并聯Buck-Boost型多電池光伏并網逆變器的研究

常　成，袁旭峰

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽230005)

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并聯Buck-Boost型多電池光伏并網逆變器的研究

常成，袁旭峰

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽230005)

摘要：隨著太陽能、風能等新能源技術的發展，分布式發電技術已經廣泛應用在電力系統之中，成為一種新型的發電方式。分布式發電技術具有清潔、環保、高效等特性，其并網技術成為研究的熱點問題。針對太陽能光伏發電技術，設計了一套并聯的Buck-Boost型多電池光伏并網逆變器，由太陽能光伏電池板、并聯的Buck-Boost斬波電路、逆變電路等部分組成，并對光伏發電最大功率跟蹤MPPT控制方法和逆變器并網控制策略進行研究，分別選取了電導增量法的MPPT控制方法和雙閉環并網控制方式。通過在Matlab/Simulink中搭建系統仿真模型，仿真結果證明了該系統的功能。

關鍵詞:太陽能發電光伏并網逆變器最大功率跟蹤雙閉環控制

0引言

太陽能作為一種清潔、高效、安全的可再生能源已廣泛應用到發電領域，成為微電網組成中的重要分布式電源。太陽能光伏發電的原理就是通過太陽能光伏電池將光能轉化為電能。光伏發電系統主要有兩種形式：并網光伏發電系統和離網光伏發電系統[1]。

本文針對光伏并網的基本結構，研制了一種并聯的Buck-Boost型多電池光伏并網逆變器，主要用于將兩個或多個光伏發電系統連接起來，可同時控制兩個系統或多個的發電和并網。該系統由光伏電池、最大功率跟蹤器(MPPT)、并聯型Buck-Boost斬波電路、逆變電路等部分組成，并對MPPT的控制方法、逆變器的控制策略進行了研究。

1太陽能光伏電池陣列

目前采用的太陽能光伏電池主要是單晶硅材料，每一個硅片構成的太陽能電池稱為單體；可根據用戶需求將電池單體進行串并聯組合而構成太陽能電池組件；多個太陽能電池組件構成太陽能電池陣列[2]。光伏電池發電的原理是利用入射到半導體中的太陽光引起的光電效應，光伏電池組件的輸出功率受光照強度和溫度影響顯著。

由圖1、2看出，在光照強度不變的情況下。隨著溫度的升高，最大功率點在逐漸減小。在溫度不變的情況下，隨著光照強度的不斷升高，最大功率點也在逐漸增大。所以，需要通過一定的控制策略使光伏電池的輸出始終維持在最大功率點(MPP)處。

圖1　S相同時的光伏特性曲線　圖2　T相同時的光伏特性曲線

2最大功率跟蹤MPPT

由上一節的仿真結果表明光伏電池陣列輸出功率受光照強度和溫度影響較大[3]，并且與負載阻抗的大小有關，只有當光伏電池板與外部負載阻抗相匹配時才能使光伏電池輸出的功率最大，而在任意溫度和光照強度下都存在一個最大功率輸出點(MPP)[4]。MPPT是在一定外界環境條件下，通過最大功率追蹤技術，利用電力電子裝置對光伏組件的端電壓及輸出電流進行實時調節，可以使其運行在最大功率點(MPP)上。

MPPT算法主要有間接控制法、直接控制法和人工智能法[5]。間接控制法基于參數選擇方式，可選擇工作電壓和開路電壓的近似比例關系，開路電壓和短路電流的比例系數作為依據來追蹤最大功率點，但其效率較低，對光伏組件的外特性具有很強的依賴性。直接控制法基于采樣數據，主要包括擾動觀測法、電導增量法等。直接控制法較間接控制法有較高的效率，一般選擇直接控制法作為MPPT的控制算法。

2.1擾動觀測法

擾動觀測法是MPPT常用的控制方法之一，原理是先讓光伏電池以某一電壓值輸出，并測得其輸出功率，然后再在這個電壓值上增加一個微小的擾動，再測得此時的輸出功率，比較這兩個功率值。一般將DC/DC斬波電路的占空比作為擾動對象來控制擾動施加的方向[6]。若測得的功率呈上升趨勢，則繼續施加相同方向的擾動，即增加占空比；若測得的功率呈下降趨勢，則施加相反方向的擾動，即減小占空比。

