光伏汇流箱中功率优化器的设计和MPPT控制方法研究-鲁兵(修改后)

光伏汇流箱中功率优化器的设计和MPPT控制方法研究Design of power optimizer and study on MPPT control method in PVcombiner box鲁兵黄远洋王卓北京华联电力工程监理有限公司（北京100067）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。

本文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。

关键词：光伏发电；功率优化器；MPPT算法；双重BOOST；Simulink引言太阳能资源丰富、低碳环保，作为清洁的可再生能源，在世界范围内引起广泛重视[1]。

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，增加了系统的可靠性。

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。

图1 功率优化器结构在光伏发电现场，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就是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，在产品开发过程中如何选择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2.1[7]。

I R L图2 光伏电池等效电路表2.1 光伏电池等效电路参数表结合P-N 结特性方程，并进行两个简化处理：①由于串联电阻R s 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R sh 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)、(2)所示。

()⎭⎬⎫⎩⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=1exp s L oc o ph L AkT R I U q I I I(1) L L L L ph L o exp 1qU P U I U I U I AkT ⎡⎤⎛⎫==-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ (2)上式中，I o 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；U L 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、功率—电流特性的影响。

I /AU /VP /WU /VI /A(a) I-U 特性曲线 (b) P-U 特性曲线 (c) P-I 特性曲线图3 光照强度对光伏电池输出特性的影响可以看出，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，能够有效减小输出电流纹波、降低开关频率、减少开关损耗。

2.1 BOOST 变换电路目前在光伏发电领域，使用最多的DC-DC 变换电路主要是BOOST 电路。

BOOST 电路电感电流一直处在连续状态，电感值越大，流过电感的电流纹波越小，这时可以选择很小的电容。

其电路结构如图4所示。

图4 BOOST 变换器电路2.2 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5所示。

图5 双重BOOST 电路拓扑单重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6所示。

(a) 单重BOOST 电路电感电流 (b) 双重BOOST 电路电感电流 图6 单重/双重BOOST 电路的电感电流图6(a)为单重BOOST 电路，电感电流纹波为[9]：i1U I DT L∆=(3) 式中，L 代表电感；U i 代表输入电压；D 代表占空比；T 代表开关周期。

根据图6(b)，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，在t 0-t 1期间，电流纹波为：()2i o i 11I U DT U U DT L L∆=-- (4)其中io 1U U D =-，代入上式，可得： 2i 1121D I U DT L D-∆=- (5) 同理，当占空比D ≥0.5，电流纹波为：2i 1(2D-1)I U T L∆=(6) 纹波ΔI 2与纹波ΔI 1的比值为：2112 , (0. 5)1I DD I D∆-=<∆- (7) 2121, (0. 5)I D D I D∆-=≥∆ (8)如图7可知，输出电感电流纹波在双重BOOST 电路结构下可以明显减小，特别是在占空比接近50%时，能大大减小电流纹波。

ΔI 2/ΔI图7 双重BOOST 电路、单重BOOST 电路输出电流纹波比值与占空比的关系2.3 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8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。

图8 双路双重BOOST 电路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9可知光伏电池P-U 特性曲线及d P /d U 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d P /d U 符号为正，在此位置的右侧d P /d U 符号为负，在最大功率点处时d P /d U =0。

4080U /VP /Wm图9 光伏电池的P-U 特性曲线对于光伏电池，P =UI ，则在最大功率点处：0dP dII U dU dU=+= (9)化简得：0dI IdU U += (10)当m U U <时，0dIIdU U +>，系统在最大功率点左侧运行；当m U U >时，0dI IdU U+<，系统在最大功率点右侧运行；当m U U =时，0dI IdU U+=，系统在最大功率点处运行。

电导增量法的控制流程图如图10所示。

图10 电导增量法控制流程图电导增量法基本解决了在最大功率点附近的震荡、功率损失等问题。

对于环境的变化可以准确快速地调整系统输出，匹配最大功率点，平稳地跟踪。

3.2 变步长电阻增量法借鉴电导增量法，本文提出了一种基于电流寻优的MPPT 方法—变步长电阻增量法。

电阻增量法的判断依据为：当前光伏阵列的P -I 曲线（图3-c ）斜率为零时在最大功率点处，为正时在最大功率点左边，为负时在最大功率点右边，即/0 /0 /0 左侧右侧dP dI MPP dP dI MPP dP dI MPP >=<，，，其中d P /d I =U+I d U/d I 。

因此可以通过判断U+I d U/d I 的符号来实现跟踪。

假设在最大功率点处I ref =I mpp ，光伏电池将维持这个点直到输出功率发生变化，接着再通过增大或减小I ref 跟踪新的最大功率点。

变步长电阻增量法的控制流程图如图11所示。

其中：U (k)和I (k)为光伏电池的电压和电流采样值，U (k-1)和I (k-1)为上一个周期的采样值。

I ref 为输出的最大功率点处电流参考值，I step 为最大功率点处电流参考值变化的步长。

鉴于固定步长无法兼顾跟踪速度和稳态误差的缺陷，本文采用变步长方式，变步长电阻增量法原理为：光伏电池实际工作点位置距最大功率点处的远近决定了P-I 曲线的斜率大小，若斜率大则使用大步长跟踪，若斜率小则使用小步长跟踪。