双级式光伏并网逆变器Boost控制算法研究

摘要：介绍了户用型光伏并网发电的优点。指出在双级式并网逆变器的Boost电路中，控制算法应当完成升压控制和最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，对这两种控制策略进行了详细研究。此外，对MPPT应用时的两个实际问题最大功率限制输出以及逆运行也进行了讨论。最后在Simulink中建立了仿真模型，仿真结果表明Boost控制算法具有可行性。
关键词：光伏；软充电；最大功率追踪

在光伏并网系统中，由于户用型光伏发电技术可以克服日照分散性缺点，且在电网终端并网，所发出电能被负载就地消耗，减小了电能在传输过程中造成的损失。这样在灵活性和经济性上，都比光伏电站具有更大优势。在户用型并网逆变器中，双级式并网逆变器由于其体积小、质量轻、效率高且成本较低等优点，具有广阔的发展潜力。
在双级式并网逆变器中，拓扑结构主要包括Boost和全桥逆变器电路。如图1所示。本文主要对Boost电路进行详细算法分析。

1 Boost控制算法研究
Boost要完成两个任务。一就是在启动的时候，若太阳电池板电压小于母线额定电压时，Boost电路应能完成升压，使母线电压达到并网要求；另外，就是要完成太阳能电池板的最大功率追踪。下面分别对其进行研究。
1．1 Boost电路软充电控制算法
Boost电路由于在系统中属空载运行，对其实行软充电。软充电方式可以保证Boost在母线电压比较低的时候快速充电，而在快要接近母线电压的时候，放慢充电速度，减小母线电压过冲。
软充电方式控制流程，假设母线电压额定值为400 V。在程序执行的时候，先判断母线电压是否超过额定电压400 V，若否则开始充电控制。通过SoC判断当前电压是否接近额定值，若SoC0．9，则表示当前电压值远小于额定电压，加速充电，若否表示当前电压已接近额定电压，则开始减速充电。
1．2 Boost电路MPPT控制算法
太阳能并网逆变器中，要充分发挥光伏电池板的效能应保证电池板随时最大功率输出。在双级式并网逆变器中，通常由Boost电路来完成MPPT控制。MPPT控制和光伏电池板特性有很大关系，在辐照度和温度变化时电池板的P—U曲线详图略。
根据电路最大功率传输定理，当电池板的内阻抗与负载阻抗相匹配时，电池板有最大功率输出。由于在实际中，光伏电池板内阻抗随着环境的变化而变换，由此可知MPPT过程实际上是寻找一个与内阻抗匹配的负载阻抗的过程。
在MPPT控制中，主要的问题是系统的扰动量。在单级式并网逆变器中，经常通过扰动PV电压来实现MPPT。具体如图2所示，即当电压值U大于Uref时，通过增大输出电流米降低当前电压。这样通过控制输出电流大小就实现电压U的控制，从而完成MPPT。

在双级式并网逆变器巾Boost电路的输出电压Uout通常为恒定值，则根据公式U=Uout(1-D)，可知占空比的变化会引起输入电压U发生改变。所以若当前电压U大于MPPT给定的参考电压，则占空比增加，从而可使得U减小，完成MPPT控制。由于PI控制器存在积分环节，MPPT的速度以及系统超调都会受到PI控制器的影响。所以在双级式并网逆变器中，通常采用直接扰动占空比来实现MPPT。具体如图3所示。

(1)定电压跟踪法(CVT)
当太阳辐射变化时，最大功率点电压近似分布在一条垂直的直线上。电池板最大功率点电压与开路电压存在比例关系，通常取开路电压的0．78倍。这样，将电池板开路电压采集后，即可知道最大功率点电压。若能将Upv控制在最大功率点电压附近，则可近似最大功率输出。具体流程图略。
CVT法简单、有效，能迅速的靠近最大功率点。但是，CVT忽视了温度对电池板最大功率点的影响。当温度变化很大的时候，跟踪最大功率点效果不理想。
(2)扰动观察法(P＆O)
根据太阳能电池板功率曲线，当电池板工作在最大功率点，以及最大功率点两侧时，dp／dU符号不一致。若dp／dU0，则在最大功率点右边，需要减小U来靠近最大功率点；若dp／dU>0，则在最大功率点左边，需要增加U来靠近最大功率点。变化特征详图略。
PO法利用功率作为判断，具有控制思路清晰，实现方便。在外界环境变化的时候也能够跟踪到电池板最大功率点，工程上一般常采用。尽管如此，PO法还是存在一些缺点比如在稳态的时候，一直在最大功率点附近来回震荡，震荡大小可通过步长来进行调节。控制流程如图4所示。

(3) MPPT算法的两个实际问题
MPPT算法除了用于寻找最大功率点外，在实际系统中还应该注意一些应用问题。比如最大功率限制输出以及逆变器降额运行等。
最大功率限制输出，在实际使用中，要求并网逆变器在发现在输出功率超过额定容量时，应能够保证MPPT不再继续找最大功率点保持当前输出。最大输出的处理方法简单，只需要每次在进行MPPT前对当前功率进行判断。若已超过Pmax，则保持Dutv即可，否则继续寻找最大功率点。如图5所示。