圖4　擾動觀測法的PWM波形

通過擾動觀測法追蹤到的電壓波形如圖3所示，可以看到使用擾動觀測法可以很快追蹤到最大功率點，但波動較大。

通過擾動觀測法所產生的PWM波形圖如圖4所示，由圖可知，通過此方法所產生的PWM波形是半方波形。

2.2電導增量法

電導增量法是對擾動觀測法的改進，此方法克服了擾動觀測法溫度對特性曲線的影響，由于光伏電池板在某時刻的變化方向與電壓、功率無關，僅取決于當前時刻的電導變化率dI/dU和電導-I/U的關系，故當光伏電池的光輻射強度和環境溫度發生變化時，其輸出的電壓能夠平衡跟蹤其變化，且與光伏電池組件的特性和參數無關，提高了控制的速度和精度。

圖6　電導增量法的PWM波形

通過電導增量法追蹤到的電壓波形如圖5所示，看到使用電導增量法可以很快追蹤到最大功率點，與擾動觀測法相比波動要小一些。

通過電導增量法所產生的PWM波形圖如圖6所示，由圖可知，通過此方法所產生的PWM波形是一條值恒為1的直線。

本文選用電導增量法作為MPPT的控制策略，電導增量法是具有精確控制策略和較快反應速度的控制方法，適用于溫度、光照等環境狀況變化較大的場合，在這些場合，該方法能夠對MPPT進行高速、穩定的跟蹤。但是對硬件特別是傳感器的精度要求比較高。

3Buck-Boost斬波電路

圖7　Buck-Boost電路拓撲圖

直流斬波電路是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，可分為降壓斬波電路(Buck)、升壓斬波電路(Boost)、升降壓斬波電路(Buck-Boost)、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路[7]。

Buck-Boost變換器與傳統Buck變換器相比電路結構簡單，既可實現升壓又可實現降壓功能，并且具有較低的輸入輸出電壓差，內部損耗小，輸出電壓穩定度高，較寬的電壓輸入范圍等優點。

4逆變器及并網控制策略

逆變電路的主要作用是將直流電轉換為交流電，本設計的逆變器交流側需接入電網，故為有源逆變器。由于電流源型逆變器直流側串聯的大電感會致使系統的動態響應效果變差，因此電壓源型逆變器成為了光伏并網逆變器的首要選擇。目前采用的電壓源型逆變器并網控制策略主要有：三角波比較、定時比較、滯環比較、雙閉環控制等方法[8]。

圖8　逆變器雙閉環控制策略

為了光伏并網逆變器安全可靠的實現并網工作，本設計采用基于電壓外環電流內環的雙閉環PWM控制策略。電壓外環的作用是保證逆變器前端直流母線電壓的穩定，電流內環的作用是控制逆變器輸出電流實現并網及功率的調節。

雙環PWM輸出的波形如圖9所示，是一個半方波的波形。

圖9　雙閉環PWM輸出的波形

5控制策略

圖10　多光伏并網逆變器　控制策略圖

為了實現將兩個或多個光伏發電系統同時并入電網，本文將兩個或多個與光伏電池陣列相連的Buck-Boost電路并聯接入到MPPT控制模塊中，這是因為各光伏發電系統的功率不一致，但均可通過MPPT模塊追蹤到最大功率點運行。并聯電路的電流為各支路電流和，電壓為各支路電壓，這樣用同一個MPPT就可控制兩個或多個Buck-Boost電路，使得多個光伏電池陣列始終工作在最大功率點(MPP)處，然后同時并入逆變器，進行直流到交流電的轉換，最后通過逆變器并入電網或孤網運行。逆變器采用雙閉環控制策略。

6仿真分析

設計的光伏并網逆變器由5部分組成：光伏電池陣列、Buck-Boost斬波電路、最大功率跟蹤MPPT、逆變器、并入電網。光伏電池陣列可將吸收的太陽能轉化為電能；Buck-Boost斬波電路將光伏電池輸出的直流電進行升壓控制，起到了變壓器的作用，可獲得電網需要的電壓等級；為了保持光伏組件始終工作在最大功率點處，在此系統中采用了基于電導增量法的MPPT控制模塊；最后將升壓后的電流和電壓輸入到逆變電路中，將直流電轉換為交流電，將交流電并入電網，逆變器采用雙閉環控制策略。在Matlab/Simulink中搭建其仿真模型如圖11所示。

