D和其所帶負載的函數，調節變換器的脈寬就可以達到改變光伏電池所接的負載的目的，從而實現MPPT控制。

二、兩級式光伏并網逆變器MPPT控制方式

太陽能光伏陣列的輸出特性表現出強的非線性的特點，并且輸出受光照強度，環境溫度和負載影響，當光伏陣列工作在某一電壓點，其輸出達到最大時，這個光伏陣列的工作點就達到了光伏陣列輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點（MPP-maximum power point）。為了提高太陽能轉化效率，就必須使系統保持運行在光伏陣列最大功率輸出點處。最大功率點跟蹤控制的目的是使光伏陣列始終工作在最大的功率輸出狀態MPPT控制是利用有效的控制方法尋找光伏陣列可能的最大輸出功率，通過改變負載阻抗來實現光伏陣列最大功率輸出。

最大功率點的跟蹤控制本質上是一個自尋優過程，即通過檢測光伏陣列輸出電流、電壓和功率，來判定當前工作點是否為最大功率輸出點，并調節當前工作點電壓，使其向峰值功率點靠近，從而使光伏系統運作在峰值功率點附近。常用的最大功率點跟蹤方法主要有固定電壓法、電導增量法、擾動觀察法等。考慮各種方法實現的難易程度及追蹤精度，改進的變步長擾動觀察法得到了較為廣的運用。擾動觀察法的優點有：容易實現模塊化、跟蹤算法相對簡單、對采樣精度要求不高；缺點有：跟蹤步長固定影響跟蹤精度和速度、存在誤判現象。本文提出了一種改進的變步長擾動觀察法有效地解決了傳統擾動觀察法的“誤判”現象。該方法的大步長實現了追蹤的快速性，小步長實現了追蹤的準確性。

擾動觀察法通過擾動光伏陣列的輸出電壓，判斷擾動前后光伏陣列輸出功率的變化情況，按照功率增加的原則進行控制，實現MPPT。若當前工作點和最大功率點相距較遠時，增大擾動步長 ，使光伏陣列快速擾動到最大功率點附近；若當前工作點在最大功率點附近時，適當減小擾動步長 ，使當前工作點始終工作在最大功率點附近，不會由于擾動步長較大，使光伏陣列輸出功率產生較大波動。

三、結束語

隨著石化能源日趨枯竭，環境問題日趨嚴重，綠色清潔新型能源越來越受到各國的重視。太陽能以其高效、清潔等優點，得到了全世界廣泛的關注。光伏發電的效率得到了很大的關注。本文對擾動觀察法進行了相應的改進，提出了一種改進的變步長擾動觀察法，大大的提高了光伏系統的發電效率。

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[作者簡介]凌洋（1988-），安徽理工大學2011級控制理論與控制工程碩士研究生，主要從事智能控制技術研究。