摘?要：介紹了以DSP為主控芯片的光伏并網(wǎng)" title="光伏并網(wǎng)">光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，它能跟蹤光伏陣列" title="光伏陣列">光伏陣列最大" title="最大">最大輸出功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光伏陣列和負(fù)載優(yōu)化匹配，使負(fù)載獲得最大功率。在光伏陣列輸出功率最大為跟蹤目標(biāo)的定步長MPPT一階差分算法的基礎(chǔ)上，采用以使負(fù)載獲得最大功率為跟蹤目標(biāo)的變步長尋優(yōu)MPPT算法，能夠更好地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤太陽能電池最大功率點(diǎn)，并自動(dòng)同步跟蹤電網(wǎng)頻率和相位，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的正弦波形以便與電網(wǎng)電壓" title="電網(wǎng)電壓">電網(wǎng)電壓同頻同相饋入電網(wǎng)，提高了系統(tǒng)逆變效率和可靠性。
關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)? 最大功率點(diǎn)跟蹤" title="最大功率點(diǎn)跟蹤">最大功率點(diǎn)跟蹤? 變步長尋優(yōu)? 數(shù)字信號(hào)處理器
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??? 太陽能光伏發(fā)電是當(dāng)前利用新能源的主要方式之一，光伏并網(wǎng)發(fā)電是光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢。光伏并網(wǎng)發(fā)電的主要問題是提高系統(tǒng)中太陽能電池陣列的工作效率和整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的交流正弦電流與電網(wǎng)電壓同頻同相[1-2]。最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(maximum power point tracking)是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要技術(shù)，它能充分提高光伏陣列的整體效率。在確定的外部條件下，隨著負(fù)載的變化，太陽能電池的輸出功率也會(huì)變化，但始終存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。當(dāng)工作環(huán)境變化時(shí)，特別是日光照度和結(jié)溫變化時(shí)，太陽能電池的輸出特性也隨之變化，且太陽能電池輸出特性的變化非常復(fù)雜。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率較低且價(jià)格昂貴，因此，使用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)提高太陽能電池的利用效率，充分利用太陽能電池的轉(zhuǎn)換能量，應(yīng)是光伏系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向。
1 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成
單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功能是將太陽能電池陣列輸出的直流電變換為交流電，經(jīng)過交流濾波后把正弦波交流電送入電網(wǎng)。并網(wǎng)DC/AC逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，主要采用電壓源型電流控制。為滿足電壓源型電流控制并網(wǎng)逆變器的固有交直流變化比關(guān)系，即直流側(cè)電壓要高于交流側(cè)電壓，在光伏電池陣列輸出電壓較低的系統(tǒng)中，在DC/AC逆變電路前增加一個(gè)Boost（升壓）電路進(jìn)行電壓匹配。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相的跟蹤，并穩(wěn)定全橋逆變電路的直流母線電壓。圖1是單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖。
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2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)工作電路原理
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)工作時(shí)的電路原理圖如圖2所示[3-4]。圖中，Vg是電網(wǎng)電壓，Vi是并網(wǎng)逆變器輸出的高頻SPWM電壓，R為線路等效電阻，L為串聯(lián)電感，I為送入電網(wǎng)的電流。
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?為保證送入電網(wǎng)功率因數(shù)為1，送入電網(wǎng)的電流相位必須與電網(wǎng)電壓相位一致。以電網(wǎng)電壓Vg為參考，則I與Vg同相位，線路等效電阻R兩端的電壓VR與電網(wǎng)電壓Vg相位一致，串聯(lián)電抗器L兩端的電壓VL相位則落后于VR 90°，由此可得Vi相位和幅值。圖3為系統(tǒng)工作矢量圖。
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3? 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT跟蹤算法
太陽能光伏電池輸出特性為非線性，輸出功率受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響非常明顯。在任何時(shí)刻,光伏電池都存在一個(gè)最大輸出功率的工作點(diǎn)，而且隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化，最大功率點(diǎn)的位置也在不斷變化。為能充分利用太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換能力，就需要實(shí)時(shí)控制光伏電池的工作點(diǎn)，以獲得最大功率輸出。
3.1 定步長算法
圖4是具有定步長的MPPT一階差分算法框圖。實(shí)現(xiàn)太陽能光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過程[5]，通過對光伏陣列當(dāng)前時(shí)刻輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前時(shí)刻光伏陣列輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻光伏陣列功率值比較，舍小存大，再檢測，再相比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使光伏陣列動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)上。功率達(dá)到最大值時(shí)滿足：
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3.2? 變步長控制算法
由光伏陣列的I-V特性曲線可知，只有當(dāng)光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，光伏陣列才能輸出最大功率[6-7]。定步長的MPPT一階差分算法是以光伏陣列輸出功率最大為跟蹤目標(biāo)的。但在實(shí)際系統(tǒng)中，最重要的是負(fù)載獲得的功率是否為最大。基于此提出以負(fù)載獲得功率的變化代替以光伏陣列輸出功率的變化來進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的控制策略。同時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)電壓基本上為恒定值的特性，對注入電網(wǎng)的電流的變化進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。在具體控制算法上采用改進(jìn)的變步長電壓擾動(dòng)法，當(dāng)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，步長較大，尋優(yōu)速度加快；當(dāng)接近最大功率點(diǎn)時(shí)，步長較小，逐漸地逼近最大功率點(diǎn)；當(dāng)非常接近最大功率點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定在該點(diǎn)工作，最終實(shí)現(xiàn)光伏陣列的真正最大功率點(diǎn)跟蹤。電流在實(shí)際的跟蹤過程中，搜索步長要根據(jù)當(dāng)前光伏陣列的工作點(diǎn)相對于最大功率點(diǎn)的距離而作出相應(yīng)改變；同時(shí)，在搜索過程中，為了避免誤判斷設(shè)置了光伏陣列工作電壓的上下限幅值。相應(yīng)的控制框圖如圖5所示。
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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
??? 對以DSP為核心控制的數(shù)字化光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。DC/DC直流升壓(Boost)電路將100V直流電壓升到400V直流電壓，主電路采用電壓型逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)器件采用IGBT，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP 控制電路經(jīng)光耦隔離后給出。圖6為MPPT算法的光伏陣列輸出曲線，圖7為并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于DSP的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能較好地跟蹤光伏陣列最大功率點(diǎn)，使負(fù)載獲得最大功率。通過對電網(wǎng)電壓相位的捕捉和電感電流的采樣，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，且并網(wǎng)電流波形與電網(wǎng)電壓波形時(shí)刻保持輪廓一致，從而保證功率因數(shù)接近1，實(shí)現(xiàn)以220V/50Hz正弦交流電順利并網(wǎng)。
以DSP為主要控制芯片的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，具有較好的工作性能與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在定步長MPPT一階差分法基礎(chǔ)上，采用使負(fù)載獲得最大功率為跟蹤目標(biāo)的變步長MPPT控制算法，能更好地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。該算法可以降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池陣列的功率配置,且能適應(yīng)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的較大變化，從而降低系統(tǒng)成本, 有效地提高系統(tǒng)性能價(jià)格比，使太陽能電池得到充分的利用。該系統(tǒng)還能自動(dòng)同步跟蹤電網(wǎng)頻率和相位，使輸出功率因數(shù)接近1，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了應(yīng)用范圍。
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