基于MPPT的光伏并网逆变器研究_张志敏.pdf

2023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计收稿日期：2022-06-11基金项目：国家自然科学基金(61179012)；吉林省发改委项目(2019C058-1)；吉林省教育厅项目(JJKH20200042KJ)；吉林省科技厅项目(20200404203YY)；吉林省教育厅科学技术研究项目(JJKH20180342KJ)作者简介：张志敏(1996)，男，山西省人，硕士，主要研究方向为太阳能发电。通信作者：周振雄基于MPPT的光伏并网逆变器研究张志敏，彭红义，潘若妍，周振雄(北华大学 电气与信息工程学院，吉林 吉林 132000)摘要：对三相光伏并网逆变系统的最大功率点跟踪控制和并网逆变电流控制进行研究，提出了带滞环比较的变步长扰动观测法，根据功率的预测变化实现快速跟踪最大功率点，能够消除稳定过程中的功率波动。为了实现并网电流和电压的同步，利用锁相环技术与并网电压前馈补偿的复合控制策略进行网侧逆变器的控制。在Matlab/Simulink软件环境中进行了对比仿真，结果表明：改进后扰动观测法的跟踪速度提高了40%以上，跟踪精度也提高了4.0%，而且振荡较小，可以准确快速地实现光伏发电最大功率点跟踪，而且并网电流能够跟踪电网电压，谐波含量较小。关键词：光伏发电并网；MPPT；变步长扰动观测法；复合控制策略中图分类号：TM 615文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)01-0108-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.024Research on photovoltaic grid connected inverter based on MPPTZHANG Zhimin,PENG Hongyi,PAN Ruoyan,ZHOU Zhenxiong(School of Electrical and Information Engineering,Beihua University,Jilin Jilin 132000,China)Abstract:The traditional maximum power point tracking algorithm of photovoltaic power generation system has theproblem of slow tracking speed and low accuracy in the case of sudden changes in the external environment tooscillate near the maximum power point.A variable step disturbance observation method with hysteresis comparisonis proposed,which can quickly track the maximum power point according to the predicted change of power,andeliminate power fluctuations in the stable process.In order to realize the synchronization of grid connected currentand voltage,a composite control strategy of phase locked loop technology and grid connected voltage feedforwardcompensation is used to control the grid side inverter.A comparative simulation was carried out in the Matlab/Simulink software environment.The results show that the tracking speed of the improved disturbance observationmethod is increased by more than 40%,the tracking accuracy is also increased by 4.0%.The oscillation is small,which can accurately and quickly achieve the maximum photovoltaic power generation.Power point tracking,and thegrid connected current can track the grid voltage,and the harmonic content is small.Key words:photovoltaic power generation grid connected;MPPT;variable step length disturbance observationmethod;compound control strategy国内外对最大功率点跟踪(MPPT)控制技术做了大量的研究，在控制算法上取得了大量研究成果，但是随着光伏发电并网的应用，需要更好地控制光伏发电并网质量和受到干扰后的最大功率点跟踪。为了提高系统效率，降低输出功率在最大功率点附近振荡，本文对扰动观测法进行改进，提出了基于滞环比较的变步长扰动观测法。同时在分析并网逆变器控制策略的基础上，利用锁相环技术和电网电压前馈补偿的复合控制策略，能够降低并网的谐波含量，提高电能质量。在Matlab/Simulink中对基于滞环比较的变步长扰动观测法和并网逆变器的控制策略进行了仿真，结果证明了本文改进的扰动观测法具有更快的跟踪速度，并网电流具有更好的跟踪性能和较小的谐波含量。