光伏汇流箱中功率优化器的设计和MPPT控制方法研究

作者 鲁兵 黄远洋 王卓 北京华联电力工程监理有限公司(北京 100067)

　　鲁兵(1991-)，男，硕士，研究方向：电力电子与电力传动。

摘要：在光伏系统中，汇流箱起到了汇集光伏阵列输出电流的功能，汇流箱中搭载的功率优化器具有实现光伏电池最大功率点跟踪的功能。设计的光伏汇流箱中每个支路采用双重BOOST结构，MPPT算法采用变步长电阻增量法。由Simulink仿真可知，双重BOOST结构能够有效降低汇流箱输出电流纹波，在光照强度突变后，采用变步长电阻增量法的功率优化器可以使光伏系统快速稳定地达到新的最大功率点并且使各个电感电流均流。

0 引言

　　在大型光伏系统中，由于逆变器直流侧电压高，输出功率大，所以应尽量避免光伏阵列同逆变器之间直接连线，同时为了系统的稳定运行，使系统发电效率达到最优，需要在光伏阵列和逆变器之间安装汇流箱^[2]。本文研究的汇流箱，搭载具有MPPT功能的功率优化器，增强了系统的可靠性。功率优化器是一种基于DC-DC转换电路的调节器^[3]，它具有提高光伏阵列发电效率的功能。功率优化器的结构如图1中虚线框所示。

　　在光伏发电现场，由于阴影遮挡和地形方位不同等原因，往往造成光伏阵列失配问题，在大规模光伏发电场所，为汇流箱装配功率优化器可有效解决此问题。功率优化器对光伏阵列输出的电压、电流信号采集，经过MPPT控制，使光伏阵列不断调整跟踪最大功率点。

　　功率优化器的关键技术是MPPT算法。国内外研究最多的MPPT算法有定电压跟踪法(CVT)、扰动观测法(P&O)、电导增量法(INC)^[4]等，在产品开发过程中选择MPPT算法至关重要。

1 光伏电池的数学模型和输出特性

　　本节首先建立了光伏电池的数学模型，得到各项参数之间的数学关系和变化规律，进而得到输出特性曲线。

　　1.1 光伏电池的数学模型

　　由光生伏特原理，在光照下，光伏电池内部会产生相离运动且生成空穴电子对，从而产生电流^[6]。光伏电池等效电路模型如图2所示。图中各参数详解见表1^[7]。

　　从图2中的光伏电池等效模型和定义，结合P-N结特性方程，并进行两个简化处理：1)由于串联电阻Rs很小，进行理想电路计算时可以忽略，因此光生电流可近似等于短路电流，即I_ph=I_sc;2)由于旁路并联电阻Rsh很大，可达上千欧姆，所以可近似于开路，进行理想电路计算时可省略。可以得出等效电路的电流、电压特性数学模型，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

　　式(1)和式(2)中，Io是二极管的总扩散电流，q是电子电荷(1.6×10^-19C)，k是玻尔兹曼常数(1.38×10^-23J/K)，T为热力学温度，A为二极管特性因子，UL是光伏电池输出端电压，P为光伏电池输出功率。

　　1.2 光伏电池输出特性分析

　　光伏电池最主要的电气特性为伏安特性、功率电压特性和功率电流特性。图3表示在周围气象温度为25℃时，不同光照强度对光伏电池电流—电压特性、功率—电压特性和功率—电流特性的影响。

　　由图3可以看出，在不同的光照强度下，光伏电池仅存在唯一的最大功率点，为了高效地利用太阳能，需要使光伏电池尽可能多的时间工作在最大功率点或者其附近处，且在环境变化后快速追踪到新的最大功率点，这就需要加入功率优化器来对光伏电池进行最大功率点跟踪控制。

2 功率优化器设计

　　光伏阵列由于安装不匹配、阴影遮挡、地形、方位等问题造成组件(串)失配。为了使光伏电池在各种条件下都能发出最大的功率，需要对汇流箱搭载带有MPPT功能的功率优化器。功率优化器具有升压功能，传统的功率优化器是基于单重BOOST的电路结构，为了抑制输出纹波，需要装备较大的输出电容或者采用较高的开关频率，大电容增加了成本和体积，开关频率过高又会增加开关损耗。为解决此问题，采用一种双重BOOST电路结构，能够有效地减小输出电流纹波、降低开关频率、减少开关损耗。

　　2.1 双重BOOST变换电路

　　传统的MPPT控制器是基于单重BOOST电路结构，为了抑制输出电流纹波，需要较大的平波电容或者采用较高的开关频率，大电容增加了成本和体积，过高开关频率必然会增加发热和开关损耗。为了解决此问题，构建了双重BOOST电路拓扑结构^[8]，如图4所示。

　　单重BOOST电路中的电感电流和双重BOOST电路中的电感电流波形如图5所示。 图5(a)为单重BOOST电路，电感电流纹波为^[9]：

(3)

　　式(3)中，L为电感，U_i为输入电压，D为占空比，T为开关周期。

　　根据图5(b)可知，双重BOOST电路的总电感电流由两个错相位的单重BOOOST电路电感电流叠加而成。其电流纹波分为占空比D<0.5和D≥0.5两种情况讨论。

　　当占空比D<0.5时，在t0-t1期间，电流纹波为：

　　纹波ΔI₂与纹波ΔI₁的比值为：

　　由图6可知，输出电感电流纹波在双重BOOST电路结构下会明显减小，特别是在占空比接近50%时，能大大减小电流纹波。

　　2.2 双路双重BOOST变换电路

　　本文研究的智能汇流箱，将多路光伏组件串列进行汇流，每一路组件串列都连接到具有双重BOOST电路结构的功率优化器上。提出了一种应用于光伏汇流箱的双路双重BOOST电路结构，如图7所示，电路中的的两个主回路结构对称，输入独立，输出并联在一起。控制上有4个PWM信号，对双路双重BOOST电路的开关管进行控制，同一路两个PWM信号相位互错180°，两路4个PWM信号相位互错90°，当只有一路组件串列进行MPPT控制时，仍能保证180°的错相位控制。

　　由上一小节分析可知，双重BOOST电路的总电感电流纹波是两个单重BOOST电路电感电流纹波的叠加。同理，在两路双重BOOST电路输出电流汇流后，由于相位互错90°，纹波系数将会进一步减小。此电路结构能够有效降低输出电流纹波，降低开关频率，从而降低开关损耗和发热，还可以减小输出平波电容大小。

3 最大功率点跟踪算法研究

　　为了在光照强度突变后使光伏电池能快速稳定地达到最大功率点，需要对光伏电池进行最大功率点跟踪控制。对于双重BOOST电路而言，继续使用基于光伏电池电压寻优的方法则无法确保各个电感支路均流，所以要采用基于电流寻优的控制方法，在确保实现MPPT控制的同时各个电感支路均流。

　　3.1 电导增量法

　　对于单极值的光伏电池P-U特性曲线来说，寻找最大功率点的实质便是搜索P-U曲线上导数等于零的横坐标。电导增量法就是利用曲线的导数特性来完成最大功率点的搜寻，由图8可知，光伏电池P-U特性曲线及dP/dU的符号变化规律，即在仅存在一个最大功率点的基础上，在此位置的左侧dP/dU符号为正，在此位置的右侧dP/dU符号为负，在最大功率点处时dP/dU=0。