光伏發電系統研究

黃亞軍++蔡鵬

摘 要：文章設計出一種基于正激變換的前級直流模塊式光伏發電系統。為了解決不同的光照、溫度等外部特征對光伏電池的輸出工作點產生影響的問題，引進了最大功率點跟蹤（MPPT）技術，使得發電系統一直工作在功率最大點左右。針對一般的發電系統中光伏并網組合方法不能確保每一個組件都可以工作在最大功率點上、并且很難獲得每個組件的實時狀態信息，甚至可能形成熱斑的問題，提出了基于直流模塊式的光伏發電系統，它具有結構簡單、易于串并聯、較高的電壓增益、較低的紋波以及輸入輸出電氣安全隔離等特點。通過建立仿真模型進行仿真，結果驗證了本文理論分析的優點以及正確性。

關鍵詞：光伏發電系統；研究

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）12-0007-02

1 概 述

當傳統的燃料能源如煤、石油、天然氣正在一天天減少，并且這些燃料產生的排放物對環境造成的危害日益嚴重時，我們不得不把目光投向了清潔能源如太陽能的開發，光伏發電就成為了太陽能開發領域的一個重要方向[1][2]。

近年來，很多專家學者提出了光伏發電系統的研究方法，文獻[3-4]提出的MPPT算法不斷搜索最大功率點，屬于優化的范疇，存在優化搜索速度和控制響應速度之間的矛盾。本文采用MPPT的非線性設計方法，基于增量電導法，根據MPPT的dp/duin=0控制目標，通過Lyapunov函數推導出控制方程，能保證MPPT控制的穩定性；引入正弦擾動，通過DFT提取光伏輸出的電壓電流的變化量來計算dp/duin，將差分運算轉化為代數運算，降低了參數測量要求，減小了干擾對微分運算的影響。文獻[5-6]提出建立一個單獨的交流發電單元，在這個單元中每一個光伏組件集成一個逆變器，這樣能夠確保單元中的每個組件都工作在功率最大的點周圍，不但增強了能量轉化，還提高了系統抗局部陰影的能力，然而這種應用交流模塊構成的發電系統一般只適用于并網發電的場合，很難實現單獨發電運行，同時在交流模塊運行過程中通常需要提供額外的通信來監控，增加了系統復雜程度。本文在前面理論分析的基礎上提出了一種基于直流模塊式的光伏發電系統。

2 直流模塊式DC/DC變換器

直流模塊式的光伏發電系統，是將每個光伏組件均集成在一個直流模塊，模塊中的組件都連接到一個DC/DC變換器上，然后再將多個直流模塊通過不同的連接方式經一個集中逆變器轉變為交流電能。

串聯式直流模塊發電系統，如圖1（a）所示。該系統中的各模塊之間的接線相對簡單，它的抗失配和抗陰影性能一般，變換器的效率對系統的影響不是很大，在一定范圍內可以確保每個組件均在最大功率點附近運行，并且各直流模塊可單獨實現最大功率跟蹤。

旁路式直流模塊發電系統，如圖1（b）所示。該系統中的各模塊之間連接線比較復雜，并且擴展性較差，能夠保證以相同電壓運行的一串組件能夠工作在最大功率點附近，通過逆變器來實現最大功率跟蹤，它比較適用于相對集中型的光伏電站，在失配的情況下損失的功率小，有著較高的能量轉化效率，發電的成本比較低。

并聯式直流模塊發電系統，如圖1（c）所示。該系統各個模塊之間的接線簡單，即插即用，擴展性能強，它抗失配和抗陰影性能最好，每個組件都能夠工作在在最大功率點，并且直流模塊能夠獨立實現最大功率跟蹤，在失配的情況下功率損失最小，有著較高的能量轉化效率，發電的成本比較低。

2 最大功率點跟蹤非線性控制

光伏電池運行在最大功率點的條件是dp/duin=0，其中p=uiniin。MPPT的控制變量是iin或uin，而DC/DC控制器控制的變量是i1，它們之間存在電容耦合。普通的MPPT控制算法不區分兩者，DC/DC控制器的直接控制量是iin或uin，交代比較模糊。而輸入端前置電容Cin值一般較大，其耦合的動態過程不可忽略，其耦合關系由式（1）決定：

Cin■=i■-i■（1）

為控制dp/duin=0，設Lyapunov函數為：

V2=■（■）■+■K■（■■）■dt（2）

對V2求導得：

V2=■（■）■+■K■■■dt=■（■■+KMi■■dt（3）

若令V2≤-KMp（dp/duin）2，則由式（3）得：

■■≤-KMp■-KMi■■dt （4）

對于單峰值的光伏電池總滿足d2p/duin2<0，設d2p/duin2的最大值為kpum，即kpum=max（d2p/duin2），取kpum×duin/dt=-KMi■（dp/duin）dt，考慮式（1），得到i1的設定值iset：

iset=in+■（KMp■+KMi■■dt）（5）

結合式（1），即可得到MPPT外環、電流內環的控制模式，根據反步法原理，可以保證dp/duin收斂到0。

3 仿真及分析

為了清晰的看出非線性MPPT控制算法加入后對整個系統產生的影響，本文在基本電流環控制的基礎上加入MPPT非線性控制算法。設計控制器功率為196 W，前置電容容量為1 000 uF，濾波電感為0.07 mH，開關頻率為100 kHz。開路電壓Voc =50 V，最大功率點電壓為42 V，短路電流Isc為5 A，最大功率點電流Im為4.67 A。仿真控制原理圖，如圖2所示。

最大功率點電壓波形圖，如圖3所示。在系統穩定后電壓在42 V上下波動，與預期值基本一致，誤差很??；最大功率點功率波形圖，如圖4所示。從圖中可以看出穩定后功率在196 W左右，誤差非常小。

從以上仿真的結果可以看出這種加入正弦擾動的最大功率點跟蹤非線性控制算法是非常有效的。通過非線性控制器的設計，保證了系統穩定性，實現了MPPT和電流一體化控制，避免了常規控制中繁瑣的邏輯控制。

4 結 語

本文設計了一種基于正激變換的前級直流模塊式的光伏發電系統，在系統中采用了直流模塊式的光伏發電方法，這樣很大程度上增強了光伏組件的發電效率。并通過在電流環控制的基礎上加入MPPT的非線性算法，使得光伏電池一直工作在最大功率點附近，提高光能轉向電能的轉化率。

通過Lyapunov直接法設計控制方程，確保了系統控制的穩定性，對所提出的方法進行了仿真測試，仿真結果表明，所提出的算法可以最大程度上提高太陽能的利用率，對生產實踐具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1] 毛亮.我國發展太陽能光伏發電的必要性及技術分析[J].科技傳播，2011，（20）.

[2] 杜慧.太陽能光伏發電控制系統的研究[D].保定：華北電力大學，2009.

[3] 趙爭鳴，陳劍，孫曉瑛.太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4] 王冰清.光伏發電系統MPPT技術研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[5] 王自滿.直流母線式光伏發電系統前級DC/DC變換研究[D].天津：天津 大學，2014.

[6] 陳雙，陳衛民，嚴虹.直流模塊式光伏發電系統前級DC/DC變換研究[J].水電能源科學，2012，（8）.