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，實現(xiàn)光伏陣列和負載優(yōu)化匹配，使負載獲得最大功率。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，能夠更好地實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。實驗結(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，并自動同步跟蹤電網(wǎng)頻率和相位，實現(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)? 最大功率點跟蹤" title="最大功率點跟蹤">最大功率點跟蹤? 變步長尋優(yōu)? 數(shù)字信號處理器
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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系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，實現(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，隨著負載的變化，太陽能電池的輸出功率也會變化，但始終存在一個最大功率點。當(dāng)工作環(huán)境變化時，特別是日光照度和結(jié)溫變化時，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)換效率較低且價格昂貴，因此，使用最大功率點跟蹤技術(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Boost（升壓）電路進行電壓匹配。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，輸出功率受光照強度和環(huán)境溫度的影響非常明顯。在任何時刻,光伏電池都存在一個最大輸出功率的工作點，而且隨著光照強度和溫度的變化，最大功率點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，就需要實時控制光伏電池的工作點，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。實現(xiàn)太陽能光伏陣列的最大功率點跟蹤實質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程[5]，通過對光伏陣列當(dāng)前時刻輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前時刻光伏陣列輸出功率，再與已被存儲的前一時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，便可使光伏陣列動態(tài)地工作在最大功率點上。功率達到最大值時滿足：
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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時，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。但在實際系統(tǒng)中，最重要的是負載獲得的功率是否為最大?；诖颂岢鲆载撦d獲得功率的變化代替以光伏陣列輸出功率的變化來進行最大功率點跟蹤的控制策略。同時，根據(jù)電網(wǎng)電壓基本上為恒定值的特性，對注入電網(wǎng)的電流的變化進行最大功率點跟蹤。在具體控制算法上采用改進的變步長電壓擾動法，當(dāng)離最大功率點較遠時，步長較大，尋優(yōu)速度加快；當(dāng)接近最大功率點時，步長較小，逐漸地逼近最大功率點；當(dāng)非常接近最大功率點時，系統(tǒng)穩(wěn)定在該點工作，最終實現(xiàn)光伏陣列的真正最大功率點跟蹤。電流在實際的跟蹤過程中，搜索步長要根據(jù)當(dāng)前光伏陣列的工作點相對于最大功率點的距離而作出相應(yīng)改變；同時，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 實驗結(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)進行了實驗分析。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撲結(jié)構(gòu)，開關(guān)器件采用IGBT，驅(qū)動信號由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。
實驗結(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，使負載獲得最大功率。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)電壓波形時刻保持輪廓一致，從而保證功率因數(shù)接近1，實現(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，能更好地實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。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)性能價格比，使太陽能電池得到充分的利用。該系統(tǒng)還能自動同步跟蹤電網(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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