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(yīng)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(zhǔn)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(hù)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(yīng)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(dǎo)增量法、擾動觀察法和三點滯環(huán)法。定電壓跟蹤法固定認(rèn)為0.8倍開路電壓為最大功率點電壓;電導(dǎo)增量法當(dāng)遇到第一個峰值的時候就會出現(xiàn)dP/dU=0，故而認(rèn)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(rèn)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(jìn)行計算，然后再相互比較，從而就能準(zhǔn)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(dāng)然實際應(yīng)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(shè)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(dāng)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(jìn)行比較后定位出最大功率點處并進(jìn)行跟蹤。另外為了能適應(yīng)峰值數(shù)量及位置不斷變化的P-V曲線，需要定時進(jìn)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(dāng)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(dāng)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?fù)浣Y(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?fù)?，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(jìn)行分析：

H6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

H6直流旁路拓?fù)洌涔ぷ髟砣缦拢赫胫芷趦?nèi)，開關(guān)S1和S4始終導(dǎo)通，S5、S6和S2、S3交替導(dǎo)通。當(dāng)S5、S6導(dǎo)通，S2、S3關(guān)斷時，此時共模電壓=Udc/2;當(dāng)S2、S3導(dǎo)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(fù)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?fù)浣Y(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(fù)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(yán)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(jìn)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(shè)備及人身安全?？傊?，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷應(yīng)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(shè)計。