1 光伏发电特性与系统分析1.1 光伏发电特性分析对光伏发电系统进行区分时，可划分为离网与并网两种形式1。并网方式光伏发电系统通过装置与大电网进行互联，光伏系统发出的电能不仅能够为负载直接利用，还能够将多余的电能并入电网，常见的光伏发电系统结构如图1所示。通常应用较多的光伏电池等效电路模型如图2所示。图1光伏发电系统结构框图1082023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计根据基尔霍夫定律，对图2进行分析可得：I=Iph-ID-U+RsIRshID=ID0(eqEAKT-1)(1)整理式(1)后，计算出等效模型输出电流：IL=Iph-Is eq(U+RsI)/kT-1-U+RsIRsh(2)式中：IL为光伏电池阵列的输出电流；Iph为光伏电池中存在的光生电流；Is为光伏电池P-N结中反向时候的一个饱和电流；q为电子电荷数；Rs、Rsh为在等效电路中进行串联及并联时的电阻值；k为玻尔兹曼常数；T为光伏阵列环境的绝对温度。光伏电池的输出特性如图3所示。1.2 光伏并网逆变器结构并网逆变器对光伏电池形成的直流电执行逆变，得到交流电，接着并入电网中，或者提供电能满足交流负载的电能需求。在并网之前需要对光伏电池输出的电压进行升压，一般使用Boost升压电路，常见的Boost主电路如图4所示。对光伏电池输出的直流电执行升压操作，接着在逆变器的作用下完成对直流电的逆变，得到交流电。光伏发电并网的核心就是通过逆变器实现电能的转换，实现的主要电路包括直流升压电路、滤波电路、逆变电路、主控电路、信号采集电路和保护电路等2，如图5所示。2 变步长扰动观测法设计2.1 MPPT原理与跟踪算法分析为保障光伏发电系统处于最大输出功率状态下运行，需要分析输出功率和光照、温度以及负载等参数之间的关联3。利用控制算法寻找到最大功率点的技术就是 MPPT 技术4。基于输出特性曲线的MPPT控制原理如图6所示。扰动观测法是根据功率和电压之间的特性关系进行分析，对系统工作电压施加扰动，电压必然发生变化，计算所引起功率输出的变化，根据得到的功率变化对工作电压的方向进行调节，实现系统的最大功率点跟踪控制5-6，其过程如图7所示。2.2 基于滞环比较的变步长扰动观测法优化设计为了避免输出功率在最大功率点附近振荡导致功率振荡，需要对施加的电压扰动步长精确控制，降低扰动步长对系统的动态和稳态性能的影响7。电压扰动步长越小则精度越高，但是会降低跟踪的速度，需要较长时间的跟踪，影响到系统的效率；电压扰动步长选取过大，虽然提高了跟踪速度，但是会增加控制的难度和功率振荡。本文为了克服传统扰动观察法存在的矛盾，利用带滞环比较器对其进行优化。将滞环比较的原理加入到扰动观测法中，可以利用滞环对功率进行比较，利用增加一个滞环的方法实现对功率变化幅度的控制，利用滞环比较确定电压扰动的步长范围，可以克服电压扰动观测法的缺点，得到精确的电压扰动步长，提高最大功率点跟踪精度的同时，降低了由于电压扰动引起的功率波动，避免出现功率变化方向判断错误的情况。基于滞环比较的变步长扰动观测法优化实现的流程如图8所示。3 并网逆变器控制策略研究3.1 数字锁相环分析锁相环主要是将光伏发电系统采样得到的电网电压进行图2光伏电池等效电路模型图3光伏电池的特性曲线图4光伏电池的特性曲线图5光伏并网逆变器的结构框图图6MPPT基本原理示意图图7扰动观测法基本原理1092023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计锁相，根据所得相位角计算得到并网逆变器输出的并网电流，实现并网电流和电网电压同频同相。并网电表的相位利用相位指针 Index 变量确定，并网电流的频率由步进值 Step确定，如图9所示。3.2 锁相环技术与电压前馈补偿的复合控制策略光伏发电并网一般采用的是电流跟踪控制的控制策略，为了抑制光伏发电并网引起的电压扰动，在电流内环控制策略中加入并网电压前馈补偿的控制，可以大大降低并网电压波动对逆变器输出的并网电流的影响。设计的基于电网电压前馈补偿的逆变器电流跟踪控制如图10所示。图中：GN(s)为电网电压的前馈补偿环节；Iref和 Igrid分别为光伏发电系统逆变并网时的参考电流和实际逆变器的输出电流；Gpi(s)和Ginv(s)分别为调节控制和逆变系统环节；GT(s)为滤波环节。利用基尔霍夫电压定律(KVL)得到并网逆变器输出的电压平衡方程为：U0=LdIgriddt+RIgrid+Unet(3)对式(3)进行拉普拉斯变换可以得到：(4)在电网处于异常状态时会出现电压不对称甚至畸变的现象，严重时会影响到光伏发电系统的正常运行。为了对电网电压和并网逆变器输出电流之间的波动关系进行研究，可以将电网电压看作是系统的电压扰动信号，可以对没有施加电网电压前馈补偿时进行分析，得到并网电流Igrid的传递函数为：Igrid(s)=GT(s)1-Gpi(s)Ginv(s)GT(s)Unet(s)(5)未进行电网电压补偿的系统误差为：eerr(s)=-Igrid(s)=-GT(s)1-Gpi(s)Ginv(s)GT(s)Unet(s)(6)在电流跟踪控制中加入电网电压前馈补偿后的系统误差为：(7)在式(7)中，如果 GN(s)=1-Ginv(s)，则可以得到系统误差 eerr(s)=0。根据设计的电压前馈补偿的复合控制策略，加入电网电压前馈补偿后，可以降低电网电压对光伏发电并网逆变器输出电流的影响，在理论上可以实现完全补偿。4 仿真实验结果分析本 文 根 据 研 究 的 变 步 长 扰 动 观 察 法 MPPT 控 制，在Matlab/Simulink 软件环境中搭建光伏发电系统 MPPT的各控制模块，对提出的最大功率点跟踪和并网逆变器的控制策略进行仿真验证，搭建的光伏发电系统并网和 MPPT 控制策略的仿真模型如图11所示。对MPPT进行仿真需要结合搭建的Boost电路，在系统的输入和输出模型中分别接入阻抗负载，对传统的变步长观测法和带滞环比较的变步长扰动观测法控制进行对比仿真研究，仿真模型中器件主要参数如下：电感 L1、L2分