圖11　光伏并網逆變器仿真模型

兩個太陽能光伏發電單元分別在光輻射強度為1 000lux、1 500lux和環境溫度為25℃、30℃下工作，Buck-Boost電路輸入端電容值為100 μF，電路輸出端電容為300 μF，并聯電感為5 mH。逆變電路中串聯電阻為1 Ω，串聯電感為3 mH，阻感環節組成濾波結構。并入的交流電網電壓的幅值為314 V，頻率為50 Hz。

圖13　逆變器輸出的電壓波形

逆變器輸出的電流和電壓波形如圖12、13所示：由仿真結果可知，該逆變器可獲得較為平穩的交流電并入電網。對逆變器輸出的電流和電壓進行FFT分析，其分析結果如圖14、15所示。

圖14　逆變器輸出電流FFT

圖15　逆變器輸出電壓FFT

7結論

本系統設計的兩個太陽能光伏電池板在不同的光輻射強度和溫度下工作，各自產生不同的直流電壓，經測定分別為354 V，376.3 V。直流電壓分別通過各自的Buck-Boost電路，兩個斬波電路采用相同的MPPT控制，并聯后產生相同的直流電壓值。然后通過逆變器的作用產生標準的交流電壓、電流的正弦波輸出，通過對輸出電壓和電流進行FFT分析可知，逆變器輸出交流電流的THD=5.75%，逆變器輸出交流電壓的THD=0.00%，符合光伏并網的條件。證明了使用該控制策略的多電池光伏并網逆變器可以輸出標準的、符合并網條件的交流正弦波，可實現多系統的并網。

這種類型的光伏并網逆變器可將兩個或多個在不同環境和工作條件下的光伏發電系統進行互聯，之后統一并入電網，節省了設備投資，并且清潔、高效，是一種值得推廣的光伏發電系統并網方式。

參考文獻

[1]趙晶.單相光伏并網控制的研究[J].現代機械，2009(01)31-33.

[2]Calais M, Myrzik J, Spooner T, et al. Inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems - an overview[C]//IEEE PESC Conference Proceedings, 2002: 1995-2000.

[3]王久和, 慕小斌, 張百樂,等.光伏并網逆變器最大功率傳輸控制研究[J].電工技術學報，2014，29(6)：49-56.

[4]王盼寶,王 衛,吳 炎.光伏發電系統中無電流傳感器型MPPT控制策略[J].電力自動化設備，2014，34(10)：64-68.

[5]戚軍,翁國慶,章旌紅.光伏陣列多峰最大功率點分布特點研究[J].電力自動化設備，2014,34(3)：132-137.

[6]貝太周, 王萍, 蔡蒙蒙.注入三次諧波擾動的分布式光伏并網逆變器孤島檢測技術[J].電工技術學報,2015，30(7): 44-51.

[7]熊宇，李玉玲，等.光伏并網電流源逆變器擾動電阻最大功率跟蹤策略[J].電網技術，2014，38(12)：3300-3304.

[8]孔雪娟,王荊江,彭力,等.基于內模原理的三相電壓源型逆變電源的波形控制技術[J].中國電機工程學報, 2003，23(7)：67-70.

[9]Soeren Baekhoej Kjaer, John K Pedersen, Frede [9] [9]Kjaer S B, Pedersen J K, Blaabjerg F. A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(5): 1292-1306.

袁旭峰(1976-)，男，貴州遵義人，副教授，博士，從事高壓直流輸電的運行與控制，以及FACTS技術在電力系統中的應用。

Research on the parallel Buck-Boost photovoltaic grid-connected inverter with multiple batteries

CHANG Cheng, YUAN Xufeng

Abstract:With the development of alternative energy technologies such as solar power, wind power, etc., the distributed generation technology, which is clean, green and efficient, has been widely used in power systems, and its grid connecting technology has become a research focus. In this study, based on solar power photovoltaic technology, we designed a parallel Buck-Boost photovoltaic grid-connected inverter with multiple batteries, which consisted of solar power photovoltaic batteries, parallel Buck-Boost chopper circuit, inverter circuit, etc. Then we analyzed the control method of the maximum power point tracking(MPPT) and the grid-connected control strategy of the inverter, and selected the conductance increment method for MPPT and double closed-loop control method for grid-connected control. By building simulation model in Matlab/Simulink, we verified the function of the system.

Keywords:solar power; photovoltaic grid-connected; inverter; maximum power point tracking; double closed-loop control

收稿日期：2015-09-19

作者簡介：常成(1991-)，男，遼寧大連人，碩士研究生，從事電力系統運行與控制。

中圖分類號：TM609

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0080-05